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물리의 정석: 양자 역학 편


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서지 정보

카피: 스탠퍼드 천재들이 선택한 진짜 물리 특강 양자 역학 편

원제 Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum

레너드 서스킨드, 이종필

출판사: 사이언스북스

발행일: 2018년 5월 2일

ISBN: 978-89-8371-888-4

패키지: 양장 · 변형판 133x197 · 440쪽

가격: 22,000원

분야 물리학


책소개

스탠퍼드 천재들이 선택한 진짜 물리 특강 두 번째 시즌 오픈!

★ 끈 이론의 아버지 레너드 서스킨드의 1000만 뷰 유튜브 명강을 책으로 묶은 「물리의 정석」 시리즈 2편!
★ 양자 역학이 실제로 는 고전 역학보다 훨씬 더 쉽다!―레너드 서스킨드
★ 양자 역학이야말로 호모 사피엔스가 이룩한 인간 지성의 ‘최종 병기’이다.―이종필(옮긴이)


목차

서문 이상하고 아름다운 양자 세계로 7
물리학에 서툰 우리 모두를 위해 10
프롤로그 15
「양자 역학 편」을 시작하며 19

1강 계와 실험 23
2강 양자 상태 61
3강 양자 역학의 원리 81
4강 시간과 변화 129
5강 불확정성과 시간 의존성 171
6강 계의 결합 195
7강 얽힘 더 알아보기 235
8강 입자와 파동 295
9강 입자 동역학 339
10강 조화 진동자 383

부록 스핀 간단 요약 425
옮긴이의 글 인간 지성의 최종 병기, 양자 역학 433


편집자 리뷰

스티븐 호킹의 절친이자 호적수가 들려주는
당신의 마음속 물리학자를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의

