<북유럽 서평 카페의 소개로 출판사로부터
책을 제공받아 주관적으로 작성한 글입니다.>
독자 개인적인 기억으로는 고등학교 다닐 때부터 수학과 물리학은 거리가 멀었다. 이해도 어려웠고, 시험을 쳐도 점수가 기대만큼 나오지 못했다. 나중에는 이런 게 사회 나가서 쓰임새가 있을까? 하는 '수포자'가 되는 포기 단계를 밟았다. 고2부터는 문·이과 선택제였는데 부모님 의견대로 이과를 선택했지만 수학 물리가 이래서야... 할 정도로 낮은 점수에 거의 포기하는 단계에 이르렀다. 대학도 이공계가 아닌 문과계열로 치렀다. 본 시험이 있을 때인데 문과계열은 수학이 선택 과목이었고 따라서 수학 대신 사회 과목으로 치렀다. 다행히 점수가 괜찮았는지 무난히 입학했다. 덕분에(?) 수학이나 물리학은 영원히 멀어졌다. 대학 생활은 물론이고 사회에서도 크게 불편하지 않았다. 수학 못한다고 사회 생활에 큰 문제는 없을 터였다. 그래도 수학이나 물리학에 대해 이론의 이름이나 과학자·수학자의 이름은 아는 사람이 몇 명은 있었다.
그렇게 사회 생활도 적응해(엄밀히 이야기하면 반쪽짜리) 가다가 몇년 전 〈양자물리학〉이란 영화를 봤다. 양자물리학이란 생소한 이름의 영화여서 관심이 갔다. 그러나 내용은 제목을 보고 상상하던 것과는 완전히 달랐다. ‘생각이 현실을 만든다’라는 양자물리학적 신념을 인생의 모토로 삼은 '유흥계의 화타' 주인공 이찬우가 어느 날 유명 연예인이 연루된 마약 파티 사건을 눈치챈다. “불법 없이! 탈세 없이!” 이 바닥에서도 혁신이 일어나야 한다고 믿는 그는 오랫동안 알고지낸 범죄정보과 계장 박기헌에게 이 정보를 흘린다. 단순한 사건이라고 생각했던 마약파티가 연예계는 물론 검찰, 정치계까지 연루된 거대한 마약 스캔들임을 알게 된 이찬우는 이제 살기 위해 거대 권력과 맞서야 하는 상황이 됐다. 이찬우는 박기헌 계장을 비롯해 황금인맥을 자랑하는 '업계 퀸' 성은영 등 업계 에이스들과 함께 이 사건을 파헤치기로 한다. 부패 권력에 통쾌하게 맞서라! 생각은 현실을 만드니까!라는 슬로건은 양자물리학과 관계가 있는 듯했다. 그러나 영화의 분위기는 전형적인 범죄오락액션이다. 무슨 제목과 내용이 이렇게 맞지 않은 영화가 다 있나? 하면서도 양자물리학이란 용어를 제대로 알기 위해 사전을 찾았다.
백과사전을 찾아 읽어도 쉽지 않다. 무엇을 말하는지는 알 것 같지만 "이해했다"고 말하기는 어줍잖다. "양자역학은 분자, 원자 등 아주 작은 입자들을 연구하는 분야로 현대 물리학의 기초 이론이라고 한다. 플랑크의 양자 가설을 계기로 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 디랙 등에 의해 만들어졌다. 양자역학은 뉴턴의 고전역학과 반대되는 개념이다. 고전역학이 거시세계를 탐구하며 현재의 조건으로 미래의 상태를 완전히 예측할 수 있다는 결정론적인 관점이라면, 양자역학은 미시세계를 탐구하며 현재 상태에 대해 알더라도 미래에 일어나는 사실을 정확하게 예측하는 것은 불가능하다는 확률론적 입장이다. 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주고, 과학기술, 철학, 문학, 예술 등에도 중요한 영향을 미치고 있다." 아무래도 쉽게 이해하기 어려운 이유는 물리학의 기초가 제대로 갖춰지지 않은 탓일 터, 이쯤해서 이 책 『처음 만나는 양자의 세계』로 다시 눈을 돌린다.
