세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 양자광학 (빛의 입자설과 파동설부터 양자컴퓨터까지)

정완상

저자:정완상
과학에대한호기심으로서울대학교무기재료공학과에다녔고,물리를향한마음이더욱커져한국과학기술원(KAIST)에서이론물리학을전공하며석박사학위를받았다.30세에경상국립대학교물리학과교수가되어학생들에게물리사랑을전파하고있다.초심을잃지않기위해꾸준히연구하며현재까지국제학술지(SCI저널)에300여편의논문을게재했다.직접만나는학생뿐만아니라더많은학생들에게과학과수학의즐거움을알려주고자책을통해독자를만나고있다.〈과학자가들려주는과학이야기시리즈〉중《아인슈타인이들려주는상대성이론이야기》를비롯한31권과〈과학공화국법정시리즈〉50권을집필했다.최근에는중학교에서도통하는초등수학을카툰으로그린〈개념잡는수학툰시리즈〉를출간했고,노벨상오리지널논문을쉽게풀어낸〈노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학시리즈〉를집필중이다.우리나라의노벨과학상수상자가쏟아져나오기를바라는마음에서네이버카페〈정완상교수의노벨상-오리지널논문공부하기〉를운영하기시작했다.

추천사
천재과학자들의오리지널논문을이해하게되길바라며
양자광학의창시자글라우버_애슈킨박사깜짝인터뷰

첫번째만남.고전광학
입자설과파동설_날아가는야구공vs출렁거리는파도
파동설의승리_간섭무늬와회절현상
전자기파의발견_눈에보이지않는빛을찾다

두번째만남.레이저의탄생
광자의탄생_빛을이루는입자
아인슈타인의유도방출이론_레이저의기본원리
양자역학의탄생_전자라는양자가만족하는물리학
메이저의발명_강렬하고정밀한빔을만들다
레이저의발명_증폭된가시광선의빔
레이저응용_천문학에서의학까지

세번째만남.광통신의역사
그레이엄벨_광통신을발명하다
포토폰의발명_거울에반사되는빛으로
광섬유의발견_유리막대에갇힌빛
저손실광섬유의발명과광통신_더효율적으로많은정보를

네번째만남.양자광학의탄생
광자의생성·소멸연산자_광자한개를어디로보낼까?
벡터대수학_전기장과자기장을연산자로바꾸기위해
맥스웰방정식_전기장과자기장을묘사하는복잡한방정식
파동방정식과전자기파_파동은어떻게나타낼까?
전자기파_벡터퍼텐셜이만족하는파동방정식에서
전자기장의양자화_입체속의전자기파

다섯번째만남.원자와빛의상호작용
제인스-커밍스모형_바닥상태와첫번째들뜬상태
라비진동_원자속전자가두에너지준위사이에서진동한다

여섯번째만남.결맞는상태
글라우버_로스앨러모스의최연소과학자
결맞는상태_빛의선명도가최대가되다
결맞는상태의성질_광자수의확률,기댓값,표준편차
반응집광_방출되는광자가분리되는현상

일곱번째만남.양자광기술
애슈킨의광학핀셋_레이저빔으로미세한물체를붙잡다
주파수빗의발명_일정한주파수간격의날카로운스펙트럼선
레이저냉각_원자들의속력을느리게만들다
메타물질_투명망토의비밀
반응집광과양자컴퓨터_양자광학의활용과미래

만남에덧붙여
ComparisonofQuantumandSemiclassicalRadiationTheorieswithApplicationtotheBeamMaser_제인스-커밍스논문영문본
CoherentandIncoherentStatesoftheRadiationField_글라우버논문영문본
ControllingElectromagneticFields_펜드리논문영문본
위대한논문과의만남을마무리하며
이책을위해참고한논문들
수식에사용하는그리스문자
노벨물리학상수상자들을소개합니다

★전국과학교사모임추천
★일대일친절한과학수업
★이공계진학예정자필독서
★노벨상수상자논문영문본수록

해리포터이야기속투명망토가현실로?신비한빛의세계로떠나는여행

영국작가J.K.롤링의《해리포터》시리즈의팬이라면한번쯤,주인공해리처럼투명망토를쓰고곳곳을몰래누비는상상의나래를펼쳐보았을것이다.그런데판타지소설이아닌현실에서도투명망토가가능하다면어떨까?
투명망토는메타물질이라는아이디어에서출발한다.메타물질로만든투명망토를물체에씌우면물체에빛이도달하지않아우리눈에보이지않는다.
메타물질의활용분야는매우넓다.생활소음을줄이거나음파탐지기에잡히지않는스텔스잠수함에서도쓰인다.또한투명망토나고성능렌즈,소형안테나등에사용할수있다.지금도많은과학자가무궁한가능성을가진메타물질을연구한다.
이러한메타물질의바탕에바로양자광학이자리하고있다.이책은양자광학의창시자글라우버의연구를중심으로양자광학의역사,개념,활용,미래등을차근차근소개한다.이책을통해신비한빛의세계로여행을떠나자!

