양자역학의 태동부터 완성까지, 양자 이론 100년의 역사
─양자혁명의 문을 연 20세기 천재 물리학자들의 이야기

세상을 지배해온 뉴턴의 고전역학 관점에서는 우주에 존재하는 모든 입자의 위치와 속도를 알고 있으면 그들의 미래 또한 운동법칙을 통해 완벽하게 결정된다. 이는 곧 우주의 미래가 이미 결정되어 있다는 뜻이기도 하다. 뉴턴의 고전역학이 낳은 ‘결정론적 우주관’에 인간의 자유의지나 우연이 끼어들 여지가 없다는 사실을 깨닫게 되면서 과학자들은 20세기 새로운 물리학을 향해 나아가기 시작한다.

1부 <양자>는 빛의 파동설과 입자설에 관한 논쟁으로 시작해 원자의 내부 구조, 흑체에서 실마리를 찾아 양자혁명의 도화선에 불을 댕긴 플랑크의 연구와 아인슈타인의 광전효과, 보어의 원자모형을 통해 ‘양자’라는 개념이 정의된 시기의 새로운 발견들과 양자역학을 이해하기 위한 기본 개념들을 다룬다.

2부 <양자역학>에서는 빛의 입자설이 받아들여진 후, 드브로이가 물질의 이중성을 최초로 제안하면서 ‘광자와 전자를 포함한 모든 입자는 파동이고, 모든 파동은 입자’라는 사실을 수용한 과학계가 고전물리학과의 결별을 선언한 이후를 이야기한다. 그즈음 엄청난 연구들이 왕성하게 진척되었지만, 1925년의 양자 이론은 다양한 가설과 계산 문제가 마구잡이로 뒤섞인 난감한 상황이었다. 그러나 극도의 혼란을 겪은 후 불과 몇 개월 만에 하이젠베르크의 '실험을 통해 관측 가능한 것만이 물리적 대상이 될 수 있다'는 아이디어와 양자역학 방정식이 고전역학 방정식과 같은 구조임을 알아차린 디랙의 연구를 통해 원자의 움직임을 정확하게 설명할 수 있게 되면서 양자역학이 정통 물리학 이론으로 자리 잡아가는 과정이 담겨 있다.

존 그리빈은 특히 3부 <양자역학을 넘어서>에서 하이젠베르크의 불확정성원리는 양자역학의 기본방정식에서 유도되었지만, 물리학자 대부분이 양자역학을 대중에게 소개할 때 불확정성원리에서 이야기를 시작해 사람들이 기본방정식을 배울 기회가 없으며, 불확정성원리를 우주의 근본적인 특성이 아닌 '관측의 한계'로 좁게 이해하는 현상을 안타까워한다. 3부에서는 양자역학의 기본 개념과 법칙이 확립된 후에 역량을 발휘한 '양자역학 2세대'들에 주목한다. 코펜하겐 해석에 대한 공격과 방어를 통해 진전된 논의로 EPR 역설, 벨의 부둥식, 다중세계 해석을 소개하고 있다.


우리는 왜 양자역학을 알아야 하는가?
─과학이 이루어낸 가장 위대한 업적, 모든 과학은 양자역학으로 설명된다!

과학이라는 학문에 많은 관심과 애정을 보이는 사람들도, 유독 양자역학이라는 분야에는 고개를 돌리곤 한다. ‘돌멩이는 위에서 아래로 떨어진다’처럼 당연한 설명을 기대할 수 있는 이론이 아니기 때문일 것이다. 양자적 관점에서는 돌멩이가 ‘아래에서 위로 갑자기 솟아오르는’ 세계도 존재할 수 있다. 현실 세계의 물리법칙으로 가능하지 않다고 생각되는 현상도 그 발생확률이 0이 아니라면 일어날 수 있는 일이다. 단지 그 확률이 지극히 낮기 때문에 우리의 일상에서 마주할 수 없는 것뿐이다. 양자역학이 낯설게 느껴지는 원인은 이처럼 이론으로 예측한 결과가 우리의 상식에서 크게 벗어날 수도 있어서이다. 그래서 양자역학의 세계로 들어가려면 기존의 상식을 모두 잊어버리고 “무엇이건 받아들이겠다”는 마음의 준비가 필요하다.

