양자역학 쫌 아는 10대

부모가 함께 볼 비유 해체 연습장

얼굴 반쪽은 남자, 반쪽은 여자인 만화 속 아수라 백작이 전자와 비슷하다고 합니다. 고재현은 이런 비유로 십대에게 양자역학을 풀어 줍니다. 그런데 곧이어 그 비유가 사실은 궁여지책이라고 스스로 말합니다.

“파동이자 입자”라고 설명해야 하는 건 미시 세계를 직관적으로 느낄 수 없는 인간이 내놓은 궁여지책이라 할 수도 있을 것 같아.3. 양자역학의 탄생

이 글은 그 고백을 틀로 삼습니다. 이 책을 비유를 외우는 책이 아니라, 비유가 어디서 깨지는지 아이와 따져 보는 연습장으로 쓰자는 제안입니다. 이렇게 읽으면 물리를 잘 모르는 부모도 대화의 상대가 될 수 있습니다.

지우

아이가 물어보는데 저는 양자역학을 하나도 몰라요. 같이 읽을 수 있을까요?

핀이

그래서 좋아요. 답을 가르쳐 줄 필요 없이 이 비유는 어디까지 맞을까 하고 같이 물으면 돼요.

지우

제가 틀려도 괜찮아요?

핀이

저자도 비유가 궁여지책이라고 하는걸요. 틀린 데를 찾는 게 오히려 과학 공부예요.

여섯 장의 줄거리

152쪽의 얇은 책입니다. 말투는 어른이 곁에서 설명하는 반말이고, 양자돌이라는 입자 캐릭터의 여행을 따라갑니다. 과학사의 순서로 진행되어 왜 이런 이론이 필요했는지 따라가기 좋게 짜여 있습니다.

1. 1장 고전 물리의 어둠완벽해 보이던 고전역학에 설명되지 않는 현상이 쌓입니다. 플랑크와 아인슈타인이 빛 에너지의 알갱이를 꺼냅니다.
2. 2장 원자의 정체근대 원자 이론과 원자의 움직임, 원자 모습이 서서히 드러나는 과정입니다.
3. 3장 양자역학의 탄생보어의 양자 도약과 파동이냐 입자냐의 문제가 나옵니다.
4. 4장 사용 설명서고전역학과 양자역학의 사용법을 비교합니다. 고유 에너지와 중첩을 다룹니다.
5. 5장 원자에서 물질로전자 쌓기, 주기율표, 분자, 고체 분류로 넓어집니다.
6. 6장 양자 전성시대얽힘, 순간 이동, 양자 컴퓨터의 오해와 진실, 양자 암호입니다.

4장이 고비입니다. 고유 함수 같은 말이 처음 나오는 곳이어서 아이가 여기서 멈출 수 있습니다. 부모라면 다 이해시키려 하기보다, 상태를 측정하면 정해진 값 중 하나가 나온다는 정도만 잡고 넘어가게 해 주면 됩니다.

비유가 깨지는 곳 표

왼쪽 비유는 책과 소개 자료에 나옵니다. 깨지는 곳과 질문은 이 글이 덧붙였습니다. 아이가 먼저 답하게 하고 정답을 확인하려 들지 않아도 좋습니다.

이런 혁명적인 주장 이후로 세상은 연속적인 색채의 흐름이 만드는 수채화가 아니라, 다채로운 색의 점들이 그림을 이루는 점묘화의 모습을 띠게 된 셈이지.1. 고전물리학에 드리워진 어둠

세 번째 칸의 답은 양자 복제 불가 원리와 이어집니다. 양자 상태는 그대로 복사할 수 없어서, 옮기고 나면 원본의 상태는 사라집니다. 아이가 여기까지 궁금해한다면 책 6장을 함께 다시 볼 때입니다.

부모가 먼저 잡아 둘 것

아이의 질문에 다 답할 필요는 없지만 흔한 오해는 알아 두면 좋습니다. 아래는 책의 문장이 아니라 일반적인 물리 설명입니다.

• 중첩정해진 답을 우리가 모르는 상태와 다릅니다. 가능성끼리 간섭할 수 있다는 점이 다릅니다.
• 얽힘떨어진 입자의 결과가 연관되지만, 이것으로 빛보다 빠르게 메시지를 보낼 수는 없습니다.
• 양자 컴퓨터모든 답을 한꺼번에 내놓는 기계가 아닙니다. 특정한 문제에서 힘을 냅니다.
• 주기율표전자는 같은 상태에 함께 있지 못해 층층이 쌓입니다. 원소의 성질이 그 배치에서 갈립니다.

양자역학을 왜 배우나: 아이가 물을 때

일상과 상관없어 보인다는 질문은 책이 먼저 받아 줍니다. 소개에 따르면 답은 간단합니다. 모든 물건이 원자로 되어 있으니 도체와 반도체의 구분, 물체의 색, 온실 기체의 작동까지 양자역학으로 설명된다는 것입니다.

그중 아이가 흥미로워할 만한 것은 멀리 있는 별빛으로 분자를 알아내는 이야기입니다. 분자마다 에너지 구조가 달라 이름표처럼 쓰이므로, 가 보지 않은 우주 공간에 무슨 분자가 있는지 알 수 있다는 내용입니다.

그래서 아무리 멀리 떨어져 있는 우주 공간이라도 특정한 분자의 에너지 구조를 확인할 방법이 있다면 우린 거기에 직접 가 보지 않고도 어떤 분자들이 존재하는지 알 수 있지.5. 원자에서 물질로

아이와 나눌 대화

• 책상이 왜 투명하지 않을까? 같은 원자인데 유리는 왜 비칠까?
• 아무도 안 볼 때 달은 거기 있을까? 원자와 달은 뭐가 다를까?
• 양자 컴퓨터가 나오면 지금 컴퓨터는 사라질까? 왜 그럴 것 같아?
• 광고에서 양자라는 말을 본 적 있니? 그 말이 정말 필요한 곳이었을까?

핀이의 한마디

마지막 질문이 은근히 쓸모 있어요. 양자라는 말이 붙은 건강 상품이나 광고를 가려내는 연습이 되거든요.

이 책이 약한 곳

시리즈의 성격상 얇아서, 각 주제를 오래 머물지 못합니다. 입시 물리를 대신할 수 없고, 물리를 잘하는 아이에게는 금방 모자랄 수 있습니다. 그런 아이에게는 더 읽어 볼 책 목록이 다음 길잡이가 됩니다.

양자 컴퓨터가 분자를 가장 자연스럽게 묘사한다는 발췌 대목처럼, 전망에는 기대가 섞여 있습니다. 소개 자료도 이 부분은 기대한다고 표현합니다. 아이에게 이미 된 일과 기대하는 일을 나눠 말해 주면 좋겠습니다.

반말체는 아이에 따라 친근하게도 유치하게도 느껴질 수 있습니다. 고등학생이라면 서점에서 한 장을 먼저 읽어 보게 하는 편이 낫습니다.