괴짜교수 크리스페리의 빌어먹을 양자역학

★ 박권(고등과학원 교수), 채드 오젤(《1초의 탄생》 저자) 추천

지금까지 등장한 과학이론 중 가장 믿을 만한 양자역학은

어떻게 오해되어왔으며, 사기꾼들의 놀이터가 되고 있는가?

바야흐로 양자의 시대, 세상엔 양자에 대한 헛소리도 넘쳐난다. 양자역학의 혁명적인 개념들을 기존 생각을 뒤집는 도구로 사용하려는 마음, 또는 자신의 주장을 과학이 보증해주는 세상 이치로 일반화하려는 생각 때문일까? 양자역학이 보여주는 미시세계의 기묘함, 이해하기 어려운 특성들을 우리가 살아가는 세계에 잘못 끌어다 쓰는 경우가 많다. 나아가 양자역학 개념들의 이해 난망함을 이용해 물건을 팔아먹거나 사기를 치는 이들도 많은 것이 현실이다.

예를 들어 《양자 사랑》이라는 책에 나온다는 다음 문장을 보자. “양자장의 힘을 이용해서 감정과 의도를 갈고 닦아 그 욕망의 주파수나 진동을 만들어내면 당신이 원하는 것을 끌어들일 수 있습니다.”(78쪽) 어딘지 익숙한 말이 아닌가? 다른 예로, 넷플릭스에서 방영된 〈귀네스 펠트로의 웰빙 실험실〉의 어느 ‘치유사’에 관한 영상에서는 “이것을 뒷받침하는 놀라운 연구가 양자물리학에서 이루어졌습니다. 그 토대가 되는 연구는 이중슬릿 실험이라는 것입니다. 이 실험을 통해서 우리의 의식이 실제로 물리적 실재를 변화시킨다는 것이 한 치의 의심도 없이 경험적으로 증명되었습니다”는 발언이 흘러나온다고 한다(149쪽). 이 비슷한 말들을 우리 주위에서도 찾아볼 수 있지 않은가? 파동 에너지를 이용해 암을 치료할 수 있다거나, 양자역학의 원리에 기반해 의식을 조정해 내가 원하는 좋은 것들을 끌어당길 수 있다거나, 양자공명을 통해 행복감을 얻을 수 있을 거라는 이야기들 말이다.

유사과학이 인터넷을 장악하고 대체사실을 실제 과학과 구분하는 것이 점점 더 어려워지는 이때, 다행히도 호주의 진짜 양자물리학자 크리스 페리가 이 책을 들고 우리에게 왔다. 덕분에 독자는 결국은 돈을 뜯어내려는 목적으로 접근하는 수많은 사기꾼들과 헛소리쟁이들을 간단히 알아보고 그들에게 양자 얽힘이 실제로 무엇인지를 가르치며 혼쭐을 낼 수 있을 것이다. 적어도 헛소리에 말려 수상쩍은 세계에 빠지거나 사기꾼에게 말려 돈을 날리는 일은 피할 수 있다. 그간 양자역학 운운하는 미심쩍은 주장을 접하며 ‘이게 과연 말이 되는 이야기인가, 뭔가 이상하다’ 생각하면서도 구체적으로 무엇이 문제인지 모르고 넘어가 찜찜했던 독자들에게 특히나 반가울 책이다.

세상에서 가장 웃기고 속 시원한 양자물리학 수업

키득키득 웃음이 나오는 양자물리학 교양서

“이 책을 읽고 나면 헛소리로부터 자신을 지킬 수 있는 수준의 양자물리학은 이해할 수 있을 것이다. 하지만 양자물리학을 다루는 대부분의 책과는 조금 다른 방식으로 접근하려고 한다. 나는 양자역학이 정말 기이하고 신비롭고, 당신이 세상에 대해 갖고 있는 상식을 산산이 부서뜨릴 것이라는 식으로 말하지는 않으련다. 심지어 양자물리학이 무엇인지에 대해서도 말하지 않겠다. 그냥 양자물리학이 무엇이 아닌지에 대해서 얘기하겠다.

