[책끌-서평] 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

IT 분야에서 일하다 보니 일반 컴퓨터에 비해 계산 속도를 기하급수적으로 빠르게 증가시킬 수 있는 것으로 알려진 '양자 컴퓨터'에 대한 이야기를 일반인들보단 좀 더 일찍 접할 수 있었다. 또한 영화 속에서도 양자 역학에 대한 내용들을 볼 수 있었다.

예를 들면, 마블의 블록버스터 <앤트맨과 와스프>, <어벤저스 엔드게임>, 그리고 최근에 개봉했던 <닥터 스트레인지 : 대혼돈의 멀티버스>에서는 양자 역학을 기반으로 이야기가 전개되어 흥미롭게 봤었다.

새롭게 출간된 <과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어>는 이러한 양자 역학의 탄생 배경부터 원리, 활용 등에 대해 설명하고 있다. 이 책은 수학과 물리는 쉽게 설명해 주고 있는 일본의 인기 유튜버로 활동 중인 요비노리 다쿠미 씨의 '과학은 어렵지만' 시리즈 4번째로 출시됐다.

p.7

양자 역학의 난해함은 대부분 언뜻 복잡해 보이는 수식에서 비롯된 것임을 깨닫게 되었습니다. 수식에 휘둘린 나머지 이렇게 멋지고 매력적인 양자 역학에 다가가지 못하는 사람이 많다는 사실이 안타깝게 느껴졌습니다.

이 책은 전작인 <과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어>에서처럼 양자 역학을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 질문에 답하는 형태로 구성되어 어렵지 않게 읽을 수 있다. 1시간이면 양자 역학에 대해 이해할 수 있다고 했지만 내 경우에는 3~4시간 정도 읽었다. 물리 과목은 고등학교 이후에는 관심을 두지 않아서인지 잘 이해가 안 되는 부분들도 있었기 때문이다.

아무튼 과학시간에 배웠던 뉴턴 역학이나 맥스웰 전자기학, 유클리드 기하학 등이 고전 물리학으로 불린다는 것도 새롭게 알게 됐다. 상대성 이론처럼 현대 과학의 중심에 있는 양자 역학은 엄청나게 작은 세계를 깊이 연구하다 보니 다른 점들이 보이기 시작했다고 한다. 예를 들어, 공을 던지거나 전기 또는 불을 사용할 때 일어나는 물리 현상 같은 것은 우리의 일상에서 쉽게 찾아볼 수 있다.

하지만 과학자들은 고전 물리학으로는 설명하기 어려운 결과가 나오는 실험들이 몇 가지 있었는데 그 원인을 파고든 결과, 눈에 보이지 않을 만큼 작은 미시 세계의 움직임에서 기인하게 됐다는 것을 알게 됐다고 한다.

이 책을 좀 더 잘 이해하려면 양자 역학의 4가지 주요 포인트에 대해 알아두면 좋다.

첫째, 물질은 입자와 파동의 성질을 함께 지니고 있다.

둘째, 관측하기 전까지는 실재를 생각하지 않는다.

셋째, 위치와 속도는 동시에 결정되지 않는다.

넷째, 에너지의 벽을 통과한다.

이 내용을 정리해 보면, 양자 역학에서 이야기하는 양자란 개념은 어렴풋이 알고 있었다. 하지만 이번에 책을 읽어 보니 어떨 때는 입자, 어떨 때는 파동의 성질을 지니는 것을 '양자'라고 부른다는 것을 알게 됐다. 또한 관측하기 전까지는 실재하지 않는다는 '비실재성', 위치와 속도가 동시에 결정되지 않는 '불확정성', 그리고 MRI라든가 레이저 기술 등으로 활용되고 있다는 입자가 에너지의 벽을 통과하는 '터널 효과'도 양자를 설명하는 요소라는 점을 새롭게 알게 됐다.

그렇다면, 현대 과학에서 이러한 양자 역학을 주목하고 있는 이유는 무엇일까? 양자 역학은 상대성 이론처럼 우리에게 경험적으로 친숙한 고전 물리학의 규칙이 뒤집히거나 도저히 믿기 힘든 결과를 낳는 경우 때문에 찾아내게 됐다고 한다. 현 세계에서 일어나는 물리적인 현상들을 새로운 관점에서 살펴봐야 한다는 점에서 물리학도가 아니더라도 일반인들도 양자 역학에 대한 기본 개념을 알고 있다면 생활 속에서 유용할 것으로 보인다.

이 책의 저자도 양자 역학을 이해하기 위해서는 일상생활에서 몸에 뱄던 고정관념을 버리고 새로운 발상을 받아들이는 훈련이 필요하다고 말했다. 또한 양자 역학을 공부하려면 딱딱하게 굳어 있는 생각의 틀을 유연하게 만드는 것이 필요하다고도 이야기했는데, 과학적인 탐구를 하지 않더라도 물리적인 현상에 대해 관심을 기울여 보는 것도 좋겠다.

p.43

양자 역학에서 중요한 파동의 성질은 딱 두 가지입니다.

첫 번째 파동의 성질은 '회절'이라는 것입니다. 틈새를 지나 벽 뒤로 돌아 들어가는 현상이 일어나지요.

두 번째 파동의 성질은 '간섭'입니다. 파동의 중첩을 통해서 새로운 파형이 생기는 현상이랍니다.

이 책은 복잡한 수식 대신 다양한 상황과 쉬운 그림을 이용해 양자 역학의 주요한 원리들을 알기 쉽게 설명하고 있다는 점이 가장 큰 특징이다. 예를 들어, 한쪽의 상태가 확정되면 다른 쪽의 상태도 확정되는 '양자 얽힘'의 관계도 양자의 세계를 설명하는 주요 원리 중 하나인데, 이러한 원리를 수식을 대입하지 않고 알기 쉽게 설명하고 있다.

또한 앞서도 이야기했던 MRI나 레이저 기술, 그리고 0과 1의 가능성이 중첩된 상태인 양자 비트를 이용한 '양자 컴퓨터', 양자 얽힘을 이용한 정보 전달 기술인 '양자 전송' 등 현실에서도 활용되고 있는 양자 역학의 원리들에 대해서도 설명하고 있는데, 이 책을 읽어 보면 좀 더 새롭게 다가올 것이다. 양자 컴퓨터는 '중첩'과 '양자 얽힘'을 이용함으로써 다양한 문제를 빠른 속도로 풀 수 있을 거라 기대되고 있다.

우리의 일상은 거시 세계의 물리 법칙과 미시 세계의 물리 법칙이 연결되어 있다. 하지만 그 경계를 설명하는 것은 여전히 어렵다고 한다. 미스터리한 물리 법칙을 이해하기 위한 노력들이 양자 역학을 연구하면서 발전하고 있고, 앞으로 양자 역학을 활용한 연구가 더 많이 진행될 전망이다. 이 책은 그동안 어렵게만 느껴졌던 양자 역학의 이모저모를 파악하는데 좋은 가이드가 되어줄 것이다.

이 포스팅은 한즈미디어(한스미디어) 출판사로부터 도서를 제공받아 주관적인 관점에서 살펴보고 작성했다.

* 출처 : 책에 끌리다, 책끌