양자역학 쫌 아는 10대

양자역학 쫌 아는 10대 - 일상 어디에나 있는 아주 작고 이상한 양자의 세계 ㅣ 과학 쫌 아는 십대 16
고재현 지음, 이혜원 그림 / 풀빛 / 2023년 5월

얼마전 아이가 보고 싶어 했던 양자역학에 대한 학습만화를 선택한 적이 있다. 용어자체가 어려운데 학습만화로 보면 좀 더 쉽게 이해되리라 생각해서였다. 영화나 드라마에서 종종 양자역학에 대한 주제로 사람이나 물체가 시공간을 넘어 순간이동하는 내용을 보며 먼 훗날의 이야기로 생각해 실제로 저렇게 된다면 ... 하는 생각에 쓴웃음을 지은 기억이 난다.. 작가의 머릿말의 설명처럼 영화 <앤트맨>을 보면 '핌 입자'라는 신기한 입자의 힘으로 몸의 크기를 자유로이 바꾸면서 나중에는 한없이 줄어들어 세상과 연결된 끈이 사라져가는 미시의 세계 즉 양자의 세계로 진입한다는 이야기가 나온다. 양자역학이라는 말은 많이들 들어봤을 것이다. 하지만 원자의 세계, 미시의 세계는 일반적인 감각과 사고방식으로는 도저히 이해하기 힘든 영역이다. 어쩌면 우리가 살아가는 이 세상, 이 언어, 이 감각으로 원자와 전자, 분자처럼 작은 양자의 세계를 설명하려는 것 자체가 문제인지도 모르겠다. 그래서 과학자들은 원자의 세계를 기술할 수 있는 학문 체계를 만들었다. 그것이 바로 양자역학이다.


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<양자역학 쫌 아는 10대 >는 고전물리학에서부터 원자,양자역학의 탄생과 앞으로 더욱 발전할 양자의 전성시대에 대해 이야기하고 있다. 이글을 쓰신 '고재현' 작가님은 서울대 물리학과를 졸업후 KIST에 박사학위를 받으시고 현재 한림대학교의 교수로 재직중이다. 고등학교시절부터 물리학의 핵심 과목인 양자역학의 신기하고 이상한 세계에 빠졌고 나와 세상, 우주를 이해하고 미래를 이끌어 나갈 청소년을 위해 현대물리학의 진면목을 보여줄 양자역학의 세계로 초대하고자 이 책을 쓰셨다고 한다.

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우리가 사용하는 스마트폰 , 텔레비젼, LED와 같은 조명 , 태양전지 , 전기차, 컴퓨터, 인공위성, 인터넷, 가속기를 포함한 대부분의 과학장비, '전자'라는 말이 붙은 모든 제품들이 양자역학의 탄생으로 편리함을 누리고있다. 특히 우리나라의 세계적인 기술을 자랑하는 반도체는 오직 양자역학을 통해서만 가능하다는 것이다.


왼쪽 도구로 돌을 쏘아 올릴 때 가하는 힘을 알면 이후 돌이 어떤 속도로 어떤 궤적을 그리며 날아가는지

정확히 예측할 수 있다 <출처;위키피디아>

고전역학이란 단순히 말해 물체가 어떤 초기 조건으로 힘을 받을때 언제 어디서 어떻게 운동하는지 예측하는 학문이다. 예로 누리호가 언제 어디서 어떤 추진력으로 발사 되었는지 정확히 알면 그 이후 누리호의 미래 운동을 완벽히 에측하는 게 가능하다. 뉴턴이 17세기 후반에 고전역학을 내놓은 이후 포탄의 움직임, 물레방아의 운동,액체의 흐름, 각종 행성의 움직임까지 포함한 천체역학의 탄생 등 눈에 보이는 모든 것들이 고전역학으로 설명되었다. 하지만 "빛은 입자다"라는 아인슈타인의 해석으로 빛이 입자의 흐름이라는 광전효과를 설명한다. 즉 빛에너지를 흡수해 튀어나오는 전자를 광전자라고 하고 빛에너지가 띄엄띄엄 덩어리 단위로 전달된다는 플랑크의 가정을 빛에너지는 연속하지 않고 불연속적인 입자의 흐름이라는 광전효과를 과감하게 해석한다.