뭐, 좋다. 양자물리학이 무엇인지에 대해서도 조금은 얘기할지도 모르겠다.”(14-15쪽)

저자는 옷을 차려입고 강의실에 선 교수님이라기보다는 영락없이 청바지에 티셔츠 하나 걸치고 동네 카페나 맥줏집에서 수다 떨기 좋아하는 동네 형의 모양새다. 폼 잡지 않고 떠벌떠벌한 태도를 취한 것은 어려운 주제가 주는 부담감을 줄이고 특히 젊은 세대에게 다가가려는 저자의 전략일 테다. 이러한 스타일이 일부 독자들에게는 낯설겠지만, 일단 익숙해지고 나면 저자의 유머에 혀를 내두르게 된다. 모두가 성공적이진 않지만 쉼 없이 이어지는 이런 유머에는 상당히 전염성이 있어서, 고등과학원 박권 교수가 추천사에서 짚은 것처럼, “책을 읽은 이들이 저절로 양자 농담을 하게 되는 심각한 부작용이 있다”. 거의 모든 장 제목에 등장하는 ‘빌어먹을’이란 말이 아주 통쾌하게 느껴지기도 한다.

가히 지금껏 나왔던 양자물리학 책 중 가장 웃기고 기발한 책이라고 할 수 있는데, 물리학과 수학을 잘 모르는 이들의 눈높이에서, 수식을 최소화하여 양자물리 전반을 설명한다. 그렇다고 내용이 부실한 것은 아니다. 양자의 개념과 양자역학의 역사부터, 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 중첩, 양자 얽힘, 양자해석, 다양한 양자기술까지, 양자물리학 전반을 이해하도록 돕는다.

무엇이 양자역학이 아닌지를 확인하다 보면

양자역학이 무엇인지를 알게 되는 책

저자가 택한 또 하나의 영리한 전략은 헛소리를 알아보기 위해 무엇이 양자물리학이 아닌지를 설명하겠다면서, 어려운 양자물리학을 이해해야 한다는 부담감을 대폭 줄인 것이다. 예를 들어 이런 식이다. 파동을 설명하는 2장에서는 먼저 이런 물음을 제시한다. “에너지를 한 곳에서 다른 곳으로 운반하는 주체가 파동이다. 그렇다면 이런 파동의 진동수에 맞춰 조율하면 우주와 자신의 에너지를 효과적으로 공명시킬 수 있지 않을까?”(저자에 따르면 “파동이 빌어먹을 마법의 헛소리로 탄생하기 위해 꿈틀거리는” 순간이다). 그 뒤 ‘파동’, ‘파장’, ‘진동수’, ‘공명’에 관한 기초적인 설명을 제시하고, 파동-입자 이중성을 보여주는 이중슬릿 실험과 아인슈타인-플랑크 방정식(이 책에 등장하는 몇 안 되는 수식 중 하나다)을 보여준다. 그리고 초속 1미터로 움직이는 체중 70킬로그램의 사람이라면 그의 진동수는 5.3×10^34Hz(53의 백만 배의 십억 배의 십억 배의 십억 배 헤르츠)이라는 놀라운 수치가 방정식에 따라 도출됨을 보여준다. 이런 사람을 가지고 이중슬릿 실험을 진행할 경우 그가 파동처럼 간섭 패턴을 나타내려면 슬릿을 통과하는 데 우주의 나이만큼이나 긴 시간이 필요하다는 점도 지적하면서 다음과 같은 결론을 내린다.

“여기서 요점은 눈으로 볼 수 있는 크기의 사물에서는 절대 파동-입자 이중성의 효과를 관찰할 수 없다는 것이다. 그 효과가 존재하지 않아서가 아니라 감지하기가 불가능할 정도로 작은 효과이기 때문이다. 하지만 광자와 전자의 경우 다행히도 우리가 감지해서 그들의 양자적 아름다움을 볼 수 있을 만큼 작다. 바꿔 말하면 당신도 우주 만물과 마찬가지로 양자 진동수를 갖고 있지만 무의미한 수준이기 때문에 사물이 당신의 진동수와 공명한다는 등의 주장이 사실일까 걱정할 필요는 없다는 것이다.”(75쪽)

마찬가지로, “위치와 속도는 한 대상이 갖고 있는 완벽한 대상이 아니라”는 점을 뜻하는 ‘양자 불확정성’은 크기가 큰 대상에 적용할 경우 그 “‘완벽함’은 원자 크기의 1조분의 1조분의 1조분의 1보다 나은 정확성을 의미하기 때문”에 별 의미가 없다.(247쪽) 양자 중첩이며, 얽힘이며 하는 것들도 모두 우리가 살아가는 거시세계에서는 모두 효과를 발휘하지 못한다. 그러니 우리의 정신과 신체가 이런 영향을 받을 것을 염려하거나 기대할 이유는 없다는 말이다.