저자 채은미는 〈서문〉을 통해 '양자 과학 기술'에 관한 관심이 유례가 없을 정도로 높다고 강조한다. 양자 역학이라는 이론이 가진 신비함과 그 신비함이 열어줄 미래에 대한 기대 때문일 것이라고 추측하며, 저자는 많은 분들이 양자 과학 기술의 근간인 양자 역학에서부터 그 기술의 특징, 현재 상황, 문제점 그리고 앞으로의 전망까지 모두 이 책에 싣는다고 밝힌다.
저자에 따르면 양자 역학은 이제 선택이 아니라, 지금을 살아가는 우리 모두에게 필요한 최소한의 교양이다. 이 책은 어렵고 낯설게만 여겨졌던 양자 세계를 누구나 이해할 수 있도록 친절하게 풀어냈다. 파동과 입자의 이중성, 불확정성 원리, 양자 중첩과 얽힘 같은 핵심 개념을 생생한 비유와 흥미로운 이야기로 설명해, 수학에 자신이 없어도 읽는 순간 바로 이해할 수 있다. 우리가 손에 쥔 스마트폰, 매일 사용하는 GPS, 인터넷과 레이저, 그리고 미래를 바꿀 양자 컴퓨터까지, 일상과 연결된 구체적인 사례를 통해 양자가 얼마나 가까운 교양인지 보여준다. 특히 양자 컴퓨터는 비트코인 보안과 금융 시스템, 신약 개발, 인공지능에 이르기까지 우리의 삶 전반을 뒤흔들 새로운 패러다임을 제시한다. 저자는 하버드대학교에서 박사학위를 받고 현재 고려대학교 물리학과 부교수로 재직 중이다. 초저온 분자와 양자정보를 연구하는 젊은 물리학자다.
저자는 양자 역학을 교양의 중심에 세우며 독자에게 다정히 말을 건넨다. 이 책을 펼치는 순간, 양자는 더 이상 낯선 학문이 아니라 독자들의 교양이 될 것으로 기대된다. 도대체 ‘양자역학’이라는 낯선 물리학 이론이 생활과 무슨 관계가 있을까? 우리 일상과 관계가 깊다는 말에 독자처럼 문외한도 관심을 갖게 되고 궁금해지는 것은 분명하다. 백과사전은 이 질문에 대답하기 위해 반도체 없는 컴퓨터를 상상해 볼 것을 권유한다. 반도체가 없다면 노트북, 스마트폰과 같이 작은 컴퓨터의 탄생이 불가능했을 것이라는 주장이다. 현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명하는 등 현대인의 삶에 지대한 영향을 끼치고 있는, 많은 기술들의 이론적 바탕이 됐다고 사전은 밝히고 있다. 또한 양자역학은 과학기술의 측면뿐 아니라 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐, 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 사건으로 꼽힌다. 현대 물리학의 기초가 된 양자역학은 무엇인가?
사전에 따르면 이 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)이다. 그는 Quantenmechanik(크반텐메하닉)이란 이름을 붙였다. 그것이 그대로 영어로 번역된 뒤에, 일본에서 ‘量子力學(료오시리키가쿠)’라 새로 번역됐다. 이것이 우리나라에 그대로 들어와 ‘양자역학’이란 용어로 번역됐다. 양자역학이란 말을 이해하려면 ‘양자’와 ‘역학’을 각각 살펴보는 것이 좋다. ‘양자’로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. ‘역학’은 말 그대로는 ‘힘의 학문’이지만, 실제로는 ‘이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론’이라고 할 수 있다. 간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이다. 이렇듯 양자역학이란 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라는 설명이다.
이 책은 2부 29장(章)으로 이루어져 있다. 1부 〈아름답고 신비한 양자의 세계〉, 2부 〈양자 컴퓨터가 이끄는 미래〉이다. 1부에는 「세상은 아주 작은 것들로 이루어져 있다」, 「우리가 매일 만나는 양자, 빛」, 「양자가 안내하는 길, GPS의 비밀」 등 14개 장이 있다. 2부에는 「어떤 문제든 풀 수 있는 범용 앙자 컴퓨터」, 「큐비트는 어떻게 만들 수 있을까?」, 「양자 컴퓨터와 인공지능의 만남」 등 15개 장이 이어진다. 1부 2장 「거인들의 질문이 모여 양자의 길을 열다」에서 저자는 19세기 말 이미 빛은 전기장과 자기장이 공간 속에서 펴져 나가는 전자기파임이 밝혀졌다고 말한다. 하지만 빛을 단순히 전자기파로 본다면 냉광이나 광전 효과를 설명할 수 없었다. 빛이 파동이라면 진동수와 파장을 가질 것이다. 아인슈타인이 1905년 발표한 ‘빛알이론’은 양자론의 기초가 됐다. 아인슈타인은 빛이 파동이긴 하지만 그 에너지가 일정한 단위로 띄엄띄엄 떨어져 있다고 제안했다. 이 제안이 빛이 ‘양자’라는 것을 가장 잘 보여준다고 한다. 1900년, 아인슈타인의 스승이었던 독일의 막스 플랑크가 흑체복사라는 현상을 설명하기 위해 빛알 이론과 직접 통하는 아이디어를 제안한 적이 있었다. 플랑크의 복사 법칙이라 불리는 이 법칙을 설명하면서 그는 최초로 ‘양자’의 개념을 주장했고, 이는 양자역학의 토대가 된다고 저자는 설명한다.
