양자

소립자에서 블랙홀까지 기묘하고 놀라움으로 가득한 양자 세계 안내서

101가지 질문으로 풀어본 양자의 모든 것!



요즘 인기를 모으고 있는 영화 "마션"이나 2014년도에 천만 관객을 동원한 영화 "인터스텔라", 2013년도의 "그래비티" 등 우주를 배경으로 하는 영화들이 새롭게 주목받고 있다. 더 이상 허무맹랑한 SF영화가 아닌, 정확한 과학에 기반하고 있는 이러한 영화들이 가능하게 된 데에는 바로 양자의 발견이 중요한 역할을 했다고 할 수 있다. 그러나 양자라는 단어는 낯설고 어렵게만 느껴지는 것이 사실이다. 미국 대학에서 오랫동안 "양자"에 대해서 학생들을 지도해온 저자 케네스 W. 포드는 독자들이 쉽게 양자를 이해할 수 있도록 해준다. 『양자 :101가지 질문과 답변』은 우리가 양자에 대해서 궁금해했던 모든 것들을 101가지의 질문을 통해서 설명하고 있다. 양자란 무엇인지에서 시작하여 양자의 발견부터 양자물리학의 발전, 양자 이론의 방법론과 그 응용, 양자물리학의 현주소에 이르기까지 양자의 다양한 세계를 재미있게 전해준다. 전 생애를 양자 연구에 바친 저자는 양자의 신비로운 세계, 즉 눈에 보이지 않는 미시 세계에 대한 안내를 101가지의 질문을 이용해서 친절하고, 명쾌하게, 이해하기 쉽게 설명한다. 또한 독자들의 이해를 돕고자 재미난 삽화를 삽입하고, 양자물리학 역사에 발자취를 남긴 과학자들의 사진과 그들의 이야기를 담았다. 하지만 그 인물에 대한 틀에 박힌 소개가 아닌, 그들에 얽힌 유명한 이야기나 저자와의 친분으로 생긴 에피소드이기 때문에, 읽는 재미가 더욱 쏠쏠하다.

케네스 W. 포드의 이 책에서의 임무는 독자들에게 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 겹침, 보손과 같은 양자물리학의 "위대한 아이디어"를 이해하도록 도와주는 것이다. 케네스 포드의 탁월한 설명은 이런 기본적인 개념에 일반 독자들이 더욱 쉽게 접근할 수 있는 통로가 될 것이다. 101가지나 되는 질문과 그 답변을 모두 읽고 난 후에는 불가사의하게만 보였던 양자 세계가 좀더 가깝고 친숙하게 다가올 것이다.



양자역학을 모르고 현대를 살아가는 것은 안타까운 일이다. 양자역학이 첨단 물리학을 연구하는 물리학자에게나 필요한 과학이라는 생각은 터무니없는 것이다. 태양이 밝게 빛나고, 별들이 반짝이고, 장미꽃이 붉고, DNA에 생명의 암호가 숨겨져 있는 우리의 현실을 제대로 이해하기 위해서 꼭 필요한 것이 바로 양자역학이기 때문이다. 양자역학을 외면하고서는 세계의 가장 기본적인 사실조차 이해할 수 없다. 양자역학은 21세기를 살아가는 우리가 우주와 자연과 생명을 이해하기 위해서 필수적으로 알아야 할 수밖에 없는 필수 지식이다. …… 양자역학을 통해서 인식할 수 있는 전혀 다른 모습의 세계를 이해하기 위한 노력은 반드시 필요하다. 우리가 일상적으로 경험하고 있는 거시 세계의 진정한 모습을 제대로 이해하기 위해서는 분자와 원자, 그리고 쿼크를 비롯한 기본 입자들로 이루어진 미시 세계에 적용되는 양자적 해석이 필요하기 때문이다. 우리의 오감을 통해서 이해하는 거시 세계가 세계의 전부가 아니라는 뜻이다. 우리가 직접 볼 수도 없고, 느낄 수도 없는 미시 세계를 이해하기 위한 노력은 21세기를 살아가는 현대인에게 반드시 필요하다.

