도서 소개

매사추세츠공과대학교(MIT) 물리학과 교수이자 과학사 교수인 데이비드 카이저는 양자역학 탄생 100주년을 맞이해 이 책 『양자역학의 역사』에서 양자역학을 둘러싼 지난 100년을 역사를 돌아보며 양자역학이 어디서 왔는지, 무엇인지, 어디를 향해 나아가고 있는지를 소개한다.특히 물리학자로서 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 비유로 유명해진 양자 중첩이나 불확정성 원리와 같은 고전적인 양자역학의 특성뿐만 아니라 표준 모형, 호킹 복사, 급팽창 우주론과 같은 양자역학에 기반한 현대 물리학 및 우주론의 최신 성과들을 두루 설명한다.또한 역사학자로서 맨해튼 프로젝트나 SETI 프로젝트, 냉전, 대형 강입자 충돌기의 설립과 가동 같은 양자역학과 긴밀하게 얽혀 있는 역사적 사건들을 아인슈타인, 디랙, 파인먼, 휠러, 겔만, 힉스 등 핵심 인물의 일화들과 한데 엮어 양자역학과 그것의 역사를 입체적으로 그려낸다.

  출판사 리뷰

* 2025년, UN 지정 ‘국제 양자과학기술의 해’ *
양자역학은 어디서 왔고, 무엇이며, 어디로 가는가

★ 《네이처》, 《피직스 투데이》 추천 도서 ★
★ 박권, 킵 손, 조지 다이슨, 숀 캐럴 추천 ★

“물리학의 거인들, 현대 과학, 그리고 지난 100년의 역사를 아름답게 아우른다.”
─킵 손, 2017년 노벨 물리학상 수상자

2024년 12월, 구글이 ‘이것’을 공개하자 비트코인 가격이 급락했다. 바로 양자 컴퓨터였다. 구글의 새로운 양자 컴퓨터 ‘윌로(Willow)’가 슈퍼컴퓨터로도 푸는 데만 10의 24제곱 년이 걸리던 문제를 단 5분 만에 해결하면서, 블록체인과 그에 기반한 가상화폐의 보안 체계도 더 이상 안전하지 않다는 목소리가 높아진 것이다. 한편 세계 최대 IT 박람회인 CES 2025를 주관하는 미국소비자기술협회(CTA)에서는 양자 컴퓨터만큼이나 차세대 핵심 기술로 양자 통신 및 양자 암호, 양자 센서 등을 꼽았으며, UN에서는 양자역학과 그것의 응용 기술이 지닌 중요성을 강조하며 2025년을 ‘국제 양자과학기술의 해’로 지정했다(행렬역학에 관한 하이젠베르크의 논문을 기준으로 2025년은 양자역학 탄생 100주년이 되는 해다). 도대체 양자역학이 무엇이기에 ‘양자’라는 단어가 이렇게 끊임없이 회자되는 것일까?
매사추세츠공과대학교(MIT) 물리학과 교수이자 과학사 교수인 데이비드 카이저는 양자역학 탄생 100주년을 맞이해 이 책 『양자역학의 역사』에서 양자역학을 둘러싼 지난 100년을 역사를 돌아보며 양자역학이 어디서 왔는지, 무엇인지, 어디를 향해 나아가고 있는지를 소개한다. 특히 물리학자로서 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 비유로 유명해진 양자 중첩이나 불확정성 원리와 같은 고전적인 양자역학의 특성뿐만 아니라 표준 모형, 호킹 복사, 급팽창 우주론과 같은 양자역학에 기반한 현대 물리학 및 우주론의 최신 성과들을 두루 설명하며, 또한 역사학자로서 맨해튼 프로젝트나 SETI 프로젝트, 냉전, 대형 강입자 충돌기의 설립과 가동 같은 양자역학과 긴밀하게 얽혀 있는 역사적 사건들을 아인슈타인, 디랙, 파인먼, 휠러, 겔만, 힉스 등 핵심 인물의 일화들과 한데 엮어 양자역학과 그것의 역사를 입체적으로 그려낸다.

