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아인슈타인처럼 양자역학하기 : 직관과 상식에 맞는 양자이론을 찾아가는 물리학의 모험
리 스몰린, 박병철 ㅣ 김영사 ㅣ Einstein's Unfinished Revolution
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2021년 10월 20일
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9788934980087/8934980087
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  • 양자역학을 이해하기 위해 현실적인 관점을 포기할 필요는 없다! 현실주의적 양자역학의 대표 주자 리 스몰린이 들려주는 과감하고 새로운 양자역학 이야기 양자역학은 분명히 신비롭고 기이하다. 하지만 그것이, 지금 정설로 여겨지는 양자역학이 무언가를 잘못 이해했기 때문이라면? 이쪽에서의 양자 관측이 저쪽 양자에 영향을 주는 이유가 ‘관찰’ 때문이 아니라면? 관찰자의 의식과 관계없는 엄연한 현실이 존재한다면? 아인슈타인은 바로 그런 관점에서 지금의 양자역학을 끝까지 인정하지 않은 사람이었다. 결국 그의 현실주의적 관점은 비주류가 되었으나, 그 바통을 받아 연구를 이어온 과학자들이 있다. 그 대표 주자 중 한 사람인 리 스몰린은 이 책에서 양자역학의 기본개념 · 이론 · 역사에서부터 지금 양자물리학 연구가 처한 한계와 그것을 극복하려는 학계 최전선의 연구들까지 샅샅이 살피며 자연의 근본 원리를 찾아가는 모험으로 우리를 초대한다.
  • 양자역학은 아직 완성되지 않았고 아인슈타인의 혁명은 계속된다 양자역학을 이해하기 위해 현실적인 관점을 포기할 필요는 없다! 현실주의적 양자역학의 대표 주자 리 스몰린이 들려주는 과감하고 새로운 양자역학 이야기 ★★★ “앞으로 설명되어야 할 것들에 대한 최고의 설명.”_조지 다이슨, 《튜링 대성당》 저자 우리의 의식이 자연을 바꾼다? 양자역학은 그렇게 이상하지 않다! 아인슈타인으로 대표되는 현실주의적 관점으로 양자세계를 바라본다는 것은? 양자역학은 많은 이들이 신비롭고 기이한 것, 객관적인 세계가 존재함을 전제로 하는 기존의 과학과는 대비되는 것으로 여긴다. 하지만 그것이 지금의 양자역학이 무언가를 잘못 이해했기 때문이라면 어떨까? “모든 것은 다음 두 질문에서 시작된다. 첫째, 물질은 인간이 자신을 알건 모르건 상관없이 자신만의 안정적인 특성을 갖고 있는가? 둘째, 인간은 물질의 특성을 이해하고 서술할 수 있는가? 앞으로 이 책에서 제시할 답은 과학의 본질과 목적, 그리고 과학의 역할에도 중대한 영향을 미친다. 사실 이것은 현실과 환상의 경계에 관한 질문이다.”_17쪽 이 두 질문에 ‘예스’라고 답했다면, 당신은 현실주의자이며 지금 정설로 굳어진 양자역학을 납득하기는 어려울 것이다. 그것은 두 질문 중 적어도 하나에 ‘노’라고 답하기 때문이다. 지금의 양자역학은 이렇게 말한다. “관측이 물질에 영향을 미친다. 우리는 확률만 겨우 알 수 있다. 예측은 불가능하다.” 또 이런 식으로 말하기도 한다. “당신이 눈을 감았다가 뜨면 원자는 어디엔가 분명히 존재한다. 하지만 다시 눈을 감으면 원자는 ‘모든 가능성이 내재된 파동’으로 돌변한다. 그리고 다시 눈을 뜨면 원자는 ‘특정 위치를 점유하고 있는 입자’로 돌변한다.” 아인슈타인은 이런 설명이 말이 안 된다고 생각했고, 그래서 끝까지 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크 등이 주장한 반현실주의적 관점의 양자역학을 받아들이지 않고 새로운 양자이론을 찾으려고 했다. 