양자 역학 교양서의 결정판.―이해웅(유니스트 교수)

말이 안 되는 것이 웃기고 재미있다. 그래서 양자 역학은 어렵지만 재미있다. 웃음은 양자 역학이다.―김제동(방송인)

이제 양자 역학을 두껍고 높은 벽 너머가 아니라 내가 만지고 넘겨볼 수 있는 울타리 곁에!―이정모(서울 시립 과학관 관장)

양자 역학의 은하계를 여행하는 히치하이커를 위한 최적의 안내서.―이권우(도서 평론가)

균형감 있게 양자 역학의 세계를 맛볼 수 있는 편식 없는 식탁.―이명현(천문학자)

너희한테는 파인만이 있지? 우리한테는 김상욱이 있다!―강양구(과학 전문 기자)

대한민국 대표 과학 커뮤니케이터 김상욱 교수와 함께하는 감각적이고 유머러스한 양자 공부

한 가지 사실은 분명하다. 세상에서 일어나는 모든 일들을 이해하기 위해서는 그 모든 것을 이루고 있는 원자를 이해해야 한다. 원자의 세계에서 일어나는 현상을 설명하는 과학이 바로 이 책의 주제인 양자 역학이다. 이쯤 되면 양자 역학이 궁금해질 법도 한데.―본문에서

이 책은 크게 두 가지 이야기로 구성되어 있다. 원자 세계의 기묘한 현상을 직면한 닐스 보어, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein), 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg), 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger) 등 물리학의 ‘어벤저스’가 펼치는 흥미진진한 1부와, 양자 컴퓨터, 양자 생물학 등 무한한 가능성을 가진 양자 역학의 미래를 들려주는 2부가 그것이다.

1부의 시작인 1장 「양자 역학의 하루」는 양자 공부를 막 시작한 독자가 긴장감을 풀 수 있도록 저자가 특별히 만든 가상 드라마이다. 양자 열차, 펠묜 국수, 보손 카페 등 도무지 납득할 수 없는 세계가 펼쳐진다. 하지만 양자 공부를 모두 끝내고 다시 이 드라마를 시청한다면 ‘양자 역학을 좀 아는’ 사람만이 느낄 수 있는 새로운 재미를 발견할 수 있다. 저자가 독자들을 위해 양자 역학 이해의 지표를 마련해 놓은 셈이다. 2장 「양자 역학의 핵심, 양자 중첩」은 양자 역학의 핵심 개념인 ‘중첩’을 설명하며 본격적으로 독자의 머리를 지끈하게 만든다. 현재 양자 컴퓨터의 정보 처리 기본 단위 큐비트(qubit)를 있게 한 핵심 개념이기도 한 만큼 중첩은 양자 공부를 해 나가기 위해 반드시 거쳐야 할 첫 번째 관문이다. 3장 「슈뢰딩거 고양이는 누가 죽였나?」에서는 누구나 상식처럼 여기지만 사실은 잘 모르는 슈뢰딩거 고양이 역설, 스티븐 호킹(Stephen Hawking)마저도 해결을 포기한 기묘한 사고 실험을 통해 중첩의 신비를 맛볼 수 있다.

결국 물리학자들은 양자 역학을 받아들이기 위해 직관을 포기하기로 했다. (4장 「문제는 원자가 아니라 인간」) 이제 입자가 중간 과정 없이 도약하고(5장 「과학 역사상 가장 기이한 도약」), 관측 전에는 실재하지 않는다는 것이 양자 역학의 주류 해석이 되었다. (6장 「이론이 결정한다!」) 이것을 코펜하겐 해석이라고 하는데, 이에 동조하는 보어, 하이젠베르크 측과 아인슈타인, 슈뢰딩거 측을 중심으로 대논쟁이 벌어지게 된다. 바로 솔베이 논쟁이다. 특히 아인슈타인은 존재의 본질이 확률 분포 함수이고 그 규칙에 따라 관측될 때 비로소 실재할 수 있다는, 당시로서는 극단적인 확률 해석을 전적으로 부정했다. 하지만 오늘날의 과학은 보어와 하이젠베르크가 옳았음을 증명하고 있다. 역사상 가장 위대한 물리학자 아인슈타인은 양자 역학에 있어서만큼은 영원한 패배자로 남았다. (7장 「신은 주사위를 던진다」) 각각 광양자설과 파동 역학이라는, 양자 역학의 토대를 세운 아인슈타인과 슈뢰딩거조차 직관의 덫을 극복하지 못했다는 사실은 양자 역학이 얼마나 어려운지 다시 한번 보여 준다.

