【 양자역학 이야기 】 - 빛의 개념부터 시간여행까지, 세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서 _팀 제임스 / 한빛비즈
노벨상 수상자 리처드 파인먼은 양자물리학 수업에서 이런 발언을 했다. “내 물리학 수업을 듣는 학생들은 양자물리학을 이해하지 못한다. 나도 마찬가지다. 양자물리학을 이해하는 사람은 아무도 없다.” 그런가? 도저히 이해 불가한 주제인가? 파인먼이 이해하지 못한다고 말한 이유는 양자물리학이 너무 어려워서가 아니라(물리학 전공자나 이학 분야를 공부하는 사람이 아닌 이상 어려운 것은 맞다) 짜증날 정도로 이상하기 때문이라고 한다.
양자물리학은 빛을 이해하려는 노력에서 시작되었다. 르네상스 시대에 가장 큰 영향력을 끼친 과학자이자 철학자인 르네 데카르트는 빛은 물결과 같다고 추론했다. 빛은 플레넘이라는 물질을 통해 파동이 전파된 결과로 해석했다. 아이작 뉴턴은 빛이 매질을 타고 이동하는 파동이라면, 물결이 바위를 만났을 때 그 옆으로 살짝 돌아가듯 빛도 물체를 지날 때 그 곁으로 휘어져 지나가야 한다고 반론을 제기했다. 따라서 빛은 입자로 구성되어 있다고 주장하면서 그 빛 입자에 ‘미립자’라는 이름을 붙였다.
양자역학의 본질을 이해하려는 철학자들은 두 그룹으로 나뉜다. 한 진영에는 양자역학의 본질을 파악하려는 철학자들이다. 아인슈타인, 슈뢰딩거, 드브로이 같은 사람들이다. 다른 진영에는 어떠한 의미가 있는지 고민하지 않고 양자역학을 사용하기만 하려는 수학 천재들이 있었다. 그중 단연 돋보이는 인물은 보어와 하이젠베르크이다. 하이젠베르크는 “입자는 실재하지 않는다. 그리고 어떠한 존재나 사실이 아닌, 확률과 잠재력으로 세상을 구성한다.”고 말했다. 수학자다운 발언이다.
양자역학에서 자주 등장하는 단어 중 ‘입자’가 있다. ‘입자’의 정체는? 물리학자들이 종종 사용하는 간단한 정의는 ‘서로 뭉쳐서 저절로 떨어지지 않는 것’이다. 인간의 팔, 다리는 (일반적으로) 제멋대로 몸통에서 떨어지지 않는다. 그런 의미에서 우리 몸은 거대한 입자들의 집합체이다. 우리 몸의 장기는 세포라고 부르는 입자로 나뉘며, 세포는 분자로 분해되고, 분자는 원소로, 마지막으로 원소는 양성자, 중성자, 전자로 쪼개진다.
“과학은 일직선으로 발전하지 않는다. 이론은 예전에 우리가 무엇인지도 모르고 우연히 발견했던 것들의 실체를 예견한다.” 이 책의 지은이 팀 제임스는 영국의 과학교사이다. 유튜브, 인스타그램 등을 통해 과학 대중화에 힘쓰고 있다고 한다. 컴퓨터 양자역학 전공으로 화학 석사학위를 받았다. 그의 첫 책인《원소이야기》(한빛비즈, 2022)는〈데일리 메일〉올해 최고의 책 중 하나로 선정되었다. 저자는 복잡한 주제를 쉽게 설명하기 위해 스토리텔링 형식으로 글을 썼다. 숫자 울렁증이 있는 독자들을 의식한 듯 수학, 물리공식대신에 아이들의 낙서 같은 그림으로 텍스트의 이해를 돕는다. 책 말미엔 과학사 연표를 정리했다. 부록으로 실은 ‘스핀 살펴보기’ ‘슈뢰딩거 방정식 풀기’ ‘아인슈타인의 자전거’ ‘무한대 완화하기’ ‘쿼크에 색칠하기’등도 읽을거리다.
