순간 이동, 두 얼굴의 모습, 운명적으로 얽혀 있는 존재들…
거시 세계의 우리에게는 이상하고 신기한 미시 세계 속 양자들의 이야기
양자역학, 대체 뭘까?

요즘 과학 분야의 대세 중 하나는 양자역학이다. 몇 년 전부터 〈아이언맨〉, 〈앤트맨〉 같은 영화에서 입자 가속기나 순간 이동 등의 양자역학 개념들이 등장하더니 최근에는 양자 컴퓨터 개발에 대한 기대감도 커지고 있다. 도대체 양자역학은 무엇일까?

양자역학은 아주 작은 미시 세계 속 원자의 세계를 기술하는 학문이다. 양자역학 덕분에 기존의 고전물리학으로는 설명되지 않던 물질의 성질들을 파악할 수 있게 되었다.

《양자역학 쫌 아는 10대》에는 슈뢰딩거의 고양이로 유명한 슈뢰딩거와 아인슈타인, 보어, 막스 플랑크 등 우리가 익히 아는 과학자들이 다양한 실험과 연구를 통해 양자역학의 개념들을 탐구해 나가는 과정이 담겨 있다. 과학자들과 함께 고정관념을 깨고 여러 시행착오를 겪으며 고유 상태, 중첩, 얽힘 등 미시 세계만의 이상하고 독특한 특성을 파악해 나가다 보면 낯설지만 묘하게 이해되는 양자역학의 매력에 빠져들 것이다.

또한 견우와 직녀 이야기와 영화 〈스타트렉〉 속 순간 이동, 만화 〈마징가 Z〉의 아수라 백작 등의 재미있는 예들을 통해 양자역학의 정체를 쉽게 파악하고 좀 더 직관적으로 이해할 수 있도록 풀어냈다.

우리가 사는 물질 세계를 이해하는 법
양자역학이 없었다면 어떻게 살고 있을까?
미래 과학을 이끌 청소년에게 꼭 필요한
쉽고 재미있는 양자역학 사용 설명서!

과학의 역사는 우주의 천체들과 우리 주변 사물들의 운동처럼 큰 것에서 출발하여 원자나 분자, 그보다 더 작은 것들을 이해해 나가는 것으로 이어져 왔다. 큰 것을 다루는 고전물리학을 탐구하던 과학자들이 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 양자의 세계로 넘어갔듯 말이다. 그런데 누군가는 우리가 굳이 원자나 분자 등 미시 세계에 대해 알아야 하느냐고 물을 수도 있다. 우리가 살고 있는 일상(거시 세계)의 물리법칙도 아닌데 말이다.

이에 대한 답은 의외로 당연하고 명확하다. 우리 주변의 모든 사물을 이루고 있는 것이 원자이기 때문이다. 고체와 액체, 기체를 구분하는 것이나 도체와 반도체와 부도체를 구분하는 것, 물체들이 띠는 색의 이유와 더 나아가 온실 기체가 지구 온난화에 영향을 미치는 원리까지도 양자역학을 이해해야 알 수 있다. 이미 양자역학은 물리학뿐만 아니라 다른 이공계 분야, 더 나아가 철학과 문학, 예술 분야에도 영향을 미치고 있다. 오늘날 현대 문명을 구축한 기반이자 미래를 열어 나갈 중요한 학문인 양자역학은 이제 우리 모두에게 필요한 최소한의 교양이 될 것이다.

《양자역학 쫌 아는 10대》는 한번쯤 궁금했지만 어려운 개념 때문에 엄두를 내지 못했던 이들을 위한 ‘양자역학 사용 설명서’이다. 양자 컴퓨터, 양자 암호 등 미래 과학 기술을 알고 싶은 청소년들뿐만 아니라 양자역학에 쉽게 입문하고 싶은 성인 독자들에게도 추천할 만하다. 고전물리학과의 차이점으로 양자역학을 정의하고, 다양한 실험들의 과정을 따라가며 점차 완성되는 양자역학의 개념들을 명확하게 정리할 수 있다. 나아가 양자역학이 가진 가능성을 알아 가며 미래에 주목 받을 과학 기술의 흐름도 미리 알 수 있다.

책 속에서

우리 주변의 모든 사물은 무엇으로 이루어져 있지? 맞아, 원자야. 원자로 이루어진 물질의 성질은 당연히 원자에 대한 학문인 양자역학을 통해서만 정확히 이해될 수 있는 거지. 고체·액체·기체의 구분, 도체, 반도체, 부도체의 구분도 양자역학을 통해서 가능하고, 물체들이 왜 색을 띠는지, 우리 눈이 그 색을 어떻게 인식하는지, 온실 기체가 왜 지구 온난화에 책임이 있는지 등등 온갖 자연 현상들 역시 양자역학이라는 창문을 통해 바라봐야 제 모습대로 보이고 해석이 되는 거야. 이것이 오늘날 현대 문명을 구축한 기반이자 앞으로의 미래를 열어 나갈 중요한 학문으로 작동한단다.
---「들어가는 글」중에서

