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양자 도약 - 수학은 어떻게 세상을 변화시켰는가
휴 바커 지음, 장영재 옮김 / 알레 / 2026년 3월
평점 :

“인류의 한계를 넘어선 결정적 순간들에는 항상 수학이 존재했다. ”
양자역학은 진짜 말만 들어봤고 양자도약은 뭐야~? 하면서 하나도 몰라 책을 펴기까지도 쉽진 않았고 펴서도 읽은 부분을 읽고 또 읽기도 했다. 그리고 원래는 물리와 가까운 분야 아닐까라고 생각했는데 결국 그 깊은 곳에서는 수학과 밀접한 연관이 있고 기술 진보의 역사와 미래를 수학으로 읽어내는 청사진이다.
책을 읽기 전 찾아본 양자역학의 뜻은 아주 작은 세계를 설명하는 물리학으로 "눈에 안 보일 정도로 작은 것들"이 어떻게 움직이고 행동하는지를 연구하는 학문이고 우리 생활에서는 스마트폰 반도체, 레이저, MRI, 컴퓨터칩, 미래의 양자컴퓨터 등 이런 기술들의 기초가 되는 학문이다.
이 책의 제목인 양자도약은 전자 같은 아주 작은 입자가 에너지 상태를 "계단을 뛰어 넘듯" 갑자기 바뀌는 현상을 말한다. 즉 이 책의 제목이 양자 도약이라는 것은 수학을 통해 우리의 삶이 "엄청난 발전"을 이루었다는 걸 설명하려는 저자의 의도이다.
저자 휴바커는 열렬한 수학 애호가이자 아마추어 수학자이다. 열여섯 나이에 캠브릿지 수학과에 입학한거면…아마추어 수학자는 아니지 않나..생각을 했는데.. 대학에서는 수학의 한 분야인 철학 수학을 전공했기에 아마추어라고 표현한듯 하다. 저자는 대중 과학 저술가로 이미 20년 베테랑 출판 편집자이고 수학이 금융, 기술, 일상에서 어떻게 활용되는지 쉽고 흥미롭게 소개하고자 노력한다.
지은 책으로는 <경제적 자유를 위한 최소한의 수학>, <거짓말하는 숫자들>이 있다.
프롤로그에 첫 문장부터 우주와 수학과 과학의 관계를 설명해준다. 과학은 우주를 지배하는 규칙을 해독하고, 우주가 무엇으로 ’만들어졌는지‘ 알아내려는 시도다, 반면 수학은 물리적 규칙으로부터의 추상화다. 숫자를 통해서 길이, 넓이, 부피, 무게 같은 개념에 계산을 하게 해주고 모두 다 다른 사람들이 공통적으로 이해할 수 있는 하나의 언어이다. 그리고 이런 계산을 통해 과학적 관찰을 쉽게 해주기에 과학은 종종 수학에 의존한다.
수학이 시긴한 것은 허수, 무리수, 무한의 수준, 초월수 등 다차원 물체 같은 미지의 영역까지 확장 될 수 있다는 것에 실존학문이라는 생각을 달리 하게 되었다. 내가 느끼는 수학이 실수에 대한 부분이 컸기에 그렇게 느낀 것이고 실제 수학을 파고 들다 보면 허수, 무리수 등에 대한 개념도 매우 크겠다.
기술이란 이러한 수학, 과학 지식을 활용하여 사람들의 삶의 수준을 높인다. 최초의 기술이란 지렛대를 이용해 무거운 물체를 드는 것이고 두 가지 금속을 결합하여 더 강한 합금을 만드는 등 기술의 발전은 나날이 좋아지고 빨라지고 요즘은 예측이 어려운 수준까지 온 듯하다.
책을 읽으면서 느끼는 것은 수학, 과학 그리고 세부적으로 보면 더 구체적 학문들로 나뉘지만 깊이 깊이 들어가보면 결국 유기적으로 연결되어 있음을 알 수 있다.
