우리가 벽을 통과할 수 없는 이유

과학 커뮤니케이터, 궤도 강력 추천!

익숙한 현실이 무한한 가능성으로 확장되는 양자적 풍경,
그 찬란한 혼돈으로 들어가 우리는 세계의 깊은 본질과 마주하게 된다!
_유튜브 〈안될과학〉 진행자, 궤도

양자는 도대체 무엇일까요?
그리고 인간은 왜 벽을 통과할 수 없을까요?

양자역학, 양자물리학, 양자 이론, 그리고 양자. 도대체 '양자(quantum)'는 무엇일까요? 검색을 하면 사전적 정의는 쉽게 알 수 있지만, 그걸 '진짜 이해'하는 것은 어렵습니다. 왜냐하면 우리가 속해 있는 거시세계의 사고방식 기준에 도저히 맞지 않거든요. 예를 들어 거시세계에서 사물의 움직임은 예측이 가능하고 단일한 경로만 가능합니다. 계란을 떨어뜨리면 깨지고, 토마토를 던지면 벽에 붉은 자국을 남기는 것이죠. 하지만 원자, 분자 및 여러 양자 입자는 완전히 다르게 행동합니다. 예를 들어 원자는 왼쪽으로 움직이면서도 동시에 오른쪽으로 움직일 수 있습니다. 원자핵 주위를 도는 전자는 특정한 궤적을 따르지 않고 확률적으로 분포해 있을 뿐이죠. 여기까지 오면, 도대체 이게 무슨 소리인지 혼란스러워집니다. 어쩌면 양자역학에 대한 수많은 책과 더 수많은 유튜브 동영상과 미디어의 보도는, 이런 이상하고 기묘하고 생각할수록 더 괴상한 세계를 이해하기 위한 것이라고 할 수 있습니다.
『우리가 벽을 통과할 수 없는 이유』는 이론과 수식, 기나긴 이론 설명이 아닌 비유와 묘사, 그리고 유머로 양자역학(양자물리학)을 이야기합니다. 휘파람과 총소리로 하이젠베르크의 불확정성 원리를 설명하고, 사라진 고양이를 찾는 과정을 양자적 무작위성과 연결 짓습니다. 뉴욕과 시카고의 도로망 방향으로 양자 중첩을 설명하고, 영화 〈스타트렉〉의 순간이동이 실제로 가능한지 그리고 어떤 문제가 있는지 이야기합니다. 양자역학은 너무 복잡해서 소수의 천재만이 이해할 수 있다고 하지만, 저자는 이것이 사실이 아님을 이 책에서 증명합니다. 그는 기존의 틀에서 벗어나 가장 작은 입자의 세계가 어떻게 움직이는지 이해할 수 있도록 독자들을 이끌어 줄 것입니다.


가장 작은 입자가 지배하는 세계로 떠나는 양자물리학적 모험!
거시세계의 인간을 위한 양자역학 Rule Book!

『우리가 벽을 통과할 수 없는 이유』는 간단히 말하면 '규칙'에 대한 이야기입니다. 우주에는 규칙이 있고, 인간이든 원자든 고양이든 레이저 빔이든 모두 그 규칙을 따릅니다. 이것은 아주 작은 입자 세계에도 적용됩니다. 다만 우리 일상생활의 규칙과는 조금 다르게 작용할 뿐이죠. 이 책에서는 기존의 규칙을 벗어나는 것을 받아들여, 양자물리학 혹은 양자역학을 이해하기 위한 모험을 시작합니다. 저자가 안내하는 길을 단계적으로 천천히 따라가다 보면, 어느새 양자물리학이 무엇인지 이해할 수 있게 됩니다.
이 책은 12장으로 구성되어 있습니다. 1장에서는 입자-파동 이중성, 2장은 '측정'을 둘러싼 다양한 실험, 3장에서는 원자 속 전자가 순간적으로 이동하는 양자 도약을 정리합니다. 4장은 슈뢰딩거의 파동함수, 5장은 전자의 회전(스핀), 6장은 양자폭탄, 그리고 7장은 인간이 벽을 통과하지 못하는 양자 터널 현상을 설명합니다. 또 8장에서는 아인슈타인이 경악한 양자 얽힘과 원격작용, 9장에서는 양자 얽힘을 이용한 양자 암호화, 10장에서는 상자 속 고양이를 둘러싼 다양한 실험을 다룹니다. 마지막으로 11장에서는 사이비 과학으로 변질될 우려가 있는 양자 유사과학, 12장에서는 양자가 우리 생활에서 어떻게 유용하고 어떤 가능성이 있는지 이야기합니다.

추천사_무한한 가능성으로 확장되는 양자적 풍경
들어가며_이 책은 어떻게 읽어야 할까요?

