책이름 : 퀀텀스토리
지은이 : 짐 배것
옮긴이 : 박병철
펴낸곳 : 반니
『퀀텀스토리』(원제 The Quantum Story)는 나에게 영국 과학저술가 짐 배것(Jim Baggott, 1957- )의 『기원의 탐구』, 『물질의 탐구』에 이은 세 번째 책이었다. 부제 ‘양자역학 100년 역사의 결정적 순간들’이 말해주듯 양자역학의 탄생 초기부터 지금까지 걸어온 길을 7부에 나뉘어 40가지 사건으로 정리했다. 640쪽 두툼한 부피의 책은 물리학 이론보다 양자역학의 역사와 물리학자들의 숨은 에피소드에 초점을 맞추었다.
20세기가 물리학 시대였다면 21세기는 단연 양자역학 시대였다. 책은 현대 물질문명의 기초 양자역학이 만들어지기까지 110여년의 지난한 과정을 한눈에 보여 주었다. 나의 독서여정에서 최근 즐겨 잡는 분야가 물리학이었다. 이론물리학자 브라이언 그린(Brian Greene, 1963- )의 초끈이론(superstring theory)과 양자이론과 중력이론을 결합한 새로운 ‘루프양자중력’ 의 카를로 로벨리(Carlo Rovell, 1956- ), 한국 물리학자 김상욱 그리고 천체물리학, 입자물리학 분야의 서른 여권 책들이었다.
1부 ‘작용양자’는 약자역학의 탄생을 다루었다. 1900년 12월, 막스 플랑크(1858-1947)는 ‘작용양자’라는 개념을 도입하여 양자역학의 서막을 열었다. 알베르트 아인슈타인(1879-1955)의 광양자가설, 닐스 보어(1885-1962)의 원자모형, 루이 드 브로이(1892-1987)의 파동―입자 이중성가설, 베르너 하이젠베르크(1901-1976)의 행렬역학, 볼프강 파울리(1900-1958)의 배타원리, 에르빈 슈뢰딩거(1887-1961)의 파동역학. 2부 ‘양자적 해석’은 코펜하겐 해석을 다루었다. 하이젠베르크의 ‘불확정성의 원리’는 관측 행위가 어떤 방식으로 이루어지든 간에 위치와 운동량을 동시에 측정했을 때 우리가 얻을 수 있는 정확도에는 한계가 있다.
3부 ‘양자 논쟁’은 1927년 벨기에 브뤼셀에서 열린 제5회솔베이물리학회의 보어와 아인슈타인의 과학 역사상 유래를 찾아볼 수 없는 격렬한 논쟁을 다루었다. 보어는 아인슈타인이 제기한 사고실험에서 불확정성원리와 상보성 원리가 적용된다는 것을 논리로 입증. 양자역학의 불완전성을 입증하는 연구 ‘EPR 역설’(아인슈타인-보리스 포돌스키(1896-1966)-네이선 로젠(1909-1995)에 대한 보어의 방어 논리. 파동함수의 붕괴가 관측장비와 관측 방법에 상관없이 일어난다는 사실을 강조한 양자역학 역사상 제일 유명한 역설 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’.
4부 ‘양자장’은 양자역학이 기본입자의 세계에 적용되어 양자장이론이 만들어지고, 기본입자를 묘사하는 표준모형이 출현하는 과정을 그렸다. 리처드 파인먼(1918-1988)의 파인먼 다이어그램은 기존의 다른 QED(양자전기역학)와 완전히 다른 논리를 사용했음에도 불구하고 거의 비슷한 결과를 도출. 양전닝(1022- )과 로버르 밀스(1927-1999)는 게이지대칭성에 기초한 양자장이론(QFT)를 개발. 셸던 글래쇼(1932- ), 압두스 알람(1926-1996), 스티븐 와인버그(1933-2021)는 ‘무거운 광자’ W입자와 Z입자의 존재를 예견.
5부 ‘양자적 입자’는 표준모형이 검증되는 과정을 그렸다. 1983년 유럽원자핵공동연구소CERN의 거대입자가속기LHC는 W입자와 Z입자를 발견하여 표준모형의 타당성 입증. ‘심층 비탄성 산란’은 스탠퍼드선형가속기SLA에 입사된 전자의 에너지와 가장 광자들이 표적 속의 양성자를 완전히 파괴할 수 있는 것. 세계최대 양성자가속기 페르미연구소NAL는 약한 중성흐름을 실험적 사실로 입증. 표준모형은 지금까지 알려진 모든 입자와 그들 사이에 작용하는 힘을 수학적으로 규명한 이론.
6부 ‘양자적 실체’는 지금까지의 양자역학의 해석과 의미를 검증하는 과정을 담았다. 존 스튜어트 벨(1928-1990)은 임의의 국소적 변수이론과 양자역학 사이의 모순을 야기하는 실험 배열은 항상 존재. 모든 실험들은 ‘자연의 실체를 있는 그대로 인지하는 것은 불가능하다’. 7부 ‘양자적 우주론’은 과학 탐구의 최전선을 소개했다. 스티븐 호킹(1942-2018)의 호킹복사, 마이클 그린(1946- ), 존 슈워츠(1962-1966)의 초끈이론, 리 스몰린(1955- ), 카를로 로벨리(1956- )의 고리양자중력이론.
『퀀텀스토리』는 양자역학이 물질의 기본구조와 우주를 이해하는데 적용되어 나가는 과정의 모습과 활약을 보여주는 한 편의 파노라마였다. 유럽원자핵공동연구소CERN의 거대입자가속기LHC는 2013년 10월 힉스 입자의 존재를 최종 확인했다.