“세상의기초를사유하고자한다면,누구나양자역학을만나야한다.”
-이강영(경상대물리교육과교수)
현대과학이발견한가장아름답고경이로운개념
양자역학의파란만장한역사를한눈에읽는다!
인류의역사를바꾼양자역학은어떻게만들어졌는가.
상대성이론과양자역학을통합할방법은없는가.
막스플랑크에서슈뢰딩거,하이젠베르크,보어,아인슈타인,리처드파인먼,머리겔만,스티븐와인버그,존벨,
앤서니레깃,피터힉스등20세기물리학혁명을이끈시대의천재들이거쳐온기쁨과눈물,실패와절망의순간들
21세기는양자역학의시대다!
20세기가물리학의시대였다면21세기는단연양자역학의시대다.아는사람은알겠지만현대세계는양자역학에의해돌아가고,양자역학을이용해많은일을처리한다.양자역학을알지못했으면트랜지스터를위시해반도체를이용한현대의전자공학이성립할수없었고,컴퓨터또한절대로지금우리가보는수준으로발달할수없었다.현재우리가당연하게받아들이는컴퓨터와스마트폰등21세기의첨단기술이라할만한많은기술들이여기서탄생했다.더욱이거의눈앞에실현될날이머지않은양자중첩을이용한양자컴퓨터가가져올미래는우리상상을뛰어넘는다.
자연에대해지금우리가알고있는거의모든지식은물리학이론에뿌리를두고있다.양자역학은20세기처음30년사이에발견되고개선되었으며,그후수십년동안다양한분야에응용되면서과학역사상가장성공적인이론으로자리잡았다.하지만이렇게자리잡기까지마냥일사천리로진행된것은아니다.양자역학의세계는보통사람들이이해하기는커녕과학자들도선뜻받아들이기어려워하는면이있다.우리직관과전혀맞지않기때문이다.
이책은현대물질문명의기초라할수있는양자역학이만들어지기까지지난한과정을한눈에보여줌으로써우리가오늘날당연히받아들이는과학의혜택이결코한순간에거저이루어진것이아님을여실히느끼게해준다.우리직관과분명히다른양자역학이받아들여지기까지숱한시대의천재들이머리를맞대고고민했으며,수많은실험결과들이덧붙여짐으로써이론적으로완성되었다.저자는양자역학의기본적인개념과원리들에대해설명해주는것은물론,양자역학의역사에서중요한순간을새로이조명함으로써인간이어떻게양자역학을구축하고이해하고받아들여왔는지그과정을꼼꼼히보여준다.저자가서문에서밝혔듯이,과학은한순간에만들어지지않는다.
시대의천재들이고군분투한결과물
20세기물리학은뉴턴의고전역학을전복하며시작되었다.광속불변의원리,좌표계에따른물리법칙의절대성을전제로한상대성이론은시간과공간에대한인류의오랜관념을새로이바꾸었고,시간과공간을통합적으로이해할수있게해주었다.양자역학은상대성이론과함께20세기지성사에가장큰영향을끼친과학적발견이다.상대성이론이아인슈타인이라는걸출한천재한명이거의혼자서완성한것이라면,양자역학은수많은시대의천재들이머리를맞대고고군분투한결과물이다.
저자는과학사에는성공보다는실패가수백,수천배나더많고,평생을좌절속에살다간과학자도부지기수며,실험데이터가뒷받침되지못한이론은사장될수밖에없다고말한다.현재우리가알고있는과학의진리들이늘순조롭게,필연적으로발전해온것은아니라는이야기다.저자는1900년부터지금까지100년넘게이어져온양자역학의역사에서한획을그으며환희와절망,성공과실패를안겨줬던40가지사건들을정리하여한권에담았다.새로운진실이발견된극적인순간과양자역학의새로운전환점이되었던사건들이저자의풍부한상상력과세밀한자료조사를통해풍성하게재구성되어있다.
