과학하고 앉아있네 3 : 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기

원종우,김상욱

저자:원종우

저자:김상욱

1.살을빼려면운동해야한다
2.지구를향해자유낙하하는달
3.“모든것은원자로되어있다”
4.하나가두개의구멍을동시에지난다
5.자연이이상한게아니라우리머리가이상해
6.“내가달을보지않으면달은거기에없는것인가?”
7.슈뢰딩거의고양이
8.우주가여러개라고?
9.양자역학이없으면컴퓨터도스마트폰도없다
10.무엇이실체인지모르는양자역학의세계

“고전역학은더이상통하지않는다”―기존물리학을발칵뒤엎는양자역학
양자역학은뉴턴의고전역학개념이나기존세계관을뒤흔들었다.물리학은모든것을운동으로이해하고거기서가장중요한것이원자의운동을이해하는것인데,양자역학은한마디로원자를기술하는학문이라고할수있다.하지만그원자의구성물인전자를두개의구멍에통과시키는이중슬릿실험(Double-slitexperiment)을했을때,입자인전자가파동성을동시에갖는다는기존의물리학을발칵뒤엎는의외의결과가발생했다.우리가관측을할때광자라고불리는빛의알갱이가전자의위치에영향을주기때문이다.이것을하이젠베르크는‘불확정성원리’라고불렀다.
양자역학에서는고전역학의결정론은더이상통하지않는다.우주는이중성을가지고있고,관측을할때변화가일어난다.전자나원자가사는세상과우리가사는세상은다른종류의역학을사용해야한다.즉,미시세계와거시세계로구분하는데,이것은‘슈뢰딩거의고양이’라는유명한사고실험을통해모순이생긴다는것을알수있다.왜냐하면우리가사는세상도모든것이원자로되어있기때문이다.그래서이러한미시·거시세계의구분을애초에하지말고우주전체가양자역학적으로진행하고있다고생각하자는‘다중우주’같은‘다세계’이론도나오고있다.
이렇듯양자역학에대해서는여러가지이론들도많고,아직까지현재진행형으로남아있는분야이다.하지만그어떤이론보다정확한예측이가능하기에고전역학으로설명하지못하는것들양자역학을통해알수있다.일례로,양자역학이없으면도체를설명할수없기때문에반도체를이해할수없고,따라서지금의컴퓨터나스마트폰도존재할수없다.

한권으로담은고전역학과양자역학핵심강의
이해하기어려울수있고공부하려면많은시간이필요할수있는양자역학이지만,『과학하고앉아있네3:김상욱의양자역학콕찔러보기』에서는짧은시간안에양자역학의핵심개념을이해할수있도록쉬운예시를들어설명하고있다.고전물리학부터양자역학까지이책한권은실제로대학교몇학기분량의물리학강의내용을담고있다.이해를돕는다양한이미지,어려운내용을보충하여설명하는팁박스등을통해물리학이나양자역학에대한사전이해가없는독자들도두려움을갖지않고재미있고기묘한양자역학의세계를맛볼수있을것이다.

김상욱교수의900자로이해하는기발한양자역학소개
양자역학은원자를설명하는학문이다.원자는그크기가1억분의1센티미터정도에불과하다.이런극미의세계에서는일상의세상과완전히다른법칙이지배한다.일상에서야구공과소리는완전히다르다.야구공은입자로서위치를정확히알수있다.소리는파동으로서사방으로퍼져가며여기저기동시에존재할수있다.양자역학이보여주는놀라운특성은원자가입자의성질과파동의성질을동시에갖는다는것이다.이를이중성이라부른다.입자로서의원자는질량을가지며속도를가지고움직인다.파동으로서의원자는동시에여기저기존재하며,하나의원자가둘로갈라졌다가다시만나며간섭할수있다.
원자가이중성을갖는다는것은기존의물리법칙과모순을일으킬수밖에없는데,이런모순을해결하기위해새로운해석이필요하게된다.현재양자역학의표준해석을코펜하겐해석이라부른다.이해석에따르면원자와같은미시세계의대상들은측정하는행위가대상의성질에영향을주게된다.이때문에원자의위치나운동량과같은물리량들을동시에정확히결정하는것이불가능해진다.이를하이젠베르크의불확정성원리라부른다.불확정성원리는측정기술의한계에서오는것이아니라자연이가진본질적인한계이다.이런한계때문에자연을완벽하게기술하는것이불가능해지며이때문에물리학에비결정론이도입된다.즉,원자와같은미시세계에서미래를정확히예측하는것이원리적으로불가능하며오직확률만을알수있다는것이다.
양자역학은물리학뿐만아니라자연을이해하는철학전반에심오한영향을주게된다.양자역학의등장으로인류는원자를이해할수있게되었고,이는화학,분자생물학,유전공학,재료공학,전자공학,컴퓨터,인터넷등과같은20세기의모든첨단과학기술의밑바탕이된다.

