마윈의 과학 스승 리먀오 교수의 재미있는 양자역학 이야기

“마윈과 마크 저커버그는 왜 양자역학을 공부했을까?” 양자역학을 알아야 세상과 과학을 이해한다! 마윈의 과학 스승이자 중국 최고 천체물리학자가 들려주는 청소년을 위한 양자역학 수업

페이스북 설립자 마크 저커버그는 중국 칭화대학에서 강연을 하면서 양자역학 공부가 자신의 사고방식에 큰 영향을 미쳤다고 이야기했다. 저커버그가 딸에게 양자역학에 관한 책을 읽어주는 사진은 잘 알려져 있다. 알리바바의 창업자 마윈 또한 양자역학에 대한 과외수업을 받기도 했다. 그렇다면 이들은 왜 모두 양자역학에 관심을 두었을까? 뉴턴이 만든 고전역학이 우리 일상생활의 거시적 세계에만 적용되는 데 반해, 양자역학은 원자, 분자, 소립자 등의 미시적 대상에 적용되는 역학이다. 이러한 양자역학이 가진 의미는 다양하다. 세계를 움직이는 규칙을 정확하게 인식할 수 있게 하며, 다양하게 응용할 수가 있다. 실제로 이미 양자역학은 우리 생활 곳곳에서 응용되고 활용되고 있다. 반도체 칩과 레이저가 바로 양자역학의 이론에서 만들어진 것이다. 미래는 양자역학에 달렸다는 말이 나올 정도로 양자역학에 관한 관심은 점점 높아가고 있다. 양자역학은 이제 전공자뿐 아니라 현대인의 교양과학으로 자리 잡아가고 있다. 『세상에서 가장 쉬운 양자역학 수업』은 마윈의 과학 스승이자 중국 최고의 천체물리학자 리먀오 교수가 청소년에게 이야기로 들려주는 양자역학 입문서다. 출간 당시 어려운 양자역학을 가장 쉽게 설명했다는 평가를 받으며 중국 아마존 과학 분야 베스트셀러 1위에 올랐다. 어려운 물리학 개념을 일상적인 대상에 빗대어 설명하고 물리학사에 등장하는 아인슈타인·막스 플랑크·베르너 하이젠베르크 등의 많은 과학자들을 친근하게 소개할 뿐만 아니라, 다채로운 그림을 담아 아이에서 어른에 이르는 다양한 연령층이 쉽게 이해할 수 있도록 했다. 총 4강으로 이루어진 이 책은 고전역학에서부터 양자역학으로 이어지는 물리학의 흐름을 짚어주고, 눈으로는 확인할 수 없는 양자 세계를 보여주며, 양자역학의 활용과 양자 컴퓨터로 이야기되는 양자역학의 미래를 전망하고 예측한다. 또한 각 장의 끝에 위치한 '알면 알수록 더 재미있는 과학 이야기'에서는 보다 흥미진진하고 심화된 내용의 양자역학 지식을 일목요연하게 정리해낸다. 추가로 부록에는 양자역학을 확인할 수 있는 네 가지의 실험을 담아 이해를 돕는다.

제1강_양자의 세계는 어떤 모습일까?
제2강_물질은 어떻게 안정성을 유지할까?
제3강_양자역학은 어디에 사용될까?
제4강_양자 컴퓨터와 인류의 뇌

부록_실험으로 양자역학 이해하기
실험1 빛의 간섭
실험2 레이저로 풍선 터뜨리기1
실험3 레이저로 풍선 터뜨리기2
실험4 플랑크상수 측정

에필로그

무도회에서 한 그룹의 남자와 한 그룹의 여자가 스스로 파트너를 이룬다. 각 쌍의 파트너 중 여자는 모두 다른 여자가 자신의 남자 파트너를 가로채기를 원하지 않는다. 그 때문에 일종의 반발력이 생기는데, 이것이 물질이 갑자기 안으로 꺼지지 않는 이유다. 동시에 각 쌍의 여자가 다른 남자와 춤추고 싶고, 각 쌍의 남자가 다른 여자와 춤추고 싶다면 일종의 인력이 생긴다. 물질이 갑자기 밖으로 폭발하지 않는 이유다. 이렇듯 물질은 꺼지지도 폭발하지도 않기에 안정을 유지할 수 있다.
- [제2강 물질은 어떻게 안정성을 유지할까?] 중에서 레이저가 발생하는 과정은 눈사태와 비슷하다. 눈사태는 어떻게 발생할까? 설산의 산비탈에는 항상 눈이 쌓여 있다. 외부 요인으로 한 층의 작은 눈덩이가 굴러 떨어지면 아래층 눈도 합쳐져 미끄러져 내려간다. 그리고 그 눈의 영향으로 더 아래층에 있는 눈까지 합쳐지며 미끄러져 내려가게 된다. 이렇게 한 층 한 층 아래로 미끄러져 내리면서 연쇄반응이 일어나고, 마침내 거대한 눈사태로 변하는 것이다.
- [제3강 양자역학은 어디에 사용될까?] 중에서우리는 주위에서 흔히 복사기를 볼 수 있다. 사진이나 글씨가 가득한 종이를 복사기에 대면 똑같은 글씨나 그림이 인쇄된 종이가 출력된다. 거시 세계 또는 고전 세계에서는 어떤 물건이든 복사할 수 있다. 집, 자동차, 비행기, 인체 기관도 3D 복사 기술을 이용하면 똑같이 복제 가능하다. 다시 말해 고전 세계에서 우리는 원재료만 준비하고 한 물체의 정보 모두를 이 원재료에 복사하면 똑같은 물건을 만들어낼 수 있다.
하지만 미시적 세계 또는 양자 세계에서는 달라진다. 1982년에 3명의 물리학자가 ‘양자의 복제 불가능성’이라는 중요한 사실을 발견했다. 양자의 복제 불가능성 때문에 미시적 세계에서는 복제가 불가능하지만 전송은 가능하다. 다시 말해 양자 세계에서 아주 작은 한 물체의 정보를 원재료에 복사하여 똑같은 물체를 만들 수 있다. 다만 고전 세계와 다른 점은 원래의 물체가 파괴된다는 점이다. 하나의 물체가 원래의 위치에서 갑자기 사라지고 다른 장소에 똑같은 물체가 나타나게 된다.
- [제3강 양자역학은 어디에 사용될까?] 중에서우리는 방금 인간의 대뇌가 컴퓨터와 얼마나 비슷한지 확인했다. 그렇다면 이것은 고전 컴퓨터일까 양자 컴퓨터일까? 다시 말해 뉴런은 일반 다이오드를 닮은 걸까, 아니면 신비한 양자 스위치를 닮은 걸까? 이 문제의 답은 아직 찾는 중이다. 영국의 유명한 수리물리학자 로저 펜로즈Roger Penrose는 인류의 대뇌가 분명 양자 컴퓨터라고 확신했다.
- [제4강 양자 컴퓨터와 인류의 뇌] 중에서

