* 2025년, UN 지정 '국제 양자과학기술의 해' *
양자역학은 어디서 왔고, 무엇이며, 어디로 가는가

★ 《네이처》, 《피직스 투데이》 추천 도서 ★
★ 박권, 킵 손, 조지 다이슨, 숀 캐럴 추천 ★

“물리학의 거인들, 현대 과학, 그리고 지난 100년의 역사를 아름답게 아우른다.”
─킵 손, 2017년 노벨 물리학상 수상자

2024년 12월, 구글이 ‘이것’을 공개하자 비트코인 가격이 급락했다. 바로 양자 컴퓨터였다. 구글의 새로운 양자 컴퓨터 ‘윌로(Willow)’가 슈퍼컴퓨터로도 푸는 데만 10의 24제곱 년이 걸리던 문제를 단 5분 만에 해결하면서, 블록체인과 그에 기반한 가상화폐의 보안 체계도 더 이상 안전하지 않다는 목소리가 높아진 것이다. 한편 세계 최대 IT 박람회인 CES 2025를 주관하는 미국소비자기술협회(CTA)에서는 양자 컴퓨터만큼이나 차세대 핵심 기술로 양자 통신 및 양자 암호, 양자 센서 등을 꼽았으며, UN에서는 양자역학과 그것의 응용 기술이 지닌 중요성을 강조하며 2025년을 ‘국제 양자과학기술의 해’로 지정했다(행렬역학에 관한 하이젠베르크의 논문을 기준으로 2025년은 양자역학 탄생 100주년이 되는 해다). 도대체 양자역학이 무엇이기에 ‘양자’라는 단어가 이렇게 끊임없이 회자되는 것일까?

매사추세츠공과대학교(MIT) 물리학과 교수이자 과학사 교수인 데이비드 카이저는 양자역학 탄생 100주년을 맞이해 이 책 『양자역학의 역사』에서 양자역학을 둘러싼 지난 100년을 역사를 돌아보며 양자역학이 어디서 왔는지, 무엇인지, 어디를 향해 나아가고 있는지를 소개한다. 특히 물리학자로서 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 비유로 유명해진 양자 중첩이나 불확정성 원리와 같은 고전적인 양자역학의 특성뿐만 아니라 표준 모형, 호킹 복사, 급팽창 우주론과 같은 양자역학에 기반한 현대 물리학 및 우주론의 최신 성과들을 두루 설명하며, 또한 역사학자로서 맨해튼 프로젝트나 SETI 프로젝트, 냉전, 대형 강입자 충돌기의 설립과 가동 같은 양자역학과 긴밀하게 얽혀 있는 역사적 사건들을 아인슈타인, 디랙, 파인먼, 휠러, 겔만, 힉스 등 핵심 인물의 일화들과 한데 엮어 양자역학과 그것의 역사를 입체적으로 그려낸다.

“물리학을 설명하는 것은 물리학자를 설명하는 것보다 쉽다. 카이저는 이 책에서 이 둘을 모두 해냈다.”
―조지 다이슨, 과학사학자 · 『튜링의 대성당』 저자

양자 얽힘 · 표준 모형 · 호킹 복사 · 중력파 · 급팽창 우주론
맨해튼 프로젝트 · 냉전 · SETI 프로젝트 · 대형 강입자 충돌기
하이젠베르크 · 슈뢰딩거 · 디랙 · 파인먼 · 겔만 · 힉스 · 윌첵 …

양자역학의, 양자역학에 의한, 양자역학을 위한
거의 모든 결정적 순간의 기록!

1부 「양자」에서는 슈뢰딩거나 하이젠베르크에 비해 상당히 덜 알려진, 하지만 물리학에서는 그들만큼이나 중요한 폴 디랙의 일화를 중심으로, 아인슈타인의 특수 상대성이론, 하이젠베르크의 행렬역학, (‘슈뢰딩거의 고양이’로 유명해진) 슈뢰딩거의 파동방정식, 디랙 자신의 반물질로 인해 물리학이 맹렬한 속도로 ‘현대화’된 20세기 초의 상황을 다룬다. 또한 훗날 소련의 스파이로 드러난 브루노 폰테코르보의 기묘한 삶을 통해 그보다 더 기이한 ‘유령 같은 입자’ 중성미자를 이야기하면서 양자적 대상이 지닌 중첩(superposition)이라는 속성을 조명하고, ‘코스믹 벨(Cosmic Bell)’로 불리는 그에 관한 최신 실험들을 소개한다.
2부 「계산」은 12만 5,000명에 달하는 인력이 투입된 ‘맨해튼 프로젝트’와 히로시마 원자폭탄 투하로 시작해, ‘물리학자들의 전쟁’으로 알려진 제2차 세계대전 이후 (날씨 예측이나 생물 진화에 관한 연구로 가장된) 핵무기 연구에서 컴퓨터가 개발되고 발전된 과정, 냉전 초창기 소련에 대한 경쟁심과 불안감에 미국의 전후 세대에서 물리학자들이 과도하게 양성되어 수업 방식에 변화가 생기고 그에 따라 파동함수나 불확정성 원리의 ‘철학적 의미’나 ‘해석’에 대한 강조가 문제 풀이와 계산법에 대한 강조로 탈바꿈한 과정 등을 다룬다.

