우리집 강아지에게 양자역학 가르치기

★★★★★
출간 즉시 아마존 베스트셀러!
김범준 교수 강력 추천!

“이 책은 양자역학을 알려는 사람들에게 축복이다!”
설명의 대가 채드 오젤의 세상에서 가장 쉬운 양자 수업




◎ 도서 소개

2025년은 현대 물리학의 혁명을 불러온 행렬역학 논문이 발표된 지 100년이 되는 해이다. 1925년, 베르너 하이젠베르크가 발표한 이 논문은 양자역학의 문을 열었고, 이후 100년 동안 양자역학은 눈부신 발전을 거듭하며 우리 일상 곳곳에 깊숙이 스며들었다. 스마트폰, 컴퓨터, MRI, 레이저, 반도체 등 우리가 매일 사용하는 첨단 기술의 밑바탕에는 모두 양자역학의 원리가 숨어 있다. 이제는 ‘양자’라는 단어를 들어보지 못한 사람을 찾기 어려울 만큼, 양자역학은 현대 문명의 핵심이 되었다. 이러한 시대적 흐름에 발맞추어, 양자역학을 제대로 이해하는 것은 더 이상 과학자들만의 전유물이 아니라 모두에게 필요한 교양이 되고 있다.
2025년 유엔이 ‘세계 양자과학의 해’로 지정한 것을 기념하여, 물리학자 채드 오젤(Chad Orzel)의 『우리집 강아지에게 양자역학 가르치기』를 출간한다. 이 책은 복잡하고 난해하게만 느껴지는 양자물리학의 개념을 저자와 사랑스러운 반려견 에미(Emmy) 사이의 유쾌한 대화를 통해 쉽고 재미있게 풀어낸다. ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’처럼 드라마와 영화에서 자주 언급되지만 실제로는 이해하기 어려운 양자역학의 핵심 원리들을, 에미의 엉뚱한 질문과 저자의 친절한 설명을 따라가다 보면 어느새 자연스럽게 받아들이게 된다.
파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 양자 얽힘, 터널 효과 등 양자역학의 주요 개념들을 일상적인 비유와 유머로 풀어내, 과학에 익숙하지 않은 독자도 부담 없이 읽을 수 있다. 이 책을 읽는 독자들은 단순히 양자역학의 개념을 배우는 데 그치지 않고, 에미와 저자의 대화를 통해 과학을 ‘이해’하는 즐거움, 질문하고 탐구하는 과정의 재미를 새롭게 경험하게 될 것이다. 세상에서 가장 쉬운 양자역학 수업, 『우리집 강아지에게 양자역학 가르치기』와 함께 양자 세계의 신비로운 문을 열어보자.




◎ 책 속에서

양자역학이 없었다면 현대의 생활은 불가능했을 것이다. 예를 들어서 전자의 양자역학적 본질을 이해하지 못했다면 오늘날 컴퓨터를 작동하게 해주는 반도체 칩은 만들 수도 없었을 것이다. 빛과 원자의 양자적 본질을 이해하지 못했더라면 광섬유 통신선을 통해서 신호를 보내는 레이저도 만들 수 없었을 것이다.
양자 이론이 과학에 미친 영향은 단순한 실용적 수준을 넘어선다. 양자 이론은 물리학자들에게 철학 문제에도 도전할 수 있도록 해주기도 했다. 양자물리학은 우주와 우주에 존재하는 모든 물질의 성질에 대해 우리가 알아낼 수 있는 한계를 밝혀내 주었다. 그 덕분에 우리는 존재의 본질에 대해서 가장 근원적인 수준에서 완전한 재검토를 할 수 있었다.

- 15쪽, 머리말: 강아지에게 물리학을 설명하는 이유 - 양자물리학 소개


우리는 일상생활에서 빛과 소리라는 두 종류의 대표적인 파동을 경험한다. 두 가지가 모두 파동 현상이지만, 전혀 다른 특성을 가지고 있다. 그런 차이를 자세하게 이해하면 개가 나무의 양쪽을 동시에 통과할 수 없는 이유를 이해하는 데에 약간의 빛(동음이의어를 양해해주기 바람)이 된다.
소리의 파동은 공기 중에서 전파되는 압력파이다. 강아지가 짖으면, 강아지의 입을 통해서 강제로 밀려나온 공기가 모든 방향으로 진행하는 진동을 만들어낸다. 그런 진동이 다른 강아지에게 도달하면, 소리의 파동이 강아지의 고막을 진동하게 만들고, 그것이 뇌에서 소리로 인식하는 신호로 변환된다. 두 번째 강아지가 짖기 시작하면 더 많은 파동이 만들어져서 근처에 있는 사람들을 성가시게 만든다.

