“세상의 기초를 사유하고자 한다면, 누구나 양자역학을 만나야 한다.”
- 이강영(경상대 물리교육과 교수)
세계는 무엇으로 이루어져 있는가 :
세상의 기초를 이해하기 위한 인류의 끝없는 탐구 여정

“세상은 무엇으로 만들어졌을까?” 하는 질문은 인류가 유사 이래 품어온 가장 오래되고 근본적인 의문 중 하나이다. 여기에 대한 가장 모범적인 답안이 바로 입자물리학의 표준모형이다. 막스 플랑크는 1900년 12월에 ‘작용양자’라는 개념을 처음으로 도입하여 양자역학의 서막을 열었다. 그로부터 무려 113년이라는 세월이 흘렀으니 물리학자들이 양자역학을 충분히 이해했을 것 같지만, 현실은 전혀 그렇지 않다. 그 긴 시간 동안 물리학자들은 양자역학을 확률과 인과율 그리고 물리적 실체와 연결 짓는 데 간신히 성공했을 뿐이다.

과거에 인류는 거의 400년 동안 “관측에 입각한 과학 이론은 자연의 진정한 실체를 서술한다”는 것을 하늘같이 믿어왔고, 이것이 과학의 기본 조건이라고 생각했다. 그런데 양자역학이 새로운 물리학 이론으로 대두되면서 과학과 철학 사이에 전례 없는 심각한 충돌이 야기되었다. 학자들은 진실과 이해를 뒷전으로 밀어놓고 “이 세계에 대하여 우리는 과연 무엇을 알 수 있는가?”라는 원초적 물음을 집요하게 파고들었다. 양자역학이 그들을 인식론의 벼랑 끝으로 밀어붙인 것이다. 그 상태는 지금도 별반 다르지 않다.

이 책의 목적은 경이로우면서도 당혹스럽기 그지없는 양자역학의 탄생 초기부터 지금까지 걸어온 길을 조명하는 것이다. 그리고 그것은 세상의 기초를 탐구해온 인류의 기나긴 여정과 맞닿아 있다. 1900년에 흑체복사 현상을 설명하려다가 우연히 탄생한 양자역학은 지금까지도 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 거대입자가속기(LHC)를 통해 연일 새로운 결과를 낳고 있다. 이 책의 말미에서 피터 힉스가 예견했던 힉스 입자의 존재가 최종 확인됨으로써 세계를 이루는 기본입자에 대한 ‘표준모형’의 완전성이 입증된 셈이다. 하지만 아직 모든 것이 끝난 것은 아니다.

1980년대 초끈이론이 등장하면서 모든 입자들뿐만 아니라 중력을 매개한다는 중력자까지 한꺼번에 설명하는 이론이 금방이라도 탄생할 것 같았다. 그러나 이론적으로 가능한 초끈이론이 여러 개 난립하여 유일한 이론을 꿈꾸던 물리학자들을 크게 실망시켰다. 초끈이론은 한동안 침체기를 겪다가 1995년 3월에 제2의 혁명기를 맞이하여 오늘날까지 이론물리학을 선도하고 있다. 그러나 초끈이론은 아직도 여분 차원을 말끔히 처리하지 못했고, 검증 가능한 물리량을 단 하나도 예견하지 못했다. 물리학 이론의 본분은 관측 가능한 현상을 미리 예측하는 것인데, 이 점에서 초끈이론은 완전히 자격 미달이다.

저자는 그런 면에서 110년의 역사를 자랑하는 양자역학이 또다시 위기에 봉착한 것이라고 말한다. 또한 힉스 입자를 발견한 LHC가 어떤 해답을 제시해주리라 기대한다. 하지만 물리학이 다음 단계로 도약하기 위해서는 LHC가 ‘답’이 아닌 ‘질문’을 제기하는 것이 최선이라고 말한다. 오히려 LHC가 지금의 표준모형과 양자장이론으로 설명할 수 없는 새로운 현상을 발견하게 된다면 물리학은 더욱 심각한 위기에 빠지겠지만, 그와 동시에 새로운 활력을 찾게 되지 않을까 하는 것이 저자의 바람이다.  