3월 14일 스티븐 호킹이 타계했다. 우리 시대의 가장 위대한 이론 물리학자이자 파킨슨병으로 망가진 신체적 한계를 극복한 영웅으로서 학계는 물론 전 세계인의 사랑을 받아 온 한 과학자가 세상을 떠난 것이다. 호킹은 블랙홀 연구로 명성을 얻었지만, 블랙홀이라는 천체가 실험적으로 검증하기 어려운 물체다 보니, 노벨상을 수상하지는 못했다. 하지만 그의 블랙홀 연구는 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 대표되는 중력 이론과 양자 역학을 통일하는 현대 양자 중력 이론 연구에 큰 공헌을 했다. 대폭발(big bang) 이후 우주의 진화 과정을 연구하는 우주론부터 11차원의 세계를 넘나들며 가장 궁극적인 존재를 탐구하는 끈 이론에 이르기까지 호킹이 남긴 족적은 크고 넓다.
그런 그가 타계하기 불과 2주 전에 제출한 마지막 논문이 있다. 「영구 급팽창으로부터의 매끄러운 출구?(A Smooth Exit from Eternal Inflation?)」라는 논문이다. 국내 언론에서는 다중 우주의 증거를 우주 배경 복사 같은 현상에서 현재 우리가 운용 중인 탐사선으로 관측할 수 있다는 근거를 제시하는 논문으로 소개되었지만 정확한 해설은 아니었다. 호킹의 이 논문은 존재 가능한 우주가 10의 500제곱 개(무량대수인 1068이나 구골인 10100보다 크다.)나 존재하는 ‘우주의 풍경(cosmic landscape)’ 속에서 우리 우주처럼 급팽창이 조기에 끝나고 인간과 같은 지적 생명체가 태어날 수 있는 환경을 갖춘 우주가 만들어지는 조건을 알아내기 위한 몇 가지 아이디어를 제시하는 것이었다. 현재 동료 평가 단계에 있는 이 논문이 공식적으로 발표되고, 동료 물리학자들에 의해 연구된다면 호킹의 이전 연구가 그랬던 것처럼 풍요로운 영감의 원천이 될 것이다.
그런데 호킹이 생의 마지막 순간까지 붙잡고 있었던 ‘우주의 풍경’이라는 개념은 그의 것이 아니었다. 바로 그의 호적수이자 좋은 동료였던 스탠퍼드 대학교의 이론 물리학자 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)의 것이다. 서스킨드의 이 개념은 교착 상태에 있는 현대 이론 물리학, 특히 끈 이론 분야에서 돌파구로서 평가받고 있다. 심지어 어떤 물리학자들은 과학사에서 코페르니쿠스 혁명을 일으킨 코페르니쿠스의 지동설, 다윈의 자연 선택에 따른 진화에 버금가는 아이디어로 치기도 한다. 왜 우리 우주가 지금과 같은 상수와 물리량을 가지게 되었는지, 인간과 같은 지적 생명체가 성간 티끌에서 생성되게 되었는지를 명쾌하게 궁극적으로 설명하는 개념으로 부각되고 있다. 호킹은 서스킨드가 펼쳐 놓은 새로운 이론 물리학의 지평 위에서 말년까지 연구를 하고 있었던 셈이다.
스탠퍼드 대학교 물리학과 교수로 재직 중인 레너드 서스킨드는 대통일 이론의 후보로 각광 받고 있는 끈 이론의 선구자이다. 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론 등 다양한 분야에 공헌했다. 1940년 출생으로 79세의 나이에도 불구하고 여전히 첨단 연구와 대중 교육을 주도하고 있는 물리학자이다. 작년에도 웜홀, 양자 텔레포테이션, EPR 역설 등을 포괄적으로 연구해 양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합 가능성을 제시한 논문 2편을 연이어 발표해 학계를 뜨겁게 달군 바 있고, 우리나라의 고등과학원(KIAS)에 석좌 교수로 재직하기도 했다.
이번에 ㈜사이언스북스에서 펴낸 『물리의 정석: 양자 역학 편(Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum)』은 바로 이 레너드 서스킨드의 인기 강의 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」 중 양자 역학 관련 부분을 엮어 소개한 책이다. 「최소한의 이론」은 스탠퍼드 대학교 최고의 인기 강의로, 물리학과 학부생이나 대학원생들이 아니라 일반인을 위해 개설된 것으로 고전 역학에서부터 상대성 이론과 양자 역학은 물론이고, 우주론까지 물리학의 전 분야를 아우르며 그 정수들을 소개하는 강좌이다. 스탠퍼드 대학교의 유튜브 계정에 올라와 있는 이 강연은 136개의 동영상으로 이루어져 있고, 통틀어 1000만 뷰를 달성했다.
작년에 국내에 번역, 출간되어 물리학 마니아들과 과학 독자들의 입소문 속에 1만 부 가까이 팔리며 화제를 모은 작년에 국내에 번역, 출간된 『물리의 정석: 고전 역학 편』의 후속작인 이 책은 기존 물리 교과서의 체재를 따르지 않고 현장 연구자들이 사용하는 필수적인 최소한의 개념과 원리, 복잡해 보이는 수식의 핵심을 정확하게 짚어 소개하는 ‘물리학의 정석(定石)’이다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 「고전 역학 편」의 설명 방식과 기초 논리를 그대로 따르면서도 양자 세계에만 존재하는 논리들을 덧붙임으로써, 기존 고전 역학과 충돌하지 않으면서도 완전히 새로운 양자 역학을 독자에게 선사한다. ‘당신의 마음속 물리학자’를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의라고 할 수 있다.

끈 이론의 창시자에게 직접 듣는 양자 역학의 정석(定石)

양자 역학이 이상하다는 것은 모두가 알고 있다. 그러나 정확하게 어떤 방식으로 이상한지를 말할 수 있는 사람은 극히 드물다고 생각한다. 이 책은 양자 역학에 대한 기술적인 강좌를 담았지만, 대부분의 강좌나 대부분의 교과서와는 다르다. 논리적인 원리에 집중했으며, 그 목표는 말도 안 되게 이상한 양자 논리를 숨기는 것이 아니라 오히려 대명천지의 광명 아래로 끄집어내는 것이다. -본문에서