이후 하이젠베르크의 불확정성 원리가 양자 역학의 대전제로 자리 잡을 동안(8장 「불확정성 원리의 불확정성?」) 아인슈타인은 회심의 반격을 준비하고 있었다. 보리스 포돌스키(Boris Podolsky), 네이선 로젠(Nathan Rosen)과 함께 발표한 EPR 논문을 통해 코펜하겐 해석의 맹점을 집요하게 파고들었다. EPR 역설로 불리는 이것은 슈뢰딩거 고양이 역설보다도 훨씬 지독하게 양자 역학의 기본 전제를 위협한 사고 실험인 만큼, 궁금한 이들은 9장 「EPR 패러독스, 양자 얽힘」을 살펴보기를 바란다. 특히 이 장은 아인슈타인이 코펜하겐 해석의 모순점을 설명하기 위해 고안했던 개념 ‘얽힘’을 다루고 있다. 역설적이게도 얽힘은 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)에 의해 실험적으로 증명되어 현재 양자 컴퓨터와 묵자 호로 대표되는 양자 통신 기술의 이론적 기반이 되었다.

모순 속에서 살아남은 중첩과 얽힘, 코펜하겐 해석과 불확정성 원리를 모두 공부했다면 양자 역학의 과거를 ‘어느 정도’ 이해한 셈이다.

정보 이론, 뇌 과학, 우주론 등 모든 현대 과학을 포괄할 궁극의 학문을 미리 경험하라!

양자 역학은 첨단 이론인지는 몰라도 일상 생활과 상관없는 것으로 보일 수 있다. 하지만 안타깝게도(?) 우리 주위에 널려 있다. 양자 역학은 원자를 설명하는 이론이고, 세상 모든 것은 원자로 되어 있다. 따라서 주위에 보이는 모든 것에서 양자 역학이 작동한다고 보면 된다.―본문에서

2부에서는 이렇게 탄생한 양자 역학의 현재와 미래를 이야기한다. 10장 「양자 역학 없는 세상」은 양자 역학이 세상을 구성하는 기본 단위를 설명하는 이론임을 상기시킨다. 화학, 반도체 공학 등에서 사용하는 이론이 양자 역학을 통해 어떻게 더 근본적 수준의 설명으로 환원되는지 살펴볼 수 있다. 여전히 아리송한 양자 역학이 현대 과학의 정점이라는 사실을 비로소 이해할 수 있을 것이다.

이제 더 고급스러운 양자 역학을 원할 독자들을 위해 양자 카오스, 양자 컴퓨터, 양자 다중 우주, 양자 생물학, 양자 정보 물리학을 다루는 챕터들이 준비되어 있다. 11장 「양자 역학에 카오스는 없다」에서는 양자 역학이 미시 세계를 넘어 거시 세계까지 포괄적으로 설명하기 위해 반드시 극복해야 하는 ‘양자 카오스’에 대해 다룬다. 양자 홀 효과 등 일상 세계에서 펼쳐지는 기묘한 양자 현상을 간접적으로 경험할 수 있다.

