2025년 노벨 물리학상은 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스가 수상하게 되었습니다. 그들의 업적은 ‘거시적 양자역학 현상의 발견’, 즉 거시 세계에서도 각종 양자역학 현상들을 관측할 수 있다고 증명한 것이었습니다. 이로 인해 양자컴퓨터‧양자암호 등 양자역학(양자물리학) 원리를 이용한 더 진보된 기술 개발의 길이 더 쉬워졌습니다. 이 세상의 과학은 모두 매혹적이지만, 매년 그 영역이 확장되고 새로운 발견‧발전이 이뤄지는 양자역학은 뭔가 이 세상의 것이 아닌 듯 신비롭고 기묘합니다. 거기다 어렵기까지 합니다.

이 책은 기묘하고 아름답고 이해하려 할수록 이해하기 어려운, 양자역학(양자물리학)을 알기 위한 기본 개념 가이드입니다. 그렇다고 이해할 수 없는 기호가 잔뜩 들어간 공식이 나오거나, 길고 긴 이론 설명을 하는 것은 아닙니다. 양자역학을 쉽게 이해하기 위해, 기존의 사고방식을 벗어나도록 돕는 책입니다. 『우리가 벽을 통과할 수 없는 이유』의 저자 플로리안 아이그너는 과학의 대중화를 위해 다양한 집필 활동을 하는 과학 평론가로, 이번에는 인류가 생각해낸 가장 매혹적인 과학 이론인 양자 이론을 다양한 비유와 묘사로 설명합니다. 기존에는 볼 수 없는 새로운 관점의 양자역학을 만나볼 수 있을 겁니다!

옮긴이_이상희 중앙대학교 문예창작학과를 졸업하고 독일 본대학 아시아학부에서 번역학을 전공했다. 현재 번역 에이전시 엔터스코리아에서 번역가로 활동하고 있다. 옮긴 책으로는 『쇼펜하우어의 인생수업』, 『젊은 베르테르의 슬픔』, 『데미안』, 『오늘의 지구를 공개합니다: 데이터로 말하고 그래픽으로 보여 주는 50가지 기후 환경 문제』 등 다수가 있다.

추천사_무한한 가능성으로 확장되는 양자적 풍경 

들어가며_이 책은 어떻게 읽어야 할까요? 

제1장 파동, 입자, 그리고 양자보송이 

1,000단위의 세계 

새로운 아이디어와 오래된 개념 

입자와 파동 

빛이란 무엇인가? 