고전 역학이 직관적인 이유는 명확하다. 인간, 그리고 이전의 동물들은 생존을 위해 매일매일 여러 번 고전 역학을 이용해 왔다. 그러나 20세기 이전에 양자 역학을 사용한 사람은 아무도 없었다. 양자 역학은 아주 작은 것들을 기술하기 때문에 인간 감각의 범위를 완전히 넘어선다. 따라서 양자 세계를 이해하기 위해 우리의 직관이 진화하지 않았음은 너무나 당연하다. 양자 역학을 이해할 수 있는 유일한 방법은 추상적인 수학으로 직관 회로를 재배선하는 것뿐이다. 다행히도 다소 엉뚱한 이유로 우리는 그렇게 재배선할 수 있는 역량을 발전시켰다. -본문에서

서스킨드의 말대로 이 책의 목표는 “말도 안 되게 이상한 양자 역학의 논리를 숨기는 것이 아니라 오히려 대명천지의 광명 아래로 끄집어내는 것”이다. 저자는 양자 역학의 역사 등 대부분의 양자 역학 교양서들이 다루고 있는 부분을 과감히 생략하고 도입부부터 독자의 “직관 회로”를 양자 역학에 알맞게 “재배선”하는 작업에 들어간다. 전반부에서는 양자 역학이 고전 역학과 다른 결정적 이유를 설명하면서, 양자 역학을 이해하기 위한 새로운 논리와 도구 들, 즉 스핀, 큐비트, 불확정성 원리, 선형 대수학 등을 다룬다. 후반부에서는 고전 역학의 탐구 대상이었던 입자와 조화 진동자에 양자 역학의 논리를 대입해 숨겨진 자연 법칙을 찾아낸다. 뿐만 아니라 본문 전체의 약 20퍼센트에 해당하는 두 챕터(6~7강)에 걸쳐 양자 정보학의 핵심 개념인 얽힘에 대해 다룬다. 그리고 책 곳곳에 있는 연습 문제들을 통해 독자들이 직접 수학을 이용해 양자 역학 문제를 풀고 몸소 이해할 수 있는 기회 또한 제공하고 있다. 이 책을 공부하는 동안 우리의 선천적인 ‘물리적 약점’을 극복하고 ‘양자 간극’을 뛰어넘는 독특한 경험을 하게 될 것이다.
한편 『블랙홀 전쟁』, 『물리의 정석: 고전 역학 편』 등 서스킨드의 다른 책들을 번역, 출간한 바 있는 이종필 건국 대학교 교수가 번역해 간결하고 정확한 한국어 설명을 제공하고 있다. 「어른의 수학」, 「이종필의 물리의 정석 특강」 등 직접 나서서 「고전 역학 편」 해설 강의를 진행해 온 것처럼, 이번 「양자 역학 편」 역시 출간 직후부터 역자 오프라인 특강이 수차례 예정되어 있다. 뿐만 아니라 ㈜사이언스북스가 제작하고 이종필 교수가 감수한 연습 문제 풀이집 『물리의 정석 솔루션: 양자 역학 편』을 책 구매 독자 전원에게 사은품으로 제공할 예정이다. 솔루션을 통해 독자들은 책의 연습 문제를 통한 ‘양자 역학 실습’을 더욱 효과적으로 할 수 있다.
이제 양자 역학은 상식이 되고 있다. 가수 박진영, 나르샤, 그리고 방송인 김제동 등이 텔레비전 방송에 출연해 양자 역학에 대해 서슴없이 말한다. ‘슈뢰딩거의 고양이’에서 유래해, 역설적인 상황을 빗대어 표현하는 말 ‘슈뢰딩거의 ○○○’은 사람들이 보편적으로 사용하는 관용 표현이 되었다. 게다가 최근 몇 년 사이 양자 역학을 기초로 한 정보 이론인 양자 정보학 또는 양자 컴퓨팅이 차세대 학문 분야로 급부상하면서, 실용적인 목적으로 양자 역학을 공부해 보고자 하는 사람들도 점차 증가하고 있다. 과학 출판 시장에서도 『김상욱의 양자 공부』나 『양자 정보학 강의』 같은 책들이 주목을 받고 있다.
이렇게 양자 역학이 새로운 주목을 받고 있는 시대에, 유튜브 무료 강의를 바탕으로 하고 연습 문제 솔루션으로 무장한 레너드 서스킨드 물리학의 정석(定石) 양자 버전인 이 책은 양자 역학을 전혀 모르는 초심자부터 「고전 역학 편」의 다음 단계인 양자 역학에 도전하고자 하는 사람들, 고전 역학과 양자 역학이 충돌하는 듯한 기존 설명에 지친 사람들, 그리고 21세기 새로운 상식이자 실용 기초 학문으로서 양자 역학에 도전하고자 하는 대학생, 직장인에게 최고의 책이라고 할 수 있다.

