양자역학의 결정적 순간들

양자역학 탄생 100주년, 중첩과 얽힘이 만든 신비로운 세계

박인규 지음

21세기북스 2025년 06월 20일 출간 국내도서 : 2025년 06월 11일 출간

작품소개

책소개

살아가는 데 필요한 모든 교양 지식을 한데 모았다! 대한민국 대표 교수진이 펼치는 흥미로운 지식 체험, ‘인생명강’ 시리즈의 서른네 번째 책이 출간됐다. 역사, 철학, 과학, 의학, 예술 등 전국 대학 각 분야 최고 교수진의 명강의를 책으로 옮긴 인생명강 시리즈는 독자들의 삶에 유용한 지식을 통해 오늘을 살아갈 지혜와 내일을 내다보는 인사이트를 제시한다. 도서뿐만 아니라 온라인 강연·유튜브·팟캐스트를 통해 최고의 지식 콘텐츠를 일상 곳곳에서 만나볼 수 있는 지식교양 브랜드이다.

『양자역학의 결정적 순간들』은 양자역학 탄생 100주년을 맞아 여전히 낯설고 어려운 분야인 양자역학을 흥미로운 과학사의 흐름 속에서 풀어낸 과학 교양서이다. 저자는 물리학의 판도를 바꾼 위대한 전환점들을 중심으로, 양자역학이 어떻게 형성되고 발전해 왔는지를 생생하게 조명한다. 플랑크의 가설과 보어의 원자 모형부터 아인슈타인과 보어의 논쟁과 양자 얽힘의 신비까지 양자역학의 핵심 개념을 알기 쉽게 설명하고, 노벨 물리학상 수상 연구와 양자 컴퓨터가 열어갈 미래까지 폭넓게 조명한다. 눈에 보이지 않는 미시 세계의 법칙을 따라가 보며, 우주의 근본 원리에 한 걸음 더 가까이 다가설 수 있는 지적 탐험을 경험할 수 있을 것이다.

목차

프롤로그 | 뉴턴적 사고에서 양자적 사고로
주요 등장인물

1부 | 빛이 던진 퍼즐
바코드 속에 숨겨진 비밀
악마는 디테일에 숨어 있다
구원자 플랑크

2부 | 너희들은 입자니, 파동이니?
입자냐 파동이냐, 그것이 문제로다!
파동이 입자라는 빼도 박도 못하는 증거
입자가 파동이라는 빼도 박도 못하는 증거

3부 | 원자라는 정밀 기계
태양계를 닮은 원자
보어의 원자
공간 양자화라니?

4부 | 파동과 역학의 만남
파동이란 무엇인가?
파동으로 이루어진 입자
슈뢰딩거 방정식

5부 | 신비로운 파동 역학
확률적인 존재
파동처럼 행동하는 입자
중첩과 관측

6부 | 이 세상에 확실한 건 없다!
정밀하게 측정한다는 것
하나를 얻으면 하나를 포기해야 한다
코펜하겐 해석

7부 | 전자는 자전하는가?
원자는 자석이다
2인 1실 배정입니다
스핀

8부 | 양자 전쟁
솔베이의 전투
중첩된 고양이
얽힌 세상의 패러독스

9부 | 누구를 위하여 벨은 울리나?
봄의 양자역학을 신봉한 벨
복잡해 보이지만 당연한 벨 부등식
양자 얽힘을 실험하다

10부 | 활짝 열린 양자 세계
귀신이 곡할 노릇이네
얽힘의 마법사
양자컴퓨팅은 가능할까?

양자역학 100년사 연표
참고 자료

책 속으로

가장 고전이라 여겨졌던 중첩과 얽힘이 핵심적인 개념이 되었고, 대중은 그만큼 2022년 노벨물리학상에 대한 해설에 목말라했다. (...) 그런 면에서 이 책은 양자 얽힘을 이해하기 위해 필요한 최소한의 양자역학 지식만 포함한 ‘양자 얽힘을 향한 지름길’이라 할 수 있다. 양자 얽힘을 공부하기 위해 꼭 필요한 개념만 골라 자세히 집중적으로 다루자는 것이 집필의도였다. __10~11쪽

2025년 올해는 하이젠베르크와 슈뢰딩거에 의해 ‘양자역학’이 세상에 모습을 드러낸 지 꼭 100년이 되는 해다. 이를 기념하기 위해 유엔은 2025년을 ‘세계 양자 과학기술의 해로 정했다. 올해 6월에는 하이젠베르크가 행렬역학을 처음으로 구상했다는 헬고란트 섬에서 양자역학 100주년 행사가 열린다. 우리나라도 한국물리학회에서 양자역학 탄생 100주년 기념 행사를 준비하고 있다. 모쪼록 이 책이 양자역학과 양자 얽힘에 대해 궁금해하는 독자들의 갈증을 조금이라도 해소해주는 시원한 물 한모금이 되길 희망해본다. __11쪽

