김상욱의 양자 공부

답안지가 아니라 오답 노트

Q: 원자는 어디 있나요? A: 모릅니다. 질문이 틀렸어요.본문에서

양자 역학 책을 펴는 사람은 대개 답을 찾으러 옵니다. 그런데 김상욱은 질문부터 틀렸다고 말합니다. 그래서 이 글은 『김상욱의 양자 공부』를 오답 노트로 읽습니다.

일상에서 잘 통하던 질문이 원자 앞에서 왜 망가지는지 하나씩 고쳐 가는 책으로 보자는 것입니다. 이렇게 보면 100년 물리학사도 인물 열전보다 질문 수정의 기록에 가깝습니다. 저자 스스로 양자 역학이 어렵다는 말을 처음부터 끝까지 숨기지 않는 책이기도 합니다.

지우

슈뢰딩거 고양이요, 살아 있으면서 죽어 있는 거 맞죠?

핀이

슈뢰딩거는 그게 말이 안 된다고 따지려고 그 예를 만들었어요.

지우

어, 양자역학 자랑하는 얘기인 줄 알았어요.

핀이

많이들 그렇게 알아요. 이 책의 3장 제목도 그래서 '누가 죽였나'예요. 상식처럼 아는 말을 의심하는 데서 시작해요.

1부의 흐름: 물리학자들이 직관을 내려놓기까지

1장은 긴장을 풀어 주는 가상 드라마입니다. 양자 열차, 펠묜 국수, 보손 카페 같은 설정이 도무지 납득되지 않는 세계를 보여 줍니다. 출판사는 공부를 끝낸 뒤 이 장으로 돌아오라고 권하는데, 이해의 눈금처럼 쓰라는 뜻입니다.

1. 2~3장 중첩양자 역학의 첫 관문입니다. 고양이 역설로 중첩이 왜 이상한지 보여 줍니다.
2. 4~6장 직관 포기입자는 중간 과정 없이 도약하고, 관측 전 위치를 묻는 일 자체가 문제가 됩니다. 이 흐름이 코펜하겐 해석으로 정리됩니다.
3. 7장 대논쟁확률 해석을 두고 보어, 하이젠베르크와 아인슈타인, 슈뢰딩거가 맞섭니다.
4. 8장 불확정성하이젠베르크의 원리가 양자 역학의 전제로 자리 잡습니다.
5. 9장 얽힘코펜하겐 해석을 공격하려던 EPR 논문이 도리어 얽힘을 드러냅니다.

다섯 개의 틀린 질문

아래 표는 책의 흐름을 따라 이 글이 정리한 것입니다. 오른쪽 칸은 일반적인 물리 설명이고, 책의 표현은 아닙니다.

고양이 칸을 조금 더 풀면 이렇습니다. 큰 물체는 주변의 공기와 빛과 끊임없이 상호작용해 중첩이 눈에 보이지 않게 됩니다. 이를 결어긋남이라 합니다. 왜 하나의 결과만 경험하는가는 그래도 해석의 문제로 남습니다.

얽힘 칸도 풀어 보겠습니다. EPR 논문은 두 입자의 값이 측정 전부터 정해져 있었을 것이라는 논리로 양자 역학이 불완전하다고 주장했습니다. 벨은 1964년에 이를 실험으로 가릴 수 있는 부등식을 내놓았고, 이후 실험들은 양자 역학의 예측 쪽으로 나왔습니다.

그래도 얽힘으로 메시지를 보낼 수는 없습니다. 내 쪽 측정 결과는 무작위로 보이고, 상대와 결과를 비교해야 비로소 연관이 드러나기 때문입니다. 비교하려면 일반 통신이 필요합니다.

핀이의 한마디

측정에 꼭 사람의 의식이 필요한 건 아니에요. 물리에서 측정은 다른 물체와 상호작용해 흔적이 남는 일에 가까워요.

2부: 현재에서 최전선으로

양자 역학은 원자를 설명하는 이론이고, 세상 모든 것은 원자로 되어 있다. 따라서 주위에 보이는 모든 것에서 양자 역학이 작동한다고 보면 된다.본문에서

10장은 화학과 반도체가 양자 역학으로 어떻게 설명되는지 보여 줍니다. 그 뒤는 고급 독자를 위한 길입니다. 출판사도 뒷장들을 더 고급스러운 내용을 원하는 독자용으로 소개합니다.

• 11장 양자 카오스양자 역학이 큰 세계까지 설명하려면 넘어야 할 문제입니다.
• 12장 양자 컴퓨터중첩과 얽힘을 쓰는 정보 처리입니다. 1부를 건너뛰면 읽기 어렵습니다.
• 13장 다세계 해석평행 우주 가설로 취급받던 해석과 우주론의 접점을 다룹니다.
• 14장 양자 생물학광합성 효율과 뇌 활동 가설을 소개합니다. 소개 자료도 아직 가설 단계라고 밝힙니다.
• 15장 it from bit정보를 물리적 대상으로 보는 사고 실험에서 정보 우주까지 갑니다.

장이 뒤로 갈수록 입증된 내용에서 가설로 옮겨 갑니다. 14장과 15장은 그 점을 의식하고 읽으면 좋습니다. 1부와 같은 확신의 정도로 받아들일 내용이 아닙니다.

걸러 읽을 곳

출판사 소개는 오늘날의 과학이 보어와 하이젠베르크가 옳았음을 증명한다고 씁니다. 조금 앞선 말입니다. 벨 부등식 실험이 배제한 것은 국소적인 숨은 변수이고, 코펜하겐 해석 자체가 유일한 답으로 증명된 것은 아닙니다. 같은 책 13장이 다세계 해석을 다루는 것만 봐도 그렇습니다.

같은 소개에서 얽힘을 아인슈타인이 고안한 개념으로 적고 차일링거의 실험을 앞세우는 부분도 단순화입니다. 얽힘이라는 이름은 슈뢰딩거가 붙였고, 2022년 노벨 물리학상은 아스페, 클라우저, 차일링거 세 사람이 함께 받았습니다.

책 자체는 2017년 말에 나왔습니다. 구글의 2019년 양자 우위 발표와 2022년 노벨상은 담길 수 없었고, 양자 컴퓨터 장의 현황은 이미 옛날 이야기입니다. 그래도 개념을 다루는 1부는 이 점에 영향을 덜 받습니다.

난이도도 정직하게 봐야 합니다. 쉽다는 추천사가 많지만, 소개문에서도 2장부터 머리가 지끈할 것이라고 합니다. 수식이 없다고 해서 금방 읽히는 책은 아닙니다.

이 책을 쓰는 법

• 1장 드라마를 먼저 읽고, 이해 안 되는 설정에 표시해 둡니다.
• 장마다 내가 처음 품었던 질문이 어떻게 틀렸는지 한 줄씩 적습니다.
• 낯선 말은 뒤쪽 용어 해설을 바로 찾습니다.
• 9장까지 읽은 다음 1장으로 돌아가 표시한 곳을 다시 봅니다.

같은 저자의 『떨림과 울림』이 물리로 삶을 생각하는 에세이라면, 이쪽은 양자 역학 자체를 공부하는 책입니다. 위로보다 개념을 원하는 사람에게 맞습니다.