이처럼 현실주의적 관점으로 양자의 거동을 설명하려는 시도는 아인슈타인뿐만 아니라 루이 드브로이, 데이비드 봄, 에르빈 슈뢰딩거 등의 인물에 의해 양자역학이 탄생할 때부터 이루어졌고, 지금까지도 계속되고 있다. 현실주의적 관점은 우리가 관측하지 않아도 자연은 명확한 속성을 가지고 있고, 양자의 거동이 기이하게 느껴지는 이유는 양자역학에 무언가 중요한 요소가 누락되었기 때문이라고 이야기한다. 이것은 양자 연구 일각의 관점이기도 하지만, 끈이론을 비롯한 반현실주의적 양자 연구가 한계에 부딪혀 더 나아가지 못하고 있는 지금 상황에서 유일하게 가능성이 있는 대안적 관점이기도 하다. 현실주의적 양자이론의 대표 주자이자 양자 중력 연구의 권위자인 리 스몰린은 이 책에서 양자역학이란 무엇인지, 그것은 왜 비현실적으로 느껴지는지, 지금의 이론은 어떻게 정설로 받아들여졌는지, 양자물리학이 풀어야 할 문제는 무엇인지, 양자물리학 연구는 지금 어디까지 왔는지 등의 물음에 차근차근 답하며 직관과 상식에 맞는 양자이론을 찾아가는 여정으로 우리를 안내한다. “양자세계에 들어선 독자들을 진심으로 환영한다. 부담 갖지 말고 부디 편안한 마음으로 읽어주기 바란다. 양자세계는 우리가 사는 세계이니, 남의 집에 무단 침입한 사람처럼 눈치를 볼 필요가 전혀 없다. 그리고 또 한 가지. 모든 미스터리가 풀린 세상보다 풀어야 할 미스터리가 아직 남아 있는 세상이 훨씬 매력적이지 않은가? 이런 점에서 우리는 운이 좋은 사람들이다.”_30쪽 가장 입체적이고 폭넓은 관점으로 만나는 양자역학의 이론·...
  • 서문 1부 비현실에 대한 믿음 1장 자연은 숨기기를 좋아한다 2장 양자 3장 양자는 어떻게 변하는가 4장 양자는 어떻게 공유되는가 5장 양자역학으로 설명되지 않는 것들 6장 반현실주의의 승리 2부 다시 태어난 현실주의 7장 현실주의의 도전-드브로이와 아인슈타인 8장 데이비드 봄-되살아난 현실주의 9장 양자상태의 물리적 붕괴 10장 마술 같은 현실주의 11장 비판적 현실주의 3부 양자를 넘어서 12장 혁명의 대안 13장 교훈 14장 원리가 먼저다! 15장 관점의 인과론 에필로그/혁명. 나에게 남기는 메모 감사의 말 옮긴이의 말 주 용어 해설 더 읽을거리 찾아보기
  • “이것이 바로 그 유명한 관측 문제로, 1920년대에 제기된 후 지금까지 해결되지 않은 채 남아 있다. 100년이 다 되도록 전문가들 사이에서 의견 일치를 보지 못했다는 것은 자연의 기본적 단계에서 우리가 아직 이해하지 못한 부분이 남아 있다는 뜻이다. 그러므로 하나의 원자가 여러 곳에 동시에 존재할 수 있는 양자세계와 모든 사물의 위치가 하나로 명확하게 정의되는 일상적인 세계 사이에 어떤 ‘변환점’이 존재할 것이다. 수십 개의 원자로 이루어진 분자를 양자역학으로 서술하면서 고양이를 양자역학으로 서술할 수 없다면, 둘 사이의 어딘가에 양자역학이 더 이상 적용되지 않는 경계선이 존재해야 한다. 관측 문제의 해답을 찾으면 양자세계와 일상적 세계의 경계선이 어디에 있는지, 그리고 변환이 어떤 식으로 일어나는지 알게 될 것이다. 물리학자들 중에는 자신이 관측 문제의 해답을 알고 있다고 확신하는 사람들이 있다. 이들이 주장하는 내용은 뒤에 소개할 것이다. 나중에 알게 되겠지만, 관측 문제를 해결하려면 그에 상응하는 대가를 치러야 한다.”_37~38쪽, 〈1장. 자연은 숨기기를 좋아한다〉 중에서 “나는 1970년대부터 양자역학의 문제점을 극복하기 위해 끊엄없이 노력해왔는데, 지금처럼 낙관적인 적이 없었다. 이것이 바로 이 책을 집필하게 된 세 번째 이유이다. 독자들은 이 책을 통해 양자의 한계를 넘어선 세계를 접하게 될 것이다.”