[알라딘서재]이상하고 무용한 양자역학 공부

이상하고 무용한 양자역학 공부ｌ과학

cyrus l 2026-05-28 07:00

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세상에서 제일 다정한 양자 책 - 양자 컴퓨터와 초전도체 너머 양자역학의 미래 짐 알칼릴리 지음, 김성훈 옮김 / 윌북 / 2026년 5월 평점 :

우리가, 세상이란 이름의 학교에서

가장 바보 같은 학생일지라도

여름에도 겨울에도

낙제란 없는 법.

- 비스와바 쉼보르스카(Wislawa Szymborska)의 시

「두 번은 없다」 중에서 -

물리학자들은 평생 양자역학을 공부해야 한다. 박사 학위를 받은 물리학자가 양자역학의 세계를 들여다보면 학생이 된다. 양자역학은 물리학자들을 바보로 만드는 이상한 학교다. 모든 자연현상을 일정한 인과관계에 따른 법칙으로 설명하려는 물리학자들은 양자역학 학교에 입학하는 것을 꺼린다. 왜냐하면 양자 세계에서 일어나는 모든 일들이 우리가 일상에서 경험할 수 있는 흔한 현상이 아니기 때문이다.

양자(Quantum)는 더 이상 나눌 수 없는 물리량의 최소 단위다. 아원자입자는 원자보다 아주 작다. 우리는 아원자입자를 볼 수 없지만, 입자가 알갱이 형태로 이루어져 있다고 생각한다. 하지만 양자 세계의 아원자입자는 입자(알갱이)이면서도 입자가 아니다. 양자역학 학교에 입학하면 제일 먼저 이중슬릿(double slit) 실험을 해야 한다. 슬릿은 틈새를 뜻한다. 빛이 두 개의 틈새가 있는 벽을 통과하면 벽 뒤쪽 스크린에 어떤 현상이 일어날까? 스크린에 물결이 흐르는 듯한 무늬가 생겼다. 영국의 물리학자 토머스 영(Thomas Young)은 빛이 입자 형태로 되어 있다고 주장한 뉴턴(Isaac Newton)의 견해(입자설)를 반증하기 위해 이중슬릿 실험의 기이한 결과를 제시했다. 물결 무늬는 빛이 입자가 아니라 파동 형태로 되어 있음을 보여준다.

영과 그의 지지자들은 파동설을 주장했다. 입자설의 입지가 흔들렸다. 그러나 아인슈타인(Albert Einstein)이 발견한 광전 효과가 알려지면서 입자설이 다시 주목받았다. 아인슈타인은 금속 표면에 빛을 비추면 입자 형태의 광자(光子)가 튀어나오는 현상을 확인했다. 그렇다면 빛은 입자인가, 파동인가? 양자역학 학교는 둘 중 하나의 관점만 선택해서 해석하게 만드는 이분법을 가르치지 않는다. 양자역학 학교에 소속된 교사 중 가장 젊은 루이 드 브로이(Louis de Broglie)는 파동-입자 이중성(wave–particle duality)을 주장했다. 빛은 동시에 입자와 파동처럼 행동한다. 이와 같이 입자와 파동의 형태와 특징을 동시에 가진 상태를 ‘중첩(superposition)’이라고 한다.

양자역학 학교에 적응하지 못한 학생들은 교사들에게 질문을 던진다. 빛이 언제 입자가 되고, 언제 파동이 되는지 관측(측정)할 수 있는가? 고전 역학은 인과관계가 분명한 거시적 세계의 자연현상을 연구하는 이론이다. 고전 역학에 익숙한 학생들은 측정 불가능한 자연현상을 받아들이지 못한다. 양자역학 학교의 교감 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg)는 이 질문에 대한 답변으로 불확정성 원리(uncertainty principle)를 제시했다. 양자 세계 입자의 위치와 속도는 동시에 관측할 수 없다. 양자역학 학교 교사 중에 수학을 잘 아는 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 파동함수와 파동방정식(슈뢰딩거 방정식)을 내세워 측정 불가능한 양자 세계를 이해하고자 했다. 양자 세계에서는 입자의 위치와 속도를 정확히 알기 어렵고 오직 확률적으로만 파악할 수 있다.