“물리학을 설명하는 것은 물리학자를 설명하는 것보다 쉽다. 카이저는 이 책에서 이 둘을 모두 해냈다.”
―조지 다이슨, 과학사학자 · 『튜링의 대성당』 저자

양자 얽힘 · 표준 모형 · 호킹 복사 · 중력파 · 급팽창 우주론
맨해튼 프로젝트 · 냉전 · SETI 프로젝트 · 대형 강입자 충돌기
하이젠베르크 · 슈뢰딩거 · 디랙 · 파인먼 · 겔만 · 힉스 · 윌첵 …

양자역학의, 양자역학에 의한, 양자역학을 위한
거의 모든 결정적 순간의 기록!

1부 「양자」에서는 슈뢰딩거나 하이젠베르크에 비해 상당히 덜 알려진, 하지만 물리학에서는 그들만큼이나 중요한 폴 디랙의 일화를 중심으로, 아인슈타인의 특수 상대성이론, 하이젠베르크의 행렬역학, (‘슈뢰딩거의 고양이’로 유명해진) 슈뢰딩거의 파동방정식, 디랙 자신의 반물질로 인해 물리학이 맹렬한 속도로 ‘현대화’된 20세기 초의 상황을 다룬다. 또한 훗날 소련의 스파이로 드러난 브루노 폰테코르보의 기묘한 삶을 통해 그보다 더 기이한 ‘유령 같은 입자’ 중성미자를 이야기하면서 양자적 대상이 지닌 중첩(superposition)이라는 속성을 조명하고, ‘코스믹 벨(Cosmic Bell)’로 불리는 그에 관한 최신 실험들을 소개한다.
2부 「계산」은 12만 5,000명에 달하는 인력이 투입된 ‘맨해튼 프로젝트’와 히로시마 원자폭탄 투하로 시작해, ‘물리학자들의 전쟁’으로 알려진 제2차 세계대전 이후 (날씨 예측이나 생물 진화에 관한 연구로 가장된) 핵무기 연구에서 컴퓨터가 개발되고 발전된 과정, 냉전 초창기 소련에 대한 경쟁심과 불안감에 미국의 전후 세대에서 물리학자들이 과도하게 양성되어 수업 방식에 변화가 생기고 그에 따라 파동함수나 불확정성 원리의 ‘철학적 의미’나 ‘해석’에 대한 강조가 문제 풀이와 계산법에 대한 강조로 탈바꿈한 과정 등을 다룬다.

“이것은 양자역학을 둘러싸고 펼쳐지는 대하 드라마다. 이 대하 드라마에서 양자역학은 제2차 세계대전과 핵폭탄 투하, 냉전 등 인류 역사 속의 굵직한 사건들과 떼려야 뗄 수 없이 얽혀 들어간다.”
─박권, 고등과학원 물리학부 교수 · 『일어날 일은 일어난다』 저자

3부 「물질」에서는 우리에게 익숙한 전자나 광자뿐만 아니라 쿼크, 글루온, Z 보손, 그리고 2013년 ‘신의 입자’로 불리며 언론을 뜨겁게 달군 힉스 보손 등의 기본 입자들과 세 가지 근본 힘을 설명하는 표준 모형(Standard Model)으로 눈을 돌린다. 현대물리학을 지배하는 대칭이나 국소 변환과 같은 개념들을 앞서 소개하는 쿼크와 글루온의 속성을 통해 알기 쉽게 소개하는 것은 물론, 이러한 ‘고에너지물리학’을 실험하기 위한 초전도 슈퍼충돌기(SSC)나 대형 강입자 충돌기(LHC)를 두고 벌어지는 정치 사회적 격동, 입자물리학과 우주론이 입자우주론이라는 하나의 분야로 통합되는 20세기 후반의 풍경을 보여준다.
마지막 4부 「우주」에서는 표준 모형에 빠져 있는 한 가지 근본 힘, 중력을 설명하며 시간과 공간에 대한 이해를 완전히 뒤바꾼 일반 상대성이론과 이를 양자역학에 통합하고자 하는 과정에서 발견한 놀라운 이론들과 현상들을 소개한다. 고전적인 시공간의 개념이 무너지는 블랙홀을 예측한 펜로즈-호킹 특이점 정리, 블랙홀의 ‘가장자리’에서 양자역학의 법칙에 따라 에너지가 방출되는 호킹 복사 현상을 설명하는 데 그치지 않고, 인플레이션 우주론과 끈 이론, 그리고 그것들이 함축하는 다중 우주까지 소개한다.

