[양자역학이란 무엇인가] 원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론

양자 역학이란 무엇인가 - 원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론, 개정판
마이클 워커 지음, 조진혁 옮김, 이강영 감수 / 처음북스 / 2023년 1월

 

서평 이벤트 신청할 때부터 망설임이 있었다. 물리의 문외한이 과연 물리학의 이론으로 가장 영향력이 있는 '양자역학'에 대해 제대로 이해할 수 있을까?라는 우려에서다. 그러나 고등학교에서 배운 물리 실력으로는 어림도 없을 것이란 생각이 있었지만 서평은 알아서 쓰는 것이 아니라 읽고 나서 알게 되는 것을 써도 될 것이란 생각에 용기를 냈다. 이 책의 내용을 이해하기 위해 필요하다면 다른 책의 도움도 받는다면 못 쓸 이유는 없을 것이란 생각에서다. 특히 〈양자물리학〉이란 영화를 본 기억이 용기에 힘을 보태주었다. 우리 대한민국 사회에서 마약이나 성폭력이 빈번하게 일어난 룸살롱 등 고급 유흥업소를 둘러싼 검찰과 정부의 커넥션도 포함돼 있어 영화 제목과는 얼핏 어울리지 않는다는 느낌으로 오래 전에 관람했지만 아직도 많은 부분이 기억에 남아 있어서 흥미로웠던 영화다. 스토리는 단순하지만 영화 제목만큼이나 흥미로웠다.

생각이 현실을 만든다’라는 양자물리학적 신념을 인생의 모토로 삼은 유흥계의 주인공 ‘이찬우’가 어느 날 유명 연예인이 연루된 마약 파티 사건을 눈치챈다. “불법 없이! 탈세 없이!” 이 바닥에서도 혁신이 일어나야 한다고 믿는 그는 오랫동안 알고 지낸 경찰청 범죄정보과 계장 ‘박기헌’에게 이 정보를 흘린다. 단순한 사건이라고 생각했던 마약파티가 연예계는 물론 검찰, 정치계까지 연루된 거대한 마약 스캔들임을 알게 된 '이찬우'는 이제는 살기 위해 거대 권력과 맞서야 하는 상황에 맞부딪친다. '이찬우’는 ‘박기헌’ 계장을 비롯해 황금인맥을 자랑하는 업계 퀸 ‘성은영’ 등 업계 에이스들과 함께 이 사건을 파헤치기로 한다. 부패 권력에 통쾌하게 맞서라, 생각은 현실을 만드니까. 이것이 양자물리학 이론의 핵심으로 이해됐다.

 

이 책 『양자역학이란 무엇인가』은 저자 마이클 워커가 흥미롭고 알기 쉽게 풀어 씀으로써 양자물리학의 세계로 독자를 안내한다. 양자물리학의 요점은 "세상은 원자로 이루어져 있다. 원자의 세계는 확률이 지배하는 양자역학의 세계이다. 그러므로 이 세상은 양자역학이 지배하는 세계다. 양자역학이 탄생한 배경부터 최첨단 응용까지, 원자부터 우주까지 모든 것"을 알려준다. 알면 알수록 이해하지 못해서 우울해진다는 양자역학을 이 한 권의 책으로 통달할 수는 없겠지만, 적어도 한걸음은 더 들어가 볼 수 있는 기회가 된다.

저자는 책의 서두에 과학자는 기본적으로 세상의 이치를 밝히려고 한다고 운을 뗀다. 그리고 그 과정에서 지금까지의 지식으로는 이해할 수 없는 현상을 만나고, 그 현상을 과학적인 방법으로 이해하려 한다. 고대 그리스의 철학자 데모크리토스는 이 세상이 원자로 이루어져 있다고 주장했다고 밝힌다. 그러나 원자라는 것의 실체가 밝혀지는 데는 그로부터 수천 년이 흘러서였다. 원자의 세계가 조금씩 밝혀지면서 고전적인 지식으로는 이해할 수 없는 일이 일어났다. 심지어 아인슈타인마저 그랬다. 특히 양자역학이란 것을 말이다. 20세기 최고의 물리학자 중 한 사람인 독일의 막스 플랑크는 조금 더 효율이 좋은 전등을 만들려고 흑체복사를 연구했다. 흑체복사란 예전에 많이 사용하던 백열등을 상상하면 된다고 저자는 귀띔한다. 백열등에 전기를 공급하면 필라멘트가 달아오려며 빛과 열을 낸다. 즉, 어떤 물체에 열을 가하면 에너지가 빛과 열이라는 형태로 방출(복사)된다. 이런데 연구 결과 이 에너지가 특정 단위의 덩어리로만 방출되는 것이다.

