실험실에서 만나는 재미있는 양자물리 이야기

양자물리학은 정말 이해하기 어려운 학문일까? 양자물리가 여전히 어렵다면 쥘리앙 보브로프의 『실험실로 간 양자역학』로 여러분을 초대한다. 이 책과 함께라면 초전도성, 터널효과, MRI, 스핀, 레이저에 대한 개념이 더 이상 낯설지 않을 것이다! 현대 물리학에서 가장 놀라운 10여 개의 실험을 통해 이상한 실험실, 기발한 발명품, 그리고 무엇보다 뛰어난 재능과 창의성을 가진 물리학자들을 발견하게 될 것이다.

오랫동안 물리학의 대중화를 위해 노력해 온 쥘리앙 보브로프는 이 책에서 양자물리를 새로운 방식으로 소개하며, 쉽고 재미있게 설명하고자 노력했다. 그는 이 책에서 색다른 방식으로 양자물리를 설명한다. 과학계에서 놀라운 성과를 이루어 낸 노벨상 수상자들을 조명하면서 그들의 실험을 통해 주로 아원자 세계에 적용되는 이 물리학 분야의 가장 특징적인 현상들을 보여 준다. 설명과 함께 내용을 요약하는 마린 주마르의 일러스트가 수록되어 더욱 쉽게 물리학을 이해할 수 있도록 돕는다.

『실험실로 간 양자역학』과 함께 연구실에서 놀라운 발견을 이끌어 낸 11명의 영웅들을 만나 보자.

[목 차]

서문

1장 원자를 보는 고무 콜로이드
2장 니켈이 물리학 혁명을 일으켰을 때
3장 역사상 가장 유명한 양자 엽서
4장 슈뢰딩거의 고양이를 죽이자… 조금씩 괴롭히면서
5장 양자터널은 생각보다 가까이 있다
6장 세상에서 제일 차가운 노벨상
7장 수상할 정도로 아름다운 측정
8장 레이저를 발명하다
9장 의학에서 쓰는 양자역학
10장 슈퍼 원자를 만드는 레시피
11장 석탄과 셀로판테이프, 수많은 노하우

감사의 글
참고문헌


[본 문]

그는 말레이시아 나무에서 채취한 수지인 자황(gamboge)을 선택했다. 전통적인 황색 안료인 자황을 문질러 물에 녹인 그는 현미경으로 이를 관찰했다. 투명하고 앙증맞은 구 형태로 나타난 자황은 사방으로 움직였다. 그는 원심기를 사용해 한 달 동안 이 구형들을 골라냈다. (…) 이제 그에게 남은 일은 다른 높이의 입자 수를 세는 것뿐이었다. 이를 위해 페랭은 수평으로 돌아가는 현미경을 사용했다. 하지만 입자는 너무나도 많았고 끊임없이 움직였다. 게다가 입자를 사진으로 찍기란 불가능했다. 빛이 충분하지 않았기 때문이다. 그러자 페랭은 약간의 입자를 시각적으로 분리하는 데 사용할 일종의 조리개로서 아주 작은 구멍을 뚫은 판을 배치할 아이디어를 떠올렸다. 그는 셔터의 도움으로 일정한 간격을 두고 입자의 수를 볼 수 있었다. 그리고 입자의 수를 세기 시작했다. (…) 인내와 시간이 필요한 이 꾸준한 작업 덕분에 마침내 그는 아보가드로수에 접근할 수 있었다.

