눈에 보이지않는 ‘미시 세계’로의 여행

왜 태양이 빛나고 장미꽃이 붉은지… 제대로 이해하기 위해 꼭 필요한 양자역학… 101가지 질문으로 양자의 모든것 풀어내

케네스 W. 포드 지음/이덕환 옮김/까치/2만원

양자 101가지 질문과 답변/케네스 W. 포드 지음/이덕환 옮김/까치/2만원

양자(quantum)란 무엇인가. 양자역학, 상대성효과란 실제 삶이나 인식에 직접 영향을 주지 않는다는 게 일반적 인식이다. 물리학도나 연구할 분야라는 게 보통의 생각이다. 저자는 ‘양자 101가지 질문과 답변’을 통해 양자가 우리 일상과 얼마나 밀접하게 연결돼 있는지 알기 쉽게 소개한다.

현재 우리가 알고 있는 세계관(적어도 물질세계)은 보고 듣고 냄새 맡고 만지는 것에서부터 만들어진다. 오감에 의해 느끼는 세계관이 아주 작고 빠른 양자세계에서도 유효할까. 그렇지 않다. 오감의 세계와는 전혀 다른 세상이 펼쳐지는 게 양자역학의 세계이다. 우리에게 가장 가까이 있지만 느끼지 못하는 게 양자세계라는 것이다. 이 책을 읽고 나면 실제 양자 영역에서 일상생활을 하고 있는 외계인을 상상할 수도 있을 것이다.

양자물리학은 미시세계를 보여주는 미래의 학문으로 주목받고 있다. 사진은 양자물리학으로 설명되는 블랙홀의 상상도.
연합뉴스

태양이 빛나고, 별들이 반짝이고, 장미꽃이 붉고, DNA에 생명의 담겨져 있는 우리의 현실을 제대로 이해하기 위해서는 꼭 필요한 것이 양자역학이라고 저자는 주장한다. 양자는 덩어리(lump)이자 묶음(bundle)이다. 빵 덩어리, 병에 담긴 우유, 자동차 같은 덩어리가 많다. 그러나 이런 것들이 얼마나 커야 하는지에 대한 자연법칙이나 답은 없다. 제빵사들은 빵 덩어리 크기를 정할 수 있고, 자동차 회사는 차 크기를 정할 수도 있다.

그러나 양자세계, 즉 미시세계(small-scale world)에서는 그렇지 않다. 예컨대 수소원자는 정해진 지름을 가지고 있다. 지름은 대략 나노미터(nm·10억분의 1미터)의 10분의 1일이다. 바닥 상태의 수소원자는 정확하게 똑같은 크기와 에너지를 갖고 있다. 이런 성질로 만든 게 일종의 수소폭탄이다. 수소의 성질을 이용해 인류는 얼마든지 에너지 문제를 해결할 수 있다. 다른 원소들도 마찬가지의 성질을 갖고 있다.

예컨대 빛은 일종의 양자의 파동전달이다. 이런 양자의 파동을 이용해 다양한 빛깔을 낼 수 있다면 인류는 지금보다 훨씬 풍요로운 문화를 만들 수 있을 것이다. 탄소 섬유가 실제 생산에 이용될 날도 얼마 남지 않았다. 양자의 성질을 응용한 빛의 속도로 우주를 날아다닐 날도 머지않았다.

양자의 세계는 지금까지 인류가 한 번도 겪어보지 못한 세계를 인류에게 선사할 것이다. 양자의 세계에는 일정한 법칙이 있고 규율과 질서가 있다. 오감에 의해 느껴지는 세계와는 전혀 다른 세상이 가능하다. 이쯤 되면 양자물리학이 얼마나 중요하고 인류에 필요한지 짐작할 수 있을 것이다. 지금까지 이른바 고전물리학이 인류를 이끌어왔다면 앞으로는 양자물리학이 인류를 선도할 시대가 올 것이라고 전문가들은 예상한다.

최근 개봉된 영화 ‘마션’이나 작년 1000만 관객을 동원한 인터스텔라, 2013년도의 ‘그래비티’ 등 우주를 배경으로 하는 영화들이 새롭게 주목받고 있다. 모두 양자세계에서 아이디어를 얻은 영화들이다. 영화들은 양자역학에 대해 사회적 관심을 불러일으키는 계기가 되었다.

미국에서 양자물리학의 전문가로 알려진 케네스 W 포드는 이 책을 통해 양자역학의 길로 인도한다. 우리가 직접 볼 수 없는 미시세계를 이해하기 위해서는 양자의 이해가 필수적이다. 양자역학에 관한 핵심적 지식을 101가지 항목에 걸쳐 쉬운 용어와 해설로 풀이하고 있다. 이 책은 일종의 양자물리학 교양 입문서이다.

정승욱 선임기자 jswook @segye.com