모든 것에 양자가 있다

요시다노부오

저자:요시다노부오
이학박사.전공은소립자론.도쿄대학교이학부를졸업하고같은학교대학원박사과정을수료했다.과학철학과과학사를비롯해폭넓은분야를연구하고있으며,홈페이지‘과학과기술의여러모습’(scitech.raindrop.jp/)을운영하고있다.《명해양자중력이론입문》,《명해양자우주론
입문》,《완전독습상대성이론》,《우주에‘끝’은있는가?》,《시간은어디에서왔으며왜흐르는가?》,《빛의장,전자의바다》,《소립자론은왜이해하기어려운가?》,《양자론은왜이해하기어려운가?》,《과학은왜이해하기어려운가?》,《이세계의수수께끼를밝혀낸다―고등학교물리재입문》등다수의저서가있다.

역자:김정환
건국대학교토목공학과를졸업하고일본외국어전문학교일한통번역과를수료했다.현재번역에이전시엔터스코리아출판기획및일본어전문번역가로활동하고있다.공대출신번역가로서공대의특징인논리성을살리면서번역에필요한문과의감성을접목하는것이목표다.옮긴책으로‘재밌어서밤새읽는’시리즈,《그림으로보는상대성이론》,《일상속숨어있는생물학이야기》,《세계사를바꾼화학이야기》,《시간은되돌릴수있을까》,《세상을바꾼질병이야기》외다수가있다.

감수:강형구
서울대학교인문대학철학과에서과학철학을공부하고,서울대학교자연대학과학사및과학철학협동과정에서과학철학자한스라이헨바흐를중심으로하는논리경험주의시간과공간철학을주제로석사및박사학위를받았다.현재국립목포대학교교양학부과학기술철학전공조교수로재직중이다.지금까지《나우:시간의물리학》(공역),《시간의물리학》등7권의과학철학책을번역했으며,총11편의과학철학학술논문을학술지에게재했다.

머리말
제1부양자론의수수께끼
제1장양자는우리곁에있다
모래알에서는생명이탄생하지않는다
분자가만드는안정적인구조
생명을구동하는정밀기계
생기론에서양자론으로
원자핵과전자의유연한시스템
가장단순한사례부터시작한다
중력의지배를받는행성계
행성계와원자의결정적인차이
수소원자가보여주는규칙성
원자론―이기묘한것
제2장파동이만들어내는질서
원자와장(場)
수소원자가보여주는수수께끼
슈뢰딩거의해답
갇힌파동은형태를만들어낸다
현(弦)의진동을예로생각해보자
파동을가두는힘의정체
수소원자에서무슨일이일어나고있는가?
양자효과의본질을파고들다
원자에서분자로
물리학으로화학을설명하다
‘전자는파동이다’라는아이디어
슈뢰딩거의실수
제3장‘이해하기쉬운양자론’이란?
양자론의타깃이‘입자’에서‘장’으로
‘양자장론’은어떤이론일까?
전자에는개성이없다
어떻게해서파동이입자가되는가?
‘파동이면서입자다’라는모순
불확정성원리란무엇인가?
파동을위해준비된공간
양자장론에는결함이있었다
이해하기쉬운양자론과그적
제2부양자론의두계보
제4장보어vs아인슈타인
막스플랑크,에너지양자를발견하다
아인슈타인이일으킨혁신
빛은기체분자와닮았다
실패한이론으로생각됐던광양자론
보어가궁리끝에만들어낸원자모형
이론의짜깁기
보어-아인슈타인논쟁
논쟁의승자는누구?
제5장하이젠베르크vs슈뢰딩거
새로운역학을모색한보른
급진적인하이젠베르크
하이젠베르크의현미경
보어의방법론을계승한하이젠베르크
이미지를중시한슈뢰딩거
슈뢰딩거를향한비판과그귀결
제6장디랙vs요르단
진동하는‘무언가’
전자와광자는입자다
천재디랙의화려한테크닉
생성·소멸의마법
‘디랙의바다’
디랙의방법이가진한계
전자와광자는파동이다
불확정성이란무엇인가?
소립자는장에서생겨난다
파동은어디에서생겨나고있는가?
양자장론은왜받아들여지지않았는가?
저주받은물리학자요르단
제3부양자론을상식의범위안으로되돌린다
제7장슈뢰딩거의고양이와양자컴퓨터
슈뢰딩거의고양이란?
살아있으면서죽은고양이는없다
중첩이유지되는경우
실현가능한‘고양이상태’
고전적컴퓨터의구조
양자컴퓨터는고양이상태를이용한다
정답률0.2퍼센트로부터의도전
또하나의양자컴퓨터
제8장역사는분기하는가?
‘어느쪽을통과했는가?’실험
슬릿판이움직이도록하면……
정말로보어진영이승리했을까?
입자성과파동성은배타적인가?
인간의관측은필요한가?
실제로어느쪽을통과했는가?
간섭하는과정은하나의‘역사’다
간섭하지않는역사라면분기하는가?
양자론으로‘역사’를이야기한다
제9장멀리떨어져있는데얽혀있다?
양자얽힘이란무엇인가?
빛을사용해서양자얽힘을조사하다
관측결과가서로영향을끼친다?
집계했을때비로소알게되는것
양자얽힘은텔레파시가아니다
벨의부등식
해답이발견되지않는문제와그의미
후기_진정한양자론
주석

물질이복잡하면서도정교한형태를유지하는이유는?
양자론의등장배경과양자효과의결과

‘양자’란무엇일까?사전적인뜻은“더이상나눌수없는에너지의최소량의단위”로,양자론이란‘양자의관점에서전개되는물리학이론’을통틀어이르는말이다.이양자론을통해서야비로소설명가능해지는물리적인효과,즉‘양자효과’는물질과관련된온갖물리현상에서발견된다.전자가원자핵에끌어당겨지지않고일정한간격을둔채그주위를도는것,그래서원자가붕괴하지않고규칙적으로배열되어결정구조를실현하는것,그결정구조가거시적인물질을형성하고형태를갖추는것은모두이런양자효과덕분이다.뿐만아니라생물의세포막이구조적안정성을갖추고생명을유지하는것,열을받은금속이금방구부러지고유리가투명한이유,시간이끊임없이흐르는이유,태양계행성들의탄생같은우주적인규모의현상들도다양자효과와결부시켜설명할수있다.

