모든 것이 양자 이론

세상을 이루는 17가지 기본 입자 이야기

곽재식 저자 지음

지식의숲 2025년 05월 13일 출간 국내도서 : 2025년 05월 07일 출간

작품소개

책소개

현대 과학 역사상 가장 완벽하다는 양자 이론, 하이젠베르크의 획기적인 논문을 기준으로 2025년은 양자역학 탄생 100주년이 되는 해다. UN에서는 양자역학의 중요성을 강조하며 2025년을 ‘국제 양자과학기술의 해’로 지정했다. 양자역학의 원리를 기반으로 한 양자과학기술은 현재 인공지능, 신약 개발 등 여러 분야에서 응용되며 주목받고 있는 핵심 기술이다. 이것은 근본적으로 양자 이론을 토대로 하고 있다. 그러므로 양자 이론은 현대 과학을 이해하고자 하는 사람이라면 반드시 알아야 할 중요한 개념이라고 할 수 있다.
양자 이론은 물질과 에너지가 어떻게 상호작용하는지를 설명하는 이론이다. 이 세상을 구성하는 기본적인 재료는 총 17가지의 작은 입자로 이루어져 있다. 이 입자들이 세상에서 어떻게 움직이는지를 규명하는 규칙이 바로 ‘양자 이론(quantum theory)’이다.
이 책은 17가지 기본 입자들을 하나하나 소개하면서 우리 가까이에 있는 여러 가지 현상들을 알려주고 그것들이 우리의 주변에서 어떤 역할을 하고 있는지를 상세하게 들려주고 있다. 또한 어렵고 복잡한 과학 이론을 그대로 설명하지 않고 주제와 관련된 일화와 그 주제를 연구한 과학자들의 인생 이야기를 곁들여 더욱 친근하게 풀어냈다.

다수의 작품을 발표한 소설가이자 여러 대중매체에서 활발히 활동하고 있는 저자는, 이 책에서도 재치 있고 유쾌한 이야기꾼으로서의 재능을 한껏 발휘하고 있다. 2천 년 전의 역사 기록인 『삼국유사』『삼국사기』, 그리고 『조선왕조실록』을 바탕으로 당시의 사건과 논쟁거리, 백성들을 놀라게 한 자연현상들을 설명하며, 《그렘린》《환상특급》《터미네이터》와 같은 친숙한 영화 이야기를 통해 기본 입자들을 설명한다. 또한 20세기 현대 과학에 크게 이바지한 한국인 과학자들의 열정적인 생애와 업적들에 대해서도 들려준다.
현대 과학이 밝혀낸 우주의 힘은 중력, 전자기력, 강력, 약력 총 네 가지이다. 이 중에서 강력 이론과 약력 이론에 큰 기여를 한 한국인 과학자 한무영과 이휘소의 업적은 특히 주목할 만하다. 특히 입자 이론 발전에 지대한 공을 세운 이휘소의 일대기와 활약은 감탄을 자아낸다. ‘모스펫(MOSFET)’을 발명하여 미국 발명가 명예의 전당에 이름을 올린 강대원 박사 등의 이야기도 흥미롭다.
조선시대 화가 김득신의 그림 〈밀희투전〉을 통해 양자 이론의 한 현상인 ‘양자 얽힘’을 설명하는 부분도 인상적이다. 양자 얽힘은 모든 이론과 논리적인 생각의 바탕을 되돌아보게 만들고 이성적인 판단의 근원인 인과율, 시간의 순서, 원인과 결과의 관계에 대한 깊은 성찰을 이끌어낸다.

‘전자’부터 ‘힉스 입자’까지 저자가 들려주는 17가지 기본 입자의 이야기를 따라가다 보면 현대 과학의 역사적인 순간을 마주하게 될 것이다. 또한 우리의 삶과 인생이 우주의 거대한 시공간과 연결돼 있음을 깨닫게 될 것이다. 우연적이고 불연속적이고 확률적인 이 세계에 독자 여러분을 초대한다.

