김상욱의 양자 공부

한동안 과학계에서 드론과 AI가 키 이슈였다면 2023년 들어 양자역학이 새로운 키 이슈로 떠올랐다. 아마도 미국에서 부터 양자 컴퓨팅과 양자 통신을 국가적으로 보호하기 위한 조치를 취하면서 부터 한국에서도 양자역학을 이용한 분야에 연구개발 예산을 집중해서 쏟아 붇기 시작했던 것 같다. 그렇다고 아직 양자컴퓨팅이나 양자통신이 드론과 AI처럼 금방 우리 생활속으로 들어오기에는 요원한 것 같다. 양자역학이 무엇인지는 알아야할 것 같아 가볍게 읽어보기 위하여 '김상욱의 양자 공부' 책을 구입했다.

김상욱 교수가 이 책을 일반인들이 읽고 조금이라도 이해하기 위해 쉽게 쓰려고 얼마나 노력했는지가 책의 전반에 그대로 묻어있다. 이런 수준으로 까지 적는 다는 것이 근본적인 것까지 정확하지 알지 않고는 어렵다는 것을 알기에 이 책에 들인 그의 노력이 새삼 대단하게 느껴졌다. 수학기호만 봐도 어질어질한 사람들에게 물리학이라니... 그것도 전혀 직관적이지 않은 원자레벨의 양자역학 ... ^^

자고로 눈에 보이지 않는 것은 어렵다. 전자파 분야를 전공하면서 가장 답답한 것이 눈에 보이지 않는 다는 것이다. 열심히 공부하고 연구해서 뭔가 딱 만들어서 움직임을 확인할 수 있으면 노력에 대한 결과를 보상받는 느낌인데, 이렇게 눈에 보이지 않는 부분은 이게 맞는 건지 아닌 건지 확인할 방법이 그리 많지 않는 것이다. 전자파 분야는 검증을 위해 어떻게든 간단한 상황에서라도 측정을 하면되는데, 약자역학은 측정을 하는 순간 그 상황을 훼손하는 상황이니 측정도 못한다니 더 답답한 상황이다.

원자를 이야기하면서 정상파 (Standing wave)가 나오고 원자가 가질 수 있는 에너지 띠가 어떤 수의 정수배에 해당하는 특정한 값만 가질 수 있다는 설명이 나온다. 파동의 성질 그대로의 전자기파도 이러한 특정한 값 만을 가지는 경우가 있다. 바로 전자기파의 파장보다 작은 금속공간에 전자기파가 들어갈 때 상식적으로는 전자기파의 파장보다도 작은 공간이라 전자기파가 제대로 들어가면 안되지만 이러한 공간에도 전자기파는 오히려 잘 들어간다. 게다가 도파관의 재질이 대게는 금속이라는 특별한 재질을 가지는 점에 기인해서 파장보다 작은 공간에서 존재할 수 있는 전자기파의 형태가 결정되어 버린다. 즉, 파장보다 작은 공간에는 모드1, 모드2, 모드3번 같은 특정한 형태로 진행되는 전자기파만 살아 남는다. 이 책을 읽으면서 원자의 에너지띠가 특정한 구역에만 존재한다는 것을 보고 도파관의 모드와 비슷하네 라는 생각이 먼저 들었다. 혹시나 전자가 원자핵의 영향력 아래 놓인 공간이라는 특정한 경계조건을 만족시키기 위해서는 그렇게 특별한 형태로 밖에 존재하지는 않는게 아닐까??

솔직히 이 책을 읽고 양자역학이 무엇인지 감이 잡히는 것은 아니지만, 양자역학을 조금 더 공부해야봐야겠다는 생각은 들었다. 

김상욱의 양자 공부 - 완전히 새로운 현대 물리학 입문 [ 양장 ] 김상욱 저 | 사이언스북스 | 2017년 12월 08일 책소개 양자 시대, 양자 우위를 점하기 위한 양자 공부의 바이블 2018년은 새로운 ‘양자 시대’ 원년이다. 100년 전인 1918년, 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)는 가열된 금속의 빛깔(빛의 파장)만으로 온도를 알아내기 위해 만든 최초의 양자 이론으로 노벨상을 받았다. 그리고 현재, 불과 한 세기만에 양자 역학은 용광로를 벗어나 전 세계 전산망과 금융망을 작동시키는 엔진이 되었다. 구글 사는 올해 슈퍼 컴퓨터의 성능에 버금가는 양자 컴퓨터를 구현하겠다고 선언했다. 중국 물리학자 판지엔웨이 연구팀은 ‘양자굴기’를 내세운 자국 정부의 막대한 지원을 받아 세계 최초 양자 통신 위성 묵자(墨子) 호를 성공적으로 쏘아 올렸다. 우리나라 또한 4차 산업 혁명의 이론적 기반이자 원천 기술로서 양자 역학의 중요성을 실감하고 있다. ‘양자 우위’를 두고 벌이는 세계 각국 및 초거대 기업들의 새로운 경쟁은 본격적인 양자 시대의 개막을 알리고 있다. 따라서 새로운 사회 구성원들은 그동안 어렵다는 이유로 외면했던 ‘양자 공부’를 당장 시작해야만 하는 시점에 서 있다. 일찍이 이런 시대 변화를 예견했던 고급 과학 독자들은 양자 공부의 바이블을 찾고자 노력했다. 그러나 새로운 패러다임의 수학, 비직관적인 자연 현상, 수많은 이론가들의 모순되는 해석들 위에 세워진 양자 역학을 단 한 권에 담아 낸 교과서를 좀처럼 찾을 수 없어 많은 이들이 아쉬워했다. 양자 시대 원년을 앞두고 (주)사이언스북스에서 펴낸 『김상욱의 양자 공부』는 이런 아쉬움을 한 번에 해결해 줄, 양자 공부의 바이블이다. 원자 세계의 기묘한 현상들을 설명하는 양자 역학의 탄생부터 최전선까지 모든 역사와 20세기 물리학의 ‘제자백가’들이 펼치는 이론과 법칙을 마음껏 만끽할 수 있도록 단 한 권에 담았다. 복잡한 수학을 일상 언어로 풀어 쓰고 중첩, 도약, 얽힘 등 낯선 개념을 비유와 시각 자료를 곁들여 쉽고 정확하게 이해시켜 주는, 양자 공부의 정수를 마침내 발굴해 낸 것이다. EBS 특별기획 「통찰」의 “자연의 예측 가능성 양자 역학”, YTN 사이언스 「양자 역학의 양자택일」, 팟캐스트 「과학하고 앉아 있네」의 “김상욱의 양자 역학 콕 찔러 보기” 등의 방송 강연 활동과 [동아일보], [경향신문] 등 주요 일간지에서 양자 역학을 주제로 한 연재 활동을 꾸준히 해 온 대한민국 대표 과학 커뮤니케이터 김상욱 부산 대학교 물리교육과 교수가 나선 만큼, 모든 사람을 위한 양자 역학 사용 설명서라고 할 수 있다.