양자 물리학은 신의 주사위 놀이인가(사이언스 갤러리 2)

현대 문명을 바꾼 양자 물리학, 그 100여 년에 걸친 파노라마

20세기 이후 오늘에 이르기까지 거의 모든 현대 과학의 산물은 양자 물리학에 기대고 있다. 컴퓨터, 스마트폰과 같은 오늘날의 대표적인 전자 기기는 물론이고, 빅뱅이나 블랙홀 같은 우주의 탄생과 역사를 파악하는 데 있어서도 양자 물리학의 원리가 뼈대를 이룬다. 이 밖에도 이루 헤아릴 수 없는 분야에서 양자 물리학은 빠지지 않는다. 말하자면 양자 물리학은 현대 과학의 '공기'나 마찬가지여서 양자 물리학이 없었다면 현대 과학은 '진공' 상태에 빠졌을 것이다. 아인슈타인의 상대성 이론과 함께 현대 과학의 '양대 산맥'이자 (뉴턴의) 고전 물리학에서 현대 물리학으로 넘어가는 징검다리 역할을 한 것이 양자 물리학이다.

양자 물리학이 모든 과학자들에게 최종적으로 하나의 의심할 바 없는 '이론'으로 받아들여지기까지는 드라마틱한 과정이 숨어 있었다. 위대한 천재 아인슈타인마저도 끝끝내 양자 물리학을 온전히 받아들이지 못했을 정도로 양자 물리학은 '기이하면서도 매력적인' 이론이었다.

이 책은 막스 플랑크, 닐스 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 아인슈타인 등 양자 물리학의 태동 과정에서 기여한 물리학자들의 이야기를 통해 양자 물리학의 주요 개념들을 알기 쉽게 설명하고 있다.



"신은 주사위 놀이를 하지 않아"

vs

"신에게 이래라 저래라 하지 마세요"



아인슈타인은 자연이 인간의 측정을 막는다는 생각에 대해 심한 거부감을 느꼈다. 그는 여러 가지 상상의 실험 장치를 고안하여 불확정성 원리를 공격했지만 하이젠베르크를 옹호하고 있던 보어에 의해 번번이 패배를 맛보았다. 이들이 모여 토론했던 1927년 솔베이회의에는 플랑크, 퀴리 부인, 아인슈타인, 보어, 슈뢰딩거, 드 브로이, 보른, 하이젠베르크, 파울리, 디랙 등 당대 물리학의 거물들이 대거 참여했다. 참석자 29명 중 17명이 노벨상 수상자다. 보어와 아인슈타인은 이 회의 내내 논쟁을 벌였으며 결과는 아인슈타인의 완패였다. 결국 화를 삭이지 못한 아인슈타인이 "신은 주사위 놀이를 하지 않아"라고 하자 보어가 이렇게 대꾸했다. "신에게 이래라 저래라 하지 마세요."

1 전시실 바닥 상태: 양자 물리학을 탐험하기 위한 준비

양자 세계의 대화법 | 양자 물리학 이전의 물리학

2 전시실 첫 번째 양자 도약: 양자 세계의 문이 열리다

세상을 이해하고 싶었던 음악 천재 | 플랑크의 양자 가설 | 아인슈타인의 광양자 가설

3 전시실 두 번째 양자 도약: 입자와 파동의 이중성

입자와 파동 | 보어의 원자 모형 | 드 브로이 공작의 물질파 | 이중 슬릿의 반격

4 전시실 세 번째 양자 도약: 파동 방정식과 행렬 방정식의 이중성

파동 방정식 | 코펜하겐의 비관주의자들 | 뭔가 불확실한 결론 | 확률의 문제

5 전시실 네 번째 양자 도약: 거울 속의 왼손잡이 전자

같은 입자는 같은 입자인가 | 스핀 | 페르미 입자의 기묘한 순서 | 성질 나쁜 파울리 씨와 배타 원리

6 전시실 다섯 번째 양자 도약: 코펜하겐의 고양이는 살아 있을까

코펜하겐 해석 | 늙은 물리학자를 위한 나라는 없다 | 고양이는 죽지 않는다 | 갈라진 세계, 갈라진 삶

7 전시실 여섯 번째 양자 도약: 핵 시대의 도래

최악의 타이밍 | 분열된 원자와 분열된 세계 | 맨해튼 프로젝트 | 파괴의 신

8 전시실 일곱 번째 양자 도약: 양자 문명

마법의 돌 | 초전도체 | 나노 과학 | 양자 컴퓨터 | 새로운 에너지 | 양자 문명

9 전시실 여덟 번째 양자 도약: 디랙의 바다에서 양자의 들로 간 물리학자들

이상한 남자 디랙 | 디랙의 바다와 반물질 | 바다에서 들로 간 물리학자들 | 플랑크의 에너지와 재규격화

10 전시실 마지막 도약: 양자 물리학의 미래

힉스가 무슨 잘못인가 | 초대칭 | 미니 블랙홀 소동 | 여분의 차원 | 모두가 궁극의 이론을 알고 싶어 한다

장상현 저자 장상현은 서울대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학원에서 입자 물리학 이론으로 박사 학위를 받았다. 미국 플로리다 대학교, 퍼듀 대학교, 일본 도호쿠 대학교에서 포스트닥터로 연구를 했으며, 퍼듀 대학교에서는 아르헨티나 탱고와 쿠바 살사를 학생들과 교직원들에게 가르치기도 했다. 그 후 연세대학교와 건국대학교에서 연구 교수를 지냈고, 현재는 서울대학교 교양학부의 물리학 담당 강의 교수이다. 우주론, CP 대칭성의 깨어짐, 액시온, 중성미자, 힉스 입자, 여분의 차원 등의 연구로 다수의 논문을 썼고 2000년에 표준 모형을 여분의 차원으로 확장한 이론을 발표하여 이 분야에서 많은 주목을 받았다.