케네스 포드의 양자 물리학 강의 (개정판 2 판)

케네스W.포드

저자:케네스W.포드KennethW.Ford
핵구조이론에서뛰어난성취를이룬미국의이론물리학자.미국물리학회(AIP)의학회장및운영위원장을지냈다.저명한물리학자존휠러의휘하에서수학한그는프린스턴대학교에서물리학박사학위를받았다.이후로스앨러모스국립연구소에서수소폭탄연구에참여했으나베트남전쟁발발후더이상무기개발에참여하지않겠다고선언하며학계로돌아갔다.1964년캘리포니아대학교어바인물리학부의초대학부장을지냈으며보스턴대학교교수를거쳐,1975년뉴멕시코공과대학교학장으로부임했다.1972년에는미국물리교사협회(AAPT)회장을,1987년부터1993년까지미국물리학회운영위원장및학회장을지냈다.2006년에는리처드파인먼과칼세이건,프리먼다이슨등이수상한,미국물리교사협회가최고의물리교육자에게수여하는외르스테드메달을수상했다.저서로존휠러와공동집필한《게온,블랙홀,양자거품(Geons,BlackHoles,andQuantumFoam)》,《양자:101가지질문과답변(101QuantumQuestions)》등이있다.《케네스포드의양자물리학강의》는포드가미국명문사립학교저먼타운아카데미의학생들에게강의했던내용을묶은책으로,노학자의연륜과지혜가빛나는책이다.

역자:김명남
KAIST화학과를졸업하고서울대환경대학원에서환경정책을공부했다.인터넷서점알라딘편집팀장을지냈고,지금은전문번역가로활동하고있다.옮긴책으로《시크릿하우스》,《이보디보》,《불편한진실》,《특이점이온다》,《한권으로읽는브리태니커》,《똑똑한음식책》,《내안의물고기》,《우리는모두페미니스트가되어야합니다》,《암흑물질과공룡》등이있다.《우리본성의선한천사》로제55회한국출판문화상번역상을수상했다.

옮긴이서문·5
1사물의표면아래·13
2얼마나작아야작다고할수있을까?얼마나빨라야빠르다고할수있을까?·25길이|속도|시간|질량|에너지|전하|스핀|측정단위들
3렙톤들을소개합니다·61전자|전자중성미자|뮤온|뮤온중성미자|타우|타우중성미자|중성미자의질량|왜세가지맛깔일까?더있는건아닐까?
4나머지대가족의식구들·115쿼크|합성입자들|힘운반자들:현상을일으키는입자들|파인먼도표
5양자덩어리들·151전하와스핀|색전하|질량|에너지
6양자도약·181
7사교적입자들과비사교적입자들·209페르미온|보손|왜페르미온과보손인가?
8항구성에대한집착·243불변원리들|절대적보존법칙과불변원리|부분적보존법칙과불변원리|대칭
9파동과입자·291드브로이방정식|원자의크기|파동과확률|파동과알갱이성|파동과비국소성|중첩과불확정성원리|파동이꼭필요한가?
10한계를넘어·343양자물리학과우리가사는세상|반물질을활용한다?|중첩과얽힘|선택지연|양자역학과중력|기괴한이론

감사의말·385
부록
A단위와크기·388
B입자들·390
C노벨상을향한전력질주·394
D대담한개념들및복습문제와도전문제의정답·396
찾아보기·424

미국최고물리학자의양자물리학강의

세계적인물리학자들조차길을잃고헤매는양자세계를이해하려면어떤선생님을만나야할까?물론좋은선생님이다.학창시절을떠올려보면알수있듯이좋은선생님도가지가지이다.재미있는농담을곁들여학생들의흥미를불러일으키는선생님이있는가하면,시험에나오는요점만을꼭꼭짚어주는족집게선생님도있다.《케네스포드의양자물리학강의》의저자케네스W.포드는한마디로큰그림을그려보이는선생님이다.양자이론에관한대개의책들이시간에따른연대기적서술을취한다.그러나그러다보면지나간이론들이현재의이론보다더깊이머리에남거나,이론의현재적의미에대해상대적으로소홀하기쉽다.양자이론을소개한책들이하나같이비슷해보이는이유이기도하다.

