양자물리 좋아하세요 -평범한 아침에 만나는 열한 번의 양자 수업 (프린키피아 12)

영국 《더 타임스》 ‘최고의 과학책’ 선정작!

《포브스》 선정 ‘현대물리학 분야 최고의 대중과학서’

 

일출부터 출근하러 문을 나서는 순간까지,

일상에서 발견하는 놀라운 원자와 광자의 세계

 

양자물리학이 태동한 지 1세기가 지난 오늘날, 과학계는 오류 내성 양자 컴퓨터의 가시적 진전과 양자 얽힘 기반 차세대 통신 등 결정적 돌파구를 잇달아 발표하며 '양자 시대'의 본격적인 개막을 알렸다. 한 세기 동안 우리 일상에 깊숙이 스며든 원자와 광자의 세계를 일상의 언어로 풀어낸 안내서 『양자물리 좋아하세요?』가 21세기북스에서 출간되었다.

양자물리학은 낯설다. 사람들은 이것이 거대 강입자 충돌기나 블랙홀 같은 극단적인 환경에서만 나타난다고 여긴다. 그러나 알람 시계가 시간을 표시하는 것은 원자 안의 에너지 준위 덕분이고, 반도체 칩은 양자 중첩 없이 이해할 수 없으며, 아침밥이 식탁에서 흘러내리지 않는 고체 물질의 안정성은 양자 스핀의 기이한 통계적 성질 없이는 설명되지 않는다. 왜 전구는 치명적인 방사선을 내뿜지 않을까? 손은 왜 단단한 벽 너머를 통과하지 못할까? 어째서 모든 금속이 자성을 띨 수 없는가? 이 책은 우리의 아침 일상을 현장으로 삼아 양자물리학을 파고든다. 이 책을 읽고 나면 매일 반복되던 익숙한 일상이 전혀 다른 풍경으로 보일 것이다.

 

① 일출: 12개의 기본 입자와 4개의 기본 상호작용(중력·전자기력·강력·약력)이 각자의 역할을 해야만 태양이 빛을 낼 수 있다.

② 빨갛게 달아오른 전기레인지 코일: 뜨거운 물체의 빛은 재질과 무관하게 오직 온도에 따라 색이 바뀐다는 단순하고 보편적인 현상이 19세기 물리학을 무너뜨렸다. 토머스 영의 이중 슬릿, 아라고의 점, 빛의 파동설, 자외선 파탄, 플랑크의 양자 가설까지의 양자론의 발전을 아침 부엌에서 찾는다.

③ 휴대전화 카메라 센서: 카메라는 빛의 ‘입자성’ 위에서 작동한다. 아이러니하게도 그 원리는 빛의 ‘파동성’을 입증하려던 실험의 부산물이었다. 헤르츠와 아인슈타인이 그 실험의 주인공이다.

④ 출근 시간을 독촉하는 시계: 물리적으로 움직이는 부품이 있는 시계는 본질적으로 불안정하다는 문제는 빛과 원자의 미스터리한 상호작용에서 답을 찾을 수 있다. 프라운호퍼선의 발견, 분광학의 성립, 보어의 원자 모형, 그리고 오늘날 세계 표준시를 떠받치는 세슘 원자시계를 다룬다.

⑤ 1858년 첫 대서양 횡단 케이블부터 오늘의 광섬유망까지: 구리선의 신호 감쇠와 대역폭 한계를 뚫은 것은 레이저였다. 발명 당시 “풀 문제를 찾아야 하는 해법”이라 조롱받던 기술이 어떻게 지구를 실시간으로 연결하게 되었는지, 그 뿌리에 있는 아인슈타인의 유도 방출 개념을 따라간다.

⑥ 후각도 양자 현상으로 이해할 수 있다: 형태론과 진동 모델 사이의 오랜 논쟁을 소개한 뒤, 두 모델 모두 결국 전자의 양자적 행동에 뿌리를 둔다는 점을 짚는다. 스핀의 발견, 파울리의 배타 원리, 그 원리 위에 세워진 주기율표와 화학 결합 등 냄새 하나에서 현대 화학의 토대가 열린다.

