완전히 새로운 현대 물리학 입문

이해웅(유니스트 교수)

『김상욱의 양자 공부』 저자가 《과학동아》에서 연재해 과학 독자들의 사랑을 한 몸에 받은 《양자 역학 좀 아는 척!》의 에피소드들을 취합하고 발전시켜 만든 역작이다. 어려운 개념을 정확한 정의와 유머러스한 비유를 통해 차근차근 이해시켜 나가는 방식으로 대중으로부터 압도적 신뢰를 받아 온 저자의 개성을 극적으로 살린 책이다. 또한 흥미와 호기심을 자극하는 가상 드라마 「양자 역학의 하루」를 통해 양자 역학의 진입 장벽을 과감히 허물었다. 100년에 걸친, 이해 불가능한 현상들을 설명하려는 물리학자들의 흥미진진한 이야기를 따라가다 보면 자연스레 양자적 사고 능력을 갖출 수 있다.

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
찾아보기 304

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.―본문에서양자 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.―본문에서Q: 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

양자 역학 교양서의 결정판.―이해웅(유니스트 교수)말이 안 되는 것이 웃기고 재미있다.
그래서 양자 역학은 어렵지만 재미있다.
웃음은 양자 역학이다.―김제동(방송인)양자 시대, 양자 우위를 점하기 위한 양자 공부의 바이블오는 2018년은 새로운 ‘양자 시대’ 원년이다. 100년 전인 1918년, 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)는 가열된 금속의 빛깔(빛의 파장)만으로 온도를 알아내기 위해 만든 최초의 양자 이론으로 노벨상을 받았다. 그리고 현재, 불과 한 세기만에 양자 역학은 용광로를 벗어나 전 세계 전산망과 금융망을 작동시키는 엔진이 되었다.
구글 사는 올해 슈퍼 컴퓨터의 성능에 버금가는 양자 컴퓨터를 구현하겠다고 선언했다. 중국 물리학자 판지엔웨이(潘建?) 연구팀은 ‘양자굴기(量子?起)’를 내세운 자국 정부의 막대한 지원을 받아 세계 최초 양자 통신 위성 묵자(墨子) 호를 성공적으로 쏘아 올렸다. 우리나라 또한 4차 산업 혁명의 이론적 기반이자 원천 기술로서 양자 역학의 중요성을 실감하고 있다. ‘양자 우위’를 두고 벌이는 세계 각국 및 초거대 기업들의 새로운 경쟁은 본격적인 양자 시대의 개막을 알리고 있다.
따라서 새로운 사회 구성원들은 그동안 어렵다는 이유로 외면했던 ‘양자 공부’를 당장 시작해야만 하는 시점에 서 있다. 일찍이 이런 시대 변화를 예견했던 고급 과학 독자들은 양자 공부의 바이블을 찾고자 노력했다. 그러나 새로운 패러다임의 수학, 비직관적인 자연 현상, 수많은 이론가들의 모순되는 해석들 위에 세워진 양자 역학을 단 한 권에 담아 낸 교과서를 좀처럼 찾을 수 없어 많은 이들이 아쉬워했다.
양자 시대 원년을 앞두고 (주)사이언스북스에서 펴낸 『김상욱의 양자 공부』는 이런 아쉬움을 한 번에 해결해 줄, 양자 공부의 바이블이다. 원자 세계의 기묘한 현상들을 설명하는 양자 역학의 탄생부터 최전선까지 모든 역사와 20세기 물리학의 ‘제자백가’들이 펼치는 이론과 법칙을 마음껏 만끽할 수 있도록 단 한 권에 담았다. 복잡한 수학을 일상 언어로 풀어 쓰고 중첩, 도약, 얽힘 등 낯선 개념을 비유와 시각 자료를 곁들여 쉽고 정확하게 이해시켜 주는, 양자 공부의 정수를 마침내 발굴해 낸 것이다. EBS 특별기획 「통찰」의 “자연의 예측 가능성 양자 역학”, YTN 사이언스 「양자 역학의 양자택일」, 팟캐스트 「과학하고 앉아 있네」의 “김상욱의 양자 역학 콕 찔러 보기” 등의 방송 강연 활동과 《동아일보》, 《경향신문》 등 주요 일간지에서 양자 역학을 주제로 한 연재 활동을 꾸준히 해 온 대한민국 대표 과학 커뮤니케이터 김상욱 부산 대학교 물리교육과 교수가 나선 만큼, 모든 사람을 위한 양자 역학 사용 설명서라고 할 수 있다.
