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과학의 문외한도 재미있게 읽을 수 있는 양자역학 입문서

고전 질서를 와해하는 데 일말의 주저함도 없을 만큼 급진적인 하이젠베르크, 한때 자신도 시간과 공간의 개념을 완전히 뒤엎은 과학 혁명가였던, 그러나 이제는 고전 질서를 지키기 위한 노익장이 되어버린 아인슈타인, 고전 질서와 새로운 질서 사이에 가교를 놓으려고 철학적으로 부심하는 보어. 불확정성원리를 둘러싼 이 세 사람의 갈등 이야기는 너무도 잘 알려져 소설, 과학서, 연극 등 다양한 장르를 통하여 다루어져 왔다.

하지만 데이비드 린들리는 이 모든 장르의 작품들의 장점을 한 권의 책에 갖추었다. 따라서 물리학자 및 물리학 입문자는 물론이거니와 과학에 완전한 문외한인 사람도 즐거운 마음으로 주저 없이 책을 펼쳐보라고 말하고 싶다. 물리학에 들어선 사람들은 과학자로서 나아가야 할 길을 다시 한 번 생각해 보게 될 것이며, 과학에 문외한인 사람들도 과학 자체에 대해 새롭게 관심을 갖게 되는 좋은 계기가 될 것이다. [양장본]

과학의 확실성의 종말
20세기 초반 인류의 집합적 세계관에 대변혁을 일으킨 사건과 사건의 주역들에 대한 이야기

일반인들의 귀에도 낯익은 아인슈타인의 ‘나는 신이 주사위놀이를 한다고 생각하지 않는다’나 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 바로 양자역학이라는 물리학 이론과 관련된 것이다. 양자론의 불확정성원리만큼 그 개념이 물리학 바깥 영역에서도 애용되는 과학이론은 없을 것이다. 이는 양자론과 다른 지식 사이에 어떤 공통점, 유사성, 연결성이 보이기 때문이다. 특히 이분법적 틀을 깨고 다변적이고 복합적인 가능성을 제안하는 포스트모더니즘은 불확정성원리의 개념과 연관지어지곤 한다. 라캉이나 데리다의 정신분석학, 철학에서도 불확정성원리는 은유적 호소력을 갖는다. 문학비평, 언론학, 인류학에서도 불확정성의 원리는 애용되고 있다. 불확정성원리를 세운 하이젠베르크 자신도 자서전 『부분과 전체』에서 “불확정성이라는 과학 원리가 인간의 정신과 현실 사이의 관게를 규명하는 데 보다 넓은 조망을 제공할 것이다”라고 말했다. 불확정성은 과학의 날카롭고 확고한 객관성과 진실성의 모서리를 부드럽게 하여 과학에의 접근을 이전만큼 어렵지 않게 만들어준 것 같다. 서강대학교소광섭 교수는 『닐스 보어의 상보성 원리』(2005, 면도날)에서 “불확정성원리는 물리현상에만 국한되는 것이 아니라 생명현상과 사회현상에까지 광범위하게 적용될 수 있는 보편적 지혜이며 조직 원리라고 할 수 있다”라고 쓰기도 했다.

불확정성 원리는 엄밀하게 유도된 수식이다
양자역학의 핵심적인 개념의 하나인 불확정성원리는 미시세계에 대한 자연법칙으로, 불확정적인 이론이 아니라 수많은 실험을 통해 옳음이 증명된 확정적 이론이다. 레이저, 전자현미경, 트랜지스터, 원자력 등은 모두 양자론으로 가능하게 된 유용한 기술들이다. 불확정성원리는 관념적인 것이 아니라 엄밀하게 유도된 수식이다. 이 수식에 따르면 전자의 속도를 측정하려면 전자의 위치를 확정할 수 없고, 위치를 확정하려면 속도가 불확실해진다. 우리의 측정 기술이 부족해서가 아니라 자연 혹은 입자의 성질이 본래 그렇기 때문이다. 속도와 위치가 확정적이 아니면 전자는 어떤 공간 범위에 퍼져 있다고 생각할 수밖에 없다. 따라서 ‘이것은 여기 있는데 앞으로 어떤 속도로 어디로 갈 것이다’라는 확정적인 말을 할 수 없고 통계확률적 가능성만 말할 수 있다. 정확한 인과율을 따르지 않고 자유롭게 돌아다니는 것 같은 양자체계는 결정론적 고전과학의 철통 같은 개념을 깨기 때문에 아인슈타인을 비롯한 당시 과학자들은 당혹해했다. (현대의 물리학자들은 양자역학의 수식이 실험결과와 정확하게 맞고 그것으로 할 수 있는 유용한 일이 무한히 많기 때문에 양자역학의 형이상학적 철학적 의미 같은 데 신경쓸 시간도 이유도 없다.)

20세기 혁명적 물리 원리를 둘러싼 과학 천재들의 격돌!
다른 과학이론들과는 달리 양자역학은 많은 여러 천재 과학자들에 의해 20여년 간에 걸쳐 극적으로 완성되었다. 이 책은 양자역학의 혁명적 원리가 발전되는 과정을 과학과 수학에 약한 독자들을 위해 이해하기 쉽게 설명하면서 이 혁명을 둘러싼 인물들의 삶과 사상까지 멋지게 담아낸다. 과학철학, 과학사에 관심이 있는 독자, 양자역학 분야에 대해 알아보려는 독자들에게 이 분야에서 그동안 쓰인 책들 중 가장 적합한 입문서일 것이다.

