보이지 않는 것들의 물리학(상상초월 석학강연 2)

『보이지 않는 것들의 물리학』은 국내 최초로 병렬처리 양자컴퓨터를 개발해 주목을 받은 바 있는 물리학자 이순칠 카이스트 교수의 물리학 강연을 풀어쓴 책이다. 저자는 이 책에서 가장 근원적이고 난해한 물리학이라 할 수 있는 전자기학, 상대론, 양자역학을 과감하게 정면 돌파하여 꼭 알아야 하는 핵심만 정확하게 찌르는 물리학의 진검승부를 펼친다.

전하가 움직이면 전기와 자기가 어떻게 만들어지고, 전자기력이 왜 우리 인생에서 가장 중요한 힘인지, 빛의 속도로 움직이는 상대론 세상에서 시간과 공간은 어떻게 달라지는지, 물질이면서 동시에 파동이기도 한 양자역학의 세계는 얼마나 기묘한지를 알기 쉬운 삽화와 상상력을 자극하는 일러스트를 곁들여 친절하게 설명한다.

출판사 서평

왜 상대론과 양자역학과 전자기학인가?

● 전하가 움직이면 세상은 어떻게 복잡다단해지는가?
● 우리가 빛의 속도로 달린다면 시공간은 어떻게 달라지는가?
● 불확실한 양자세계는 어떻게 예측 가능한 우주가 되었는가?

"상대론과 양자물리에, 전자기학을 더해서 강의를 구성했다. 상대론과 양자물리는 신이 인간에게 허락하지 않은 영역을 알아낸 지성의 승리라는 공통적 특징이 있다. 우리는 양자물리를 알기는 하지만 이해하지는 못한다. 이것은 마치 흑백밖에 볼 수 없는 동물이 색이 보이는 세상에서 어떤 일이 일어나는지 아는 것과 같다. 그 동물이 머리가 좋으면 색을 볼 수 있을 때 벌어질 일을 예측할 수 있으나 그래도 죽을 때까지 결코 색이라는 개념을 이해하지 못할 것이다. 이해할 수가 없으니 물론 듣기에 뻑뻑하다. 그러나 만일 우리가 다윈의 시대에 살고 있다면, 진화론이 우리의 의식구조로 얼른 이해되지 않는다고 해서 이를 외면하며 모르고 살다 죽고 싶을까? 수많은 물리 천재들이 30년간 토의하며 완성한 학문이 몇 시간의 독서로 이해되지 않는다고 투덜댈 수는 없을 것이다. 천천히 읽고 생각하며 하나씩 깨닫는 기쁨을 즐긴다면 그야말로 진정한 물리학자라 하겠다." _ 머리말 중에서

20여 년 전, 정재승 카이스트 교수에게 물리학의 참맛을 느끼게 해준 이순칠 카이스트 교수의 물리학 강연이 대중 과학도서 『보이지 않는 것들의 물리학』(상상초월 석학강연 시리즈 02)으로 엮여 출간되었다. 이순칠 교수는 2001년 핵자기공명을 이용한 3비트 규모의 병렬처리 양자컴퓨터 개발에 성공하여 학계의 주목을 받은 바 있는 국내 양자컴퓨터 과학의 최고 권위자로 꼽히는 물리학자다. 이순칠 교수의 『보이지 않는 것들의 물리학』은 저자가 청소년을 대상으로 진행한 세 번의 물리학 강연을 다시 글로 풀어쓴 책이다. 전기와 자기, 힘과 에너지, 시간과 공간, 입자와 양자 등과 같이 보이지 않지만 지금의 우리와 137억 년의 우주를 가능하게 하는 본질적인 현상에 초점을 맞춰, 단편적으로 설명하는 것이 아니라 전자기학, 상대론, 양자역학의 원리를 집중적으로 파고드는 것이 특징이다. 책의 뒷부분에는 정재승 카이스트 교수(바이오및뇌공학과)와의 대담 '물리학자와 함께하는 상상초월 토크 콘서트'이 실렸는데, 물리학적 사고의 합리성과 유연성이 세상을 살아가는 데 어떤 도움이 되는지, 물리학자로서의 삶은 어떠한지, 물리학과 관련 진로는 어떻게 나아가는지, 한국 과학 교육의 문제점은 무엇인지에 대한 이순칠 교수의 진솔하고 유쾌한 이야기를 접할 수 있다. 또한 정재승 교수가 이순칠 교수에게 들었던 강의 경험을 왜 대중과 공유하고 싶은지에 대한 고백도 들을 수 있다. 상상초월 석학강연 시리즈는 12명의 국내 최고의 석학들이 각각 핵심적인 개념 3가지를 선택해 쉬우면서도 깊이 있게 다루는 과학 명강 시리즈로, 정재승 카이스트 교수(바이오및뇌공학과)가 기획자로 참여했으며, 이 책 『보이지 않는 것들의 물리학』은 상상초월 석학강연 시리즈의 두 번째 책이다.

