세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리

세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리 - 광학의 역사부터 슈뢰딩거 방정식의 탄생까지 ㅣ 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 5
정완상 지음 / 성림원북스 / 2023년 11월

양자역학 발전의 역사

책을 선택한 이유

양자컴퓨터 는 기존 컴퓨터의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목 받는다.

양자컴퓨터의 기초가 되는 양자역학은 최신 기술이 아니라

거의 백 년 전에 발견된 이론이다.

양자역학에 대해 알아보기 위해 "세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"를 선택한다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

첫 번째 만남 광학의 역사

두 번째 만남 물질의 이중성

세 번째 만남 푸리에 급수와 푸리에 변환

네 번째 만남 불확정성원리 논문 속으로

다섯 번째 만남 해석역학의 역사

여섯 번째 만남 슈뢰딩거 방정식의 탄생과 불확정성원리의 완성

으로 구성되었다.

첫 번째 만남 광학의 역사 에서는

양자역학의 탄생을 이해하기 위해서는

빛의 물리학인 광학의 역사부터 이해해야 한다.

그리스 헤론 은 빛에 관한 성질을 최초로 발견한다.

헤론 은 평면거울에 반사된 빛의 입사각과 반사각이 같음을 알아낸다.

네델란드의 스넬 은 빛의 굴절 현상에 대한 명확한 법칙을 밝혀낸다.

페르마는 페르마의 원리를 이용해 스넬의 법칙을 수학으로 증명한다.

영국의 훅 은 용수철 탄성 연구로 진동의 성질을 밝혀내 파동을 밝혀낸다.

뉴턴 의 빛 입자설과 하위헌스 의 빛 파동설이 대립하며,

영국의 영 은 이중 슬릿 실험으로 빛 파동설의 손을 들어준다.

헤르츠 는 빛이 전자기파임을 증명하고, 마르코니는 무선 통신 개발에 성공한다.

두 번째 만남 물질의 이중성 에서는

막스 플랑크 가 발견한 양자는 빛이 파동이라는데 의문을 제기한다.

빛을 이루는 광자는 빛의 파동설로는 설명할 수 없다.

드브로이 는 모든 물질은 파동과 입자 두 가지 성질을 가진다는

가설을 세우고, 물질이 지닌 파동의 성질을 물질파 로 정의하며,

보어 의 원자모형의 관계를 밝혀낸다.

미국의 데이비슨 과 거머 는 전자의 물질파를 발견하는데 성공한다.

세 번째 만남 푸리에 급수와 푸리에 변환 에서는

파인만 은 오일러 공식을 세상에서 가장 아름다운 공식이라 부른다.

오일러 공식은 삼각함수와 지수함수의 합과 차로 설명한다.

푸리에 급수 는 주기함수를 다양한 진동수를 가진 삼각함수의

합으로 나타낸다.

푸리에 급수, 푸리에 계수 식을 도출하고,

푸리에 급수를 복소수 지수함수로 나타내는 과정을 알아본다.

네 번째 만남 불확정성원리 논문 속으로 에서는

하이젠베르크 는 푸리에 급수를 이용해서 보어 의 원자모형과

어울리는 양자원리인 불확정성원리를 발견한다.

보른 과 요르단 은 양자 이론을 행렬을 이용해 묘사하는

행렬역학으로 입증한다.

하이젠베르크 는 전자가 고전 이론에 따라 원운동을 하는 경우,

주기운동을 하는 전자의 위치를 푸리에 급수로 표현하고,

전자의 고전 이론과 푸리에 계수 사이의 관계를 찾는다.

하이젠베르크 가 찾아낸 하이젠베르크 의 곱셈 규칙,

단조화 진동 문제를 양자 이론으로 설명한다.

보른과 요르단은 하이젠베르크 논문의 위치와 속도에 주목하고,

불확정성원리 관계식을 완성한다.

다섯 번째 만남 해석역학의 역사 에서는

오일러 는 오일러 방정식으로 두 점을 잇는 최소 거리를

만드는 곡선(직선)을 수학적으로 증명한다.

라그랑주 는 오일러의 변분법에 새로운 해석적 방법을 적용한다.

해밀턴-야코비 방정식 은 작용이 만족하는 방정식으로

슈뢰딩거 방정식의 기초가 된다.

