양자역학은 처음이지?

양자역학이 어렵다고?
양자역학을 쉽고 재미있게 배울 수 있는 방법이 있다!

양자역학의 새로운 개념들이 도입되는 과정을
 그림이나 도표, 그리고 삽화와 비유를 통해
 한 발짝씩 따라가 보자!

쉽고 재미있는 과학 도서 『양자역학은 처음이지?』가 출간되었다. 중·고등학교 과학 교과서를 비롯해서 어린이와 청소년, 성인에 이르기까지 다양한 독자들을 위한 수십 권의 과학 교양서를 집필·번역하고, 과학관에서 대중 강연을 하는 등 과학 대중화에 힘써 온 수원대 물리학과 곽영직 명예 교수의 신간이다. 양자역학을 양자역학 이론이 만들어지는 역사적 과정을 따라가는 기법을 이용하여 흥미롭고 재미있을 뿐 아니라 어려운 개념들도 이해하기 쉽게 풀어냈다.
양자역학은 현미경으로도 보이지 않는 원자보다 훨씬 작은 미립자의 세계를 다루는 역학이다. 그런데 이것이 USB 메모리, 양자컴퓨터 등 오늘날 첨단 정보산업의 중심에 쓰이고 있어 우리 곁에 성큼 다가와 있다. 하지만 양자역학을 이해하는 것은 매우 어려운 일이다. 양자역학의 새로운 이론들이 기존 물리학의 법칙을 뛰어넘는 것이기도 하고, 또 입자냐 파동이냐 하면서 하나로 딱 떨어지지 않는 양자역학 특유의 어려움도 더해져 있다. 오죽하면 세기의 물리학자인 아인슈타인까지 논쟁을 일으켰을 정도다.
실제 양자역학은 어느 날 갑자기 뚝 떨어진 과학이 아니라 원자의 발견부터 시작된 화학자들의 노고로부터 시작하여 전자, 양성자, 중성자의 발견으로 이어지는 과정에서 드라마틱하게 등장했다. 이런 역사적 과정의 스토리텔링 속에 양자역학의 여러 어려운 개념들을 녹여 내어 흥미로운 과학의 역사를 읽으면서도 양자역학의 어려운 개념들도 쉽게 익힐 수 있을 것이다.

- 호기심을 돋우기 위해 장 전체의 핵심적 사건이나 과학자 이야기로 문제를 제기하는 도입
 처음 1장에서 최초의 국제화학회의가 열린 독일 카를스루에에서 칸니차로가 당시 혼란 가운데 있었던 분자식 문제를 해결하는 장면부터가 흥미롭다. 본격적 양자역학 시대를 알린 엑스선, 방사선의 발견(3장)도 드라마틱하다. 원자 내부 구조를 밝히기 위한 러더퍼드의 실험(4장) 장면도 흥미를 이어가는 데 부족함이 없다. 양자역학의 최고 수훈자라 할 수 있는 보어가 등장하는 ‘보어와 발머의 식’(6장)도 좋다. 가장 어려운 양자역학의 이중성을 쉽게 이해시키기 위해 비유로 든 ‘포유동물과 새들의 전쟁’(9장)은 압권이다. 마지막 10장의 ‘양자역학의 이용’에서 ‘두 개의 노벨상을 받은 과학자들’도 마지막까지 호기심을 이어가는 마무리로 부족함이 없다.

- 과학적 문제제기 이후 전개되는 과학 개념과 실험적 증명을 소개하는 본문
 본문에서는 도입에서 제기되었던 과학적 문제들을 풀기 위한 과학 개념과 실험적 증명들이 소개된다. 예를 들어 3장 ‘원자에서 방사선이 나온다’의 도입에서 제기되었던 ‘원자에서 나오는 방사선이 어떻게 원자가 더 쪼개질 수 있는 확실한 증거가 될 수 있을까?’라는 문제를 본문에서는 음극선관을 통해 전자의 존재를 발견하는 실험으로 증명해낸다. 또 4장 ‘러더퍼드의 실험’의 도입에서 제기된 ‘러더퍼드의 실험 결과가 왜 원자핵의 존재를 나타내는 것이 될까?’라는 문제를 본문에서는 여러 원자모형이 만들어지는 과정과 러더퍼드가 수행했던 금박 실험 결과로 증명한다. 6장 ‘보어와 발머의 식’에서 제기된 문제를 부양자수의 도입으로 해결해 나가는 과정, 9장 ‘포유동물과 새들의 전쟁’에서 제기된 문제를 광자 재판과 슈뢰딩거의 고양이 등으로 해결해 나가는 과정은 흥미롭기 그지없다.

- 산책하듯 가볍게 우리 생활과 연결된 양자역학을 다룬 ‘양자 세상 산책’
양자역학은 결국 어려운 과학이기에 쉬지 않고 이어가는 것은 버거울 수밖에 없다. 또 양자역학이 아무리 중요하다 하더라도 우리 생활과 직접적 연관이 없다면 흥미가 떨어질 수밖에 없다. 이에 이 책에서는 가볍게 쉬어 갈 수 있는 ‘양자 세상 산책’ 코너를 마련하고 있다. 적외선 온도센서의 원리(5장), 누가 먼저 총을 쏠까?(6장), 눈앞에 다가온 양자컴퓨터 세상(10장) 등은 우리 생활과 관련이 있어 흥미를 끈다. 산소의 발견자는 누구일까?(1장), 지구에서보다 태양에서 먼저 발견된 헬륨(2장), 부지런했으며, 검소했고, 겸손했던 과학자(3장), 제5차 솔베이회의에서의 결투(7장) 등은 가볍게 쉬어 가며 흥미롭게 읽을 수 있다.

