모든 것에 양자가 있다

머리말

제1부 양자론의 수수께끼

제1장 양자는 우리 곁에 있다
모래알에서는 생명이 탄생하지 않는다
분자가 만드는 안정적인 구조
생명을 구동하는 정밀기계
생기론에서 양자론으로
원자핵과 전자의 유연한 시스템
가장 단순한 사례부터 시작한다
중력의 지배를 받는 행성계
행성계와 원자의 결정적인 차이
수소 원자가 보여주는 규칙성
원자론—이 기묘한 것

제2장 파동이 만들어 내는 질서
원자와 장(場)
수소 원자가 보여주는 수수께끼
슈뢰딩거의 해답
갇힌 파동은 형태를 만들어 낸다
현(弦)의 진동을 예로 생각해 보자
파동을 가두는 힘의 정체
수소 원자에서 무슨 일이 일어나고 있는가?
양자 효과의 본질을 파고들다
원자에서 분자로
물리학으로 화학을 설명하다
‘전자는 파동이다’라는 아이디어
슈뢰딩거의 실수

제3장 ‘이해하기 쉬운 양자론’이란?
양자론의 타깃이 ‘입자’에서 ‘장’으로
‘양자장론’은 어떤 이론일까?
전자에는 개성이 없다
어떻게 해서 파동이 입자가 되는가?
‘파동이면서 입자다’라는 모순
불확정성원리란 무엇인가?
파동을 위해 준비된 공간
양자장론에는 결함이 있었다
이해하기 쉬운 양자론과 그 적

제2부 양자론의 두 계보

제4장 보어 vs 아인슈타인
막스 플랑크, 에너지양자를 발견하다
아인슈타인이 일으킨 혁신
빛은 기체 분자와 닮았다
실패한 이론으로 생각됐던 광양자론
보어가 궁리 끝에 만들어 낸 원자모형
이론의 짜깁기
보어-아인슈타인 논쟁
논쟁의 승자는 누구?

제5장 하이젠베르크 vs 슈뢰딩거
새로운 역학을 모색한 보른
급진적인 하이젠베르크
하이젠베르크의 현미경
보어의 방법론을 계승한 하이젠베르크
이미지를 중시한 슈뢰딩거
슈뢰딩거를 향한 비판과 그 귀결

제6장 디랙 vs 요르단
진동하는 ‘무언가’
전자와 광자는 입자다
천재 디랙의 화려한 테크닉
생성·소멸의 마법
‘디랙의 바다’
디랙의 방법이 가진 한계
전자와 광자는 파동이다
불확정성이란 무엇인가?
소립자는 장에서 생겨난다
파동은 어디에서 생겨나고 있는가?
양자장론은 왜 받아들여지지 않았는가?
저주받은 물리학자 요르단

제3부 양자론을 상식의 범위 안으로 되돌린다

제7장 슈뢰딩거의 고양이와 양자 컴퓨터
슈뢰딩거의 고양이란?
살아있으면서 죽은 고양이는 없다
중첩이 유지되는 경우
실현 가능한 ‘고양이 상태’
고전적 컴퓨터의 구조
양자 컴퓨터는 고양이 상태를 이용한다
정답률 0.2퍼센트로부터의 도전
또 하나의 양자 컴퓨터

제8장 역사는 분기하는가?
‘어느 쪽을 통과했는가?’ 실험
슬릿판이 움직이도록 하면……
정말로 보어 진영이 승리했을까?
입자성과 파동성은 배타적인가?
인간의 관측은 필요한가?
실제로 어느 쪽을 통과했는가?
간섭하는 과정은 하나의 ‘역사’다
간섭하지 않는 역사라면 분기하는가?
양자론으로 ‘역사’를 이야기한다

제9장 멀리 떨어져 있는데 얽혀있다?
양자 얽힘이란 무엇인가?
빛을 사용해서 양자 얽힘을 조사하다
관측 결과가 서로 영향을 끼친다?
집계했을 때 비로소 알게 되는 것
양자 얽힘은 텔레파시가 아니다
벨의 부등식
해답이 발견되지 않는 문제와 그 의미

후기_진정한 양자론
주석

항성 주위를 도는 행성의 경우, 모든 행성계가 뉴턴의 법칙을 따름에도 공전궤도 반지름은 물질의 응집 방식에 좌우되며 특정 값으로 한정되지 않는다. 그런데 수소 원자의 경우는 쿨롱 퍼텐셜이 파동의 움직임에 일정한 작용을 하는 까닭에 어떤 수소 원자든 같은 정상파가 형성된다. 그래서 수소 원자의 에너지는 지구상에서든 안드로메다은하에서든 같은 값이 된다.

결정의 모든 부분이 견고한 것은 아니다. 금속 결정의 경우, 외부에서 전압을 가하기만 해도 자유전자라고 불리는 일부 전자가 배열된 원자핵 사이를 마치 흐르듯이 이동한다(사실 자유전자는 열에 의한 고속 운동을 무작위적으로 하고 있으며, 전압이 가해지면 평균적인 위치가 아주 약간씩 어긋나는 방식으로 일정하게 움직인다). 자유롭게 돌아다니는 전자가 있는 덕분에 금속 결정은 다이아몬드 결정 등에 비해 유연하며 쉽게 휘어지거나 늘어난다.

나노 스케일로 가공한 반도체에서는 전자가 특정 영역에 갇혀 에너지가 일정한 상태가 되거나 터널 효과로 퍼텐셜의 장벽을 투과하는 등 파동적인 현상이 도처에서 나타난다. 한편 전도 경로가 되는 부분에서는 입자처럼 이동한다. 파동성과 입자성이 동시에 나타나는 경우는 그렇게 드물지 않다.