양자와 장 (우주의 가장 위대한 생각들)

양자와 장 (우주의 가장 위대한 생각들)

$28.98
Description
‘우주의 가장 위대한 생각들’ 두 번째 이야기
마침내 시작된 양자의 시대,
양자 세계를 설명하는 가장 종합적인 안내서
이 책은 21세기를 대표하는 이론물리학자 숀 캐럴의 3부작 ‘우주의 가장 위대한 생각들’ 시리즈의 두 번째 책으로, 현대 물리학의 핵심 개념인 양자장론을 다룬다. 양자역학의 기본 원리부터 입자물리학과 양자장론을 포함해, 고전적인 세계관에서 양자적 세계관으로의 놀라운 전환을 설명하는 이 책을 통해 독자들은 물리법칙의 깊은 의미를 파헤치며 스스로 물리학자의 사고방식을 익힐 수 있다.
현대 물리학은 양자장론을 기반으로 이루어져 있다. 양자역학은 단순히 물리학을 기술하는 새로운 이론이 아니라 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신, 양자 센서 등을 통해 인공지능, 바이오, 소재과학 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 현대인의 삶을 근본에서부터 바꿀 수 있는 양자장론에 대한 가장 충실한 교과서인 이 책은 과학적 깊이를 놓치지 않으면서도 누구나 이해할 수 있는 설명으로 양자의 세계를 탐험할 것이다.
저자

숀캐럴

SeanCarroll
이론물리학자이자과학철학자.존스홉킨스대학교물리학과및철학과의자연철학홈우드교수이자샌타페이연구소프랙털연구단단장이다.오랫동안암흑물질,암흑에너지,대칭성깨짐,여분차원과같은주제를중심으로우주론과장이론,중력에관해연구하며천체물리학의새로운지평을개척해왔다.현재는양자역학과통계역학의근본문제로관심을옮겨확률의기원,시공간의출현,엔트로피와시간의화살,복잡성과창발에대해탐구하고있다.
1993년하버드대학교에서천문학연구로박사학위를받은뒤MIT와UC샌타바버라이론물리연구소에서박사후연구원을지냈다.시카고대학교물리학과에서조교수로재직하며카블리우주물리연구소를이끌었고,이후캘리포니아공과대학교물리학과연구교수를역임했다.지은책으로《우주의위대한생각들:공간,시간,운동》을비롯해《다세계》《빅픽쳐》《현대물리학,시간과우주의비밀에답하다》등이있다.
이책은3부작으로구성된‘우주의가장위대한생각들TheBiggestIdeasintheUniverse’시리즈의두번째책으로양자의기본원리에서시작해현대물리학의핵심개념인양자장론을다룬다.저자는팬데믹기간동안물리학자로서세상에기여할수있는방법을찾다가수식이면에담긴물리법칙의깊은의미를사람들에게알리고자온라인에서48회에걸쳐고전역학에서상대성이론,그리고양자역학과복잡계이론을아우르는‘우주의위대한생각들’강연을진행하였다.이시리즈는저자의온라인강연에기반을두고있다.

목차

서문

1파동함수
2측정
3얽힘
4장
5상호작용
6유효장이론
7스케일
8대칭성
9게이지이론
10상
11물질
12원자

부록푸리에변환
역자후기
찾아보기

출판사 서평

파동함수에서양자장론과입자물리학의표준모형까지
양자시대를위한숀캐럴의양자물리학강의
물리학의역사에는훌륭하고혁신적인생각들이수없이등장했다.그러나이책의저자인존스홉킨스대학교의이론물리학교수숀캐럴에따르면진정으로혁명적인전환,즉실재의본질에대한기존의사고방식을뒤집는패러다임의변화는단두번있었다.바로17세기후반의고전역학과20세기초의양자역학이다.
‘우주의가장위대한생각들’3부작의두번째책인이책은양자역학의기본개념에서시작해양자장론과입자물리학의표준모형까지현대물리학의핵심을관통한다.전작《공간,시간,운동》이고전역학과상대성이론을다루었다면,이책은이후현재우주를가장심오한수준에서설명할수있는유일한최고의방법으로인정받는양자장론의세계를탐사한다.
이책의전반부에서독자들은파동함수,얽힘,장,파인먼도표,힉스메커니즘과같은심오한이론적주제를익히고,후반부에서는우주는실제로무엇으로이루어져있는지,왜물질이단단한지,반물질은왜존재하는지,원자의크기는어디서비롯되는지,그리고양자장이론의예측이왜그렇게정확한지를이해하게될것이다.이책은뉴턴과아인슈타인을넘어서고,수천년동안인류를이끌어온직관적인사고마저넘어서는우주의본질을향해독자를안내하는‘가장위대한’여행이될것이다.최고의과학해설가로꼽히는숀캐럴은인류가지금까지밝혀낸가장놀라운과학개념을담은이책을통해독자스스로물리학자의사고방식을익히도록도울것이다.


