최소한의 양자역학

최소한이라는 제목에 400쪽

제목만 믿고 펴면 당황할 책입니다. 16세기 낙하 실험에서 시작해 양자 오류와 블랙홀 정보 문제까지 가고, 출판사 소개도 모든 내용을 이해하는 독자는 없을 것이라고 미리 말합니다. 원제는 Why Nobody Understands Quantum Physics, 즉 왜 아무도 양자물리학을 이해하지 못하는가입니다.

그래서 이 글은 이 책을 등산 지도로 읽습니다. 끝까지 오르는 책이 아니라, 어디까지 갈지 정하고 오르는 책이라는 뜻입니다. 도중에 내려와도 실패가 아니도록 코스를 나눠 봅니다.

지우

최소한인데 400쪽이요? 저 놀리는 거 아니에요?

핀이

제목은 한국어판에서 붙은 말이에요. 저자 부부는 양자역학을 신성시하지 말자는 쪽이고요.

지우

그래도 끝까지 못 읽을 것 같아요.

핀이

끝까지 안 읽어도 돼요. 음악을 다 이해 못 해도 즐기듯 읽으라는 게 저자들의 말이에요.

저자는 양자 텐서 네트워크를 연구하는 벨기에 물리학자 프랑크 베르스트라테와 작가이자 언어학자인 아내입니다. 물리학자의 서문과 작가의 서문이 따로 있고, 그 뒤에 이 책을 읽는 법이 붙어 있습니다. 이 안내부터 읽는 것이 순서입니다.

코스 지도

2장을 정상에 넣은 것은 대칭과 군 이야기가 수학에 익숙해야 편할 주제이기 때문입니다. 대칭은 에미 뇌터가 등장하는 중요한 장이지만, 막히면 넘어가도 3장은 읽을 수 있을 것으로 보입니다. 다만 이 판단은 목차와 소개에 근거한 것입니다.

1부 수학: 왜 스테빈에서 시작하나

양자역학의 탄생을 흔히 1925년으로 잡는데, 이 책은 300여 년을 거슬러 시몬 스테빈의 실험부터 봅니다. 저자들이 찾는 뿌리는 어떤 공식보다 권위를 실험으로 넘어뜨리는 정신입니다.

여기에 갈릴레이의 수학화, 뉴턴의 미적분, 해밀턴의 사원수, 뇌터의 대칭이 이어집니다. 하나같이 뒤에서 양자역학이 쓸 도구입니다. 천재의 번뜩임이 아니라 어깨를 잇는 작업이라는 책의 관점이 여기서 분명해집니다.

2부 앞쪽: 입자라는 말을 포기하기

3장과 4장의 축은 드 브로이의 전환입니다. 빛이 입자처럼 행동한다면, 전자도 파동처럼 행동해야 하지 않느냐는 것입니다. 출판사 소개와 발췌에 따르면 저자들은 그 끝에 골프공까지 파동 묶음이라고 말합니다.

이 이상함을 가장 잘 보여 주는 것이 3장과 4장에 나오는 이중 슬릿입니다. 전자를 한 개씩 두 틈으로 쏘아도, 쌓이면 파동처럼 간섭무늬가 나옵니다. 어느 틈을 지났는지 측정하면 그 무늬는 사라집니다.

정확히 말하면 골프공의 파장은 너무 짧아 어떤 실험으로도 파동성이 보이지 않습니다. 원리상 그렇다는 말과 실제로 보인다는 말은 다릅니다. 이어 슈뢰딩거 방정식과 하이젠베르크의 행렬역학이 나오는데, 이 둘은 나중에 같은 내용으로 밝혀집니다.

핀이의 한마디

소개문에는 사원수가 하이젠베르크의 발명이라거나 슈뢰딩거의 발견 덕에 행렬역학이 가능했다는 구절이 있어요. 사원수는 해밀턴의 것이고, 행렬역학이 1925년으로 파동역학보다 먼저예요.