 

플랑크는 혼란에 빠졌다. 지금까지의 지식으로는 빛은 전자기파의 일종, 즉 파장이었다. 파장은 에너지의 흐름이 연속적이다. 즉 더 뜨거우면 뜨거운 만큼 강한 파장이 나와야 한다. 그런데 에너지가 덩어리 단위로 나온다는 뜻은 빛(에너지)이 입자라는 뜻인가? 입자여야 덩어리 단위로 묶을 수 있다. 실험으로 입증된 바와 같이 빛은 회절과 간섭을 한다. 입자가 어떻게 회절과 간섭을 한다는 말인가? 이 현상을 목격한 플랑크 자신도 이해하지 못했고, 입자일 리가 없다고 믿었다. 이 현상은 나중에 해결될 것이라고만 생각했는데, 이것이 바로 양자(덩어리)역학의 시작이었다고 저자는 설명한다.

저자는 많은 과학자들이 플랑크의 발견과 이론을 좇아 연구한 결과 결론은 빛은 파동과 입자 두 가지 성질을 모두 가지고 있다는 것이었다. 파동이면 파동이고 입자면 입자지, 파동이면서 입자란 무엇인가? 저자는 고전적인 물리 이론으로는 납득할 수 없지만 실제 세상은 그렇게 돌아간다는 것이다. 입자이면서 파동인 무엇인가가 존재한다는 그것이 존재함을 인정하고, 과학적으로 해명할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 그렇게 받아들일 수 있는 유연한 마음가짐이 현대물리를 이해하는 방법이라고 역설한다.

빛이 입자이면서 파동이라면, 다른 입자도 파동성을 가지고 있는 것이 아닐까 하고 의심하는 것이 그 다음 수순이었다. 그리고 그 사실이 밝혀지기 시작한다. 여러 가지 이론과 실험에 의해 원자가 양성자(중성자도)와 전자로 이루어져 있다는 것은 알고 있지만, 문제가 있었다. 전자는 워낙 작은 존재라 그 전자의 에너지만 측정할 수 있을 뿐, 관찰하는 것이 불가능했다. 이 문제를 해결한 것이 슈뢰딩거의 파동 방정식이다. 파동 방정식을 사용하면 전자의 에너지를 계산할 수 있고, 그 계산을 통해 전자의 위치를 확률적으로 알 수 있다.

 

이에 따라 과학자들은 다시 한 번 논쟁하기 시작했다. 파동방정식을 이용하면 결과가 나오기는 하는데, 도대체 무엇이 파동성을 보이는가가 문제였다. 여기에서 세상을 뒤집을 해석이 나온다. 실제 파동은 없고 확률만 파동을 보인다는 것이 그 해석이다. 실제 전자의 위치는 알 수 없고, 확률로만 존재하는 것이다. 이 해석은 아인슈타인의 심기를 건드렸다. “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로, 확률로만 존재하는 세계를 부정했다. 곧 다른 방법이 나오면 전자나 빛의 존재를 정확히 정의할 수 있을 것이라 믿었다.

아인슈타인은 죽는 그 순간까지 양자역학의 확률론적 세계를 지지하지 않았지만, 현대물리학은 확률론적 세계를 조금씩 증명하고 있다고 저자는 강조한다. 무에서 유는 창조되지 않는다고 하지만 확률적으로 보면 제로는 아니기 때문에 원자가 존재하고, 원자들이 모인 세계가 존재한다. 파동방정식을 만든 슈뢰딩거 그 자신도 확률론적 세계를 믿지 못했지만, 세상은 그렇게 돌아간다. 이 책은 그래서 세상의 모든 것을 말해주는 책이다. 수학적인 이야기는 최대한 자제했지만, 양자역학의 역사적 의의는 물론, 그 덕분에 우리가 누리고 있는 기술적 발전과 응용까지 자세히 설명하고 있다. 한번에 이해하기는 힘들겠지만 현대물리학자의 유연한 마음가짐으로 이 책을 들여다보면 세상을 이해하는 다른 지식을 만나게 될 것이다. 다만 저자가 쉽게 설명해도 단 한 권의 책으로 과학자들이 수천 년 연구해온 결과로 현대 과학의 중심 이론이 된 양자역학과 그 세상을 만나기는 어렵다는 사실은 인정하고 들어가야 한다. 더욱이 양자역학 이론에 따라 무한 발전해 가는 산업화 상품들은 우리가 상상에만 의존했던 레이저 광선 총, 또 미사일 요격, 각종 산업에 적용돼 나온 수많은 물건들을 보면 과학의 힘을 믿지 않을 수 없게 된다.