현대 물리학이 반직관적인 현상에서 출발할뿐더러 반직관적인 논리에 기초해 있어서 이를 제대로 이해하기 위해서는 생각의 회로를 바꾸는 고통을 감수해야 한다는 점은 대단히 인상적이다. 호모 사피엔스의 오랜 진화의 여정에서 겨우 100여 년 전에야 우리는 우리 생각의 회로가 자연의 진실을 마주하는 데에 적합하지 않다는 것을 처음으로 알게 되었다. 그제야 우리는 수백만 년에 걸친 진화의 압력을 거슬러 자연의 올바른 법칙을 알아채기 시작했다. 나는 현대 물리학이 위대한 이유를 여기서 찾는다. 그 정점에 양자 역학이 있다. 양자 역학이야말로 호모 사피엔스가 이룩한 인간 지성의 ‘최종 병기’이다.
서스킨드가 강의하고 책으로 엮은 『물리의 정석: 양자 역학 편』은 말하자면 이 최종 병기의 설계도이고 사용 설명서이다. 1강에서 스핀부터 다룬다. 양자 역학을 조금이라도 공부해 본 사람이라면 1강에서부터 스핀이 등장한다는 사실이 어떤 의미인지 대략 짐작할 것이다. 즉 처음부터 완전히 새로운 논리와 규칙으로 무장하고 들어가겠다는 이야기이다. 양자 역학을 다루는 대부분의 교양 과학서와 적지 않은 전문 교과서는 양자 역학이 태동한 역사부터 말랑말랑하게 소개하면서 책을 시작한다. 서스킨드는 첫 강의부터 정면 돌파를 시도한다. 그것이 이 책의 매력이다. 양자 역학을 이해하려면 어차피 생각의 회로를 바꾸어야 하니까 아예 처음부터 완전히 새로운 규칙으로 중무장하는 것도 좋은 방법이다. 논리적으로 따져서 퍼즐 조각을 맞추는 과정을 좋아하는 사람이라면 이 책을 통해 양자 역학의 매력에 흠뻑 빠져들 것이다. -이종필(옮긴이)

 

추천사

사람들은 흔히 물리를, 공식을 왕창 암기해야 하는 피곤한 학문으로 여긴다. 이 책의 강점은 물리가 그야말로 ‘이해된다’는 것이다. 실용서 또는 수험서라는 명분으로 학습자의 입에 공식을 ‘쑤셔 넣으려는’ 시도에 물린 사람들에게 이 책은 구원의 손길이 될 것이다. 저자의 유튜브 오리지널 강의를 함께 이용할 수 있다는 것도 대단한 강점이다.
물리가 이해되는데, 그냥 이해되는 게 아니다. 이 책을 물리를 배우려는 사람들만 본다면 불운이다. 수학에 관심 가진 사람들에게도 강력하게 권한다. 이 세계의 질서와 아름다움을 제대로 체감하는 데 있어 수학이 얼마나 효과적인지를 극명하게 보여 주기 때문이다.
서스킨드의 『물리의 정석』은 스탠퍼드 대학교의 일반 물리학 강의에 기초하고 있다는 점에서, 50년 전 캘리포니아 공과 대학(Caltech)의 일반 물리학 강의를 담은 리처드 파인만의 『물리학 강의(Lectures on Physics)』를 연상시킨다.―이범(더불어민주당 민주정책연구원 부원장)