_45~46쪽 “양자역학이 우주 전역에 걸쳐 적용된다는 점에는 파일럿파 이론도 전적으로 동의한다. 단, 모든 시간과 장소에 적용되는 것은 파동함수의 진행과 관련된 제1규칙뿐이며, 관측에 의해 파동함수가 붕괴된다는 제2규칙은 적용되지 않는다. 이는 곧 관측행위를 여타의 물리적 과정과 구별하지 않는다는 뜻이다. 파일럿파 이론에 의하면 모든 만물(원자, 광자, 가이거계수기, 고양이, 사람 등)은 파동과 입자라는 두 개의 ‘실체’를 동시에 갖고 있다. 고양이나 가이거계수기처럼 수많은 원자로 이루어진 거시적 물체들은 파동성과 입자성이 엄청나게 복잡하다. 예를 들어 고양이의 특성을 양자역학적으로 서술하려면 고양이를 구성하는 모든 입자의 위치를 일일이 알아야 한다. 여러 입자의 상대적 위치정보를 배열이라 하는데, 고양이를 구성하는 원자가 워낙 많기 때문에 고양이의 배열을 서술하려면 엄청난 양의 정보가 필요하다.”_177쪽, 〈8장. 데이비드 봄-되살아난 현실주의〉 중에서 “위에 언급한 이론들 중 일부에서 자발적 붕괴는 무작위로 일어나고 붕괴될 확률만 예측할 수 있다. 처음에 시작했던 불확정성과 확률로 되돌아간 셈이다. 확률은 무지나 신념의 결과가 아니라 근본적인 법칙에 내재되어 있다. 붕괴가 무작위로 일어나면 양자역학의 불확정성을 설명할 수 있으며, 오직 관측행위만이 파동함수를 붕괴시킬 수 있다는 불편한 가정을 내세울 필요도 없다. 그러므로 확률은 현실주의적 관점에서 완벽하게 설명되며, 이것은 매우 큰 장점이라 할 수 있다(물론 결정론을 원하는 사람에게는 단점으로 보일 것이다). 이로부터 유도되는 또 하나의 결론은 기본법칙들이 비가역적이라는 것이다. 따라서 시간이 오직 미래로만 흐른다는 것은 물리법칙의 가장 기본적인 단계에 새겨져 있다. 이것을 붕괴모형의 단점으로 간주하는 사람도 있지만, 나는 매우 긍정적인 결과라고 생각한다.”_189~190쪽, 〈9장. 양자상태의 물리적 붕괴〉 중에서 “이로써 우리는 주어진 시스템을 양자계와 고전계로 분할하는 다섯 가지 방법을 갖게 되었다. 여기서 ‘양자’란 중첩상태에 놓일 수 있다는 뜻이고, ‘고전’은 모든 물리량이 명확한 하나의 값을 갖는다는 ...
  • 리 스몰린 [저]
  • 세계적인 이론 물리학 연구소인 페리미터 연구소의 연구원과 캐나다 워털루 대학교의 물리학 교수로 재직하고 있는 리 스몰린은 상대성 이론과 우주론을 양자론에 통합하려는 연구를 주도하고 있는 혁명가적인 이론 물리학자이다. 현대 이론 물리학의 양대축이 고리 양자 중력 이론과 초끈 이론을 통일하려는 연구에서 핵심적인 역할을 하고 있는 그는 우주론과 이론 물리학에 대학 다양한 책을 쓰기도 했다. 대표적인 저서로는 「코스모스의 삶」「물리학의 말썽거리」등이 있다.
  • 박병철 [저]
  • 연세대학교 물리학과를 졸업하고 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하여 박사 학위를 받았다. 이후 약 30년 동안 대학에서 학생들을 가르치다가 지금은 번역과 저술 활동에 전념하고 있다. 번역한 책으로는 《엘러건트 유니버스》, 《평행우주》, 《페르마의 마지막 정리》, 《파인만의 여섯 가지 물리 이야기》, 《마음의 미래》, 《힉스, 신의 입자 속으로》, 《뷰티풀 퀘스천》 등 과학 서적 80여 권이 있다. 번역 부문에서 2005년에 한국출판문화상을, 2016년에 미래창조과학부 장관상을 수상했고, 아시아태평양 이론물리학센터(APCTP)에서 주관하는 우수과학도서에 7회 선정되었다. 지은 책으로는 《별이 된 라이카》가 있다.
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