프롤로그 : 폭풍전야
1900년 4월, 런던

제1부 작용양자

1. 필생의 역작
2. 기적의 해
3. 약간의 진실
4. 코메디 프랑세즈
5. 기묘하고도 아름다운 내부
6. 스스로 회전하는 전자
7. 에로틱한 대사건

제2부 양자적 해석

8. 유령장
9. 빌어먹을 양자도약!
10. 불확정성원리
11. 코펜하겐 정신
12. 존재하지 않는 양자 세계

제3부 양자 논쟁

13. 논쟁의 시작
14. 경이로움의 극치
15. 광자상자
16. 청천벽력
17. 슈뢰딩거의 고양이 역설

막간제1차 물리학전쟁
1938년 크리스마스～1945년 8월

제4부 양자장

18. 셸터 섬
19. 모호한 대상을 생생한 그림으로 표현하다
20. 아름다운 아이디어
21. 약간의 기묘함
22. 머스터마크를 위한 세 개의 쿼크!
23. 신의 입자

제5부 양자적 입자

24. 심층 비탄성산란
25. 맵시 있고 약한 중성흐름
26. 색의 마술
27. 11월 혁명
28. 매개 벡터보존
29. 표준모형

제6부 양자적 실체

30. 숨은 변수
31. 베르틀만의 양말
32. 아스페의 실험
33. 양자지우개
34. 실험실의 고양이
35. 한결같은 환영

제7부 양자적 우주론

36. 우주의 파동함수
37. 호킹복사
38. 초끈이론의 1차 혁명
39. 시간과 공간의 양자
40. 위기? 무슨 위기?

에필로그 위안의 양자?

옮긴이의 말
참고문헌
사진출처
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짐 배것 , 박병철 , 이강영

“세상의 기초를 사유하고자 한다면, 누구나 양자역학을 만나야 한다.”
- 이강영(경상대 물리교육과 교수)

현대과학이 발견한 가장 아름답고 경이로운 개념
양자역학의 파란만장한 역사를 한눈에 읽는다!

인류의 역사를 바꾼 양자역학은 어떻게 만들어졌는가.
상대성이론과 양자역학을 통합할 방법은 없는가.
막스 플랑크에서 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 보어, 아인슈타인, 리처드 파인먼, 머리 겔만, 스티븐 와인버그, 존 벨,
앤서니 레깃, 피터 힉스 등 20세기 물리학 혁명을 이끈 시대의 천재들이 거쳐온 기쁨과 눈물, 실패와 절망의 순간들

21세기는 양자역학의 시대다!

20세기가 물리학의 시대였다면 21세기는 단연 양자역학의 시대다. 아는 사람은 알겠지만 현대 세계는 양자역학에 의해 돌아가고, 양자역학을 이용해 많은 일을 처리한다. 양자역학을 알지 못했으면 트랜지스터를 위시해 반도체를 이용한 현대의 전자공학이 성립할 수 없었고, 컴퓨터 또한 절대로 지금 우리가 보는 수준으로 발달할 수 없었다. 현재 우리가 당연하게 받아들이는 컴퓨터와 스마트폰 등 21세기의 첨단 기술이라 할 만한 많은 기술들이 여기서 탄생했다. 더욱이 거의 눈앞에 실현될 날이 머지않은 양자중첩을 이용한 양자컴퓨터가 가져올 미래는 우리 상상을 뛰어넘는다.

자연에 대해 지금 우리가 알고 있는 거의 모든 지식은 물리학 이론에 뿌리를 두고 있다. 양자역학은 20세기 처음 30년 사이에 발견되고 개선되었으며, 그 후 수십 년 동안 다양한 분야에 응용되면서 과학 역사상 가장 성공적인 이론으로 자리 잡았다. 하지만 이렇게 자리 잡기까지 마냥 일사천리로 진행된 것은 아니다. 양자역학의 세계는 보통 사람들이 이해하기는커녕 과학자들도 선뜻 받아들이기 어려워하는 면이 있다. 우리 직관과 전혀 맞지 않기 때문이다.

이 책은 현대 물질문명의 기초라 할 수 있는 양자역학이 만들어지기까지 지난한 과정을 한눈에 보여줌으로써 우리가 오늘날 당연히 받아들이는 과학의 혜택이 결코 한순간에 거저 이루어진 것이 아님을 여실히 느끼게 해준다. 우리 직관과 분명히 다른 양자역학이 받아들여지기까지 숱한 시대의 천재들이 머리를 맞대고 고민했으며, 수많은 실험 결과들이 덧붙여짐으로써 이론적으로 완성되었다. 저자는 양자역학의 기본적인 개념과 원리들에 대해 설명해주는 것은 물론, 양자역학의 역사에서 중요한 순간을 새로이 조명함으로써 인간이 어떻게 양자역학을 구축하고 이해하고 받아들여왔는지그 과정을 꼼꼼히 보여준다. 저자가 서문에서 밝혔듯이, 과학은 한순간에 만들어지지 않는다.