12장 「세상에서 가장 강력한 양자 컴퓨터」에서는 1부에서 설명한 중첩과 얽힘을 이용한 차세대 정보 이론을 다룬다. 0 또는 1로 구분되는 비트가 아니라 0과 1의 중첩 상태인 큐비트를 이용한 정보 처리 방식, 얽힘을 이용해 효율을 극적으로 높일 전송 방식을 소개한다. 앞서 말한 구글 양자 컴퓨터와 중국 묵자 호 출현의 진정한 의미를 체감할 수 있을 것이다.

13장 「다세계 해석: 양자 다중 우주」에서 양자 역학은 우주론까지 넘본다. 허무맹랑한 평행 우주 가설로 치부되었던 다세계 해석은 최근 끈 이론의 아버지 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)가 주장하고 스티븐 호킹이 동조한 ‘우주의 풍경’ 이론과 일맥상통하는 면이 있다. 우주론의 새로운 패러다임일지도 모를 양자 우주론을 미리 맛볼 수 있다.

14장 「양자 생물학」은 아직 가설 단계이지만 식물 광합성의 압도적인 에너지 효율을 설명하거나 인간 뇌 활동에 중첩을 도입해 정신 작용의 본질적 메커니즘을 규명할지도 모를 미래의 양자 역학을 소개한다. 양자 역학의 기초만 훑는 것이 아니라 최전선까지 맛볼 수 있는 만큼 제대로 된 양자 공부가 가능하다.

15장 「비트에서 존재로: it from bit」는 정보를 정량 측정하는 공식이 엔트로피 공식과 같다는 우연한 발견과, 열역학 법칙을 무너뜨리지 않기 위해 정보를 물리적 대상으로 간주해야만 하는 사고 실험을 소개한다. 양자 역학으로 바라본 우주는 결국 ‘정보 우주’라는 결론에 도달한다. 즉 양자 역학이 우주의 본질까지 탐색하는 가장 근본적인 학문이 되어 가고 있다는 뜻이다.

양자 세계를 여행하는 히치하이커를 위한 최적의 안내서

저자가 직접 창작하거나 패러디한 시(「사랑의 양자 역학」, 「퀀텀 소네트」, 「퀀텀 하이쿠!」)를 만나 보는 재미도 있다. 철학하는 물리학자라는 별명에 걸맞게 문학과 과학을 모두 녹여 내며 양자 공부의 쉼터이자 윤활유가 되어 준다.

앞서 말한 부록 「양자 역학 사용 설명서」를 통해 15개의 다채로운 양자 역학 이야기를 복습하고 활용하는 법을 익힘으로써 양자 시대 구성원이 되기 위한 마무리 공부를 할 수 있다. 「양자 세계를 여행하는 히치하이커를 위한 가이드」에서는 양자 공부의 외연을 넓히기 위해 저자가 직접 양자 역학 책들을 추천해 준다. 낯선 용어와 개념이 자주 등장하는 만큼 「양자 역학 용어 해설」을 자주 참고하길 바란다. 양자 공부를 마쳤으면 다시 드라마 「양자 역학의 하루」로 돌아가 보길 추천한다. 경험해 보지 못한 앎의 기쁨이 숨어 있다.

모든 것을 이루는 원자, 그리고 그것을 설명하는 유일무이한 학문 양자 역학은 가장 중요한 동시에 가장 어려운 학문이다. 때문에 저자는 학교와 미디어에서 쌓은 과학 교육 경험을 바탕으로, 처음부터 끝까지 수월한 공부가 가능하도록 견고하고 치밀한 구성 방식을 찾아 냈다. 저자의 박사 과정 지도 교수이자 양자 정보학의 대가인 이해웅 유니스트 교수가 인정하고, ‘양알못’ 방송인 김제동 역시 재미있다고 극찬한 것은 바로 이 때문이다.

