2025년 노벨 물리학상에 빛나는 ‘양자역학’

세계적인 권위자가 제대로 쓴 양자역학 교과서!

16세기 양자의 기원부터 21세기 양자 컴퓨터까지

입문자, 전문가 모두를 압도할 양자 대하드라마

20세기 초반 탄생한 양자역학과 그 기원에 관한 책. 지구와 우주의 모든 물질을 이해하는 데 어떻게 양자역학이 가장 큰 혁명이 되었는지, 어떻게 현대 기술의 많은 부분을 형성하게 되었는지를 정리했다. 유엔과 유네스코는 1925년 베르너 하이젠베르크가 발표한 행렬역학을 양자역학의 탄생으로 보고 그 100주년이 되는 2025년을 ‘양자과학기술의 해’로 지정했지만, 이 책은 그 기원을 16세기 시몬 스테빈에서 시작하고 그 이후 양자를 둘러싼 500년 역사를 돌아본다.

 

총 2부 구성 중 1부는 물리학을 수학이라는 언어로 변환한 과학자들의 성과를 들여다본다. 스테빈에 이어 ‘낙하 실험 2.0’을 통해 현대 과학의 아버지로 불리는 갈릴레이, 행성들의 궤도를 설명할 방법을 찾다가 미적분을 발명한 뉴턴, 사원수를 통해 양자역학의 수학적 기초를 마련한 해밀턴 경, 물리학에서 대칭에 관해 위대한 업적을 남긴 에미 뇌터의 이야기 등이 나온다. 16세기부터 19세기까지 양자역학의 기초를 마련한 과학자와 그 성과에 초점을 맞춘다.

 

2부는 본격적인 양자의 시대를 다루며, 20세기부터 21세기 현재에 이르기까지 양자역학의 전당에 오를 만한 과학자들과 그 업적에 초점을 맞춘다. 빛의 양자(광자)를 시작으로 양자 이론을 처음 정립한 플랑크와 아인슈타인, 모든 입자가 파동 묶음임을 발견하고 각 입자의 파장을 구하는 공식을 발명한 드 브로이, 양자 파동 방정식을 발명함으로써 전혀 새로운 양자의 시대를 연 슈뢰딩거, ‘행렬역학’이라는 논문을 발표해 1925년을 양자역학의 획기적인 해로 만든 하이젠베르크 등이 2부의 시작을 연다.

 

큐비트, 장 이론, 얽힘, EPR 역설 등 양자역학을 뒷받침하는 이론들이 ‘양자 철학’이라는 이름으로 2부 5장에서 소개된다. 슈뢰딩거의 유명한 고양이 실험도 여기 나오며 양자역학에서 중요한 개념인 ‘중첩’을 쉽게 설명하는 예로 소개된다. 6장에서는 파인만의 다이어그램, 멘델레예프의 주기율표 등 양자역학이 물리학과 화학에 어떤 획기적인 영향력을 미치는지가 설명된다.

 

그 밖에 양자역학의 산물인 레이저, 원자핵과 중성자, 원자폭탄, 양자 전기역학(QED), 양자 색역학 등의 발명에 얽힌 이야기들이 7장에 나온다. 지구와 우주의 근원에 대한 연구도 볼 수 있다. 하이젠베르크의 행렬역학 발명을 1차 양자 혁명이라 한다면, 1995년 6월 5일 보슈-아인슈타인 응축체 탄생일을 2차 양자 혁명의 시작이라 본다. 그 산물로 양자 암호화, 양자 컴퓨터의 원리가 펼쳐진다. 미래의 양자 컴퓨터 개발, 양자 오류 수정 등 현재 진행 중인 양자의 연구가 뒤이어 나온다.

 

양자역학 분야의 세계적인 연구자와, 작가이자 언어학자인 아내의 합작품이다. 물리학자와 화학자는 물론 볼테르, 괴테 같은 인문학자까지 무수히 많은 학자가 양자역학의 줄기로 책에 등장한다. 양자역학은 천재 물리학자가 어느 날 번뜩이는 영감으로 발명한 학문이 아니라, 서로의 어깨 위에 올라선 거인들 덕분에 탄생한 학문임을 보여준다.