시대의 천재들이 고군분투한 결과물

20세기 물리학은 뉴턴의 고전역학을 전복하며 시작되었다. 광속 불변의 원리, 좌표계에 따른 물리 법칙의 절대성을 전제로 한 상대성이론은 시간과 공간에 대한 인류의 오랜 관념을 새로이 바꾸었고, 시간과 공간을 통합적으로 이해할 수 있게 해주었다. 양자역학은 상대성이론과 함께 20세기 지성사에 가장 큰 영향을 끼친 과학적 발견이다. 상대성이론이 아인슈타인이라는 걸출한 천재 한 명이 거의 혼자서 완성한 것이라면, 양자역학은 수많은 시대의 천재들이 머리를 맞대고 고군분투한 결과물이다.

저자는 과학사에는 성공보다는 실패가 수백, 수천 배나 더 많고, 평생을 좌절 속에 살다 간 과학자도 부지기수며, 실험 데이터가 뒷받침되지 못한 이론은 사장될 수밖에 없다고 말한다. 현재 우리가 알고 있는 과학의 진리들이 늘 순조롭게, 필연적으로 발전해온 것은 아니라는 이야기다. 저자는 1900년부터 지금까지 100년 넘게 이어져온 양자역학의 역사에서 한 획을 그으며 환희와 절망, 성공과 실패를 안겨줬던 40가지 사건들을 정리하여 한 권에 담았다. 새로운 진실이 발견된 극적인 순간과 양자역학의 새로운 전환점이 되었던 사건들이 저자의 풍부한 상상력과 세밀한 자료 조사를 통해 풍성하게 재구성되어 있다.

새로운 사실이 발견되고, 수많은 논의를 거쳐 이것을 해석하고, 또다시 새로운 사실이 발견되면서 이론이 수정되어 완성돼가는 과정은 물론이고, 막스 플랑크를 비롯하여 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 보어, 아인슈타인, 파인먼, 겔만, 와인버그, 벨, 레깃, 힉스 등 한 시대를 풍미했던 세계적 학자들의 고뇌와 물리학을 향한 열정이 생생히 그려져 있다. 파동함수와 불확정성원리, 슈뢰딩거의 고양이 등 양자역학의 기본 원리부터 입자물리학의 표준모형과 초끈이론, 블랙홀의 호킹복사 등 현재도 급속히 발전하고 있는 과학의 최전선 분야까지 들여다봄으로써 물리학의 역사와 인간 역사의 균형을 맞춘 것이 이 책의 미덕이다.

세계는 무엇으로 이루어져 있는가 :
세상의 기초를 이해하기 위한 인류의 끝없는 탐구 여정

“세상은 무엇으로 만들어졌을까?” 하는 질문은 인류가 유사 이래 품어온 가장 오래되고 근본적인 의문 중 하나이다. 여기에 대한 가장 모범적인 답안이 바로 입자물리학의 표준모형이다. 막스 플랑크는 1900년 12월에 ‘작용양자’라는 개념을 처음으로 도입하여 양자역학의 서막을 열었다. 그로부터 무려 113년이라는 세월이 흘렀으니 물리학자들이 양자역학을 충분히 이해했을 것 같지만, 현실은 전혀 그렇지 않다. 그 긴 시간 동안 물리학자들은 양자역학을 확률과 인과율 그리고 물리적 실체와 연결 짓는 데 간신히 성공했을 뿐이다.

과거에 인류는 거의 400년 동안 “관측에 입각한 과학 이론은 자연의 진정한 실체를 서술한다”는 것을 하늘같이 믿어왔고, 이것이 과학의 기본 조건이라고 생각했다. 그런데 양자역학이 새로운 물리학 이론으로 대두되면서 과학과 철학 사이에 전례 없는 심각한 충돌이 야기되었다. 학자들은 진실과 이해를 뒷전으로 밀어놓고 “이 세계에 대하여 우리는 과연 무엇을 알 수 있는가?”라는 원초적 물음을 집요하게 파고들었다. 양자역학이 그들을 인식론의 벼랑 끝으로 밀어붙인 것이다. 그 상태는 지금도 별반 다르지 않다.

