최소한의 양자역학

최소한의 양자역학

$22.00
Description
2025년 노벨 물리학상에 빛나는 ‘양자역학’
세계적인 권위자가 제대로 쓴 양자역학 교과서!
16세기 양자의 기원부터 21세기 양자 컴퓨터까지
입문자, 전문가 모두를 압도할 양자 대하드라마
20세기 초반 탄생한 양자역학과 그 기원에 관한 책. 지구와 우주의 모든 물질을 이해하는 데 어떻게 양자역학이 가장 큰 혁명이 되었는지, 어떻게 현대 기술의 많은 부분을 형성하게 되었는지를 정리했다. 유엔과 유네스코는 1925년 베르너 하이젠베르크가 발표한 행렬역학을 양자역학의 탄생으로 보고 그 100주년이 되는 2025년을 ‘양자과학기술의 해’로 지정했지만, 이 책은 그 기원을 16세기 시몬 스테빈에서 시작하고 그 이후 양자를 둘러싼 500년 역사를 돌아본다.

총 2부 구성 중 1부는 물리학을 수학이라는 언어로 변환한 과학자들의 성과를 들여다본다. 스테빈에 이어 ‘낙하 실험 2.0’을 통해 현대 과학의 아버지로 불리는 갈릴레이, 행성들의 궤도를 설명할 방법을 찾다가 미적분을 발명한 뉴턴, 사원수를 통해 양자역학의 수학적 기초를 마련한 해밀턴 경, 물리학에서 대칭에 관해 위대한 업적을 남긴 에미 뇌터의 이야기 등이 나온다. 16세기부터 19세기까지 양자역학의 기초를 마련한 과학자와 그 성과에 초점을 맞춘다.

2부는 본격적인 양자의 시대를 다루며, 20세기부터 21세기 현재에 이르기까지 양자역학의 전당에 오를 만한 과학자들과 그 업적에 초점을 맞춘다. 빛의 양자(광자)를 시작으로 양자 이론을 처음 정립한 플랑크와 아인슈타인, 모든 입자가 파동 묶음임을 발견하고 각 입자의 파장을 구하는 공식을 발명한 드 브로이, 양자 파동 방정식을 발명함으로써 전혀 새로운 양자의 시대를 연 슈뢰딩거, ‘행렬역학’이라는 논문을 발표해 1925년을 양자역학의 획기적인 해로 만든 하이젠베르크 등이 2부의 시작을 연다.

큐비트, 장 이론, 얽힘, EPR 역설 등 양자역학을 뒷받침하는 이론들이 ‘양자 철학’이라는 이름으로 2부 5장에서 소개된다. 슈뢰딩거의 유명한 고양이 실험도 여기 나오며 양자역학에서 중요한 개념인 ‘중첩’을 쉽게 설명하는 예로 소개된다. 6장에서는 파인만의 다이어그램, 멘델레예프의 주기율표 등 양자역학이 물리학과 화학에 어떤 획기적인 영향력을 미치는지가 설명된다.

그 밖에 양자역학의 산물인 레이저, 원자핵과 중성자, 원자폭탄, 양자 전기역학(QED), 양자 색역학 등의 발명에 얽힌 이야기들이 7장에 나온다. 지구와 우주의 근원에 대한 연구도 볼 수 있다. 하이젠베르크의 행렬역학 발명을 1차 양자 혁명이라 한다면, 1995년 6월 5일 보슈-아인슈타인 응축체 탄생일을 2차 양자 혁명의 시작이라 본다. 그 산물로 양자 암호화, 양자 컴퓨터의 원리가 펼쳐진다. 미래의 양자 컴퓨터 개발, 양자 오류 수정 등 현재 진행 중인 양자의 연구가 뒤이어 나온다.

양자역학 분야의 세계적인 연구자와, 작가이자 언어학자인 아내의 합작품이다. 물리학자와 화학자는 물론 볼테르, 괴테 같은 인문학자까지 무수히 많은 학자가 양자역학의 줄기로 책에 등장한다. 양자역학은 천재 물리학자가 어느 날 번뜩이는 영감으로 발명한 학문이 아니라, 서로의 어깨 위에 올라선 거인들 덕분에 탄생한 학문임을 보여준다.

