세상에서 제일 다정한 양자 책 - 양자 컴퓨터와 초전도체 너머 양자역학의 미래

★ “마침내 ‘이해했다’는 느낌이다.” 그동안 배우지 못했던 웃기고 따뜻한 양자역학

★ 『어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까』 베스트셀러 과학자가 들려주는 양자 이야기

★ “AI가 소프트웨어 혁명이라면 양자는 하드웨어 혁명이다.” 미래학자 정지훈 강력 추천!

양자의 의미와 철학부터 미래 기술의 가능성까지 양자역학의 모든 것을 친절하게 설명해주는 책이 나왔다. 영국에서 가장 사랑받는 과학 커뮤니케이터이자 30년 넘게 양자역학을 탐구해온 물리학자 짐 알칼릴리의 『세상에서 제일 다정한 양자 책』이다.

“쓸모없는 짓이야. 입 닥치고 계산이나 해!” 양자역학을 더 쉽게 이해하려는 사람들을 향해 많은 물리학자가 이렇게 짜증을 낸다. 하나의 입자가 둘로 나뉜 길을 동시에 지나가거나 상자 속 고양이가 죽었으면서 살아 있거나, 양자 세계에서 벌어지는 일은 하나같이 비상식적이기 때문이다. 결국 완벽한 해석은 불가능하므로 많은 과학자는 양자역학의 결론을 잠자코 받아들여 현실의 여러 응용 분야에 써먹는 데에 집중하기로 했다. 이러한 실용주의적 관점은 점잖게 ‘코펜하겐 해석’으로 불리면서 오늘날 양자역학 교과서를 지배하고 말았다.

“그래도 계산하느라 바쁘지 않을 땐 양자역학에 대해 자유롭게 고민합시다!” 저자 짐 알칼릴리는 과감하게 반기를 든다. 사실 양자역학을 모르면 이 세상을 제대로 이해할 수 없다. 연일 화두에 오르는 양자 컴퓨터는 왜 그렇게 뛰어난 기술인가, 실리콘 반도체 칩부터 전자레인지까지 우리 생활 속 얼마나 다양한 곳에 양자 기술이 녹아들었는가. 이 책은 복잡한 방정식을 끼적이는 대신 자유분방한 설명과 한눈에 들어오는 아기자기한 그림으로 양자 세계를 탐험한다.

“AI 이후 양자 기술의 거대한 파도를 읽어내고 싶다면 이 책을 권한다.” 이 책은 DGIST 교수이자 IT 융합 전문가 정지훈의 한국어판 서문을 담아 더욱 특별하다. 정지훈 교수는 오늘날 왜 양자 기술 및 그 근본이 되는 양자역학에 주목해야 하는지 말한다. 양자역학은 분명 과학자에게조차 쉽지 않은 학문이다. 하지만 서문으로 그 중요성을 되새기며 이 책의 친절하고 다정한 서술을 따라가면 자연스레 이해의 지평을 넓힐 수 있다.

[목 차]

한국어판 서문: AI가 소프트웨어 혁명이라면, 양자는 하드웨어 혁명이다

들어가며

1장 믿을 수 없는 자연의 마술

2장 당혹스러운 역사의 시작

3장 확률과 우연

4장 유령 같은 연결

5장 관찰자와 관찰 대상

6장 위대한 논쟁

7장 아원자 세계

8장 궁극의 이론을 찾아서

9장 양자에게 일 시키기

10장 새로운 밀레니엄으로

감사의 말

[본 문]

자연이 상상 불가능할 정도로 작은 원자의 척도에서도 자동차, 나무, 건물 같은 인간의 척도와 비슷한 방식으로 행동하리라 기대할 권리가 우리에게는 없지 않을까요? 양자역학 이론이 멀쩡한 자연을 이상하게 서술하는 것이 아니라, 자연 그 자체가 반직관적이고 놀라운 방식으로 행동합니다. 양자역학이 제공한 이론적 도구 덕분에 우리가 관찰하는 모든 것을 이해할 수 있다면, 우리에게는 자연이나 그에 관한 이론을 비난할 권리가 없습니다. 오히려 우리의 지적 부족함을 탓할 일이죠.

들어가며 | 17쪽

 

아이들이 어렸을 때만 해도 생일이 되면 파티에서 제가 마술을 보여줬습니다. 지금은 아이들도 다 커서 그런지 민망해서 못 봐주겠다고 하는 마술이지만 말이죠. 그럼 아이들 중에서 그 마술을 어떻게 했는지 안다고 잘난 척 나서는 녀석이 꼭 있었습니다. 아이들은 비밀을 알아내겠다고 제 소매를 들추거나, 스크린 뒤나 탁자 밑을 뒤졌습니다. 보통 이런 행동은 사람을 짜증나게 만들죠. 하지만 과학실험에서는 오히려 이런 행동을 격려합니다. 그럼 우리도 한번 과학의 소매를 들춰볼까요?

1장 믿을 수 없는 자연의 마술 | 29쪽

 

수많은 대중과학서는 물론 심지어는 물리학 교과서도 양자역학의 기원에 대해서 두 가지 미신을 널리 퍼뜨리곤 합니다. 물론 과학의 발달 과정을 흔히들 크게 단순화해서 설명하고, 교육을 하려면 그래야 하긴 합니다. 과학은 대부분 지저분하고 느리게 진보하기 때문에, 그 이야기를 교육적으로 전달하려면 연대순이 아니라 한 이론이나 현상을 전체적으로 이해하고 뒤돌아보는 식으로 풀어야 합니다. 그래서 아수라장 같은 현실의 이야기 속에 나오는 특정 사건이나 등장인물을 깨끗이 세탁할 필요성이 생깁니다. 노벨상 수상자들을 깔끔하게 포장하다 보니 이런 일이 왕왕 일어나죠.

