빛은 입자일까, 파동일까?

전자는 어떻게 움직일까?

고전 물리학과 현대 물리학은 어떻게 다를까?

양자 역학은 우리 일상에서 어떻게 사용될까?

상대성 이론과 양자 이론, 

보이지 않는 물리학의 세계에서 펼쳐지는 인류의 미래

현대 물리학이 이룬 두 가지 업적으로 ‘상대성 이론’과 ‘양자 역학’을 꼽아요. 상대성 이론은 알베르트 아인슈타인이 발견했고, 양자 역학은 막스 플랑크, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거 등 여러 과학자가 차근차근 비밀을 풀어내며 발견한 이론이지요. 

이 두 가지 이론은 과학사에 있어 매우 중요하고 획기적인 발견이었기 때문에 그전까지의 물리학을 ‘고전 물리학’이라 하고, 이후의 물리학은 ‘현대 물리학’이라고 부르지요. 고전 물리학이 손에 잡히는 ‘물질의 세계’를 설명해 준다면, 현대 물리학은 원자와 전자 같은 아주 작은 ‘미시 세계’와 지구, 태양계, 은하 등 ‘거시 세계’를 설명해 줍니다. 

상대성 이론의 발견으로 우리는 우주의 탄생과 별과 행성의 움직임을 제대로 이해할 수 있게 되었어요. 또 양자 역학의 발견으로 눈에 보이지 않는 양자 세계를 이해하고, 많은 새로운 전자 문명을 만들 수 있었어요. 우리가 자주 사용하는 스마트폰뿐 아니라 자율 주행차 등 전자 기기의 탄생은 모두 양자 역학을 기반으로 하고 있지요. 이외에도 양자 역학은 화학과 생물학 등 다른 학문과도 결합해, 첨단 과학 분야로 떠오르고 있어요. 슈퍼 컴퓨터의 처리 속도를 능가하는 양자 컴퓨터의 실용화도 곧 이룰 것이라고 하고요. 

《궁금했어, 양자 역학》은 ‘양자’라는 개념을 처음 알아낸 막스 플랑크에서부터 양자 역학의 탄생까지 과학자들의 생각과 연구 과정을 따라가면서 양자 역학이 무엇인지 맛볼 수 있는 책이에요. 양자 역학은 생소하고 과학 전공자에게도 다소 어려운 이론입니다. 이 책은 에너지나 빛, 전자 운동 등 양자를 발견하고 양자 이론이 발전되어 온 과정을 차근차근 함께 짚어 가며 이해하면서 보다 깊은 물리의 세계로 한발 다가설 수 있습니다.

멈출 줄 모르는 호기심으로 양자의 세계를 열다

양자 역학은 19세기 말 독일의 부국강병 정책에서 시작되었어요. 강한 나라를 만들기 위해 우수한 철이 필요했고, 그러기 위해서는 용광로 온도를 높여야 했지요. 하지만 용광로 온도를 잴 수 있는 온도계는 없었어요. 물리공학연구소의 과학자들은 빛을 측정해 용광로의 온도를 재는 방법을 발견했어요. 빛에서 나온 일곱 개의 색은 각각 파장이 달랐고, 파장에 따라 온도가 다른 것을 알게 되었거든요. 이후 과학자들은 빛의 파장과 온도 사이의 관계를 연구했고, 이 과정에서 막스 플랑크는 에너지가 아주 작은 덩어리일 수 있다고 생각했어요. 이것이 바로 ‘양자’예요. 

에너지가 입자라고 생각하자 새로운 연구가 뒤를 잇게 되었어요. 과학자들은 금속에 빛을 쏘이면 전자가 튀어나오는 ‘광전 효과’를 연구하게 되었고 양자의 세상에서는 빛이 입자일 수도, 파동일 수도 있다고 결론 내리게 되지요. 

이렇게 양자에 대한 개념이 발견되고 양자론이 자리를 잡은 후부터 양자 역학 연구는 급물살을 타게 되었어요. 처음 생겨난 지 100년밖에 안 된 학문이지만, 반도체, 컴퓨터, 생명 공학, 우주 공학 등 이미 우리 실생활에 쓰이는 기술의 바탕이 되었지요. 《궁금했어, 양자 역학》은 어렵지만 흥미롭고 놀라운 양자 역학의 이야기가 담겨 있어 10대들에게 과학에 대한 또 다른 재미를 선사할 거예요. 인류의 미래를 열어 줄 양자의 세계로 함께 여행을 떠나 볼까요?

