과학을 연결하는 최소한의 양자역학 (지구 생물부터 우주 행성까지, 세상을 해석하는 양자역학 이야기)

과학을 연결하는 최소한의 양자역학 (지구 생물부터 우주 행성까지, 세상을 해석하는 양자역학 이야기)

$19.80
Description
‘양자역학은 어떻게 다른 과학과 교차하나요?’
‘수식 없이 양자역학을 이해해 보고 싶어요.’
‘재미있는 사례가 많으면 도전해 볼 수 있을 것 같아요.’
‘양자역학이 세계와 어떻게 상호작용했는지 궁금해요.’
‘양자 기술은 어떤 방향으로 발전하게 될까요?’

세상을 이해하는 새로운 관점을 만나면
미래를 바꾸는 혁신이 시작된다!

눈에 보이지 않을 정도로 작은 데다, 인간의 직관을 벗어나는 세계를 어떻게 이해할 수 있을까? 이 미시 세계에서 벌어지는 기상천외한 일들을 밝히는 일은 왜 ‘혁명’이라 불릴 만큼 중요했을까? 이 책은 20세기 초반에 탄생하여 지난 2025년 100주년을 맞은 양자역학에 관한 이야기다. 책이 주목하는 부분은 두 가지다. 양자역학이 어떻게 ‘세상을 해석하는 새로운 방식’을 열어 고전 역학이 해결하지 못하던 문제들을 풀어내었는지, 또 양자역학으로 탄생한 기술이 어떻게 우리 일상을 바꾸고 미래를 혁신했는지다. 여기에 화학·천문학·생물학 등 여러 과학 분야와 양자역학을 ‘연결’하여 설명하니, 독자는 양자역학을 넘어 과학 전반에 학문적 이해도를 높이는 동시에, 과학의 실용성과 확장성에 관한 인사이트도 얻을 수 있을 것이다.

중학교 물리학 교사인 저자 김상협은 파동함수를 풀고, 슈뢰딩거 방정식을 계산하고, 교과서의 내용을 충실히 가르치면서도, 계속 머릿속 어딘가 안개가 끼어 있는 기분이었다고 말한다. ‘양자역학을 내가 제대로 이해하고 있는 것일까?’ 계산은 맞는데, 계산이 가리키는 세계를 이해하는 일은 다른 문제라는 사실을 깨달은 것이다. 결국 저자는 ‘낯선 세계로 들어가는 첫 번째 문을 여는’ 책을 집필하고자 결심했다. 스스로 고민을 거듭했기에 양자역학을 ‘배우는’ 것이 아니라, 양자역학이 열어젖힌 세상을 ‘이해해’ 보자고 제안할 수 있었다. 교과서를 비롯해 과학 교양서를 여럿 집필하고 방송에 출연하면서 생활 속 과학을 전하고자 다방면으로 힘써 온 저자는 《과학을 연결하는 최소한의 양자역학》에서도 직관적인 비유와 일상 속 사례를 풍부하게 들면서 독자를 친절하게 이끈다. 양자역학이 줄곧 궁금했으나 자신에게 딱 맞는 책을 찾지 못하던 사람에게 이 책을 적극 추천하는 이유다.

▶ [분광학 × 양자 도약] 태양 빛 스펙트럼에 생기는 검은 선의 정체는?
▶ [화학 × 입자와 파동] 이중 결합과 단일 결합을 오가는 새로운 분자?
▶ [광합성 × 중첩과 간섭] 식물은 어떻게 빛에서 에너지를 얻을까?
▶ [백색왜성 × 불확정성 원리] 붕괴해야 할 별이 아직도 빛나고 있다면?
▶ [방향 감각 × 양자 얽힘] 철새가 지도 없이 먼 곳을 오가는 비결은?

