냉장고를 여니 양자역학이 나왔다

어렵고 멀게만 느껴졌던 ‘양자역학’, 이제는 더 이상 어렵지 않다!
우리 주변의 흔한 일상을 통해 이해하는 양자역학 이야기

이름만큼이나 생소한 양자역학. ‘소립자의 움직임’에 대해 설명하는 양자역학은 우리에게 익숙한 ‘거시세계’가 아닌, 우리 눈으로 볼 수 없는 ‘미시세계’에 대한 이야기를 다룬다. 그만큼 학문의 복잡성과 난이도도 높아 가까이 가고 싶어도 쉽게 다가갈 수 없는 존재이기도 하다.
하지만 이 우리가 셀 수 있는 ‘가장 작은 것들의 세계’가 모여 우리 일상의 현상이 만들어진다. 우주의 시작에도 이 ‘작은 것’이 있었다. 양자역학이 물리학에서 중요한 위치를 차지하게 된 것도 이 때문이다. 뿐만 아니라 최근 양자역학이 반도체부터 MRI, 레이저에 이르기까지 우리의 일상 가까이에서 그 역할을 톡톡히 해내면서, 양자역학에 대한 관심은 점점 높아지고 있다. 하지만 어디서부터 어떻게 이해해야 할지 통 감히 잡히질 않는 경우가 많다.

이렇게 양자역학과 친해지고 싶지만 주저하고 있을 독자들을 위해, 『냉장고를 여니 양자역학이 나왔다』는 제목 그대로 우리의 삶 가까이에서 나타나는 현상들을 활용해, 양자역학에 대해 보다 쉽게 접근할 수 있도록 돕는다. 오래 된 냉장고 문이 왜 누렇게 변하는지, MRI는 어떻게 우리 몸속을 훤히 들여다 볼 수 있는 것인지, 센서 전등이 어떻게 저절로 사람을 인식하는지, 철새들이 어떻게 해마다 찾아오는지 등 일상의 궁금증들을 풀어내며, 그 속에 숨어 있는 양자역학적 원리에 대해 차근차근 설명한다.

양자역학을 처음 접하는 이들을 위한
역사 순, 콘텐츠 순으로 가장 잘 정리된 양자역학 참고서

이 책은 서문과 3개의 파트로 이루어졌다. 그리고 양자역학이 처음일 독자를 위해, 책이 앞으로 갈 여정을 네비게이션처럼 안내한다. 양자역학은커녕 ‘원자’, ‘전자’ 등의 개념조차 가물가물하거나 익숙하지 않을 독자들을 위해 앞부분에는 간단한 핵심 ‘용어사전’을 삽입했다.
서문에서는 ‘양자역학’이란 무엇인지, 왜 ‘양자역학’을 알아야 하는지, 그리고 ‘양자역학’이 왜 물리학에서 중요한 역할을 하고 있는지를 이야기하며 우리가 가야 할 목적지를 확실히 인지시킨다.
이어지는 세 파트에서는 본격적으로 우리 주변에서 찾아볼 수 있는 양자역학 현상을 소개한다. 1부에서는 세탁소, 헬륨가스 등 우리 일상에서 볼 수 있는 양자역학을, 2부에서는 식물, 태양, 철새 등 자연에서 만날 수 있는 양자역학, 그리고 3부에서는 레이저의 원리, 핵분열 등 조금 더 심화된 개념을 통해 양자역학의 세계로 초대한다.
각 콘텐츠들의 사이사이에는 고전역학에서부터 현대 양자역학에 이르기까지 있어 온 양자역학의 역사들을 돌아보며, ‘양자얽힘’, ‘광전효과’ 등 콘텐츠에서 다룰 양자역학 개념들을 미리 소개한다. 이를 통해 성인은 물론 청소년들까지 지도를 보는 것처럼 쉽게 양자역학의 전반적인 흐름을 익힐 수 있을 것이다. 

박재용
과학저술가이자 커뮤니케이터.

