양자역학교양서의결정판.―이해웅(유니스트교수)
말이안되는것이웃기고재미있다.
그래서양자역학은어렵지만재미있다.
웃음은양자역학이다.―김제동(방송인)
양자시대,양자우위를점하기위한양자공부의바이블
오는2018년은새로운‘양자시대’원년이다.100년전인1918년,물리학자막스플랑크(MaxPlanck)는가열된금속의빛깔(빛의파장)만으로온도를알아내기위해만든최초의양자이론으로노벨상을받았다.그리고현재,불과한세기만에양자역학은용광로를벗어나전세계전산망과금융망을작동시키는엔진이되었다.
구글사는올해슈퍼컴퓨터의성능에버금가는양자컴퓨터를구현하겠다고선언했다.중국물리학자판지엔웨이(潘建?)연구팀은‘양자굴기(量子?起)’를내세운자국정부의막대한지원을받아세계최초양자통신위성묵자(墨子)호를성공적으로쏘아올렸다.우리나라또한4차산업혁명의이론적기반이자원천기술로서양자역학의중요성을실감하고있다.‘양자우위’를두고벌이는세계각국및초거대기업들의새로운경쟁은본격적인양자시대의개막을알리고있다.
따라서새로운사회구성원들은그동안어렵다는이유로외면했던‘양자공부’를당장시작해야만하는시점에서있다.일찍이이런시대변화를예견했던고급과학독자들은양자공부의바이블을찾고자노력했다.그러나새로운패러다임의수학,비직관적인자연현상,수많은이론가들의모순되는해석들위에세워진양자역학을단한권에담아낸교과서를좀처럼찾을수없어많은이들이아쉬워했다.
양자시대원년을앞두고(주)사이언스북스에서펴낸『김상욱의양자공부』는이런아쉬움을한번에해결해줄,양자공부의바이블이다.원자세계의기묘한현상들을설명하는양자역학의탄생부터최전선까지모든역사와20세기물리학의‘제자백가’들이펼치는이론과법칙을마음껏만끽할수있도록단한권에담았다.복잡한수학을일상언어로풀어쓰고중첩,도약,얽힘등낯선개념을비유와시각자료를곁들여쉽고정확하게이해시켜주는,양자공부의정수를마침내발굴해낸것이다.EBS특별기획「통찰」의“자연의예측가능성양자역학”,YTN사이언스「양자역학의양자택일」,팟캐스트「과학하고앉아있네」의“김상욱의양자역학콕찔러보기”등의방송강연활동과《동아일보》,《경향신문》등주요일간지에서양자역학을주제로한연재활동을꾸준히해온대한민국대표과학커뮤니케이터김상욱부산대학교물리교육과교수가나선만큼,모든사람을위한양자역학사용설명서라고할수있다.
이책은저자가《과학동아》에서연재해과학독자들의사랑을한몸에받은「양자역학좀아는척!」의에피소드들을취합하고발전시켜만든역작이다.어려운개념을정확한정의와유머러스한비유를통해차근차근이해시켜나가는방식으로대중으로부터압도적신뢰를받아온저자의개성을극적으로살린책이다.또한흥미와호기심을자극하는가상드라마「양자역학의하루」를통해양자역학의진입장벽을과감히허물었다.100년에걸친,이해불가능한현상들을설명하려는물리학자들의흥미진진한이야기를따라가다보면자연스레양자적사고능력을갖출수있다.
새로추가된부록「양자역학사용설명서」와「양자세계를여행하는히치하이커를위한가이드」를통해독자들로하여금복습과활용의기회,그리고양자공부의확장을위한지침을제공한다.또한저명한일러스트레이터토끼도둑이출간작업에참여해매챕터마다20세기초아르데코풍의감각적이고심오한일러스트들을선보임으로써자연스레독자들을양자역학역사의현장속으로데려간다.솔베이회의기념사진,닐스보어(NielsBohr)의작위문장및생전마지막칠판낙서등생동감넘치는기록들과,양자광합성이나실라르드정보엔진등낯선개념들도효과적으로전달해주는그림들을추가하면서,어려운내용을독자편의적으로탈바꿈시켰다.
김상욱교수는카이스트에서물리학학사,석사,박사학위를받았다.현재양자정보학국내1인자이해웅당시카이스트교수의지도아래박사학위를받고현재까지양자역학,정보물리학을전문적으로연구해60여편의SCI논문을게재했다.포항공과대학교,카이스트,독일막스플랑크연구소,서울대학교를거쳐현재부산대학교물리교육과교수로재직중이다.도쿄대학교,인스부르크대학교방문교수를역임했다.과학저술활동은물론언론,방송등을통해서도대중과활발히소통하며‘철학하는물리학자’라불리고있다.
저자가JTBC「김제동의톡투유」에패널로출연해인연을맞은방송인김제동역시양자역학은어렵지만“김상욱쌤의이책은재미있다.”라고말한다.양자공부에있어서대부분의사람들이김제동과다르지않다.이책에서도저자는처음부터끝까지양자역학이어렵다고솔직담백하게말한다.하지만동시에세상에서가장정확하고아름답고심오한학문이라는사실또한독자스스로깨닫도록만든다.난해하지만이해하게되는,비직관적이지만통찰하게되는‘양자도약’을경험해보기를바란다.
양자역학교양서의결정판.―이해웅(유니스트교수)
말이안되는것이웃기고재미있다.그래서양자역학은어렵지만재미있다.웃음은양자역학이다.―김제동(방송인)
이제양자역학을두껍고높은벽너머가아니라내가만지고넘겨볼수있는울타리곁에!―이정모(서울시립과학관관장)
양자역학의은하계를여행하는히치하이커를위한최적의안내서.―이권우(도서평론가)
균형감있게양자역학의세계를맛볼수있는편식없는식탁.―이명현(천문학자)
너희한테는파인만이있지?우리한테는김상욱이있다!―강양구(과학전문기자)
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.양자역학으로바라본우주는