⑦ 왜 토스터 속 빵 조각은 원자 폭탄이 되지 않을까?: 모든 계는 에너지를 낮추려 하는데, 그렇다면 입자들은 왜 무한히 작은 공간으로 붕괴하지 않는가? 답은 하이젠베르크의 불확정성 원리와 영점 에너지, 그리고 파울리의 배타 원리에 있다. 우리가 몸을 기댈 수 있는 세계의 단단함이 여기서 나온다.

⑧ 아폴로 11호의 우주선 컴퓨터보다 수천 배 빠른 주머니 속 기계: 그 기하급수적 도약은 반도체 덕분이고, 반도체는 전자의 파동성 위에 서 있다. 고양이 역설의 진짜 쟁점, 에너지 준위가 띠로 넓어지는 과정, 띠 사이의 틈이 부도체와 전도체와 반도체를 가르는 원리를 설명한다.

⑨ 자석: 냉장고 자석은 평범하지만, 비범한 물건이다. 그 원리를 파고들면 전자의 자성에서 원자의 자성으로, 다시 결정의 자성으로 척도를 올리고, 마지막에는 자기 데이터 저장 장치에 도착한다.

⑩ 복도의 연기 감지기 안에서는 알파 입자가 고전 물리학의 철벽을 뚫고 지나간다. 뢴트겐의 X선, 베크렐과 퀴리의 방사성 연구, 러더퍼드의 분류를 거쳐, 조지 가모브가 터널 효과로 방사성 붕괴의 미스터리를 푼 과정을 따라간다.

⑪ 온라인 구매 영수증에서 시작해 암호의 역사를 파고든다. 일회용 암호표의 근본적 한계, 그것을 풀어줄 열쇠가 하필 아인슈타인이 양자역학을 공격하려고 꺼내 든 ‘유령 같은 원격 작용’이었다는 아이러니가 소개된다.

[목 차]

옮긴이의 말 | 들어가며

 

첫 번째 일상_일출: 기본 상호작용

중력

전자기력

강한 상호작용

약한 상호작용

나머지 이야기

 

두 번째 일상_발열체: 플랑크의 절박한 트릭

빛의 파동과 색

열과 에너지

자외선 파탄

양자 가설

 

세 번째 일상_디지털 사진: 특허청 직원의 발견

헤르츠의 실험

특허청 직원의 발견

광전 기술

 

네 번째 일상_알람 시계: 축구 선수의 원자

시간 측정의 간략한 역사

스펙트럼선의 미스터리

가장 놀라운 존재는 원자 안에 있다

양자 세계에 발을 들이다

원자시계

 

다섯 번째 일상_인터넷: 어렵게 발견한 레이저, 어디에 써야 하나?

웹 시대 이전의 망

원자가 빛을 내는 법

아인슈타인이 빛에 대해 배운 사실

레이저의 역사

“풀 문제를 찾아야 하는 해법”

빛의 망

 

여섯 번째 일상_후각: 배타 원리

후각의 작용 과정

주기율표

‘고전 양자론’에서 현대 양자역학으로

배타 원리에 의한 화학

스핀

궤도에서 파일럿 파동, 그리고 확률에 이르기까지

현대 화학

 

일곱 번째 일상_고체 물질: 불확정성 에너지

불확정성의 확정성

영점 에너지

불확정성 원리

원자의 안정성

파울리의 배타 원리와 고체 물질

천체 물리학과 물질 안정성

 

여덟 번째 일상_컴퓨터 칩: 인터넷과 슈뢰딩거의 고양이

고양이 역설

고양이 상태의 화학 결합

많으면 달라진다

스펙트럼선에서 에너지띠로

왜 띠 사이에는 틈이 있을까?

부도체와 전도체

반도체의 원리와 용도

 

아홉 번째 일상_자석: 빌어먹을 자석은 도대체 원리가 뭐야?