우주가 10차원으로 보이는 초끈이론, M 이론에서는 11차원, 보손 끈이론은 26차원을 필요로 한다하니.. 어느정도의 수학에 대한 이론을 논할 수 있으면 수학을 잘한다 혹은 수학을 잘 안다라고 할 수 있을지 궁금해졌다.
이론에 그치지 않고 그걸 기술과 접목해 발명품을 개발해 낸다는것.. 대단하다 느꼈지만 다시 한번 감탄을 멈추지 못했고 오늘날 떠오르는 기술을 수학이 주도하는 방식도 궁금해졌다.




프롤로그를 읽으며 엄청 어려운 수학용어만 나오는거 아닌가 했지만 목차를 보면 우리 일상생활과 매우 밀접한 주제들이 보인다. 그래서 관심이 가는 장부터 펼쳐보았다. 나는 7장 날씨 이야기, 9장 인터넷 암호기술,
12장 무한한 미래를 먼처 펼쳐보면서 시작해보았다.
첫째 아이가 이제는 시계를 읽을 수 있고 달력에 대해 이해하기 시작했는데 7장을 읽으므로 조금 더 체계적인 이야기를 나눌수 있어서 매우 도움이 되었다. 7장의 주제가 날씨라서 더더욱 반가운 이유는 우리는 매일 아침 기가지니에게 묻는다. “지니야~오늘 날씨?” 이제는 43개월 둘째도 자연스레 아침에는 지니에게 날씨를 묻는데 첫째가 지니는 날씨를 어떻게 알고 말해줘? 라고 묻는 대답에 인터넷에 접속하면서 정보를 가져오는 거라고 말해줬는데 7살 아이가 이해하기에는 어렵기도 하고 대답하는 나는 괜히 무안하기도 했다. 너무 성의없는 대답 같아서. 하지만 나 역시 제대로 생각해 보지 않았기에 7장이 더 재미있었던 듯 하다.
저자는 달력을 이해하기 앞서 계절이 어떻게 바뀌는지에 대한 개념부터 알아야 한다고 말한다. 그리고 달력의 개발에 얼마나 방대한 양의 수학적 사고와 창의성이 투입되었는지 알면 신기할 것라 말한다. 일단 달력은 측정과 기록의 축적으로 이루어졌다. 지구의 일일 자전, 한달의 공전 등 이야기가 나오는데 나의 기초 지식의 수준을 실감했다. 읽기 시작하면서부터 읽고 또 읽는 반복의 독서가 시작되었기 때문이다. 어려운 용어들이 나오기는 했지만 그래도 달력이 생기고 그리고 나서 문제점을 해결하기 위해 계속 변화하는 과정을 읽을 때는 흥미로웠다. 태양력은 1년을 태양년의 길이로 만들려는 달력이고 음력은 달의 공전에 기초한 12개월이 있는 달력이라고 한다. 태음태양력은 달의 공전을 기준으로 하지만 태양과의 일치를 복원하기 위해 2-3년마다 주기적으로 윤달을 추가한다. (13개월이 존재하는 해에 한 계절에 보름달이 4번 뜨는 경우, 추가된 보름달을 지칭할 때 블루 문이라는 표현이 사용되곤 했다.) ...결국 기나 긴 시간의 흐름 속에서 결국 '완벽한 시간'을 유지하는 방법에 관한 논의는 끝나지 않았다.
역사 속의 날씨를 예상하던 방법은 말 그대로 반복적인 관찰과 기록을 통해서 비슷한 조건들을 갖추면 같은 날씨일 것이라고 예측한 수준이었다. 17세기 이탈리아 수학자 이자 물리학자인 에반젤리스타 토리첼리가 기압계를 발견하면서 공기에는 무게가 없다고 생각한 것과 다르게 공기는 무게가 있었고 같은 양이라 하더라도 팽창이나 수축이 일어날 수 있다는 것을 알게 되었다. 즉 기압이 하락하면 종종 악천후과 관련이 있어 기압계는 날씨 방향의 단기적 지표를 제공했다.
