커피 한 잔의 과학 이야기, 양자역학: 과학 같지 않은 물리학

김석환 지음

주식회사 평산리서치 2025년 03월 07일 출간

작품소개

책소개

“자연의 신비한 원칙을 알려주는 것이 양자역학이 아니다.”
요즘 양자역학에 대해 이야기하는 사람들이 있는데, 대부분은 공상 과학의 주제이거나 불교적인 주제로 이야기한다. 그리고 그런 이야기를 들을 때마다 필자가 느끼는 것은 사람들이 양자역학에 대해서 근본적으로 오해를 하고 있다는 것이다. 양자 역학은 ‘최근에 과학자들이 밝혀낸 자연의 신비한 법칙’에 대한 학문이 아니다. 사실 양자역학은 이런 것이라고 직접적으로 설명할 수가 없다(적어도 필자는). 왜 이렇게 모호한 말을 하는지는 이 책을 읽고 나면 이해할 수 있을 것이다. 신비의 세계로만 잘 못 알려져 있는 양자역학을 과학자들의 시선으로 하나씩 발전시켜 나가면서 이해해 보도록 하자.

목차

0. 서론
1. 물질의 근본
2. 빛에 대한 탐구
3. 입자인 빛이 파동의 성질을 가진다면
4. 전자가 파동이라면?
5. 본질적인 질문으로
6. 하이젠베르크의 불확정성의 원리
7. 슈뢰딩거의 고양이
8. 뭐가 문제인가?
9. 보어의 상보성 원리
10. 그래서 본질은?

책 속으로

‘무슨 물리학이 이래?’라는 생각이 드는가? 아인슈타인(Albert Einstein)도 그랬다. 아인슈타인은 물리학의 본질은 ‘정확한 인과관계를 밝혀내는 것’이라고 생각하는 사람이었으므로 인과관계 대신 확률로 현상을 설명하는 양자역학을 탐탁지 않게 생각했다. 그럼에도 불구하고 양자역학은 물리학의 큰 갈래로 자리를 잡았다. 양자역학은 이해할 수 있는 학문이 아니다. 그렇다면 양자역학은 도대체 무슨 말을 하는 건지, 뭐가 이해 불가능하다는 건지, 그런데도 왜 그리고 어떻게 해서 물리학의 큰 분야로 자리 잡았는지 등이 이 책에서 설명하는 것이다.
“0. 서론” 중에서

빛에 대해 긴 시간 동안 탐구한 결론은 “빛은 입자인데, 파동처럼 행동하기도 한다.”는 것이다. 이해는 고사하고 받아들이기도 어려운 결론이라 무슨 말인지 설명할 수는 없지만, 한 가지 의문이 생길 수 있다.
‘입자인 빛이 파동으로 행동한다면, 다른 입자도 파동으로 행동할까?’
드브로이(Louis de Broglie)는 입자인 전자(electron)도 파동의 성질을 가지고 있는지를 이론적으로 연구했다.
“3. 입자인 빛이 파동의 성질을 가진다면” 중에서

하이젠베르크는 행렬 역학을 만든 후에 전자의 측정에 대한 연구로 돌아왔는데, 전자의 위치를 정확히 측정하려 하다 보면 운동 상태를 잘 알 수 없게 되고 전자의 운동 상태를 정확히 측정하려 하다 보면 위치를 제대로 알 수 없게 되는 일이 반복되었다. 다른 학자들은 장비와 측정 기술을 발전시키려고 노력하고 있었지만, 하이젠베르크는 정확한 측정을 할 수 없는 것이 자연의 원리라는 확신을 점점 더 굳혀갔다. 그래서 발표한 것이 그 유명한 ‘불확정성 원리(uncertainty principle)’이다.
“6. 하이젠베르크의 불확정성의 원리” 중에서

우리는 ‘과학이란 원리를 찾아내고 그 원리를 객관적인 방법으로 설명하는 학문’이라고 말한다. 그런 면에서 본다면 양자역학은 전혀 과학적이지 않다. 양자역학은 인식하는 순간에 모든 것이 결정되는데, 어떤 형태로 나타날지는 알 수 없고(확률만 계산할 수 있다), 결정 이전의 상태는 인식할 수 있는 범주 내에 있지 않다고 말한다. 양자역학은 물질의 근본적인 것을 설명하지 못한다. 그런데 재미있는 것은 양자역학의 식으로 계산한 결과는 실험의 결과와 놀라울 정도로 잘 맞는다는 것이다.
“10. 그래서 본질은?” 중에서

출판사 서평

양자역학이라고 하면 신비로운 과학의 세계라는 생각이 우선 든다. 하지만 이러한 양자역학은 처음 등장할 때 과학계에 큰 파문을 일으키면서 갑자기 나타난 것이 아니다. 수많은 과학자들의 연구와 연구를 거듭하고, 많은 논쟁을 한 후에 나타난 것이다. 이 중 아인슈타인과 보어의 논쟁은 양자역학에 대해 조금이나마 들어본 사람들은 잘 아는 이야기다. 특히 아인슈타인이 말했다는 “신은 주사위놀이를 하지 않는다.”라는 아주 유명한 말을 탄생시켰다. 그런데, 슈뢰딩거의 고양이가 양자역학을 잘 설명하기 위한 예로 알고 있으나, 사실은 양자역학이 말도 안되는 이야기라는 설명을 하기 위한 슈뢰딩거의 예다. 확률론적 세계관이라고 하는 것도 사람의 신념으로 세상을 바꿀 수 있다는 이야기도 아니다. 이러한 잘 못된 양자역학에 대한 생각은 과학이 만들어지는 과정을 잘 모르면서 최종 결과만으로 우리가 유추하기 때문이다. 본 책은 필자가 과학이 하나씩 성숙되는 과정을 과학적 연구의 발전을 하나씩 들어가면서 설명해주고 있다. 양자역학에 대한 정확한 이해를 할 수는 없어도 본 책을 통하여 우리가 알아야 할 양자역학이 가지고 있는 물리학적 의미는 알 수 있을 것으로 기대한다.

작가정보

저자(글) 김석환

현재 한국전기연구원의 책임연구원으로 근무 중이다. 서울대학교 전기공학과에서 학사, 석사, 박사학위를 받았고, 그 이후 일본의 고에너지물리학연구소에서 3년, 유럽의 CERN에서 3년, 미국의 Fermi 연구소에서 2년간 연구원으로 근무했다. 2001년 귀국하여 현재까지 한국전기연구원(창원 소재)에서 일하고 있다. 대학원 재학시절부터 어려운 공학적 지식을 쉽게 풀어쓰는 것에 관심을 가져 컴퓨터, 전기, 음악(기타) 등을 해설한 저서를 다수 출판했다. 대표작으로는 대영사에서 출판한 “열정과 야망의 전기 이야기”를 들 수 있다. 그 이외의 활동으로는 대학, 기업, 학술회의, 과학기술 위원회 등에서의 강의, 신문 잡지 기고 등이 있다. 대표적인 기고로는 경남도민일보에 약 8년 간 연재한 과학 칼럼을 들 수 있다.