아인슈타인도 이해 못 했다는 수수께끼 학문, 양자역학!
그 미지의 세계를 인정해야 한다면,
어떻게 조금이나마 친해질 수 있을까?

신문이나 뉴스 등에서 종종 만나곤 하는 ‘양자 컴퓨터’. 그런데 ‘컴퓨터’는 익숙해도 ‘양자’가 정확히 무엇인지 아는 이는 많지 않다. 그저 일종의 작은 입자라는 모호한 이미지만 떠오를 뿐이다. 하지만 이는 양자를 둘러싼 무궁무진한 이야기 중 하나에 불과하다.
간단히 말하면 ‘양자’는 분자, 원자, 전자, 소립자 등 매우 작은 입자들의 통칭이다. 그리고 이 양자의 움직임을 지배하는 미시 세계의 법칙을 다룬 학문을 ‘양자역학’이라고 한다. 양자는 서로 떨어진 두 장소에 동시에 존재할 수 있다는, 인류의 상식을 초월한 수수께끼의 존재이기도 하다. 1920년대에 양자역학의 기초가 정립될 당시, 이 기묘한 성질 때문에 물리학자들 사이에는 격렬한 논쟁이 벌어졌다. 양자역학을 부정한 대표적인 인물인 아인슈타인의 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다” 역시 이 시기에 남긴 말이다. 그만큼 양자역학의 등장은 그 전까지의 물리학을 ‘고전 물리학’이라는 이름으로 구분하게 되었을 만큼 과학계의 판도를 뒤엎는 사건이었다.
100여 년이 지난 지금, 양자역학의 원리로 개발된 반도체는 가전제품과 자동차, 비행기 등 수많은 분야에 쓰이고 있으며 양자 통신, 양자 컴퓨터, 광격자 시계 등 양자역학의 활용 범위는 점점 넓어지고 있다. 양자역학이 없으면 현대 사회는 성립되지 않는다고 해도 과언이 아니다. 이렇듯 우리의 삶과 아주 밀접하게 닿아 있는 학문이지만, 양자역학의 내용은 얼핏 봐도 여전히 낯설고 받아들이기 힘들다. 이에 연구자들은 입을 모아 말한다. “양자역학에는 아무런 문제가 없다. 단지 이를 이해하지 못하는 우리, 인간이 문제일 뿐이다.”

책 속에서

양자와 같은 성질을 띠는 오셀로 돌에 빗대어 양자가 얼마나 신비한 존재인지 설명해 보자. 보드 위의 흰 돌과 검은 돌을 통틀어 ‘오셀로’로 부르기로 한다. 한쪽 면이 흰색, 반대쪽 면이 검은색으로 되어 있는 일반적인 오셀로와 달리 양자 오셀로는 각 면이 흰색과 검은색으로 구분되어 있지 않다. 그러나 상자를 열면 흰색이나 검은색 중 한 가지 색을 볼 수 있다. 이는 양자 오셀로에 두 가지 상태가 겹쳐져 있다가 관측하는 동시에 한 가지 상태로 결정되기 때문이다. 양자 오셀로는 우리의 상식과 동떨어진, 매우 신비한 성질을 띠고 있다.
_1장. 아브라카다브라! 신비한 양자의 세계

1923년, 루이 드 브로이는 누구나 입자라고 굳게 믿고 있던 전자가 파동처럼 행동한다(파동성)는 과감한 예측을 내놓았다(드 브로이 가설). 당시 전자의 파동성을 증명하는 증거는 어디에도 없었지만, 드 브로이는 광자에서 발견된 입자성과 파동성이 광자뿐만 아니라 미시 세계의 모든 입자에 보편적으로 적용된다고 생각했다. 보통 전자를 비롯한 양자는 입자로 간주하지만, 이를 파동으로 해석할 때는 물질파라고 부른다.
_2장. 미시 세계의 문이 열리다

이중 슬릿 실험의 요점은 첫 번째 스크린의 슬릿 바로 뒤에 전자를 검출하는 장비를 설치해서 전자가 어느 쪽 슬릿을 통과하는지 확인하려 하면 간섭무늬가 나타나지 않는다는 점이다. 양자역학에 따르면 관측하기 전까지는 두 슬릿 중 한쪽을 통과할 가능성이 중첩되어 있지만, 어느 쪽 슬릿을 통과했는지 관측한 순간 파동 함수가 붕괴하여 가능성이 하나로 좁혀진다. 입자의 위치와 운동량의 불확실성을 동시에 없앨 수는 없다는 이 원리를 불확정성 원리라고 한다. 즉, 위치와 속도는 동시에 결정할 수 없다. 불확정성 원리는 양자역학의 기본 원리이다.
_3장. 양자역학의 미스터리

양자 세계의 본질상 확률은 존재하지 않지만, 단순히 우리가 아는 정보가 적어 확률로 나타낼 수밖에 없다는 이론을 ‘숨은 변수 이론’이라고 한다. 양자역학이 불완전하다는 아인슈타인과 슈뢰딩거의 주장은 숨은 변수가 아직 발견되지 않았다는 의미를 내포하고 있다. 그러나 1970년대에 진행된 실험으로 숨은 변수의 존재는 완전히 부정되었다. 이 실험을 주도한 세 연구팀의 리더 존 클라우저, 안톤 차일링거, 알랭 아스페는 2022년 노벨 물리학상을 받았다.
_4장. 양자역학, 증명 완료!