총 5개 장으로 이루어진 《과학을 연결하는 최소한의 양자역학》은 “태양 빛 스펙트럼에 생기는 검은 선의 정체는?(1장 분광학)” “이중 결합과 단일 결합을 오가는 새로운 분자?(2장 화학)” 같은 흥미진진한 질문에서 시작한다. 이는 양자역학에 더 쉽게 접근해 보고자 하는 시도인 동시에, 서로 분리된 학문처럼 보이던 과학의 세계를 가로지르는 탐험이기도 하다. 땅 위에서 피어올라(3장 광합성) 하늘을 날아오른 후(5장 방향 감각) 밤하늘 속 반짝이는 별에 도달하기까지(4장 백색왜성), 시공간을 넘나들며 펼쳐지는 이야기를 따라가다 보면, “가랑비에 옷 젖듯이 자연스레 양자역학을 받아들이는 순간”(김기덕 막스플랑크 연구소 고체물리학자 추천사)을 경험하게 될 것이라 믿는다.
저자

김상협

학교에서학생들에게물리학을가르치고있다.SBS〈생활의달인〉〈모닝와이드〉,KBS〈신나라과학나라〉〈꾸러기탐험대〉등에출연하여생활속과학이야기를재미있게풀어내기도했다.과학기술부로부터올해의과학교사상을수상했고,전국교육용소프트웨어공모전금상,Scienceall과학콘텐츠공모전우수상,대한민국과학콘텐츠대상등수많은상을받았다.
초·중·고과학및물리학교과서와《눈이즐거운물리》(2011년한국과학창의재단우수과학도서)《김상협의무지개연구》(2023년책따세겨울방학추천도서)등몇권의과학교양서적을집필했다.

목차

프롤로그양자역학이연결하는과학의세계로초대합니다!

1.검은선의정체를밝혀라!-빛속을헤엄치는양자역학

BREAKINGNEWSLIVE
-“원자핵발견!”

분광학의해결하지못한질문
-사라진색과우주의비밀

프라운호퍼선×양자도약
-원자의진짜모습을밝히다
-전자가에너지계단을오르내릴때

빛을만드는양자역학
-21세기의새로운빛,파란색LED
-빛의군무,레이저


2.고리속에갇힌진실은?-분자를얽는양자역학

법정에선전자
-“전자는어느창으로통과했는가?”

화학의해결하지못한질문
-이중결합인가?단일결합인가?

벤젠모형×파동
-전자의두얼굴,입자와파동
-궤도에서오비탈로,전자구름의발견

기술을혁신하는양자역학
-추상적이론에서손안의스마트폰으로
-바늘로만지는현미경의탄생


3.식물은어떻게자라는가?-땅위에서피어나는양자역학

양자역학토크쇼
-“고양이는살아있을까,죽었을까?”

식물학의해결하지못한질문
-초록색베일아래서벌어지는일

광합성×양자중첩
-자연의완벽한효율,‘간섭’
-관측하는순간‘붕괴’하는세계

문제를해결하는양자역학
-양자컴퓨터의빠른계산비결
-양자컴퓨터의핵심,큐비트


4.붕괴해야할별이아직도빛나고있다면?-별을보존하는양자역학

연극
-“불확정성:양자역학으로의초대”

천문학의해결하지못한질문
-보이지않는별이있다

백색왜성×불확정성원리
-위치와운동량의제로섬게임
-붕괴하는힘과밀어내는힘의평형상태

정밀하게측정하는양자역학
-300만년에1초오차,원자시계의발명
-우주의속삭임을듣는중력파측정


5.철새가지도없이방향을찾는비결은?-푸른하늘을가로지르는양자역학

양자100분토론
-“서울과뉴욕의바둑알”

생물학의해결하지못한질문
-철새몸속나침반을찾아라!

방향감각×양자얽힘
-떨어져도함께하는전자스핀
-작은눈속양자가펼치는춤

미래를설계하는양자역학
-해킹이절대불가능한양자암호통신
-민감해서더예리한양자센서

미주/사진출처
추천도서

출판사 서평

양자역학이연결하는과학의세계로초대합니다!