 

이 책은 5부 24장으로 이루어져 있다. 1부 〈발견과 이해(1900~1927)〉, 2부 〈해석, 그리고 상상을 초월하는 영향〉, 3부 〈상대성과 양자의 우리 세계, 빅뱅에서 은하계까지〉, 4부 〈다전자 원자, 화학 및 재료과학의 기초〉, 5부 〈크고 작은 재료와 기기에서 양자 불가사의〉 등이다. 1부에서는 「플랑크, 아인슈타인, 보어-실험과 초기의 견해」, 「하이젠베르크, 디랙, 슈뢰딩거-양자역학과 양자 원자」, 「적용-6억 와트」 등에 대해 알아본다. 2부에는 「양자역학의 본질적 특성」, 「거인들의 격돌-무엇이 진짜일까? 불확정성, 얽힘, 존 벨, 그리고 다세계」, 「이 모든 것들의 의미는?-양자역학, 수학, 그리고 과학의 본질」, 「응용품-양자컴퓨터, 코드 크랙, 순간이동, 암호화」 등에 대한 설명이 쉽게 쓰여 있다. 3부는 「은하계, 블랙홀, 자연의 힘, 힉스보손, 암흑물질, 암흑 에너지, 끈이론」 등에 대한 소개와 연구 내용으로 이루어져 있다.

또 4부에서는 「수소 원자 전자의 에너지, 운동량, 그리고 공간상태」, 「스핀과 자기력」, 「베타와 주기율표」, 「원소의 화학적 성질의 토대 물리」, 「화학적 결합의 몇 가지 형태, 예시」, 「고체 물질의 구성」, 「절연체, 그리고 보통 금속과 반도체의 전기적 전도」에 대해 기술돼 있다. 5부에는 「나노기술」, 「초전도체」, 「핵융합 발전과 국방에 사용되는 레이저」, 「자성, 자석, 자기물질, 그리고 그 응용」, 「그래핀, 나노튜브, 그리고 '꿈의' 응용품 한 가지」, 「반도체와 전자기기의 응용」, 「초전도체2-과학, 전력 생산 및 전송에서의 거대한 응용」에 대해 개념 설명과 함께 양자역학의 범위를 소개하고 있다. 이 책에서 양자역학을 이용한 응용 제품은 말 그대로 꿈의 기술을 이용한 불과 몇 년 전에도 상상하지 못하던 제품들이 빠른 속도로 생산되고 있다는 점을 확신할 수 있게 해준다. 저자는 「서문」에서 "엔지니어가 설계하는 데 사용하는 현대적 도구와 기계 속의 어떤 부품은 사실 양자론적 시각의 산물이라는 사실은 주목할 만하다. 여기에는 레이저와 초전도체 그리고 모든 현대 반도체 전자장치가 포함된다"고 말한다. 지금 우리가 누리는 세상의 거의 모든 제품들이 양자역학 이론의 결과라는 말이다. 과연 우리는 과학의 시대에 살고 있다는 말이 새삼스럽게 가슴에 들어와 박힌다.

 

저자의 서문의 글은 이 책의 전체 내용을 압축해 설명해 놓았다. 특히 책의 내용 중 각 부나 장(章)으로 이어지는 기술에서 우리는 학창 시절 때 배웠던 예습과 복습을 하는 형식으로 부와 부가 이어지고, 장과 장이 이어졌다는 사실을 눈치 채는 일은 즐겁다. 저자 마이클 워커만의 독창적인 책 기술 방법인지, 아니면 과학의 연속성을 담아내려는 의도인지 알 수 없지만 매우 흥미롭고 즐거운 독서로 이끌어준다. 이 책을 읽는 독자들에게 한 마디 귀띔을 하자면 1부 1장의 책 머리에 첫 〈사진 1.1〉(p.22) 제 5회 솔베이 국제회의 참가자들, 주제는 양자역학, 1927년 10월 24~29일이라는 설명을 꼭 기억해두는 게 좋다. 여기에 나온 인물들은 20세기 현대 물리학의 주역들이라고 해도 무방하다. 책의 설명에 따르면 벨기에의 기업가 어니스트 솔베이가 후원한 이 회의는 새로운 양자역학을 지속적으로 발전시키겠다는 목적으로 '최고의 물리학자가 함께한 유례없이 흥분된 모임'이었다. 그림 1.1에 이 그룹과 다섯 명의 게스트가 보인다. 이 그룹 중 17명이 당시 물리학 또는 화학 노벨상 수상자이거나 후에 수상자가 되었다. (참고 : 노벨상은 수여하는 시점에 생존해 있는 과학자에게만 주어진다. 그리고 작업이 세상에 끼친 가치가 인정을 받는 데까지 대개 많은 세월이 걸린다. 그래서 수상할 만한 많은 과학자가 그 전에 세상을 떠났다).

