청소년을 위한 교양 물리학: 파동-입자 이중성

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 12일 출간

작품소개

책소개

빛은 파동일까, 입자일까? 이 간단해 보이는 질문은 300년 넘게 과학자들을 당황시켜왔다. 17세기 뉴턴은 빛을 작은 입자들의 흐름으로 설명했고, 하위헌스는 파동으로 이해했다. 19세기 영의 이중 슬릿 실험과 맥스웰의 전자기파 이론은 파동설의 승리를 선언하는 듯했다. 그러나 20세기 초 플랑크의 양자 가설과 아인슈타인의 광전 효과 설명은 빛의 입자성을 되살려놓았다. 더 놀라운 것은 전자와 같은 물질 입자들도 파동처럼 행동한다는 사실이었다. 이 책은 우주의 모든 존재가 가진 신비로운 이중성, 파동-입자 이중성의 발견과 이해 과정을 중학생도 쉽게 따라갈 수 있도록 풀어낸다.

과학사에서 가장 극적인 반전들이 파동-입자 논쟁에 모두 담겨있다. 토마스 영이 빛의 간섭 무늬를 발견했을 때 과학계는 파동설이 최종 승리했다고 여겼다. 맥스웰이 빛을 전자기파로 설명하고 헤르츠가 이를 실험으로 증명하자 의심의 여지가 없어 보였다. 하지만 막스 플랑크가 흑체복사 문제를 해결하기 위해 에너지 양자화를 제안하고, 아인슈타인이 광전 효과를 광자 개념으로 설명하면서 상황은 완전히 뒤바뀌었다. 콤프턴의 X선 산란 실험은 빛의 입자성에 대한 결정적 증거를 제시했다. 이어서 드브로이가 물질의 파동성을 제안하고 데이비슨과 거머가 전자 회절을 관찰하면서, 자연의 근본 법칙이 우리 상식과 얼마나 다른지 드러났다.

양자역학의 등장은 물리학뿐만 아니라 인간의 세계관을 근본적으로 바꾸어놓았다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 정확한 예측이 원리적으로 불가능함을 보여주었고, 보어의 상보성 원리는 파동성과 입자성이 동시에 나타날 수 없는 배타적 관계임을 밝혔다. 슈뢰딩거의 파동방정식은 양자 현상을 수학적으로 기술하는 도구를 제공했지만, 그의 고양이 사고실험은 양자역학 해석의 어려움을 극명하게 드러냈다. 현대의 정교한 이중 슬릿 실험들은 한 번에 하나씩 지나가는 입자도 간섭 무늬를 만들어낸다는 놀라운 사실을 확인했다. 양자 얽힘과 벨 실험은 아인슈타인조차 받아들이기 어려워했던 양자역학의 비국소성을 실험적으로 증명했다.

파동-입자 이중성은 더 이상 추상적인 물리학 개념이 아니다. 레이저와 LED는 양자 전이를 이용하고, MRI는 핵스핀의 양자 성질을 활용한다. 태양전지는 광전 효과로 작동하고, 전자 현미경은 전자의 파동성을 이용한다. 더 나아가 양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘을 계산에 활용하여 기존 컴퓨터로 수백 년 걸릴 문제를 순식간에 해결할 가능성을 보여준다. 양자 암호 통신은 절대적으로 안전한 정보 전송을 약속하고, 양자 센서는 측정 정밀도의 한계를 뛰어넘는다. 이 책은 우주의 가장 근본적인 원리 중 하나인 파동-입자 이중성이 어떻게 인류 문명의 미래를 바꾸어가고 있는지 생생하게 보여준다.

목차

1. 빛의 파동-입자 논쟁
2. 영의 이중 슬릿 실험
3. 맥스웰의 전자기파 이론
4. 흑체복사와 플랑크 상수
5. 아인슈타인과 광전 효과
6. 콤프턴 산란 실험
7. 드브로이의 물질파 가설
8. 전자의 파동성 발견
9. 불확정성 원리
10. 보어의 상보성 원리
11. 슈뢰딩거의 파동방정식
12. 슈뢰딩거 고양이
13. 양자 터널링 현상
14. 원자의 양자역학적 모델
15. 스핀과 파울리 배타원리
16. 현대의 이중 슬릿 실험
17. 양자 얽힘과 벨 실험
18. 양자 측정 문제
19. 양자역학의 다양한 해석
20. 양자 간섭과 결맞음
21. 양자 홀로그래피와 정보
22. 양자 컴퓨터의 원리
23. 양자 암호와 통신
24. 물질의 양자 성질
25. 현대 기술 속 양자 효과
26. 양자역학이 그리는 미래

작가정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.