이 책의 목적은 경이로우면서도 당혹스럽기 그지없는 양자역학의 탄생 초기부터 지금까지 걸어온 길을 조명하는 것이다. 그리고 그것은 세상의 기초를 탐구해온 인류의 기나긴 여정과 맞닿아 있다. 1900년에 흑체복사 현상을 설명하려다가 우연히 탄생한 양자역학은 지금까지도 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 거대입자가속기(LHC)를 통해 연일 새로운 결과를 낳고 있다. 이 책의 말미에서 피터 힉스가 예견했던 힉스 입자의 존재가 최종 확인됨으로써 세계를 이루는 기본입자에 대한 ‘표준모형’의 완전성이 입증된 셈이다. 하지만 아직 모든 것이 끝난 것은 아니다.

1980년대 초끈이론이 등장하면서 모든 입자들뿐만 아니라 중력을 매개한다는 중력자까지 한꺼번에 설명하는 이론이 금방이라도 탄생할 것 같았다. 그러나 이론적으로 가능한 초끈이론이 여러 개 난립하여 유일한 이론을 꿈꾸던 물리학자들을 크게 실망시켰다. 초끈이론은 한동안 침체기를 겪다가 1995년 3월에 제2의 혁명기를 맞이하여 오늘날까지 이론물리학을 선도하고 있다. 그러나 초끈이론은 아직도 여분 차원을 말끔히 처리하지 못했고, 검증 가능한 물리량을 단 하나도 예견하지 못했다. 물리학 이론의 본분은 관측 가능한 현상을 미리 예측하는 것인데, 이 점에서 초끈이론은 완전히 자격 미달이다.

저자는 그런 면에서 110년의 역사를 자랑하는 양자역학이 또다시 위기에 봉착한 것이라고 말한다. 또한 힉스 입자를 발견한 LHC가 어떤 해답을 제시해주리라 기대한다. 하지만 물리학이 다음 단계로 도약하기 위해서는 LHC가 ‘답’이 아닌 ‘질문’을 제기하는 것이 최선이라고 말한다. 오히려 LHC가 지금의 표준모형과 양자장이론으로 설명할 수 없는 새로운 현상을 발견하게 된다면 물리학은 더욱 심각한 위기에 빠지겠지만, 그와 동시에 새로운 활력을 찾게 되지 않을까 하는 것이 저자의 바람이다.

제1부 작용양자 : 양자역학의 탄생

1900년에 있었던 막스 플랑크의 발견부터 아인슈타인의 광양자가설과 보어의 원자모형, 루이 드 브로이의 파동-입자이중성가설, 베르너 하이젠베르크의 행렬역학, 그리고 볼프강 파울리의 배타원리 등 초기 양자역학이 어떻게 탄생하게 되었는지 그 과정을 자세히 소개한다. 1925년 ‘에로틱한 폭탄선언’으로 유명했던 에르빈 슈뢰딩거의 파동역학도 다룬다.

제2부 코펜하겐 해석 : 양자역학의 의미를 이해하다

양자역학에 대한 코펜하겐 학파의 관점을 다룬다. 슈뢰딩거방정식이 발표된 직후, 보어와 하이젠베르크, 슈뢰딩거는 양자도약의 실체를 놓고 열띤 토론을 벌였고, 그 와중에 하이젠베르크는 ‘불확정성원리’라는 놀라운 결론에 도달했다. 그 후 1926년에 막스 보른은 슈뢰딩거의 파동함수에 물리적 해석을 내렸으며, 1927년 9월에 이탈리아 코모 호 근처에서 개최된 보어의 강연은 양자역학의 앞날을 결정하는 이정표가 되었다.

제3부 보어와 아인슈타인의 논쟁

초기 양자역학의 원조 중 한 사람이었던 아인슈타인은 후에 양자역학의 가장 신랄한 비판자가 되었다. 보어와 아인슈타인의 논쟁은 과학 역사상 유래를 찾아볼 수 없을 만큼 격렬하면서 의미심장했다. 1927년 제5회 솔베이회의에서 아인슈타인이 제안한 사고실험을 소개하고, 1935년에 발표된 아인슈타인-포돌스키-로젠의 이론과 유명한 슈뢰딩거의 고양이 역설을 다룬다. 또한 물리학자들 사이에 ‘절대적 경외감’을 불러일으켰던 폴 디랙의 ‘상대론적 양자역학’을 간략히 소개한다.