“물리학자들도 어렵다는 양자역학, 과연 내가 이해할 수 있을까?”
추상적인 개념 설명은 그만!
일상적인 개념으로 풀어낸 양자의 세계 과학이 어려운 사람에게는 양자역학의 존재 자체는 물론이고, 그것과 관련된 과학이론과 용어 하나에도 한숨이 나오기 마련이다. 원자, 광전효과, 불확정성의 원리, 다이슨 피어스, 양자 전송, 양자 얽힘, 펜로즈의 계단 등 사전을 들여다보아도 좀체 감이 오지 않는다.
저자는 과학의 아름다움을 더 많은 이들이 알았으면 하는 마음에서 과학의 대중화를 목표로 이 책을 출간한다고 말한다. 일반인들이 최대한 쉽게 이해할 수 있도록 딱딱하고 추상적인 개념 서술은 최대한 배제했다. 닐스 보어의 수소 원자 모형을 설명하는 부분을 예로 들어볼 수 있다. 수소 원자 중심에는 원자핵이 있고, 원자핵 밖에는 하나의 전자가 있다. 전자가 특정 궤도에서만 운동한다는 것이 핵심인데, 이를 학교 운동회에 비유한다. 학교 운동회의 100미터 달리기 선수는 자신의 트랙에서만 달려야 하며, 운동장을 가로질러서는 안 된다. 전자 역시 자신의 궤도를 벗어나면 서로 부딪히게 된다고 풀어내며 우리가 머릿속에서 쉽게 그려낼 수 있는 이미지를 통해 개념을 설명해낸다.
이 외에도 각각 10층과 5층에 가방을 메고 오르는 것을 비교함으로써 위치에너지를 알려주고, 레이저가 발생하는 과정을 눈사태와 비슷하다고 설명하는 등 일상에서 흔히 마주하는 대상과 현상을 통해 양자역학의 개념을 친숙하게 풀어내고, 좀 더 쉽고 편하게 양자역학의 세계에 접근할 수 있도록 도와준다. 지금의 양자역학에 이르기까지, 물리학자들의 흥미진진한 뒷이야기들
기초과학에 대해 다시 생각하게 만드는 과학입문서이 책의 또 다른 특징은 물리학 역사의 전체 흐름을 쉽게 이해할 수 있다는 점이다. 뉴턴역학이 근간이 된 고전 물리학, 아인슈타인의 상대성이론 그리고 양자역학에 이르기까지. 특히 양자역학의 발전에 기여한 다양한 천재 물리학자들의 뒷이야기들은 매우 흥미롭다.
원자 구조가 양자적이라는 사실을 밝혀낸 닐스 보어는 인간적으로 매력 있는 지도자였고, 양자역학의 주요 원리인 배타원리를 발견한 볼프강 파울리는 21세 때 심오하기로 유명한 일반상대성이론을 체계적으로 설명하는 책을 집필했다. 불확정성 원리를 발견해 양자역학 발전에 지대한 공헌을 한 베르너 하이젠베르크는 대학 시절에 의외로 성적이 뒤처져 졸업조차 간신히 했다고 한다. 멀리서 보았을 때는 그저 기록에 불과했던 물리학사가 가까이 다가가 들여다보면 한 편의 드라마처럼 다가온다. 그들의 이야기를 따라가다 보면, 지금의 양자역학이 있기까지 그 배경에는 수많은 과학자들의 치열한 실험과 연구, 끊임없는 대화와 토론이 이어졌음을 알게 된다. 이 책은 양자역학에 대한 지식을 전달하는 것은 물론, 청소년과 학부모들, 과학에 대한 관심이 적었던 이들 모두에게 기초과학에 대해 다시 생각하게 만드는 ‘가장 쉬운’ 과학입문서가 될 것이다.