포드는대신거두절미하고우리를아원자입자들의세계로초대한다.입자들을중심으로이야기를푸는까닭은‘가장작은것과가장날랜것’을다루는양자이론은입자들의행태로설명할때그활용과의미가가장쉽게드러나기때문이다.

포드는리처드파인먼,칼세이건과함께미국최고의물리교육자에게수여하는외르스테드메달을수여받기도하였다.캘리포니아대학교어바인,보스턴대학교등에서교수를역임하고뉴멕시코공과대학학장,미국물리교사협회(AAPT)회장,미국물리학회(AIP)학회장등의굵직한요직을거친뒤,포드는자신의마지막이력으로미래의아인슈타인,파인먼이될젊은이들을가르치고집필에전념하는길을택했다.이책은바로이런학생들을대상으로강의한내용을묶은것으로,어렵다고피해가지않고차근차근설명하는연륜과지혜가빛난다.제자들에게미리읽혀독자들의눈높이를세심하게맞추었으며,아낌없는성원을보낸동료교사들의충고도잊지않았다.양자세계의주요한개념들을먼저설명하고,지금까지물리학자들이발견한입자가족들을소개하며,양자이론에대한복습문제와도전문제로이해정도를짚어보게하는마지막장에이르기까지,독자들은곳곳에스며든저자의손길을느낄수있을것이다.

아인슈타인도두손든기묘하고경이로운양자의세계

“신은주사위놀이를하지않는다.”아인슈타인의말이다.빛이입자의속성과파동의속성을동시에갖고있음을밝혀양자혁명에불을댕겼지만,아인슈타인자신은끝까지양자이론을받아들이려하지않았다.‘블랙홀’,‘양자거품’과같은용어를만든미국의물리학자존휠러는여든아홉에심장발작을일으켰을때이렇게말했다.“살날이얼마남지않은것같으니,남은시간은양자에대해생각하는게좋겠다.”누구보다깊게양자역학을이해했던정력적이고명석한미국물리학자리처드파인먼이한말은또어떤가?“내게물리학수업을듣는학생들도양자를이해하지못합니다.나부터이해하지못하니까요.”
1900년,‘진동하는전하가방출하는복사에너지는덩어리져있다(양자화量子化되어있다)’는막스플랑크의주장으로양자혁명이시작되고거의한세기가흘렀다.원자로,핵폭탄,주사터널링현미경,레이저,마이크로회로,그리고미래의양자컴퓨터에이르기까지우리주변에는양자이론을성공적으로활용한사례들이넘쳐난다.그런데과학자들은왜여전히양자이론을‘기괴한이론’이라부를까?그들은왜언젠가는양자이론보다더나은새로운이론이등장하리라고믿고있는것일까?

몹시작고몹시날랜것들의세계에오신것을환영합니다!

더이상쪼개지지않는다하여‘아톰’이라불렸던원자는이제산산이쪼개진다.원자핵은양성자와중성자로,양성자와중성자는쿼크와글루온으로,쿼크와글루온들은또무엇으로구성되어있을까?양자의세계는어디에서끝날까?

우리가경험하는일상적인세계들을돌아보자.고체는단단하고,시계들은모두같은시각을가리키며,물체의질량은충돌하기전과후에도변함이없고,자연은예측가능하다.충분히정확한정보를입력하면결과에대한믿을만한예측을얻을수있는것이다.하지만몹시작은것과몹시날랜것들의세계로들어가보면어떨까?
오늘날물리학자들이구축한아원자입자들의표준모형에는렙톤,쿼크,힘운반자로나뉘는스물네가지기본입자들이있다.이너무작아만질수없고너무빨라볼수없는기본입자들의세계를다스리는법칙은경험세계의상식과는너무나다르다.이세계에서고체는대체로텅빈공간이고,시간은상대적이며,질량은충돌을겪은뒤늘거나줄고,입력된정보가아무리완전해도결과는확률의법칙을따른다.이책에서다루고있는극히작은세계를지배하는기괴한법칙들을몇개만살펴보자.