제4부 양자장이론의 탄생과 이론물리학의 전성기

양자역학이 기본입자의 세계에 적용되어 양자장이론이 만들어지고, 이를 기반으로 기본입자를 묘사하는 표준모형이 출현하는 과정이 그려진다. 제2차 세계대전이 끝난 후 물리학자들은 연구 경력을 쌓는 데 급급했고, 그 와중에 양자역학은 심각한 위기를 맞는다. 제4부에서는 위기 속에서 이루어진 물리학자들의 만남과 줄리언 슈윙거, 리처드 파인먼, 도모나가 신이치로, 프리먼 다이슨에 의해 완성된 양자전기역학(QED)를 소개한다. QED가 완성된 후 1954년에 양전닝과 로버트 밀스는 게이지대칭성에 기초한 양자장이론(QFT)을 개발했고, 1960년 셸던 글래쇼와 압두스 살람, 스티븐 와인버그는 통일장이론의 신호탄인 약전자기이론의 초기 버전을 완성하여 ‘무거운 광자’인 W입자와 Z입자의 존재를 예견했다. 이후 1963년 머리 겔만이 쿼크와 자발정 대칭성 붕괴에 대한 이론을 정립하고 1967년에 피터 힉스가 힉스 메커니즘을 도입하면서 이론물리학은 정성기를 맞이한다.

제5부 표준모형

거대한 가속기 실험에서 표준모형이 검증되어가는 과정을 박진감 있게 그린다. 양자장이론에 수많은 실험적 증거를 제공한 일등공신인 입자가속기를 소개하고, 양자역학의 꽃이라 할 수 있는 양자장이론이 훗날 입자물리학의 ‘표준모형’으로 확실한 입지를 굳히는 과정을 소개한다. 1983년 CERN에서 W입자와 Z입자가 발견되어 표준모형의 타당성이 입증되었다. 표준모형에는 3세대에 걸친 물질 입자들이 등장하는데, 이들은 렙톤(전자와 뉴트리노)과 쿼크로 이루어져 있으며, 광자, W, Z, 글루온 등 매개 입자를 통해 상호작용을 교환한다. 그러나 네 가지 기본 상호작용 중 하나인 중력은 아직도 표준모형에 합류하지 못하고 있다.

제6부 자연의 실체란 무엇인가 : 양자역학의 해석과 의미

양자적 실체가 무엇인가를 놓고 최근까지 벌어진 논의와, 발달된 기술을 이용해 그 미묘한 개념들을 검증하는 과정이 그려져 있다. 코펜하겐 해석을 싫어했던 데이비드 봄은 아인슈타인에게 용기를 얻어 아인슈타인-포돌스키-로젠의 역설적 사고실험을 현실 세계에서 구현하고, 전통적인 양자역학의 대안으로 ‘숨은변수이론’을 개발했다. 그 뒤 자연의 물리적 실체를 탐구하는 실험이야기가 이어진다. 1964년 발표된 존 벨의 정리와 부등식, 알랭 아스페의 실험, 말런 스컬리와 카이 드륄의 양자 지우개 실험과 거시적인 양자적 객체들 사이에 간섭이 일어난다는 것을 입증하는 실험이 소개된다. 이 모든 실험들은 “자연의 실체를 있는 그대로 인지하는 것은 불가능하다”고 주장한다. 단지 우리는 관측 장비와 질문의 특성에 따라 달라지는 경험적 실체만을 인식할 수 있을 뿐이다.

제7부 과학 탐구의 최전선

일반상대성이론과 양자역학을 하나로 통합한 양자중력이론 또는 ‘만물의 이론’의 가능성을 타진해본다. 이 두 이론은 20세기를 대표하는 최고의 이론이지만, 물과 기름처럼 섞이지 않는 것으로도 유명하다. 휠러-디윗 방정식과 정준양장중력, 미래를 향해 열린 주제로서 지금 현재도 급속히 발전하고 있는 양자적 우주론 분야와 초끈이론 등을 소개한다.