알람이울리고토스트가구워지기까지,
아인슈타인과보내는기묘한아침
알람시계가울린다.복도의연기감지기표시등이희미하게빛난다.전기레인지에주전자를올리고발열체가빨갛게달아오르는지살핀다.냉장고문에붙은자석을보며아침거리를꺼내고,토스터에빵을넣고,휴대전화로밤사이쌓인사진피드를넘긴다.컴퓨터를켜면온라인구매영수증이도착해있다.평범한아침의풍경이다.
그런데이짧은일상안에,20세기물리학이인류에게안겨준가장기이한발견들이거의빠짐없이들어있다.채드오젤의《양자물리좋아하세요?》(21세기북스발행)는침대에서일어나집을나서기까지의시간표를그대로목차로삼아,양자물리학100여년의역사를살펴보는대중과학서다.우주의네가지기본상호작용,빛의이중성,광전효과,배타원리,불확정성원리,양자중첩,터널효과,양자얽힘까지중요개념을소개하면서이론의체계가아닌,그개념이실제로작동하고있는사물의순서로등장시켰다.
이책에서일상은비유의소재가아니라과학의현장으로등장한다.토스터와냉장고자석과연기감지기는양자현상을설명하기위한비유물이아니라,양자현상이실제로벌어지는현장이다.고체물질이무너지지않는것은전자스핀과파울리의배타원리덕분이고,반도체칩은슈뢰딩거의고양이로대표되는중첩없이는설명되지않으며,연기감지기안에서는입자가고전물리학의벽을뚫고지나간다.평범한아침은양자물리학없이불가능하고,양자물리학은발열체의빛과자석의끌어당김을보고‘왜이런일이일어나지?’라고물은사람이없었다면존재할수없었다.이렇듯당연하게여기던가장단순한일상에숨어있는신비로움과놀라움을드러남으로써일상을흥미로워진다.책을덮은뒤내일아침은완전히새롭게밝을것이다.
과학천재의신화는없다:회의와망설임이창조해낸세계
‘위대한실수’는실패가아니라생산이다
과학사에는‘천재’와‘파괴적혁신’의서사가넘친다.어떤도약이한사람의번뜩임에서나왔다는이야기는흥미롭기는하지만실제과학이작동하는방식과는거리가멀다.이책이보여주는인물들은정반대다.막스플랑크는자신이만든양자가설을언젠가폐기할‘절박한수학적트릭’으로여겼고,당대최고의실험물리학자로버트밀리컨은아인슈타인의광전효과이론을완벽하게입증해놓고도“만족스러운이론적토대가될수없다”라며깎아내렸으며,볼프강파울리는감지할수없는입자를제안했다는죄책감에시달렸다.그들의비범함은기상천외한개념을단번에떠올리는능력이아니라,평범한일상에서작은단서를알아보는예리함에있었다.위대한성과가타고난독창성이아니라눈앞의문제를해결하려는조급함에서비롯되었다는사실은,독자에게동질감과안도감을동시에준다.
또한,이책의과학자들의실패에도주목한다.아인슈타인·포돌스키·로젠의EPR논문은결국틀린것으로판명되었다.그러나그틀린주장이아무도주목하지않던기이한문제에대한물리학계의관심을끌어냈고,벨의부등식과아스페의실험을거쳐오늘날의양자암호와양자컴퓨터로이어졌다.1980년까지36번인용에그쳤던논문이2017년에는5,900건넘게인용된다.정답을즉시얻는일이그어느때보다쉬워지고,그만큼‘틀리는과정’의가치가납작해지는시대에,이책은오류가어떻게지식의지형을바꾸는지를구체적인사례로보여준다.
세상에서가장친근하고흥미로운양자물리안내서
양자기술시대에꼭알아야할최소한의지식
양자컴퓨팅과양자암호는이미국가전략과산업의키워드가되었다.그러나‘중첩’‘얽힘’‘큐비트’같은단어는대부분뉴스의어휘로만소비된다.이책은그단어들이어디서왔고무엇을설명하기위해만들어졌는지를처음부터되짚는다.광섬유와레이저가어떻게인터넷의물리적토대가되었는지,2017년중국의‘미셔스’위성이오스트리아와주고받은양자보안통화가무슨원리로가능했는지까지이어진다.이책을읽어가다보면자연스럽게양자물리의중요개념들에관한이해가쌓인다.