2장 당혹스러운 역사의 시작 | 44쪽

 

현대물리학을 다루는 요즘 대중과학서들에서는 앞에서 이미 언급했던 E=mc2을 제외하고 나머지 수학 방정식은 모두 피하는 것이 거의 표준 관행으로 자리 잡았습니다. 하지만 슈뢰딩거의 방정식은 한 번쯤 살펴볼 가치가 있습니다. 미학적인 이유만으로도 그렇습니다(과연 10대들이 이 방정식을 멋지다고, 혹은 아주 슬프다고 생각해서 자기 티셔츠에 새기고 다닐지는 모르겠습니다. 사실 누가 그렇게 슈뢰딩거 방정식을 티셔츠에 새기고 다니면 괴짜로 보일 것 같습니다).

3장 확률과 우연 | 87쪽

 

중첩이라는 개념은 양자역학 고유의 특성이 아니라 모든 파동의 일반적인 속성입니다. 텅 빈 수영장에 누군가가 다이빙해서 들어가는 모습을 상상해보세요(물론 사람이 비었다는 이야기지 물이 비었다는 이야기는 아닙니다). 그럼 잔물결이 간단한 파도 모양을 이루며 수면을 따라 수영장 반대편까지 퍼져나가는 모습이 보일 겁니다. 이것은 수영장에 가득 찬 사람들이 수영을 하고 물장구를 칠 때의 상태와 큰 대조를 이룹니다.

4장 유령 같은 연결 | 111~112쪽

 

슈뢰딩거는 치명적인 독과 방사성 원자핵이 들어 있는 장치를 고양이와 함께 상자에 넣고 뚜껑을 닫으면 무슨 일이 일어날지 물었습니다. 이 원자핵이 붕괴하면서 입자를 방출하면 상자에 독을 퍼뜨리는 메커니즘이 작동해서 고양이는 그 자리에서 죽게 됩니다(이런 실험이 실제로 진행된 적은 없으니 동물의 권리 보호 활동가들은 안심하시길. 굳이 살아있는 고양이를 이용하지 않아도 이 실험의 목표는 달성이 가능하고, 또 실제로 달성되었기 때문입니다).

5장 관찰자와 관찰 대상 | 161쪽

 

현역 물리학자 대다수는 이론이 작동하는 이유를 이해하지 못하고도 이론 사용법을 익혔습니다. 사실 우리 시대의 가장 저명한 과학자들 중에는 누구도 양자역학을 제대로 이해하지 못한다고 대놓고 고백한 사람들도 있습니다! 그렇지만 이것이 고민하지 않아도 될 일일까요?

6장 위대한 논쟁 | 181쪽

 

물리학자 대다수는 양자역학의 해석을 둘러싼 쟁점 따위에는 아예 신경도 쓰지 않습니다. 그렇게 하는 것이 맞고요. 이 사람들은 이론을 이용해서 아원자 세계의 구조와 속성을 연구하느라 너무 바쁘기 때문이죠. 사실 이런 ‘입 닥치고 계산이나 해’ 태도가 없었다면 지난 반세기 동안 과학기술이 엄청나게 발전하지도 않았을 것입니다.

7장 아원자 세계 | 214~215쪽

 

이론물리학자들은 자연의 복잡한 작동 방식을 더 깊이 파고들어 지식에 대한 갈망 이상을 추구합니다. 그들은 또한 수학방정식의 단순함과 아름다움으로 발현되는 자연의 패턴과 대칭성을 추구하죠. 가장 위대한 지성 중에는 그저 수학이 너무 거추장스럽거나 추하다는 이유만으로 이론을 거부한 사람도 있습니다! 그들은 이런 식으로 말합니다. “ 분명 무언가가 잘못됐어. 자연이 이렇게 꼴사나울 리가 없잖아.”

8장 궁극의 이론을 찾아서 | 261쪽

 

전자 파동함수의 어떤 속성, 즉 파울리의 배타원리를 따르는 속성으로 원자의 에너지 껍질에서 전자가 배열되는 방식을 설명할 수 있었고, 이를 통해 금속이 어떻게 전기를 전도하는지 이해할 수 있게 됐습니다. 그리고 이것은 다시 반도체 물질의 연구로 이어지고, 이것이 다시 트랜지스터의 발명으로, 이것이 다시 마이크로칩, 컴퓨터, 인터넷의 성장으로 이어졌습니다.

9장 양자에게 일 시키기 | 291쪽

 

오늘날의 컴퓨터는 그 놀라운 능력에도 불구하고, 19세기 찰스 배비지가 꿈꾸었고 나중에 앨런 튜링이 공식화한 기계식 장치와 동일한 근본 원리를 바탕으로 작동합니다. 즉 기계의 한 가지 안정적인 상태가 하나의 수를 나타내죠. 하지만 자연계를 기술하는 법칙들은 감지하기 힘든 양자물리학의 법칙이기 때문에 컴퓨팅에 대해 다르게 생각해볼 것을 우리에게 촉구합니다.

10장 새로운 밀레니엄으로 | 351쪽