김상욱의 양자 공부 : 완전히 새로운 현대 물리학 입문 (양장)

김상욱

경희대학교물리학과교수.예술을사랑하고미술관을즐겨찾는‘다정한물리학자’.카이스트에서물리학으로박사학위를받았고,독일막스플랑크연구소연구원,도쿄대학교와인스부르크대학교방문교수등을역임했다.주로양자과학,정보물리를연구하며70여편의SCI논문을게재했다.tvN[알쓸신잡시즌3],[금요일금요일밤에]등에출연했고,[동아일보],[경향신문]등에연재를했으며,아시아태평양...

프롤로그모든것은원자로되어있다7

1부
1장양자역학의하루21
2장양자역학의핵심,양자중첩27
3장슈뢰딩거고양이는누가죽였나?43
4장문제는원자가아니라인간!57
5장과학역사상가장기이한도약83
6장이론이결정한다!101
7장신은주사위를던진다117
8장불확정성원리의불확정성?133
9장EPR패러독스,양자얽힘145

2부
10장양자역학없는세상161
11장양자역학에카오스는없다179
12장세상에서가장강력한양자컴퓨터195
13장다세계해석:양자다중우주209
14장생명의양자도약219
15장비트에서존재로:itfrombit229

에필로그양자역학사용설명서250
감사의말265

더읽을거리양자세계를여행하는히치하이커를위한가이드269
양자역학용어해설279
후주291
찾아보기304

대한민국대표과학커뮤니케이터김상욱교수와함께하는
감각적이고유머러스한양자공부

한가지사실은분명하다.세상에서일어나는모든일들을이해하기위해서는그모든것을이루고있는원자를이해해야한다.원자의세계에서일어나는현상을설명하는과학이바로이책의주제인양자역학이다.이쯤되면양자역학이궁금해질법도한데.―본문에서

이책은크게두가지이야기로구성되어있다.원자세계의기묘한현상을직면한닐스보어,알베르트아인슈타인(AlbertEinstein),베르너하이젠베르크(WernerHeisenberg),에르빈슈뢰딩거(ErwinSchrodinger)등물리학의‘어벤저스’가펼치는흥미진진한1부와,양자컴퓨터,양자생물학등무한한가능성을가진양자역학의미래를들려주는2부가그것이다.
1부의시작인1장「양자역학의하루」는양자공부를막시작한독자가긴장감을풀수있도록저자가특별히만든가상드라마이다.양자열차,펠묜국수,보손카페등도무지납득할수없는세계가펼쳐진다.하지만양자공부를모두끝내고다시이드라마를시청한다면‘양자역학을좀아는’사람만이느낄수있는새로운재미를발견할수있다.저자가독자들을위해양자역학이해의지표를마련해놓은셈이다.2장「양자역학의핵심,양자중첩」은양자역학의핵심개념인‘중첩’을설명하며본격적으로독자의머리를지끈하게만든다.현재양자컴퓨터의정보처리기본단위큐비트(qubit)를있게한핵심개념이기도한만큼중첩은양자공부를해나가기위해반드시거쳐야할첫번째관문이다.3장「슈뢰딩거고양이는누가죽였나?」에서는누구나상식처럼여기지만사실은잘모르는슈뢰딩거고양이역설,스티븐호킹(StephenHawking)마저도해결을포기한기묘한사고실험을통해중첩의신비를맛볼수있다.
결국물리학자들은양자역학을받아들이기위해직관을포기하기로했다.(4장「문제는원자가아니라인간」)이제입자가중간과정없이도약하고(5장「과학역사상가장기이한도약」),관측전에는실재하지않는다는것이양자역학의주류해석이되었다.(6장「이론이결정한다!」)이것을코펜하겐해석이라고하는데,이에동조하는보어,하이젠베르크측과아인슈타인,슈뢰딩거측을중심으로대논쟁이벌어지게된다.바로솔베이논쟁이다.특히아인슈타인은존재의본질이확률분포함수이고그규칙에따라관측될때비로소실재할수있다는,당시로서는극단적인확률해석을전적으로부정했다.하지만오늘날의과학은보어와하이젠베르크가옳았음을증명하고있다.역사상가장위대한물리학자아인슈타인은양자역학에있어서만큼은영원한패배자로남았다.(7장「신은주사위를던진다」)각각광양자설과파동역학이라는,양자역학의토대를세운아인슈타인과슈뢰딩거조차직관의덫을극복하지못했다는사실은양자역학이얼마나어려운지다시한번보여준다.
이후하이젠베르크의불확정성원리가양자역학의대전제로자리잡을동안(8장「불확정성원리의불확정성?」)아인슈타인은회심의반격을준비하고있었다.보리스포돌스키(BorisPodolsky),네이선로젠(NathanRosen)과함께발표한EPR논문을통해코펜하겐해석의맹점을집요하게파고들었다.EPR역설로불리는이것은슈뢰딩거고양이역설보다도훨씬지독하게양자역학의기본전제를위협한사고실험인만큼,궁금한이들은9장「EPR패러독스,양자얽힘」을살펴보기를바란다.특히이장은아인슈타인이코펜하겐해석의모순점을설명하기위해고안했던개념‘얽힘’을다루고있다.역설적이게도얽힘은안톤차일링거(AntonZeilinger)에의해실험적으로증명되어현재양자컴퓨터와묵자호로대표되는양자통신기술의이론적기반이되었다.
모순속에서살아남은중첩과얽힘,코펜하겐해석과불확정성원리를모두공부했다면양자역학의과거를‘어느정도’이해한셈이다.