스티븐 호킹부터 폴 데이비스와 프리초프 카프라까지,
아주 ‘작은’ 것들이 빚어내는, 아직 끝나지 않은 혁명

양자역학이 만들어진 과정이 “허먼 멜빌의 『모비 딕』보다는 하인리히 뵐의 『여인과 군상』에 가까운 군상극”이었듯이, 이 책을 이끌어 가는 것도 한두 명의 영웅이 아닌 매혹적인 여러 인물들이다. 한 시간당 한 단어를 말하는 것을 ‘1디랙’이라고 할 정도로 과묵했던 폴 디백, 나치를 피해 〈사운드 오브 뮤직〉에 버금가는 탈출을 감행한 엔리코 페르미, 존 르 카레의 첩보물 속 스파이를 방불케 하는 브루노 폰테코르보, 누군가가 자신을 독살하려고 한다는 망상에 사로잡혀 굶어 죽은 논리학자 쿠르트 괴델, 뉴에이지 운동과 반문화 운동에 힘입어 일약 베스트셀러에 오른 『현대물리학과 동양사상』의 저자 프리초프 카프라, 제2차 세계대전 이후로 더 합리적이고 호의적인 외계 문명을 찾기 위해 하늘로 눈을 돌린 필립 모리슨, 자신이 강하게 반대하던 중력파 검출 방법의 가장 고집스러운 옹호자가 된 킵 손, 그리고 자신의 병에 굴복하지 않고 의사의 말보다 50년을 더 살며 우주에 대한 놀라운 예측들을 이끌어 낸 스티븐 호킹을 따라가다 보면, 아주 작은 것들에 대한 연구에서 시작한 양자역학이 수많은 인물들이 빚어내는 아직 끝나지 않은 거대한 혁명이라는 것을 실감할 수 있다.

“카이저는 뛰어난 작가인데, 이 책은 그의 책들 중에서도 특히나 탁월하다. 깊이 있는 과학, 풍부한 역사, 인상적인 일화들로 잘 짜인 이 책은 대중 과학서 스타일로 쓰인 최첨단 학술서다. 앞으로 누군가가 과학의 역사가 무엇인지 묻거든 이 책을 쥐여줄 것이다.”
─매슈 스탠리, 뉴욕대학교 과학사 교수 · 『아인슈타인의 전쟁』 저자

1931년 봄, 새로운 방정식의 기이한 수학적 특징을 설명하라는 하이젠베르크와 파울리의 독촉이 계속되는 가운데 디랙은 대담하게 반물질(antimatter)을 예측했다. 반물질은 우리가 주변에서 마주하는 보통 입자들의 사촌 격으로, 그것들과 질량은 같지만 전하가 반대다. 그로부터 2년간 캘리포니아와 케임브리지의 물리학자들은 디랙의 예측을 뒷받침하는 놀라운 실험적 증거들을 모았다. 이렇게 디랙은 물리학에서 정확도가 가장 높은 이론을 태동시켰다. 최근 연구에 따르면, 양자 전기역학으로 계산한 이론적 예측 값은 실험 결괏값과 소수점 11자리까지 일치한다. 오늘날 이론적 계산 값과 실험 데이터에서의 오차는 고작 1조분의 1에 불과하다.

슈뢰딩거가 양자역학을 무너뜨리려고 시도한 도전은 역설적으로 이제는 누구나 그 이론을 가르칠 때 친숙하게 사용하는 비유로 남았다. 양자역학의 핵심은 입자가 ‘중첩(superposition)’ 상태로 존재하면서 서로 반대되는 두 가지 특징을 동시에 지닐 수 있다는 것이다. 우리는 일상에서 이것 아니면 저것을 선택해야 하는 순간을 맞이하지만, 적어도 양자역학이 기술하는 바에 따르면 자연은 ‘둘 다’ 선택할 수 있다.
몇십 년 동안 물리학자들은 실험실에서 아주 작은 물질들을 구슬려 그것들이 ‘둘 다’를 선택하는 중첩 상태에 놓이게 하고, 그 속성을 조사하면서 가까스로 온갖 종류의 슈뢰딩거 고양이 상태를 만들어 왔다. 다음 장에서 소개하겠지만, MIT의 동료와 나는 최근에 일상적인 물질과 아주 약하게 상호작용하는 아원자 입자인 중성미자가 그런 고양이 상태로 수백 킬로미터를 이동할 수 있음을 입증했다.

