# 이해할 수 없는 것을 이해하기

과학자는 기본적으로 세상의 이치를 밝히려고 한다. 그리고 그 과정에서 지금까지의 지식으로는 이해할 수 없는 현상을 만나고, 그 현상을 과학적인 방법으로 이해하려 한다. 고대 그리스의 철학자 데모크리토스는 이 세상이 원자로 이루어져 있다고 주장했다. 그러나 원자라는 것의 실체가 밝혀지는 데는 그로부터 수천년이 흘러야 했다. 원자의 세계가 조금씩 밝혀지면서 고전적인 지식으로는 이해할 수 없는 일이 일어났다. 심지어 아인슈타인마저 그랬다. 특히 양자역학이란 것을 말이다.

독일의 물리학자 막스 플랑크는 조금 더 효율이 좋은 전등을 만들려고 흑체복사를 연구했다. 흑체복사란 예전에 많이 사용하던 백열등을 상상하면 된다. 백열등에 전기를 공급하면 필라멘트가 달아오려며 빛과 열을 낸다. 즉, 어떤 물체에 열을 가하면 에너지가 빛과 열이라는 형태로 방출(복사)된다. 이런데 연구 결과 이 에너지가 특정 단위의 덩어리로만 방출되는 것이다. 플랑크는 혼란에 빠졌다. 지금까지의 지식으로는 빛은 전자기파의 일종, 즉 파장이었다. 파장은 에너지의 흐름이 연속적이다. 즉 더 뜨거우면 뜨거운 만큼 강한 파장이 나와야 한다. 그런데 에너지가 덩어리 단위로 나온다는 뜻은 빛(에너지)이 입자라는 뜻인가? 입자여야 덩어리 단위로 묶을 수 있다. 실험으로 입증된 바와 같이 빛은 회절과 간섭을 한다. 입자가 어떻게 회절과 간섭을 한다는 말인가? 이 현상을 목격한 플랑크 자신도 이해하지 못했고, 입자일 리가 없다고 믿었다. 이 현상은 나중에 해결될 것이라고만 생각했는데, 이것이 바로 양자(덩어리)역학의 시작이었다.

# 확률로 세상이 돌아간다고?

결국 과학자들이 생각해낸 결론은 빛은 파동과 입자 두 가지 성질을 모두 가지고 있다는 것이었다. 파동이면 파동이고 입자면 입자지, 파동이면서 입자란 무엇인가? 고전적인 물리 이론으로는 납득할 수 없으나, 실제 세상은 그렇게 돌아간다. 입자이면서 파동인 무엇인가가 존재한다는 그것이 존재함을 인정하고, 과학적으로 해명할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 그렇게 받아들일 수 있는 유연한 마음가짐이 현대물리를 이해하는 방법이다.

빛이 입자이면서 파동이라면, 다른 입자도 파동성을 가지고 있는 것이 아닐까 하고 의심하는 것이 그 다음 수순이었다. 그리고 그 사실이 밝혀지기 시작한다. 여러 가지 이론과 실험에 의해 원자가 양성자(중성자도)와 전자로 이루어져 있다는 것은 알고 있지만, 문제가 있었다. 전자는 워낙 작은 존재라 그 전자의 에너지만 측정할 수 있을 뿐, 관찰하는 것이 불가능했다. 이 문제를 해결한 것이 슈뢰딩거의 파동 방정식이다. 파동 방정식을 사용하면 전자의 에너지를 계산할 수 있고, 그 계산을 통해 전자의 위치를 확률적으로 알 수 있다.

과학자들은 다시 한 번 논쟁하기 시작했다. 파동방정식을 이용하면 결과가 나오기는 하는데, 도대체 무엇이 파동성을 보이는가가 문제였다. 여기에서 세상을 뒤집을 해석이 나온다. 실제 파동은 없고 확률만 파동을 보인다는 것이 그 해석이다. 실제 전자의 위치는 알 수 없고, 확률로만 존재하는 것이다. 이 해석은 아인슈타인의 심기를 건드렸다. “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로, 확률로만 존재하는 세계를 부정했다. 곧 다른 방법이 나오면 전자나 빛의 존재를 정확히 정의할 수 있을 것이라 믿었다.

아인슈타인은 죽는 그 순간까지 양자역학의 확률론적 세계를 지지하지 않았지만, 현대물리학은 확률론적 세계를 조금씩 증명하고 있다. 무에서 유는 창조되지 않는다고 하지만 확률적으로 보면 제로는 아니기 때문에 원자가 존재하고, 원자들이 모인 세계가 존재한다. 파동방정식을 만든 슈뢰딩거 그 자신도 확률론적 세계를 믿지 못했지만, 세상은 그렇게 돌아간다. 이 책은 그래서 세상의 모든 것을 말해주는 책이다. 수학적인 이야기는 최대한 자제했지만, 양자역학의 역사적 의의는 물론, 그 덕분에 우리가 누리고 있는 기술적 발전과 응용까지 자세히 설명하고 있다. 한번에 이해하기는 힘들겠지만 현대물리학자의 유연한 마음가짐으로 이 책을 들여다보면 세상을 이해하는 다른 지식을 만나게 될 것이다.

