직감하는 양자역학 : 우주를 지배하는 궁극적 구조를 머릿속에 바로 떠올리는 색다른 물리 강의

마쓰우라소

저자:마쓰우라소
게이오기주쿠대학교상학부교수.교토대학교이학부를졸업했으며,동대학에서이학박사학위를취득했다.학위취득후일본,덴마크,폴란드등여러나라의연구기관에서일했다.주요연구주제는초끈이론과수치시뮬레이션에의한초대칭게이지이론의해석이다.입자물리학자로서연구활동을계속이어왔으며,자연과학비전공학생을대상으로한물리학강의또한꾸준히진행하고있다.저서로《시간의본질을찾아떠나는물리여행》《우주를움직이는힘은무엇인가》등이있다.

역자:전종훈
서울대학교전기공학부를졸업한후도쿄대학교문부성초청장학생으로전기공학석사학위를취득했다.스웨덴과핀란드로건너가약5년간거주하며디자인공부를하기도했다.현재는엔터스코리아에서일본어전문번역가로활동하고있다.번역한책에는《비행기조종기술교과서》《비행기역학교과서》《비행기하마터면그냥탈뻔했어》《비행기구조교과서》《선박구조교과서》《처음읽는양자컴퓨터이야기》《양자야이것도네가한일이니》《로봇의세계》《인공지능의세계》등이있다.

감수:장형진
물리학자,과학및인문학작가.‘과학하는인간’대표.서울대물리학과에서입자물리학전공으로박사과정을수료했으며,서울대와가톨릭대등여러대학에서학생들을가르쳤다.자연의기저와과학의속성에관심이많은물리학자로,과학을통한개인및사회의성장과진화를고민하곤한다.과학대중화에도관심이많아서,‘과학의기원과인간의이해’라는주제로서울특별시교육청고전인문아카데미에서강사로활동했다.저서로《퇴근길인문학수업:뉴노멀》《퇴근길인문학수업:전진》《청소년인문학수업2》등이있다.웹사이트호모사이언스를운영중이다.

머리말고전물리학을넘어직감적으로양자를이해하는법

제1장고전물리의세계관
위치란무엇인가?
빠르기란무엇인가?
더는엡실론·델타논법때문에울지않는다
변화의빠르기라는사고방식
물체의움직임에적용되는이치
세계는상상속으로

제2장양자의발견
빛은입자?파동?
파동으로서의빛
물체에서나오는빛의수수께끼
물체에서나오는전자의수수께끼
플랑크의일격
아인슈타인의추격
입자로서의전자
원자의딜레마
전자,너마저!
환상의소멸

제3장빛과전자도양자이기때문에
색이보인다는것
빛이화학반응을일으킨다는것
건전지의전압이1.5V라는것
불꽃놀이가밤하늘을채색한다는것
태양의모습이그렇다는것
우리가여기에있다는것
밤하늘에별이보인다는것

제4장양자의세계로
하이젠베르크의도약
현미경의원리
전자를관찰하기위한감마선현미경
‘불확정성’이의미하는것-양자에이르는통과점
그것은사실인가?
양자의위치와측정한위치
양자의자연관
행렬이란무엇인가?
행렬의곱셈
벡터내적이의미하는것
행렬성분과내적
위치와운동량을표현하는행렬/양자의상태를표현하는벡터
물리량의기댓값은행렬성분-현실과행렬의교차점
불확정성은평균값에서떨어진정도
불확정성관계와행렬의관계
행렬역학의처방전

제5장양자의군상
행렬과벡터,어느쪽이본질?
하이젠베르크에서슈뢰딩거로
파동함수와슈뢰딩거방정식
어떤천재의양자역학-경로적분법
뉴턴역학의심연으로
함수를변수로
함수와지형
최소작용의원리
경로적분방법
현실세계는간섭이결정한다
양자역학은‘느슨한’고전역학
양자역학의풍경

제6장양자가만들어내는물질세계
기본입자는궁극적인몰개성-양자를구별할수없다
양자가두개있으면?
페르미온과보손
스핀-양자의회전
상태는‘위치’만이아니다
물체와접촉한다는것
이세상에물과공기가있다는것
도체와절연체
금속이차갑고빛나는것
터널효과-양자의‘벽통과’
알파붕괴-방사선이나오는이유
플래시메모리에숨은양자이론
주사형터널현미경

제7장양자는시공을초월하여
중첩의원리와관측
중첩과불확정성관계
슈뢰딩거의고양이와관측문제
얽힌상태
시공을초월하는얽힘
아인슈타인의반론
벨부등식과양자역학의승리
상대성이론의위기?