정석 맞다. 거의 물리학과 학부 표준 교재다. 일반인이라면 마음 단단히 먹고 제대로 공부할 사람에게만 추천한다. 하지만 너무 겁먹진 마시라. 저자 서스킨드는 최고급 일류 요리사이고, 번역자 이종필 교수는 완벽한 테이블 세팅을 마쳤다. 당신은 즐기기만 하면 된다. 물론 쉽지는 않을 것이다. 행운을 빈다.―김상욱(경희 대학교 교수)

현실의 구동 원리 중 가장 기이한 측면을 명쾌하게!―션 캐럴(캘리포니아 공과 대학)

형식적인 파편들을 하나의 명확한 개념으로 한데 모으다.―데이비드 시어리(서식스 대학교), 《네이처》

무인도에 가져갈 단 한 권의 책! 시간을 충분히 들인다면 당신은 결국 양자 역학에 통달할 것이다.《사이언스 뉴스》


작가 소개

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레너드 서스킨드

스탠퍼드 대학교 펠릭스 블로흐 이론 물리학 교수. 끈 이론의 선구자로 유명하다. 1940년 뉴욕에서 태어나 자랐고, 성인이 된 후에는 아버지를 따라 배관공으로 일하기도 했다. 뉴욕 시티 칼리지(CCNY) 공학부를 졸업했고 코넬 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 1973년부터 스탠퍼드 대학교 이론 물리학 교수로 재직하고 있다.

지난 40년간 그는 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 우주론, 그리고 중력을 포함해서 이론 물리학의 모든 분야에 공헌했다. 1969년 난부 요이치로와 같은 시기에 강입자의 끈 이론에 도달했다. 블랙홀에 빨려 들어가는 양자의 정보는 사라진다고 주장하는 스티븐 호킹에 대항해 헤라르뒤스 토프트와 함께 정보는 사라지지 않는다고 주장했다. 후에 그는 쿼크 속박 이론(왜 쿼크가 강입자 내부에서 빠져나올 수 없는지), 중입자 생성(왜 우주는 반물질이 아니라 물질로 가득 차 있는지), 블랙홀 상보성 원리, 홀로그래피 원리 등 현대 물리학계를 뒤흔든 여러 개념들을 발견해 냈다.

미국 국립 과학원(NAS)과 미국 학술원(AAAS) 회원이며, 세계 최고의 이론 물리학 연구 기관 중 하나인 캐나다 페리미터 이론 물리학 연구소의 객원 교수이며 우리나라 고등과학원(KIAS)의 석좌 교수이기도 하다. 미국 물리학 협회가 주는 과학 저술상, 미국 물리학회가 입자 물리학 이론에 공헌을 한 사람에게 주는 J. J. 사쿠라이 상, 뉴욕 과학원이 주는 보리스 프레겔 상 등을 받았다.

저서로는 『블랙홀, 정보, 그리고 끈 이론 혁명 개론(An Introduction To Black Holes, Information And The String Theory Revolution)』, 『우주의 풍경(Cosmic Landscape)』,『블랙홀 전쟁(The Black Hole War)』  등이 있다.

"레너드 서스킨드"의 다른 책들

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이종필

서울 대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학교 대학원에서 입자 물리학으로 석사, 박사 학위를 받았다. 한국과학기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS), 연세 대학교 연구원, 서울과학기술대학교에서 재직했다. 현재 건국 대학교 상허 교양 대학 교수로 재직 중이다. 저서로는 『물리학 클래식』, 『대통령을 위한 과학 에세이』, 『신의 입자를 찾아서』 등이 있고, 번역서로 『물리의 정석: 고전 역학 편』, 『최종 이론의 꿈』, 『블랙홀 전쟁』 등이 있다.

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