- 36~37쪽, 제1장. 어떤 길? 양쪽 모두: 입자-파동 이중성


양자역학의 철학적 문제는 대부분 이론의 “해석(interpretation)”에 대한 것이다. 그런 문제는 양자역학에서만 나타나는 것이다. 실제로 고전 물리학에서는 별도의 해석이 필요하지 않다. 물체의 위치, 속도, 가속도를 예측하는 고전 물리학에서는 그런 양이 무엇을 뜻하고, 어떻게 측정하는지가 정확하게 알려져 있다. 이론과 우리가 관찰하는 현실 사이에도 직접적이고 직관적인 관계가 밝혀져 있다.
그러나 양자역학은 그렇지 않다. 이론을 지배하고, 파동함수를 계산해주고, 행동을 예측해주는 수학적 방정식이 있지만, 파동함수가 무엇을 뜻하는지는 분명하지 않다. 우리가 계산하는 파동함수를 실험에서 측정하는 양과 연결하기 위해서는 추가적인 설명이라고 해야 하는 “해석”이 필요하다.

- 94~95쪽, 제3장. 슈뢰딩거의 강아지: 코펜하겐 해석


강아지를 산책시키는 예에서라면, 긴 간섭계는 두 강아지를 서로 센트럴 파크의 반대쪽으로 보내는 것에 해당한다. 경로가 길어질수록 산책하는 강아지가 중간에 다람쥐를 쫓아가는 다람쥐, 떨어진 음식, 장난칠 말똥을 만나서 시간을 보내게 될 가능성도 커진다. 두 강아지는 더 이상 같은 속도로 달리지 못한다. 중간에 겪게 되는 일에 따라서 더 빨라지기도 하고, 더 느려지기도 한다. 두 강아지가 도착하는 순서는 경로의 길이뿐만 아니라 중간에 어떤 일을 겪게 되느냐에 따라 달라진다.
빛에서도 같은 일이 일어난다. 간섭계를 지나가는 빛은 가끔씩 공기 원자나 분자와 상호작용을 한다.

-145쪽, 제4장. 다중 세계, 다중 과자: 다중 세계 해석


“양자 공간이동(quantum teleportation)”은 아마도 앞 장에서 설명했던 비국소적 상관성을 응용하는 가장 널리 알려진 예일 것이다. 사람들은 이름만으로도 수많은 상상을 하게 되어서, 순간적으로 물체를 한 곳에서 다른 곳으로 옮겨가는 『스타 트렉』과 같은 공상과학 소설을 떠올리게 된다. A에서 출발한 물체가 부드러운 폭음과 함께 사라졌다가 멀리 떨어진 B 에 다시 나타나는 것이다.
그러나 공상 과학 소설에서 보았던 것과 비교하면, 실제 양자 공간이동은 실망스럽게 보인다. 양자 공간이동은 물체 자체가 아니라 물체의 양자 상태를 한 곳에서 다른 곳에서 옮기는 것이다. 더욱이 정보가 한 곳에서 다른 곳으로 이동해야 하기 때문에 이동의 속도도 빛보다 느리다.

-240쪽, 제8장. 나에게 토끼를 쏘아 보내라: 양자 공간이동


“그런 파인만 도형에서 광자는 모든 종류의 전기적 또는 자기적 상호작용을 나타낸단다. 그런 도형이 전자가 다른 전자와 상호작용하거나, 양성자와 상호작용하는 과정을 설명한다는 뜻이고, 그런 상호작용은 언제나 일어나고 있지.”
“좋아요. 그러나 무슨 이야기인지는 전혀 모르겠어요.”
“음, QED에서는 상호작용을 입자의 교환으로 이야기한단다. 두 개의 전자가 서로 밀쳐내는 것은 한 전자가 다른 전자에게 광자를 전달하기 때문이지. 한 전자가 방출한 광자가 다른 전자로 옮겨가서 흡수된다는 뜻이야. 흡수와 방출은 운동량에 변화를 주고, 우리는 그런 변화를 두 입자가 서로를 밀쳐내는 힘이 작용하는 것으로 보게 되는 것이란다.”

- 286쪽, 제9장. 치즈 토끼: 가상 입자와 양자 전기동력학