추천사

제목에서 암시한 것을 넘어 길을 개척하는 아주 매력적인 책이다. 약속했듯이, 저자는 일반 대중에게 비유를 사용해 양자역학을 설명하고 있다. 이 어려운 임무를 부드럽게 해내며 말이다. 하지만 설명에서 그치는 것도 아니다. 천문, 컴퓨터, 물리와 그가 공학자로서 경험한 최첨단 기술까지 정교하고 확실하게 제시한다. 보너스로 화학과 주기율표를 해설하는데, 특히 물리학자로서 내 관점으로 본 설명 중 가장 설득력 있다. 사려 깊은 사람의 서재에 꼭 들어가야 할 책이다.
- 아서 위긴스 (커뮤니티 컬리지 명예물리학교수,『사이비 사이언스The Human Side of Science』 공저자)

일반 독자가 입문서로 읽기 좋은, 양자역학의 응용을 다룬 서적이다. 이 책은 내가 본 서적 중에 양자역학의 역사를 가장 자세히 다룬 서적이다.
- 프레드 커트너 (작가, 『양자 수수께기: 물리가 의식과 만나다 Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness』 공저자)

저자가 조심스럽고, 명확하며, 편안히 읽을 수 있도록 저술한 안내서다. 물질과 에너지, 우주와 같은 거의 모든 것을 이해하는 방법을 찾을 수 있다.
- 알프레드 보르츠 (AIP 과학저술상 수상자)

잘 쓰여졌고, 쉽게 읽힌다. 이 책은 물리를 처음 접하는 사람에게 매우 훌륭한 입문서다. 또한 물리학을 공부하는 학생도 복습하는 마음으로 읽을 책이다. 매우 포괄적이고 즐겁게 한다. 매우 추천하는 바다.
- 배리 파커 (작가, 『전쟁의 물리학The Physics of War』 저자)

책 속에서

우리는 아름답고, 흥미로운 양자세계에 살고 있다. 우리 자신도 양자로 이루어진 존재다. 모든 생명과 물질은 양자이며, 우리의 기술은 양자론을 이해하면서 점점 진보하고 있다. 하지만 대다수는 이 이론을 어렴풋이 알고 있을 뿐이다. 1900년, 독일 물리학자 막스 플랑크는 뜨거운 물체로부터 그가 ‘양자quanta’ 라고 이름 붙인 에너지 덩어리 형태로 빛이 방출된다는 것을 발견했다. 이 발견은 이후에 양자혁명, 양자론, 양자역학, 양자세계와 같은 용어를 탄생시키는 빙산의 일각이었다. 호기심 많은 일반 독자가 이러한 양자세계를 쉽게 이해할 수 있도록 하려고 이 책을 썼다. 지난 120년간 일어난 풍부한 과학적 발견과 이와 연관된 인간사와 갈등을 역사적으로 서술해 나가고자 한다.
---본문 중에서

소개의 글
서문

1부 발견과 이해(1900~1927)
1장 1부, 2부에 대한 소개
2장 플랑크, 아인슈타인, 보어 - 실험과 초기의 견해
3장 하이젠베르크, 디랙, 슈뢰딩거 - 양자역학과 양자 원자
4장 적용 - 6억 와트!

2부 해석, 그리고 상상을 초월하는 영향(1916~2016)
5장 양자역학의 본질적 특징
6장 거인들의 격돌 - 무엇이 진짜일까? 불확정성, 얽힘, 존 벨, 그리고 다세계
7장 이 모든 것들의 의미는? - 양자역학, 수학, 그리고 과학의 본질
8장 응용품 - 양자컴퓨터, 코드 크랙, 순간이동, 암호화

3부 상대성과 양자의 우리 세계, 빅뱅에서 은하계까지
9장 은하계, 블랙홀, 자연의 힘, 힉스보손, 암흑 물질, 암흑 에너지, 끈이론

4부 다전자 원자, 화학 및 재료과학의 기초
10장 4부에 대한 소개
11장 수소 원자 전자의 에너지, 운동량, 그리고 공간상태
12장 스핀과 자기력
13장 배타와 주기율표
14장 원소의 화학적 성질의 토대 물리
15장 화학적 결합의 몇 가지 형태, 예시
16장 고체 물질의 구성
17장 절연체, 그리고 보통 금속과 반도체의 전기적 전도

5부 크고 작은 재료와 기기에서 양자 불가사의
18장 나노기술과 5부 소개
19장 초전도체 I - 정의 및 수송, 약품, 컴퓨터 분야에서의 응용
20장 핵융합 발전과 국방에 사용되는 레이저
21장 자성, 자석, 자기물질, 그리고 그 응용
22장 그래핀, 나노튜브, 그리고 ‘꿈의’ 응용품 한 가지
23장 반도체와 전자기기의 응용 399
24장 초전도체 II - 과학, 전력 생산 및 전송에서의 거대한 응용

부록 A. 전자기파동의 본질과 스펙트럼
부록 B. 경험적으로 개발된 원소주기율표
부록 C. 양자컴퓨터의 개발
부록 D. 원자의 크기와 원소의 화학성
부록 E. X선의 생성

주석 및 레퍼런스