보이지는 않지만,
우리와 우주를 가능케 한 강력한 것들


중요한 것은 보이지 않는 경우가 많다. 눈에 보이는 거시계의 복잡성과 무작위함과 불확실성은 보이지 않는 세계에서 일어나는 전하의 움직임, 입자와 에너지의 교환, 파동과 양자의 중첩 등이 만들어낸 결과이다. 저자는 아무리 배워도 이해할 수 없는 전자기학, 상대론, 양자역학 때문에 고생하는 사람들에게 조금이라도 도움을 주고자 이 책에서 전자기학, 상대론, 양자역학의 원리를 기발한 사고실험과 색다른 접근법으로 핵심만 집약적으로 소개한다.
보라색밖에 볼 수 없는 인간은, 보라색이 빨간색과 파란색으로 나뉘고 쪼개지는 세계와 보라색 치마를 입은 여인이 그려진 형형색색의 아름다운 작품 전체를 이해할 수는 없다. 우리는 양자역학을 알 수 있지만, 이해하지는 못한다. 이해할 수 없으니 뻑뻑하지만, 이 책을 통해 하나씩 깨닫는 기쁨을 즐길 수 있을 것이다. 양자세계에서는 입자성과 파동성이 동시에 나타나고, 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 반반씩 섞여 있는 등 기묘한 일들이 벌어진다. 이 책에서는 이런 불가사의한 원리를 현실에서 최초로 공학적으로 구현한 양자컴퓨터의 기초까지 살펴본다. 어떤 것도 빛보다 빠를 수 없다. 하늘을 올려다보면 텅 비어 있는 것 같지만, 실제로 에너지와 장으로 가득 차 있다. 보이지 않지만, 우주 공간을 가득 메우고 있는 입자와 힘은 빛의 속도에 가깝게 움직이고 전달된다. 빛의 속도로 달리는 아인슈타인의 상대론 우주는 공간이 휘어지고 시간이 팽창하는 이상한 일이 벌어진다. 상대론의 진정한 의미는 무엇이며, E=mc2 공식을 어떻게 이해해야 하는지를 알아본다. 전기와 자기는 별개의 현상이 아니다. 자기장은 전기장의 상대론적 효과로 생겨난다. 전기와 자기에 관하여 쿨롱, 앙페르, 패러데이 등 선대 학자들이 해왔던 연구를 맥스웰이 상대론적 관점에서 통합하고 체계화하여 전자기학을 완성했다. 전하의 흐름에서 비롯되는 전자기는 우리 인생에 가장 중요한 역할을 하는 물리라고 할 수 있다. 모든 물질의 결합과 반응도 전하의 흐름에 기반하며, 생물은 이러한 화학작용에 의해 신진대사가 이루어진다. 심지어 슬픔이나 기쁨을 느끼는 감정조차도 전자기에 의해 조절된다.

[전자기학 수업] 전하가 움직이면 복잡해진다
전자기는 어려운가? 그렇다. 현상도 매우 특이하다. 고등학교에서는 숲보다는 나무 몇 개를 가르치기 때문에 더욱 어렵게 여겨진다. 어려운데 굳이 배워야 할까? 물론이다! 전자기력은 네 가지 근본 힘 가운데 우리 인생에 가장 중요한 힘이자, 화학과 생물의 근본 작동 원리이다. 이를 이해하기 위해서는 장 개념을 익힐 필요가 있다. 예를 들어 두 전하를 30만km 떨어진 곳에 각각 놓는다고 해보면, 처음에는 가만히 있다가 1초 후에 두 전하가 서로 밀거나 당기는 일이 벌어진다. 그러다가 전하 하나를 없애면, 나머지 다른 전하는 상대 전하가 없어졌다는 것을 바로 느끼는 게 아니라 1초 후에 느끼는데, 이것은 상대 전하가 없어지더라도 그 전하가 공간에 형성해놓은 세력을 다른 전하가 처음 1초 동안 느끼는 것이다. 이게 바로 '장'이라는 개념이다. 전하나 질량은 자신의 전기장이나 중력장을 온 우주에 빛의 속도로 쫙 펼친다. 또 장 속에서 전하와 질량은 전기력과 중력이 작용하는 에너지를 느끼고, 자신이 가진 에너지와 상호작용함으로써 시시각각 새로운 장을 형성한다. 우주는 수많은 장들이 촘촘하게 뻗쳐 있어 온갖 자연 현상을 일으킨다. 더불어 맥스웰의 네 가지 법칙의 물리적 의미와 상호연관성을 쉽게 설명하고 있다.

