양자 텔레포테이션으로 인간을 전송할 수 있을까?

아인슈타인도 이해 못 했다는 수수께끼 학문, 양자역학!
그 미지의 세계를 인정해야 한다면,
어떻게 조금이나마 친해질 수 있을까?

신문이나 뉴스 등에서 종종 만나곤 하는 '양자 컴퓨터'. 그런데 '컴퓨터'는 익숙해도 '양자'가 정확히 무엇인지 아는 이는 많지 않다. 그저 일종의 작은 입자라는 모호한 이미지만 떠오를 뿐이다. 하지만 이는 양자를 둘러싼 무궁무진한 이야기 중 하나에 불과하다.
간단히 말하면 '양자'는 분자, 원자, 전자, 소립자 등 매우 작은 입자들의 통칭이다. 그리고 이 양자의 움직임을 지배하는 미시 세계의 법칙을 다룬 학문을 '양자역학'이라고 한다. 양자는 서로 떨어진 두 장소에 동시에 존재할 수 있다는, 인류의 상식을 초월한 수수께끼의 존재이기도 하다. 1920년대에 양자역학의 기초가 정립될 당시, 이 기묘한 성질 때문에 물리학자들 사이에는 격렬한 논쟁이 벌어졌다. 양자역학을 부정한 대표적인 인물인 아인슈타인의 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다" 역시 이 시기에 남긴 말이다. 그만큼 양자역학의 등장은 그 전까지의 물리학을 '고전 물리학'이라는 이름으로 구분하게 되었을 만큼 과학계의 판도를 뒤엎는 사건이었다.
100여 년이 지난 지금, 양자역학의 원리로 개발된 반도체는 가전제품과 자동차, 비행기 등 수많은 분야에 쓰이고 있으며 양자 통신, 양자 컴퓨터, 광격자 시계 등 양자역학의 활용 범위는 점점 넓어지고 있다. 양자역학이 없으면 현대 사회는 성립되지 않는다고 해도 과언이 아니다. 이렇듯 우리의 삶과 아주 밀접하게 닿아 있는 학문이지만, 양자역학의 내용은 얼핏 봐도 여전히 낯설고 받아들이기 힘들다. 이에 연구자들은 입을 모아 말한다. "양자역학에는 아무런 문제가 없다. 단지 이를 이해하지 못하는 우리, 인간이 문제일 뿐이다."

명쾌한 해설과 50여 가지의 도해로 만나는
양자역학의 탄생과 발전, 그리고 미래

『양자 텔레포테이션으로 인간을 전송할 수 있을까?』는 세계와 미래를 바꾼 신비한 양자역학을 기초부터 재미있게 이해할 수 있는 입문서이다. 앞에서 소개한 양자의 개념을 비롯해, 양자역학의 탄생 및 정립 과정, 양자역학을 활용한 기술, 양자역학을 둘러싼 과학계의 크고 작은 사건들, 양자역학의 전망에 이르기까지 50여 가지의 직관적인 그림과 함께 명쾌하고 친절하게 해설했다. '양자의 원리를 이용해 순간 이동을 할 수 있을까?' '그 유명한 '슈뢰딩거의 고양이' 실험은 무슨 내용일까?' '과학계를 떠들썩하게 만든 양자역학 스캔들은 무엇일까?' '우주가 무한히 갈라지고 있다는 게 무슨 말일까?' '양자역학과 블랙홀 사이에는 어떤 상관관계가 있을까?' 등등, 양자역학을 둘러싼 주요 화두와 궁금증을 이 한 권에 가득 담았다.
양자역학은 그야말로 유사 이래 가장 이상하고도 매혹적인 학문이며, 여전히 그 수수께끼는 현재진행형이다. 그래서 더욱 궁금하고 알고 싶은 세계이기도 하다. 이 한 권이 양자역학이라는 미지의 세계에 한 걸음 성큼 다가가는 계기가 되길 바란다.

