만화 양자역학 7일 만에 끝내기

후쿠에준

저자후쿠에준은1956년일본우베시야마구치현에서태어났다.교토대학우주물리학과와동대학원을졸업하고현재오사카교육대학교수로재직하고있다.전공분야는상대론적우주유체역학의강착원반과제트분출에대한연구이다.그밖에도과학교육콘텐츠를개발하기위해활발히노력하고있다.주요저서로는『만화양자역학7일만에끝내기』『3일만에읽는우주』『아인슈타인의숙제』『옆집의아인슈타인』등이있다.

들어가며

제1장.양자론이전의미시세계-고전물리학의묘사
1.물체와물질그리고원자와분자
2.원자와원소그리고주기율표
3.원자와빈공간
4.진공과에테르
5.원자론과에너지론
6.전자의발견
7.방사능과감마선의발견
8.원자를원자로쏘다
9.양성자와중성자의발견
10.입자로이루어진원자와원자핵:고전물리학
11.빛과스펙트럼
12.빛의직진ㆍ반사ㆍ굴절
13.빛의분산ㆍ회절ㆍ간섭
14.전기와자기그리고전자기파
15.파동인빛과전자기파:고전물리학

제2장.이상한미시세계!-무너진고전물리학
1.왜원자는쪼개지지않을까?
2.빛은입자인가,파동인가1
3.빛은입자인가,파동인가2
4.희한한광전효과
5.희한한열복사
6.플랑크의양자가설
7.아인슈타인의광양자가설
8.입자처럼행동하는빛과전자기파:양자론
9.파동처럼행동하는전자와물질입자:양자론

제3장.띄엄띄엄한미시세계-양자론의시작
1.불연속적인세계
2.수소스펙트럼
3.에너지준위
4.보어모델
5.양자조건의의미
6.보어의대응원리
7.초기양자론의문제점

제4장.미시세계의두얼굴-파동과입자의이중성
1.단일슬릿을이용한회절실험
2.이중슬릿을이용한간섭실험:고전물리학
3.이중슬릿을이용한간섭실험:양자론
4.전자도자기자신과간섭한다
5.콤프턴효과
6.스핀과내부양자수
7.파울리의배타원리
8.페르미온과보손

제5장.2개의길-양자역학의완성
1.보이는것이전부
2.하이젠베르크의행렬역학
3.가환과비가환그리고행렬
4.슈뢰딩거의파동역학
5.복소수와허수의해
6.고유값과양자화
7.파동함수의의미
8.디랙방정식
9.양전자와반물질
10.쌍소멸과쌍생성

제6장.불확정적이며확률적인미시세계!-새로운아이디어
1.모든사건은확률적으로일어난다
2.파동함수와전자구름
3.전자구름은존재확률의구름
4.확률적인실험결과
5.불확정성원리
6.에너지도불확정
7.코펜하겐해석
8.신은주사위를굴리지않는다

제7장.우리주변은양자투성이?-양자론이떠받치는현대문명
1.형광등불빛으로피부가그을리지않는이유
2.어두운밤하늘에서빛나는별이보이는이유
3.방안의양자들:텔레비전,CD,DVD
4.휴대품에서의양자들:시계,디지털카메라,휴대전화
5.거리의양자들:LED신호등
6.터널효과와에사키다이오드
7.교통ㆍ운송:자기부상열차
8.의료:X선,MRI,PET

제8장.대칭의세계-입자물리학의발전
1.베타붕괴와중성미자
2.핵력과중간자
3.이렇게많아도‘기본’입자?
4.쿼크의등장
5.자연계를지배하는4가지힘
6.힘의통일이론
7.역장도입자가전달한다
8.힘을전달하는입자는보손,물질을구성하는입자는페르미온
9.초대칭입자
10.점입자에서끈입자로
11.초끈이론

제9장.시공간과세상의이치-양자론의미래
1.양자진공
2.카시미르효과
3.진공의상전이
4.제4의상전이:QCD상전이
5.제3의상전이:와인버그-살람상전이
6.제2의상전이:대통일이론상전이
7.제1의상전이:TOE상전이
8.질량의의미
9.힉스입자와힉스장
10.시공간의최소단위:플랑크스케일

제10장.달은그곳에있을까?-양자론의패러독스
1.광자는어느쪽슬릿을통과했을까?
2.광자는자신이갈경로를어떻게알고있을까?
3.양자상태의중첩
4.관측과양자상태의수축
5.슈뢰딩거의고양이
6.위그너의친구
7.에버렛의다세계해석
8.EPR패러독스
9.비국소성과양자얽힘