[상대론 수업] 우리가 만약 빛의 속도로 달린다면?

점묘법으로 그린 그림처럼 아주 가까이서 보거나 아주 멀리서 보면 볼 수 없는 것이 있다. '빛의 속도는 어디서나 같다'라는 기본 가설을 한번 보자. 이 가설을 인정하면 이상해지기 시작한다. 거리(길이)가 줄어들고 시간이 늘어나야 모순이 생기지 않는다. 그러면 아인슈타인의 저 유명한 공식 E=mc2은 어떻게 이해해야 할까? 이 식은 한마디로 질량과 에너지가 교환될 수 있음을 뜻한다. 원자폭탄의 위력이 지구 멸망을 초래할 정도로 위협적인 이유는 우라늄이나 플루토늄 등의 핵이 쪼개지면서 질량을 잃는 대가로 엄청난 에너지가 발생하기 때문이다. 줄어든 질량은 미세할지라도 이 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱하면 엄청난 양의 에너지가 얻어진다. 하지만 거꾸로 에너지로부터 쓸모 있는 질량을 만들 수도 있으므로 E=mc2을 생산적인 방향으로 활용하면 된다. 염두에 둘 점은, 공간은 무가 아니고 에너지와 장으로 가득 차 있다는 점이다.

[양자역학 수업] 빛과 물질의 이중성
많은 과학자들이 인정하는 사실은 양자역학을 이해할 수 없다는 사실이다. 알긴 하지만 이해하지는 못한다(아는 것과 이해하는 것은 다르다). 양자역학의 기본 가설에 따르면, 삼라만상은 물질이며 동시에 파동이다. '물질=파동'은 실험으로 알아낸 사실이다. 파동의 모든 성질은 중첩에서 온다. 슈뢰딩거의 고양이 예처럼, 이 성질을 적용하면 기묘해지기 시작한다. 덧붙여 이 수업에서는 최근 노벨상 후보 분야로 가장 뜨고 있는 양자컴퓨터, 양자암호통신 등 양자정보과학을 소개한다.

이순칠 교수의 『보이지 않는 것들의 물리학』은 지레 겁부터 먹게 만드는 공식들만 난무한 물리학 책들과는 다르게, 간결한 공식에 담긴 함축된 의미를 우리가 소화할 수 있는 일상의 언어로 풀어서 설명하여 물리학의 참맛을 느끼게 해주는 책이다. 저자는 현실 세계에서의 제약된 경험에 매몰되어 있는 우리를 새로운 세계의 문 앞까지 친절하게 이끌어준다. 전자기학, 상대론, 양자역학이 두려운가? 여러분은 노크하기만 하면 된다.

머리말 004
기획의 말 008

1부 전자기 : 전하가 움직이면 복잡해진다 014
특이하고 복잡한 전자기 현상 / 전자기력은 힘이 세다 / 힘이 미치는 공간, 장 / 전기력선과 자기력선 / 맥스웰의 제1법칙 / 맥스웰의 제2법칙 / 맥스웰의 제3법칙 / 맥스웰의 제4법칙 / 전자기 현상과 회로

2부 상대론 : 우리가 만약 빛의 속도로 달린다면? 066
상대성이론의 세상 / 물리 법칙과 법칙의 불변성 / 좌표변환 / 마이컬슨-몰리의 실험 / 상대론의 시작 / 길이 수축과 시간 연장 / 자기장은 전기장의 상대론적 효과다

3부 양자역학 : 빛과 물질의 이중성 128
파동 / 빛의 이중성-파동의 입자성 / 빛의 이중성-입자의 파동성 / 양자론의 세계 / 양자론의 체계-코펜하겐 해석 / 양자론의 체계-중첩 / 불확정성의 원리 / 양자정보기술

4부 물리학자와 함께하는 상상초월 토크 콘서트 188
대담자 : 이순칠 카이스트 물리학과 교수, 정재승 카이스트 바이오및뇌공학과 교수

이순칠 저자 이순칠은 카이스트(KAIST) 물리학과 교수. 서울대학교 물리학과를 졸업하고, 미국 노스웨스턴대학교에서 「핵자기공명을 이용한 일차원 물리학 연구」로 물리학 박사학위를 받았다. 1990년에 미국의학과학학회가 수여하는 실비아 소킨 그린필드 상을 수상했다. 국내 최초로 병렬처리 양자컴퓨터를 개발해 주목을 받은 바 있다. 2015년부터 한국물리학회 응집물질물리분과 위원장을 맡고 있다. 저서로는 『양자컴퓨터-21세기 과학혁명』이 있다.