책에 따르면 1911년 영국의 어니스트 러더퍼드, 1913년 덴마크의 닐스 보어가 새로운 원자 모형을 제안했고, 이들의 모형은 마치 태양계처럼 한가운데 원자핵이 있고 그 주위를 전자들이 궤도를 이루면서 회전한다. 닐스 보어는 이 원자 모형이 제대로 작동하기 위해서는 모든 궤도가 허용되는 것이 아니라 띄엄띄엄 떨어진 몇 개의 궤도만 허용 가능하다고 가정해야 함을 주장했다. 이후 양자역학은 초기의 ‘양자’ 가설을 기본으로 삼아 전혀 새로운 역학으로 탄생했다. 1925년 무렵부터 독일의 막스 보른, 베르너 하이젠베르크, 파울리, 파스쿠알 요르단 등이 행렬이라 부르는 수학 기법을 이용해 기존의 역학과 완전히 다른 새로운 역학을 만들어냈다. 이로써 그동안의 어려움을 모두 극복할 수 있었다. 처음에는 이 역학을 ‘행렬역학’이라 불렀다.
그 뒤 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 새로운 방정식과 더불어 ‘파동역학’이라고 부르는 새로운 역학을 제안했다. 행렬역학과 파동역학 모두 그동안 난관에 부딪혔던 현상들을 아주 탁월하게 설명해냈다. 여기에 영국의 폴 디랙이 제안한 새로운 이론이 덧붙여졌다. 막스 보른은 이 새로운 역학에 ‘양자역학’이라는 멋진 이름을 붙여주었다.
2부에서 저자는 실제 양자 역학을 이용한 새로운 기술이 개발되고 있고, 양자 컴퓨터의 어제와 오늘 그리고 미래에 대해 설명한다. 이에 따르면 양자 역학은 더 이상 학문의 언어에만 머무르지 않는다. 이제는 인류의 미래를 근본부터 흔들고, 새로운 질서를 만들어낼 기술로 발전하고 있다. 양자 컴퓨터는 기존의 슈퍼컴퓨터가 수억 년을 투자해야 풀 수 있는 난제를 단숨에 계산할 수 있는 잠재력을 지녔다. 특히 쇼어 알고리즘은 오늘날 비트코인과 인터넷 보안의 핵심인 암호 체계를 순식간에 무력화할 수 있다고 알려져 있으며, 이는 금융과 사이버 보안의 판도를 바꿀 수 있는 중대한 가능성을 시사한다. 더 나아가 복잡한 물류망 최적화, 신약과 신소재 개발, 인공지능의 비약적 도약까지?양자 컴퓨터가 열어 갈 미래는 이미 눈앞에 다가와 있다.
이 책 『처음 만나는 양자의 세계』는 양자 역학의 최신 연구 흐름을 알기 쉽게 정리하며, 초전도·중성 원자·이온 트랩·광자 기반 등 다양한 양자 컴퓨터의 원리를 한눈에 보여 준다. 나아가 세계 각국이 앞다투어 뛰어드는 유망 기업과 기술 현황까지 소개해, 독자가 다가올 양자 시대를 준비하는 데 꼭 필요한 통찰을 전한다. 이 책은 이러한 최첨단 흐름을 누구나 이해할 수 있도록 흥미롭게 설명하며, 우리가 곧 맞이할 ‘양자 시대’를 준비하는 지적 무기가 되어 줄 것으로 기대된다.