 

곽영직
서울대학교 자연과학대학에서 물리학을 공부한 후 미국 켄터키대 학교 대학원에서 박사 학위를 받았다. 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연대학장, 대학원장 등을 역임했으며, 현재는 명예교수로 있다. 『14살에 시작하는 처음 물리학』, 『양자역학으로 이해하는 원자의 세계』, 『세상을 바꾼 과학 이야기』, 『과학자의 철학노트』 등 많은 책을 썼고, 『우주의 기원 빅뱅』, 『힉스 입자 그리고 그 너머』, 『우주의 시작과 끝 : 아리스토텔레스에서 호킹까지』, 『BIG QUESTIONS 118 원소』 등을 번역했다.
중학교 『과학』(금성출판사) 교과서와 고등학교 『물리Ⅰ』(YBM) 교과서를 비롯해서 『전기와 자기』, 『힘, 운동량, 에너지의 삼각관계』, 『쿤 이 들려주는 과학 혁명의 구조 이야기』, 『왜 땅으로 떨어질까』 등 수많은 어린이·청소년 과학책의 필자이기도 하다.

 

작가의 말 4

 1장 원자로 이루어진 세상
 카를스루에의 칸니차로 ∴ 012
 4원소설 ∴ 016 일정성분비의 법칙과 배수비례의 법칙 ∴ 018 원자론 ∴ 020
아보가드로의 가설 ∴ 024 2원자 분자의 문제 ∴ 027
양자 세상 산책: 산소의 발견자는 누구일까? ∴ 030

2장 원자가 내는 빛 그리고 주기율표
 분젠과 키르히호프, 그리고 마이어와 멘델레프 ∴ 034
원소가 내는 빛 ∴ 038 발머와 수소 스펙트럼 ∴ 042 주기율표의 발견 ∴ 046
양자 세상 산책: 지구에서보다 태양에서 먼저 발견된 헬륨 ∴ 050

3장 원자도 쪼개진다
 원자에서 방사선이 나온다 ∴ 054
음극선관과 음극선 ∴ 058 엑스선의 발견 ∴ 059 퀴리 부부와 새로운 원소 발견 ∴ 062
전자의 발견 ∴ 065 러더퍼드와 방사선 ∴ 068
양자 세상 산책: 부지런했으며, 검소했고, 겸손했던 과학자 ∴ 072

4장 원자의 내부 구조를 밝혀라
 러더퍼드의 실험 ∴ 076
원자모형 만들기 ∴ 079 톰슨의 원자모형 ∴ 080 한타로의 토성 모형 ∴ 082
러더퍼드의 원자모형 ∴ 084 러더퍼드 원자모형의 문제점 ∴ 086
양성자의 발견 ∴ 089 중성자의 발견 ∴ 091
양자 세상 산책: 분자의 존재를 증명한 브라운 운동 ∴ 094

5장 양자화된 에너지
 흑체복사의 문제 ∴ 098
양자화된 에너지 ∴ 102 광전효과의 문제 ∴ 107 아인슈타인의 광량자설 ∴ 109
양자 세상 산책: 적외선 온도센서의 원리 ∴ 115

6장 보어의 원자모형
 보어와 발머의 식 ∴ 120
보어의 원자모형 ∴ 124 조머펠트의 고전 양자론 ∴ 129 수소 스펙트럼 ∴ 132
부양자수의 도입 ∴ 136 파울리의 배타원리 ∴ 138
양자 세상 산책: 누가 먼저 총을 쏠까? ∴ 141

7장 물질파 이론과 슈뢰딩거 방정식
 물리학자가 된 왕자 ∴ 146
물질파 이론 ∴ 150 실험을 통한 증명 ∴ 152 슈뢰딩거 방정식 ∴ 154
확률적 해석 ∴ 157 불확정성 원리 ∴ 161
양자 세상 산책: 제5차 솔베이회의에서의 결투 ∴ 164

8장 양자역학의 원자모형
 이름표를 붙여줘 ∴ 168
양자수와 물리량 ∴ 172 전자 확률 구름 ∴ 178 주기율표 ∴ 181
양자 세상 산책: 원소들은 어디에서 만들어졌을까? ∴ 187

9장 이상한 양자역학의 세상
 포유동물과 새들의 전쟁 ∴ 192
측정과 상보성 원리 ∴ 196 광자 재판 ∴ 199 슈뢰딩거의 고양이 ∴ 201
 EPR 역설 ∴ 208
양자 세상 산책: 양자역학 밖으로 나간 상보성 원리 ∴ 212

10장 양자역학의 이용
 두 개의 노벨상을 받은 과학자들 ∴ 216
세상을 바꿔놓은 다이오드와 트랜지스터 ∴ 219 초전도체 ∴ 224
터널링 효과와 USB 메모리 ∴ 226 터널링 현상을 이용하는 현미경 ∴ 229
양자 세상 산책: 눈앞에 다가온 양자컴퓨터 세상 ∴ 232