제1장 파동, 입자, 그리고 양자보송이
1,000단위의 세계
새로운 아이디어와 오래된 개념
입자와 파동
빛이란 무엇인가?
이중 슬릿 실험: 토마토와 물결
파동으로서의 빛
아인슈타인의 빛 입자
빛의 두 가지 속성: 입자파동과 파동입자

제2장 아무도 측정하지 않는 경우에만
뒤집힌 아인슈타인
이중 슬릿에서의 입자
이중 슬릿에 존재하는 다량의 입자
그리고 아주 정확하게 측정한다면?
난해한 오류
미시세계와 거시세계의 만남
전혀 신비로울 이유가 없다

제3장 양자 도약, 작은 부분으로 구성된 세계
막스 플랑크의 절망적 행동
보어의 원자 모형
양자, 현실세계의 픽셀
연속적인 세계라는 환상
하이젠베르크의 불확정성 원리
휘파람과도 같은 하나의 입자
양자 도약이란 무엇인가?

제4장 새로운 종류의 우연
슈뢰딩거의 파동함수
전자는 체리가 아니다
확률 파동
중첩 원리
고양이 분포 함수
고전적 무작위성과 양자적 무작위성
시계 장치로서의 세상
코펜하겐 해석
실제 현실

제5장 전자는 행성이 아니다
점은 어떻게 회전하나요?
스핀과 그 방향
슈테른-게를라흐의 실험
두 개의 연속 스핀 측정
중첩은 관점의 문제
빛의 진동
영화 속 광자

제6장 양자 지우개와 양자폭탄
휠러의 사고실험: 먼 은하의 광자
광자 표시: 어떤 경로 정보를 이용한 트릭
양자 지우개
양자폭탄

제7장 왜 우리는 벽을 통과하지 못할까?
양자보송이와 에너지 떨림
중성미자는 우리를 쫓지 않는다
다양한 입자로 이루어진 다양성의 동물원
파울리의 배타 원리
찬드라세카르와 별들의 죽음
터널 효과
마리 퀴리와 방사성 붕괴
아야, 아파!

제8장 양자 얽힘과 유령 같은 원격작용
국소적 실재론
양자 쌍둥이
아인슈타인과 유령 같은 원격작용
양자 휴대폰은 존재하지 않는다
숨은 변수: 국소적 실재론을 위한 뒷문?
끝이 없는 점점 더 이상한 일
언제나 아인슈타인!

제9장 순간이동과 도청 방지 코드
입자는 초콜릿 케이크가 아니다
광자, 그리고 그 반대의 반대
섬에서 섬으로 순간이동을
비밀 메시지
양자 암호화: 양자 얽힘을 통한 암호화
양자 얽힘과 텔레파시
비국소성: 그렇게까지 이상하지 않아요

제10장 슈뢰딩거의 고양이는 도대체 어떻게 됐을까?
상자 속 고양이
위그너의 친구
측정은 무엇을 의미하는 걸까요?
양자 다윈주의
입자가 위치를 얻는 방법
디코히어런스: 파동이 깨질 때
다행히 우리는 의견이 일치합니다

제11장 양자철학과 양자 유사과학
다중 세계 이론
오컴의 면도날
입 다물고 계산이나 해!
양자 유사과학과 양자의학
우주로 전하는 소원
뉴에이지와 과학
과학은 이상할 수 있지만, 틀리지 않습니다!

제12장 양자는 우리에게 어떻게 유용할까?
레이저, 광자 복사기
태양전지에서 컴퓨터 칩까지
양자컴퓨터, 영원한 희망
양자를 이용한 측정
의학에서의 양자 측정
아무것도 없는 것보다 나은, 진공
양자 깜빡임과 우주
'이해한다'라는 말은 어떤 의미일까요?

용어해설
참고문헌

플로리안 아이그너 플로리안 아이그너는 2010년에 빈공과대학교에서 양자물리학 박사 학위를 받았다. 물리학자이자 과학 작가, 과학 편집자 겸 저널리스트이다. 오스트리아, 독일, 스위스에서 수많은 기사를 썼으며, 인기 있는 과학 평론가이기도 하다. 최신 연구 문제뿐만 아니라 진정한 과학으로 오해받기 쉬운 난해한 주장들에 대해서도 다룬다. 저서로는 『우리에겐 과학이 필요하다』, 『우연은 얼마나 내 삶을 지배하는가』가 있다. 특히 『우연은 얼마나 내 삶을 지배하는가』는 오스트리아 과학부와 오스트리아 북매거진 〈부흐쿨투어〉(Buchkultur)에서 선정한 '2018년 올해의 과학 도서상'을 수상하기도 했다.