분광학,화학,식물학,천문학,생물학까지,
양자역학으로과학의세계를연결하는5편의이야기

《과학을연결하는최소한의양자역학》이화학·천문학·생물학등우리에게친숙한과학분야를끌어오는이유는,‘양자역학을완전히이해하는사람은없다’라는말이있을정도로난해한이학문을실제삶으로끌어오고자함이다.양자역학은상식으로는잘설명되지않는다.전자가동시에여러곳에존재하는‘파동성’이나,안드로메다은하만큼멀리떨어뜨려놓아도서로정보를주고받는전자쌍의‘스핀’은들여다볼수록기묘하다.그래서전공생들은답이정확히도출되는수식을푸는데집중하기도하며,교과서속양자역학이어떻게세상과연결되는지모르는사람도있다.이러한현실앞에서《과학을연결하는최소한의양자역학》은양자역학을과학이론으로조명하는방식에서벗어나세계를움직이는근본적힘으로재해석한다.

우주의빛을다루는분광학에서시작하는1장을보자.태양빛을스펙트럼으로펼쳤을때중간중간생기는검은선,‘프라운호퍼선’이주인공이다.저자는빛에매료된열두살유리장인요제프프라운호퍼를거쳐독일의화학자분젠과물리학자키르히호프까지,반세기에걸쳐‘검은선’의정체를밝히고자한과학자들의고군분투를‘현장밀착카메라’처럼전달한다.그다음,질문이파고든다.“왜원소는특정한빛만내는가?”“이빛은왜띠처럼끊겨있는가?”광활한우주에서던져진질문은전자가아무곳에나존재하는게아니라특정궤도를행성처럼돌며,‘에너지계단’을오르내릴때빛을흡수·방출한다는‘양자도약’으로이어진다.

양자역학으로과학의진실을드러내는일이중요한이유는,프라운호퍼선이단순한현상이아니라“우주가정보를숨겨놓은자리”이자“우주를이루는원소들의지문”이었기때문이다.2장에서다루는‘벤젠’도마찬가지다.벤젠은플라스틱,섬유,의약품,합성고무등수많은산업제품의출발점이며,그구조를밝히는일은더안전하고효율적인화학산업공정을설계하는일과맞물렸다.융합적사고와깊은통찰이더욱중요해지는시대,이처럼서로다른과학이맞물려문제를해결해나가는과정을따라가보는일은하나의현상을다각도로사고하는법을자연스럽게익히게해주기에더욱중요하다.


양자역학의발견은‘세상을해석하는관점’의변화다!
양자역학의눈으로볼때새로이보이는것들

양자역학의탄생은세상을바라보는관점의변화였다.그동안우리는입자가쪼개지지않는단단한덩어리일것이라여겼지만,우리주변에딱딱하게만져지는모든것이파동의성질을갖는다는믿기어려운사실이밝혀졌다.한번에하나의길만갈수있다는고전물리학의설명도폐기해야했다.양자세계에서는여러길을동시에따라간후가장효율적인경로만남는‘중첩’이일어난다는사실이밝혀졌기때문이다.게다가목격되는순간하나의경로로결정되는‘붕괴’까지.양자역학은세상을이해하는근본적방식을재정립했다.

“이런방식은우리가일상에서경험하는세계와는완전히다릅니다.하지만현대물리학은이양자적인움직임이우주의가장기본적인작동방식이라고말합니다.”_본문중에서

핵심은이러한기묘한양자세계의법칙이고전세계가넘어서지못하던한계들을뛰어넘게해주었다는점이다.저자의표현을빌리자면,“과학은성문을열수있는열쇠이고,양자역학은성안의모든문을열수있는마스터키”인셈이다.양자세계의문을열고나면,익숙하던풍경도달리보이기시작한다.이를테면,간섭과중첩이라는양자개념을알고난후에는도로옆가로수의나뭇잎에서도‘가장빠른경로를선택하는’자연의효율이엿보인다.인간의오랜동경인별에서도우주의법칙이드러난다.지구만한크기에태양만한질량을품고있는백색왜성이붕괴하지않는이유가‘불확정성원리’로인한‘전자축퇴압’이라는진실이보이기때문이다.쉽게받아들이기는어렵더라도,저자가건네는‘마스터키’를받아들고익숙한믿음에서벗어나보자.

