20세기 초까지의 세계관을 뒤집어 놓은 두 이론이 있다. 시간과 공간의 이론인 ‘상대성 이론’과 ‘양자론(양자 역학)’이다. 이 두 이론은 ‘현대 물리학에서 가장 중요하고 가장 기초가 되는 이론’이라 해도 지나치지 않다. 아인슈타인의 상대성 이론이 너무나 유명해서 그 그늘에 감춰진 경향이 있지만, 컴퓨터를 비롯한 현대 기술의 토대가 된다는 점에서는 양자론과 겨룰 이론은 없다.

양자론은 물질을 작게 분할하면 나타나는 원자, 전자, 빛 등 ‘자연계 주역’의 정체에 다가가는 이론이다. 양자론은 또 아인슈타인을 평생 동안 괴롭힌 불가사의한 요소를 포함한 이론이기도 하다. ‘물체의 존재’에 대한 그때까지의 상식을 뒤집은 것이다. 이 책을 통해 양자론을 자세히 알게 되어, 그 심오함에 놀라는 사람도 있으리라 생각한다. 마치 SF 같은 세계관을 제시하는 ‘다세계 해석’을 비롯한 양자론의 독특한 ‘해석’도 자세히 소개했다. 또 최근 빠르게 발전하고 있는 ‘양자 컴퓨터’, ‘양자 텔레포테이션’, 그리고 ‘양자 암호’ 등도 다루었다. 이 책을 읽다 보면, 난해하고 어렵다고만 생각되는 양자론이지만, 반도체와 레이저 등 현대 생활에서 빼놓을 수 없는 가까운 곳에 응용되어 기술의 토대가 되고 있음을 알 수 있고, 조금은 친근하게 느껴질 것이다. 그럼 이제 불가사의한 양자론의 세계를 만나보자.

프롤로그
라플라스의 악마/양자론이란? ①~②

1 양자론의 탄생

이해의 열쇠 ‘파동-입자 이중서’/빛의 파동설 ①~③/양자론에서 생각하는 빛 ①~④/원자 모형 ①~②/양자론에서 생각하는 전자와 원자 ①~③

2 양자론의 핵심에 다가간다

이해의 열쇠 ‘상태의 중첩’/전자의 간섭 ①~④/Q1. ‘전자의 파동’이란 무엇을 의미하는가?/해석을 둘러싼 논쟁 ①~②/불확정성 관계/해석을 둘러싼 논쟁 ③/Q2. 양자론에서 말하는 ‘관측’이란 무엇인가?/Q3. 코펜하겐 해석 이외에 어떤 해석이 있는가?

3 물리학과 화학을 연결한 양자론

화학과 고체 물리학으로의 발전/양자론과 주기율표/양자 화학/물성 물리학/반도체·태양 전지/레이저/양자 생물학 ①~②/column1 원자시계/column2 ‘초유동’과 ‘초전도’

4 양자론에서 생각하는 ‘무’와 우주

무에서 생기는 유/무와 유의 틈새 ①~②/터널 효과 ①~②/핵융합/자연계의 4가지 힘 ①~②/‘무’에서 생긴 우주 ①~②/우주는 환상?/양자론과 아인슈타인

5 발전하는 양자론

평행 우즈는 실재할까?/양자 컴퓨터 최전선/양자 텔레포테이션/양자 암호

4. 감수·협력·집필

고사카 히데오 小坂英男
일본 요코하마 국립대학교 대학원 공학연구원 교수, 첨단과학고등연구원 책임연구자(겸임), 양자정보연구센터장(겸임). 공학 박사.

다케다 슌타로 武田俊太郞
일본 도쿄 대학교 대학원 공학계연구과 부교수. 공학 박사.

쓰쓰이 이즈미 筒井 泉
일본 고에너지가속기연구기구 다이아몬드 펠로. 이학 박사.

후지이 게이스케 藤井啓祐
일본 오사카 대학교 대학원 기초공학연구과 교수. 공학 박사.

마쓰우라 소 松浦 壯
일본 게이오기주쿠 대학교 상학부 교수. 히요시(日吉)물리학교실 소속. 이학 박사.

마쓰바라 다카히코 松原隆彦
일본 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 교수. 이학 박사.

모리타 구니히사 森田邦久
일본 오사카 대학교 대학원 인간과학연구과 교수. 이학 박사.

와다 스미오 和田純夫
전 일본 도쿄 대학교 총합문화연구과 전임강사. 이학 박사.

· 양자론의 탄생 과정을 살펴보고, ‘파동-입자 이중성’을 이해한다

양자론을 이해하는 키워드는 ‘파동-입자 이중성(양면성)’과 ‘상태의 중첩’이다. 양자론 탄생 이전에는 빛은 파동이고 전자는 입자라 생각되었지만, 양자론에서는 미시 세계의 빛이나 전자 등이 파동의 성질과 입자의 성질을 모두 갖는다고 본다. 양자론의 탄생 과정을 더듬으면서 파동-입자 이중성’을 해설한다.

· 쉽게 이해하기 어려운 양자론의 현상들을 살펴보고 양자론의 핵심에 다가간다

양자론을 이해하는 또 하나의 열쇠 ‘상태의 중첩’에 대해 해설한다. 양자론에 따르면 미시 시계에서는 “하나의 물체가 같은 시각에 여러 위치에 존재할 수 있다.” 전자의 간섭 실험에서는 전자의 상태의 중첩을 생각하지 않을 수 없다. 또 상태의 중첩은 관측하면 붕괴되어 버린다. 이런 현상들의 해석과 함께 양자론의 핵심 부분에 다가간다.

· 양자론이 여러 분야에서 어떻게 응용되고 있는지 살펴본다

화학과 고체 물리학, 생물학 등 양자론이 어떤 분야에 응용되는지를 살펴본다. ‘반도체’를 비롯해 우리 주위에서 활약하는 여러 기술은 양자론의 효과를 이용한다. 양자론은 단지 불가사의한 이론이 아니라 현대 사회를 살아가는 우리에게 빼놓을 수 없는 중요한 물리학 이론임을 알 수 있다.

· 아인슈타인과 양자론의 관계를 바탕으로 양자론 발전의 역사를 더듬어 본다

양자론의 사고방식을 사용해 ‘전자가 벽을 빠져나간다’, ‘무에서 우주가 태어난다’ 같은 흥미로운 여러 화제를 소개한다. 또 상대성 이론으로 알려진 위대한 물리학자 알베르트 아인슈타인과 양자론의 관계를 바탕으로 양자론 발전의 역사를 더듬어 본다.

· 양자론의 다양한 해석을 알아보고, 양자 암호, 양자 컴퓨터 등 양자론의 발전을 소개한다

먼저 양자론의 ‘다세계 해석’을 자세히 소개한다. ‘다세계 해석’에서는 무수한 평행 우주가 존재한다고 생각한다. 그다음으로 ‘양자 컴퓨터’의 최전선, 그리고 ‘양자 텔레포테이션’, ‘양자 암호’의 메커니즘과 응용 사례 등을 알기 쉽게 소개한다.