 

전 고등과학원 교수이자 한국양자정보학회 초대회장인 김재완 박사는 “양자역학을 제대로 표현하기 위해 사용되는 수학 뒤 숨은 의미를 설명해 주는 책”이라 하고, 캘텍 파인만 이론물리학 교수인 존 프레스킬은 “다른 어떤 물리학 책과도 비교할 수 없는 책”이라며 이 책을 강력 추천했다.

[목 차]
  

물리학자의 서문

작가의 서문

이 책을 읽는 법

 

1부 | 수학

 

1장 수학의 불합리한 효율성

1.1 아리스토텔레스의 왕좌는 어떻게 무너졌나

1.2 갈릴레오 갈릴레이의 발견

1.3 사자는 발톱으로 알아볼 수 있다

1.4 수리수리미적분

 

2장 대칭

2.1 대칭의 질서

2.2 대칭이 깨어질 때

2.3 대칭 구조 뒤에 있는 군(群)

2.4 드럼과 원자들

 

2부 | 양자

 

3장 입자의 (불)가능성

3.1 정답을 찾아서

3.2 빛, 파동이자 입자

3.3 최초의 원자 모형들

3.4 입자와 파동 묶음

3.5 이중 슬릿 실험으로 본 양자역학

3.6 하이젠베르크의 현미경

 

4장 첫 번째 양자 혁명

4.1 파동의 수용

4.2 정보의 파동

4.3 두 개의 슬릿에 관한 이론적 설명

4.4 양자 터널링

4.5 행렬역학

4.6 아름다움은 진리요, 진리는 아름다움이니

4.7 큐비트가 된 스핀 슈테른

 

5장 양자 철학

5.1 양자 헛소리

5.2 얽힘

5.3 보어 vs 아인슈타인

5.4 EPR 역설

5.5 슈뢰딩거가 자기 고양이를 보내다

5.6 누가 고양이에게 방울을 달까?

5.7 맥락성

 

6장 하나, 둘, 많음

6.1 입자의 비구별성

6.2 호텔 힐베르트

6.3 원자와 분자

6.4 단단한 물질

6.5 양자 색깔

6.6 보스, 아인슈타인, 그리고 레이저

 

7장 푸딩과 커드

7.1 아원자 물리학의 실험들

7.2 아원자 물리학의 이론

7.3 우리는 모두 별에서 왔다

 

8장 많아지면 앤더슨이 나선다

8.1 창발

8.2 재규격화

8.3 초전도

8.4 완벽성의 발견

 

9장 2차 양자 혁명

9.1 양자 측정 기술

9.2 양자 시뮬레이션

9.3 양자 정보

9.4 양자 복잡성

9.5 양자 컴퓨터

9.6 양자 오류

9.7 양자 재구성과 얽힌 입자

 

에필로그

감사의 글

용어 설명

찾아보기

[본 문]
  

이 실험은 가혹할 정도로 명확했다. 아리스토텔레스 이후에 등장한 과학자들은 약 이천 년 동안 잘못된 믿음을 가지고 있었는데, 이제 무거운 물체가 가벼운 물체와 같은 속도로 떨어진다는 사실이 명백하게 영원히 입증된 것이다. 여기서 우리의 이야기가 시작된다. 시몬 스테빈 이후로, 300년이 넘는 시간 동안 길이 놓였고, 이성은 깨우침을 얻었으며 감성은 양자역학의 탄생까지 직선적인 여정을 그리게 되었다. - 20쪽

 

대체 어떻게 이런 일이 가능할까? 어떻게 하나의 물방울을 하나의 파도로 정의할 수 있을까? 이를 이해하려면 직관적인 사고를 잠시 멈추고 양자 논리를 받아들여야 한다. 그렇게 하면, 양자 입자의 에너지 수준이 양자화되어 있으며(이것이 바로 ‘양자역학’이라는 명칭의 유래), 양자 입자는 입자적 특성과 파동적 특성을 동시에 가진다는 점, 그리고 현과 마찬가지로 여러 파동의 중첩 상태로 존재하며 심지어 동시에 여러 위치에 존재할 수 있다는 점을 이해하게 될 것이다. - 40~41쪽