흥미로운과학사와고등학교수학수준의개념설명

이책은단순히양자광학의개념을나열하는데그치지않는다.저자는독자들을시간여행으로초대하여,빛이입자인지파동인지치열하게논쟁했던고전광학의시대로먼저데려간다.이어서아인슈타인의유도방출이론이레이저라는혁신적인빛을탄생시킨과정,유리막대에빛을가두어정보의바다를열어젖힌광섬유의발견에이르기까지,한편의흥미진진한과학드라마를펼쳐보인다.이러한역사적배경위에서독자들은자연스럽게양자광학의핵심질문들과마주한다.
무엇보다이책의백미는서문에서밝힌‘이제는독자들의수준도많이높아졌으니수식을피하지말고천재과학자들의오리지널논문을이해하길바랐습니다’라는열망이다.양자광학의핵심인광자의생성？소멸연산자,빛과원자의상호작용을다룬제인스-커밍스모형,빛의최대간섭을설명하는글라우버의결맞는상태등복잡한개념들을‘고등학교정도의수식을이해하는청소년과일반독자’의눈높이에맞게풀어내는저자의노력은실로감탄을자아낸다.이는단순히지식습득을넘어,위대한과학자들이문제를어떻게정의하고해결해나갔는지그창의적인생각의흐름을접하는소중한기회가될것이다.

산업,의료,군사,통신,...우리삶과밀접한양자광학탐구

이책을읽고새삼깨닫는것이‘이렇게양자광학이쓰이는곳이많았나?’이다.광자의개념으로탄생한레이저는산업,의료,군사,통신등이미우리삶에서빼놓을수없는존재가되었다.정교한재단과가공을하거나,치료나검사에쓰이고,공격의기준이되며,광섬유를통한초고속통신을한다.여기서한걸음더나아가양자광학이미래과학기술의기본이됨을이책을통해알수있다.
《세상에서가장쉬운과학수업양자광학》은‘전자기장의양자화’같은개념설명부터,이러한기초가어떻게현대과학기술의눈부신성과로이어지는지생생하게보여준다.레이저빔으로미세입자를다루는‘애슈킨의광학핀셋’,원자시계의정밀도를극한으로끌어올린‘주파수빗의발명’,빛의경로를조종하는‘메타물질’,미래컴퓨팅의핵심인‘양자컴퓨터’에이르기까지양자광학의다양한응용사례를소개한다.
현대뿐아니라미래사회에도필수인양자광학의세계에푹빠져보자!.

『노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학』시리즈의의의

이시리즈는노벨상을수상한과학자들의오리지널논문을바탕으로현대과학의정수를전달하는것을목표로한다.지금까지출간된15권은특수상대성이론,양자역학,방사선,반입자,양자전기역학,양자광학,그리고기후물리학과양자정보,쿼크이론에이르기까지,다양한분야의대표적이론과발견들을다루어왔다.각권은특정이론의과학사적배경,수학적정식화,핵심개념,그리고오리지널논문의전문을함께담아냄으로써단순한‘지식전달’에서벗어나,‘과학적사유’를훈련할수있도록구성되어있다.고등학교수학정도를이해할수있는독자를기본독자로설정하되,전문적인물리학지식을가진독자에게도새로운시야를제공할수있도록정밀하게설계되어있다.

★“박문호의자연과학세상특강선정도서”

이러한시리즈의깊이와정교함은외부전문가의평가를통해서도뒷받침되고있다.특히「세상에서가장쉬운과학수업」시리즈는박문호박사의‘자연과학세상목요특강’에서연속으로선정되는영예를안았다.박문호박사는일반적으로동일출판사의책을연속으로선정하지않는원칙을지켜왔지만,시리즈제2권『방사선과원소』는제204회목요특강,제8권『반입자』는제205회목요특강에각각선정되며이례적인연속채택이이루어졌다.이는곧시리즈전체가지닌학술적깊이와대중강연에서의교육적적합성을전문가도인정했다는방증이다.이처럼「세상에서가장쉬운과학수업」시리즈는학습자와독자의지적도약을이끄는학문적실험장이자안내서로자리매김하고있다.