양자야 이것도 네가 한 일이니?

도대체 양자란 무엇인가? 양자의 민얼굴을 들여다보다

“지금 작은 입자가 여러분의 몸을 관통했습니다.”
이 말을 믿는 사람이 있을까? 아무리 작다고 해도 입자가 몸에 부딪히면, 튕겨 나가거나 몸에 구멍이 생기거나 하며 크고 작은 영향을 남기기 마련 아닌가? 아무 느낌도 없이 몸을 통과한다는 것은 있을 수 없는 일 같을 것이다. 하지만 실제로 이런 일이 일어나고 있다. 우주 탄생 이후 ‘이보다 더 작게 만들 수 없다’고 정해진 물리량의 한계 단위를 ‘양자’라고 한다. 이런 한계가 있다는 사실을 모르는 사람도 있을 것이다. 일상에서 이런 한계를 느끼지 않고 생활할 수 있는 것은, 우리 몸이 이런 한계에 비해 지나치게 거대하기 때문이다. 이렇게 작은 입자가 우리 세계를 만들고 있으므로, 이 입자들을 이해하면 세상 모든 것을 이해할 수 있지 않을까 싶기도 하다. 그렇지만 이런 작은 입자들이 존재하는 양자 세계에서는 우리가 사는 세계의 상식과는 전혀 다른 현상이 일어난다.

그렇다면 양자는 우리 생활에서 어떻게 확인할 수 있을까?

양자 역학이나 양자 세계, 그리고 이 책에서 작은 입자라고 표현한 소립자에 관한 전문적인 책이 넘쳐나는 가운데 오제키 마사유키는 일반인을 대상으로 한 양자 책이 얼마나 의미가 있을까 하는 생각을 했다. ‘양자’라는 개념이 다소 낯설 수 있기 때문이다. 하지만 스마트폰, 레이저, 자기 부상 열차, MRI, 광합성 등은 모두 양자가 한 일이다. 또한 눈앞에 있는 종이부터 내 우리의 몸도 그 움직임, 우주의 모든 것이 양자 세계에 의해 조종되고 있다.

그렇다면 일상생활로 돌아가서 주변을 둘러보자. 우리 주변에도 양자 세계가 있다는 사실을 알아차릴 수 있을 것이다. 예를 들면, 지금 여러분의 눈앞에 있는 책상이나 의자도 작은 입자의 집합체다. 또 책상을 문지르면, 책상에서 검은 때가 나오는 것을 볼 수 있다. 책상 표면에 쌓여 있던 먼지가 깎인 것이다. 청소를 좋아하는 사람에게는 미안한 얘기지만, 우리가 생각하는 ‘청소를 한다’는 행위는 단순히 먼지를 이동시키는 것일 뿐이다. 책상에서 제거된 먼지는 닦을 때 사용한 걸레로 옮겨 가고, 걸레는 더러워진다. 걸레를 다시 사용하고 싶으면, 걸레를 빨아야 한다. 이때 사용하는 방법이 물로 씻어 내는 것이다.
비록 우리가 생활하면서 잘 알아차리지 못하지만, 실제로 작은 스케일의 세계인 양자의 세계가 우리 생활과 밀접하게 관련되어 있다는 사실을 알 수 있다. 눈에 보이지 않는 세계에서는 여러 가지 일들이 일어나고 있는데, 우리는 생활하면서 이를 별로 의식하지 않는다. 당연한 일로 받아들이고 있기 때문에 생각하거나 알아차릴 기회가 없었던 것이다. 작은 입자의 존재를 좀 더 알아보고 싶다는 생각이 들 것이다.

수식, 도표, 그래프 하나 없이 쏙쏙 이해하게 풀어낸 양자의 세계!

1장에서는 양자의 크기, 이중 슬릿 실험, 파동 함수, 빛의 입자, 슈뢰딩거의 고양이, 벽을 통과하는 기술을 쓰는 닌자 같은 양자의 움직임 등을 통해 ‘양자’라는 작은 존재의 개념을 파악할 수 있도록 했다. 2장에서는 우주와 생물의 구성을 양자로 살펴볼 수 있다. 우주는 양자의 변덕에서 시작되었다. 이 변덕이 이제는 거대한 우주 규모로까지 확장되어 되돌릴 수 없는 엄청난 변화가 되어 버렸다. 또한 매우 빠른 속도로 전기 입자를 세포 내로 보내 에너지를 발생시키는데 이런 작은 입자 덕분에 우리가 생명을 이어갈 수 있다. 양자의 움직임을 살펴보면서 평소 우주와 생물에 가지고 있던 수수께끼도 풀 수 있다. 3장에서는 후지코 F. 후지오의 작가의 인기 만화 ‘도라에몽’으로 양자의 세계를 쉽고 재미있게 이야기한다. 도라에몽이 가지고 있는 비밀 도구와 양자가 연관된 이야기를 읽다 보면 일상에서 과학이나 수학을 접할 일이 없는 독자들조차 양자 세계에 재미와 신기함을 느낄 수 있을 것이다. 마지막 장에서는 무어 법칙의 한계, 양자 컴퓨터, 항암제, 태양 전지, 인공 지능, 매트릭스의 세계 등 양자가 한 일 덕분에 비약적으로 발전하는 과학 기술의 세계를 다루고 있다. 이 책에서는 이 모든 이야기를 어떠한 수식, 도표, 그래프 없이 담아냈다. 이 책을 읽고 난 후에 우리 주변의 사실과 현상이 다르고 새롭게 보일 것이다.