19세기에는 날씨를 측정하는 여러 가지 방법이 추가 되었는데 프랜시스 보퍼트가 풍력계급을 고안했고 다양한 구름의 형성과 그에 따라 예측되는 국제구름도감을 처음으로 출간하였다.
수치적 기상 예보가 가능하게 된 것은 영국의 수학자 루이스 리처드슨이 날씨가 유체 현상이라는 사실에 출발하면서 유체 역학과 열역학 방정식을 사용하여 분석할 수 있게 된다. 유체의 현재 상태를 관찰함으로써 다음에 무슨 일이 일어날지 예측하는 것이다. 여전히 컴퓨터 없이 편미분 방정식들을(나는 편미분 방정식은 이 책에 처음 들어보았다..) 6주에 걸처 풀면서 다음 5시간을 예측하는 수준이라 결과의 신뢰도가 높지 않았지만 곧 컴퓨터가 등장했고 날씨를 예측하는데 사용하기 시작했다. 컴퓨터도 점차 발전했고 날씨 예측의 정확성을 위해 모델 출력의 통계도 발전했지만 여전히 날씨의 정확도는 떨어졌다.
(1960년대 기상을 예측하는 이야기도 있지만 3번을 읽어 겨우 이해는 했지만 궁금하면 직접 읽어 보길 바란다. 글로 표현하기 참 어려운 용어들도 나오고 복잡하다.)
그래서 오늘 날의 기상 예보에서의 기본이 되는 수학은 무엇일까?
일단 기상학자들이 지구의 표면을 8-16킬로미터 짧은 모서리의 정육면체인 '큐브'로 자르고 다양한 방정식에 입력할 데이터가 필요하다. 여기서 필요한 방정식은 유체 역학을 이해하는데 핵심적인 나비에-스토크스 방정식인데 처음 들어봤다.
이 방정식은 악명높은 미분 방정식이고 '나비에-스토크스 존재성과 매끄러움 문제'로 알려진 문제는 100만 달러의 상금을 수여하는 클레이수학연구소의 밀레니엄 문제 중 하나일 정도로 중요하다고 한다. 이제는 기상을 예측 할 때도 연산을 직접 하기 보다는 컴퓨터 알고리즘을 사용해 작업하지만 중장기적 정보를 제공하고자 일기예보를 미세 조정할 때도 수학이 관련된다고 한다.
날씨 이야기를 읽고 나니 첫째에게 날씨를 어떻게 예측하는지에 대해서는 이 책을 바탕으로 설명할 수 없겠다는 결론이 나왔다. 하하하..
책을 읽으면서 숫자는 비교적 정확하고 거짓말 하지 않는다고 생각해왔는데 조금은 다른 견해가 생기기도 했고 창의적이고 상상력이 필요한 과목이라고 생각하지 않았는데 저자는 마지막에도 강조한다. 미래에 나타날 기술이 아직 무엇인지 알지 못하기 때문에 수학자들의 창의력과 상상력을 이용해서 매우 다른 두 분야를 연결짓는 일에는 수학이 반드시 필요하다고 말한다. 그래서 저자도 의문을 갖는다. 미래의 하이테크 수학은 어떤 모습일까? 그게 무엇이든 우리가 만들어나갈 수학이지 않겠냐고. 수학에 대해서 잘 모르는 사람이었고 지금도 그렇지만 일단 수학은 우리 삶과 매우 밀접하게 존재했고 발전해 왔고 그리고 끝까지 함께 할 학문이라는 것은 정확히 알겠다. 그리고 첫째가 열심히 푸는 수학 문제집은 사실 수학이라고 불릴 수 없지 않을까... 라고 생각하며 책을 덮었다.
