양자역학의 역사

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
찾아보기

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.