이런 마음의 준비까지 하고 양자 세계를 이해하려는 노력은 왜 필요한 것일까? 양자 이론은 미시 세계의 입자가 움직이는 방식을 설명하는 학문이다. 이 세상의 모든 것은 입자로 이루어져 있다. 따라서 양자역학은 단순히 과학의 한 학문 분야가 아니라, 현대 과학 전체를 떠받치고 있는 이론이라 해도 과장이 아니다. 양자역학이 없었다면 화학은 지금도 여전히 암흑기를 벗어나지 못했을 것이며, 분자생물학 같은 분야는 아예 존재하지도 않았을 것이다. 양자역학을 이해하는 사람은 이때까지 눈으로 보아온 세상에서 멈추지 않고 눈에 보이지 않는 것까지 감각하게 되는 다른 차원의 경험을 할 수 있다. 누구나 한 번쯤 인생을 살다 ‘진리’에 대한 갈증을 느끼듯이, 하나의 원리로 전체를 설명할 수 있는 이론은 매혹적으로 다가온다. 양자역학은 과학기술뿐 아니라, 철학, 문학, 예술에도 영향을 미치는 현대 사회의 핵심 교양이다. 이 책을 읽고 나면 가장 훌륭한 과학이 얼마나 단순하고 아름다운지 알게 될 것이다.


《슈뢰딩거의 고양이를 찾아서》가 최고의 입문서인 이유
─양자역학을 이해하는 데 최적화된 이야기의 흐름과 명쾌한 비유

낯선 개념을 대중에게 친절히 소개하려면, 사람들이 어떤 부분에 취약한지를 알아야 한다. 존 그리빈은 그 지점을 누구보다 잘 간파하고 있는 작가이다. 그는 사람들이 각각의 개념은 단편적으로 이해해도, 그 개념들을 유기적으로 연결 짓는 데 어려움을 느낀다는 것을 알았다. 새로운 이론이 학계에 수용될 때까지는 시간이 오래 걸린다. 그 과정에서 수많은 학자와 공식이 등장한다. 어떤 가설은 발표된 후 오랜 시간이 지나서야 주요한 이론으로 채택되기도 하고, 힌트로만 사용되고 묻혀버리는 경우도 많다. 각각의 개념이 어떻게 정확성을 갖춰나갔는지, 누가 누구에게 영향을 끼쳐 이전의 가설을 보완하는 새로운 이론이 발전했는지, 저자는 독자들이 양자역학을 이해하는 데 제일 적합한 구성으로 내용을 설명한다. 존 그리빈이 과학저술가로서 가장 탁월한 역량을 발휘하는 부분이다.

“대부분의 교과서에는 양자역학이 계단을 오르듯 단계적으로 발전한 것처럼 서술되어 있지만, 새로운 이론이나 새로운 발견이 항상 시기에 맞춰 등장한 것은 아니었다. 그러나 모든 것을 ‘발견된 순서’로 나열하면 논리가 중구난방으로 섞이기 때문에, 이 책에서도 어쩔 수 없이 순서를 조정해야 할 것 같다. 가장 좋은 방법은 양자역학을 설명하기 전에 그와 관련된 기본 개념을 하나씩 짚고 넘어가는 것이다.” _127쪽

또한 그는 일상의 비유를 들어 과학적 개념을 설명하는 데 뛰어난 작가이다. 에너지가 특정한 크기의 덩어리로 존재한다는 것을 은행의 현금인출기가 돈을 5파운드 단위로만 내주는 것에 비유하고, 페르미온과 보손의 차이를 각각 공연장에서 티켓값이 가장 비싼 좌석부터 순차적으로 앉아 있는 관객과 신나는 노래에 무대 앞으로 뛰쳐나가는 관객에 비유한다. 이런 비유를 통해 물리학적 배경이 충분하지 않은 독자들도 낯선 개념을 직관적으로 이해할 수 있다.

