만화로 보는 이해하면 이상한 양자역학

나는 양자역학을 도저히 믿을 수 없다. _알베르트 아인슈타인

 양자론 이야기를 처음 듣고 충격을 받지 않았다면, 제대로 이해하지 못한 것이다. _닐스 보어

 나는 양자역학이 싫다. 내가 거기에 눈곱만큼이라도 관여되었다는 것이 유감이다. _에르빈 슈뢰딩거

‘하지만 어떻게 그럴 수 있지?’ 양자역학에 대해 가능하다면 이런 생각에 빠져 있지 말자. 자칫 아직 그 누구도 벗어나지 못한 막다른 골목으로 미끄러져 들어갈 수 있기 때문이다. _리처드 파인먼

 누구나 들어봤지만 아무도 이해하지 못했다는
 양자역학의 은밀한 비밀을 ‘만화’로 엿보다!

《만화로 보는 이해하면 이상한 양자역학》은 라카토스상을 수상한 아버지와 과학철학과 순수예술을 전공한 딸의 합작품으로, 수수께끼 같은 양자역학을 이해하고자 하는 독자를 위한 만화책이다. 저자들은 과학철학에 대한 깊이 있는 사유를 바탕으로 양자역학에 관한 논의를 수준 높은 그래픽으로 구현했다. 이로써 양자역학을 처음 접하는 독자를 포함해 양자세계의 신비를 탐험하고 있는 모든 사람을 만화 속 세계로 초대한다. 양자역학은 무엇이며 그것은 무엇을 의미할까? 그리고 양자역학으로 우리는 무엇을 할 수 있을까? 유쾌한 캐리커처로 되살아난 닐스 보어, 알베르트 아인슈타인, 에르빈 슈뢰딩거 등을 만나 보자. 그리고 이 위대한 사상가들이 어떻게 양자세계를 해석했는지 풍부한 그래픽을 통해 더 깊이 이해해 보자. 성실하고 꼼꼼한 주석을 통해 여러 이론의 뒷이야기와 더 참고할 만한 책과 웹사이트 등도 알 수 있다.

상자 안의 고양이는 살았을까, 죽었을까?

양자역학은 미시적 세계의 현상을 다루는 물리학의 한 분야다. 양자역학에 따르면 미시적인 세계에서 일어나는 사건은 관측되기 전까지는 확률적으로만 존재할 뿐, 그 전에는 가능한 여러 상태가 공존한다. 슈뢰딩거는 ‘상자 속의 고양이’ 사고실험을 통해 고양이가 살아 있는 상태와 죽어 있는 상태가 ‘중첩’되는 ‘공존의 상태’에 있다고 했다. 이 사고실험을 통해 슈뢰딩거는 거시세계의 확률론과 완전히 다른 양자세계의 확률론을 제시했다. 양자역학은 이후 원자폭탄과 반도체 등의 이론적 배경이 되었고, 나아가 물질에 대한 인간의 인식을 크게 변화시켰다.

동전 던지기로 풀어보는 양자얽힘의 미스터리

 동전 두 개가 있다. 하나는 지구에 있고 하나는 우주 맨 끝에 있다. 양쪽에서 동시에 동전을 던졌을 때 그 결과는 완전히 무작위로 나온다. 하나의 결과가 다른 하나에 영향을 미치려면 그 공간을 정보가 가로질러 가야 한다. 이 정보에는 속도와 시간이 필요하다. 그리고 이 속도는 빛의 속도를 넘을 수 없다. 이것은 고전물리학의 관점이다.
양자역학에서는 한쪽 동전의 상태가 동시에 건너편 동전의 상태를 결정한다. 던지기 전에 동전은 앞면과 뒷면의 ‘중첩 상태’에 있다. 그리고 한쪽 동전이 던져진 순간 동시에 건너편 동전의 상태가 결정된다. 이것이 ‘양자얽힘quantum entanglement’이다.
양자얽힘은 양자세계의 기묘한 상관관계와 확률론을 밝혀주는 대표적인 현상이다. 이 책은 동전 던지기 게임을 통해 양자역학에서 가장 중요한 부분인 양자얽힘을 설명한다(여기서 동전 던지기는 전자의 스핀을 비유한다). 양자얽힘 이론은 양자암호, 양자컴퓨터, 양자전송 실험 등을 통해 실증되었고, 순간이동과 다중세계의 이론적 예측성을 높여주었다.
이 책을 통해 양자얽힘이 어떻게 우리 시대의 가장 위대한 사상가들로 관찰자에 따라 달라지는 형태, 다중세계, 살아 있는 동시에 죽어 있는 고양이 같은 말도 안 되는 이야기들을 꺼내게 했는지 확인할 수 있다.