5장: 양자 헛소리부터 치우기

5장의 첫 절 제목은 양자 헛소리입니다. 얽힘, 보어와 아인슈타인의 논쟁, EPR 역설, 고양이, 맥락성으로 이어집니다. 양자를 신비주의에 쓰는 흐름을 경계하는 저자의 태도가 제목에서 보입니다.

맥락성은 다른 입문서에 잘 안 나오는 주제입니다. 측정 결과가 어떤 측정들과 함께 수행되느냐와 떨어질 수 없다는 내용으로, 값이 측정 전부터 정해져 있다는 생각을 흔듭니다. 이 절까지 왔다면 중턱은 넘은 셈입니다.

발췌 중 큐비트를 설명하며 애매한 연애 관계를 드는 대목은 농담으로 받아들이는 편이 좋습니다. 일상의 애매함은 몰라서 생기지만, 양자 중첩은 서로 간섭할 수 있다는 점에서 전혀 다릅니다.

6~8장: 입자 하나에서 많음으로

하나의 원자나 세 개의 쿼크를 이해하는 것은 완전히 가능하지만, 수많은 원자나 쿼크가 함께 어떻게 행동할지 예측하는 것은 불가능하다.p.305

이 책의 개성이 드러나는 곳입니다. 입문서는 대개 입자 하나의 이상함에서 끝나는데, 저자들은 필립 앤더슨의 많아지면 달라진다로 넘어갑니다. 저자의 전공인 많은 입자 체계가 이 대목의 무게를 만듭니다.

창발을 일상의 예로 옮기면 이렇습니다. 물 분자 하나에는 젖음도, 얼음도 없습니다. 초전도도 비슷해서, 전자 하나만 들여다봐서는 저항이 사라지는 현상을 알 수 없습니다.

10의 24승저자들이 많다는 말의 규모로 드는 수입니다. 입자 하나를 아무리 파도 나오지 않는 성질이 이 규모에서 나타납니다.

9장: 두 번째 혁명과 남은 문제

1995년 6월 5일 콜로라도 볼더에서 첫 보스-아인슈타인 응축체가 나오고, 한 달도 안 돼 같은 도시에서 2큐비트 프로토타입이 나왔습니다. 저자들은 이 무렵을 2차 양자 혁명의 시작으로 잡습니다. 측정 기술, 시뮬레이션, 정보, 복잡성, 컴퓨터, 오류로 이어집니다.

양자 컴퓨터에 대한 태도는 비교적 차분합니다. 소개에 따르면 의미 있는 문제를 푸는 일은 아직 먼 꿈이라 하고, 실현되지 않는다면 물리학에 무슨 의미가 있는지 묻습니다. 호킹과 프레스킬의 블랙홀 정보 내기도 이 장에 나옵니다. 양자역학과 일반 상대성 이론의 통합에 대해서는 이렇게 씁니다.

그러나 안타깝게도, 이 문제를 실제로 해결하는 방법에 대해 아는 과학자는 아무도 없다.책 속에서

이 책이 약한 곳

입문서로 고르면 고생할 수 있습니다. 해외 과학책 블로그의 서평 하나는 원서를 두고 접근하기 쉬운 책이 아니라고 평했습니다. 반면 물리학자 존 프레스킬 등 전문가들의 평은 호의적입니다. 전공자 눈에 좋은 책과 초보에게 쉬운 책은 다릅니다.

이름도 사건도 많습니다. 볼테르와 괴테까지 등장하니 흐름을 놓치면 인물 목록처럼 느껴질 수 있습니다. 처음 양자역학을 접한다면 얇은 입문서를 한 권 먼저 읽고 오는 편이 낫습니다.

이 지도를 쓰는 법

1. 목표 정하기얽힘과 고양이까지인지, 양자 컴퓨터까지인지 먼저 정합니다.
2. 안 되면 넘기기수식이 막히는 절은 표시만 하고 넘어갑니다. 저자들도 그래도 된다는 쪽입니다.
3. 용어 설명 쓰기뒤쪽 용어 설명과 찾아보기를 곁에 둡니다.