양자 역학이란 무엇인가 : 원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론 (개정판)

마이클워커

은퇴한물리학자,재료과학자,공학자,발명가,프로젝트매니저다.MIT와카네기멜론대학교에서학위를받았다.초전도체와그에대한응용이저자의전문연구분야다.수많은논문을발표했고다량의특허도가지고있다.1989년,자화된유체를가지고여러가지물질을분리하는방법을고안한공로로뉴욕동부변리사협회로부터올해의발명가상을받았다.

소개의글
서문

1부발견과이해(1900~1927)
1장1부,2부에대한소개
2장플랑크,아인슈타인,보어-실험과초기의견해
3장하이젠베르크,디랙,슈뢰딩거-양자역학과양자원자
4장적용-6억와트!

2부해석,그리고상상을초월하는영향(1916~2016)
5장양자역학의본질적특징
6장거인들의격돌-무엇이진짜일까?불확정성,얽힘,존벨,그리고다세계
7장이모든것들의의미는?-양자역학,수학,그리고과학의본질
8장응용품-양자컴퓨터,코드크랙,순간이동,암호화

3부상대성과양자의우리세계,빅뱅에서은하계까지
9장은하계,블랙홀,자연의힘,힉스보손,암흑물질,암흑에너지,끈이론

4부다전자원자,화학및재료과학의기초
10장4부에대한소개
11장수소원자전자의에너지,운동량,그리고공간상태
12장스핀과자기력
13장배타와주기율표
14장원소의화학적성질의토대물리
15장화학적결합의몇가지형태,예시
16장고체물질의구성
17장절연체,그리고보통금속과반도체의전기적전도

5부크고작은재료와기기에서양자불가사의
18장나노기술과5부소개
19장초전도체I-정의및수송,약품,컴퓨터분야에서의응용
20장핵융합발전과국방에사용되는레이저
21장자성,자석,자기물질,그리고그응용
22장그래핀,나노튜브,그리고‘꿈의’응용품한가지
23장반도체와전자기기의응용399
24장초전도체II-과학,전력생산및전송에서의거대한응용

부록A.전자기파동의본질과스펙트럼
부록B.경험적으로개발된원소주기율표
부록C.양자컴퓨터의개발
부록D.원자의크기와원소의화학성
부록E.X선의생성

주석및레퍼런스

#이해할수없는것을이해하기

과학자는기본적으로세상의이치를밝히려고한다.그리고그과정에서지금까지의지식으로는이해할수없는현상을만나고,그현상을과학적인방법으로이해하려한다.고대그리스의철학자데모크리토스는이세상이원자로이루어져있다고주장했다.그러나원자라는것의실체가밝혀지는데는그로부터수천년이흘러야했다.원자의세계가조금씩밝혀지면서고전적인지식으로는이해할수없는일이일어났다.심지어아인슈타인마저그랬다.특히양자역학이란것을말이다.

독일의물리학자막스플랑크는조금더효율이좋은전등을만들려고흑체복사를연구했다.흑체복사란예전에많이사용하던백열등을상상하면된다.백열등에전기를공급하면필라멘트가달아오려며빛과열을낸다.즉,어떤물체에열을가하면에너지가빛과열이라는형태로방출(복사)된다.이런데연구결과이에너지가특정단위의덩어리로만방출되는것이다.플랑크는혼란에빠졌다.지금까지의지식으로는빛은전자기파의일종,즉파장이었다.파장은에너지의흐름이연속적이다.즉더뜨거우면뜨거운만큼강한파장이나와야한다.그런데에너지가덩어리단위로나온다는뜻은빛(에너지)이입자라는뜻인가?입자여야덩어리단위로묶을수있다.실험으로입증된바와같이빛은회절과간섭을한다.입자가어떻게회절과간섭을한다는말인가?이현상을목격한플랑크자신도이해하지못했고,입자일리가없다고믿었다.이현상은나중에해결될것이라고만생각했는데,이것이바로양자(덩어리)역학의시작이었다.

#확률로세상이돌아간다고?

결국과학자들이생각해낸결론은빛은파동과입자두가지성질을모두가지고있다는것이었다.파동이면파동이고입자면입자지,파동이면서입자란무엇인가?고전적인물리이론으로는납득할수없으나,실제세상은그렇게돌아간다.입자이면서파동인무엇인가가존재한다는그것이존재함을인정하고,과학적으로해명할수있는방법을찾아야한다.그렇게받아들일수있는유연한마음가짐이현대물리를이해하는방법이다.