너무나 신비로운 양자물리학을 넘어서

책은 이렇게 양자 세계와 일상의 거시 세계를 연결짓는 통념들을 감탄이 나올 정도로 집요하게 따져보면서 양자물리학 개념이 정말로 뜻하는 것이 무엇인지를 일러준다. 복잡한 수학으로 기술할 수 있을 뿐, “우리 일상 경험과 크게 동떨어져 있고” “눈으로 볼 수도 없는” 양자 세계에 대해 “마술처럼 신비롭다”는 점을 강조한 과학자들이, 의도와 달리 양자물리학에 대한 대중의 오해를 양산했다는 지적도 흥미롭다.(16쪽) 저자는 양자 중첩이나 얽힘을 활용해 계산하고 연구하는 것을 업으로 하는 학자로서, 무언가를 믿기보다는 “정보가 어떤 유용한 목적에 활용되어온 것을 보고 그것에 맞게 적절한 일을 하는” ‘일상실용주의자’(215쪽)의 입장을 채택한다. 이런 입장에 동의하지 않을 이들도 있겠지만, 덕분에 독자는 양자역학에 덧씌워진 신비주의의 덮개를 한 꺼풀 걷어내고 양자물리학 전반에 대해 과학자들 사이에 합의된 이해를 얻을 수 있다. 구체적 사례를 통해 사람이 어떤 유형의 오류에 빠지기 쉬운지 알게 해줄 뿐 아니라, 이 과정에서 유사과학과 선동적 주장에 빠지지 않고 과학적으로 사고하고 판단할 수 있는 힘을 기를 수 있다. 이를 통해 독자의 삶에도 일종의 양자도약이 일어나리라, 기대해도 좋을 것이다.

지은이 : 크리스 페리

양자물리학자. 호주 시드니공과대학교 양자소프트웨어·정보센터의 부교수로 재직 중이며, 양자 추정 및 제어, 특히 머신러닝을 이용한 양자 정보 과학의 통계 문제 해결에 관심을 갖고 연구하고 있다. 캐나다 워털루대학교에서 수리물리학으로 학사학위를, 응용수학으로 석사학위를 받았고, 워털루대학교와 양자컴퓨팅연구소에서 양자역학에서의 확률 이론과 응용에 관한 응용수학 연구로 박사학위를 받았다. 뉴멕시코대학교 양자정보센터에서 박사후연구원을 지냈다. 열정적인 과학 커뮤니케이터이기도 해서, 수리물리학의 가장 난해한 주제를 다루는 책부터 아이들을 위한 책까지 다수의 책을 썼다. 유아를 위한 ‘키즈 유니버시티’ 시리즈의 《양자 물리학》 《양자 얽힘》 《양자 컴퓨터》 《일반 상대성 이론》 《뉴턴 물리학》 《광학》 《전자기학》 《통계 물리학》 등 많은 책이 우리말로 번역되었는데, 《우주는 어디에서 왔는가, 그리고 우주에 관한 다른 질문들 Where Did the Universe Come From? And Other Cosmic Questions》 《우주를 혐오할 42가지 이유와 그러지 않을 한 가지 이유 42 Reasons to Hate the Universe (And One Reason Not To》는 언제 한국어판이 나올지 알 수 없다.

옮긴이 : 김성훈

과학책 번역가. 경희대학교 치과대학을 졸업했고 현재 출판번역 및 기획그룹 ‘바른번역’ 회원으로 활동 중이다. 옮긴 책으로는 《라이프 타임》 《구름관찰자를 위한 가이드》 《날마다 구름 한 점》 《숫자에 속지 않고 숫자 읽는 법》 《아인슈타인의 주사위와 슈뢰딩거의 고양이》 《어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까?》 등이 있으며, 《늙어감의 기술》로 제36회 한국과학기술도서상 번역상을 받았다.

이 망할 책은 뭔데?