케네스 W. 포드의 이 책은 우리가 직접 볼 수 없는 미시 세계를 이해하기 위해서 필요한 양자역학의 훌륭한 입문서이다. 저자는 거시 세계에서는 누구에게나 분명하게 구별되는 입자와 파동의 구분이 사라지는 양자역학의 세계의 핵심을 101가지 질문을 통해서 친절하고 명쾌하게 답변하고 있다. "지난 수십 년 동안 대중에게 현대 물리학을 설명해주기 위해서 발간된 수많은 책들 중에서 이 책은 가장 뛰어난 것이 분명하다."

"역자 후기"에서

서문



제1장 원자보다 더 작은 세계

1. 도대체 양자는 무엇일까?

2. 양자물리학의 법칙은 어디에 적용될까?

3. 대응 원리는 무엇일까?

4. 원자는 얼마나 클까?

5. 원자 속에는 무엇이 있을까?

6. 대부분이 빈 공간이라면 고체 물질은 왜 단단할까?

7. 전자는 얼마나 클까? 그 속에 또 무엇이 있을까?



제2장 더 깊이 들어가기

8. 원자핵은 얼마나 클까? 그 속에는 무엇이 있을까?

9. 양성자와 중성자는 얼마나 클까? 그 속에는 무엇이 있을까?

10. 플랑크 상수는 무엇이고, 어떤 의미를 가지고 있을까?

11. 광자는 무엇일까?

12. 광전 효과는 무엇일까?

13. 어떤 입자들이 기본 입자이고, 어떤 입자들이 복합 입자일까?

14. 표준 모형은 무엇일까?



제3장 작은 것과 빠른 것

15. 양자 거리의 척도는 무엇일까?

16. 입자는 얼마나 멀리 떨어져 있는 입자에게 영향을 "미칠" 수 있을까?

17. 입자들은 얼마나 빨리 움직일까?

18. 시간의 양자적 스케일은 어느 정도일까?

19. E = mc2은 무슨 뜻일까?

20. 전기 전하는 무엇일까?

21. 스핀은 무엇일까?



제4장 양자 덩어리와 양자 도약

22. 어떤 것이 덩어리일까(어떤 것이 덩어리가 아닐까)?

23. "운동 상태"는 무엇일까?

24. 들뜬 운동 상태에 있는 수소 원자는 다른 상태에 있는 원자와 같은 원자일까 아니면 전혀 다른 원자일까?

25. 양자수는 무엇일까? 양자수를 합치는 규칙은 무엇일까?

26. 양자 도약은 무엇일까?

27. 양자물리학에서 확률의 역할은 무엇일까?

28. 양자 세계에서도 확실한 것이 있을까?



제5장 원자와 원자핵

29. 선 스펙트럼은 무엇일까? 원자에 대해서 무엇을 알려줄까?

30. 원소의 표는 왜 주기적으로 되어 있을까?

31. 무거운 원자의 크기가 가벼운 원자와 거의 같은 이유는 무엇일까?

32. 원자핵 안에서 양성자와 중성자는 어떻게 움직일까?

33. 원자 번호와 원자량은 무엇일까?



제6장 원자핵에 대한 더 많은 질문들

34. 주기율표에 끝이 있는 이유는 무엇일까?

35. 방사성은 무엇일까? 그 형태는 무엇일까?

36. 중성자가 원자핵의 내부에서는 안정적이지만, 혼자서는 불안정한 이유는 무엇일까?

37. 핵분열은 무엇일까? 왜 에너지가 방출될까?

38. 핵융합 반응은 어떨까?



제7장 입자들

39. 경입자는 무엇일까? 경입자의 향기는 무엇일까?

40. 뉴트리노는 몇 종류나 있을까?

41. 뉴트리노도 질량을 가지고 있을까? 뉴트리노가 "진동하는" 이유는 무엇일까?

42. 정말 입자의 세 가지 세대만 존재할까?

43. 모든 전자가 동일하다는 사실을 어떻게 알아낼까?



제8장 그리고 더 많은 입자들

44. 이름, 이름, 이름. 그 모든 것이 무슨 뜻일까?

45. 쿼크의 성질은 무엇일까? 쿼크는 어떻게 결합할까?

46. 복합 입자는 무엇일까? 몇 종이나 있을까?

47. 모든 입자가 페르미온이나 보손이어야만 할까? 무엇이 이 두 부류를 구별할 수 있도록 해줄까?

48. 보스-아인슈타인 응축은 무엇일까?

