문명을관통하는양자오디세이
유리와자석에서반도체,레이저,큐비트까지
서로다른시대의발견과기술들을
하나의흐름으로엮어낸새로운시선
박태웅의장,채은미교수,권석준교수,한지아의원추천!
이론물리학자가쓴문명의역사,성균관대학교한정훈교수의《양자문명》이출간됐다.2020년에낸첫대중서《물질의물리학》으로'세계적수준의교양서'라는찬사와함께한국출판문화상교양부문저술상,한국과학창의재단올해의과학도서,아태이론물리센터올해의과학도서,한국과학기술도서상최우수상등을받았던저자가,이번엔문명사로시야를넓혔다.첫책이'물질이란무엇인가'라는질문을따라현대물리학의가장큰분야인응집물질물리학을소개하는데집중했다면,이번책은시야를넓혀지난한세기동안양자역학이인류문명그자체를어떻게다시설계해왔는지를살펴본다.
2,000년전폼페이,100년전맨해튼,그리고오늘날대도시까지.시간이아무리흘러도반듯한도로와상하수도,집과상점이촘촘히들어선도시라는상자의겉모습은대동소이하다.하지만자동차,전등,전화,라디오,그리고지금우리손안의스마트폰까지,그속을채운도구는완전히달라졌다.최근한세기동안그도구들을근본적으로바꿔놓은힘의정체는‘양자역학’의발견과응용이다.저자는산업혁명이후인류문명을움직여온동력이증기에서전기로,전기에서양자로옮겨왔다고진단하고,‘양자문명’을다시세개의물결로세분화하는독창적인틀,이른바‘양자문명3단계론’을제시한다.원자핵에너지를길들인첫번째양자문명,반도체와레이저가정보혁명을이끈두번째양자문명,중첩과얽힘을활용하는양자컴퓨터와양자통신이이끌어낼세번째양자문명까지,이책은양자의관점에서문명의역사를안내한다.갈릴레오와프랭클린,벨연구소의과학자들,오늘날양자컴퓨터를개발하는연구자들의드라마틱한이야기를따라가다보면,현대문명을움직이는에너지와연산의엔진이어떻게작동하는지자연스럽게이해할수있다.복잡한수식없이도이해되도록정교하면서도직관적인사고실험과역사적사례를통해,인공지능과양자컴퓨터가바꾸어갈미래문명의청사진을제시한다.
“양자는이제과학의언어를넘어,우리문명의언어가되었다.”
양자역학은어떻게문명이되었는가
양자하나로꿰뚫는현대문명의역사와미래
이책은총다섯개의장으로구성되어있다.전기문명에서양자문명으로이어지는현대문명의흐름이1,2장에서펼쳐지고,3장에서는양자역학의핵심개념인중첩과얽힘을다룬다.그리고4,5장에서는세번째양자문명의주인공인양자연산과양자컴퓨터를소개한다.
1장은유리라는재료가서양과학의'눈'이되어망원경과현미경,그리고원자의'화학적지문'을읽어내는분광기로발전해간과정을갈릴레오와뉴턴의이야기로따라간다.프라운호퍼와키르히호프의분광관측은흑체복사문제로이어지고,1900년막스플랑크가이를풀며'양자'개념을처음도입하는순간에다다른다.이야기는다시패러데이의유도전류발견에서시작된전기문명으로넘어가지멘스,에디슨,웨스팅하우스,테슬라를거쳐유선전신과전화,무선통신으로확장되고,1925년벨연구소설립(공교롭게도양자역학의수학적체계가완성된바로그해이다)을정점으로전화라는전기문명의요구와양자역학이만나트랜지스터라는대발명으로이어지는순간을포착한다.
2장에서는'양자문명3단계론'의전모가펼쳐진다.하디가"쓸모없다"고평했던양자역학이훗날가장강력한에너지원이되는역설에서출발해,엔리코페르미가원자로에서핵분열을제어하며연'첫번째양자문명',트랜지스터와레이저가정보사회를앞당긴'두번째양자문명',그리고지금우리가들어서고있는'세번째양자문명'의윤곽을차례로그린다.토머스쿤의패러다임전환개념을빌려,양자역학이급진적단절이아니라점진적도전과응답의산물이었음을밝힌다.