 

드 브로이는 보어의 연구에서 출발했지만, 그와는 전혀 다른 해석을 내놓았다. 만약 파동이 입자라면, 입자도 파동이어야 한다는 것이다. 즉, 모든 입자는 파동이다. 전자, 양성자, 심지어 골프공까지, 결국 모두 파동으로 구성되어 있다는 것이다. 더 정확히 말하자면, 파동의 집합체인 파동 묶음(파동 다발, 파속(波束))이다. 파동 묶음은 특정 위치에 국한되어 있는 파동의 조각이다. 이는 서로 다른 주파수를 가진 파동들의 집합(중첩)이다. - 105쪽

 

비트와 마찬가지로, 큐비트(qubit)도 두 가지 서로 다른 상태를 가질 수 있으며, 그 둘의 가능한 모든 중첩 상태를 표현할 수 있는 양자 시스템의 추상화다. 예를 들어, 전자는 동시에 스핀 업(spin-up)과 스핀 다운(spin-down)을 가질 수 있다. 또 다른 예로는 빛의 편광을 들 수 있다. 빛은 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전할 수 있고 이 두 가지의 중첩 상태일 수도 있다. 혹은 비고전적인 관계를 예로 들 수 있는데, 연애 관계는 진행 중이나 끝난 사이라 할 수 있고 어느 하나로 단정할 수 없는 애매한 상태도 있다. - 149~150쪽

 

양자 맥락성은 30년 후에야 시몬 코헨(Simon Kochen, 1934~)과 에른스트 슈페커(Ernst Specker, 1920~2011년)가 완벽한 수학적 공식으로 정리했다. 코헨과 슈페커는 시스템이 관찰과는 독립적으로 고유한 속성을 갖는다는 아인슈타인의 실재론을 반박했다. 두 사람은 매우 구체적이고 복잡한 구조를 만들어 다양한 종류의 측정을 수행할 수 있도록 했다. 이 중 일부 측정은 양자역학적으로 동시에 수행될 수 있었고(교환 가능한 관측가능량), 일부는 그렇지 않았다. - 182쪽

 

파인만 다이어그램은 그 단순하면서도 기발한 설계로 양자역학의 가장 놀라운 특징 중 하나를 드러낸다. 이 다이어그램은 아직 발견되지 않은 입자, 우리가 볼 수조차 없는 입자에 대해 가르쳐 줄 수 있는데, 그 입자들은 다이어그램상에서 가상적으로 존재하기 때문이다. 파인만 다이어그램은 놀라운 예측 능력도 지니고 있다. 예를 들어, 이 다이어그램은 새로운 종류의 기본 입자인 참 쿼크(charm quark)의 존재와 심지어 그 질량까지도 예측했다. - 202쪽

 

왜 마리 퀴리를 양자 과학자들의 전당에 올려야 할까? 그녀의 실험은 다음과 같은 핵심 질문들로 직접 이어졌기 때문이다. “원자는 정확히 무엇으로 이루어져 있는가?” “그 구조는 어떻게 생겼는가?” “방사능은 어떻게 새로운 입자가 생성되는 과정으로 설명될 수 있는가?” 그뿐만 아니라 마리 퀴리는 방사성 물질의 주요 공급자였다. 그녀는 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)에게 방사성 물질을 제공했는데, 이 뉴질랜드 출신의 독특하고 대담한 과학자는 물리학의 기존 틀을 완전히 뒤집었다. 마리 퀴리는 아원자 물리학에서 가장 중요한 발견들이 이루어질 수 있도록 길을 닦은 인물이었다. - 250~251쪽

 