인간이탐사한가장작은세계와가장큰세계의차이는얼마나될까?

과학자들은원자를쪼개고또쪼개며인간이탐사할수있는가장작은영역에도전하고있다.인간이탐사한가장큰영역과가장작은영역의차이는얼마나될까?현대도시인들이매일출퇴근하거나통학하는거리가약10킬로미터(대략서울시청에서강남까지의거리이다)쯤된다고가정하자.이거리는과학계에알려진최장거리와최단거리의한가운데이다.여기에1022를곱하면우주의반경(140억광년,1026미터)이되고,1022를나누면현재탐사가능한최단거리(10-18미터)가되는것이다.1022(100해,곧10에0이22개나붙은수이다!)는얼마나큰수일까?그만큼의날을출퇴근한다면,우리는무려우주나이의20억배만큼회사에다녀야한다.그만큼의사람이은하에흩어져산다면,행성이1조개넘게필요할것이다.1022는대략따져서우주에존재하는모든별들의수와맞먹고,한모금의공기에들어있는원자들의수와맞먹는다.그러면최대와최소거리의비율차에해당하는1044는얼마나큰수일까?각자상상해보시기바란다.

수백만년에한번꼴로일어나는탈출_터널링현상

감옥벽에기대어있던죄수가갑자기감옥바깥으로튕겨나가는일이있을수있을까?지루한수업을듣던학생이갑자기강의실밖으로탈출할수있다면?과학소설에서나가능한일들이아원자세계에서는정말로일어난다.닐스보어는전자가한정상상태(전자가고정된에너지를갖는운동상태)에서다른정상상태로뛰는것을양자도약이라이름붙였다.이양자도약현상중에서도특히환상적인것이바로터널링현상이다.고전물리학이절대투과불가능하다고진단한벽에갇힌입자가아주적은확률이나마벽을뚫고반대쪽으로나갈가능성이존재한다는것이다.이터널링현상을이용한것이바로고체표면의영상을단독원자위치까지세세하게드러내주는주사터널링현미경(STM)이다.

사교적인입자들과비사교적인입자들?_보손과페르미온

모든입자는,그리고원자나분자등입자로이루어진모든개체는보손아니면페르미온둘중의하나이다.전자는페르미온이다.광자는보손이다.둘사이의최대차이점은같은종류끼리모였을때어떤행동을보이는가하는점이다.페르미온은‘비사교적’이라가령두개의전자는동시에같은운동상태를취할수없다.‘사교적’인보손은동시에같은운동상태를취할수있을뿐더러그렇게하는편을선호하기까지한다.어째서입자들은사교적이거나비사교적인‘본능’에따라두집단으로나뉘는것일까?양자이론은그이유는세상에동일한입자들이존재하기때문이라고말한다.만약전자들이모두정확히동일하지않다면전자들은원자속에서배타원리에따라차례로껍질을채우지않을테고,주기율표도없을것이며,인간도,동물도어떤생명체도없이지루한몇가지화학만존재하는세상이되었을것이다!

‘가지않은길’이없는세상_양자적허용성

물리학의역사에서비교적최근의발명품인‘보존법칙’은다른양들이변해도특정양만은변하면안된다고말하는금지의법칙이다.보존법칙은이론적으로가능한여러반응들가운데어느것이실제로벌어지는지는말해줄수없지만,모든가능한반응들은실제로일어나야한다고말한다.도로가공사로막혀있어평소출근하던길로갈수없게된대신다른가능한길들을매일매일차례대로밟아야하는것과마찬가지인것이다.

양자이론에대한스트레스를시원하게날려버린다

각장의끝에달려있는‘복습과도전’은이책의백미이다.초판에는수록되지않았지만,이책을읽은독자들및물리교사들의뜨거운요청에힘입어추가되었다.“양자의세계는이해할수없다.”양자물리학책을읽고나면이렇게느끼는독자들이많을것이다.《케네스포드의양자물리학강의》의복습문제와도전문제를통해자신이무엇을알고무엇을모르는지제대로진단해보자.더운여름얼음물한잔을마신것처럼시원한기분을느낄수있을것이다.