책 내용

1부 기이한 상관관계
 에르빈 슈뢰딩거에 따르면, 양자얽힘은 고전적인 사고방식에서 완전히 이별하는 양자역학의 가장 중요한 특성이다. 여기서는 양자역학과 양자얽힘의 기본적인 개념을 설명한다. 특히 전자스핀을 동전 던지기에 비유해서 설명하는데, 동전의 앞면과 뒷면이 전자스핀의 극을 의미한다. 이 책에서는 ‘양자’를 뜻하는 quantum과 ‘동전’을 뜻하는 coin을 합성하여 ‘쿼인quoin’이라는 용어를 썼다.

2부 도와줄까?
2부에서는 아인슈타인, 슈뢰딩거, 폰 노이만, 휴 에버렛, 닐스 보어, 파울리와 하이젠베르크, 데이비드 봄 등 양자얽힘 개념에 대한 물리학자들의 견해를 소개한다. 만화 속 슈뢰딩거는 양자역학이 “질 낮은 농담”이자 “자연에 대한 모독”이라고 한다. ‘자연의 영역’에서는 실현 불가능하다는 것이다. 휴 에버렛은 가능성이 실재로 만들어지는 것이 가능함을 주장한다. 닐스 보어는 양자의 세계는 없으며, 추상적인 양자물리학적 기술이 있을 뿐이라고 말한다.

3부 위대한 논쟁을 넘어
 양자얽힘은 어떤 의미를 가질 수 있을까? 3부에서는 양자얽힘이 구체적으로 어떤 분야에서 어떻게 활용될 수 있는지를 설명한다. 먼저 양자신호를 이용한 양자컴퓨터 개발에 활용될 수 있다. 양자컴퓨터는 기이한 상관관계를 이용해서 각각의 요소들에 대한 불필요한 정보들을 우회함으로써 어떤 문제를 고전적 컴퓨터보다 더 적은 단계를 거쳐 해결할 수 있다. 또한 양자얽힘은 양자신호 전달을 통한 순간이동의 이론적 가능성을 높인다. 에셔 페레스는 “영혼만” 전송이 가능하다고 했는데, 이는 순간이동이 되는 것은 ‘물질적 육신’이 아닌 상태임을 강조하기 위한 표현이다.

지은이 : 타냐 버브
예술과 과학의 접목을 꿈꾸는 과학 작가. 캐나다 맥길대학교에서 과학철학을, 에밀리카 아트앤디자인대학교에서 순수예술을 공부했다. 20여 년 동안 컴퓨터 프로그래머로 일하면서 자연스레 과학 만화를 그리기 시작했다. 이 책은 아버지인 제프리 버브와 함께 썼다. 현재 캐나다 빅토리아에서 두 자녀와 함께 시를 지으며 가족을 위한 SF영화를 구상하고 있다.

지은이 : 제프리 버브
미국 매릴랜드대학교 철학과와 물리과학기술연구소의 교수. 양자정보와 컴퓨터과학 공동센터의 명예연구원이기도 하다. 저서 《양자역학의 해석》을 통해 양자역학을 체계적으로 정리하고 기술한 공로로 1998년 과학철학계의 노벨상이라 부르는 라카토스상을 받았다. 미국 프린스턴대학교, 예일대학교, UC어바인 등 유수의 대학에서 세계적인 석학들과 함께 활발한 연구를 펼쳤다. 타냐 버브와는 과학의 아름다움에 대한 생각을 나누고 창조적인 글로 함께 풀어내는 친구 같은 부녀 사이다.

옮긴이 : 김성훈 
치과 의사의 길을 걷다가 번역의 길로 방향을 튼 엉뚱한 번역가. 중학생 시절부터 과학에 대해 궁금증이 생길 때마다 틈틈이 적어 온 과학 노트가 지금까지도 보물 1호이며, 번역으로 과학의 매력을 더 많은 사람과 나누기를 꿈꾼다. 현재 바른번역 소속 번역가로 활동하고 있다. 『단위, 세상을 보는 13가지 방법』, 『아인슈타인의 주사위와 슈뢰딩거의 고양이』, 『세상을 움직이는 수학개념 100』 등을 우리말로 옮겼으며, 『늙어감의 기술』로 제36회 한국과학기술도서상 번역상을 받았다.

1부 기이한 상관관계
2부 도와줄까?
3부 위대한 논쟁을 넘어