궁금했어, 양자 역학(사이언스 틴스)

빛은 입자일까, 파동일까?
전자는 어떻게 움직일까?
고전 물리학과 현대 물리학은 어떻게 다를까?
양자 역학은 우리 일상에서 어떻게 사용될까?
상대성 이론과 양자 이론,
보이지 않는 물리학의 세계에서 펼쳐지는 인류의 미래
현대 물리학이 이룬 두 가지 업적으로 ‘상대성 이론’과 ‘양자 역학’을 꼽아요. 상대성 이론은 알베르트 아인슈타인이 발견했고, 양자 역학은 막스 플랑크, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거 등 여러 과학자가 차근차근 비밀을 풀어내며 발견한 이론이지요.
이 두 가지 이론은 과학사에 있어 매우 중요하고 획기적인 발견이었기 때문에 그전까지의 물리학을 ‘고전 물리학’이라 하고, 이후의 물리학은 ‘현대 물리학’이라고 부르지요. 고전 물리학이 손에 잡히는 ‘물질의 세계’를 설명해 준다면, 현대 물리학은 원자와 전자 같은 아주 작은 ‘미시 세계’와 지구, 태양계, 은하 등 ‘거시 세계’를 설명해 줍니다.
상대성 이론의 발견으로 우리는 우주의 탄생과 별과 행성의 움직임을 제대로 이해할 수 있게 되었어요. 또 양자 역학의 발견으로 눈에 보이지 않는 양자 세계를 이해하고, 많은 새로운 전자 문명을 만들 수 있었어요. 우리가 자주 사용하는 스마트폰뿐 아니라 자율 주행차 등 전자 기기의 탄생은 모두 양자 역학을 기반으로 하고 있지요. 이외에도 양자 역학은 화학과 생물학 등 다른 학문과도 결합해, 첨단 과학 분야로 떠오르고 있어요. 슈퍼 컴퓨터의 처리 속도를 능가하는 양자 컴퓨터의 실용화도 곧 이룰 것이라고 하고요.
《궁금했어, 양자 역학》은 ‘양자’라는 개념을 처음 알아낸 막스 플랑크에서부터 양자 역학의 탄생까지 과학자들의 생각과 연구 과정을 따라가면서 양자 역학이 무엇인지 맛볼 수 있는 책이에요. 양자 역학은 생소하고 과학 전공자에게도 다소 어려운 이론입니다. 이 책은 에너지나 빛, 전자 운동 등 양자를 발견하고 양자 이론이 발전되어 온 과정을 차근차근 함께 짚어 가며 이해하면서 보다 깊은 물리의 세계로 한발 다가설 수 있습니다.
멈출 줄 모르는 호기심으로 양자의 세계를 열다
양자 역학은 19세기 말 독일의 부국강병 정책에서 시작되었어요. 강한 나라를 만들기 위해 우수한 철이 필요했고, 그러기 위해서는 용광로 온도를 높여야 했지요. 하지만 용광로 온도를 잴 수 있는 온도계는 없었어요. 물리공학연구소의 과학자들은 빛을 측정해 용광로의 온도를 재는 방법을 발견했어요. 빛에서 나온 일곱 개의 색은 각각 파장이 달랐고, 파장에 따라 온도가 다른 것을 알게 되었거든요. 이후 과학자들은 빛의 파장과 온도 사이의 관계를 연구했고, 이 과정에서 막스 플랑크는 에너지가 아주 작은 덩어리일 수 있다고 생각했어요. 이것이 바로 ‘양자’예요.
에너지가 입자라고 생각하자 새로운 연구가 뒤를 잇게 되었어요. 과학자들은 금속에 빛을 쏘이면 전자가 튀어나오는 ‘광전 효과’를 연구하게 되었고 양자의 세상에서는 빛이 입자일 수도, 파동일 수도 있다고 결론 내리게 되지요.
이렇게 양자에 대한 개념이 발견되고 양자론이 자리를 잡은 후부터 양자 역학 연구는 급물살을 타게 되었어요. 처음 생겨난 지 100년밖에 안 된 학문이지만, 반도체, 컴퓨터, 생명 공학, 우주 공학 등 이미 우리 실생활에 쓰이는 기술의 바탕이 되었지요. 《궁금했어, 양자 역학》은 어렵지만 흥미롭고 놀라운 양자 역학의 이야기가 담겨 있어 10대들에게 과학에 대한 또 다른 재미를 선사할 거예요. 인류의 미래를 열어 줄 양자의 세계로 함께 여행을 떠나 볼까요?