목차

ㆍ 전자 electron│물체의 성질 대부분을 정해 주는 물질
전자, 너 때문이야!
전자는 이 세계의 비밀을 알고 있다
세상을 바꾼 유리 장수의 업적

ㆍ 위 쿼크 upquark│우리 주변 물체 속에 양전기를 만들어 주는 물질
바위를 녹이는 산성의 위력
양성자의 힘

ㆍ 아래 쿼크 downquark│우리 주변 물체 속에 중성을 만들어 주는 물질
결정적 단서, 탄소
시계보다 정확한 방사능 물질

ㆍ 기묘 쿼크 strangequark│특이한 우주 방사선의 재료
장희빈의 한이 만든 우주 괴물?
우주 방사선을 방어하라!

ㆍ 광자 photon│빛의 재료이자 전자기력의 운반자
당신은 내 삶에 한 줄기 전자파
작은 빛 한 조각의 움직임을 따라서

ㆍ 글루온 gluon│원자력의 뿌리가 되는 강력의 운반자
초록색 보석의 저주
우라늄의 변신
강력과 쿼크의 시대가 열리다

ㆍ 맵시 쿼크 charmquark│지금의 과학을 완성해 준 물질
양자장 이론과 맵시 쿼크
과학계의 11월 혁명

ㆍ 뮤온 muon│하늘에서 떨어지는 방사선의 대표인 전자의 무거운 친척
발해 멸망은 백두산 화산 폭발 때문일까
투시 초능력의 비밀, 뮤온

ㆍ 타우온 tauon│잠깐 나타났다 사라지는 전자의 더욱 무거운 친척
빛의 속도는 일정하지만 시간이 변화한다
상대성 이론의 활용

ㆍ W 보손 wboson│베타 붕괴 방사능 물질의 원인인 약력의 운반자
확률과 우연의 본질에 관하여
숨은 변수 이론(hidden variable theory)

ㆍ Z 보손 zboson│전기를 띠지 않는 덜 눈에 뜨이는 약력의 운반자
힘과 방향의 관계
신은 왼손잡이
드디어 가가멜이 해내다

ㆍ 중성미자 neutrino│가까이 있지만 너무나 느끼기 힘든 아주 흐릿한 물질
반물질은 현대판 감로수
유령 입자를 찾아라

ㆍ 뮤온 중성미자 muonneutrino│블랙홀 쪽에서 날아온 중성미자
신라의 황금은 어디에서 왔을까
초신성의 폭발
태양의 빛보다 빠른 중성미자

ㆍ 타우온 중성미자 tauonneutrino│예전 한때 암흑물질의 후보
용이 노니는 별들의 강
암흑물질, 너는 누구냐?

ㆍ 꼭대기 쿼크 topquark│가장 무겁고 불안해서 관찰해볼 만한 물질
양자 얽힘에 관하여
양자 얽힘의 활용도와 미래

ㆍ 바닥 쿼크 bottomquark│대형 입자 가속기를 만들어 자주 살펴보던 물질
권총 총알 만큼 강한 초고에너지
입자 가속기 이야기

ㆍ 힉스 입자 higgs│기본 입자들이 무게를 갖게 해 주는 것
우주의 재료들
파랑새는 있다

참고문헌

작가정보

저자(글) 곽재식 저자

작가이자 숭실사이버대학교 환경안전공학과 교수. KAIST에서 원자력 및 양자 공학 학사 학위와 화학 석사 학위를, 연세대학교에서 공학박사 학위를 받았다. 2006년 단편소설 〈토끼의 아리아〉가 MBC 〈베스트극장〉에서 영상화된 이후 《지상 최대의 내기》, 《신라 공주 해적전》, 《가장 무서운 이야기 사건》, 《빵 좋아하는 악당들의 행성》 등 다수의 소설을 펴냈다. 인문과학 교양서로 《곽재식의 세균 박람회》, 《지구는 괜찮아, 우리가 문제지》, 《곽재식의 유령 잡는 화학자》, 《휴가 갈 땐 주기율표》, 《그래서 우리는 달에 간다》 외 여러 권, 글 쓰는 이들을 위한 《항상 앞부분만 쓰다가 그만두는 당신을 위한 어떻게든 글쓰기》, 《삶에 지칠 때 작가가 버티는 법》, 최근작으로는 《슈퍼 스페이스 실록》, 《미래 법정》이 있다. 한편 EBS 〈인물사담회〉, KBS 라디오 〈주말 생방송 정보쇼〉, SBS 라디오 〈김영철의 파워FM〉 등 대중매체에서도 과학 지식으로 사회 현상을 해석하는 패널로 활동하고 있다.

