양자역학, 보이지 않는 세계를 열다

머리말 … 4
Chapter1 양자역학의 위대한 탄생
용광로의 비밀 … 11
양자역학의 기초 지식 하나, 연속성과 불연속성 … 15
양자역학의 기초 지식 둘, 입자와 파동 … 18
양자역학의 기초 지식 셋, 전자기파 … 22
흑체 복사 미스터리 … 27
에너지가 불연속적이란 게 무슨 말일까? … 30
양자역학이 탄생하다 … 33
미시 세계의 물리학 … 36

Chapter2 라플라스의 악마는 없다
결정론이란 무엇일까? … 43
과연 원자의 실제 모습은? 원자 모형 … 46
머리 큰 물리학자 닐스 보어 … 49
귀족 물리학자 드브로이 … 53
뭐? 확률이라고? … 57
라플라스의 악마는 없다 … 61
[생각발전소] 감자 캐던 과학자 러더퍼드 … 65

Chapter3 살아 있으면서 죽은 고양이
이중 슬릿 실험 … 71
대격돌, 고전 물리학 대 양자역학 … 74
살아 있으면서 죽은 고양이 … 78
안톤 차일링거의 실험 … 82
[생각발전소] 여러 개의 세계, 여러 개의 나 … 85

Chapter4 떨어져도 우리는 한 몸, 양자 얽힘
암호 이야기 … 91
암호 키 이야기 … 94
스핀 이야기 … 99
양자 얽힘 … 102
베르틀만의 짝짝이 양말 … 105
꿈의 양자 통신 … 109

Chapter5 괴물 양자 컴퓨터
트랜지스터 크기를 줄여라 … 115
벽을 뚫고 나간다, 양자 터널링 … 118
쇼어 알고리즘은 뭘까? … 121
큐비트란 무엇일까? … 124
양자 컴퓨터는 세상을 바꿀 수 있을까? … 127
[생각발전소] 양자 컴퓨터와 비트코인 … 130

Chapter6 우리 생활 속 양자역학
양자역학이 없으면 전자 문명도 없다 … 137
세상에서 가장 정확한 시계 … 140
전자계산기와 USB … 143
철새의 이동과 광합성 … 146
[생각발전소] 전자와 전류의 방향이 다른 이유 … 150

양자역학의 기초 지식 둘, 입자와 파동
과녁을 향해 총을 빵! 하고 쏩니다. 탄환은 과녁에 명중합니다. 조준이 빗나가면 옆 과녁에 맞을 수도 있지만, 탄환이 나의 과녁과 옆 과녁에 동시에 맞는 일은 일어나지 않아요. 어떤 시간에 하나의 장소에만 존재하는 것, 물리학에서는 이것을 입자라 불러요.
입자는 모래알 같은 덩어리지만, 너무 작아서 인간의 눈에 보이지 않아요. 원자, 전자가 대표적인 입자에요. 입자는 비록 미세하지만, 질량도 있고, 전자총으로 전자를 발사하면 바람개비도 돌릴 수 있어요. 탄환은 이런 입자들이 잔뜩 뭉친 형태에요. 인간도, 고양이도, 책도, 해바라기도, 태양도, 세상의 모든 생명체와 물질은 입자 덩어리예요. 그런데 입자와 정반대의 성질이 있어요. 파동이에요.
가수의 목소리는 객석에 흩어진 관객 귀에 동시에 들어갑니다. 한 대의 공유기가 뿜어내는 와이파이로 지하철 승객들은 동시에 인터넷에 접속할 수 있습니다. 소리와 와이파이는 물결처럼 넓게 퍼져 나가는 성질을 갖고 있기 때문이에요. 이것을 파동이라 불러요. 입자가 물질이라면, 파동은 물질이 아니라 현상이에요. 한 곳에서 다른 곳으로 에너지를 전달하는 역할을 하지요. 지진파는 땅이 흔들리는 강력한 지진 에너지를, 음파는 소리의 에너지를 전달해요.

살아 있으면서 죽은 고양이
양자역학에서 말하는 관측은 단지 본다는 행위만을 뜻하지 않아요. 관측의 의미는 굉장히 넓어요. 측정하기 위해 꼭 눈을 뜨고 있을 필요는 없어요. 냥냥이가 쿨쿨 자고 있어도 그 존재만으로 측정이 되었다고 양자역학은 간주해요. 고양이와 같은 생명체는 물론 공기에 들어 있는 산소, 질소 분자도 측정에 영향을 미쳐요. 원자가 공기 분자와 부딪히면 즉시 중첩 상태가 붕괴하기 때문이에요. 말하자면, 전 우주가 측정에 관여하는 거예요.
양자역학은 인간도 얼마든지 중첩 상태를 가질 수 있다고 말합니다. 그런데도 인간이 입자 상태만 가지는 건 수많은 원자로 이루어져 있어서예요. 입자들끼리 서로 치열하게 관측하고 있어서 중첩이 붕괴한 거예요.
슈뢰딩거의 의도대로 일은 풀리지 않았어요, 양자역학을 도무지 이해할 수 없었던 사람들이 이 논문을 읽고 “뭐야, 양자역학이 이런 거였어?”라며 고개를 끄덕거리기 시작했어요. 슈뢰딩거의 고양이에는 양자역학의 핵심 포인트들이 친절하게도 잘 정리되어 있었거든요. 이때부터 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학을 상징하는 대표적 아이콘이 되었어요.