이책에는수식이없다.그렇다고비유로얼버무리지않는다.토머스영의이중슬릿실험,푸아송이반박하려다오히려입증해버린‘아라고의점’,하인리히헤르츠가우연히마주치고도알아보지못한광전효과,프라운호퍼선의미스터리,꽃가루알레르기를피해헬골란트섬으로도망친하이젠베르크가완성한행렬역학까지서술하며‘무엇이밝혀졌는가’가아니라‘어떻게알게되었는가’의경로를그대로복원한다.
11개장은각각저자의실제아침한문장으로열린다.“빵두조각을토스터에밀어넣자빵틀이약하게흔들리고,난싱크대에기대어빵이다구워지길기다린다.”이한문장에서제논의역설과불확정성원리,고체물질의안정성으로이어지는전개는과학책이면서동시에잘쓰인에세이의리듬을갖는다.어느장부터펼쳐도읽히고,순서대로읽으면하루가완성된다.
책속에서
항성이수십억년동안존재할수있는것은중력,전자기력,강력덕분이다.중력은기체를끌어모으고,전자기력은중력붕괴를막으면서온도를높이며,온도가매우높아져전자기력이양성자들을더떨어트리지못하면강력이수소를헬륨으로융합하면서막대한에너지를내보낸다.세가지상호작용이서로경쟁하면서안정적인상태가된태양은지구생명체에게필요한빛과열을공급한다.
【첫번째일상l일출:기본상호작용-36쪽】
디지털카메라는눈깜빡할사이에고가의귀중품에서일상필수품이되었지만,디지털카메라의과학에대해아는사람은많지않다.트위터에올릴아이사진,고양이사진,아침메뉴사진을찍을때사용하는휴대전화의센서는빛의입자성에관한양자역학원리를바탕으로한다.무척아이러니하게도,이같은센서기술의핵심이되는원리의발견은빛의‘파동성’을입증하려던실험의부산물이었다.
【세번째일상l디지털사진:특허청직원의발견76~77쪽】
인간의후각계는원자배열의미묘한차이까지도감지할수있기때문에우리는화학적으로비슷한원자도완전히다른냄새로인식한다.코의수용기분자들이공기중에있는분자를어떻게구분하는지에대해두가지이론이오랜세월동안경쟁해왔다.그중더일반적으로받아들여지는‘형태론shapetheory’은여러종류의수용기분자가공기중분자의3차원원자배열에반응한다고주장한다.한편‘진동모델vibrationmodel’은수용기분자가공기중분자의움직임을구분한다고주장한다.
【여섯번째일상l후각:배타원리156~157쪽】
상자속고양이역설은양자역학이지닌근본적인문제에대한논란을촉발했고과학자들은여전히활발하게논의중이다.또한많은실험물리학자가슈뢰딩거의역설에영감을받아양자물체를두가지별개의상태가중첩에놓이게하는다양한‘슈뢰딩거고양이상태’실험을고안했다.진짜고양이로실험한(혹은실험하고싶어하는)사람은없지만,초전도체의단일원자,이온,많은수의전자처럼다양한계에서‘고양이상태’가재현되었다.거시적물체에서고양이상태를재현하는실험은빠르게발전하고있는실험물리학분야다.
【여덟번째일상l컴퓨터칩:인터넷과슈뢰딩거의고양이-225쪽】
결국아인슈타인,포돌스키,로젠의주장은틀린것으로밝혀졌지만,그러한판명이이루어지기까지의과정은매우역동적이었다.그들의실수는양자물리학에서그누구도주목하지않던기이하고난해한문제에관심을끌게한위대한실수였다.EPR이지닌심오하고미묘한허점은물리학을상식적인시각으로접근하는것이왜실패할수밖에없는지를여실히보여주면서물리의철학적논쟁을도약시켰고,이를계기로양자얽힘의본질적인기묘함을탐구하는기술이눈부시게발전했다.
【열한번째일상l양자암호:결국위대했던실수-333쪽】