“이것은 양자역학을 둘러싸고 펼쳐지는 대하 드라마다. 이 대하 드라마에서 양자역학은 제2차 세계대전과 핵폭탄 투하, 냉전 등 인류 역사 속의 굵직한 사건들과 떼려야 뗄 수 없이 얽혀 들어간다.”
─박권, 고등과학원 물리학부 교수 · 『일어날 일은 일어난다』 저자

3부 「물질」에서는 우리에게 익숙한 전자나 광자뿐만 아니라 쿼크, 글루온, Z 보손, 그리고 2013년 ‘신의 입자’로 불리며 언론을 뜨겁게 달군 힉스 보손 등의 기본 입자들과 세 가지 근본 힘을 설명하는 표준 모형(Standard Model)으로 눈을 돌린다. 현대물리학을 지배하는 대칭이나 국소 변환과 같은 개념들을 앞서 소개하는 쿼크와 글루온의 속성을 통해 알기 쉽게 소개하는 것은 물론, 이러한 ‘고에너지물리학’을 실험하기 위한 초전도 슈퍼충돌기(SSC)나 대형 강입자 충돌기(LHC)를 두고 벌어지는 정치 사회적 격동, 입자물리학과 우주론이 입자우주론이라는 하나의 분야로 통합되는 20세기 후반의 풍경을 보여준다.
마지막 4부 「우주」에서는 표준 모형에 빠져 있는 한 가지 근본 힘, 중력을 설명하며 시간과 공간에 대한 이해를 완전히 뒤바꾼 일반 상대성이론과 이를 양자역학에 통합하고자 하는 과정에서 발견한 놀라운 이론들과 현상들을 소개한다. 고전적인 시공간의 개념이 무너지는 블랙홀을 예측한 펜로즈-호킹 특이점 정리, 블랙홀의 ‘가장자리’에서 양자역학의 법칙에 따라 에너지가 방출되는 호킹 복사 현상을 설명하는 데 그치지 않고, 인플레이션 우주론과 끈 이론, 그리고 그것들이 함축하는 다중 우주까지 소개한다.

스티븐 호킹부터 폴 데이비스와 프리초프 카프라까지,
아주 ‘작은’ 것들이 빚어내는, 아직 끝나지 않은 혁명

양자역학이 만들어진 과정이 “허먼 멜빌의 『모비 딕』보다는 하인리히 뵐의 『여인과 군상』에 가까운 군상극”이었듯이, 이 책을 이끌어 가는 것도 한두 명의 영웅이 아닌 매혹적인 여러 인물들이다. 한 시간당 한 단어를 말하는 것을 ‘1디랙’이라고 할 정도로 과묵했던 폴 디백, 나치를 피해 〈사운드 오브 뮤직〉에 버금가는 탈출을 감행한 엔리코 페르미, 존 르 카레의 첩보물 속 스파이를 방불케 하는 브루노 폰테코르보, 누군가가 자신을 독살하려고 한다는 망상에 사로잡혀 굶어 죽은 논리학자 쿠르트 괴델, 뉴에이지 운동과 반문화 운동에 힘입어 일약 베스트셀러에 오른 『현대물리학과 동양사상』의 저자 프리초프 카프라, 제2차 세계대전 이후로 더 합리적이고 호의적인 외계 문명을 찾기 위해 하늘로 눈을 돌린 필립 모리슨, 자신이 강하게 반대하던 중력파 검출 방법의 가장 고집스러운 옹호자가 된 킵 손, 그리고 자신의 병에 굴복하지 않고 의사의 말보다 50년을 더 살며 우주에 대한 놀라운 예측들을 이끌어 낸 스티븐 호킹을 따라가다 보면, 아주 작은 것들에 대한 연구에서 시작한 양자역학이 수많은 인물들이 빚어내는 아직 끝나지 않은 거대한 혁명이라는 것을 실감할 수 있다.

“카이저는 뛰어난 작가인데, 이 책은 그의 책들 중에서도 특히나 탁월하다. 깊이 있는 과학, 풍부한 역사, 인상적인 일화들로 잘 짜인 이 책은 대중 과학서 스타일로 쓰인 최첨단 학술서다. 앞으로 누군가가 과학의 역사가 무엇인지 묻거든 이 책을 쥐여줄 것이다.”
─매슈 스탠리, 뉴욕대학교 과학사 교수 · 『아인슈타인의 전쟁』 저자