앤더슨의 가장 유명한 에세이 ‘많아지면 달라진다(More is different)’에서 그는 작업하는 규모에 따라 전혀 다른 조직 원리와 법칙들이 적용된다고 지적한다. 이 현상에는 ‘창발(emergence)’이라는 이름이 있다. 하나의 원자나 세 개의 쿼크를 이해하는 것은 완전히 가능하지만, 수많은 원자나 쿼크가 함께 어떻게 행동할지 예측하는 것은 불가능하다. 수많은 입자는 단일 입자와는 다른 접근 방식을 요구한다. 진짜 질문은 바로 이것이다. “어떻게 많은 입자로 구성된 시스템을 다룰 것인가?” 우리는 하나의 입자를 더 깊이 파고들 필요가 없으며, 대신 많은 입자로 시선을 돌려야 한다. 여기서 ‘많은’이라는 것은 정말로 매우 많은 것을 의미한다. 예를 들어 10의 24승 정도를 말한다. - 305쪽

 

1995년 6월 5일, 두 번째 양자 혁명의 시작이 공식적으로 기록되었다. 그날, 콜로라도 볼더의 실험실에서 최초의 보스-아인슈타인 응축체가 탄생했다. 이는 대단한 사건이었다. “그래,” 이 실험이 가능할 거라고는 전혀 생각하지 못했던 수학자들이 중얼거렸다. “정말 대단한 일이다.” 같은 해, 같은 도시에서 불과 한 달도 채 지나지 않아, 최초의 양자 컴퓨터 프로토타입(시제품)이 만들어졌다. 그것은 단 두 개의 큐비트로 구성되어 있었다. 새로운 시대가 열렸다. 전 세계가 갑자기 양자의 매력에 빠져들었다. - 331쪽

 

이제 (일부에게는) 양자 텐서 네트워크가 무엇인지 명확해졌으니, 정말로 어려운 주제로 넘어갈 수 있다. 바로 양자역학과 일반 상대성 이론을 어떻게 통합할 수 있을까 하는 것이다. 이 질문에 대한 답을 찾고 싶지 않은 물리학도는 아마 없을 것이다. 그러나 안타깝게도, 이 문제를 실제로 해결하는 방법에 대해 아는 과학자는 아무도 없다. 가장 큰 장애물은 여전히 일반 상대성 이론이 양자화될 수 없다는 점이다. 그 이유는 일반 상대성 이론을 재규격화할 수 없기 때문이다. 즉 무한대를 다룰 수 없기 때문이다. 끈 이론을 통해 이 문제가 해결될 수 있을 것이라고 여겨졌다(또는 누구에게 묻느냐에 따라 ‘아직도’라고 한다). - 369~370쪽

김재완 (국가특임연구원(한국표준과학연구원), 한국양자정보학회 초대회장, 전 고등과학원 교수)

“하이젠베르크와 그 동료들이 행렬식이라는 수학을 기반으로 양자역학을 정립한 지 100주년인 2025년을 양자과학기술의 해로 지정한 유엔과 유네스코는, 양자역학이 다음 100년 동안 인류에게 가져올 혜택에 큰 기대를 하고 있다. 물리학자들은 영어와 수학, 두 가지 언어를 쓴다고 한다. 국적을 막론하고 생각을 나누기 위해 영어가 필요하고 자연현상을 제대로 표현하기 위해서는 수학이라는 언어가 필수적이다. 이 책은 자연의 원리인 양자역학을 제대로 표현하기 위해 사용되는 수학 뒤 숨은 의미를 설명해 준다. 이 책을 통해, 2차 양자혁명을 단순히 누리는 것을 넘어 즐길 수 있게 되기를 바란다.” / 전 연세대학교 양자정보기술연구원 원장

 

존 프레스킬 (캘리포니아공대(Caltech) 파인만 이론물리학 교수)

“다른 어떤 물리학 책과도 비교할 수 없는 책이다. 그 범위와 깊이, 예술성이 놀랍다.”

 

바르바라 테르할 (네덜란드 델프트공대 EEMCS학과 교수)

“수학 언어를 사용하지 않지만, 가장 아름다운 이론들과 그것이 우리 삶에 미치는 영향에 대해 궁금한 모든 사람을 위한 유쾌한 책.”

 

이언 스튜어트 (수학자이자 대중과학 베스트셀러 작가)

“가장 호기심이 가며 반직관적인 과학 이론 중 하나를 재미있고 가독성 높게 썼다. 누구나 읽어야 할 필독서다.”