3장은양자역학에서가장난해하면서도가장매혹적인개념인중첩과얽힘을다룬다.수식대신정교하게설계된사고실험을통해양자중첩을이해해본다.고양이톰과생쥐제리,사과와귤이담긴두개의봉지를등장시켜양자얽힘의원리를설명하는대목은이책에서가장독창적인장면중하나다.아인슈타인이세상을떠날때까지붙들고놓지않았던날카로운질문,이른바'EPR역설'이반세기가지나오늘날양자기술의가장강력한무기로재탄생하는과정을다루는대목은이책에서가장극적인장면이다.
4장에서는양자컴퓨터의이론적구상이구체화,정교화되는과정을따라간다.뉴턴에서라그랑주,디랙,파인먼으로이어지는300년에걸친수학적계보가어떻게양자컴퓨터라는아이디어로수렴했는지를추적한다.디랙의논문에담긴아홉번째수식하나에매달려'경로적분'이라는독창적방법론을완성해낸젊은파인먼의일화는훗날양자컴퓨터라는개념의기원이된다.이어양자컴퓨터의발전속도를가늠하는잣대와암호해독같은실질적활용사례를소개하는한편,지금작동하는큐비트수는실용화에필요한수준에한참못미친다는냉정한현실과중첩상태유지의어려움을'접시돌리기'에빗댄대목을통해장밋빛전망에안주하지않는균형잡힌시각을보여준다.마지막으로계산기의역사를통해양자컴퓨터가어떤계보의끝에서있는지를드러낸다.
5장에서는이론으로만존재하던양자컴퓨터가실제하드웨어로만들어지는과정을공학의시선으로따라간다.얽힘이라는상상속개념이실험실에서현실이되기까지의과정,초전도조지프슨소자라는'인조원자'를두고경쟁해온IBM과구글의개발사,이온과중성원자를레이저로붙잡아큐비트로빚어내는기술까지,오늘날경쟁하는여러양자컴퓨터구현방식의실체를소개한다.이어양자연산과정에서발생하는오류를발견하고정정하는기술,양자이득과양자우월성,양자암호같은핵심개념을정리하고,마지막으로인공지능이양자컴퓨터의오류제어에결정적으로관여하기시작한최근의풍경을그리며책을마무리한다.
확실성에서확률성으로,
양자문명의새로운시작점에서
불확실한미래를기대하게만드는책
저자는문명을움직이는두축을'역학엔진'과'연산엔진'이라는개념으로정리한다.증기기관과발전기처럼에너지를역학적힘으로바꾸는장치를'역학엔진'으로,주판에서전자계산기,인공지능에이르는계산도구를'연산엔진'으로부르며,두엔진의계보를나란히놓고추적한다.그리고그다음에올엔진의이름을조심스럽게예고한다.확실성대신확률성을계산의원리로받아들이는'양자연산엔진',곧양자컴퓨터다.흥미로운사실은인공지능이전까지의연산엔진발전과정에서인류는한번도계산의확실성을포기한적이없지만,이제는차츰확실성대신확률성에근거한연산의시대가열리고있다는점이다.그대가로얻는것은여러경우의수를동시에계산하는'양자병렬성',그리고이를통한특정문제의기하급수적인속도향상이다.
탁월한스토리텔링과창의적인비유도빛을발한다.마술사의양자구슬과상자속에넣어둔전자의거동을통해양자중첩을,고양이와생쥐가사과와귤이든봉지를두고벌이는소동으로양자얽힘의신비를설명하며,시계의계보를통해양자의2준위계라는속성이어떻게우리삶의'시간'을규정하게되었는지살펴본다.직관적이면서도정교한이런사고실험과비유야말로,수학의장벽앞에서독자를감상자로남겨두는여느양자역학교양서와이책이다른지점이다.또한이책은중첩과얽힘,측정과붕괴같은양자역학의개념들을쉽게설명하는데서멈추지않고,그것이구체적으로어떤기술과제도,산업과생활양식을낳았는지까지밀어붙인다.트랜지스터의발명과레이저의원리,양자컴퓨터의오류정정기술같은개별적인기술사적사실도타이태닉호의침몰과무선통신의등장,앨빈토플러가예견한'제3의물결',데이터센터를가동하는데필요한전력수요와인공지능시대의도래같은큰장면속에배치해기술사를문명사로확장한다.
