청소년을 위한 교양 물리학: 슈뢰딩거 방정식

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 21일 출간

작품소개

책소개

19세기 말 물리학자들은 뉴턴 역학으로 우주의 모든 현상을 설명할 수 있다고 믿었다. 하지만 흑체복사 문제에서 시작된 작은 균열이 물리학의 기초를 뒤흔들기 시작했다. 플랑크의 양자 개념, 아인슈타인의 광전효과 발견, 그리고 원자 구조의 신비로운 안정성은 고전물리학만으로는 설명할 수 없는 현상들이었다. 전자는 예측 가능한 궤도를 따라 움직이지 않았고, 빛은 때로는 파동이었다가 때로는 입자처럼 행동했다. 하이젠베르크는 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다고 선언했고, 이는 물리학이 확률의 언어로 세상을 기술해야 함을 의미했다.

1926년 에르빈 슈뢰딩거가 발표한 파동방정식은 미시세계를 이해하는 새로운 창을 열었다. 이 방정식은 파동함수라는 수학적 도구를 통해 입자의 모든 정보를 담아내며, 양자 상태의 시간적 진화를 정확히 예측한다. 슈뢰딩거 방정식의 해는 에너지 준위의 양자화를 자연스럽게 설명하고, 원자 내 전자의 행동을 정밀하게 기술한다. 이 방정식은 단순히 수학적 도구가 아니라 자연의 근본 법칙을 담고 있으며, 화학결합에서부터 별의 내부 구조까지 광범위한 현상을 통일적으로 설명하는 열쇠가 되었다. 하이젠베르크의 행렬역학과 함께 현대 양자역학의 두 기둥을 형성한다.

이 책은 무한 포텐셜 우물에 갇힌 입자부터 수소 원자의 정확한 해까지, 슈뢰딩거 방정식의 다양한 응용을 단계적으로 다룬다. 터널 효과의 신비로운 현상, 조화진동자의 양자화된 에너지, 각운동량의 불연속적 성질, 그리고 전자 스핀의 발견까지 양자역학의 핵심 개념들을 구체적인 계산과 함께 설명한다. 섭동이론과 변분법 같은 근사 기법들도 실제 문제 해결에 어떻게 활용되는지 보여준다. 나아가 동일입자의 특별한 성질, 양자얽힘과 벨의 부등식, 그리고 빛과 원자의 상호작용까지 현대 물리학의 최전선 주제들을 중학생도 이해할 수 있는 언어로 풀어낸다.

반도체 기술, 레이저, 핵자기공명, 주사터널링현미경 등 현대 문명을 떠받치는 수많은 기술들이 슈뢰딩거 방정식에 기반하고 있다. 양자컴퓨터와 양자통신 같은 미래 기술 역시 양자역학 원리의 직접적 응용이다. 이 책은 복잡한 수식 대신 직관적 설명과 구체적 사례를 통해 양자역학의 아름다움을 전달한다. 물리학을 전공하지 않는 독자라도 현대 과학기술의 토대가 되는 양자역학적 사고를 이해할 수 있도록 구성되었다. 단순한 지식 전달을 넘어서 자연을 바라보는 새로운 관점을 제시하며, 과학적 사고력을 기르는 데 도움이 되는 교양서이다.

목차

1. 뉴턴의 꿈이 깨진 날
2. 원자 속 전자의 수상한 행동
3. 입자일까 파동일까
4. 하이젠베르크의 불확실성
5. 확률로 말하는 새로운 세계
6. 슈뢰딩거와 그의 방정식
7. 파동함수의 정체를 찾아서
8. 에너지와 파동함수의 춤
9. 무한히 깊은 상자 속 입자
10. 터널 효과의 신비
11. 조화진동자의 양자 세계
12. 수소 원자의 비밀
13. 각운동량의 양자화
14. 전자의 또 다른 얼굴, 스핀
15. 여러 전자가 만나면
16. 시간에 따라 변하는 양자 세계
17. 빛과 원자의 상호작용
18. 섭동이론, 작은 변화의 큰 영향
19. 변분법, 최적해를 찾는 기술
20. WKB 근사법의 위력
21. 산란이론, 충돌의 양상
22. 동일입자의 신비한 성질
23. 얽힘과 벨의 부등식
24. 양자역학이 바꾼 세상

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.