제8장우주의계산기양자컴퓨터
‘계산’이란무엇일까?
고전적인계산
양자비트의등장
양자비트의위력
만능양자컴퓨터
양자컴퓨터는고전컴퓨터의상위호환
양자컴퓨터는고전컴퓨터보다빠른가?
고전컴퓨터와양자컴퓨터의소인수분해
양자초월성
양자컴퓨터는고전컴퓨터를몰아낼까?
양자컴퓨터의과제와미래

맺음말양자를당연하게받아들이는시대가도래한다
부록더깊은양자공부를위한9가지수학개념

참고문헌
찾아보기

고전물리학을넘어직감적으로
양자역학을체득하는색다른강의

양자역학을직감할수있을까.언뜻이질문은말도안되는일처럼보인다.양자역학은고전물리학과다르게우리의상식과직감에어긋나기때문이다.하지만뉴턴역학으로대표되는고전물리학과결별하고,새로운직감을길러서양자역학을이해한다면어떨까.《직감하는양자역학》은놀랍게도이같은일이가능하다고말한다.
직감적이해가없다면,양자역학은고도의수학을동원해야만진정한모습을드러낸다.많은사람이양자역학을알기위해교양서를들었다가어느선에서적당하게만족하는이유도사실여기에있다.교양서에서는온갖비유를들어쉽게설명하지만,비유는비유일뿐이다.곧한계에부딪히고,단편적인이해에머물고만다.
이를뛰어넘기위해이책은새로운‘직감’을기르자고제안한다.사칙연산을단박에풀어내듯이직감을이용해양자현상을곧바로이해하자는것이다.직감은경험에서나온다.그러니직감을기르는일은양자현상을올바르게경험하는일에서부터시작한다.올바른경험이계속쌓이면직감이된다.이책은바로이‘올바른경험’을쌓는첫걸음이된다.양자의눈으로세상을바라보고이해하면서,양자역학을직감적으로체득하고자하는것이이책의최종목표다.

기존상식과직감을버리고
새로운양자직감을익히는지적모험

양자를올바르게경험하려면일단고전물리학에경도된상식에서벗어날필요가있다.이책은그래서평소우리의세계관이얼마나고전물리학에뿌리내리고있는지를살펴본다.양자세계가얼마나고전물리학과떨어져있는지를보여주려고,고전물리학의대표인뉴턴역학의토대를먼저알아보는것이다.
뉴턴역학에서는가상입자인질점의위치와운동량을계산한다.정해진위치에서운동량을구하면질점의그다음위치와속도를알수있다.그리고물체는질점의집합으로간주한다.이런일련의과정은우리에게너무나당연하며상식적인세계를구성하는바탕이된다.자동차가움직이고비행기가날아가는일모두가뉴턴역학에의해정확히계산되며,우리는이를바탕으로세계를예측하고꾸려간다.놀랍게도양자역학에서는이상식이여지없이무너진다.양자세계에서는특정한위치와운동량을동시에알수없다.위치를측정하면운동량이불확실해지고,운동량을측정하면위치가불확실해진다.뉴턴역학의전제들이무너져버린것이다.
뉴턴역학과양자역학사이의커다란차이를확인한후에는양자역학의발전역사를돌아본다.상대성이론이아인슈타인한사람에의해성립됐다면,양자역학은특이하게도수많은물리학자에의해발전했다.이때문에양자역학의역사를시간순으로따라가면미로처럼혼란스럽고복잡한양상과마주하고,존재가무엇인지묻는철학적질문과도만나는등여러어려움이곳곳에도사린다.물론독자는미리겁을먹지않아도된다.《직감하는양자역학》은독자가혼란에빠지지않도록,양자역학이어떤난맥을돌파하며발전했는지를차근차근설명한다.
‘빛은입자인가,파동인가?’오랫동안물리학계를혼란스럽게했던이질문은양자역학이란지적여정으로이어졌으며결국,빛과전자를포함한모든물질이입자나파동이아닌양자이기때문에이세상을지금모습그대로존재할수있게떠받치고있음을알려준다.우리가물체의색을볼수있는일,건전지의전압이하필1.5V인점,별과지구는물론이고동식물모두양자가아니면존재할수없다는사실등흥미로운사례와함께톺아보면서말이다.