플랑크가 최초의 양자 이론으로 노벨상을 받은 지 100년이 지날 동안 수많은 양자 역학 이야기가 누적되어 왔다. 때문에 국내에서 수십 년 동안 양자 역학 전공서, 역사서, 철학서 등이 끊임없이 쏟아져 나왔지만, 양자 역학의 모든 것을 대중의 눈높이에 맞게 적절히 녹여 낸 책은 『김상욱의 양자 공부』가 유일하다. 12월 20일 (주)사이언스북스에서 진행하는 양자 역학 독자 이벤트 “양자 번개”를 포함해 출간 후 저자 오프라인 양자 역학 강연이 꾸준히 이어질 것이므로 양자 역학 입문자들에게는 더없이 좋은 기회가 온 것이다. 양자 역학이 지배하는 사회에서 살아가기 위해 가장 먼저 찾아야 할 양자 역학 사용 설명서가 바로 여기에 있다.

Q: 원자는 어디 있나요?

A: 모릅니다. 질문이 틀렸어요.

Q: 양자 역학은 뭐하는 학문인가요?

A: 원자를 설명하죠.

Q: 그럼 원자는 어디 있나요?

A: 모른다니까요!

Q: 원자가 어디에 있는지도 모르는데 원자를 설명한다고요?

A: 질문이 틀렸다니까요!

―본문에서

추천사

이 책에서 김상욱 교수는 “양자 역학은 우리 주위의 모든 것을 설명하고, 우리는 양자 역학 없이는 살 수 없다.”라고 말한다. 양자 역학을 가까이하지 못했던 독자들을 ‘살리기’ 위해서 그가 심혈을 기울여서 쓴 책이다. 양자 역학의 주제에 대한 김상욱 교수의 결정판이라고 해도 손색이 없을 것이다. 설명이 거의 불가능한 양자 세계의 기본 개념과 기묘한 현상들―양자 중첩, 결어긋남, 측정, 양자 얽힘―은 물론 카오스, 열역학 제2법칙, 양자 컴퓨터, 양자 생물학, 양자 정보 등의 폭넓은 관련 주제들을 두루 아우르며 특유의 재치가 넘치는 유려한 필치로 이야기를 이끌어 나간다. 이 책을 읽고 나면 이상하고 오묘한 양자 세계를 유쾌하게 여행하고 돌아온 느낌이 든다.―이해웅(유니스트 교수)

김상욱 쌤이 나에게 양자 역학 책에 관한 추천사를 부탁했을 때 나는 웃었다. 말이 안 되기 때문이다. 이 책을 읽으면서 또 웃었다. 양자 역학 자체가 나에게는 말이 안 되기 때문이다. 재미있다. 맞다. 말이 되는 것은 웃기고 재미있지 않다. 말이 안 되는 것이 웃기고 재미있다. 그래서 이 책은 어렵지만 재미있다. 웃음은 양자 역학이다. 어쨌든 양자 역학에 관한 책의 추천사를 지금 내가 쓰는 것은 양자 도약이다. (아, 이 책을 읽었을 뿐인데 있어 보인다.)

―김제동(방송인)

김상욱 교수는 “과학은 지식이 아니라 태도”라고 말한다. 이 말은 양자 역학을 대할 때 가장 빛난다. 양자 역학이란 만물을 구성하는 원자, 특히 원자 안에서 공간과 질량을 거의 차지하지 못하지만 모든 물성을 결정하는 작디작은 전자의 움직임을 이해하는 학문이라고 한다. 도대체 이게 무슨 말인가? 과연 양자 역학을 제대로 이해하고 설명할 수 있는 물리학자가 몇이나 될 것이며 그 이야기를 알아들을 독자가 몇이나 되겠는가.

