현대물리학의 진면목 양자역학 세계

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

양자역학 연구자 고재현 박사가 청소년을 위한 양자역학 세계로 초대합니다. 영화 <앤트맨과 와스프: 퀀텀매니아>에서는 양자영역 속에서 벌어지는 버라이어티한 일들이 펼쳐지죠. 양자는 영어로 퀀텀 Quantum이고 어원은 '얼마나 많은' 뜻의 quantus 라틴어에서 비롯되었습니다. 양자는 더 이상 나눌 수 없는 물리량입니다.

노벨물리학상 수상자 리처드 파인만은 "양자역학을 제대로 이해한 사람은 아무도 없다"고 말할 정도로 양자역학 세계는 우리가 가진 감각과 사고방식으로는 도저히 이해하기 힘든 영역입니다. 우리는 '쫌' 아는 정도로만 다가서는 걸로 만족해도 <양자역학 쫌 아는 10대>를 읽는 목표는 해결하는 셈이니 가벼운 마음으로 도전해 보세요.​

이제 우리는 양자돌이가 되어 이 책을 읽어나가면 됩니다. 양자돌이는 양자의 세계에 사는 입자입니다. 원자라고 해도 되고 원자를 구성하는 전자가 될 수도 있습니다. 양자돌이는 벽을 통과할 수 있습니다. 벽 속에 있을 수도 있습니다. 20세기 초만 해도 원자의 존재조차 믿지 않았습니다. 하지만 고전 물리학으로 설명할 수 없는 현상들이 생겼고 양자역학은 그렇게 탄생합니다.

스마트폰, 전기차, 컴퓨터, 인터넷, 인공위성 등 전자라는 말이 붙는 제품들이 모두 양자역학 덕분이라고 합니다. 그리고 양자 컴퓨터, 양자 암호 등 점점 더 양자역학 원리가 적용되는 새로운 분야들이 생겨나고 있습니다. ​우리 주변의 모든 사물은 원자로 이루어져 있기에 결국 원자에 대한 학문인 양자역학으로 바라봐야 제 모습대로 보이고 해석이 된다니 '쫌' 아는 수준으로 업그레이드해볼까요?​

우리는 큰 물체들의 운동을 다루는 물리학인 고전역학에 익숙해져 있습니다. 큰 것을 다루는 고전역학이 어떻게 양자역학 탄생으로 이어지는 과학의 역사를 통해 살펴봅니다.

이 여정에서 빛 에너지는 파동이냐 입자냐의 문제가 등장합니다. 아인슈타인은 빛을 입자로 생각해 이 문제를 설명했는데 당시 혁명적인 주장이었다고 합니다. 한마디로 이 세상이 연속적인 색채의 흐름이 만드는 수채화가 아니라, 다채로운 색의 점들이 그림을 이루는 점묘화의 모습이 된 셈이죠.​

어떤 현상이나 물질을 구성하는 최소 단위 양자. 연속적이지 않고 띄엄띄엄 덩어리 단위로 존재하는 물리량으로 일상에서 흔하게 볼 수 있는 현상이 빛알입니다. 빛 에너지를 나르는 빛알은 그 자체로 양자적인 입자여서 더 쪼갤 수 없다고 합니다.

이 양자들의 정체, 이들 사이의 상호작용을 밝히는 학문인 양자역학. 고전물리학의 고정 관념을 벗어던지고 대담하게 양자역학의 문을 연 과학자들의 이야기가 흥미진진하게 펼쳐집니다.​

이 책은 슈뢰딩거가 세운 양자역학을 바탕으로 이야기를 전개해나갑니다. 조금 더 직관적으로 이해하기 쉽다고 합니다. 물론 과학자들도 미시 세계를 이해하는 개념 정립이 힘든 만큼 일반인이 이해하기 쉽지 않긴 합니다.

양자역학은 엄청나게 정확한 학문임에도 인간이 제대로 이해하기 힘들다고 재차 말하고 있는 만큼 중간중간 막히더라도 끝까지 완독해 보세요. 새로운 게임을 배울 때 그 게임의 규칙을 익혀야 하듯 미시 세계의 이상한 특징들을 익혀야 합니다.

과학자들의 양자역학 사용법은 어떤 방식인지 고전역학과 비교해 설명하면서 그 차이를 분명히 해주고 있습니다. 고전역학에 익숙해 있던 방식을 완전히 바꿔야 한다는 걸 깨닫게 됩니다.​

양자역학은 인간이 발전시켜 온 과학 중에서 가장 정확한 학문입니다. 금속은 왜 전기를 잘 통하는데 플라스틱은 전기가 통하지 못하는 부도체인지, 왜 어떤 물체는 전기 저항이 전혀 없는 초전도체가 되는지 양자역학으로 이해할 수 있다고 합니다.

그렇기에 양자역학을 통해 물질을 바라보는 방법을 설명하는 부분은 특히 흥미롭습니다. 원자, 분자 이야기보다 우리 손으로 만질 수 있는 물질들로 이야기하면 좀 더 생생하게 와닿잖아요.

먼저 과학 시간에 열심히 외우던 주기율표가 등장합니다. 원소들이 왜 현재와 같은 식으로 배열되어 있는지 양자역학이 원자들을 설명하는 법을 보여주고, 개별 원자들이 어떤 이유로, 방식으로 분자나 고체를 만드는지 살펴봅니다.​

양자역학은 무언가 새로운 것이 아니라 우리 물질 세계의 바탕에 이미 자리 잡고 있습니다. 눈에 보이지 않는 영역인데다가 SF 영화에서나 볼듯한 도깨비 같은 일들이 벌어지니 이해의 영역을 벗어날 뿐이지요.

양자역학의 핵심 개념인 중첩과 얽힘 개념은 여전히 아리송하지만 10대들을 위한 책인 만큼 양자역학 설명서 치고는 이만하면 쉽게 설명한 거라는 게 느껴집니다. 직관적으로 이해할 수 있도록 비유를 들면서 설명하고 있기도 하고요.

최근 이슈가 된 양자 기술을 통해 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신 등 양자역학의 응용 분야가 얼마나 다양하고 멋진 일인지도 만날 수 있습니다. 더불어 과장된 가짜 정보에 속지 않도록 짚어주기도 하고, 양자역학에 대해 더 파고들고 싶은 이들을 위한 책 리스트도 있으니 양자역학 입문서로 제격입니다.

양자역학 외에도 풀빛의 '쫌 아는 십 대' 시리즈에는 사회, 과학, 철학 등 분야별로 청소년들에게 유용한 지식 정보를 담은 책이 가득하니 살펴보세요.​

- 출판사로부터 도서를 제공받았습니다