지은이의 말
Introduction_간단하게 훑어보는 양자역학

1장. 아브라카다브라! 신비한 양자의 세계
미시 세계의 주민은 모두 양자 / 흰색일 수도 있고 검은색일 수도 있는 수수께끼의 양자 오셀로 / 확률이 공존하는 중첩 상태는 아닐까? / 오셀로로 알아보는 양자 얽힘의 모순: EPR 역설 / 동시성의 상대성 vs 동시성의 절대성 / 정보의 이동 속도는 광속보다 빠를까? / 상식과 동떨어진 양자의 세계 / 양자 텔레포테이션으로 순간 이동을 할 수 있을까? / 무엇이 전송될까? 전송된 물질은 진짜일까? / 양자 텔레포테이션 실용화까지 앞으로 한 발짝 / 인간을 텔레포테이션하려면?

2장. 미시 세계의 문이 열리다
용광로는 정확히 몇 도일까? / 19세기 물리학자들의 고민 / 빛 에너지는 불연속적이다: 양자의 존재를 예언한 플랑크 / 세계의 법칙을 지배하는 세 숫자: 플랑크 상수, 광속, 뉴턴의 중력 상수 / 빛은 파동이다: 발상을 바꾼 맥스웰 / 빛은 입자이다: 아인슈타인의 광양자 가설 / 빛은 파동인 동시에 입자이다 / 전자도 입자인 동시에 파동이다: 드 브로이 가설 / 전자가 원자핵 주위에 존재하는 이유: 보어의 원자 모형과 양자 조건 / 파동의 형태로 원자핵 주위를 도는 전자 / 두 방정식 중 올바른 식은?: 하이젠베르크와 슈뢰딩거 / 관측한 순간에 양자의 파동이 수축한다고?: 슈뢰딩거의 주장 / 전자가 그 자리에서 발견될 확률을 나타낸 파동 함수: 보른의 주장 / 실체가 없어 순식간에 붕괴해도 문제없는 파동 함수 / 정확한 원리를 몰라도 결과가 도출되는 코펜하겐 해석

3장. 양자역학의 미스터리
쉽게 이해하는 이중 슬릿 실험 / 빛의 간섭을 증명하는 간섭무늬 / 전자가 하나씩 떨어져 있어도 나타나는 간섭무늬 / 아인슈타인-보어 논쟁: 간섭무늬와 관측은 양립할 수 있는가? / 미시 세계와 거시 세계의 경계는? / EPR 역설 역시 주목받지 못하고…… / 사고 실험 '슈뢰딩거의 고양이': 삶과 죽음의 중첩 상태 / 중첩 상태가 붕괴하는 양자 결어긋남의 원리는 여전히 수수께끼

4장. 양자역학, 증명 완료!
아직 발견되지 않은 '숨은 변수'가 있는 게 아닐까? / 덧셈과 뺄셈으로 이해하는 벨 부등식: CHSH 부등식 / 벨 부등식의 위배를 증명한 아스페의 실험 / 부등식에 숨어 있던 암묵적 전제

5장. 핵융합 스캔들과 초전도 열풍: 양자의 빛과 어둠
양자역학으로 이해하는 핵분열과 핵융합 / 태양은 무엇을 '태워서' 에너지를 만들까? / 태양의 핵융합이 가능한 이유는 터널링 효과 때문 / 꿈의 에너지, 핵융합로 / 국제 핵융합 실험로 ITER 계획 / 20세기 최대의 과학 스캔들, 상온 핵융합 / 송전 손실을 최소화하는 초전도체 / 금속은 왜 저온에서 초전도 상태가 될까? / 양자역학으로 해석한 쿠퍼 쌍과 초전도 현상 / 전 세계를 떠들썩하게 한 고온 초전도체 / 노벨상 수상이 유력했던 신예 연구자 쇤의 사기극