오늘을 살아가는 우리에게 과학은 더 이상 선택이 아닌 필수다. 스마트폰으로 사진을 찍고, 집 안의 LED 조명 아래에서 책을 읽으며, 길을 잃지 않게 도와주는 내비게이션을 켜는 일상적인 순간마다 사실은 ‘양자 역학’이 숨어 있다고 한다. 앞서 독자가 언급한 대로 막상 양자 역학을 공부하려 들면, 수식과 낯선 개념 앞에서 쉽게 포기했던 경험이 누구나 한 번쯤은 있을 것이다. 이 책은 이런 두려움을 다정하게 덜어 준다. 파동과 입자의 이중성, 전자의 드 브로이 파동, 슈뢰딩거의 고양이처럼 교과서에서 이름만 듣고 지나쳤던 주제들을 생활 속 사례와 직관적인 비유로 풀어내며, 어렵게만 느껴졌던 양자 세계를 눈앞에 그리듯 설명한다. 이 책은 복잡한 공식 대신 이야기와 상상을 통해 독자가 자연스럽게 이해하고, 읽는 순간 곧바로 “아, 이런 것이구나” 하고 깨닫게 만드는, 친절한 양자 교양서라고 독자는 믿는다.
양자 역학은 이처럼 수많은 과학자들의 통찰과 도전이 쌓여 완성된 학문입니다. 그리고 오늘날 우리가 사용하는 반도체, 레이저, 양자 컴퓨터 등 첨단 기술의 토대가 되었지요. 우리가 사용하는 많은 기술이 이 작은 양자의 세계에 기반을 두고 있다는 사실은 과학의 경이로움을 다시 한번 깨닫게 합니다.
보이지 않는 아주 작은 세계를 이해하려는 인간의 노력은, 결국 우리가 사는 거대한 세상의 원리를 밝혀내는 열쇠가 되었습니다. 이처럼 양자 역학은 단지 물리학의 한 분야를 넘어, 우리가 세상을 이해하고 미래를 상상하는 방식 자체를 바꿔 놓았습니다. 그리고 이 위대한 지적 여정은 앞으로도 계속 이어지겠지요.(p.29) - 「인간의 위대한 지적 여정」 중에서
이러한 가능성에 대비해 암호화폐 업계에서는 양자 내성 암호로의 전환 논의가 활발히 이뤄지고 있습니다. 실제로 이더리움Ethereum이나 퀀텀 레지스턴트 레저QRL 같은 일부 블록체인 프로젝트는 양자 내성 암호를 실험적으로 도입했습니다. 또 비트코인 사용자 입장에서는 공개키가 노출된 오래된 주소 대신 새로운 주소를 사용하거나 다중 서명 지갑과 하드웨어 월렛을 활용하는 것이 보안을 강화하는 방법이 될 수 있습니다.
비트코인 프로토콜 자체도 필요하다면 하드포크30를 통해 양자 내성 암호로 업그레이드할 수 있습니다. 다만, 하드포크는 네트워크의 모든 참여자가 새로운 규칙을 따르도록 소프트웨어를 교체해야 하며, 그 과정에 시간이 소요됩니다. 하지만 구조적으로 이러한 변화가 가능하다는 점에서, 비트코인은 미래 상황에 대응할 유연성을 가지고 있다고 볼 수 있습니다.(p.230) - 「내 비트코인은 안전할까」 중에서
저자 : 채은미
고려대학교 물리학과 교수. 레이저가 만들어내는 다채로운 빛의 아름다움에 매료되어 실험 물리학의 길에 들어섰다. 일본 도쿄대학교에서 학사와 석사 과정을 마치고, 미국 하버드대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 이후 일본 교토대학교 박사후연구원, 도쿄대학교 Photon Science Center 조교수를 역임했다. 현재는 극저온 분자와 레이저를 활용한 양자 기술을 연구하는 동시에, 대중과 소통하며 과학을 쉽고 친근하게 전하는 일에 힘쓰고 있다. EBS 특집 방송 등 다양한 매체에 출연해 어렵게만 느껴지는 양자 과학을 이해하기 쉽게 풀어내고, 미래 세대를 위한 과학 교육과 융합 연구 확산에도 기여하고 있다. 『처음 만나는 양자의 세계』는 그가 집필한 첫 대중 교양서로, 더 많은 사람에게 양자 역학과 양자 컴퓨터의 세계를 알리고자 하는 의지를 담았다.