현대물리학이도달한가장근원적진실을향한여정
양자역학은물리학자들의예상과달리빛이단순한파동이아니라는막스플랑크와알베르트아인슈타인의연구에서처음그필요성이제기되었다.적절한상황에서빛은현재우리가광자라고부르는입자로행동한다.광자는양자역학의규칙에따른불연속적인에너지묶음인양자들의한예이다.그러나양자는그보다더복잡하다.전자와양성자와중성자등우리가입자라고생각하는것들은다른상황에서는파동과같은행동을보인다.이처럼원자나아원자들이상식적으로서로모순되는입자성과파동성을동시에지님을알게된물리학자들은혼란에빠졌다.
정확하게양자역학이무엇인지에합의에이르지못했지만물리학자들은양자역학을활용해원자와분자의구조를예측하거나입자가서로산란하는것을정교하게계산해냈다.하지만동시에자신들의예측과관찰이도출되는과정에서무슨일이일어나는지는합의하지못하고있다.고전물리학과달리양자세계에서는‘측정’과‘관측’이라는행위자체가계에특별한속성을부여하는듯보이기때문이다.즉양자계의속성을측정하면그속성이극적으로변하는경향이있는것이다.이처럼입자와파동의성격을동시에지닌원자세계의메커니즘을설명하기위해등장한양자역학은수많은물리학자를좌절과혼란에빠뜨렸다.
이러한양자역학을특수상대성이론의요구사항들과결합할때자연스럽게발생하는양자장론은현재우주를가장심오한수준에서설명할수있는유일한방법으로인정되고있다.양자장론위에서현대의물리학자들은고전물리학으로는설명할수없던파인먼도형,재규격화,게이지이론,대칭성깨짐,스핀-통계학결합등다양한현상들을설명할수있게되었다.또한양자의특성을활용해인류는반도체를활용한전자산업,핵분열을이용한원자력발전,양자특성을이용한양자컴퓨팅및양자통신의시대를눈앞에두고있다.


우주를지배하는숨겨진원리와힘은무엇인가?
고전역학이후,우주를더욱포괄적으로이해하는양자장론의탐험
이책의1장에서는‘파동함수’의개념을다룬다.루이드브로이의물질파에대한아이디어를확장하기위해슈뢰딩거가제안한개념인파동함수는계의양자상태를지정한다.하지만단일입자에는모든공간적위치에하나의파동함수만할당되지만,입자가하나이상일때는일이간단하지않다.파동함수에는우주의불연속성에대한해답이담겨있다.
2장은‘측정’의문제를다룬다.고전역학에서측정은문제가되지않았다.물체의위치나속도같은속성을정확하게측정할수있었다.하지만양자역학에서는다르다.양자계의속성을측정하면그속성이극적으로변화한다.양자계를측정하는순간우리는상태의부분적이고불완전한측면을관측하고,그과정에서상태를돌이킬수없이변화시킨다.바로이때문에고전물리학에서와는달리양자물리학에서‘측정’이가장큰난제로꼽힌다.
3장에서는파동함수의예측을어렵게만드는‘얽힘’을다룬다.양자계에서얽힘이란이미존재하고있으나우리에게는알려지지않은것들사이의단순한상관관계그이상의것을의미한다.양자얽힘의상관관계는단순한고전적관계너머에존재한다.
4장은주제는‘장(field)’이다.고전역학에서와달리양자역학에서장은그정체를한마디로정의하기어려운개념이다.양자장론의맥락에서볼때,장은어떤것으로‘구성된’것이아니다.장은다른모든것을구성한다.심지어공간이비어있어도장은존재한다.여기서는양자장뿐아니라,장짜임새,장에너지,자유장,장의생성과소멸등장개념에대해탐구한다.
5장은우리우주가이토록흥미로운곳이된원인이라할수있는‘상호작용’을살핀다.입자들의상호작용은사실상‘산란’의개념을넘어특정한장들의진동이겹치고,그진동이결합된다른장들의진동을유도하여무한한양의활동을유발한다.
6장에서는현대물리학의절대적인핵심개념이라할수있는‘유효장이론’에대해다룬다.유효장이론은유효결합상수들의집합으로정의되는데,우주론에서구조의성장과나선형으로흡입하는블랙홀에의한중력파의생성과같은다양한주제로확장된다.현대입자물리학의중심에유효장이론이있다고할수있다.


우리우주는어떻게지금과같은모습이되었을까?
우리우주를특징짓는여러속성과물질에대한탐구
7장에서살필주제는‘스케일’이다.비교적시각화하기쉬운주제인스케일은우리에게알려진우주가실제로무엇으로이루어져있는지,그리고특히우리세계를특징짓는다양한스케일의질량과에너지는무엇인지를중점적으로살펴본다.
8장에서는‘대칭성’의개념을다룬다.고전역학,특히상대성이론에서대칭성은상당히유용한이론이다.하지만양자장론에이르면대칭성은유용함을넘어‘절대필수적인’개념으로격상한다.어떤의미에서자연의힘은‘게이지불변성’이라고알려진기본장의특별한대칭성에서직접적으로발생하기때문이다.
9장에서다룰주제는‘게이지이론’이라는비교적생소한주제이다.게이지이론은특별한유형의대칭성을가진특별한장이론이다.아이디어자체는간단하지만이개념은엄청난결과를가져온다.자연의힘을뒷받침하는강력한원리이기때문이다.
10장의주제인‘상(phase)’은단일물질이여러물리적성질을가진상태를보이는것을말하는것으로,거시물리학에서빌려온용어이다.물질이동일한기본재료로만들어졌음에도그상은밀도나물질내부의음속과같은다른특성을가질수있다.
11장은‘물질’에관한아주간단한질문에서시작한다.‘왜원자는딱딱할까?’‘어떻게원자집단을모아서물체로만들수있을까?’물질이단단한진짜이유는전자가페르미온이고,페르미온은특별한속성을가지고있기때문이다.여기서는페르미온의특성과페르미온입자와스핀과의연관성을살핀다.
12장은우리우주의형성과가장관계가깊은‘원자’에대해탐색한다.우리우주가흥미롭고복잡한이유는양전하를띠고전자를포획할수있는다양한종류의안정한원자핵이존재하여다양한형태의화학이나타날수있었기때문이다.입자물리학의매개변수가아주조금만달랐더라면우리우주는완전히다른형태를지녔거나혹은원자도,화학도,생명도존재하지도않았을것이다.