여섯 번째 만남 슈뢰딩거 방정식의 탄생과 불확정성원리의 완성 에서는

슈뢰딩거 는 전자를 파동으로 설명하는 슈뢰딩거 방정식을 제시한다.

하이젠베르크-보른-요르단 관계식 과 슈뢰딩거 방정식의 동일성 증명,

시간 의존 슈뢰딩거 방정식, 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식,

전자의 위치와 운동량의 기댓값을 정의한 에렌페스트,

슈뢰딩거 방정식으로 풀어낸 단조화 진동 문제,

플랑크 상수 를 위치의 불확정성과 운동량 불확정성의 곱으로 정의하기,

불확정성원리가 거시 세계에서 느낄 수 없는 이유,

하이젠베르크 가 전자가 불확정성원리를 만족함을 설명한

강의 내용을 소개한다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

고대 그리스에 시작된 광학의 역사부터, 영자역학까지

과학의 발전 과정과 주요 과학 이론에 대해 소개한다.

그리스 헤론 이 빛의 반사를 연구하면서 빛의 물리학 광학이 시작된다.

스넬 은 빛의 굴절 현상의 법칙을 밝혀낸다.

뉴턴 의 빛 입자설과 하위헌스 의 빛 파동설이 대립하고,

영 은 이중 슬릿 실험으로 빛의 파동을 확인하고,

헤르츠 는 빛이 전자기파임을 증명한다.

막스 플랑크 가 발견한 양자는 빛 파동설로는 설명할 수 없다.

드브로이 는 물질이 지닌 파동의 성질을 물질파 로 정의하며,

보어 의 원자모형의 관계를 밝혀낸다.

파인만 은 오일러 공식을 세상에서 가장 아름다운 공식이라 부른다.

오일러 공식을 통해 푸리에 급수, 푸리에 계수 식을 도출하고,

푸리에 급수를 복소수 지수함수로 나타낼 수 있다.

하이젠베르크 는 푸리에 급수를 이용해, 보어 의 원자모형과

어울리는 양자원리인 불확정성원리를 발견한다.

보른 과 요르단 은 양자 이론을 행렬을 이용해 묘사하는

행렬역학으로 입증한다.

오일러 방정식은 두 점을 잇는 최소 거리를 수학적으로 증명한다.

해밀턴-야코비 방정식 은 슈뢰딩거 방정식의 기초가 된다.

슈뢰딩거 는 전자를 파동으로 설명하는 슈뢰딩거 방정식을 제시한다.

하이젠베르크-보른-요르단 관계식 과 슈뢰딩거 방정식의 동일성 증명,

시간 의존 슈뢰딩거 방정식, 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식,

전자의 위치와 운동량의 기댓값을 정의한 에렌페스트,

슈뢰딩거 방정식으로 풀어낸 단조화 진동 문제,

플랑크 상수 를 위치의 불확정성과 운동량 불확정성의 곱으로 정의하기를 알아보고,

거시 세계에서 불확정성원리를 알 수 없는 이유에 대해 살펴본다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

광학의 시작부터 불확정성원리까지 과학의 발전을 소개한다.

과학자에 대한 소개를 통해 과학사를 이해하고,

과학자들이 기존 이론을 어떻게 발전시키면서,

이론을 발전시켰는지 과정을 이해할 수 있다.

광학부터 시작된 초보적 과학이 양자역학으로 발전하는 과정에서

과학자들의 치열한 연구와 대립의 이야기는 흥미롭고,

뉴턴이 거인의 어깨 위에 있어서 멀리 볼 수 있었다고 한 말이

허언이 아님을 이해하게 된다.

거의 백 년 전에 발견된 양자역학이

지금에서 활용이 가시화 된다는 것도 놀랍다.

슈뢰딩거의 고양이로 상징되는

불확실하고 모호함의 대명사인 양자역학을

이론의 발전 과정과 공식의 도출 과정을 수식을 통해 살펴보면서,

양자역학의 개념과 원리에 대해 알 수 있다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

새로운 변화를 가져올 양자역학에 대해

이해할 수 있는 유용한 안내서다.

성림원북스 와 컬처블룸 서평단 에서

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"를 증정해 주셨다.

감사드린다.

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