새로운사실이발견되고,수많은논의를거쳐이것을해석하고,또다시새로운사실이발견되면서이론이수정되어완성돼가는과정은물론이고,막스플랑크를비롯하여슈뢰딩거,하이젠베르크,보어,아인슈타인,파인먼,겔만,와인버그,벨,레깃,힉스등한시대를풍미했던세계적학자들의고뇌와물리학을향한열정이생생히그려져있다.파동함수와불확정성원리,슈뢰딩거의고양이등양자역학의기본원리부터입자물리학의표준모형과초끈이론,블랙홀의호킹복사등현재도급속히발전하고있는과학의최전선분야까지들여다봄으로써물리학의역사와인간역사의균형을맞춘것이이책의미덕이다.
세계는무엇으로이루어져있는가:
세상의기초를이해하기위한인류의끝없는탐구여정
“세상은무엇으로만들어졌을까?”하는질문은인류가유사이래품어온가장오래되고근본적인의문중하나이다.여기에대한가장모범적인답안이바로입자물리학의표준모형이다.막스플랑크는1900년12월에‘작용양자’라는개념을처음으로도입하여양자역학의서막을열었다.그로부터무려113년이라는세월이흘렀으니물리학자들이양자역학을충분히이해했을것같지만,현실은전혀그렇지않다.그긴시간동안물리학자들은양자역학을확률과인과율그리고물리적실체와연결짓는데간신히성공했을뿐이다.
과거에인류는거의400년동안“관측에입각한과학이론은자연의진정한실체를서술한다”는것을하늘같이믿어왔고,이것이과학의기본조건이라고생각했다.그런데양자역학이새로운물리학이론으로대두되면서과학과철학사이에전례없는심각한충돌이야기되었다.학자들은진실과이해를뒷전으로밀어놓고“이세계에대하여우리는과연무엇을알수있는가?”라는원초적물음을집요하게파고들었다.양자역학이그들을인식론의벼랑끝으로밀어붙인것이다.그상태는지금도별반다르지않다.
이책의목적은경이로우면서도당혹스럽기그지없는양자역학의탄생초기부터지금까지걸어온길을조명하는것이다.그리고그것은세상의기초를탐구해온인류의기나긴여정과맞닿아있다.1900년에흑체복사현상을설명하려다가우연히탄생한양자역학은지금까지도유럽원자핵공동연구소(CERN)의거대입자가속기(LHC)를통해연일새로운결과를낳고있다.이책의말미에서피터힉스가예견했던힉스입자의존재가최종확인됨으로써세계를이루는기본입자에대한‘표준모형’의완전성이입증된셈이다.하지만아직모든것이끝난것은아니다.
1980년대초끈이론이등장하면서모든입자들뿐만아니라중력을매개한다는중력자까지한꺼번에설명하는이론이금방이라도탄생할것같았다.그러나이론적으로가능한초끈이론이여러개난립하여유일한이론을꿈꾸던물리학자들을크게실망시켰다.초끈이론은한동안침체기를겪다가1995년3월에제2의혁명기를맞이하여오늘날까지이론물리학을선도하고있다.그러나초끈이론은아직도여분차원을말끔히처리하지못했고,검증가능한물리량을단하나도예견하지못했다.물리학이론의본분은관측가능한현상을미리예측하는것인데,이점에서초끈이론은완전히자격미달이다.
저자는그런면에서110년의역사를자랑하는양자역학이또다시위기에봉착한것이라고말한다.또한힉스입자를발견한LHC가어떤해답을제시해주리라기대한다.하지만물리학이다음단계로도약하기위해서는LHC가‘답’이아닌‘질문’을제기하는것이최선이라고말한다.오히려LHC가지금의표준모형과양자장이론으로설명할수없는새로운현상을발견하게된다면물리학은더욱심각한위기에빠지겠지만,그와동시에새로운활력을찾게되지않을까하는것이저자의바람이다.
제1부작용양자:양자역학의탄생
1900년에있었던막스플랑크의발견부터아인슈타인의광양자가설과보어의원자모형,루이드브로이의파동-입자이중성가설,베르너하이젠베르크의행렬역학,그리고볼프강파울리의배타원리등초기양자역학이어떻게탄생하게되었는지그과정을자세히소개한다.1925년‘에로틱한폭탄선언’으로유명했던에르빈슈뢰딩거의파동역학도다룬다.