이중 슬릿 실험: 토마토와 물결 

파동으로서의 빛 

아인슈타인의 빛 입자 

빛의 두 가지 속성: 입자파동과 파동입자 

제2장 아무도 측정하지 않는 경우에만  뒤집힌 아인슈타인  이중 슬릿에서의 입자  이중 슬릿에 존재하는 다량의 입자  그리고 아주 정확하게 측정한다면?  난해한 오류  미시세계와 거시세계의 만남  전혀 신비로울 이유가 없다  제3장 양자 도약, 작은 부분으로 구성된 세계  막스 플랑크의 절망적 행동  보어의 원자 모형  양자, 현실세계의 픽셀  연속적인 세계라는 환상  하이젠베르크의 불확정성 원리  휘파람과도 같은 하나의 입자  양자 도약이란 무엇인가?  제4장 새로운 종류의 우연  슈뢰딩거의 파동함수  전자는 체리가 아니다  확률 파동  중첩 원리  고양이 분포 함수  고전적 무작위성과 양자적 무작위성  시계 장치로서의 세상  코펜하겐 해석  실제 현실  제5장 전자는 행성이 아니다  점은 어떻게 회전하나요?  스핀과 그 방향  슈테른-게를라흐의 실험  두 개의 연속 스핀 측정  중첩은 관점의 문제  빛의 진동  영화 속 광자  제6장 양자 지우개와 양자폭탄  휠러의 사고실험: 먼 은하의 광자  광자 표시: 어떤 경로 정보를 이용한 트릭  양자 지우개  양자폭탄  제7장 왜 우리는 벽을 통과하지 못할까?  양자보송이와 에너지 떨림  중성미자는 우리를 쫓지 않는다  다양한 입자로 이루어진 다양성의 동물원  파울리의 배타 원리  찬드라세카르와 별들의 죽음  터널 효과  마리 퀴리와 방사성 붕괴  아야, 아파!  제8장 양자 얽힘과 유령 같은 원격작용  국소적 실재론  양자 쌍둥이  아인슈타인과 유령 같은 원격작용  양자 휴대폰은 존재하지 않는다  숨은 변수: 국소적 실재론을 위한 뒷문?  끝이 없는 점점 더 이상한 일  언제나 아인슈타인!  제9장 순간이동과 도청 방지 코드  입자는 초콜릿 케이크가 아니다 광자, 그리고 그 반대의 반대  섬에서 섬으로 순간이동을  비밀 메시지  양자 암호화: 양자 얽힘을 통한 암호화  양자 얽힘과 텔레파시  비국소성: 그렇게까지 이상하지 않아요  제10장 슈뢰딩거의 고양이는 도대체 어떻게 됐을까?  상자 속 고양이  위그너의 친구  측정은 무엇을 의미하는 걸까요?  양자 다윈주의  입자가 위치를 얻는 방법  디코히어런스: 파동이 깨질 때  다행히 우리는 의견이 일치합니다  제11장 양자철학과 양자 유사과학  다중 세계 이론  오컴의 면도날  입 다물고 계산이나 해!  양자 유사과학과 양자의학  우주로 전하는 소원  뉴에이지와 과학  과학은 이상할 수 있지만, 틀리지 않습니다!  제12장 양자는 우리에게 어떻게 유용할까?  레이저, 광자 복사기  태양전지에서 컴퓨터 칩까지  양자컴퓨터, 영원한 희망  양자를 이용한 측정  의학에서의 양자 측정  아무것도 없는 것보다 나은, 진공  양자 깜빡임과 우주  ‘이해한다’라는 말은 어떤 의미일까요?  용어해설  참고문헌

“동시에 왼쪽으로 그리고 오른쪽으로 움직이는 입자는 보통의 우리 상식에 맞지 않아요! 그러니까 이 말은 양자 이론은 진짜 이상한 것이고 우리 인간의 상식으로는 절대 이해할 수가 없는 것이죠! 양자물리학을 진짜 완벽하게 이해할 수 있는 사람은 아무도 없을 거예요!” 하지만 사실 이 말은 아무런 소득도 없고, 그 어떤 설명이 되지도 않고, 그 누구에게도 도움이 되지 않는 말이에요. 그저 정체를 알 수 없는 긴장감만 생길 뿐 그 어떠한 유용한 지식도 얻지 못하는 것이죠. …(중략)… 우주에는 우리가 믿을 수 있는 규칙이 있어요. 당신이 인간이든 원자이든, 고양이이거나 레이저 빔이거나 상관없이 모든 것은 자연의 법칙을 따르죠. 이 법칙은 입자의 세계에도 적용이 되는 거예요. 우리는 양자 이론의 규칙이 우리 일상생활의 규칙과는 약간 다르게 움직인다는 사실을 받아들여야만 해요. 그리고 바로 그것이 지금 우리가 여기에서 시도하고자 하는 것이죠. 우리는 익숙한 일상의 경험을 넘어서서 양자 이론의 이상한 규칙에 한 발 한 발 다가가 자세히 살펴보고, 그 규칙이 그다지 이상하지 않은 이유에 좀 더 잘 이해하려고 합니다.

