양자물리 좋아하세요?(프린키피아 12)

알람이 울리고 토스트가 구워지기까지,
아인슈타인과 보내는 기묘한 아침

알람 시계가 울린다. 복도의 연기 감지기 표시등이 희미하게 빛난다. 전기레인지에 주전자를 올리고 발열체가 빨갛게 달아오르는지 살핀다. 냉장고 문에 붙은 자석을 보며 아침거리를 꺼내고, 토스터에 빵을 넣고, 휴대전화로 밤사이 쌓인 사진 피드를 넘긴다. 컴퓨터를 켜면 온라인 구매 영수증이 도착해 있다. 평범한 아침의 풍경이다.
그런데 이 짧은 일상 안에, 20세기 물리학이 인류에게 안겨 준 가장 기이한 발견들이 거의 빠짐없이 들어 있다. 채드 오젤의 《양자물리 좋아하세요?》(21세기북스 발행)는 침대에서 일어나 집을 나서기까지의 시간표를 그대로 목차로 삼아, 양자물리학 100여 년의 역사를 살펴보는 대중 과학서다. 우주의 네 가지 기본 상호작용, 빛의 이중성, 광전 효과, 배타 원리, 불확정성 원리, 양자 중첩, 터널 효과, 양자 얽힘까지 중요 개념을 소개하면서 이론의 체계가 아닌, 그 개념이 실제로 작동하고 있는 사물의 순서로 등장시켰다.
이 책에서 일상은 비유의 소재가 아니라 과학의 현장으로 등장한다. 토스터와 냉장고 자석과 연기 감지기는 양자 현상을 설명하기 위한 비유물이 아니라, 양자 현상이 실제로 벌어지는 현장이다. 고체 물질이 무너지지 않는 것은 전자스핀과 파울리의 배타 원리 덕분이고, 반도체 칩은 슈뢰딩거의 고양이로 대표되는 중첩 없이는 설명되지 않으며, 연기 감지기 안에서는 입자가 고전 물리학의 벽을 뚫고 지나간다. 평범한 아침은 양자물리학 없이 불가능하고, 양자물리학은 발열체의 빛과 자석의 끌어당김을 보고 '왜 이런 일이 일어나지?'라고 물은 사람이 없었다면 존재할 수 없었다. 이렇듯 당연하게 여기던 가장 단순한 일상에 숨어 있는 신비로움과 놀라움을 드러남으로써 일상을 흥미로워진다. 책을 덮은 뒤 내일 아침은 완전히 새롭게 밝을 것이다.

과학 천재의 신화는 없다: 회의와 망설임이 창조해낸 세계
'위대한 실수'는 실패가 아니라 생산이다

과학사에는 '천재'와 '파괴적 혁신'의 서사가 넘친다. 어떤 도약이 한 사람의 번뜩임에서 나왔다는 이야기는 흥미롭기는 하지만 실제 과학이 작동하는 방식과는 거리가 멀다. 이 책이 보여 주는 인물들은 정반대다. 막스 플랑크는 자신이 만든 양자 가설을 언젠가 폐기할 '절박한 수학적 트릭'으로 여겼고, 당대 최고의 실험 물리학자 로버트 밀리컨은 아인슈타인의 광전 효과 이론을 완벽하게 입증해 놓고도 "만족스러운 이론적 토대가 될 수 없다"라며 깎아내렸으며, 볼프강 파울리는 감지할 수 없는 입자를 제안했다는 죄책감에 시달렸다. 그들의 비범함은 기상천외한 개념을 단번에 떠올리는 능력이 아니라, 평범한 일상에서 작은 단서를 알아보는 예리함에 있었다. 위대한 성과가 타고난 독창성이 아니라 눈앞의 문제를 해결하려는 조급함에서 비롯되었다는 사실은, 독자에게 동질감과 안도감을 동시에 준다.
또한, 이 책의 과학자들의 실패에도 주목한다. 아인슈타인·포돌스키·로젠의 EPR 논문은 결국 틀린 것으로 판명되었다. 그러나 그 틀린 주장이 아무도 주목하지 않던 기이한 문제에 대한 물리학계의 관심을 끌어냈고, 벨의 부등식과 아스페의 실험을 거쳐 오늘날의 양자 암호와 양자 컴퓨터로 이어졌다. 1980년까지 36번 인용에 그쳤던 논문이 2017년에는 5,900건 넘게 인용된다. 정답을 즉시 얻는 일이 그 어느 때보다 쉬워지고, 그만큼 '틀리는 과정'의 가치가 납작해지는 시대에, 이 책은 오류가 어떻게 지식의 지형을 바꾸는지를 구체적인 사례로 보여준다.