6장. 양자의 시대가 온다: 양자 컴퓨터와 암호
컴퓨터의 초창기 역사 / 슈퍼컴퓨터로도 풀기 힘든 외판원 순회 문제와 소인수분해 / 양자 3형제: 파인만, 도이치, 에버렛 / 거시적 관측은 중첩 상태를 붕괴시킨다: 코펜하겐 해석 / 우리가 사는 우주가 무수히 분기한다: 에버렛의 다세계 해석 / 우주의 시작점에서는 성립하지 않는 코펜하겐 해석 / 양자 컴퓨터의 기초, 2진법 / 종언을 맞이한 무어의 법칙: 성능 향상의 한계 / 다중 우주의 양자 컴퓨터가 계산을 돕고 있다고? / 양자 게이트로 좁힌 정답 후보 / 소인수분해를 이용한 RSA 암호의 위기 / 양자 암호의 시대가 온다 / 조합 최적화 문제 해결에 적합한 양자 어닐링 / 양자 컴퓨터의 현 상황 ①: 어떤 방식으로 큐비트를 구현할까? / 양자 컴퓨터의 현 상황 ②: 실용화에는 오류 정정 기술의 발전이 필수

7장. 블랙홀을 양자역학으로 규명하다
상대성 이론으로 고찰한 블랙홀: 공간 자체가 낙하하다 / 태양보다 100억 배 큰 초대질량 블랙홀 / 서로 닮은 두 물리 법칙: 블랙홀 역학 제2 법칙과 엔트로피 증가 법칙 / 엔트로피의 정체는 거시 상태에 대응하는 미시 상태의 수 / 블랙홀의 엔트로피 = 알 수 없는 미시 상태의 정보량 / 양자를 공간에 퍼져 있는 장의 진동으로 해석하는 양자장론 / 진공 요동(영점 진동) / 진공에서 끊임없이 일어나는 쌍생성과 쌍소멸 / 진공에서 생겼다가 사라지는 양자 얽힘 / 광자의 쌍생성으로 블랙홀이 증발한다: 호킹 복사 / 블랙홀 정보 역설: 정보의 소실 / 양자 얽힘을 완벽하게 관측하면 정보가 사라지지 않는다 / 초끈 이론: 양자 중력 이론의 유력 후보 / 초끈 이론으로 해석한 블랙홀의 엔트로피 / 중력이 중력 이외의 힘과 동등하다고?: 말다세나 추론 / 블랙홀 내부는 웜홀의 입구: 섬 가설

8장. 양자 얽힘이 시공간을 만든다
통조림 수프로 이해하는 말다세나 추론 / 공간과 양자 얽힘의 관계: 류-다카야나기 공식 / 양자 얽힘이 공간을 만든다고?: 공간의 창발 / '장'을 매개로 작용하는 힘: 일반 상대성 이론 복습 ① / 시공간을 왜곡하는 원인은 물질: 일반 상대성 이론 복습 ② / 아인슈타인-로젠 다리(=웜홀) / ER=EPR의 의미 / 중력이 양자 얽힘으로 만들어진다고? / 양자 컴퓨터로 밝힌 양자와 시공간의 연결고리

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후타마세 도시후미 1953년 홋카이도 출생. 교토대학 이학부를 졸업하고 영국 웨일스대학교 소속 카디프대학교 응용수학·천문학부 박사 과정을 수료했다. 독일 막스 플랑크 천체물리학 연구소, 미국 워싱턴대학교 연구원, 도호쿠대학원 교수, 교토산업대학 교수를 역임했고, 현재 도호쿠대학 명예교수로 활동하고 있다. 전공은 일반 상대성 이론과 우주론이다.
주요 저서로는 『Mr. 아인슈타인, 시간 여행에 도전하다』(국내 출간), 『우주와 천체의 원리를 그림으로 쉽게 풀이한 천문학 사전』(국내 출간), 『진짜 재미있다! 신판 우주 용어 도감』, 『기초부터 배우는 우주 과학: 현대 천문학으로의 초대』, 『블랙홀: 우주 최대의 수수께끼는 어디까지 밝혀졌을까?』 등 다수가 있다.