스낵사이언스SnackScience,언제어디서든쉽고재미있게읽는유쾌한과학토크
2015년1월에스낵사이언스시리즈1,2권이동시에출간되었다.『과학하고앉아있네1:이정모의공룡과자연사』는서대문자연사박물관이정모관장이공룡에대한숨겨진이야기,공룡의멸종과인류의출현에대한이야기등으로푸근한입담을과시한다.『과학하고앉아있네2:이명현의외계인과UFO』는한국세티(SETI)이명현위원장이외계지적생명체와탐사,그리고신비한우주에대한재미있는이야기를소개한다.3권『과학하고앉아있네3:김상욱의양자역학콕찔러보기』에이어출간될『과학하고앉아있네4:김상욱의양자역학더찔러보기』는역시부산대물리교육과김상욱교수가3권에서소개한양자역학이야기에서한단계더나아가심오한양자역학의세계를깊이있게파헤칠예정이다.『과학하고앉아있네5:윤성철의별의마지막모습,초신성』은서울대물리천문학부윤성철교수가우주팽창의비밀을알려준초신성에대한흥미진진한이야기를펼칠것이다.
“시간과장소에구애받지않고즐길수있는스낵처럼,출퇴근시간이나점심시간등에10∼15분내외로간편하게문화생활을즐기는라이프스타일또는문화트렌드”를말하는‘스낵컬처(SnackCulture)’.이와마찬가지로‘과학하고앉아있네’시리즈는‘스낵사이언스(SnackScience)’를표방한다.즉,‘지금-여기’의과학적이슈와주제를골라,우리모두의폭넓은공감을추구하고자한다.과학을즐기고소비하는목적은단순히학술적접근이나상세하게파헤치며지식을쌓는것에있지않다.이시리즈는오히려그와반대로,대중의눈높이와함께하며쉽고재미있고가볍게읽는책이라고할수있다.화장실에갈때,출퇴근길지하철이나버스안에서,팟캐스트방송을재미있게듣고나서그내용을다시읽거나골라읽고싶을때언제든지볼수있는책이다.
스낵사이언스‘과학하고앉아있네’시리즈는110~130쪽분량이라읽을때부담감이없다.진행자원종우의재치있는입담과대담자로출연하는각분야과학자들의전문적이면서도재미있는토크가책을통해술술읽힌다.방송에서나온대담을그대로글로옮겨과학적인내용에대한부담감도줄어든다.진지하고심각한과학이야기가아닌가볍고편한과학이야기를언제이렇게읽을수있을까?책은가벼운분량이지만그주제와내용은결코가볍지않고,해당주제에꼭필요한부분을집약하여담아내고있기에더욱의미가크다.또한유명한과학자와과학관계자들을이시리즈를통해다양하게만나볼수있다.바로‘듣는재미를읽는즐거움으로승화’시킨시리즈라고할수있다.

‘과학하고앉아있네’는무엇?과학과대중의고품격콜라보레이션
‘과학’이라고하면막연히어렵고딱딱하고일반적인대중들과는거리감이있다고생각하기쉽다.실제로과학에관심이있어무언가를소비하려고해도,그‘막연한어려움’때문에선뜻다가서기어렵다.하지만그런대중에게성큼다가가과학은어렵고딱딱하기만한것은아님을몸소느끼게해주며,과학을함께즐길수있도록하는책이바로‘과학하고앉아있네’시리즈이다.
이시리즈는동명의과학전문팟캐스트방송을책으로엮은것이다.팟캐스트‘과학하고앉아있네’는과학전반에걸쳐다방면으로일하는[과학과사람들]이만든프로그램으로,2013년5월부터대학로벙커1에서과학토크쇼를시작하여,2015년현재까지도매주1회공개토크쇼를진행중이다.과학강의나강연등다양한프로그램과이벤트를통해과학을해석하고의미를부여하는“과학과인문학의만남”을이야기하는것이바로‘과학하고앉아있네’의주제라고할수있다.현재‘과학하고앉아있네’는팟캐스트에서조회수약500만을기록하며,최고인기과학팟캐스트로자리매김했다.
앨버트아인슈타인은“당신이알고있는것을당신할머니가이해할수있도록설명하지못한다면진정으로이해한것이아니다”라고했다.즉,‘과학하고앉아있네’시리즈는과학이어렵고딱딱한것이아니라는인식을대중들에게널리퍼뜨리는데앞장서면서,대중들과함께재미있는과학이야기를하고자하는고품격콜라보레이션을추구한다.다양한과학자및과학관계자들을공개적으로만나볼수있는장을마련하며,그들과함께하는유쾌한과학토크쇼를접할수있다는것은과학을좋아하는사람들에게는사막의오아시스와같은기쁨과즐거움으로다가올것이다.