20세기의 시작과 함께 막스 플랑크는 고전역학으로는 이해할 수 없었던 물질의 복사 스펙트럼을 설명하기 위해 ‘양자’란 개념을 도입한다. 이는 미시 세계가 거시 세계와는 완전히 다른 방식으로 움직인다는 사실을 선포한 것이었다. 플랑크의 양자설은 양자역학의 탄생을 이끌었다. 태양전지, 반도체, 레이저와 원자시계 그리고 GPS 시스템까지, 양자역학은 현대 과학 기술 문명의 씨앗이 되었다. __24쪽

“너는 입자니, 파동이니?” 사실 이건 말도 안되는 질문이다. 입자냐 파동이냐는 인간들이 거시 세계에서 봐왔던 모습이지, 전자가 꼭 거시 세계의 당구공 같은 모습을 또는 물결 같은 모양을 할 필요는 없다. 결국 ‘입자냐, 파동이냐’라는 질문은 우리가 굳이 둘 중 하나로 나눠 생각하려는 그릇된 관념일 뿐이다. 우리는 소위 양분을 해야 한다는 ‘강박관념’에 빠져 있는 것이다. (...) 그러므로 양분법적으로 인간을 나누려는 생각은 ‘입자냐, 파동이냐’와 같이 어리석은 질문이라 하겠다. 양자역학적으로 인간을 바라보면 마음에 평화가 올 것이다. __72~73쪽

광양자설로 노벨상을 받은 아인슈타인은 초기 양자론 건설에 주요 기여자였다. 하지만 그는 양자역학의 확률론적 해석에는 회의적인 태도를 보였고, 무엇보다도 양자역학의 비결정성과 비국소성을 받아들이지 못했다. 양자역학을 놓고 벌인 아인슈타인과 보어의 설전은 오늘날까지도 과학사의 명장면으로 회자되고, 많은 물리학자에게 영감을 주고 있다. 아이러니하게도 아인슈타인의 비판은 양자역학의 이론적 기초를 더욱 단단하게 다지는 계기가 되었고, 양자 얽힘의 실험적 검증을 촉진시키면서 양자역학의 실용적 가치도 드높였다. __210쪽

벨 부등식으로 양자역학의 비국소성을 테스트할 길이 열렸다. 코펜하겐 해석을 놓고 일어났던 기나긴 양자 전쟁의 승패가 가려질 시간이 다가오고 있었던 것이다. 2022년 노벨 물리학상 수상자들이 바로 이 종전을 이끈 주역이었다. 이들의 실험으로 양자역학은 다시 한번 인간의 직관과는 다르게 작동되는 이론임이 입증되었다. 그러나 동시에 인간은 과거에는 생각조차 할 수 없었던 새로운 문명의 시대를 맞이할 수 있게 된다. 바로 양자 기술의 시대가 활짝 열린 것이다. __278쪽

출판사 서평

“양자역학이 탄생한 순간부터 양자 컴퓨터가 현실이 된 오늘까지,
양자 세계의 경이로운 드라마가 펼쳐진다!”