자기 속 항해

전자의 자성

원자의 자성

결정의 자성

자기 데이터 저장 장치

 

열 번째 일상_연기 감지기: 가모브의 탈출

연기 감지에 관한 고전 물리학

방사성의 미스터리

터널 효과

햇빛과 쪼개진 원자

 

열한 번째 일상_양자 암호: 결국 위대했던 실수

비밀 유지의 비밀

우주와의 주사위 놀이

양자물리학과 베터리지의 헤드라인 법칙

아인슈타인에서 벨, 그리고 아스페

양자 암호

위대한 실수

 

맺으며 | 감사의 말 | 찾아보기

[본 문]

항성이 수십억 년 동안 존재할 수 있는 것은 중력, 전자기력, 강력 덕분이다. 중력은 기체를 끌어모으고, 전자기력은 중력 붕괴를 막으면서 온도를 높이며, 온도가 매우 높아져 전자기력이 양성자들을 더 떨어트리지 못하면 강력이 수소를 헬륨으로 융합하면서 막대한 에너지를 내보낸다. 세 가지 상호작용이 서로 경쟁하면서 안정적인 상태가 된 태양은 지구 생명체에게 필요한 빛과 열을 공급한다.

【첫 번째 일상 l 일출:기본 상호작용 - 36쪽】

 

디지털카메라는 눈 깜빡할 사이에 고가의 귀중품에서 일상 필수품이 되었지만, 디지털카메라의 과학에 대해 아는 사람은 많지 않다. 트위터에 올릴 아이 사진, 고양이 사진, 아침 메뉴 사진을 찍을 때 사용하는 휴대전화의 센서는 빛의 입자성에 관한 양자역학 원리를 바탕으로 한다. 무척 아이러니하게도, 이 같은 센서 기술의 핵심이 되는 원리의 발견은 빛의 ‘파동성’을 입증하려던 실험의 부산물이었다.

【세 번째 일상 l 디지털 사진: 특허청 직원의 발견 76~77쪽】

 

인간의 후각계는 원자 배열의 미묘한 차이까지도 감지할 수 있기 때문에 우리는 화학적으로 비슷한 원자도 완전히 다른 냄새로 인식한다. 코의 수용기 분자들이 공기 중에 있는 분자를 어떻게 구분하는지에 대해 두 가지 이론이 오랜 세월 동안 경쟁해 왔다. 그중 더 일반적으로 받아들여지는 ‘형태론shape theory’은 여러 종류의 수용기 분자가 공기 중 분자의 3차원 원자 배열에 반응한다고 주장한다. 한편 ‘진동 모델vibration model’은 수용기 분자가 공기 중 분자의 움직임을 구분한다고 주장한다.

【여섯 번째 일상 l 후각: 배타 원리 156~157쪽】

 

상자 속 고양이 역설은 양자역학이 지닌 근본적인 문제에 대한 논란을 촉발했고 과학자들은 여전히 활발하게 논의 중이다. 또한 많은 실험 물리학자가 슈뢰딩거의 역설에 영감을 받아 양자 물체를 두 가지 별개의 상태가 중첩에 놓이게 하는 다양한 ‘슈뢰딩거 고양이 상태’ 실험을 고안했다. 진짜 고양이로 실험한(혹은 실험하고 싶어 하는) 사람은 없지만, 초전도체의 단일 원자, 이온, 많은 수의 전자처럼 다양한 계에서 ‘고양이 상태’가 재현되었다. 거시적 물체에서 고양이 상태를 재현하는 실험은 빠르게 발전하고 있는 실험 물리학 분야다.

【여덟 번째 일상 l 컴퓨터칩: 인터넷과 슈뢰딩거의 고양이 - 225쪽】

 

결국 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 주장은 틀린 것으로 밝혀졌지만, 그러한 판명이 이루어지기까지의 과정은 매우 역동적이었다. 그들의 실수는 양자물리학에서 그 누구도 주목하지 않던 기이하고 난해한 문제에 관심을 끌게 한 위대한 실수였다. EPR이 지닌 심오하고 미묘한 허점은 물리학을 상식적인 시각으로 접근하는 것이 왜 실패할 수밖에 없는지를 여실히 보여 주면서 물리의 철학적 논쟁을 도약시켰고, 이를 계기로 양자 얽힘의 본질적인 기묘함을 탐구하는 기술이 눈부시게 발전했다.

【열한 번째 일상 l 양자 암호: 결국 위대했던 실수 - 333쪽】