저 : 오오제키 마사유키

Masayuki Ohzeki
1982년 도쿄 출생으로, 2008년 도쿄공업대학교 대학원 이공학연구과 물성물리학전공 박사 과정을 조기 수료하였다. 도쿄공업 대학교 산학관 제휴 연구원으로서 양자 어닐링을 연구하고 로마 대학교 물리학과 연구원, 교토대학교 대학원 정보학연구과 시스템과학 전공 조교를 거쳤다. 2016년 10월에 도호쿠대학교 대학원 정보과학연구과 응용정보과학전공 준교수가 된 후, 지금에 이르렀다. 2012년에 제6회 일본물리학회 젊은 장려상(第6回日本物理??若手??賞)을, 2016년에 문부과학성 젊은 과학자상(平成28年度文部科?大臣表彰若手科?者)을 수상하였다. 저서에는 『기계 학습 입 문-볼츠만 기계 학습에서 딥러딩까지』(옴출판사)가 있다.

 

역 : 전종훈

서울대학교 전기공학과 졸업 후 일본문부과학성 초청 장학생으로 도쿄대학교 전기공학과 대학원을 졸업했다. 북유럽에서 디자인을 공부한 후 산업 디자이너로 활동하며 엔터스코리아에서 일본어 전문 번역가로도 활동하고 있다. 주요 역서로는 『비행기 구조 교과서』가 있다.  

Chapter 1 양자의 민얼굴
‘양자’란 도대체 무엇일까? 12
20세기에 가장 아름다운 실험, ‘이중 슬릿 실험’ 15
빛의 입자는 도대체 무엇이란 말인가? 21
다른 가능성을 조합하는 양자 23
양자 세계에는 닌자가 있다 25
줄무늬가 나타나는 이유 28
빛이 입자라는 충격적인 사실 31
작은 입자를 이해하는 한계 34
토끼뜀하는 닌자? 37
시간을 기록하는 닌자 39
당신의 시간은 어긋나 있다? 41
닌자 같은 양자의 벽 통과 기술 44
도대체 왜 벽에 부딪히는가? 46
슈뢰딩거의 고양이 50
양자의 세계를 보면 청소가 수월해진다 53
어떻게 그림을 그릴 수 있는 것일까? 56
빛은 이리저리 흔들리고 있다 59
더욱 놀라운 양자의 세계 62
양자 텔레포테이션 65
양자 세계의 일상 67
남극의 얼음보다 차가운 세계 71
시간은 멈추지 않는다 73

Chapter 2 양자로 살펴보는 우주와 생명의 수수께끼
눈에 보인다는 것 78
뉴트리노를 보다 81
블랙홀은 보이지 않는다 85
블랙홀 안에 잠들어 있는 우주의 과거 87
블랙홀에 빨려 들어가 버렸다면 89
우주는 어떻게 태어났을까? 91
과연 우주에는 시작이 있었을까? 93
‘태초에 빛이 있었다!’는 말은 옳다 96
우주는 하나뿐일까? 100
블랙홀은 우주의 재활용 공장 102
인간은 왜 이렇게 클까? 105
작은 입자와 큰 생물 사이에서 107
생물은 작은 기계로 살고 있다 110
광합성에는 닌자가 필요하다 112
자신의 복사본을 만들 수 있을까? 114


Chapter 3 후지코 F. 후지오와 양자 세계
도라에몽과 양자의 세계 118
통과하는 후프 120
걸리버 터널 123
만약에 박스 125
스톱워치 128
천지 창조 세트 132
[평행 동창회] 134
[그 녀석의 타임머신] 137
[저 바보는 황야를 향해 간다] 140
[사해경과 타임 카메라] 142
타임머신을 만들 수 있을까? 145
[메피스토의 비참한 노래] 148

Chapter 4 미래에 대한 도전
무어의 법칙에 한계가 다가오다 152
애초에 전기 제품은 어떻게 만들었을까? 155
태양 전지는 빛과 전기의 만남으로부터 159
컴퓨터 내부는 사다리 타기 162
다시 이중 슬릿 실험 166
줄무늬를 조종하는 ‘양자 컴퓨터' 169
어떻게 양자 주민을 조종할까? 172
약간 이상한 계산 방법 ‘양자 냉각’175
‘양자 냉각’은 어렵다? 177
작은 입자에게 퍼즐 풀이를 맡기자 180
머리를 사용하는 것도 자연의 섭리 182
생물이 계속 먹는 이유 186
항암제가 사라진다? 189
인공 지능이라는 꿈 191
어젯밤 꿈은 무엇인가? 194
기계와 인간이 이어지는 시대 197
매트릭스의 세계 199
인간의 생각은 어디에서 태어나는가? 202
과학자의 마음 206

나가며 208
찾아보기 212