1. 빌어먹을 양자 에너지

아빠, 에너지는 어디서 와요? | 유명해질 계획이면 예측을 말 것 | 양자 도약… 텔레비전 쇼처럼, 하지만 진짜 과학으로 | 그리 대단한 얘기는 아닌데? | 멋져, 멋지긴 한데 양자 에너지를 얻다 써먹을 수 있어? | 알았으니까 양자 에너지의 진짜 비밀을 알려달라고! | 암 | 양자 에너지로 부자 되기

2. 빌어먹을 물질파

완전히 허구로 꾸민 고릿적 파동 이야기 | 내 귀에 들려오는 달콤한 음악 | 공명해줘서 고마워 | 양자? | 옆길로 새기: 모든 것을 지배하는 물리 실험 | 파동-입자 이중성 | 아주 느리게 | 크리스털을 잊어버릴 뻔했다 | 나와 함께 공명을 | 이 파동 중 하나는 다른 파동과는 다르다 | 이 파동들이 나를 병들게 하고 있다 | 우아, 이 양자 이야기는 우리랑 진짜 아무 상관없는 이야기 같네

3. 대체 뭐가 어떻게 돌아가는지 모르겠다

아는 것과 모르는 것 | 내가 아무것도 모른다는 것을 알아… 아, 그래도 하나는 아네 | 야구공만으로 어둠 속에서 친구를 찾는 법 | 사람이 문제 아닌가… | 당신이 지금 느끼는 그 느낌을 통찰이라고 한다 | 당신은 세상의 창조자 | 불확정적이지만 무작위도 아니다! | 사상 최고의 농담 | 예술: 양자 불확정성의 가장 확실한 응용분야 | 당신의 양자적 불확정성이 나의 문화적 꼴사나움으로 스며든다 | 양자 불확정성의 진짜 비밀 - 이번에는 진지한 얘기다

4. 빌어먹을 좀비 고양이

중첩의 탄생 | 당신은 진실을 감당할 수 없다 | 괴짜들의 복수 | 중첩과 겹치기 | 당신의 목적을 말해 | 아침식사 전에는 불가능한 여섯 가지 일 | 고양이는 양자적 대상인가? | 다시 고쳐 쓴 사상 최고의 농담 | 동시에 두 장소에 | 크리스 페리 양자 탐정이 있다 | 미워한다면 놓아주세요

5. 빌어먹을 빛보다 빠른

테크노바블 | 듣고 따라 하세요. ‘상관관계는 인과관계가 아니다’ | 걱정의 원인 | 얽힘을 일으키는 원인은? | 지역 소식이 우선 | 빨리감기 | 또 한번 고쳐 쓴 사상 최고의 농담 | 5차원은 사랑이다 | 양자 간지럼 | 나는 과학을 믿지 않아

6. 무한히 많은 빌어먹을 세계

까다로운 실재 | 제대로 작동하잖아! | 양자 클루지 | 양자세계를 표현하는 영단어 | 하지만… 진짜 그 이유가 뭔데? | 영화에는 절대 등장하지 않는 양자물리학 해석 | 빌어먹을 평행우주 | 양자 자살 | 타이밍 사상 최악의 농담 | 학계: 기원전 400년부터 대부분 사회적 거리두기 중 | 직접 조사해보기 | 누구도 믿을 수 없을 때는 대체 무엇을 믿을까?

7. 빌어먹을 양자 테크노매직

양자 참소리 | 원자력의 탄생 | 스핀 좀 제대로 먹여줘요 | 컴퓨터가 말한다, “네” | 하지만 잠깐! 여기서 끝이 아니다 | 컴퓨터가 말한다, “아니오” | 하지만 잠깐! 여기도 끝이 아니다 | 레이저 눈 | 우주선(宇宙線), 그리고 거미한테 물리기 | 퀀텀 퀌패니 | 비유, 은유, 직유 | 나를 순간이동 시켜줘! | 퀀텀 인사이드

8. 난 이제 어디로 가야 하지?

이제는 당신도 알고 있는 양자 헛소리 | 당신이 피해야 할 헛소리들 | 다른 헛소리들 | 헛소리와 싸운다면… | 친구는 선택할 수 있지만 헛소리꾼은 내가 선택할 수 없다 | 최고의 퀀텀 라이프를 살자

감사의 말

주

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