기이한 양자 세계를 완전히 이해하지 못한 학생들은 낙심에 빠진다. 하지만 그들은 낙제생이 아니다. 영국의 이론물리학자 짐 알칼릴리(Jim Al-Khalili)는 양자역학을 어려워하는 과학도와 과학 비전공자들의 호기심이 위축되지 않도록 친절하게 다독여준다. 그가 쓴 《세상에서 제일 다정한 양자 책》(Quantum: A Guide For The Perplexed)은 양자역학 학교에 천천히 적응할 수 있게 도움을 주는 교재다. 저자는 양자 세계가 우리가 몰랐던 자연의 예측 불가능한 특성을 보여준다고 말한다.

사실 대부분의 양자역학 학교 교사들도 양자역학을 정확히 알지 못한다. 지금도 물리학자들은 양자역학의 기묘한 특성에 주목하여 다양한 해석을 내놓는다. 하지만 양자역학 학교의 교장 닐스 보어(Niels Bohr)는 측정 불가능한 양자 세계를 해석하는 일은 시간 낭비라고 말한다. 이러한 보어의 관점을 ‘코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)’이라고 한다. 짐 알칼릴리는 코펜하겐 해석을 반대하는 물리학자다. 그는 양자 세계에 왜 이상한 현상이 일어나는지 질문하지 않고, 오로지 현상의 결과에만 주목하는 코펜하겐 해석의 한계를 비판한다.

미국의 철학자 제나 히츠(Zena Hitz)는 궁금증이 있는 사람은 배움을 사랑하는 자유로운 사람이라고 말한다(《찬란하고 무용한 공부》, 226쪽). 하지만 교사가 학문을 잘 가르친다고 해도 학생의 질문을 막으면 그들의 호기심마저 막아버린다. 불친절한 교사는 학생이 알고 싶은 것을 외면하고, 체계적으로 잘 정리된 지식을 가르친다. ‘입 닫고 공부나 해.’ 지식을 이해하지 못한 학생에게는 외우라고 다그친다. ‘닥치고 암기’ 식으로 양자역학을 공부하면 양자역학의 기묘함을 이해하기는커녕 의혹과 거부감이 생긴다. 양자 세계의 기묘함을 일상적인 사례와 접목해서 설명하는 것은 대단히 어려운 일이다. 양자역학 학교의 교사는 이 사실을 잘 알고 있어서 대답하기 어려운 질문을 피하지 않는다. 양자역학의 기묘함에 무지한 교사는 자신이 모르는 것을 학생에게 가르친다. 교사와 학생이 함께하는 양자역학 공부는 정답이 된 지식을 암기하지 않는다. ‘답이 정해지지 않은 지식’을 탐구한다.

세상에서 제일 다정한 독자

cyrus의 주석과 정오표

이 책에 저자 외에 다른 물리학자들이 쓴 기고문이 실려 있다. 1장의 기고문 「버키볼과 이중슬릿 실험」은 오스트리아의 양자물리학자 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)가 썼다. 그는 양자 얽힘 현상에 관한 연구로 2022년에 노벨 물리학상을 받았다. 8장의 기고문 「음을 강화하기」는 과학 저술가로 더 유명한 영국의 이론물리학자 폴 데이비스(Paul Davies)가 썼다. 《세상에서 제일 다정한 양자 책》의 초판 발행일은 5월 22일이다. 이 책이 나오기 일주일 전에 폴 데이비스의 《퀀텀 2.0》이 출간되었다. 짐 알칼릴리가 《퀀텀 2.0》의 추천사를 썼다.