중고등학생수준의계산과정으로
양자역학의참모습을들추다

여기서멈춘다면이책도기존물리교양서와크게다를바가없을것이다.이책의특장점이자진미는본격적으로양자역학을알아보는데에서드러난다.양자의특징인불확실성에주목해서양자역학을표현하려면무엇이필요한지를상세히살펴보며,이때필요한수학을굳이피하지도않는다.오히려수식의구조를곰곰이들여다본다.
왜냐하면우리의기존경험과인식을사용해서는양자역학을오롯이이해할수없으며,따라서아무리쉽고자세한비유를들어도완전한이해에도달할수는없기때문이다.예를들자면양자역학의대표라고흔히생각하는파동역학의이‘파동’이라는단어조차비유에불과하며양자역학의참모습은아니다.
이때문에일견어렵고불편해보이더라도양자역학을구성하는수식의구조를살펴서그의미를곱씹도록하는것이다.양자역학을성립하는과정에서물리학자들이무엇을고민했고,그고민을해결하려고어떤시도를했으며,어떤발상으로해결했는지를자세히알기회를제공한다.
물론이책은교재가아니기때문에매우높은수준의수학과설명을동원하지는않으며,계산자체는중고등학생도이해할만하다.수식은사고방식을농축한것이다.일부러계산과정을전면에서다루고,그배후에있는사고방식을소개하는이유는역시‘올바른경험’을계속쌓아서양자역학을직감적으로이해하도록만들겠다는이책의목적을달성하기위함이다.수식에농축된사고를접하는경험이‘아,그런것이었구나!’라고깊게이해할수있는발판을다져준다.이같은특장점때문에많은이가“전문서와교양서의사이를잘메워준다.”라고이책을높이평가한것이다.
이같은책의특징은행렬역학과파동역학,경로적분등은물론이고여러물성을유발하는양자의특성과시공을초월하는듯한양자의‘얽힌상태’를알아볼때도잘드러난다.이책은불완전한비유가아니라수학적내용을쌓아올려서결론에도달한다.

비전공자를위한최고의해설
교양서와전문교재의틈을메우다

과학에호기심이많다면대개양자역학을이해하고싶어서갖은노력을다해본다.처음에는입문서를읽어보고,그다음에는저명한저자의교양서를여럿읽는다.비전공자라면안타깝게도보통여기서한계에부딪힌다.개념과원리를대강이해하지만,더깊게이해하지는못한다.그러다보니직감적인이해와도거리가멀어진다.사칙연산정도라면이미초등학교에서직감을체득했기에아무런문제없이이해할수있다.그러나비유만으로양자역학을이해했다면그러한직감이작용할리만무하다.
《직감하는양자역학》은양자의눈으로현상을이해하고사고할수있도록,즉직감을기를수있도록남들이가지않은길을과감히선택했다.교양서임에도불구하고양자역학이실제로어떤수학적구조를취하고있는지,그안에물리학자들의어떤생각이응축돼있는지를보여준다.비전공자가쉽게다가가지못하는수학이라는철벽을살짝걷어내서,양자역학의참모습을조금이나마맛보게해준다.이작은차이가양자역학을이해하고자분투했던사람들에게는양자역학을조금더깊이이해하는토대를마련해줄것이다.