아날로그 사이언스: 만화로 읽는 양자역학

이해하기 어려운 양자역학을 만화로!

가벼운 마음으로, 끝까지 읽을 수 있는 양자역학 책

아인슈타인, 보어, 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 파울리…

양자역학을 둘러싼 세기의 논쟁, 최후의 승자는 누구?



도대체 양자역학이 뭐길래, 아인슈타인과 보어는 그토록 뜨겁게 논쟁했을까? 『아날로그 사이언스: 만화로 읽는 양자역학』은 난해하기로 소문난 양자역학을 감성적인 카툰으로 아주 쉽고 친절하게 소개해주는 책이다. 흥미로운 과학사적 에피소드와 함께, 양자역학이 등장한 배경, 양자역학의 근본적인 개념, 양자역학을 둘러싼 격렬한 논쟁을 두루두루 소개하고, 아직 풀지 못한 문제들까지 짚어낸다. 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 아인슈타인, 파울리 등 양자역학의 발전에 기여한 과학자들도 빠짐없이 등장하는 책. 간결하면서도 유머러스한 그림에 단백하면서도 친절한 설명을 곁들였다. 아날로그 음악처럼 편안하게, 가벼운 마음으로, 끝까지 읽을 수 있는 양자역학 만화책이다.

양자역학은 원자를 다루는 학문이다. 양자역학은 원자의 세계에서 나타나는 현상을 설명하기 위해 등장한 이론인데, 이 이론을 제대로 이해하려면 중첩, 간섭, 얽힘 등 난해한 개념들과 본격적으로 씨름해야 한다. 그러면 도대체 양자역학은 원자의 세계를 어떻게 파악할까?

이 책은 원자 모형에서부터 이야기를 시작한다. 알파 입자를 발견함으로써 원자가 텅 비어 있다는 것을 알아챈 어니스트 러더퍼드, 전자가 궤도를 도는 식으로 원자 모형을 제안한 닐스 보어, 전자로 이중슬릿 실험을 진행한 클린턴 데이비슨과 레스터 저머 등 과학자들의 이야기는 우리의 흥미를 끌기에 충분하다.

이 책에서는 이중슬릿 실험을 매우 자세하게 소개하는데, 이 실험은 양자역학을 소개할 때면 단골손님처럼 등장하는 매우 중요한 실험이다. 이중슬릿에 공을 던지면 이중슬릿 뒤에 세워놓은 벽에 두 줄의 무늬가 만들어진다. 그런데 전자들이 튀어나오게 만든 전자총으로 전자를 쏘면 간섭 무늬가 생기는 현상이 나타난다. 간섭 무늬는, 당시 과학자들로서는 결코 이해할 수 없는 현상이었다. 전자는 입자인데 왜 입자의 무늬가 아니라 파동의 무늬가 그려지는 것인가! 이 책은 보어와 하이젠베르크가 제안한 '코펜하겐 해석'이 이 현상을 어떻게 설명해주는지 소개한다. 코펜하겐 해석은, 하나의 전자가 2개의 구멍을 동시에 지나고 중첩된 궤적을 지나며 파동처럼 행동한다고 설명한다. 이와 함께 이 책은, 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것이 불가능하다는 하이젠베르크의 불확정성 원리, 관측할 때는 입자처럼 행동하다가 관측하지 않을 때는 파동처럼 행동하는 전자 이야기, '슈뢰딩거의 고양이'라는 기묘한 사고실험을 고안한 슈뢰딩거 이야기 등 양자역학을 설명할 때마다 등장하곤 하는 주제들도 모두 소개한다.

양자역학을 놓고 세기의 논쟁의 벌인 보어와 아인슈타인의 논쟁은 이 책의 클라이맥스에 해당한다. 다양한 사고실험을 고안해 양자역학을 반박하려는 아인슈타인과 상대성이론으로 아인슈타인의 논리를 무너뜨리는 보어의 논쟁은 흡사 정상급 권투 선수들의 혈투를 연상케 한다. 물리학사에 뚜렷한 자취를 남긴 이 진검승부는 도전, 반전, 좌절, 대역전이 이어지는 한 편의 드라마다.

또한 책의 뒷부분에 소개되는 EPR 역설, 스핀, 얽힘, 숨은변수이론, 벨 부등식 등은 양자역학의 주요 쟁점들을 두루 조망할 수 있게 안내한다. 존 스튜어트 벨은 코펜하겐 해석이 '벨 부등식'을 만족하지 못하면 코펜하겐 해석이 옳다는 주장을 내놓았는데, 이 주장은 훗날 알랭 아스페의 실험으로 증명되었다.

양자역학은 우리의 감각으로 느끼기 어려운 원자의 세계를 다루는 이론이다. 이 책의 두 주인공은 양자역학을 이해하기 위해 무모할 만큼 용감하게 원자의 세계로 뛰어는데, 주인공들의 노력들이 일반인들의 눈높이에 맞춰져 있어서 양자역학에 도전하는 이들에게 이 책은 좋은 길잡이 역할을 할 것이다. 이야기에 빠져들게 하는 흡인력, 미소를 짓게 하는 유머, 알차고 유익한 내용 등 흥미를 느낄 만한 요소로 가득하다.

프롤로그 6



1부 이상한 양자 세계

1화 알파-베타-감마 12

2화 원자를 들여다보다 24

3화 원자 모형 36

4화 모든 곳에 존재하는 전자 48

5화 이중슬릿 실험 1 62

6화 이중슬릿 실험 2 76

7화 본다는 건 뭘까? 90

8화 문제는 자연이 아니라 인간 100



2부 불확정성 원리

9화 슈뢰딩거 116

10화 슈뢰딩거의 고양이 128

11화 세상에서 가장 작은 축구공 140

12화 우주 만물이 관찰할 때 154

13화 하이젠베르크 164

14화 보어와의 만남 176

15화 꽃가루 알레르기 190

16화 배타 원리 202

17화 파울리 효과 218

18화 두 눈을 뜨면 230

19화 불확정성 원리 240



3부 보어와 아인슈타인

20화 솔베이 회의 254

21화 신에게 명령하지 말게나 266

22화 2차 방어전 278

23화 광자 상자 290

24화 EPR 역설 302

25화 스핀 312

26화 유령 작용 322

27화 문제없음 336



4부 양자역학과 해석들

28화 존 스튜어트 벨 350

29화 결정론 vs. 비결정론 362

30화 베르틀만의 양말 378

31화 혹등고래와 호사도요 392

32화 알랭 아스페 406

33화 우주란 무엇인가: 실체가 없거나 비국소적이거나 418



에필로그 434

윤진 연세대학교에서 도시공학을 전공하고 한화도시개발에서 일하고 있다. 과학이 재미있어 과학 글을 쓰다 이솔을 만나, 2014년부터 지금까지 한국과학창의재단 사이언스올에 과학 웹툰 '아날로그 사이언스'를 연재하는 중이다. 이솔과 함께 다음Daum 스토리볼, 빅이슈, 한겨레 사이언스온에 과학, 여행 글을 연재하였으며, 쓴 책으로 『아날로그 사이언스: 그냥 시작하는 과학』 『만화로 배우는 블록체인』이 있다.