ㅡ 〈원자를 보는 고무 콜로이드〉 중에서

 

전자를 통해 니켈에 충격을 가함으로써 그는 잘 정렬된 니켈 원자의 배열에 작은 포탄을 던졌다고 생각했다. 하지만 실제로는 전자들이 파동처럼 움직였다. 이 파동들 중 하나는 원자를 만났을 때 단순히 당구공처럼 튀지 않고 회절이 발생했다. 이는 광학의 세계에서는 잘 알려진 현상이다. X선과 같은 단파장 빛을 빽빽이 들어찬 원자에 발사하면 측정 화면의 특정한 위치에서만 간섭 피크(interference peak)가 관찰된다. 간섭 피크의 위치는 원자의 위치와는 아무 관련이 없고 오히려 원자의 구성과 관련이 있다. 데이비슨은 계산했다. 전자의 속도에서부터 그는 λ를 찾아내 이 간섭 피크가 어디서 보여야 하는지 추론할 수 있었다. 빙고! 이는 측정값과 부합했다. 데이비슨은 인지하지 못했지만 전자가 파동처럼 움직인다고 증명한 것이다. 그는 파동-입자 이중성을 증명한 최초의 사람이 되었다.

ㅡ 〈니켈이 물리학 혁명을 일으켰을 때〉 중에서

 

비니히 혼자 실험실에 있었다. 그는 팁을 이동하면서 또다시 표면을 측정하고자 했다. 아직 프린터나 컴퓨터가 없던 시대였다. 비니히는 플로터를 사용하여 팁 안을 통과하는 전류를 측정했다. 지진계처럼 전류에 따라 스크롤 용지 위를 움직이는 펜이 달려 있었다. 오전 3시, 난데없이 펜이 급격하고 불규칙한 움직임을 보이면서 작은 계단을 그리기 시작했다. 비니히는 이 계단의 높이가 예측하던 전자의 높이와 정확히 일치한다는 사실을 알아냈다. 인류 역사상 최초로 측정 도구가 개별적으로 원자를 ‘보고’있다는 것을 깨달았다! 그는 육안으로 원자를‘볼’수 없었지만 터널링 전류를 통해 간접적으로 보게 되었다. 주사 터널링 현미경(STM: Scanning Tunneling Microscope)이 막 탄생한 순간이었다.

ㅡ 〈양자터널은 생각보다 가까이 있다〉 중에서

 

메이먼은 프로토타입 제작을 시작했다. 그는 실린더 모양으로 루비를 잘랐다. 빛을 가둘 두 개의 거울을 만들기 위해 루비 표면에 은빛 금속을 얇게 칠했다. 두 면 중 하나에 구멍을 뚫었다. 마지막으로 메이먼은 전문 사진 작가들의 카탈로그에서 발견한 일종의 유리 나선 형태의 강력한 플래시 램프로 루비를 둘러쌌다. 실험 장치는 완벽하게 준비되었다. 메이먼은 걱정하며 플래시를 작동시켰다. 그리고 그는 장치의 출구 뒤에 있는 화면에서 플래시로 인해 확산된 크고 빛나는 점을 관찰했다. 하지만… 몇 번의 시도 끝에 그는 아주 작고 강렬한 붉은 점을 식별하는 데 성공했다. 세계 최초의 레이저였다!

ㅡ 〈레이저를 발명하다〉 중에서

 

어느 날 저녁 떠올린 그 아이디어에서 폴 라우터버가 실험을 실현하기까지는 1년이 필요했다. 즉시 인체를 사용해 실험하는 것은 말이 안 됐다. 먼저 그는 놀라운 설계도를 따라 제작한 천재적인 실험을 통해 개념을 증명하길 원했다. 다른 액체가 담긴 용기에 두 개의 물이 담긴 시험관을 놓기만 하면 되는 실험이었다. 빙고! 1972년 가을, 그는‘자기장 기울기’덕분에 시험관의 위치를 탐지하는 데 성공했다. (…) 하지만 이 실험의 성공은 엄청난 미래를 예고하는 것이었다. 같은 기술이 인체에도 적용될 수 있기 때문이다. (…) 물론 자세하지 않은 불완전한 손가락 단면도였지만 절단하지 않고도 얻을 수 있는 이미지였다! MRI, 즉 자기공명영상이 탄생했다.

ㅡ 〈의학에서 쓰는 양자역학〉 중에서