최소한의 양자역학

물리학자의 서문
작가의 서문
이 책을 읽는 법

1부 | 수학

1장 수학의 불합리한 효율성
1.1 아리스토텔레스의 왕좌는 어떻게 무너졌나
1.2 갈릴레오 갈릴레이의 발견
1.3 사자는 발톱으로 알아볼 수 있다
1.4 수리수리미적분

2장 대칭
2.1 대칭의 질서
2.2 대칭이 깨어질 때
2.3 대칭 구조 뒤에 있는 군(群)
2.4 드럼과 원자들

2부 | 양자

3장 입자의 (불)가능성
3.1 정답을 찾아서
3.2 빛, 파동이자 입자
3.3 최초의 원자 모형들
3.4 입자와 파동 묶음
3.5 이중 슬릿 실험으로 본 양자역학
3.6 하이젠베르크의 현미경

4장 첫 번째 양자 혁명
4.1 파동의 수용
4.2 정보의 파동
4.3 두 개의 슬릿에 관한 이론적 설명
4.4 양자 터널링
4.5 행렬역학
4.6 아름다움은 진리요, 진리는 아름다움이니
4.7 큐비트가 된 스핀 슈테른

5장 양자 철학
5.1 양자 헛소리
5.2 얽힘
5.3 보어 vs 아인슈타인
5.4 EPR 역설
5.5 슈뢰딩거가 자기 고양이를 보내다
5.6 누가 고양이에게 방울을 달까?
5.7 맥락성

6장 하나, 둘, 많음
6.1 입자의 비구별성
6.2 호텔 힐베르트
6.3 원자와 분자
6.4 단단한 물질
6.5 양자 색깔
6.6 보스, 아인슈타인, 그리고 레이저

7장 푸딩과 커드
7.1 아원자 물리학의 실험들
7.2 아원자 물리학의 이론
7.3 우리는 모두 별에서 왔다

8장 많아지면 앤더슨이 나선다
8.1 창발
8.2 재규격화
8.3 초전도
8.4 완벽성의 발견

9장 2차 양자 혁명
9.1 양자 측정 기술
9.2 양자 시뮬레이션
9.3 양자 정보
9.4 양자 복잡성
9.5 양자 컴퓨터
9.6 양자 오류
9.7 양자 재구성과 얽힌 입자

에필로그
감사의 글
용어 설명
찾아보기

이 실험은 가혹할 정도로 명확했다. 아리스토텔레스 이후에 등장한 과학자들은 약 이천 년 동안 잘못된 믿음을 가지고 있었는데, 이제 무거운 물체가 가벼운 물체와 같은 속도로 떨어진다는 사실이 명백하게 영원히 입증된 것이다. 여기서 우리의 이야기가 시작된다. 시몬 스테빈 이후로, 300년이 넘는 시간 동안 길이 놓였고, 이성은 깨우침을 얻었으며 감성은 양자역학의 탄생까지 직선적인 여정을 그리게 되었다.

대체 어떻게 이런 일이 가능할까? 어떻게 하나의 물방울을 하나의 파도로 정의할 수 있을까? 이를 이해하려면 직관적인 사고를 잠시 멈추고 양자 논리를 받아들여야 한다. 그렇게 하면, 양자 입자의 에너지 수준이 양자화되어 있으며(이것이 바로 ‘양자역학’이라는 명칭의 유래), 양자 입자는 입자적 특성과 파동적 특성을 동시에 가진다는 점, 그리고 현과 마찬가지로 여러 파동의 중첩 상태로 존재하며 심지어 동시에 여러 위치에 존재할 수 있다는 점을 이해하게 될 것이다.

드 브로이는 보어의 연구에서 출발했지만, 그와는 전혀 다른 해석을 내놓았다. 만약 파동이 입자라면, 입자도 파동이어야 한다는 것이다. 즉, 모든 입자는 파동이다. 전자, 양성자, 심지어 골프공까지, 결국 모두 파동으로 구성되어 있다는 것이다. 더 정확히 말하자면, 파동의 집합체인 파동 묶음(파동 다발, 파속(波束))이다. 파동 묶음은 특정 위치에 국한되어 있는 파동의 조각이다. 이는 서로 다른 주파수를 가진 파동들의 집합(중첩)이다.