흥미로운 미시 세계를 조명하는 양자 역학 Ψ 『과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어』

과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어 ㅣ 알고 싶어
요비노리 다쿠미 지음, 이지호 옮김, 전국과학교사모임 감수 / 한즈미디어(한스미디어) / 2022년 6월

 요즘에는 일상에서도 양자 컴퓨터, 양자 전송 등 '양자 역학' 관련 뉴스를 많이 접하게 된다. 그리고 현대인의 필수품인 스마트폰에도 양자 역학의 이론이 적용되고 있다. 양자 역학을 이해하지는 못하지만, 우리는 이미 양자 역학의 지식을 활용하는 세상에서 살아가고 있다. 그렇다면 궁금증이 몽글몽글 피어나기 시작한다.

도대체 '양자 역학'이란 무엇인가?

이 질문에 친절한 답을 제시하는 책이 있다. <과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어>

과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어/요비노리 다쿠미/한스미디어

알고 싶어 시리즈 4번째 주제는 '양자 역학'이다. 저자는 '상대성 이론'에 이어 '양자 역학'의 세계로 우리를 인도한다. 아주 친절하고 쉬운 설명으로 말이다.

이 시리즈의 특징은 다쿠미 선생님이 직장인 20대 여성 에리에게 강의를 하는 방식으로 구성된다는 것이다. 에리 캐릭터가 수포자라는 설정이기에 핵심적인 내용을 복잡한 수식이나 계산 없이 도표와 그림, 실험과 사례를 사용하여 이해하기 쉽게 전달하고 있다. 수강생 에리는 독자 역할을 톡톡히 수행하고 있다. 다쿠미 선생님 강의를 집중해서 듣고, 궁금한 점이나 이해가 잘되지 않는 사항에 대해 질문을 하거나 핵심을 다시 한번 정리해 준다. 두 캐릭터의 티키타카를 지켜보는 재미가 있다. 점점 해박해지는 에리를 보면서 '어, 나는 아직 아닌데… 이해가 안 되는데.' 위기의식과 경쟁의식을 혼자 느끼기도 한다.

양자 역학은 미시세계의 물리학이다. 우리가 알고 있는 물리학인 역학, 전자기학, 열역학 등은 거시 세계를 설명해 주는 고전물리학이다. 시간과 공간이 절대적인가, 상대적인가 관점에서 상대성이론과 대치되고, 거시적인 성질만 다룬다는 점에서 확률적·통계적·미시적으로 다루는 양자역학과 대치된다. 하지만 인간의 상식(긴 시간 확립된 이론을 교육받아 후천적으로 형성된)에 부합하는 고전물리학은 대부분의 일상에서 일어나는 물리현상에 충분히 부합되고 있다. 긴 시간에 걸쳐 체계적으로 확립된 고전 물리학과는 달리, 양자 역학은 과학자들 사이에서도 의견이 분분하다. 저자도 미시 세계의 물리 법칙이 거시 세계의 물리 법칙과 어떻게 연결되어 있고 그 경계는 어떻게 되어 있는지를 밝혀내야 하는 문제가 남아있다고 밝히고 있다.

뜨거운 감자, 양자 역학!

그 놀라운 세계로 우리를 이끌어주는 <과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어>

HOME ROOM

1. 수식 없이도 양자 역학을 이해할 수 있다.

2. 양자 역학은 새 시대의 필수 교양!

3. '미시 세계'의 물리학

4. '미시 세계'에서는 물리 법칙이 달라진다.

5. 양자 역학을 공부하는 의미

6. 양자 역학의 4가지 포인트

'양자 역학'에 대한 다쿠미 선생님의 강의를 시작하기 전에 HOME ROOM으로 큰 틀과 의미를 정리해 주니 더 수월하고 진지하게 시작할 수 있었다. 특히 양자 역학을 공부하는 게 일상생활에서 몸에 뱄던 고정관념을 버리고 새로운 발상을 받아들이는 훈련이 되며, 새로운 관점에서 바라보는 즐거움과 감동을 언급하는 부분이 인상적이었다. 과학은 우리가 살고 있는 이 세상을 바라보고 이해하는 창이다. 어떤 창을 통해 보느냐에 따라 달라지는 게 풍경이다. '양자 역학'이라는 흥미로운 창을 통해 세상을 이해하고자 하면 무슨 일이 벌어질지 기대된다.

16강을 통해 차근차근 단계를 밟아 양자 역학을 알려주고 있다.

 * 입자는 입자, 파동은 파동으로 분리되던 세상이 입자일 수도 있고, 파동일 수도 있는 이중성을 띄게 되었다.

* 파동을 통해 전자의 존재 확률을 생각해 볼 수 있고, 관측하기 전까지는 '어떤 위치에 있었는가?' 같은 확정적인 생각을 할 수 없다.

* 놀랍게도 '관측'이 '결과'에 영향을 끼친다. 이 부분이 제일 흥미로우면서도 아리송한 부분이었다. 양자의 세계에서 '정보를 얻는 것'이 결과에 영향을 끼치는 현상이 신기하고 재밌지만 솔직히 지금도 이해가 되지 않는다.

* '터널 효과'로 태양의 핵융합 현상을 설명할 수 있다.

* '불확정성'은 우리의 일반적인 감각과 상식에 반하여 미시 세계를 설명한다.

* 마법 같은 관계인 '양자 얽힘', 아무리 멀리 떨어져 있어도 보이지 않는 실로 이어져 있는 것 같은 관계로 'A가 결정되면 B도 결정'된다.

양자 역학을 이용한 신기술로 '양자 컴퓨터'와 '양자 전송'을 들고 있다. '중첩'과 '양자 얽힘'을 이용한 기술로 기술 자체에 대한 상세한 설명은 어려운 관계로 본질에 대해서만 서술하고 있다. '양자 전송'은 광속을 초월한다? 인간도 '양자 전송'이 가능하다? 등 궁금증을 가질만한 질문을 에리가 대신해주고 친절한 설명은 우리 다쿠미 선생님의 몫이다. 그리고 그 이해와 관심은 읽는 우리 독자의 케이크로 남았다.

아인슈타인 - "신은 주사위 놀이를 하지 않는다(God does not play dice)." Vs 보어 - "신이 주사위 놀이를 하든 말든 당신이 상관할 바가 아니다(Stop telling God what to do)."

다쿠미 선생님이 불확정성을 설명할 때 사용한 주사위의 예를 보면서 두 지성의 논쟁이 떠올랐다. 양자 역학 입장에서는 주사위의 예가 딱! 적당한! 알맞은! 설명이라는 것은 확실하다.

과학자가 아니더라도 흥미롭게 읽을 수 있는 <과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어>

20세기 새로운 과학으로 '상대성 이론'과 함께 세상을 뒤흔든 '양자 역학'에 대해 입문하고 싶은 이들에게 주저 없이 추천한다. 다쿠미 선생님과 에리의 조합은 우리에게 큰 즐거움을 주고 있다. 벌써부터 새로운 알고 싶어 시리즈가 시다려진다.

<한스미디어 출판사에서 제공받아 작성한 서평입니다>