광전효과를 설명한 그림. 금속에 빛(빛알)이 쏟아져 금속 내 전자와 부딪히면 전자가 금속 밖으로 방출된다 (P.31)

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원자의 발견

원자가 실제로 존재한다는 사실에 대한 직접적인 증거는 1827년 영국의 식물학자 로버트 브라운이 물 위에 떠 있는 작은 꽃가루의 운동을 현미경으로 관찰하면서 잔잔한 물위에 떠 있는 꽃가루가 춤추듯이 마구잡이로 움직이는 걸 발견한다.

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이것이 우리가 잘 알고 있는 브라운운동이다. 이러한 사실들로 눈에 보이지 않는 작은 원자들로 이루어진 분자에 대해 설명이 가능해진다. 이후로도 많은 과학자들의 실험을 통해 원자의 존재에 대해 증명을 하게 된다.

빛은 파동이면서 입자이다. 파동이나 입자는 거시적인 세계속에서 살고 있는 인간이 자신의 경험과 관찰로 만들어낸 개념이다. 고로 미시적인 세계의 현상은 설명이 어렵다. 양자역학의 중요한 징검다리를 놓는 과학자 '드브로이'는 우리가 입자라고 생각했던 전자도 파동으로 행동하지 않을까?라는 역발상으로 부터 파동의 성질이 밝혀냈고 '간섭과 회절'이라는 특성으로 전자도 파동성을 가진다는 사실을 실험을 통해 증명한다.

다시말해 벽을 뚫고 지나거거나 심지어 벽속에서 발견되던 미시세계 입자인 양자돌이는 전자와 같은 미시적 입자일뿐 아니라 파동이라는 것이다. 그것도 아주 이상한 '양자파동' 이면서 미시세계 입자는 여러 상태가 한꺼번에 중첩되고 서로간의 얽힘을 통해 아주 먼 공간에도 순식간에 영향을 미칠 수 있다는 것이다.

이후 과학자들은 '슈뢰딩거 방정식'을 이용해 원자와 분자, 고체등 그간 정확히 이해하기 힘들었던 온갖 대상들의 성질을 연구하기 시작하고 현대 과학기술과 정보통신 문명의 탄생으로 이어진다. 양자역학에 기반해 작동하는 현대문명의 기술인 휴대폰, 컴퓨터의 작동이 가능해진것이다.


IBM양자 컴퓨터 초전도 기반 큐비트를 영하 273도의 조건에서 활용해 계산한다. <출처;IBMResearch>


7600킬로미터나 떨어진 오스트리아 비엔나와 중국 베이징에서 양자 통신 위성인 '묵자'를 이용한 암호통신으로 이미지와 신호를 주고받는데 성공했다. ( p.146)

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사실 이 책은 양자역학에 대해 중요한 부분만 간추려 놓은 책이다. 물체의 운동만 설명하던 고전 역학에서부터 원자, 전자, 양자의 세계에 이르기까지 수많은 과학자들과 증명을 통해 이루어낸 것이 양자역학의 세계이다. 어쩌면 <양자역학 쫌 아는 10대> 책은 쉬운책은 아니다. 어느정도 이해력과 글을 분석하는 능력이 가능한 연령에게 적당하다. 중첩,간섭,회절등 어렵고 새로운 과학용어를 알아가는 재미도 솔솔하다. 흥미로웠던 내용은 양자컴퓨터를 통해 신약물질에 대한 분자속의 전자가 가지는 에너지나 전자의 움직임을 알아내 새로운 질병에 효과적인 신약물질의 설계나 새로운 에너지 소재를 개발하는 연구에 기대가 크다는 것이다. 작가님은 말미에 SNS나 인터넷에 떠도는 양자역학 관련정보에는 틀린 내용이나 과장된 정보가 많기에 주의가 필요하다고 말한다.

이 책에 다 담을수 없는 수많은 내용은 '더 읽어볼 책들'로 정리하여 두어 양자역학을 더 알고 싶은 10대를 위해 배려 한 공간이 마련되어 있다. 그림과 재미있는 예들 들어 쉽게 설명하려는 작가님의 노력이 곳곳에 묻어 있어 책 흐름대로 천천히 따라가다 보면 비로소 흐릿했던 양자역학의 개념이 어렴풋이나마 떠 오른다. 이 책은 이해하기 어려운 물질의 세계로의 안내서이자 양자의 세계를 알고 싶은 10들에게 초기 입문서로 적당하다. 양자역학의 원리가 적용되는 새로운 분야가 많아지는 시대를 살아가는 현대인들게 선택이 아니라 필수가 된 양자에 대한 지식 10대인 아이와 함께 읽어보기를 추천한다.

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<출판사로부터 도서협찬을받았고 본인의 주관적인 견해에 의하여 작성함>