양자역학이란 무엇인가

<양자 역학이란 무엇인가>

원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론

 

양자역학_입체북

 

마이클 워커 지음 | 조진혁 옮김 | 이강영 감수

488페이지 / 신국판(152*224) / 1도(부분 4도)

22,000원

초판 1쇄 발행 2018년 6월 4일

ISBN 979-11-7022-151-7 03420

분류: 과학 | 물리학

발행: 처음북스

연락처: T. 070 7018 8812 F. 02 6280 3032 cheombooks@cheom.net 이상모 편집장

 

사실, 우리를 이루고 있는 모든 것을 말해주는 책

이 세상은 원자로 이루어져 있다. 원자의 세계는 확률이 지배하는 양자역학의 세계다. 그러므로 이 세상은 양자역학이 지배하는 세계다.

이 책은 양자 역학이 탄생한 배경부터 최첨단 응용까지, 원자부터 우주까지 모든 것을 말해본다.

알면 알수록 이해하지 못해서 우울해진다는 양자역학을 이 한 권의 책으로 통달할 수는 없겠지만, 적어도 한 걸음 더 들어가 볼 수 있다.

 

 

# 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.

 

양자역학이란_미리보기

 

저자소개

지은이: 마이클 워커Michael S. Walker

은퇴한 물리학자, 재료과학자, 공학자, 발명가, 프로젝트 매니저다. MIT와 카네기 멜론 대학교에서 학위를 받았다. 초전도체와 그에 대한 응용이 저자의 전문 연구 분야다. 수많은 논문을 발표했고 다량의 특허도 가지고 있다. 1989년, 자화된 유체를 가지고 여러 가지 물질을 분리하는 방법을 고안한 공로로 뉴욕 동부 변리사 협회로부터 올해의 발명가 상을 받았다.

 

옮긴이: 조진혁

어렸을 적 글쓰기와 영어를 좋아했다는 사실을 상기하고는 번역을 직업으로 삼게 되었다.

뉴욕에서 지금의 아내를 만나 귀국해 현재 인천에서 두 아이들과 함께 단란하게 살고 있으며 번역회사를 운영 중이다.

도서번역을 통해 앞으로 많은 독자들과 교감을 나눌 바램을 갖고 있다.

 

감수: 이강영

서울 대학교 물리학과를 졸업하고 KAIST에서 입자 물리학으로 석사 학위와 박사 학위를 받았다. 서울 대학교 이론 물리학 연구 센터, 연세 대학교 자연 과학 연구소, 고등 과학원 등에서 연구했고 KAIST, 고려 대학교, 건국 대학교의 연구 교수를 지냈다. 지금까지 입자 물리학의 여러 주제에 관해 70여 편의 논문을 발표했다. 저서로는 『LHC 현대물리학의 최전선』, 『보이지 않는 세계』, 『스핀』이 있다. 현재 경상대학교 물리교육과 교수로 재직하고 있다.

 

책 속에서

상식적으로 방사능 붕괴가 있었는지 없었는지에 따라 고양이는 죽었거나 살았거나 둘 중 하나다. 하지만 보어와 그의 동료에 의하면 아원자의 영역은 이상한 나라의 앨리스와 같은 장소다. 관찰 행위가 붕괴가 있었는지 없었는지를 결정하기 때문이다. 이러한 관찰만이 고양이가 죽거나 사는 것을 결정한다. 관찰하기 전까지 고양이는 죽지도 않고 살아 있지도 않은 중첩된 상태인 양자 연옥purgatory에 들어 앉은 셈이다.

 

 

 

<스타트렉>(“나를 이동시켜 줘, 스콧”)에서 그려지는 순간이동은 이론상으로는 가능할지라도 현실적으론 매우, 매우, 매우 불가능한 일이다. 조금이라도 가능한 부분이 있다면 그것은 양자 과정에서 일어날 것이다. 우리 몸의 구성요소는 본질적으론 모두 양자이며, 아래에서 짧게 설명하듯이 원자와 분자로 구성되어 있기 때문이다

 

 

 

차례

 

 

 

소개의 글         8

서문                12

 

1부 발견과 이해(1900~1927)

1장      1부, 2부에 대한 소개      21

2장      플랑크, 아인슈타인, 보어 – 실험과 초기의 견해      25

3장      하이젠베르크, 디랙, 슈뢰딩거 – 양자역학과 양자 원자        67

4장      적용 – 6억 와트! 97

 

2부 해석, 그리고 상상을 초월하는 영향(1916~2016)

5장      양자역학의 본질적 특징   105

6장      거인들의 격돌 –

무엇이 진짜일까? 불확정성, 얽힘, 존 벨, 그리고 다세계      111

7장      이 모든 것들의 의미는? –

양자역학, 수학, 그리고 과학의 본질         149

8장      응용품 – 양자컴퓨터, 코드 크랙, 순간이동, 암호화  155

 

3부 상대성과 양자의 우리 세계, 빅뱅에서 은하계까지

9장      은하계, 블랙홀, 자연의 힘, 힉스보손,

암흑 물질, 암흑 에너지, 끈이론    191

 

4부 다전자 원자, 화학 및 재료과학의 기초

10장     4부에 대한 소개 279

11장     수소 원자 전자의 에너지, 운동량, 그리고 공간상태  285

12장     스핀과 자기력    293

13장     배타와 주기율표 297

14장     원소의 화학적 성질의 토대 물리   325

15장     화학적 결합의 몇가지 형태, 예시  335

16장     고체 물질의 구성           343

17장     절연체, 그리고 보통 금속과 반도체의 전기적 전도  347

 

5부 크고 작은 재료와 기기에서 양자 불가사의

18장     나노기술과 5부 소개       355

19장     초전도체 I – 정의 및 수송, 약품, 컴퓨터 분야에서의 응용    359

20장     핵융합 발전과 국방에 사용되는 레이저     367

21장     자성, 자석, 자기물질, 그리고 그 응용        377

22장     그래핀, 나노튜브, 그리고 ‘꿈의’ 응용품 한 가지      386

23장     반도체와 전자기기의 응용           399

24장     초전도체 II – 과학, 전력 생산 및 전송에서의 거대한 응용    407

 

부록 A. 전자기파동의 본질과 스펙트럼      417

부록 B. 경험적으로 개발된 원소주기율표    427

부록 C. 양자컴퓨터의 개발          439

부록 D. 원자의 크기와 원소의 화학성       447

부록 E. X선의 생성         463

 

주석     467

레퍼런스           487

 

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 위긴스Arthur W. Wiggins / 오클랜드 커뮤니티 컬리지 명예 물리학 교수『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 커트너Fred Kuttner / 『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 보르츠Alfred ‘Fred’ B. Bortz / 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 파커Barry Parker / 『전쟁의 물리학The Physics of War』 저자
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