김상욱 교수는 이 책을 통해 양자 역학을 동네 할머니도 이해하기 쉽게 설명하려고 노력했다. 하지만 한때 과학자의 탈을 썼던 나조차도 다 이해하지 못했다. 그러나 적어도 양자 역학이 왜 중요한지 그리고 내 삶이 얼마나 양자 역학적인지는 뜨겁게 느낄 수 있었다. 이제 양자 역학을 두껍고 높은 벽 너마가 아니라 내가 만지고 넘겨볼 수 있는 울타리 곁에 두게 되었다. 과학을 통해 세상을 이해하려는 독자, 과학을 통해 세상을 바꾸려는 과학자에게 권한다. 지식뿐만 아니라 태도를 바꾸어 주는 책이다.―이정모(서울 시립 과학관 관장)

그럴 때가 있는 법이다. 감히 읽어 볼 엄두를 내지 못할 내용인지라 아예 거들떠보지도 않은 분야의 책을 오로지 그이가 썼기 때문에 용기를 내어 읽어 보는 일 말이다. 내가 아무리 지적 호기심이 왕성하고 과학 책도 잘 읽는 편이지만, 양자 역학 책을 읽을 줄을 몰랐다. 세상에는 읽을 책이 넘쳐 나고, 읽을 시간은 늘 부족하지 않은가. 그런데 김상욱 교수가 큰 맘 먹고 수식이나 공식이 나오면 책을 무조건 덮는 이들도 알아먹을 만한 양자 역학 책을 썼다 하니, 아니 읽어 볼 도리가 있겠는가. 속으로는 중도에 포기할까 봐 걱정되었지만, 감히 읽어 보았지 않겠는가! 결과는. 말해 무엇하는가. 지금 이렇게 추천사를 쓰고 있으니. 가끔, 그러니까 아주 가끔 귀신 씻나락 까먹는 이야기가 나오고 눈알 어지럽게 하는 공식이 나오지만, 마침내 양자 역학의 진면목을 만나는 데 성공했다.

양자 역학, 어려워 마시길. 이 책은 읽는이를 최소한 아인슈타인 수준으로 이끌어 준다. 그도 결국에는 양자 역학을 이해하지 못했으니까. 이 책은 읽는이를 보어와 하이젠베르크의 수준으로 이끌어 준다. 양자 역학이라는 과학 혁명을 이끈 쌍두마차이니까. 그러다 보면 깨우치게 된다. 양자 역학을 아느냐 모르냐가 중요한 것이 아니라는 것을. 양자 역학 이해를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 우리의 직관과 상식과 언어다. 중요한 것은 과학 정신이다. 늘 의심하고 회의하고 비판하고 대안을 찾는 지적 도전과 성실성 말이다. 오호, 이런 깨우침은 아무나 주는 것이 아니다. 감히 말하건대 『김상욱의 양자 공부』는 양자 역학의 은하계를 여행하는 히치하이커를 위한 최적의 안내서다.―이권우(도서 평론가)

양자 역학이 없는 현대 문명은 상상조차 할 수 없다. 하지만 일반인들에게 양자 역학은 여전히 어렵고 접근 불가능한 안개에 둘러싸인 카프카의 성처럼 보인다. 양자 역학을 다루었던 많은 책들이 주로 역사적 맥락과 의미에 초점을 맞추었던 것도 이 학문 자체가 어렵기 때문이다. 친절하고 쉽게 설명하는 책들이 더러 있지만 특정한 분야에 치우친 경우가 많아서 아쉬웠다.

『김상욱의 양자 공부』는 양자 역학의 거의 모든 분야를 다루고 있다. 균형감 있게 양자 역학의 세계를 맛볼 수 있는 편식 없는 식탁이다. 어려운 내용을 외면하지 않고 직접 다루는 패기가 돋보이는 책이다. 온 정성을 다해서 친절하게 설명하고 있다. 그럼에도 불구하고 양자 역학은 어렵다. 그런 한계도 함께 보여 주는 용기 있고 담백한 책이 바로 이 책이다.