솔베이 국제회의가 열린 당시 물리학계는 양자론의 해석과 도입에 극단적인 관점을 보이는 두 개 진영으로 나위어 있었다. 앨버트 아인슈타인(사진 속 첫째 줄 중간)이 이끄는 한 진영과 닐스 보어(두 번째 줄 오른쪽 맨 끝)가 이끄는 다른 진영이 그들이다. 이들의 견해는 최근 판정이 났지만, 이때는 처음으로 양측의 모든 주요 주자가 회동해 발표하는 순간이었다. 말하자면 거인들의 격돌이었다. 한 가지 더 원자폭탄에 관한 사실 하나를 확실하게 이 책을 통해 알 수 있었다. 어쩌면 다 알려진 사실을 독자만 몰랐는지 모르지만, 이 책은 원자폭탄 제조는 독일이 먼저 시작했다고 밝힌다. 19세기 후반 독일은 유럽의 대표적 과학의 국가였다고 한다. 당시 후원이 막강했고 이를 발판으로 많은 물리학뿐만 아니라 생물, 화학 등의 과학자가 압도적으로 많았다고 한다. 1920~1930년 대 정권을 잡은 히틀러가 나치를 창당하고 전쟁 준비에 돌입하면서 원자폭탄 제조 연구를 시작했다는 것. 아인슈타인은 유대인 출신이어서 미국으로 망명했고, 아인슈타인이 당시 미국 대통령인 루스벨트에게 원자폭탄 제조를 건의했고, 처음에 받아들여지지 않다가 나중에 독일이나 일본이 원자폭탄 제조를 한다는 정보를 입수하고 제조 명령을 내렸다고 한다. 이른바 '맨해튼 프로젝트'다. 당시 경제력을 바탕으로 뒤늦게 뛰어든 핵폭탄 제조에 가장 먼저 성공한 것이 결과적으로 제 2차 세계대전을 마무리할 가공할 만한 무기로 떠오른 것이다.

 

우리는 아름답고, 흥미로운 양자세계에 살고 있다. 우리 자신도 양자로 이루어진 존재다. 모든 생명과 물질은 양자이며, 우리의 기술은 양자론을 이해하면서 점점 진보하고 있다. 하지만 대다수는 이 이론을 어렴풋이 알고 있을 뿐이다. 1900년, 독일 물리학자 막스 플랑크는 뜨거운 물체로부터 그가 ‘양자quanta’ 라고 이름 붙인 에너지 덩어리 형태로 빛이 방출된다는 것을 발견했다. 이 발견은 이후에 양자혁명, 양자론, 양자역학, 양자세계와 같은 용어를 탄생시키는 빙산의 일각이었다. 호기심 많은 일반 독자가 이러한 양자세계를 쉽게 이해할 수 있도록 하려고 이 책을 썼다. 지난 120년간 일어난 풍부한 과학적 발견과 이와 연관된 인간사와 갈등을 역사적으로 서술해 나가고자 한다.(p.12~13)

저자 : 마이클 워커(Michael S. Walker)

은퇴한 물리학자, 재료과학자, 공학자, 발명가, 프로젝트 매니저다. MIT와 카네기 멜론 대학교에서 학위를 받았다. 초전도체와 그에 대한 응용이 저자의 전문 연구 분야다. 수많은 논문을 발표했고 다량의 특허도 가지고 있다. 1989년, 자화된 유체를 가지고 여러 가지 물질을 분리하는 방법을 고안한 공로로 뉴욕 동부 변리사 협회로부터 올해의 발명가 상을 받았다.

역자 : 조진혁

어렸을 적 글쓰기와 영어를 좋아했다는 사실을 상기하고는 번역을 직업으로 삼게 되었다. 뉴욕에서 지금의 아내를 만나 귀국해 현재 인천에서 두 아이들과 함께 단란하게 살고 있으며 번역회사를 운영 중이다. 도서번역을 통해 앞으로 많은 독자들과 교감을 나눌 바램을 갖고 있다.

감수 : 이강영

서울대학교 물리학과를 졸업하고 카이스트에서 입자물리학으로 석사 학위와 박사 학위를 받았다. 서울대학교 이론 물리학연구센터, 연세대학교 자연과학연구소, 고등과학원 등에서 연구했고 카이스트, 고려대학교, 건국대학교의 연구교수를 지냈다. 지금까지 입자물리학의 여러 주제에 관해 70여 편의 논문을 발표했다. 지은 책으로 『LHC, 현대 물리학의 최전선』, 『보이지 않는 세계』, 『스핀』, 『불멸의 원자』 등이 있다. 현재 경상대학교 물리교육과 교수로 재직하고 있다. 『LHC, 현대물리학의 최전선』으로 52회 한국출판문화상 저술(교양)부문을 수상했다.

 

<출판사로부터 도서를 제공받아 작성된 리뷰입니다.>