양자역학의가장섬세하고궁극적측면인중첩과얽힘과확률적현실을우리가배우고친해져야할이유는,양자가이미과학을넘어문명의한단계가되었기때문이다.증기문명과전기문명이이미성숙한토대위에서있다면,양자문명은지금도파도처럼밀려오는중이다.그파도를잘타려면새로운문법을익혀야하는데,그문법은양자역학이라는언어로쓰여있다.그언어를설명하는책은많아도,그언어가써내려가고있는문명의역사까지읽어주는책은드물다.큐비트로쓰이는원자와광자,큐비트를조작하는레이저,연산의오류를잡아내는인공지능까지,양자컴퓨터는한세기넘게쌓여온기술의지층위에서태어났다.이책을읽고나면,손안의스마트폰한대에도한세기에걸친물리학의역사가새겨져있다는사실을비로소실감하게된다.
"노벨문학상수상작가한강은‘과거가현재를도울수있는가?’,‘죽은자가산자를살릴수있는가?’라는화두를품고그답을자신의작품으로풀어냈다.이책을읽는독자가비슷한질문과답을과학과기술문명의역사에서도읽어낼수있기를바란다."(28쪽)
책속으로
20세기에들어와양자역학덕분에원자의작동원리를제대로이해하기시작한인류는원자속깊숙이숨겨져있던막대한에너지에손을대기시작했다.핵에너지를제어하고사용하는방법을통달하는과정에서양자문명이탄생했다.양자역학은원자의궁극적비밀을밝혀낸과학적쾌거였을뿐아니라인간과물질사이의관계를새로쓰게된계기이기도했다.반도체와레이저는양자역학을일상생활에응용할방도를찾는과정에서탄생한물질이다.물질이작동하는방식을원자수준에서이해하기시작한순간부터,인간은새로운물질을우연히발견하는수동적인존재에서신물질을능동적으로설계하고합성하는존재가되었다.
---p.20
양자역학의가장섬세하고궁극적측면인중첩과얽힘과확률적현실을우리가배우고친해져야할이유는,양자가이미과학을넘어문명의한단계가되었기때문이다.이미성숙한토대위에놓인증기문명과전기문명에비해양자문명은아직도발전중이다.양자문명의파도를잘타려면새로운문법을익혀야하는데,그문법은양자역학이라는언어로씌어있다.
---p.25
증기문명을견인한일등공신인제임스와트는영리하고손재주가뛰어난기술자였지만,체계적인과학교육을받은학자는아니었다.수증기가지닌열에너지가어떻게증기기관을통해역학적일로변환되는지,그과정을이해하고설명할명확한언어를당시과학자들도아직개발하지못한상태였다.이론이기술개발을지휘한것이아니라,증기기관이라는도구와그로인해펼쳐진증기문명의역동성이과학자들을자극해열의본질과열기관의작동원리를규명하게만든것이다.사회적으로도공장제생산과도시화가확산되면서새로운노동제도와기술교육,그리고산업사회에걸맞은경제·정치사상이뒤따랐다.도구의발전이새로운사상과제도를이끌어낸사례라고볼수있다.인공지능이먼저상용화되고,그작동원리를이해하려는과학자들의노력과인공지능시대에걸맞은도덕률과사회운영체계의탐색이그뒤를따르는오늘날의모습이그리새롭지않게느껴진다.
---p.49
전자기학의모든현상을하나의방정식으로통합한맥스웰,그방정식이예고한전자기파의존재를실험으로증명할가치를알아본헬름홀츠,스승의제안에따라전자기파발생기라는전대미문의도구를만들어낸헤르츠,헤르츠가발견한광전효과를양자가설에기반한광자의개념으로깔끔하게해명해낸아인슈타인으로이어지는흐름은,새로운이론이새로운도구를낳고,새로운도구가새로운관찰을가능하게하며,새로운관찰이다시새로운이론을잉태하는아름다운과학의서사한자락이다.
---p.77
벨연구소의토양위에서탄생한트랜지스터는자연에서우연히발견한물질이아니었다.인간이양자역학이라는이론을도구삼아연구실에서설계하고실험실에서합성한대표적인인조물질이었다.문명의발전이라는관점에서보면트랜지스터의발명은전기문명과양자문명의만남을상징하는사건이다.인류가그이전까지에너지를얻던수단인근력,수력,증기력,전기력을압도하는핵에너지를발견하고그사용법을습득하면서첫번째양자문명의시대가열렸다면,트랜지스터의폭발적인진화를