지금부터 존 르 카레의 첩보물에나 나올 법한 이야기가 펼쳐진다. 1950년 9월 초, 이탈리아에서 가족과 휴가를 보내던 폰테코르보는 로마에서 독일의 뮌헨으로, 다시 스웨덴의 스톡홀름을 거쳐 핀란드의 헬싱키까지 날아가 소련의 비밀 요원과 접선했다. 폰테코르보의 아내와 어린아이들을 한 차에, 폰테코르보를 다른 차의 트렁크에 실은 비밀 카라반이 숲을 지나 소련의 영토로 들어가 몇 시간 만에 레닌그라드에, 며칠 만에 모스크바에 도착했다. 영국과 미국 정부는 몇 주가 지나서야 그 사실을 알게 되었다. 마침내 미국 원자력공동위원회(US Joint Congressional Committee on Atomic Energy)는 『소비에트 핵무기 스파이(Soviet Atomic Espionage)』라는 두꺼운 보고서를 발간하며, 폰테코르보의 변절이 푹스의 배신보다 피해가 더 심하지 않을 뿐 훗날 에델 로젠버그(Ethel Rosenberg)와 줄리어스 로젠버그(Julius Rosenberg) 부부를 처형시킨 스파이 혐의보다 죄질이 훨씬 나쁘다고 주장했다.

  작가 소개

지은이 : 데이비드 카이저
물리학자, 과학사학자. 매사추세츠공과대학교MIT 물리학과의 정교수이자 게르메스하우젠 과학사 교수로서, MIT 이론물리센터에서 인플레이션 우주론으로 유명한 앨런 구스와 함께 초기 우주 연구팀을 이끌고 있으며, 양자역학에 관한 새로운 실험들을 설계하고 수행하고 있다.『히피는 어떻게 물리학을 구했는가: 과학, 반문화, 그리고 양자역학의 부활(How the Hippies Saved Physics)』, 『파인먼 다이어그램 그리기(Drawing Theories Apart)』 등 현대물리학과 과학사를 함께 다루는 여러 권의 책을 집필하고 편집했으며, 1993년에는 미국 물리학회의 앱커상을, 2007년과 2013년에는 미국 과학사학회에서 수여하는 화이자상과 데이비스상을 수상했다. 교육자로서도 크게 인정받아 맥비카 펠로십과 MIT 최고 교육 우수상인 프랭크퍼킨스상 등을 수상했다.《네이처》, 《사이언스》를 비롯한 저명한 학술지에 끊임없이 이름을 올리는 한편, 미국 공영방송의 다큐멘터리 〈아인슈타인의 양자 수수께끼(Einstein's Quantum Riddle)〉에서 양자 얽힘에 관한 그의 유명한 실험인 ‘코스믹 벨(Cosimc Bell)’을 소개하는 등 현대 과학을 알리는 데 앞장서고 있다.

  목차

서문
들어가는 말

1부 양자(Quanta)
1장 모든 것은 양자일 뿐, 위로는 없다
2장 슈뢰딩거의 고양이: 죽느냐 사느냐, 그것이 문제라면
3장 유령 같은 입자, 중성미자
4장 코스믹 벨: 우주에서 양자역학 실험하기

2부 계산(Calculating)
5장 물리학자의 전쟁: 칠판에서 폭탄으로
6장 프로메테우스의 불과 계산 기계
7장 양자역학 해석: 닥치고 계산이나 해!
8장 현대물리학과 동양사상

3부 물질(Matter)
9장 두 거인 이야기: 초전도 슈퍼충돌기와 대형 강입자 충돌기
10장 표준 모형, 무에서 유를 창조하다
11장 힉스 사냥: 한밤중의 숨바꼭질
12장 두 개로 보이는 것이 하나라면

4부 우주(Cosmos)
13장 호킹의 외계인이 남긴 메시지
14장 중력에 보내는 찬사
15장 또 하나의 진화 전쟁: 빅뱅 이론부터 끈 이론까지
16장 우주론의 황금시대: 이제 그들은 고독하지 않다
17장 중력파가 가르쳐 준 것들
18장 스티븐 호킹에게 보내는 작별 인사

부록: 거짓말, 빌어먹을 거짓말, 그리고 통계
감사의 말
약어 해설
주
그림 출처
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