2022년 노벨 물리학상이 양자 얽힘 현상을 실험적으로 입증하고, 이를 양자 컴퓨터와 양자 통신 등 현실 기술로 연결한 세 명의 물리학자에게 수여되면서, 양자 기술과 정보 과학에 대한 대중적 관심이 급격히 높아졌다. 이후 현재에 이르기까지 ‘양자’라는 용어가 다양한 분야에서 자주 언급되고 있지만, 그에 비해 핵심 개념에 대한 정확한 이해는 부족하거나 단편적인 경우가 많다. 특히 양자 얽힘은 복잡하고 직관에 어긋나는 개념 특성상 오해의 여지가 크기 때문에 이를 제대로 이해하기 위해서는 반드시 짚고 넘어가야 할 기초 이론들이 존재한다. 이러한 배경 속에서, 양자 얽힘이라는 주제를 중심으로 꼭 필요한 개념만을 선별해 흐름을 정리해 보고자 『양자역학의 결정적 순간들』이 기획됐다.
세계 최대의 입자물리학 연구소 CERN 국제 공동연구에 참여하고 있는 박인규 교수는 지식 유튜브 채널 〈언더스탠딩〉에서 양자역학 강의로 누적 조회수 100만 회 이상을 기록하며 ‘양자역학을 가장 쉽게 설명하는 과학자’로 대중의 신뢰를 얻고 있다. 그간 강의와 연구를 통해 쌓아온 접근 방식과 이해 체계를 바탕으로, 복잡한 이론을 모두 설명하기보다는 ‘양자 얽힘’이라는 핵심 주제를 중심으로 꼭 필요한 개념과 전환점을 신중히 골라 담았고, 역사적 전개 과정과 실제 실험에 대한 설명을 곁들여 누구나 그 흐름을 따라갈 수 있도록 책을 구성했다.
특히 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”고 주장한 아인슈타인과 “신에게 무엇을 해야 할지 말하지 말라”고 응수한 보어의 치열한 논쟁은, 양자역학의 가장 본질적인 전환점이자 인류 과학사에 남을 상징적인 순간으로 소개된다. 책의 후반부에는 EPR 패러독스, 벨 부등식, 양자 얽힘 실험에 이르기까지 양자역학의 비국소성이 과학적으로 입증되어 가는 흐름을 상세히 다루며, 2022년 노벨물리학상 수상자들의 연구가 어떻게 양자정보과학과 컴퓨팅으로 이어지는지 폭넓게 조망한다. 20세기 인류 지성사의 패러다임을 완전히 뒤바꿔놓은 양자역학의 결정적 장면들을 따라가며, 독자들은 ‘양자적 사고의 힘’이 오늘날 세계관과 기술에 어떤 영향을 미치고 있는지를 체감할 수 있을 것이다.

“플랑크, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거…
양자역학 100년의 역사를 빛낸 거장들의 위대한 발견의 기록”

『양자역학의 결정적 순간들』은 양자역학에 대해 막연하게 어렵게 느끼는 독자는 물론, 어느 정도 개념을 접해봤지만 흐름이 잘 잡히지 않는 독자도 자연스럽게 내용을 따라가며 핵심 개념을 이해할 수 있도록 구성되어 있다. 책의 앞부분에 마련된 ‘주요 등장인물’ 단락에서는 양자역학의 전개를 이끈 과학자들의 핵심 업적과 사상을 간결하게 정리해 본문 내용을 이해하는 데 필요한 배경 정보를 제공한다. 책의 마지막 부분에는 ‘양자역학 100년사 연표’를 수록해 플랑크의 양자화 가설부터 2022년 노벨상 수상 연구까지의 흐름을 시간순으로 정리하여 주요 이론과 실험의 발전 과정을 한눈에 조망할 수 있도록 했다.
양자 얽힘이라는 현대 물리학의 핵심 주제를 중심에 두고, 이를 이해하는 데 반드시 필요한 개념과 전환점을 선별해 정리한 『양자역학의 결정적 순간들』은 보이지 않는 미시 세계를 탐험하며, 경이로운 우주의 비밀에 한 걸음씩 다가가고자 하는 독자에게 가장 신뢰할 수 있는 길잡이가 되어줄 것이다.

작가정보

저자(글) 박인규

서울시립대학교 물리학과 교수. 프랑스 파리 11대학에서 입자물리학을 전공하여 박사 학위를 받았고, 미국 예일대학교와 로체스터대학교에서 박사후연구원을 지냈다. 현재 유럽입자물리연구소(CERN)의 CMS 국제 공동연구에 참여하고 있으며, 서울시립대학교 자연과학연구소 소장으로 재직 중이다. 〈언더스탠딩: 세상의 모든 지식〉, 〈안될과학〉 등 유튜브와 방송 등 채널에 출연해 물리학을 쉬운 언어로 설명하며 대중과 소통하고 있다. 지은 책으로는 『사라진 중성미자를 찾아서』(2022)가 있다.

『양자역학의 결정적 순간들』은 양자역학 탄생 100주년을 맞아 여전히 낯설고 어려운 분야인 양자역학을 흥미로운 과학사의 흐름 속에서 풀어낸 과학 교양서이다. 저자는 물리학의 판도를 바꾼 위대한 전환점들을 중심으로, 양자역학이 어떻게 형성되고 발전해 왔는지를 생생하게 조명한다. 플랑크의 가설과 보어의 원자 모형부터 아인슈타인과 보어의 논쟁과 양자 얽힘의 신비까지 양자역학의 핵심 개념을 알기 쉽게 설명하고, 노벨 물리학상 수상 연구와 양자 컴퓨터가 열어갈 미래까지 폭넓게 조명한다. 눈에 보이지 않는 미시 세계의 법칙을 따라가 보며, 우주의 근본 원리에 한 걸음 더 가까이 다가설 수 있는 지적 탐험을 경험할 수 있을 것이다.