태양을 비롯한 항성의 에너지원이 핵융합 반응이라는 주장이 1920년대에 이미 등장했지만, 쿨롱 장벽 때문에 별 내부에서는 핵융합이 일어나지 않으리라고 당시 연구자들은 생각했다. 그러나 양자역학에 따르면 양성자는 극미한 확률로나마 이 높은 벽을 통과할 수 있다. 이를 터널링 효과라고 한다. 터널링 효과란 큰 에너지를 가진 쿨롱 장벽을 그보다 에너지가 작은 입자가 터널을 통과하듯이 빠져나가는 현상으로, 양자역학의 세계에서만 특징적으로 나타난다. 터널링 효과 덕에 태양처럼 ‘온도가 낮은’ 환경에서도 핵융합 반응이 일어날 수 있다.
_5장. 핵융합 스캔들과 초전도 열풍: 양자의 빛과 어둠

에버렛은 양자역학의 법칙을 관측자와 관측 대상 전체에 그대로 적용하면 관측할 때마다 중첩 상태가 분기하여 측정 결과가 다른 별개의 우주로 분기한다고 해석할 수 있음을 보였다. 측정이라는 조작으로 분기한 우주들은 서로 아무런 관계도 없고 영향을 미치지도 않은 채 각기 다른 미래로 나아간다. 따라서 우주에는 상태가 수없이 중첩되어 있고, 측정할 때마다 분기하므로 무수히 많은 우주가 존재하게 된다. 무수히 많은 여러분이 존재하며, 저마다 다른 인생을 보내는 우주가 존재한다. 이것이 다세계 해석이다.
_6장. 양자의 시대가 온다: 양자 컴퓨터와 암호

블랙홀로 낙하하는 물체는 무엇이든 중심을 향해 한없이 낙하하고 밀도가 무한대로 커지므로 시공간의 개념 자체가 무너지고 만다. 이 상황을 특이점이라고 한다. 1964년, 영국의 수학자 로저 펜로즈는 중력의 근원이 되는 물질의 에너지가 플러스라는 조건이 성립한다면 블랙홀 내부에서 반드시 특이점이 출현한다는 사실을 증명했다. 질량이나 운동 에너지처럼 우리가 아는 물질의 에너지는 모두 플러스이므로 이 조건은 대체로 타당하다. 즉, 일반적인 물질이 짜부라져 블랙홀이 만들어지면 그 중심에는 특이점이 존재한다는 사실이 증명된 것이다.
_7장. 블랙홀을 양자역학으로 규명하다

일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시공간의 왜곡이다. 그리고 양자역학 효과는 시공간의 확률적인 요동으로 나타나며, 우주가 탄생할 때나 블랙홀 내부에서 특이점이 발생할 때는 요동이 엄청나게 커지므로 일반 상대성 이론이 크게 수정되리라고 여겨진다. 이 일반 상대성 이론을 양자역학으로 모순 없이 이론화하려는 시도를 ‘중력장의 양자화’라고 하며, 그렇게 만들어진 이론이 양자 중력 이론이다. 양자 중력 이론이 정립되면서 비로소 중력장의 양자 요동이 완전히 규명되었고, ‘시간이란 무엇인가’, ‘공간이란 무엇인가’라는 근본적인 의문에 대한 답을 구할 수 있을지도 모른다는 기대가 생겼다. 그 덕에 양자 중력 이론 연구는 양자역학이 탄생한 이래로 면면히 이어져 올 수 있었다.
_8장. 양자 얽힘이 시공간을 만든다

명쾌한 해설과 50여 가지의 도해로 만나는
양자역학의 탄생과 발전, 그리고 미래

『양자 텔레포테이션으로 인간을 전송할 수 있을까?』는 세계와 미래를 바꾼 신비한 양자역학을 기초부터 재미있게 이해할 수 있는 입문서이다. 앞에서 소개한 양자의 개념을 비롯해, 양자역학의 탄생 및 정립 과정, 양자역학을 활용한 기술, 양자역학을 둘러싼 과학계의 크고 작은 사건들, 양자역학의 전망에 이르기까지 50여 가지의 직관적인 그림과 함께 명쾌하고 친절하게 해설했다. ‘양자의 원리를 이용해 순간 이동을 할 수 있을까?’ ‘그 유명한 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험은 무슨 내용일까?’ ‘과학계를 떠들썩하게 만든 양자역학 스캔들은 무엇일까?’ ‘우주가 무한히 갈라지고 있다는 게 무슨 말일까?’ ‘양자역학과 블랙홀 사이에는 어떤 상관관계가 있을까?’ 등등, 양자역학을 둘러싼 주요 화두와 궁금증을 이 한 권에 가득 담았다.
양자역학은 그야말로 유사 이래 가장 이상하고도 매혹적인 학문이며, 여전히 그 수수께끼는 현재진행형이다. 그래서 더욱 궁금하고 알고 싶은 세계이기도 하다. 이 한 권이 양자역학이라는 미지의 세계에 한 걸음 성큼 다가가는 계기가 되길 바란다.