제2부코펜하겐해석:양자역학의의미를이해하다
양자역학에대한코펜하겐학파의관점을다룬다.슈뢰딩거방정식이발표된직후,보어와하이젠베르크,슈뢰딩거는양자도약의실체를놓고열띤토론을벌였고,그와중에하이젠베르크는‘불확정성원리’라는놀라운결론에도달했다.그후1926년에막스보른은슈뢰딩거의파동함수에물리적해석을내렸으며,1927년9월에이탈리아코모호근처에서개최된보어의강연은양자역학의앞날을결정하는이정표가되었다.
제3부보어와아인슈타인의논쟁
초기양자역학의원조중한사람이었던아인슈타인은후에양자역학의가장신랄한비판자가되었다.보어와아인슈타인의논쟁은과학역사상유래를찾아볼수없을만큼격렬하면서의미심장했다.1927년제5회솔베이회의에서아인슈타인이제안한사고실험을소개하고,1935년에발표된아인슈타인-포돌스키-로젠의이론과유명한슈뢰딩거의고양이역설을다룬다.또한물리학자들사이에‘절대적경외감’을불러일으켰던폴디랙의‘상대론적양자역학’을간략히소개한다.
제4부양자장이론의탄생과이론물리학의전성기
양자역학이기본입자의세계에적용되어양자장이론이만들어지고,이를기반으로기본입자를묘사하는표준모형이출현하는과정이그려진다.제2차세계대전이끝난후물리학자들은연구경력을쌓는데급급했고,그와중에양자역학은심각한위기를맞는다.제4부에서는위기속에서이루어진물리학자들의만남과줄리언슈윙거,리처드파인먼,도모나가신이치로,프리먼다이슨에의해완성된양자전기역학(QED)를소개한다.QED가완성된후1954년에양전닝과로버트밀스는게이지대칭성에기초한양자장이론(QFT)을개발했고,1960년셸던글래쇼와압두스살람,스티븐와인버그는통일장이론의신호탄인약전자기이론의초기버전을완성하여‘무거운광자’인W입자와Z입자의존재를예견했다.이후1963년머리겔만이쿼크와자발정대칭성붕괴에대한이론을정립하고1967년에피터힉스가힉스메커니즘을도입하면서이론물리학은정성기를맞이한다.
제5부표준모형
거대한가속기실험에서표준모형이검증되어가는과정을박진감있게그린다.양자장이론에수많은실험적증거를제공한일등공신인입자가속기를소개하고,양자역학의꽃이라할수있는양자장이론이훗날입자물리학의‘표준모형’으로확실한입지를굳히는과정을소개한다.1983년CERN에서W입자와Z입자가발견되어표준모형의타당성이입증되었다.표준모형에는3세대에걸친물질입자들이등장하는데,이들은렙톤(전자와뉴트리노)과쿼크로이루어져있으며,광자,W,Z,글루온등매개입자를통해상호작용을교환한다.그러나네가지기본상호작용중하나인중력은아직도표준모형에합류하지못하고있다.
제6부자연의실체란무엇인가:양자역학의해석과의미
양자적실체가무엇인가를놓고최근까지벌어진논의와,발달된기술을이용해그미묘한개념들을검증하는과정이그려져있다.코펜하겐해석을싫어했던데이비드봄은아인슈타인에게용기를얻어아인슈타인-포돌스키-로젠의역설적사고실험을현실세계에서구현하고,전통적인양자역학의대안으로‘숨은변수이론’을개발했다.그뒤자연의물리적실체를탐구하는실험이야기가이어진다.1964년발표된존벨의정리와부등식,알랭아스페의실험,말런스컬리와카이드륄의양자지우개실험과거시적인양자적객체들사이에간섭이일어난다는것을입증하는실험이소개된다.이모든실험들은“자연의실체를있는그대로인지하는것은불가능하다”고주장한다.단지우리는관측장비와질문의특성에따라달라지는경험적실체만을인식할수있을뿐이다.
제7부과학탐구의최전선
일반상대성이론과양자역학을하나로통합한양자중력이론또는‘만물의이론’의가능성을타진해본다.이두이론은20세기를대표하는최고의이론이지만,물과기름처럼섞이지않는것으로도유명하다.휠러-디윗방정식과정준양장중력,미래를향해열린주제로서지금현재도급속히발전하고있는양자적우주론분야와초끈이론등을소개한다.