전 고등과학원 교수이자 한국양자정보학회 초대회장인 김재완 박사는 “양자역학을 제대로 표현하기 위해 사용되는 수학 뒤 숨은 의미를 설명해 주는 책”이라 하고, 캘텍 파인만 이론물리학 교수인 존 프레스킬은 “다른 어떤 물리학 책과도 비교할 수 없는 책”이라며 이 책을 강력 추천했다.
저자

프랑크베르스트라테,셀린브뢰카에르트

저자:프랑크베르스트라테(FrankVerstraete)
벨기에의양자물리학자.케임브리지대학교응용수학및이론물리학과(DAMTP)리트랩넬(LeighTrapnell)교수,겐트대학교물리학부교수.양자다체계에서텐서네트워크와얽힘이론의사용을개척한선구자로,양자역학분야에서세계적인연구자다.오스트리아노벨상이라고도불리는리벤상(LiebenPrize),프랑키상(FrancquiPrize)을비롯해여러권위있는상을수상했다.

『최소한의양자역학(Waaromniemandkwantumbegrijpteniedereenertochietsovermoetweten)』은그의첫책으로언어학자이자작가인아내와공동집필했다.전세계8개언어로번역출간된세계적인베스트셀러다.

저자:셀린브뢰카에르트(CelineBroeckaert)
로망어언어학자이자극작가이며작가.다큐멘터리영화를사회변화와생태인식의수단으로활용하는단체필름팩트(Filmpact)공동창업자다.『최소한의양자역학』에서물리학자인남편의글을일상언어로쉽고흥미롭게풀어냈다.

역자:최진영
네덜란드레이던대학교항공우주법학과에서학생들을가르치는동시에왕립네덜란드항공우주연구소의컨설턴트로근무중이다.현재번역에이전시엔터스코리아에서출판기획및네덜란드어전문번역가로활동중이다.역서로는『최소한의양자역학』『별나고신기한321가지공머리잡학사전』『어디서도상영되지않는영화』『우리가미처몰랐던동물의감정』『13살을위한놀라운동물사전321』등다수가있다.

어린시절,수많은전학과이사로도부족해네덜란드까지건너가그이름도생소한항공우주법학을공부했다.다양한국적,다양한언어를사용하는사람들과부대끼며얻은것은국가와언어를초월해그사람을이해하는능력이다.그이해력이다른문화의작품을소개하는데가장중요하다는신념으로번역에임하고있다.

목차

물리학자의서문
작가의서문
이책을읽는법

1부|수학

1장수학의불합리한효율성
1.1아리스토텔레스의왕좌는어떻게무너졌나
1.2갈릴레오갈릴레이의발견
1.3사자는발톱으로알아볼수있다
1.4수리수리미적분

2장대칭
2.1대칭의질서
2.2대칭이깨어질때
2.3대칭구조뒤에있는군(群)
2.4드럼과원자들

2부|양자

3장입자의(불)가능성
3.1정답을찾아서
3.2빛,파동이자입자
3.3최초의원자모형들
3.4입자와파동묶음
3.5이중슬릿실험으로본양자역학
3.6하이젠베르크의현미경

4장첫번째양자혁명
4.1파동의수용
4.2정보의파동
4.3두개의슬릿에관한이론적설명
4.4양자터널링
4.5행렬역학
4.6아름다움은진리요,진리는아름다움이니
4.7큐비트가된스핀슈테른

5장양자철학
5.1양자헛소리
5.2얽힘
5.3보어vs아인슈타인
5.4EPR역설
5.5슈뢰딩거가자기고양이를보내다
5.6누가고양이에게방울을달까?
5.7맥락성

6장하나,둘,많음
6.1입자의비구별성
6.2호텔힐베르트
6.3원자와분자
6.4단단한물질
6.5양자색깔
6.6보스,아인슈타인,그리고레이저

7장푸딩과커드
7.1아원자물리학의실험들
7.2아원자물리학의이론
7.3우리는모두별에서왔다

8장많아지면앤더슨이나선다
8.1창발
8.2재규격화
8.3초전도
8.4완벽성의발견

9장2차양자혁명
9.1양자측정기술
9.2양자시뮬레이션
9.3양자정보
9.4양자복잡성
9.5양자컴퓨터
9.6양자오류
9.7양자재구성과얽힌입자

에필로그
감사의글
용어설명
찾아보기

출판사 서평

양자역학은이해할수있으며
누구나이해해야할분야다!