작가의 말

한 가지 굉장히 재미있는 사실은 이 17가지 알갱이가 움직이며 세상을 돌아다니는 규칙이 ‘양자 이론(quantum theory)’이라고 하는 특별한 방식을 따르고 있다는 점이다. 더 재미있는 것은 과학자들이 양자 이론을 풀이해 보는 과정에서 물체의 떨림이나 물결이 퍼져 나가는 것을 연구할 때에 개발해 놓은 계산 방법을 여러 군데에서 사용할 수 있다는 사실을 알아냈다는 점이다.
기타 줄을 튕겨 보면 줄이 떨리는 모습을 볼 수 있다. 그리고 그에 따라 소리가 울려 퍼진다. 높은 소리, 낮은 소리, 음색이 다른 여러 가지 소리를 들을수 있다. 기타 줄의 길이, 줄이 떨리는 속도와 떨리는 폭, 울려 퍼지는 소리, 사이에는 어떤 관계가 있을까? 수백 년 전부터 여러 나라의 많은 과학자는 그런 관계를 따져서 계산해 볼 방법들을 다양하게 개발해 두었다. 하다못해 조선
시대의 음악가 박연 같은 인물 또한 소리와 악기 구조의 관계를 계산할 수 있는 몇 가지 방법을 연구해서 세종 임금으로부터 그 결과를 인정받았다.
그런데 세월이 흘러 보니 이렇게 악기 소리나 물결의 떨림을 계산하기 위해 개발해 놓은 여러 방법을, 세상 모든 물체의 재료를 이루는 17가지 알갱이의 움직임을 따질 때도 곳곳에서 사용할 수 있었다. 더군다나 물체의 움직임에 이런 특이한 성질이 있다는 점 때문에 양자 이론으로 무엇인가를 따질 때는 평소에는 마법 같다고 생각했던 온갖 특이하고 오묘한 일들이 한꺼번에
일어나는 느낌도 든다.
그러므로 양자 이론은 종종 무엇인가 알 수 없고, 기이하며, 도를 닦는 듯한 느낌을 주는 이론으로 소개될 때도 많다.
그런데 나는 조금은 다른 방향에서 이야기를 해 보려고 한다. 나는 신비함만을 강조하기 보다는 이 책에서 17가지 세상 모든 물질의 재료를 하나하나 소개하면서 조금 더 현실적이고 우리 가까이에 있는 현상들을 소개하고자 한다. 그중에는 전자나 광자 같은 조금은 친숙한 것에 대한 이야기도 있을 것이고 뮤온 뉴트리노나 Z보손처럼 훨씬 낯설게 들리는 것도 있을 것이다. 그러나
의외로 그중 많은 것들이 우리의 생활이나 산업, 경제와 관련이 깊다. 그래서 그저 신기한 이야기만 풀어 놓고 마는 것이 아니라 최대한 우리 주변에서 벌어지고 있는 일과 관련된 내용을 함께 설명해 보려고 노력했다.
특히 내가 한국인인 만큼, 한국에서 일어나고 있는 일, 한국인 과학자와 관련이 있는 일을 많이 다루고자 했다. 나는 이런 이야기들이 그냥 어느 먼 외국의 어떤 어마어마한 천재가 보통 사람은 흉내 낼 수 없는 특이한 말과 행동을 했다더라라는 식의 무용담 비슷한 이야기보다 훨씬 더 가깝게 과학을 이해하는 데 도움이 될 것으로 생각했다. 또한 과학 교과서처럼 이론의 핵심을 짚어
풀이하기보다는 오히려 각각의 주제와 관련된 여러 가지 이해를 도울 수 있는 일화들을 소개하고 그 주제를 연구한 과학자들의 인생 이야기 등을 풀어나가는 데에 초점을 맞추었다. 그런 내용이 내가 좀 더 잘할 수 있는 이야기이고 내가 이야기할 수 있는 수준을 넘지 않으면서 많은 사람에게 도움이 되는 지식을 전할 수 있는 길이라고 생각했기 때문이다. (후략)

-2025년 종로에서, 곽재식