하이젠베르크, 고전물리학의 기초를 흔들다!
1927년, 고전물리학에 아무런 미련도 없었던 젊은 학도 하이젠베르크는 혁명적 과학 원리로 센세이션을 일으킨다. 19세기까지 인류가 의심의 여지가 없다고 믿어왔던 과학을 완전히 뒤집은 것이다. 즉 모든 움직이는 물체는 위치와 속력을 갖는다, 모든 물리 세계는 명백한 원인과 결과에 의해 움직인다, 자연은 기본적으로 정확한 기계로서 알 수 있는 것이며 언젠가는 필연적으로 알려져야 한다, 그리고 이것은 정확하게 숫자를 이용하여 기술할 수 있다, 모든 것을 이해한다면 모든 것을 예측할 수 있다, 과학은 궁극적으로 결정론적이고 변하지 않는다, 라는 기존의 이해를 완전히 뒤집은 것이다. 위치를 보다 더 정확히 알면 알수록 운동량은 그만큼 더 알수 없게 된다, 원자는 선재하는 원인 없이 자발적으로 움직인다, 자연은 오로지 관측 가능한 것으로만 예측할 수 있으며, 이는 확률과 통계로 표현된다! 이것은 과학이 우리를 둘러싼 물리세계를 정확하게 밝혀줄 것이라는 신념의 뿌리를 송두리째 뽑아버렸다.
하이젠베르크의 신념은 아인슈타인의 심기를 매우 불편하게 했다. 아인슈타인은 주사위 놀이를 하지 않는 하느님을 수시로 언급하며 이 급진적인 하이젠베르크의 새로운 물리 원리를 죽는 순간까지 반대했다. 또한 하이젠베르크의 스승인 보어는 이 원리를 고전물리 용어로 설명하기 위해 분투했는데, 바로 이 때문에 하이젠베르크와의 갈등이 극대화되었다. 하이젠베르크는 어느 세대에도 빚을 지고 있지 않다고 확신하는 자신의 새로운 원리가 고전물리 용어로 설명되는 것을 참을 수 없었던 것이다. 불확정성원리를 둘러싼 이들 세 사람의 갈등을 주축으로 뭇 과학자들의 시시비비를 가리는 한판이 벌어졌으며, 그것은 현재까지도 마침표를 찍지 못하고 있다.

나는 차라리 구두 수선공이나 카지노의 일꾼이 되겠다!
데이비드 린들리는 진지하면서도 흥미롭게 불확정성이 태동하게 된 배경과 과정을 그리고 있다. 불확정성원리가 태동할 수밖에 없었던 19세기 여명기부터 이 새로운 물리 원리에 대한 20세기의 격돌을 차근차근 설명해 나간다. 이 작품의 가장 큰 매력 중 하나는 천재 과학자들의 인간적인 면모를 엿볼 수 있는 에피소드와 생생하게 전달되는 그들이 남긴 말들이다. 이와 함께 불확정성원리를 둘러싼 과학자들의 갈등이 어우러져, 과학에 문외한인 사람조차 마지막까지 책에서 벗어날 수 없게 된다. 예를 들어 아인슈타인은 새로운 이론이 이런 방향으로 나아간다면 “나는 차라리 구두 수선공이나 카지노의 일꾼이 되겠다”라고까지 말했는데, 도대체 이 새로운 이론이 무엇이기에 아인슈타인 같은 대가가 그토록 번뇌했는지 궁금하지 않을 수 없다.

과학의 문외한도 재미있게 읽을 수 있는 양자역학 입문서
고전 질서를 와해하는 데 일말의 주저함도 없을 만큼 급진적인 하이젠베르크, 한때 자신도 시간과 공간의 개념을 완전히 뒤엎은 과학 혁명가였던, 그러나 이제는 고전 질서를 지키기 위한 노익장이 되어버린 아인슈타인, 고전 질서와 새로운 질서 사이에 가교를 놓으려고 철학적으로 부심하는 보어. 불확정성원리를 둘러싼 이 세 사람의 갈등 이야기는 너무도 잘 알려져 소설, 과학서, 연극 등 다양한 장르를 통하여 다루어져 왔다.
하지만 데이비드 린들리는 이 모든 장르의 작품들의 장점을 한 권의 책에 갖추었다. 따라서 물리학자 및 물리학 입문자는 물론이거니와 과학에 완전한 문외한인 사람도 즐거운 마음으로 주저 없이 책을 펼쳐보라고 말하고 싶다. 물리학에 들어선 사람들은 과학자로서 나아가야 할 길을 다시 한 번 생각해 보게 될 것이며, 과학에 문외한인 사람들도 과학 자체에 대해 새롭게 관심을 갖게 되는 좋은 계기가 될 것이다.

0_머리말 / 1_흥분한 입자들 / 2_엔트로피는 최댓값을 향해 끝없이 증가한다 / 3_불가사의이자 경악의 대상 / 4_전자가 어떻게 결정을 내릴까? / 5_전대미문의 뻔뻔함 / 6_무식이 성공을 보증하지는 않는다 / 7_어떻게 행복할 수 있겠는가? / 8_차라리 구두 수선공이 되겠다 / 9_굉장한 일이 일어났다 / 10_고전 체계의 정신 / 11_나는 결정론을 포기하는 쪽이다 / 12_적절한 단어가 없다 / 13_보어의 주문과 같은 용어 / 14_게임은 승리로 끝났다 / 15_과학적 경험이 아니라 삶의 경험 / 16_모호하지 않은 해석의 가능성 / 17_논리학과 물리학 사이 중간 영역에 / 18_결국에는 혼란 상태