유명한물리학자파인만은“양자역학을이해한사람은아무도없을것”(1964년코넬대강연중)이라고단정했다.그러나양자역학은결코이해할수없는것이아니라며파인만의말에반기를드는책이나왔다.바로벨기에출신의물리학자와그의아내가함께쓴『최소한의양자역학』이다.“대칭,배타원리또는불확정성원리와같은몇가지기본아이디어를이해함으로써누구나원자세계와연결될수있다.(…)양자역학은난해하고직관에반하는학문이지만이점을이용해서신성화해서는안되며대중서적은이런신성화를막을의무가있다.”라고물리학자인저자는책을쓴배경에대해말한다.

공저자인또다른저자는우리가양자역학을반드시이해해야하는한가지이유로“양자역학은문학,음악,연극,영화등과마찬가지로이미부인할수없는문화의일부다.”라고말한다.슈퍼마켓셀프계산대앞에놓인레이저,암치료에필수적인MRI,대륙너머지구촌이웃과소통하는스카이프등은모두양자역학의산물이다.“음악도완전히이해할수는없지만즐길수있는”것처럼“양자물리학자들도양자역학을완전히이해하지못해도양자역학과함께일하고살아가는법을배울뿐”이라며독자들에게이책을즐기라고말한다.

양자역학을탄생시킨급진적인정신

본문을시작하는첫에피소드는16세기시몬스테빈의낙하실험이다.납으로된공하나와,그보다10배더무거운납공하나를9미터높이에서동시에떨어뜨리는실험이었다.두공은확실히한번의‘쿵’소리를내며동시에떨어졌고스테빈은“아리스토텔레스의이론은틀렸다.”라고결론을내린다.

저자는이를아리스토텔레스이후2천년동안이어져온잘못된믿음을깨트린대담하고도급진적인사건으로보고,“양자역학을탐구하려면스테빈의급진적인정신을본받아야한다.”고말한다.베르너하이젠베르크와에르빈슈뢰딩거가양자역학의선구자가될수있었던것도스테빈의이런정신의유산을이어받아고전물리학계를완전히뒤흔들어놓은덕분이라고저자는평한다.

갈릴레이는스테빈의영향을가장많이받은학자로서‘낙하실험2.0’을진행했고자연을설명하는열쇠로수학을찾아냈다.이는당시혁명적인통찰로,수학덕분에과학은비로소객관성과불변성을획득하게된다.“갈릴레이는물리학을수학으로변환하고이를철학과종교로부터분리시켰으며,이로인해교회와다른회의론자들의분노를사게되었다.수세기후,양자역학은그극단적인응용이되었다.”라고저자는말한다.이성과를바탕으로뉴턴은미적분공식을발명했고그덕분에입자의과거와미래를알수있게됨으로써드디어양자연구의길이열린것이다.

두차례에걸친양자혁명이란?
양자가바꿔놓은현재,양자가바꿀미래

첫번째양자혁명은1925년베르너하이젠베르크가발명한‘행렬역학’이다.행렬역학은양자역학의수학적기초를이룬다는점에서매우중요한발견이다.하이젠베르크의발명품인사원수와행렬역학은오늘날스마트폰,게임콘솔,디지털화면처리기술에서핵심역할을한다.구글의페이지링크알고리듬,헤지펀드에서사용하는알고리듬,챗GPT,날씨예측,구글맵에도이기술이활용된다.