양자 입자의 파동적 특성은 다릅니다. 측정은, 필연적으로 측정 대상에 영향을 미칩니다. 이것을 혼란스럽다고 생각하는 사람은 안심해도 됩니다. 알베르트 아인슈타인도 이를 믿고 싶어 하지 않았거든요. 관찰 여부에 따라 달라지는 측정 결과는 그에게 불가능한 일로 여겨졌습니다. 그래서 아인슈타인 역시 아주 오랫동안 좀 더 정교한 측정 시스템만 만들어 낸다면 이중 슬릿에서 입자의 실제 경로가 무엇인지 명확하게 관찰할 수 있으며, 이것이 실험에 영향을 미치지 않을 것이라고 믿었습니다. 하지만, 아인슈타인은 틀렸죠. _제2장 아무도 측정하지 않는 경우에만  어떤 의미에서 전자는 체리 자체보다는 체리 향에 더 가깝다고 할 수 있습니다. 체리가 있는 방의 어떤 곳에서는 체리 향이 가득하며 진하게 맡아지고, 다른 곳에서는 체리 향이 희미하니까요. 체리에서 100m 떨어진 곳에서는 체리와 비슷한 냄새조차 더 이상 맡을 수 없을 거라고 확신합니다. 하지만 이 비교만으로는 본질을 완전히 포착할 수 없습니다. 체리 향이 구름처럼 방 안에 퍼져 나가더라도, 그 근원은 분명하고 국소적인 곳에 있기 때문입니다. 바로 체리이죠. 그리고 그 근원은 언제나 정확한 위치를 가지고 있습니다. 전자는 다릅니다. 공간적으로 분포된 ‘전자성’의 기원은 없습니다. 오직 공간적으로 분포된 전자성 그 자체만 존재합니다. 전자가 다른 곳보다 다소 더 많이 존재하는 곳이 있습니다. 그리고 이 분포된 전자성을 전자라고 하는 것입니다. 우리는 더 이상 이 문제에 대해 답할 수 없습니다. “입자는 실제로 어디에 있는 것인가요?”라는 질문에는 답이 없습니다. 마치 “숫자 4는 어떤 색을 가지고 있을까요?” 혹은 “모든 얼룩말이 액체라면 일요일의 무게는 얼마일까요?”라는 질문에 답이 없는 것처럼 말이죠. _제4장 새로운 종류의 우연  원자도 주로 빈 공간으로 이루어져 있지 않나요? 원자 질량의 거의 대부분은 핵에 있지만, 핵은 전체 부피의 아주 작은 부분만을 차지합니다. 그 주변을 전자 영역이 감싸고 있는데, 그 크기는 수십억 배나 더 큽니다. 이 크기 비율에 대한 인상적인 비유가 있습니다. 만약 핵이 체리만 하다면 전체 원자는 축구 경기장만 하고, 전자는 축구 경기장 바깥쪽 관중석 어딘가에서 궤도를 돌고 있다고 말이죠. 하지만 인간이 그렇게 텅 빈 원자로 이루어져 있다면, 왜 우리는 앞에서 말한 두 은하처럼 서로를 그냥 통과할 수 없는 걸까요? 벽을 뚫고 옆방으로 들어가려고 하면 왜 아픈 것일까요? 그리고 왜 붐비는 기차에서는 이미 다른 사람이 차지하고 있는 자리에 그냥 앉을 수 없는 걸까요? _제7장 왜 우리는 벽을 통과하지 못할까? 순간이동은 당시에는 실질적인 과학적 근거가 없었습니다. 하지만 시간이 지나면서 실질적인 과학적 근거를 확보한 공상과학 기술의 흥미로운 사례입니다. 순간이동은 이제 현실이 되었습니다. <스타트렉>의 엔터프라이즈호처럼은 아니지만, 적어도 개별 입자의 양자 순간이동(텔레포테이션) 형태로 말이죠. 하지만 이것이 무엇을 의미하는지 솔직하게 설명해야 합니다. 양자 순간이동은 물질을 순수한 광선으로 변환한 후, 다른 위치에서 물질 입자로 재변환하는 공상과학 기술이 아닙니다. ‘양자 순간이동’에서, 하나의 위치에서 다른 위치로 전송되는 것은 정보입니다. 하나의 입자 상태가 다른 입자로 전달되는 것입니다. 따라서 양자 순간이동에서는 입자 자체가 아니라 그 입자의 속성만 전송된다고 할 수 있습니다. _제9장 순간이동과 도청 방지 코드