세상에서 가장 친근하고 흥미로운 양자물리 안내서
양자 기술 시대에 꼭 알아야 할 최소한의 지식

양자 컴퓨팅과 양자 암호는 이미 국가 전략과 산업의 키워드가 되었다. 그러나 '중첩' '얽힘' '큐비트' 같은 단어는 대부분 뉴스의 어휘로만 소비된다. 이 책은 그 단어들이 어디서 왔고 무엇을 설명하기 위해 만들어졌는지를 처음부터 되짚는다. 광섬유와 레이저가 어떻게 인터넷의 물리적 토대가 되었는지, 2017년 중국의 '미셔스' 위성이 오스트리아와 주고받은 양자 보안 통화가 무슨 원리로 가능했는지까지 이어진다. 이 책을 읽어가다 보면 자연스럽게 양자물리의 중요 개념들에 관한 이해가 쌓인다.
이 책에는 수식이 없다. 그렇다고 비유로 얼버무리지 않는다. 토머스 영의 이중 슬릿 실험, 푸아송이 반박하려다 오히려 입증해 버린 '아라고의 점', 하인리히 헤르츠가 우연히 마주치고도 알아보지 못한 광전 효과, 프라운호퍼선의 미스터리, 꽃가루 알레르기를 피해 헬골란트 섬으로 도망친 하이젠베르크가 완성한 행렬 역학까지 서술하며 '무엇이 밝혀졌는가'가 아니라 '어떻게 알게 되었는가'의 경로를 그대로 복원한다.
11개 장은 각각 저자의 실제 아침 한 문장으로 열린다. "빵 두 조각을 토스터에 밀어 넣자 빵틀이 약하게 흔들리고, 난 싱크대에 기대어 빵이 다 구워지길 기다린다." 이 한 문장에서 제논의 역설과 불확정성 원리, 고체 물질의 안정성으로 이어지는 전개는 과학책이면서 동시에 잘 쓰인 에세이의 리듬을 갖는다. 어느 장부터 펼쳐도 읽히고, 순서대로 읽으면 하루가 완성된다.

옮긴이의 말 | 들어가며

첫 번째 일상_일출: 기본 상호작용
중력
전자기력
강한 상호작용
약한 상호작용
나머지 이야기

두 번째 일상_발열체: 플랑크의 절박한 트릭
빛의 파동과 색
열과 에너지
자외선 파탄
양자 가설

세 번째 일상_디지털 사진: 특허청 직원의 발견
헤르츠의 실험
특허청 직원의 발견
광전 기술

네 번째 일상_알람 시계: 축구 선수의 원자
시간 측정의 간략한 역사
스펙트럼선의 미스터리
가장 놀라운 존재는 원자 안에 있다
양자 세계에 발을 들이다
원자시계

다섯 번째 일상_인터넷: 어렵게 발견한 레이저, 어디에 써야 하나?
웹 시대 이전의 망
원자가 빛을 내는 법
아인슈타인이 빛에 대해 배운 사실
레이저의 역사
"풀 문제를 찾아야 하는 해법"
빛의 망

여섯 번째 일상_후각: 배타 원리
후각의 작용 과정
주기율표
'고전 양자론'에서 현대 양자역학으로
배타 원리에 의한 화학
스핀
궤도에서 파일럿 파동, 그리고 확률에 이르기까지
현대 화학

일곱 번째 일상_고체 물질: 불확정성 에너지
불확정성의 확정성
영점 에너지
불확정성 원리
원자의 안정성
파울리의 배타 원리와 고체 물질
천체 물리학과 물질 안정성

여덟 번째 일상_컴퓨터 칩: 인터넷과 슈뢰딩거의 고양이
고양이 역설
고양이 상태의 화학 결합
많으면 달라진다
스펙트럼선에서 에너지띠로
왜 띠 사이에는 틈이 있을까?
부도체와 전도체
반도체의 원리와 용도

아홉 번째 일상_자석: 빌어먹을 자석은 도대체 원리가 뭐야?
자기 속 항해
전자의 자성
원자의 자성
결정의 자성
자기 데이터 저장 장치

열 번째 일상_연기 감지기: 가모브의 탈출
연기 감지에 관한 고전 물리학
방사성의 미스터리
터널 효과
햇빛과 쪼개진 원자

열한 번째 일상_양자 암호: 결국 위대했던 실수
비밀 유지의 비밀
우주와의 주사위 놀이
양자물리학과 베터리지의 헤드라인 법칙
아인슈타인에서 벨, 그리고 아스페
양자 암호
위대한 실수

맺으며 | 감사의 말 | 찾아보기