빛이입자이면서파동이라면,다른입자도파동성을가지고있는것이아닐까하고의심하는것이그다음수순이었다.그리고그사실이밝혀지기시작한다.여러가지이론과실험에의해원자가양성자(중성자도)와전자로이루어져있다는것은알고있지만,문제가있었다.전자는워낙작은존재라그전자의에너지만측정할수있을뿐,관찰하는것이불가능했다.이문제를해결한것이슈뢰딩거의파동방정식이다.파동방정식을사용하면전자의에너지를계산할수있고,그계산을통해전자의위치를확률적으로알수있다.

과학자들은다시한번논쟁하기시작했다.파동방정식을이용하면결과가나오기는하는데,도대체무엇이파동성을보이는가가문제였다.여기에서세상을뒤집을해석이나온다.실제파동은없고확률만파동을보인다는것이그해석이다.실제전자의위치는알수없고,확률로만존재하는것이다.이해석은아인슈타인의심기를건드렸다.“신은주사위놀이를하지않는다”는말로,확률로만존재하는세계를부정했다.곧다른방법이나오면전자나빛의존재를정확히정의할수있을것이라믿었다.

아인슈타인은죽는그순간까지양자역학의확률론적세계를지지하지않았지만,현대물리학은확률론적세계를조금씩증명하고있다.무에서유는창조되지않는다고하지만확률적으로보면제로는아니기때문에원자가존재하고,원자들이모인세계가존재한다.파동방정식을만든슈뢰딩거그자신도확률론적세계를믿지못했지만,세상은그렇게돌아간다.이책은그래서세상의모든것을말해주는책이다.수학적인이야기는최대한자제했지만,양자역학의역사적의의는물론,그덕분에우리가누리고있는기술적발전과응용까지자세히설명하고있다.한번에이해하기는힘들겠지만현대물리학자의유연한마음가짐으로이책을들여다보면세상을이해하는다른지식을만나게될것이다.

추천사

제목에서암시한것을넘어길을개척하는아주매력적인책이다.약속했듯이,저자는일반대중에게비유를사용해양자역학을설명하고있다.이어려운임무를부드럽게해내며말이다.하지만설명에서그치는것도아니다.천문,컴퓨터,물리와그가공학자로서경험한최첨단기술까지정교하고확실하게제시한다.보너스로화학과주기율표를해설하는데,특히물리학자로서내관점으로본설명중가장설득력있다.사려깊은사람의서재에꼭들어가야할책이다.
-아서위긴스(커뮤니티컬리지명예물리학교수,『사이비사이언스TheHumanSideofScience』공저자)

일반독자가입문서로읽기좋은,양자역학의응용을다룬서적이다.이책은내가본서적중에양자역학의역사를가장자세히다룬서적이다.
-프레드커트너(작가,『양자수수께기:물리가의식과만나다QuantumEnigma:PhysicsEncountersConsciousness』공저자)

저자가조심스럽고,명확하며,편안히읽을수있도록저술한안내서다.물질과에너지,우주와같은거의모든것을이해하는방법을찾을수있다.
-알프레드보르츠(AIP과학저술상수상자)

잘쓰여졌고,쉽게읽힌다.이책은물리를처음접하는사람에게매우훌륭한입문서다.또한물리학을공부하는학생도복습하는마음으로읽을책이다.매우포괄적이고즐겁게한다.매우추천하는바다.
-배리파커(작가,『전쟁의물리학ThePhysicsofWar』저자)

책속에서

우리는아름답고,흥미로운양자세계에살고있다.우리자신도양자로이루어진존재다.모든생명과물질은양자이며,우리의기술은양자론을이해하면서점점진보하고있다.하지만대다수는이이론을어렴풋이알고있을뿐이다.1900년,독일물리학자막스플랑크는뜨거운물체로부터그가‘양자quanta’라고이름붙인에너지덩어리형태로빛이방출된다는것을발견했다.이발견은이후에양자혁명,양자론,양자역학,양자세계와같은용어를탄생시키는빙산의일각이었다.호기심많은일반독자가이러한양자세계를쉽게이해할수있도록하려고이책을썼다.지난120년간일어난풍부한과학적발견과이와연관된인간사와갈등을역사적으로서술해나가고자한다.
---본문중에서