궁금했어 양자역학

빛은 입자일까, 파동일까?
전자는 어떻게 움직일까?
고전 물리학과 현대 물리학은 어떻게 다를까?
양자 역학은 우리 일상에서 어떻게 사용될까?

상대성 이론과 양자 이론,
보이지 않는 물리학의 세계에서 펼쳐지는 인류의 미래
현대 물리학이 이룬 두 가지 업적으로 ‘상대성 이론’과 ‘양자 역학’을 꼽아요. 상대성 이론은 알베르트 아인슈타인이 발견했고, 양자 역학은 막스 플랑크, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거 등 여러 과학자가 차근차근 비밀을 풀어내며 발견한 이론이지요.
이 두 가지 이론은 과학사에 있어 매우 중요하고 획기적인 발견이었기 때문에 그전까지의 물리학을 ‘고전 물리학’이라 하고, 이후의 물리학은 ‘현대 물리학’이라고 부르지요. 고전 물리학이 손에 잡히는 ‘물질의 세계’를 설명해 준다면, 현대 물리학은 원자와 전자 같은 아주 작은 ‘미시 세계’와 지구, 태양계, 은하 등 ‘거시 세계’를 설명해 줍니다.
상대성 이론의 발견으로 우리는 우주의 탄생과 별과 행성의 움직임을 제대로 이해할 수 있게 되었어요. 또 양자 역학의 발견으로 눈에 보이지 않는 양자 세계를 이해하고, 많은 새로운 전자 문명을 만들 수 있었어요. 우리가 자주 사용하는 스마트폰뿐 아니라 자율 주행차 등 전자 기기의 탄생은 모두 양자 역학을 기반으로 하고 있지요. 이외에도 양자 역학은 화학과 생물학 등 다른 학문과도 결합해, 첨단 과학 분야로 떠오르고 있어요. 슈퍼 컴퓨터의 처리 속도를 능가하는 양자 컴퓨터의 실용화도 곧 이룰 것이라고 하고요.
《궁금했어, 양자 역학》은 ‘양자’라는 개념을 처음 알아낸 막스 플랑크에서부터 양자 역학의 탄생까지 과학자들의 생각과 연구 과정을 따라가면서 양자 역학이 무엇인지 맛볼 수 있는 책이에요. 양자 역학은 생소하고 과학 전공자에게도 다소 어려운 이론입니다. 이 책은 에너지나 빛, 전자 운동 등 양자를 발견하고 양자 이론이 발전되어 온 과정을 차근차근 함께 짚어 가며 이해하면서 보다 깊은 물리의 세계로 한발 다가설 수 있습니다.

멈출 줄 모르는 호기심으로 양자의 세계를 열다
양자 역학은 19세기 말 독일의 부국강병 정책에서 시작되었어요. 강한 나라를 만들기 위해 우수한 철이 필요했고, 그러기 위해서는 용광로 온도를 높여야 했지요. 하지만 용광로 온도를 잴 수 있는 온도계는 없었어요. 물리공학연구소의 과학자들은 빛을 측정해 용광로의 온도를 재는 방법을 발견했어요. 빛에서 나온 일곱 개의 색은 각각 파장이 달랐고, 파장에 따라 온도가 다른 것을 알게 되었거든요. 이후 과학자들은 빛의 파장과 온도 사이의 관계를 연구했고, 이 과정에서 막스 플랑크는 에너지가 아주 작은 덩어리일 수 있다고 생각했어요. 이것이 바로 ‘양자’예요.
에너지가 입자라고 생각하자 새로운 연구가 뒤를 잇게 되었어요. 과학자들은 금속에 빛을 쏘이면 전자가 튀어나오는 ‘광전 효과’를 연구하게 되었고 양자의 세상에서는 빛이 입자일 수도, 파동일 수도 있다고 결론 내리게 되지요.
이렇게 양자에 대한 개념이 발견되고 양자론이 자리를 잡은 후부터 양자 역학 연구는 급물살을 타게 되었어요. 처음 생겨난 지 100년밖에 안 된 학문이지만, 반도체, 컴퓨터, 생명 공학, 우주 공학 등 이미 우리 실생활에 쓰이는 기술의 바탕이 되었지요. 《궁금했어, 양자 역학》은 어렵지만 흥미롭고 놀라운 양자 역학의 이야기가 담겨 있어 10대들에게 과학에 대한 또 다른 재미를 선사할 거예요. 인류의 미래를 열어 줄 양자의 세계로 함께 여행을 떠나 볼까요?

지은이 : 송은영
고려대학교 물리학과를 졸업하고 대학원에서 원자핵 물리학을 전공했습니다. 지은 책으로는 《역사에 숨은 통계 이야기》 《미세먼지》 《세종대왕의 생각실험실》 《장영실의 생각실험실》 《이순신의 생각실험실》 《아인슈타인의 생각실험실》 《속담 속에 숨은 수학》 《미스터 퐁 수학에 빠지다》 《미스터 퐁 과학에 빠지다》 《블랙홀 랑데부》 등이 있습니다. 제17회 한국과학기술도서상 저술 부문에서 과학기술처 장관상을 수상했습니다.

그린이 : 주노
일러스트레이터. 일상과 사소한 물건을 소중히 여기며 그 가치를 담아내는 그림을 주로 그립니다. 쓰고 그린 책으로 《오늘도 집사는 마감 중》 《그래도 좋은 날》 《좋아서 웃는 건 아니에요》 등이 있고, 그림을 그린 책으로는 《평화와 통일을 묻는 십대》 《오늘부터 문자 파업》 등이 있습니다.

머리말_ 양자론의 세계로 여행을 떠나요

1장 작디작은 알갱이로 이루어진 에너지
빛과 온도에 관한 연구
/ 궁금 pick / 플랑크 길이, 플랑크 시간, 플랑크 상수는 무엇일까?

2장 빛에 대한 놀라운 사실
양자와 고전 물리학
물리학의 새로운 길
/ 궁금 pick / 자외선과 적외선, 가시광선은 어떻게 다를까?

3장 원자 속에서 운동하는 전자
전자는 어디에 있을까?
원자 내부를 탐구하는 새로운 생각들
/ 궁금 pick / 원자 이야기

4장 원자는 어떤 모양일까?
러더퍼드 원자 모형의 문제점
전자는 궤도를 돌아요
/ 궁금 pick / 닐스 보어와 노벨상 이야기

5장 점점 깊어지는 양자론 연구
전자 궤도 이론의 문제점
양자론의 완성을 향하여
/ 궁금 pick / 현대 물리학과 양자론 퀴즈

6장 양자론에서 양자 역학으로
파동이지만 입자인 양자 세상
슈뢰딩거의 파동 역학
/ 궁금 pick / 양자론의 쓰임새

null