양자역학 이야기

양자역학 이야기 - 빛의 개념부터 시간여행까지, 세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서
팀 제임스 지음, 김주희 옮김 / 한빛비즈 / 2022년 11월

양자역학(quantum mechanics)

양자역학이란 무엇인가? 용어부터 어렵다. 학창 시절 분명 배웠던 것 같은데 비겁한 변명이지만 내용은 가물거린다. 네이버 지식백과에 나온 내용을 인용하면 다음과 같다. 양자 역학은 원자 분자 등 미시적인 물질세계를 설명하는 현대물리학의 기본 이론이다. 양자 역학 이전의 물리학을 이와 대비하여 고전 물리학이라고 부르는데, 고전 물리학은 일상생활에서 느끼는 규모의 거시적 물질세계를 설명하는 데 유용하다. 양자 역학 결과를 거시적인 규모로 근사할 때 고전 물리학 결과의 대부분을 유도할 수 있다. 그래서 양자 역학이 정확한 이론이라고 한다면 고전물리학은 잘못된 것이 아니라 근사적인 이론이라고 볼 수 있다. 이는 측정 기술이 발전함에 따라 고전 물리학으로 설명하지 못하는 현상들을 발견한 덕분이라고 말할 수도 있다.

양자(quantum)는 라틴어에서 나온 단어로 "얼마나 큰지" (how great or how much)라는 의미이며, 양자 역학에서 그것은 원자의 에너지와 같은 물리적 특성의 불연속 단위를 가리킨다. 양자 역학이 고전 물리학과 다른 특징적인 요소는 크게 3가지로 요약될 수 있다. 첫째, 양자화(quantization)로서 에너지, 운동량, 각운동량 등의 성질들이 특정 값들에 제한되어 있다. 둘째, 파동-입자 이중성(wave-particle duality)으로서 미시적인 현상에서는 파동의 특성과 입자의 특성이 동시에 관찰되는데 이를 파동-입자 이중성이라고 한다. 거시 세계에서는 파동 현상과 입자가 만들어내는 현상은 분명하게 구별할 수 있다. 셋째, 불확정성 원리(uncertainty principle)로서, 물질의 어떤 특성들은 동시에 정확하게 측정하는 데 한계가 있다.

더 많은 내용이 있겠지만 이 정도로 정리하자. 이 설명도 충분히 이해가 안 되는 게 솔직한 입장이다. 그래서 《양자역학 이야기》에 나온 이야기를 따라가보면 어떨까 싶다. 그것이 빛을 이해하려는 노력에서부터 시작되었다는 것부터 말이다.

양자물리학

저자는 14살에 과학 선생으로부터 양자물리학 교과서를 받고 양자물리에 빠졌고, 자신만의 양자물리학 책을 써야겠다고 다짐했다고 한다. 사람은 각자 살아가는 길이 다른가보다. 나는 죽었다 깨어나면 모를까 현세에서는 도저히 엄두가 안 나는 도전인데 말이다.

양자역학 또는 양자물리학이라 불리는 이 학문에 얼핏 2019년에 개봉했던 〈양자물리학〉이란 영화가 생각나는 사람도 있을 거다. '생각하는 대로 현실이 된다'고 역설하던 주인공이 양자물리학에 대해 설명하던 구절을 기억한다면 아마 이 책으로 통해 양자물리학을 조금 더 가까이 다가설 수 있을 거란 생각이 든다.

이 책은 앞서 출간됐던 《원소 이야기》에 이어 두 번째 책이다. 《원소 이야기》를 읽으며 저자는 과학자이자 이야기꾼이란 생각이 들었는데, 역시나 이번에도 그런 능력을 유감없이 발휘한다. 그중에서 양자역학을 설명하는 내용을 발췌하면 다음과 같다. '디즈니·픽사 영화 〈토이 스토리 Toy Story〉와 그 속편은 양자역학에 관한 내용이다. 장난감 주인 앤디가 관찰할 때면 주인공 우디는 평범한 장난감처럼 굴다가 앤디가 보지 않으면 살아 움직인다. …… 입자도 비슷하다. 우리가 입자를 보지 않으면 입자는 우리가 보고 있을 때와 상당히 다르게 행동하는 것같다. 슈뢰딩거 방정식을 이용해 입자가 최후에 어떠한 결과를 가져올지는 추측할 수 있지만, 매번 무슨 일이 일어날지 정확하게 예측하는 것은 불가능하다(p.109-110)'.

양자역학이 궁금하다면 수학공식이 없이 설명하는 걸 한번 들어보자. 이로써 양자역학과 물리학에 대한 관심이 생긴다면 과학자의 길을 가는 것도 좋을 것 같다.