49. 보손과 페르미온이라는 이름은 어떻게 붙여졌을까?



제9장 상호작용

50. 파인만 도형은 무엇일까?

51. 파인만 도형의 핵심 특징은 무엇일까?

52. 파인만 도형은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용을 어떻게 보여줄까?

53. 어떤 입자가 안정적일까? 어떤 것이 불안정할까? 입자가 붕괴된다는 것은 무슨 뜻일까?

54. 산란은 무엇일까?

55. 산란이나 붕괴의 전과 후에 무엇이 똑같을까?

56. 산란이나 붕괴 과정에서는 무엇이 변할까?



제10장 변화에서의 불변성

57. "4대" 완전 보존 법칙은 무엇일까?

58. 양자 세계에서 작동하는 완전한 보존 법칙이 더 있을까?

59. TCP 정리가 무엇일까?

60. 어떤 보존 법칙이 "불완전한" 것일까?

61. 어떤 대칭 원리가 "불완전한" 것일까?

62. 강요 법칙과 금지 법칙은 무엇일까?

63. 대칭, 불변, 보존의 개념은 어떻게 연결되어 있을까?



제11장 파동과 입자

64. 파동과 입자의 공통점은 무엇일까? 차이점은 무엇일까?

65. 드 브로이 방정식은 무엇일까? 그것이 왜 중요할까?

66. 파동은 양자 덩어리와 어떻게 관련되어 있을까?

67. 파동은 원자의 크기와 어떻게 관련될까?

68. 회절은 무엇일까? 간섭은 무엇일까?

69. 이중 슬릿 실험은 무엇일까? 왜 중요할까?

70. 터널 현상은 무엇일까?



제12장 파동과 확률

71. 파동 함수는 무엇일까? 슈뢰딩거 방정식은 무엇일까?

72. 파동은 어떻게 확률을 결정할까?

73. 파동이 어떻게 입자를 고정된 곳에 머물지 못하게 만들까?

74. 불확정성 원리는 무엇일까?

75. 불확정성 원리가 물질의 파동성과 어떻게 관련될까?

76. 겹침은 무엇일까?

77. 파동은 꼭 필요할까?



제13장 양자물리학과 기술

78. 입자를 어떻게 빛의 속도에 가깝게 가속시킬 수 있을까?

79. 고에너지 입자는 어떻게 감지할까?

80. 레이저는 어떻게 작동할까?

81. 전자는 금속에서 어떻게 행동할까?

82. 반도체는 무엇일까?

83. p-n 접합은 무엇일까? 다이오드가 되는 이유는 무엇일까?

84. 다이오드의 용도는 무엇일까?

85. 트랜지스터는 무엇일까?



제14장 모든 규모에서의 양자물리학

86. 블랙홀이 증발하는 이유는 무엇일까?

87. 태양의 중심에서는 양자물리학이 어떻게 작동할까?

88. 초전도성은 무엇일까?

89. 초유체성은 무엇일까?

90. 조지프슨 접합은 무엇일까?

91. 양자점은 무엇일까?

92. 쿼크-글루온 플라스마는 무엇일까?

93. 플랑크 길이는 무엇일까? 양자 거품은 무엇일까?



제15장 첨단과 수수께끼

94. 물리학자들이 137이라는 숫자를 좋아하는 이유는 무엇일까?

95. 얽힘은 무엇일까?

96. 벨의 부등식은 무엇일까?

97. 큐비트는 무엇일까? 양자 컴퓨팅은 무엇일까?

98. 힉스 입자는 무엇일까? 왜 중요할까?

99. 끈 이론은 무엇일까?

100. "측정 문제"는 무엇일까?

101. 왜 양자일까?



부록 1

부록 2

감사의 말

역자 후기

인명 색인

케네스 W. 포드 저자 케네스 W. 포드는 1926년에 미국 플로리다에서 출생했다. 존 휠러의 지도하에 프린스턴 대학교에서 박사학위를 받았다. 브랜다이스 대학교, 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스, 매사추세츠 대학교 등에서 교수를 역임했다. 1987년부터 1993년까지 미국 물리학협회 회장을 지냈다. 『양자 세계 여행자를 위한 안내서(The Quantum World)』와 자서전 『비행과 사랑에 빠져서(In Love with Flying)』를 썼다.