책의1부‘양자론의수수께끼’에서는고전물리학으로는설명할수없는물리현상의사례를들면서양자론의등장배경을설명한다.
뉴턴역학을바탕으로하는고전물리학에따르면,인접한두입자는서로끌어당기거나멀어진다.뉴턴운동방정식에는두입자의간격을일정하게유지하는메커니즘이없으며,따라서원자핵과이를둘러싼전자가합체하지않고안정적인상태가되는일은있을수없다.전자기장과의상호작용으로에너지를잃은전자는,대기와의마찰로에너지를잃은인공위성이궤도를벗어나지구로추락하듯원자핵을향해떨어진다.원자핵과전자가달라붙으면전기적으로중성인덩어리를형성하면서물질은붕괴한다.아예형태라는것을갖출수가없는것이다.이처럼기존역학으로는설명할수없는현상에대해‘혹시전자같은물질의구성요소는입자와는다른게아닐까?’라는발상의비약으로등장한것이바로양자론이다.

2부‘양자론의두계보’에서는양자역학계의주류로평가받아온하이젠베르크나보어의이론과달리종종이단으로치부되었던아인슈타인,슈뢰딩거,요르단의파동장개념을이용해양자현상을설명함으로써,우리의일상에서흔히접하는물리현상의근원에무엇이있는지를이야기한다.
저자는양자역학이이해하기어려운골치아픈학문이된이유중하나는보어와하이젠베르크의난해한학설이양자론의표준으로받아들여졌기때문이라고지적한다.보어와하이젠베르크는‘어차피자연의본질은인간이알수없는것’이라는생각에수식과관측결과에이론을끼워맞추는방법론을채용했는데이는‘일단전자를입자처럼다루고,그런다음불확정성원리를적용한다’는것이었다.반면슈뢰딩거와요르단등은현상과합치하는수식을얻는데만족하지않고진동이나파동같은구체적인이미지를지도원리로삼아서현상의근간에무엇이있는지를고찰하고자했다.저자는특히뉴턴역학에따르면있을수없는원자의안정적인상태를파동으로해결한슈뢰딩거와,전자안에널리존재하는‘장(場)’이파동을만들어낸다고가정한요르단의업적을부각한다.

살아있으면서죽은고양이가있을수있을까?
진정한양자론의이해를위하여

마지막으로3부‘양자론을상식의범위안으로되돌린다’에서는고양이가살아있는동시에죽었다거나관측자체가상태에영향을준다는등현실적인차원에서는이해하기어려운이론들과현상들을파동의움직임으로해명한다.
결론부터말하면전자는파동이며,외부로부터의작용으로정상파가흐트러지지않을때에한해입자처럼움직인다.전자의장에갇힌파동은특정하게배열되었을때안정적인공명상태를형성한다.이러한공명패턴은모두같은에너지를가지며마치하나의입자처럼움직인다.이것이전자가이따금입자처럼보이는이유다.즉파동성과입자성은배타적인것이아니며,공명패턴을이루는정상파가질서를형성하고생명현상같은복잡한사건을가능케한다는것이저자가말하는양자론의핵심이다.
저자는매우확고하게말한다.“살아있는고양이와죽은고양이의파동이실제로중첩되는일은있을수없다”고.독가스가들어있는플라스크를깨뜨려서고양이를죽일수있는중성자의베타붕괴는50퍼센트의확률로일어나거나일어나지않는다.

베타붕괴가일어나는사례에서는초보다몇자리는짧은순간마다다른역사로분기하게된다.화학반응의경우도반응전후의상태는서로간섭하지않으므로,세계어딘가에서분자1개가화학반응을일으킬때마다별개의역사가탄생한다.이런무수한역사가전부평행우주로실존한다고는도저히믿기어렵다.베타붕괴나화학반응같은간섭하지않는상태로의변화(탈간섭)에따라구별되는역사는식으로표현될뿐인가상적인것으로,실제로는그중하나가실현된다고생각하는것이타당하다.(220쪽)

그러나파동의겹침이아예일어나지않는것은아니며,수면에퍼지는잔물결이겹치거나현악기줄을튕겼을때그파동이겹치듯원자층위에서는지극히평범하게일어나는현상이라고저자는말한다.그러면서이러한양자론적인파동의겹침,즉‘슈뢰딩거의고양이’상태가어떻게양자컴퓨터에활용되는지를살펴본다.
양자론은‘살아있으면서죽은고양이’나‘파동입자이중성’으로이야기되는그유명한이중슬릿실험이대표하는것처럼결코상식을벗어난,이해할수없는이론이아니다.저자가생각하는바양자론은물질의“근간에존재하는미세한파동이서로간섭함으로써이세상이유연하게변화하고있음을분명히하는이론”이다.