이 책은 저자가 《과학동아》에서 연재해 과학 독자들의 사랑을 한 몸에 받은 「양자 역학 좀 아는 척!」의 에피소드들을 취합하고 발전시켜 만든 역작이다. 어려운 개념을 정확한 정의와 유머러스한 비유를 통해 차근차근 이해시켜 나가는 방식으로 대중으로부터 압도적 신뢰를 받아 온 저자의 개성을 극적으로 살린 책이다. 또한 흥미와 호기심을 자극하는 가상 드라마 「양자 역학의 하루」를 통해 양자 역학의 진입 장벽을 과감히 허물었다. 100년에 걸친, 이해 불가능한 현상들을 설명하려는 물리학자들의 흥미진진한 이야기를 따라가다 보면 자연스레 양자적 사고 능력을 갖출 수 있다.
새로 추가된 부록 「양자 역학 사용 설명서」와 「양자 세계를 여행하는 히치하이커를 위한 가이드」를 통해 독자들로 하여금 복습과 활용의 기회, 그리고 양자 공부의 확장을 위한 지침을 제공한다. 또한 저명한 일러스트레이터 토끼도둑이 출간 작업에 참여해 매 챕터마다 20세기 초 아르데코풍의 감각적이고 심오한 일러스트들을 선보임으로써 자연스레 독자들을 양자 역학 역사의 현장 속으로 데려간다. 솔베이 회의 기념 사진, 닐스 보어(Niels Bohr)의 작위 문장 및 생전 마지막 칠판 낙서 등 생동감 넘치는 기록들과, 양자 광합성이나 실라르드 정보 엔진 등 낯선 개념들도 효과적으로 전달해 주는 그림들을 추가하면서, 어려운 내용을 독자 편의적으로 탈바꿈시켰다.
김상욱 교수는 카이스트에서 물리학 학사, 석사, 박사 학위를 받았다. 현재 양자 정보학 국내 1인자 이해웅 당시 카이스트 교수의 지도 아래 박사 학위를 받고 현재까지 양자 역학, 정보 물리학을 전문적으로 연구해 60여 편의 SCI 논문을 게재했다. 포항 공과 대학교, 카이스트, 독일 막스 플랑크 연구소, 서울 대학교를 거쳐 현재 부산 대학교 물리교육과 교수로 재직 중이다. 도쿄 대학교, 인스부르크 대학교 방문 교수를 역임했다. 과학 저술 활동은 물론 언론, 방송 등을 통해서도 대중과 활발히 소통하며 ‘철학하는 물리학자’라 불리고 있다.
저자가 JTBC 「김제동의 톡투유」에 패널로 출연해 인연을 맞은 방송인 김제동 역시 양자 역학은 어렵지만 “김상욱 쌤의 이 책은 재미있다.”라고 말한다. 양자 공부에 있어서 대부분의 사람들이 김제동과 다르지 않다. 이 책에서도 저자는 처음부터 끝까지 양자 역학이 어렵다고 솔직 담백하게 말한다. 하지만 동시에 세상에서 가장 정확하고 아름답고 심오한 학문이라는 사실 또한 독자 스스로 깨닫도록 만든다. 난해하지만 이해하게 되는, 비직관적이지만 통찰하게 되는 ‘양자 도약’을 경험해 보기를 바란다.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 공부한 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.―본문에서이 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.―본문에서2부에서는 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 안내서저자가 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