정보이론,뇌과학,우주론등모든현대과학을포괄할
궁극의학문을미리경험하라!

양자역학은첨단이론인지는몰라도일상생활과상관없는것으로보일수있다.하지만안타깝게도(?)우리주위에널려있다.양자역학은원자를설명하는이론이고,세상모든것은원자로되어있다.따라서주위에보이는모든것에서양자역학이작동한다고보면된다.―본문에서

2부에서는이렇게탄생한양자역학의현재와미래를이야기한다.10장「양자역학없는세상」은양자역학이세상을구성하는기본단위를설명하는이론임을상기시킨다.화학,반도체공학등에서사용하는이론이양자역학을통해어떻게더근본적수준의설명으로환원되는지살펴볼수있다.여전히아리송한양자역학이현대과학의정점이라는사실을비로소이해할수있을것이다.
이제더고급스러운양자역학을원할독자들을위해양자카오스,양자컴퓨터,양자다중우주,양자생물학,양자정보물리학을다루는챕터들이준비되어있다.11장「양자역학에카오스는없다」에서는양자역학이미시세계를넘어거시세계까지포괄적으로설명하기위해반드시극복해야하는‘양자카오스’에대해다룬다.양자홀효과등일상세계에서펼쳐지는기묘한양자현상을간접적으로경험할수있다.
12장「세상에서가장강력한양자컴퓨터」에서는1부에서설명한중첩과얽힘을이용한차세대정보이론을다룬다.0또는1로구분되는비트가아니라0과1의중첩상태인큐비트를이용한정보처리방식,얽힘을이용해효율을극적으로높일전송방식을소개한다.앞서말한구글양자컴퓨터와중국묵자호출현의진정한의미를체감할수있을것이다.
13장「다세계해석:양자다중우주」에서양자역학은우주론까지넘본다.허무맹랑한평행우주가설로치부되었던다세계해석은최근끈이론의아버지레너드서스킨드(LeonardSusskind)가주장하고스티븐호킹이동조한‘우주의풍경’이론과일맥상통하는면이있다.우주론의새로운패러다임일지도모를양자우주론을미리맛볼수있다.
14장「양자생물학」은아직가설단계이지만식물광합성의압도적인에너지효율을설명하거나인간뇌활동에중첩을도입해정신작용의본질적메커니즘을규명할지도모를미래의양자역학을소개한다.양자역학의기초만훑는것이아니라최전선까지맛볼수있는만큼제대로된양자공부가가능하다.
15장「비트에서존재로:itfrombit」는정보를정량측정하는공식이엔트로피공식과같다는우연한발견과,열역학법칙을무너뜨리지않기위해정보를물리적대상으로간주해야만하는사고실험을소개한다.양자역학으로바라본우주는결국‘정보우주’라는결론에도달한다.즉양자역학이우주의본질까지탐색하는가장근본적인학문이되어가고있다는뜻이다.

양자세계를여행하는히치하이커를위한최적의안내서

저자가직접창작하거나패러디한시(「사랑의양자역학」,「퀀텀소네트」,「퀀텀하이쿠!」)를만나보는재미도있다.철학하는물리학자라는별명에걸맞게문학과과학을모두녹여내며양자공부의쉼터이자윤활유가되어준다.
앞서말한부록「양자역학사용설명서」를통해15개의다채로운양자역학이야기를복습하고활용하는법을익힘으로써양자시대구성원이되기위한마무리공부를할수있다.「양자세계를여행하는히치하이커를위한가이드」에서는양자공부의외연을넓히기위해저자가직접양자역학책들을추천해준다.낯선용어와개념이자주등장하는만큼「양자역학용어해설」을자주참고하길바란다.양자공부를마쳤으면다시드라마「양자역학의하루」로돌아가보길추천한다.경험해보지못한앎의기쁨이숨어있다.
모든것을이루는원자,그리고그것을설명하는유일무이한학문양자역학은가장중요한동시에가장어려운학문이다.때문에저자는학교와미디어에서쌓은과학교육경험을바탕으로,처음부터끝까지수월한공부가가능하도록견고하고치밀한구성방식을찾아냈다.저자의박사과정지도교수이자양자정보학의대가인이해웅유니스트교수가인정하고,‘양알못’방송인김제동역시재미있다고극찬한것은바로이때문이다.
플랑크가최초의양자이론으로노벨상을받은지100년이지날동안수많은양자역학이야기가누적되어왔다.때문에국내에서수십년동안양자역학전공서,역사서,철학서등이끊임없이쏟아져나왔지만,양자역학의모든것을대중의눈높이에맞게적절히녹여낸책은『김상욱의양자공부』가유일하다.12월20일(주)사이언스북스에서진행하는양자역학독자이벤트“양자번개”를포함해출간후저자오프라인양자역학강연이꾸준히이어질것이므로양자역학입문자들에게는더없이좋은기회가온것이다.양자역학이지배하는사회에서살아가기위해가장먼저찾아야할양자역학사용설명서가바로여기에있다.