“페르미온과 보손의 차이는 무엇인가? …… 스핀의 정체를 모르는 상태에서 이런 설명으로 만족할 사람은 없을 테니, 좀 더 현실적인 비유를 들어보자. 얼마 전에 나는 코미디언 스파이크 밀리건이 출연하는 연극을 보러 간 적이 있다. 막이 오르기도 전에 밀리건이 무대로 걸어 나와 관람객들에게 말했다. “제일 좋은 좌석이 모두 비어있군요. 저희 홍보실 직원들이 비싼 돈을 내고 제 연극을 관람할 사람을 찾지 못했나 봅니다. 그렇다고 그냥 비워두기엔 너무 아까우니, 모두 앞자리로 옮겨주세요.” 말이 끝나기가 무섭게 텅 비어있던 1등석은 순식간에 관객으로 가득 찼고, 티켓값이 가장 싼 뒷좌석은 텅 비었다. 바로 이것이 페르미온의 거동방식이다. 하나의 좌석에는 한 사람만 앉을 수 있고, 이들은 제일 앞에 있는 좌석부터 순차적으로 채워 나간다.” _144~145쪽



해제를 통해 보완한 1984년 이후의 양자역학
현대 과학이 세상을 이해하는 방식, 양자적 사고의 힘!

《슈뢰딩거의 고양이를 찾아서》가 출간되고 36년이란 시간이 흘렀지만, 사실 양자역학은 별로 달라진 것이 없다. 그러나 그사이 발견된 가장 큰 변화로 ‘초끈이론’과 ‘힉스입자의 발견’을 꼽을 수 있다. 양자역학 표준모형의 대안으로 등장한 초끈이론은 전통을 고수하는 양자물리학자들에게 충격을 주었고, 힉스입자는 2012년에 유럽입자물리연구소에서 발견되어 양자역학 표준모형에 날개를 달아주었다. 이 두 내용은 이 책을 옮긴 박병철의 해제를 통해 보완했다.

만약 이 책을 다 읽고 ‘양자역학’을 전부 이해하지 못했다고 낙담할 필요는 없다. 그것은 독자의 문제도 이 책의 문제도 아닌 ‘양자역학’이라는 학문이 가진 기이하고 괴상한 특성 때문이다.
그러나 두 가지는 확실히 약속할 수 있다. 하나는 이 책을 읽고 난 뒤 ‘슈뢰딩거의 고양이’가 상자 안에서 어떤 상황에 놓인 것인지 정확히 설명할 수 있다는 것, 다른 하나는 양자적 사고로 현실 세계를 이해하는 방식을 깨닫고 이전과는 다른 감각으로 세상을 바라보게 될 수 있다는 것이다.

감사의 글
들어가는 글
프롤로그: 아무것도 현실적이지 않다

━1부 양자
1장 빛
파동인가, 입자인가?│파동설의 완벽한 승리
2장 원자
19세기의 원자론│아인슈타인의 원자│전자│이온│X-선│방사능│원자의 내부
3장 빛과 원자
흑체에서 실마리를 찾다│달갑지 않은 혁명│h의 정체는 무엇인가?│아인슈타인, 빛과 양자
4장 보어의 원자
점프하는 전자│드디어 밝혀진 수소 원자의 내부 구조│확률적 요소: 신의 주사위│원자 투시도│원자모형으로 우뚝 선 화학

━2부 양자역학
5장 광자와 전자
빛의 입자│파동-입자 이중성│전자의 파동│과거와의 결별│파울리의 배타원리│다음에 바라볼 곳은 어디인가?
6장 행렬과 파동
헬골란트섬에서 돌파구를 찾다│양자 수학│슈뢰딩거의 이론│과거로 돌아가다│양자조리법
7장 양자로 요리하기
반물질│원자핵의 내부│레이저와 메이저│마이크로 시대│초전도체│생명

━3부 양자역학을 넘어서
8장 확률과 불확정성
불확정성의 의미│코펜하겐 해석│이중슬릿실험│붕괴되는 파동│상보성 규칙
9장 역설과 확률
상자 속의 시계│EPR 역설│시간 여행│아인슈타인의 시간│세상에 공짜는 ‘있다’│슈뢰딩거의 고양이│참여 우주
10장 벨의 부등식
스핀 역설│편광의 수수께끼│벨의 실험│증명│증명의 의미│확증과 응용
11장 다중세계
관측자를 관측하는 자는 누구인가?│두 개의 현실│SF를 넘어서│아인슈타인을 넘어서│다시 보기│에버렛을 넘어서│특별한 우리 세계

에필로그: 아직 끝나지 않은 과제들
비틀린 시공간│붕괴된 대칭│초중력│우주는 그 자체로 진공요동인가?│인플레이션과 우주
옮긴이 해제
미주
참고 문헌
찾아보기