하이젠베르크의이연구를가능하게한것은슈뢰딩거가발견한파동함수로슈뢰딩거방정식이라고도한다.“슈뢰딩거방정식은완전히새로운시대의서막을열었다.이책에서다루는모든내용은,적어도수학적관점에서보면,직접적이든간접적이든모두이하나의방정식을응용한것이다.슈뢰딩거자신도몰랐던것은,다른사람들이(그리오랜시간이지나지않아)그의마법같은방정식을사용해물질전체를완벽히설명할수있을것이라는사실이었다.초전도현상과핵력,그리고사실상모든물질까지말이다.”라고저자는말한다.

2차양자혁명의시작은1995년6월5일콜로라도볼더의실험실에서최초의보스-아인슈타인응축체가탄생한것으로공식기록되었다.곧이어단두개의큐비트로구성된최초의양자컴퓨터프로토타입이만들어졌다.그때부터“전세계가양자의매력에빠져들었다.”라고저자는말한다.“원자시계는100%양자적”이라며“위성에원자시계가탑재되지않았다면GPS는아예작동하지않았을것”이라고저자는말한다.

저자는“점점작아지는컴퓨터트랜지스터에서발생하는골칫거리로여겨지던양자효과를건설적으로접근한최초의인물”로리처드파인만을꼽는다.파인만은“바닥에는충분한공간이있다”라는제목의강연을통해미세화의중요성과그로써발생하는모든장애물과기회를강조했다.이어축소의한계,양자적한계에직면한칩제조업체들에도전이될만한내용이펼쳐진다.상온초전도체에대한꿈을꿀수있는혁신적인기술또한양자역학에근거한다.

이외에도양자시스템을활용한정보기술과컴퓨팅분야의혁신이나온다.양자컴퓨터란정확히무엇일까?책은기술적인관점에서양자컴퓨터의정확한정의를기술한다.나아가양자컴퓨터가고전적컴퓨터보다효율성에서우위를갖는이유를기술적으로자세히설명한다.

2차양자혁명시대를살고있는지금양자컴퓨터를실제로만들어내는설계와시스템개발에구글,아마존,마이크로소프트,인텔,IBM같은IT대기업들이큰투자를하고있다.현재로서양자컴퓨터가실제로의미있는문제를해결하는것은여전히먼꿈이라고한다.많은큐비트가상호작용하도록만드는데기술적한계가여전하기때문이다.그한계와돌파구에대해책은자세히설명한다.

“양자컴퓨터가,수많은기대와천문학적인자금이투입되고있음에도불구하고,결국실현되지않는다면그것은물리학에어떤의미가있을까?”저자는이렇게물으며양자컴퓨터를구현하는데가장큰도전에대해설명을이어나간다.자연스레오류수정의개념으로이어진다.오류수정의정확한의미를최대한쉽고자세히설명한다.남은문제는이오류수정시스템을양자시스템에통합하는것인데,그장애물에대해기술적으로자세히설명한다.오류수정을해결할수있는두가지가능성도설명한다.

양자와중력이만나면서생긴가장유명한역설중하나인스티븐호킹의블랙홀연설대목도매우흥미롭다.“호킹은블랙홀안에서되돌릴수없는일이일어난다고확신했다.일단들어가면끝이다.영원히사라진다.블랙홀의증발은당시일반적으로받아들여지던양자역학과중력물리학의원리들과양립할수없다고생각했다.그의관점에서는양자역학의기초가철저히재검토되어야했다.”며호킹과존프레스킬의내기로이야기를이어간다.프레스킬의시각은매우양자적이었고,따라서그의입장은호킹과정반대였다.이들의내기에서승자는누구일까?9장에그답이있다.

책의모든내용을다이해하는독자는없을것이고그럴필요도없다.매우전문적인내용을다루는부분도있지만,많은부분은일반독자도쉽게이해할수있도록풀어썼다.초급자도전문가도충분히만족할만한구성과내용이다.우리의현재는이미양자역학에많이의존하고있고,미래도양자역학의연구에많은부분이달렸다는사실을이책을통해실감하게될것이다.

전고등과학원교수이자한국양자정보학회초대회장인김재완박사는“양자역학을제대로표현하기위해사용되는수학뒤숨은의미를설명해주는책”이라하고,캘텍파인만이론물리학교수인존프레스킬은“다른어떤물리학책과도비교할수없는책”이라며이책을강력추천했다.