마치며

‘양자역학’을알아야영화[인터스텔라]를제대로즐길수있다
과학교양인이라면반드시읽어야할물리학입문서!
크리스토퍼놀란감독의영화[인터스텔라]는세계적인물리학자킵손교수가제작에참여하여전문적인천체물리학지식을스크린에녹여낸것으로화제를모았다.일반대중이이해하기너무어려운내용이지않겠느냐는우려와달리전세계적으로크게흥행했을뿐만아니라우리나라에서도천만관객을돌파한영화가되었다.[그래비티][마션]등우주를배경으로한영화가연이어흥행하면서,과학에대한대중의흥미와지적호기심이무척높아지고있음을실감할수있다.심지어[인터스텔라]의후속편에는이러한대중적기호를반영하듯스티븐호킹박사가참여하여더욱전문적인내용을담을예정이라고한다.
[인터스텔라]를본관객들이라면영화의또다른주인공으로주저없이‘양자역학’을꼽을것이다.물리학의한분야인양자역학은뉴턴역학과상대성이론으로대표되는고전물리학을뛰어넘어,우주와세상의모든현상을설명하는궁극의이론이자21세기과학계를선도할학문으로주목받고있다.하지만[인터스텔라]의양자역학을제대로즐긴관객은많지않다.왜냐하면양자역학을이해하기위해서는물리학의기초개념부터탄탄하게뒷받침되어야하기때문이다.
하지만이것은과학도가아닌이상일반독자에게쉽지않은일이다.기존에나와있는양자역학관련도서들은독자가어느정도의물리학기본기를갖추고있다는전제로내용을전개하거나,전공자들도이해하기어려울정도로깊이파고들거나,독자의머릿속에그려지지않는지루한서술을나열하고있기때문이다.
그런의미에서이번에출간된『만화양자역학7일만에끝내기』는‘과알못(과학을알지못하는사람)’인평범한독자들도쉽고재미있게물리학과양자역학의기본기를다질수있는매우친절한교양과학입문서이다.이책은원자,빛,에너지,중력등물리학의기초개념부터정의하면서차근차근수준을높여힉스입자나초끈이론같은양자역학의최신성과까지,차근차근단계를밟아나가듯아우르고있다.물리학과양자역학의핵심만을요약했기때문에내용을단기간에파악할수있을뿐만아니라[에반게리온]을연상시키는세련된만화와미소녀캐릭터를활용하고있어독자들의읽는재미를더했다.

물리학의기초개념부터최신과학트렌드까지
차근차근단계를밟아나가며이해하는양자역학의모든것
‘기초적인물리학도버거운데어떻게양자역학까지이해할수있겠어?’
특별히과학을좋아하거나전공자가아닌이상평범한독자가이런생각을하는것은너무도당연하다.하지만양자역학은아인슈타인이상대성이론을완성한것처럼어느한천재과학자만의업적이아니다.세계의수많은과학자들이때로협력하고때로경쟁하면서발전시킨이론이다.그렇기때문에과학사의흐름과여러과학자의업적을차근차근쫓다보면어느새물리학과양자역학의기초를파악할수있다.
『만화양자역학7일만에끝내기』는고대그리스의자연철학자데모크리토스와아리스토텔레스로부터시작된고전물리학이뉴턴과아인슈타인을거치며어떻게발전했는지그과정을살펴보고있다.그리고1나노미터(10억분의1미터)단위의미시세계의특징들을설명한다.
미시세계에서는우리의상식이통하지않는현상들이발생한다.그런데이를고전물리학으로설명하려면모순이생긴다.즉고전물리학의한계가드러나는것이다.고전물리학으로도설명할수없는불가사의한현상을설명하기위해탄생한것이바로양자역학이다.이책은막스플랑크,닐스보어,베르너하이젠베르크,루이드브로이,슈뢰딩거,막스보른,디랙등세계적인과학자들의실험과관측,가설과논쟁을통해양자역학의가장큰특징인불확정성과확률성을살펴본다.이를통해우리가별빛을본다는것은어떤원리인지,빛은왜입자와파동의성질을모두가지고있는지,우주가탄생한후1만분의1초동안무슨일이벌어졌는지,너무짧아서기술하는것자체가의미없는플랑크시간과플랑크길이란얼마만큼인지알수있다.더불어이책은슈뢰딩거의고양이패러독스,위그너의친구패러독스,11차원과다세계해석,만물의이론등지금현재에도연구중이며수많은논쟁을불러일으키는양자역학의주요쟁점들을소개한다.
덕분에『만화양자역학7일만에끝내기』는미래의과학자를꿈꾸지만입시공부의틀에갇혀제대로된물리학입문서를읽을시간조차내기힘든청소년들에게탁월한대안이될것이다.물리학의기본기를탄탄하게다져주면서최신과학트렌드까지놓치지않았기때문이다.일주일이면입시에필요한과학사고력은물론이고,과학교양인으로서필요한기본상식까지자연스레학습할수있는것이다.