과학과 과학을 만들어 낸 역사, 그리고 사회에 대한 이야기에 주된 관심을 가지고 글을 쓰고, 강연을 하고 있다.
EBS 다큐프라임 ‘생명, 40억 년의 비밀’ 시리즈의 『멸종』, 『짝짓기』, 『경계』를 대표 집필했고, 『모든 진화는 공진화다』, 『과학이라는 헛소리』, 『웰컴 투 사이언스 월드』 등을 썼다. 공저로는 『4차 산업혁명, 문제는 과학이야』 및 『과학토론 완전정복』이 있다.
서울시립과학관에서 ‘모두를 위한 모던피직스’, ‘부모가 먼저 배우는 과학’, ‘생명 진화 40억 년의 비밀’, ‘과학, 인문에 묻다’ 등의 강연을 진행했다.
과학이 만들어 낸 성과에 주목하지만, 그와 동시에 인간을 위한 학문으로서의 과학의 역할을 항상 고민하고, 작업물이 항상 그 고민의 결과이길 바란다.

글을 시작하며
 이 책을 잘 읽는 방법
 용어사전

서문

 물리학은 양자역학 이전과 이후로 나뉜다
 양자역학의 문을 연 세 가지 난제

1부 일상에서 만난 양자역학

Quantum Leap 보어가 쏘아올린 작은 공
Quantum Leap 양자수, 원소의 특징을 만들다

 세탁소에서 만난 양자역학 (오비탈, 파동, 원자모형)
오래된 간판이 누렇게 변하는 이유 (전자구름)
헬륨은 왜 다른 물질과 반응하지 않을까? (원자붕괴)

Quantum Leap 빛의 정체를 밝혀라

 스마트해진 기계들 (광전효과)
MRI는 어떻게 우리 몸을 들여다볼까? (전자기파, 자기장)
암을 찾는 반물질, PET-CT (베타붕괴)
라돈침대와 반감기 (알파·베타붕괴)

Quantum Leap 빛은 파동이면서 입자다?

팔방미인 레이저 (결맞음)
돋보기에서 전자현미경까지 (물질파, 양자터널링)
점점 진화하는 반도체 (밴드갭, 양자터널링)
궁극의 컴퓨터, 양자컴퓨터 (큐비트, 양자중첩)

Quantum Leap 슈뢰딩거 방정식과 코펜하겐 해석

2부 자연에서 만난 양자역학

Quantum Leap 빛을 연구하다, 광학의 역사

 무지개를 들여다보니 (빛의 파동성, 선스펙트럼)
양자역학의 시작이 된 ‘하얀 해’ (전자기파, 흑체문제)
태양이 빛나는 이유 (강한 상호작용, 양자터널링, 흑체문제)
붉은 노을, 푸른 하늘, 노란 태양, 하얀 구름 (레일리 산란, 미 산란, 전기 분극성)

Quantum Leap 새롭게 등장한 양자생물학

 우리 눈은 왜 자외선을 볼 수 없을까? (전자기파, 광전효과, 보어의 원자모형)
향기로 만나는 양자역학 (진동이론)
식물의 잎은 왜 녹색을 띨까? (광전효과, 공명전달, 양자터널링)
지구 자기장을 읽는 철새들 (자기장, 양자얽힘)

Quantum Leap 지구에서 안드로메다까지 곧바로?

3부 양자역학의 세계로

Quantum Leap 지구에서 안드로메다까지 곧바로? 양자얽힘과 비국소성
Quantum Leap 표준모형, 가장 정확한 이론

 기본입자 파헤치기 (표준모형)
원소의 마술사 중성자, 그 배후엔? (약한 상호작용)
쿼크가 홀로 존재할 수 없는 이유 (강한 상호작용)
우주에 질량이 생기다 (힉스 입자와 질량)
표준모형은 완전하지 않다? (표준모형의 한계)

Quantum Leap 불확정성의 원리, 오해는 금물!

이들의 만남엔 뭔가 특별한 것이 있다 (반물질과 쌍소멸)
원자들은 어떻게 개성을 갖게 될까? (파울리의 배타원리, 양자수)
전자가 홀로 있어야 자석이 된다 (스핀 양자수와 자기장)
핵분열에서 핵융합으로 (강한 상호작용과 핵융합)
매질에 따라 정해지는 색 (들뜬상태와 바닥상태)

Quantum Leap ‘대담한 전환, 새로운 시작’, 상보성 원리

 글을 맺으며
 참고도서