하이젠베르크“전전자의위치를완벽하게측정하려했습니다!하지만보는순간…얼마나빠른지속도를측정할수없어졌습니다.이건자연이정보를숨기는겁니다!저는그진실을밝히고싶습니다!”
보어“하이젠베르크.이건자연의규칙이다.너는아직그진실의무게를감당하지못해.하이젠베르크!그래도알고싶은가?”_“불확정성원리:양자역학으로의초대”상황극중에서

각장의서두에서양자역학의발견과발전에크게이바지한인물들이펼치는상황극은책의또다른묘미다.러더퍼드의원자핵발견을긴급속보로전하고,전자가창A,B가운데어디를통과했는지를두고검사아인슈타인과변호사닐스보어가법정공방을다투며,‘정확한측정이가능한가’라는질문을두고자연의진실을고뇌하는하이젠베르크앞에빨간알약과파란알약이놓이기도한다.전문가못지않은실력으로저자가손수그린일러스트까지,양자역학을쉽고재미있게전하고자하는저자의재치가돋보인다.마치현장에서직접지켜보는듯한스토리텔링을읽다보면,독자는양자역학에막연히품었던장벽을‘파동처럼통과’할것이다.


손안의스마트폰부터빛으로잠그는양자암호까지
양자기술은우리의미래를어떻게이끌어나갈까?

양자역학이탄생후100년이지나도록이토록큰관심의대상이되는이유는이발견이실제우리의삶을혁신했으며,앞으로도그럴무한한가능성을갖고있기때문이다.이책이이론에서시작해이론으로끝나지않고,장마다핵심양자개념이어떻게우리일상속기술로구현되었는지소개하는이유다.과학에관심은있지만전공하지않아서‘양자컴퓨터’‘양자통신’같은말을들을때마다뭔가중요한이야기인듯하여귀를기울이면서도왜대단하다는건지감을잡지못했던사람이라면,추상적으로느껴지던이론을손안에쥐어보는경험을할수있을것이다.

“우리가정말알고싶은것은수식그자체가아니라,양자역학이우리세계를어떻게바꾸어놓았는가하는이야기입니다.반도체가어떻게탄생했는지,휴대폰이왜양자역학의산물인지,지금이순간에도전세계가경쟁하듯개발하는양자컴퓨터가무엇을할수있는지.이런질문들은수식없이도충분히탐구할수있습니다.양자역학을‘배우는’것이아니라양자역학이열어젖힌세상을‘이해하는’것이목표라면,이책이그길을함께걸어줄수있습니다.”_본문중에서

최근가장큰관심을끈양자기술은3장에서소개하는‘양자컴퓨터’다.2025년노벨물리학상이양자컴퓨터의기반을다진세사람에게돌아간것만봐도중요성은충분히실감할만하다.0과1이라는두가지상태로정보를표현하는고전컴퓨터와달리양자컴퓨터는0이면서동시에1일수있는‘큐비트’라는양자정보단위를사용한다.이기술이특별한이유는큐비트가n개일때동시에처리할수있는상태수가2ⁿ개로기하급수적으로증가하기때문이다.양자컴퓨터는분자간복잡한상호작용을시뮬레이션하여신약개발속도를혁신적으로끌어올리거나,기후변수를동시에계산하여날씨를보다정확하게예측하거나,변수간관계가매우복잡하여시도조차할수없던문제를해결하는등현재보다미래에더주목받는‘특수목적계산기’가될전망이다.저자는이렇게덧붙인다.양자컴퓨터는단순히더빠른컴퓨터가아니라,문제를완전히새로운방식으로해결하는컴퓨터라고.

마찬가지로양자센서는점점더세밀하게세상을들여다보고싶어하는인간의욕구를충족해준다.몸속을더자세히관찰하고,지구의아주작은흔들림을측정하며,아주미약한자기신호를포착하는일까지,공상과학에나등장할법한이야기라고느껴지지만,실제로양자역학은“자연그자체를읽어내는새로운언어”로써이전에는상상조차못하던정밀함으로세계를바라보게해주었다.그리고이이야기는아직끝나지않았다.양자역학이우리를어디까지데려갈지는“이제막자연에첫번째질문이던져졌기때문”이다.이책이기묘한미시세계에첫발을내디딘독자들에게양자와함께하는미래를향해달려나갈크나큰호기심과용기를주기를바란다.