양자물리학 입문 초등 과학책 - 양자물리학으로 풍덩

양자물리학으로 풍덩! - 상식을 벗어난 세계로 떠나는 작고 거대한 과학 여행 ㅣ 나를 지키는 괜찮은 생각 5
로베르트 뢰브.올리버 슈메링 지음, 아론 쿠쉴리 그림, 유영미 옮김, 김재영 감수 / 아울북 / 2024년 5월

양자역학이 어렵게 느껴지는 이유는 원자 단위의 미시세계를 설명하는 학문이면서, 우리의 상식과는 다른 특징을 보이기 때문일 것인데요.

양자물리학을 배워야 하는 이유는 무엇일까요? 우리 몸도, 우리가 사는 자연물질도 모두 원자로 되어 있으니 사실 이 세상을 제대로 이해하려면 양자역학을 아는 것이 도움이 될 것입니다. 또한 PC, 휴대폰, GPS 등의 최신기술에도 깊숙이 활용되고 있죠.

어렵게 느껴지기는 하지만 조금 더 쉽게 접할 수는 없을까요? 이러한 고민을 해결해 줄 초등과학책이 신간으로 나와 읽어보았습니다.

저자 로베르트 뢰브는 독일 슈투트가르트 대학교에서 강의도 하고 전시회도 주재하는 양자물리학자입니다. 

어린이를 위한 콘텐츠를 제작하는 올리버 슈메링과 함께 이 책을 집필하여 양자의 세계로 초대합니다.

책에서 설명하는 주요 개념

시간과 엔트로피

p.10~p.29.

우선 "시간이 무엇일까?"라는 질문으로 시작합니다. '지금' 이 순간은 붙잡을 수 없고 바로 지나가버리죠. 다만 방향과 간격은 알 수 있지요.

시간의 방향은? 엔트로피로 설명될 수 있죠. 질서에서 무질서로 향한다는 것 말이에요. 아이의 방을 정리해 줘도 금방 어질러지잖아요? 화가 좀 나고 답답하긴 하지만, 그게 시간의 자연스러운 흐름이라는 걸 이해할 수 있어요. 다시 정돈된 방으로 정리하기 위해서는 에너지가 필요합니다.

그렇다면 시간의 간격은 어떻게 잴까요? 지구가 한 바퀴 도는 자전주기를 24시간 하루로 정의하는 건 이해하기 쉽죠. 다만 1초는 정확히 어떻게 정의해야 할지 막막한데요. 1초 동안 세슘 원자는 92억번 진동한다고 해요. 원자의 진동수를 세어 정확한 시간 측정이 가능해졌죠. 

다만 높이에 따라 중력이 달라져 시간이 다르게 흐른다고 해요. 물론 느끼지 못할 차이겠지만 말이죠. (시간도 생각보다 참 어렵습니다.) 그렇다면 높은 곳과 낮은 곳 중 어느 곳의 시간이 더 빠르게 흐를까요? (29페이지 하단의 아래 내용을 보면 확인할 수 있답니다.)

양자 방울, 빛알, 입자이자 파동

p.34, p.60

전자가 원자핵 주변 궤도를 도는 모습은 행성이 태양 주위를 공전하는 모습을 상상할 수도 있지만 이와는 달라요. 특정 위치에 존재하며 순환한다기보다는 동시에 여러 장소에 확률적으로 퍼져있기 때문인데요. 이것을 이 책에서는 "양자 방울"로 표현합니다. (얼룩이나 비눗방울을 뜻하는 'Blob'이라는 단어를 바탕으로 김재영 감수자가 제안)

광자는 '빛알'로 표현합니다. 예쁜 순우리말 활용도 과학이 좀더 가깝게 느껴지는데 도움을 주는 것 같아요. 

그 밖에 양자의 불확정성, 양자의 얽힘 현상에 대해서도 확인할 수 있습니다.

슈뢰딩거의 고양이, 중첩

p.64

슈뢰딩거의 유명한 사고 실험, 슈뢰딩거의 고양이도 소개됩니다. 아무도 보지 않는다면 고양이는 죽은 것이기도 하고, 살아있는 것이기도 하다는 건데요. 

마찬가지로 빛이나 전자는 입자일 수도 있고, 파동일 수 있습니다. 이렇게 특정 조건에서 물질이 동시에 여러 가지 상태로 존재하는 것을 중첩이라 한다는 것도 배울 수 있어요.

양자물리학의 미래

p.78~p.83

컴퓨터는 일반적으로 0과 1의 2진법인 '비트'로 계산되는데요. 양자컴퓨터의 큐비트는 중첩과 얽힘 현상을 활용해 더 빠른 계산이 가능하다고 합니다. (큐비트는 양자비트-Quantum bit라고도 합니다.)

특히 최적화된 경로를 찾는 데 효율적이라고 합니다. 기존 컴퓨터는 모든 경로를 일일이 다 확인해 봐야 하는데, 양자컴퓨터는 모든 루트를 동시에 계산한다니 말이죠(p.80)

총평

사실 이 책 한 권 읽는다고 양자물리학에 대해 제대로 이해할 수 있을 거라 기대하기는 어렵겠습니다. 

그렇다고 자책할 필요는 없어요. 리처드 파인만이 말했듯 양자역학을 완벽히 이해하기는 정말 어려우니 말이에요.

양자역학 관련 다양한 개념을 그림과 함께 표현하고 있어서 간략한 개념을 이해하는 데는 도움이 되리라 생각합니다. (이런 개념이 있었지 정도) 이후 관련 내용을 접한다거나, 반복해 보다 보면 좀 더 익숙해지겠지요?

양자컴퓨터는 우리나라뿐 아니라 선진국에서도 실용화를 위해 열심히 연구하고 있는 분야이기도 한데요.

이 초등과학책을 통해 어린이들이 호기심을 키워 우리나라의 미래기술을 이끄는 과학자로 성장하는 데 도움이 되길 바랍니다.