세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 양자광학

빛의 입자설과 파동설부터 양자컴퓨터까지

정완상 저자 지음

성림원북스 2025년 10월 01일 출간 국내도서 : 2025년 07월 17일 출간

작품소개

책소개

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 16번째 책. 2005년 노벨 물리학상을 수상한 로이 글라우버의 1963년 논문을 중심으로 양자광학의 A부터 Z까지 샅샅이 살펴본다.
양자광학에 앞서 고전광학에서 빛의 파동성과 입자성에 관한 역사를 재고찰했고, 광통신의 역사와 광섬유의 발명에 얽힌 이야기로 시작했다. 메이저와 레이저의 발명에 관한 일화도 다루었다.
디랙이 소개한 광자의 생성 및 소멸 연산자 아이디어를 전자기파에 대응한 이론을 설명했다. 이에 필요한 맥스웰 방정식도 간단히 소개했다.
빛과 물질의 상호작용에 관한 제인스와 커밍스의 연구 결과를 독자들이 이해할 수 있도록 간단한 수식만을 사용해 다루었다. 또한 글라우버가 도입한 결맞는 상태와 반응집광의 개념을 설명했다.
마지막으로 양자광학을 이용한 양자광 기술을 소개했다. 광학 핀셋, 주파수 빗, 메타물질을 이용한 투명 망토, 레이저 냉각, 양자정보과학에의 활용 등을 다루었다.
부록에는 제인스-커밍스, 글라우버, 펜드리 논문의 영문본과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 지적 탐구심을 자극하도록 하였다.

목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
양자광학의 창시자 글라우버_애슈킨 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남. 고전광학
입자설과 파동설_날아가는 야구공 vs 출렁거리는 파도
파동설의 승리_간섭무늬와 회절 현상
전자기파의 발견_눈에 보이지 않는 빛을 찾다

두 번째 만남. 레이저의 탄생
광자의 탄생_빛을 이루는 입자
아인슈타인의 유도방출 이론_레이저의 기본 원리
양자역학의 탄생_전자라는 양자가 만족하는 물리학
메이저의 발명_강렬하고 정밀한 빔을 만들다
레이저의 발명_증폭된 가시광선의 빔
레이저 응용_천문학에서 의학까지

세 번째 만남. 광통신의 역사
그레이엄 벨_광통신을 발명하다
포토폰의 발명_거울에 반사되는 빛으로
광섬유의 발견_유리 막대에 갇힌 빛
저손실 광섬유의 발명과 광통신_더 효율적으로 많은 정보를

네 번째 만남. 양자광학의 탄생
광자의 생성·소멸 연산자_광자 한 개를 어디로 보낼까?
벡터 대수학_전기장과 자기장을 연산자로 바꾸기 위해
맥스웰 방정식_전기장과 자기장을 묘사하는 복잡한 방정식
파동방정식과 전자기파_파동은 어떻게 나타낼까?
전자기파_벡터퍼텐셜이 만족하는 파동방정식에서
전자기장의 양자화_입체 속의 전자기파

다섯 번째 만남. 원자와 빛의 상호작용
제인스-커밍스 모형_바닥상태와 첫 번째 들뜬상태
라비 진동_원자 속 전자가 두 에너지 준위 사이에서 진동한다

여섯 번째 만남. 결맞는 상태
글라우버_로스앨러모스의 최연소 과학자
결맞는 상태_빛의 선명도가 최대가 되다
결맞는 상태의 성질_광자수의 확률, 기댓값, 표준편차
반응집광_방출되는 광자가 분리되는 현상

일곱 번째 만남. 양자광 기술
애슈킨의 광학 핀셋_레이저 빔으로 미세한 물체를 붙잡다
주파수 빗의 발명_일정한 주파수 간격의 날카로운 스펙트럼선
레이저 냉각_원자들의 속력을 느리게 만들다
메타물질_투명 망토의 비밀
반응집광과 양자컴퓨터_양자광학의 활용과 미래

만남에 덧붙여
Comparison of Quantum and Semiclassical Radiation Theories with Application to the Beam Maser_제인스-커밍스 논문 영문본
Coherent and Incoherent States of the Radiation Field_글라우버 논문 영문본
Controlling Electromagnetic Fields_펜드리 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

인물정보

저자(글) 정완상 저자

과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 〈과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈〉 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 〈과학공화국 법정 시리즈〉 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 〈개념 잡는 수학툰 시리즈〉를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.