아인슈타인은 빛이 입자의 흐름이라는 과감한 주장을 하면서 광전 효과를 설명했단다. 빛 에너지는 연속적이지 않고 불연속적인 입자의 흐름이라는 것! 이런 혁명적인 주장 이후로 세상은 연속적인 색채의 흐름이 만드는 수채화가 아니라, 다채로운 색의 점들이 그림을 이루는 점묘화의 모습을 띠게 된 셈이지. 이를 ‘에너지의 점묘화’ 정도로 묘사할 수 있을까? 그렇지만 이런 과감한 주장이 과학계에 바로 수용된 건 아니야. 당시 많은 이들이 아인슈타인의 주장을 터무니없다고 생각했거든. 빛 에너지의 양자화에 근거해 흑체 복사를 설명한 플랑크조차도 처음에는 아인슈타인의 주장이 틀렸다고 생각했대.
---「1. 고전물리학에 드리워진 어둠」중에서

옛날부터 파동이라고 생각했던 빛은 빛알이라 불리는 입자처럼 행동하기도 해. 입자라고 생각했던 전자(그리고 원자나 다른 미시적인 입자들)는 파동처럼 행동하기도 해. 즉, 우리가 맨눈으로 볼 수 없는 미시 세계의 존재들은 파동이면서 입자라는 이중성을 갖고 있어. 내가 어렸을 때 즐겨 봤던 만화 〈마징가 Z〉에는 아수라 백작이라는 인물이 등장해. 얼굴의 절반은 남자고 나머지 절반은 여자로 되어 있는 양성 인간이었어. 그래서 얼굴을 돌리면 한쪽에서는 여자로 보이고, 다른 방향에선 남자로 보였지. 미시 세계의 입자들을 바로 아수라 백작과 비슷한 존재로 비유할 수 있어. 어떤 상황에서는 파동으로, 또 다른 상황에서는 입자로 행동하니까 말이야. 그러나 다시 강조하지만 이건 결국 우리가 미시 세계를 적절히 기술할 수 있는 개념이나 언어를 갖고 있지 않다는 의미이기도 해. “파동이자 입자”라고 설명해야 하는 건 미시 세계를 직관적으로 느낄 수 없는 인간이 내놓은 궁여지책이라 할 수도 있을 것 같아.
---「3. 양자역학의 탄생」중에서

결국 분자의 에너지 준위는 전자가 가지는 에너지, 분자의 진동 에너지, 그리고 분자의 회전 에너지까지 복잡하게 얽혀 있어. 그렇지만 이런 복잡한 에너지 구조는 분자마다 다 다르기 때문에 분자의 이름표로 사용할 수 있단다. 그래서 아무리 멀리 떨어져 있는 우주 공간이라도 특정한 분자의 에너지 구조를 확인할 방법이 있다면 우린 거기에 직접 가 보지 않고도 어떤 분자들이 존재하는지 알 수 있지. 이것이 천문학자들이 우주를 탐구할 때 사용하는 중요한 방법 중 하나란다.
---「5. 원자에서 물질로」중에서

이 세상 만물은 원자, 그리고 원자들이 결합한 분자들로 구성되어 있지. 만약 어떤 새로운 질병에 효과적일 수 있는 신약 물질을 개발한다고 해 보자. 약을 구성하는 분자의 특성을 어떤 방식으로 알아야 할까? 맞아. 앞의 4장에서 소개했던 슈뢰딩거 방정식을 그 분자에 적용해 푸는 거야. 그렇게 구한 해답을 이용해 분자 속 전자가 가지는 에너지나 전자의 움직임을 알아낼 수 있어. 하지만 분자를 이루는 원자의 수가 많아지면 현대의 슈퍼컴퓨터로도 감당이 안 될 만큼 계산의 양이 더 늘어나지.

이 대목이 바로 양자 컴퓨터의 장점이 발휘되는 부분이란다. 분자는 양자역학적 규칙에 따라 행동해. 양자 컴퓨터는 바로 전자들의 다양한 중첩 상태를 큐비트로 직접 구현할 수 있고 분자 속 전자의 움직임을 아주 효과적으로 묘사할 수 있지. 양자역학의 규칙을 따르는 분자들을 양자 컴퓨터로만 가장 자연스럽게 묘사할 수 있다는 건 어찌 보면 너무나 당연하게 느껴지지 않니? 그래서 분자의 성질을 효과적으로 파악하고 이를 통해 신약 물질의 설계나 새로운 에너지 소재 등을 개발하는 연구에도 양자 컴퓨터가 큰 역할을 할 거라고 기대하고 있어.
---「6. 양자 전성시대」중에서

들어가는 글_원자의 세계, 이상한 나라로의 여행

1. 고전 물리학에 드리워진 어둠
물체의 운동을 완벽히 설명하는 완벽한 이론┃고전역학의 성공과 결정론┃과학자들의 낙관과 서서히 드리워진 어둠┃설명할 순 있으나 이유는 모르는

2. 원자, 넌 도대체 뭐니?
근대적 원자 이론의 시작┃원자의 움직임을 찾아┃서서히 정체를 드러낸 원자의 모습

3. 양자역학의 탄생
보어가 제시한 원자와 양자 도약┃파동이냐 입자냐, 그것이 문제로다!┃양자역학의 탄생

4. 양자역학 사용 설명서
고전역학 사용 설명서vs양자역학 사용 설명서┃고유 에너지와 고유 함수!┃양자 상태의 중첩

5. 원자에서 물질로
원자 속 전자 쌓아 올리기┃모두가 부러워하는 비활성 기체와 주기율표의 비밀┃원자에서 분자로┃다양한 고체 분류법

6. 양자 전성시대
양자 상태와 얽힘┃순간 이동이 가능하다고?┃양자 컴퓨터의 오해와 진실┃은밀히, 더 은밀히…양자 암호 통신의 세계

맺는 글_양자의 시대, 양자역학은 필수!
더 읽어 볼 책들