아인슈타인마저부정했던혁신의이론,양자역학
상식과통념에서벗어나나와우주를바라보는새로운시각
얼마전미국의유력과학전문지[사이언스뉴스]에서세상을뒤바꾼혁명적인과학이론10가지를꼽았다.이중양자역학은3위에이름을올렸다.참고로1,2위는각각지동설과진화론이고,일반상대성이론과특수상대성이론은각각4,5위에올랐다.우리가익히알고있는것처럼지동설,진화론,상대성이론은단순히과학이론으로그친것이아니라인간사회와사고의패러다임을뒤바꾼‘역사적사건’이다.양자역학또한이들만큼우리에게중요한의미를지니고있다.
하지만양자역학이150억광년너머의우주만을향하거나원자수준의미시세계만을다루는것은아니다.오히려인간의현대문명은양자역학을토대로발전했다고해도과언이아니다.우리가CD와DVD를가지고정보를저장하고음악이나영화를감상할수있는것은양자수준의원리가적용된레이저기술덕분이며텔레비전,컴퓨터,스마트폰,디지털카메라의주요부품인반도체도마찬가지이다.태양전지로움직이는시계와자동차,신분증과신용카드에쓰이는IC회로,LED를이용한신호등과조명기구,자기공명영상법(MRI),자기부상열차까지,일상의곳곳에서양자역학의영향을찾아볼수있다.
이처럼양자역학은우리와떼려야뗄수없는이론이다.하지만20세기초까지만해도아인슈타인을비롯한많은과학자들이양자역학을부정했었다.왜냐하면세상의원리를명확하게기술하려는고전물리학과달리양자역학은세상이불확정적이고확률적이라는사실을증명하는이론이기때문이다.그리고양자역학이지닌진정한가치는여기에있다.기존의상식과통념에서벗어나끊임없이의문을품고새로운가능성을찾기위한노력이바로그것이다.양자역학은우주의근원과다양한현상을기술하는이론이면서궁극적으로인간이란무엇이고어디로나아가야하는지에대한답을구하려는노력이다.독자들은이책을통해인간과세상,일상과우주를바라보는전혀새로운시각을발견하는경험을하게될것이다.

*책속으로추가
지금까지발견된기본입자의그림을전체적으로통일시키는것이외에도한가지중요한과제가남아있다.그것은바로발산에관한문제이다.전자나쿼크등의기본입자는보통크기가없는‘점’으로취급한다.하지만점으로기본입자의상호작용을다루면,입자중심에가까워질수록전자기력이나자기상호작용selfinteraction이무한대로발산하는문제가발생한다.
그래서‘점’이아니며유한한크기를가진‘끈(닫힌끈)’을착안하게되었다.물론유한한크기이지만아주작아서거의점과비슷하지않다면지금까지기술해온물리와모순이생긴다.
구체적으로는플랑크길이Plancklength(10-33cm)정도의아주작은‘끈’이라고생각한다(양성자크기는약10-13cm).아주작기는하지만크기가유한한‘끈’을적용해보니,중력장의문제나양자장의문제모두해결되면서이둘을융합시킬수있을지도모른다는기대
를갖게되었다.유한한크기를부여하자종래의점입자로생각했을때최대문제점이던무한대로의발산을피할수있게되었다.또한점이아니라크기를갖게되면서‘끈’의진동상태라는개념도생각하게되었다.
‘끈’의진동상태를각각의기본입자에대응시키면기막히게기본입자의종류를설명할수있다.이처럼기본입자가‘점’이아니라유한한크기를가진‘끈’이며,유한한크기를가진덕분에상호작용의발산을피할수있게되었다는발상을일반적으로‘끈이론stringtheory’이라고부른다.그리고이러한입자를‘끈입자’라고한다.
-180쪽