김상욱 교수는 양자 역학의 연구 현장에서 잔뼈가 굵은 연구자다. 일반인들과 양자 역학 이야기를 스스럼없이 나누는 대중 과학자이기도 하다. 그런 그가 자신있게 내놓은 책이 바로 이 책이다. 한번 믿어 보자. 운이 좋다면 안개 가득한 ‘무진기행’의 힘겨운 여행 끝자락에서 닫혔던 카프카의 성문 사이로 흘러나오는 희미하지만 점점 뚜렷해지는 한 줄기 빛을 볼 수도 있을 것이다. 건투를 빈다.―이명현(천문학자)

처음 고백한다. 과학 고등학교를 다니던 시절, 물리 과목은 3년 내내 콤플렉스였다. 나름대로 최선을 다해서 학생에게 물리의 여러 개념을 심어 주려던 선생님의 눈물겨운 노력도 나에게는 통하지 않았다. 알 듯 모를 듯, 잡힐 듯 잡히지 않는 개념 속에서 허우적거리다 시험지만 받아들면 머리가 하얘지곤 했다.

그 순간을 평생 잊지 못한다. 고등학교 2학년 때의 어느 날, 물리 실험 과목의 시험 답안지를 받아들었다. 주관식 10문제에 답을 빼곡히 채워 놓았는데, 점수는 0점이었다. 지금은 어떤 문제인지 기억도 안 나지만, ‘0’이라는 숫자 뒤의 선생님의 숨은 질타는 ‘총체적 난국’이었다. 어쩌면 그 순간 과학자로서의 나의 꿈이 조금은 부서졌다.

그러고 나서 20년이 지난 뒤에 나는 비로소 ‘진짜’ 물리 선생님을 만났다. 『과학 수다』로 연이 닿아 김상욱 교수와 전국 방방곡곡을 누비면서 뉴턴의 고전 물리학, 아인슈타인의 상대성 이론 그리고 양자 역학을 귀동냥하면서 듣기 시작했다. 화제의 동영상도 김 교수 몰래 찾아서 보았다. 한번은 이렇게 김 교수에게 고백도 했다. “그때는 왜 몰랐을까요?”

그리고 이제 기대하던 책 『김상욱의 양자 공부』를 한 장씩 읽어 본다. 이렇게 아름답고 재미있고 때로는 신비하기까지 한 양자 공부를 왜 좀 더 일찍 시작하지 못했을까? 물리 빵점짜리 낙제생이 뒤늦게 물리학 애호가가 되었다. 그리고 그 경험을 좀 더 많은 독자가 할 수 있게 되어서 정말로 기쁘다.

바라건대 나의 물리 선생님 김상욱 교수가 ‘양자 공부’에 이어서 ‘역학 공부’ 같은 책도 펴주면 좋겠다. 가끔씩 외국의 과학 기자를 만나서 토론할 일이 있다. 그때마다 과학 교육이 화제가 오른다. 다음에 만나면 한마디 해 주어야겠다. “너희한테는 파인만이 있지? 우리한테는 김상욱이 있다!”―강양구(과학 전문 기자)

프롤로그 모든 것은 원자로 되어 있다 7

1부

1장 양자 역학의 하루 21

2장 양자 역학의 핵심, 양자 중첩 27

3장 슈뢰딩거 고양이는 누가 죽였나? 43

4장 문제는 원자가 아니라 인간! 57

5장 과학 역사상 가장 기이한 도약 83

6장 이론이 결정한다! 101

7장 신은 주사위를 던진다 117

8장 불확정성 원리의 불확정성? 133

9장 EPR 패러독스, 양자 얽힘 145

2부

10장 양자 역학 없는 세상 161

11장 양자 역학에 카오스는 없다 179

12장 세상에서 가장 강력한 양자 컴퓨터 195

13장 다세계 해석: 양자 다중 우주 209

14장 생명의 양자 도약 219

15장 비트에서 존재로: it from bit 229

에필로그 양자 역학 사용 설명서 250

감사의 말 265

더 읽을거리 양자 세계를 여행하는 히치하이커를 위한 가이드 269

양자 역학 용어 해설 279

후주 291

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