양자역학, 양자물리학, 양자 이론, 그리고 양자. 도대체 ‘양자(quantum)’는 무엇일까요? 검색을 하면 사전적 정의는 쉽게 알 수 있지만, 그걸 ‘진짜 이해’하는 것은 어렵습니다. 왜냐하면 우리가 속해 있는 거시세계의 사고방식 기준에 도저히 맞지 않거든요. 예를 들어 거시세계에서 사물의 움직임은 예측이 가능하고 단일한 경로만 가능합니다. 계란을 떨어뜨리면 깨지고, 토마토를 던지면 벽에 붉은 자국을 남기는 것이죠. 하지만 원자, 분자 및 여러 양자 입자는 완전히 다르게 행동합니다. 예를 들어 원자는 왼쪽으로 움직이면서도 동시에 오른쪽으로 움직일 수 있습니다. 원자핵 주위를 도는 전자는 특정한 궤적을 따르지 않고 확률적으로 분포해 있을 뿐이죠. 여기까지 오면, 도대체 이게 무슨 소리인지 혼란스러워집니다. 어쩌면 양자역학에 대한 수많은 책과 더 수많은 유튜브 동영상과 미디어의 보도는, 이런 이상하고 기묘하고 생각할수록 더 괴상한 세계를 이해하기 위한 것이라고 할 수 있습니다.

『우리가 벽을 통과할 수 없는 이유』는 이론과 수식, 기나긴 이론 설명이 아닌 비유와 묘사, 그리고 유머로 양자역학(양자물리학)을 이야기합니다. 휘파람과 총소리로 하이젠베르크의 불확정성 원리를 설명하고, 사라진 고양이를 찾는 과정을 양자적 무작위성과 연결 짓습니다. 뉴욕과 시카고의 도로망 방향으로 양자 중첩을 설명하고, 영화 <스타트렉>의 순간이동이 실제로 가능한지 그리고 어떤 문제가 있는지 이야기합니다. 양자역학은 너무 복잡해서 소수의 천재만이 이해할 수 있다고 하지만, 저자는 이것이 사실이 아님을 이 책에서 증명합니다. 그는 기존의 틀에서 벗어나 가장 작은 입자의 세계가 어떻게 움직이는지 이해할 수 있도록 독자들을 이끌어 줄 것입니다. 가장 작은 입자가 지배하는 세계로 떠나는 양자물리학적 모험! 거시세계의 인간을 위한 양자역학 Rule Book!  『우리가 벽을 통과할 수 없는 이유』는 간단히 말하면 ‘규칙’에 대한 이야기입니다. 우주에는 규칙이 있고, 인간이든 원자든 고양이든 레이저 빔이든 모두 그 규칙을 따릅니다. 이것은 아주 작은 입자 세계에도 적용됩니다. 다만 우리 일상생활의 규칙과는 조금 다르게 작용할 뿐이죠. 이 책에서는 기존의 규칙을 벗어나는 것을 받아들여, 양자물리학 혹은 양자역학을 이해하기 위한 모험을 시작합니다. 저자가 안내하는 길을 단계적으로 천천히 따라가다 보면, 어느새 양자물리학이 무엇인지 이해할 수 있게 됩니다.  이 책은 12장으로 구성되어 있습니다. 1장에서는 입자-파동 이중성, 2장은 ‘측정’을 둘러싼 다양한 실험, 3장에서는 원자 속 전자가 순간적으로 이동하는 양자 도약을 정리합니다. 4장은 슈뢰딩거의 파동함수, 5장은 전자의 회전(스핀), 6장은 양자폭탄, 그리고 7장은 인간이 벽을 통과하지 못하는 양자 터널 현상을 설명합니다. 또 8장에서는 아인슈타인이 경악한 양자 얽힘과 원격작용, 9장에서는 양자 얽힘을 이용한 양자 암호화, 10장에서는 상자 속 고양이를 둘러싼 다양한 실험을 다룹니다. 마지막으로 11장에서는 사이비 과학으로 변질될 우려가 있는 양자 유사과학, 12장에서는 양자가 우리 생활에서 어떻게 유용하고 어떤 가능성이 있는지 이야기합니다.