고려대학교 물리학과를 졸업하고 대학원에서 원자핵 물리학을 전공했습니다. 지은 책으로는 《역사에 숨은 통계 이야기》 《미세먼지》 《세종대왕의 생각실험실》 《장영실의 생각실험실》 《이순신의 생각실험실》 《아인슈타인의 생각실험실》 《속담 속에 숨은 수학》 《미스터 퐁 수학에 빠지다》 《미스터 퐁 과학에 빠지다》 《블랙홀 랑데부》 등이 있습니다. 제17회 한국과학기술도서상 저술 부문에서 과학기술처 장관상을 수상했습니다. 

일러스트레이터. 일상과 사소한 물건을 소중히 여기며 그 가치를 담아내는 그림을 주로 그립니다. 쓰고 그린 책으로 《오늘도 집사는 마감 중》 《그래도 좋은 날》 《좋아서 웃는 건 아니에요》 등이 있고, 그림을 그린 책으로는 《평화와 통일을 묻는 십대》 《오늘부터 문자 파업》 등이 있습니다.   

비스마르크는 부국강병의 출발을 ‘철’에서 찾았어요. 오늘날에는 성능 좋은 반도체를 만들어 낼 기술을 가지고 있으면 전자 문명을 이끌 수 있죠. 19세기 후반에는 우수한 품질의 철을 많이 가지고 있을수록 부유하고 강한 국가를 만들 수 있었어요.  -본문 14쪽에서

빛으로 온도를 측정하다니? 뚱딴지같은 소리라고 여기는 사람도 있겠지만, 이건 정말 굉장한 아이디어였어요. 온도가 변하면 빛의 색깔은 달라져요. 용광로의 온도가 높아질수록 빛의 색깔은 빨강에서 주황을 거쳐 흰색으로 변하지요.  -본문 17쪽에서

빛의 파장을 측정하면, 빛을 방출한 물체의 온도를 구할 수가 있어요. 파장을 정밀히 측정할수록 온도를 더욱 정확히 알 수 있지요. 빈의 법칙 덕분에 온도계 없이도 온도를 잴 수 있게 되었어요. 파장을 측정하면 되니까요. 저 멀리 있는 별의 온도를 지구에서도 얼마든지 계산할 수 있는 것은 빈의 법칙 덕분이에요.  -본문 20쪽에서

금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나와요. 이러한 사실은 플랑크가 양자라는 개념을 내놓기 이전에도 이미 알려져 있었어요. 이때 튀어나오는 전자를 ‘광전자(光電子, photoelectron)’라 하고, 이 현상을 ‘광전 효과’라고 불러요.  -본문 39쪽에서

빛이 물결처럼 나아가는지 공처럼 나아가는지 아는 것은 물리학의 오랜 숙제였어요. 물결처럼 나아간다고도 했다가 공처럼 나아간다고 도 했다가 정말 오랜 세월을 갈팡질팡했지요. 그러다가 19세기 후반에 영국의 물리학자 제임스 맥스웰이 ‘빛은 전자기파’라는 사실을 밝히면서 결론이 나게 되었어요. 전자기파는 누가 보아도 물결처럼 나아가잖아요. 그래서 빛은 물결처럼 나아가는 것이라고 최종적으로 정리가 되었지요.  -본문 42쪽에서

원자의 모습에 대해 제일 처음 설명한 사람은 고대 그리스의 자연 철학자인 데모크리토스예요. 이후 2,500여 년가량 사람들의 기억에서 사라진 원자를 다시 세상에 내놓은 사람은 영국의 화학자 존 돌턴이에요. 그는 모든 물체가 더 이상 쪼개지지 않는 아주 작은 입자로 되어 있으며, 이것은 파괴할 수도 없고, 만들어 낼 수도 없다고 주장했어요. 그러면서 원자는 단단한 공 모양이라고 말했지요.  -본문 55쪽에서

움직이는 전자는 ‘전자기파’를 방출해요. 이 원리를 ‘전자기 유도 원리’라고 해요. 이것은 우리의 실생활에 매우 유용하게 적용되고 있는 이론이에요. 우리가 집에서 뉴스와 드라마를 시청하고, 휴대 전화로 통화할 수 있는 것도 다 이 원리 덕분이지요.  -본문 77쪽에서

하이젠베르크와 보른은 함께 연구하면서 이것이 원자 속 전자의 운동을 명쾌하게 설명해 준다는 사실을 알아냈어요. 하이젠베르크의 행렬식은 보어의 전자 궤도 이론이 넘지 못한 벽을 단번에 허물어 버리고 만 것이지요. 하이젠베르크가 이룩한 이 이론 체계를 ‘행렬 역학’이라고 불러요. 행렬 역학의 발견으로 양자론은 한 단계 높은 문으로 들어서게 되었어요. 하이젠베르크는 이 업적을 높이 인정받아 1932년도 노벨 물리학상을 수상했답니다.  -본문 101쪽에서