“우리집 개도 알 수 있는 수준”…듣기만 해도 머리 아픈 양자역학 ‘쉽게 배우기’ [Book]

양자역학에서의 간섭계. 말만 들어도 머리가 지끈거릴 것이다. 간섭계는 중첩파의 간섭 현상을 이용해 신호를 증폭시켜 원하는 정보를 추출하는 기술이라고 할 수 있다.

빛의 간섭 현상이란 빛의 파동성으로 인해 빛의 세기가 강해지거나 혹은 약해지는 현상을 말한다. 여러 망원경으로 들어오는 빛을 모아 높은 분해능을 구현하는 고성능 망원경 등에 활용할 수 있다. 벌써 설명이 복잡해지는 것 같다.

긴 간섭계를 지나가는 빛은 늘 같은 속도로 움직일까? 이번엔 그냥 강아지를 산책시킨다고 가정해보자. 긴 간섭계는 두 강아지를 서로 반대 방향으로 보내는 것이라고 볼 수 있다. 경로가 길어질수록 강아지들이 중간에 다람쥐나 떨어진 음식, 장난칠 말똥을 만나 시간을 보내게 될 가능성도 커진다. 중간에 겪게 되는 일에 따라 두 강아지의 걸음은 더 빨라지기도, 더 느려지기도 한다. 빛도 마찬가지다. 간섭계를 지나가는 빛은 간혹 공기 원자나 분자와 상호작용을 하면서 변한다.

신간 ‘우리집 강아지에게 양자역학 가르치기’는 채드 오젤 미국 스키넥터디의 유니온칼리지 물리학과 교수가 수식 없이 누구나 쉽게 양자역학을 이해할 수 있도록 쓴 책이다.

화학자이자 한국을 대표하는 과학 전문 커뮤니케이터인 이덕환 서강대 화학과 명예교수가 번역을 맡았다. 책은 영의 이중슬릿 실험부터 슈뢰딩거의 고양이 사고실험, 양자 얽힘까지 현대 물리학의 핵심을 관통하는 10가지 키워드를 직관적인 비유와 기상천외한 상상력을 동원해 설명한다.

양자역학은 분자와 원자, 기본 입자 등 물리계의 아주 작은 입자들을 연구하는 물리학 분야다. 또는 아원자 입자 및 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초 이론이다.

최근 양자역학은 이론을 넘어 실생활에 적용한 기술까지 비약적인 발전을 거두면서 다양한 산업 분야의 혁신을 이끌고 있다. 양자역학이 미래 기술 패권의 핵심으로 평가되는 이유다.

대표적인 것이 양자역학 원리를 통신 기술에 응용한 양자암호통신이다. 양자 중첩 상태에 있는 광자는 물리적으로 복제가 불가능하고 정보를 확인하는 순간 중첩 상태가 붕괴해 다시 되돌릴 수 없다. 도청 시도가 있을 경우 바로 알아챌 수 있다는 뜻이다.

책의 제목처럼 책 속에는 강아지(개)를 등장시킨 재미있는 비유가 자주 등장한다.

또 다른 예로 저자는 ‘양자 터널링 현상’을 개가 울타리를 뚫고 지나가는 대신 순간적으로 울타리 반대편으로 이동하는 것으로 설명한다. 양자 터널링 현상은 양자 역학에서 원자핵을 구성하는 핵자가 그것을 묶어 놓은 핵력을 이겨낼 수 있는 수준보다 낮은 에너지 상태에서도 확률적으로 원자 밖으로 튀어 나가는 현상을 말한다.

개의 입장에서는 ‘땅을 파고들어 갈 필요가 없는 뼈 찾기’라고 할 수 있는 셈이다. 스토리를 읽듯 책의 여정을 따라가다 보면 단순히 양자역학이 무엇인지 아는 것을 넘어 과학적 사고의 본질이 무엇인지 깨닫게 된다.

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