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일어날 일은 일어난다

양자역학, 창발하는 우주, 생명, 의미

박권 | 동아시아 | 2021년 10월 22일 한줄평 총점 9.6 (19건)정보 더 보기/감추기
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자연과학 > 물리학
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책 소개

삶, 우주, 그리고 모든 것의
궁극적인 질문에 대한 답

“양자역학에 대한 최고의 설명서”

조회 수 15만 《HORIZON》 ‘믿기 힘든 양자’
김민형 교수, 장하석 석좌교수 추천 도서
김필립 교수, 방윤규 교수 강력 추천
소로프 상, 고등과학원 학술상 수상

모든 것이 어떻게, 그리고
왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증

1965년 노벨 물리학상 수상자이자 전설적인 물리학자, 리처드 파인먼이 남긴 유명한 질문이 있다. “만약 어떤 커다란 재앙이 일어나 모든 과학적 지식이 사라지고 단 한 문장만을 다음 세대에게 전달할 수 있다면, 가장 적은 낱말로 가장 많은 정보를 담을 수 있는 문장은 무엇일까?”

파인먼은 모든 것이 서로를 밀고 당기는 원자로 이루어져 있다는 것, 즉 양자역학에 관한 지식이라고 답했다. 1979년 노벨 물리학상 수상자 스티븐 와인버그 그리고 2004년 노벨 물리학상 수상자 프랭크 윌첵 역시, 우리가 과학의 궁극적인 이론을 발견하더라도 양자역학은 그것의 일부로서 거의 수정 없이 남아 있을 것이라고 예측한다. 그렇다면 세계 최고의 이론 물리학자들은 왜 하나같이 양자역학이 근본적이라고 확신할까? 2000년에 소로프 상을 수상한 저자에 따르면, 이는 “우리 우주가 곧 양자(quantum)”이기 때문이다.

모든 것은 왜 다른 것이 아니라 하필 원자로 이루어져 있을까? 원자를 밀고 당기는 힘은 또 무엇으로 이루어져 있을까? 우주의 운명은 정해져 있을까? 불변하는 것은 무엇일까? 시간은 무엇이고 무질서나 정보와 어떤 관련이 있을까? 인공 생명은 가능할까? 예측 가능성은 자유의지와 서로 어떤 관계일까? 하늘 아래 진정으로 새로운 것이 나타날 수 있을까? 무엇보다도 우리 존재의 의미는 도대체 무엇일까?

고등과학원의 교수이자 세계적인 물리학자인 저자는 이 모든 질문에 대한 답이 양자에 담겨 있으며, 이 책을 통해 근본적인 수준에서 모든 것이 양자로 수렴된다는 것을 보인다. 이 책은 우리가 어떻게, 그리고 왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증이다.

“인생의 중요한 질문들에 대한 답변이 미로 속의 실오라기처럼 책의 모든 문장 사이를 지나간다.”
-김민형(에든버러 국제수리과학연구소 소장, 『수학이 필요한 순간』 저자)

목차


들어가며

1장 파동: 확률에 관하여
2장 원자: 보편에 관하여
3장 빛: 불변에 관하여
4장 힘: 상호작용에 관하여
5장 물질: 관계에 관하여
6장 시간: 흐름에 관하여
7장 존재: 나타남에 관하여

이어지는 이야기

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저자 소개 (1명)

이론 물리학자. 개별 입자의 합으로 설명되지 않는 시스템의 행동을 양자역학 수준에서 설명하는 양자 다체 문제(quantum many-body problem)를 연구하고 있다. 서울대학교에서 물리학 학사, 뉴욕 주립대학교 스토니부룩에서 물리학 석사와 박사 학위를 받았다. 이후 예일대학교와 메릴랜드대학교 칼리지파크에서 박사 후 연구원으로 일했다. 2008년부터 고등과학원의 교수로 재임하고 있으며, 2019년에는 하버드대학교의 방문 교수를 역임했다. 2000년에 소로프 상, 2007년에 고등과학원 학술상, 2017년에 과학기술정보통신부 국가연구개발 우수성과 100선을 수상했다. 고... 이론 물리학자. 개별 입자의 합으로 설명되지 않는 시스템의 행동을 양자역학 수준에서 설명하는 양자 다체 문제(quantum many-body problem)를 연구하고 있다.
서울대학교에서 물리학 학사, 뉴욕 주립대학교 스토니부룩에서 물리학 석사와 박사 학위를 받았다. 이후 예일대학교와 메릴랜드대학교 칼리지파크에서 박사 후 연구원으로 일했다. 2008년부터 고등과학원의 교수로 재임하고 있으며, 2019년에는 하버드대학교의 방문 교수를 역임했다.
2000년에 소로프 상, 2007년에 고등과학원 학술상, 2017년에 과학기술정보통신부 국가연구개발 우수성과 100선을 수상했다. 고등과학원의 과학 전문 웹진 《HORIZON》에서 누적 조회 수 15만에 달하는 「믿기 힘든 양자(Incredible Quantum)」를 연재하고 있다.

출판사 리뷰

불확정성, 불연속성, 불완전성의 과학
“양자역학에 대한 최고의 설명서”

* 양자역학은 파동 함수의 공명을 통해 원자를 안정시킨다.
* 양자역학은 게이지 대칭성을 통해 힘의 원리를 제공한다.
* 양자역학은 카오스와 결합해 열역학 제2법칙을 발생시킨다.
* 양자역학은 자발적 대칭성 깨짐을 통해 우주의 모든 입자에 질량을 준다.

부분의 합으로 설명되지 않는 물리적 현상을 연구하는 이론 물리학자답게, 저자는 가장 작고 보편적인 부분들에서 시작해 그 부분들의 합으로 설명하거나 예측할 수 없는 물리적 현상으로 나아간다. 먼저 1장에서는 우주의 모든 것이 입자이면서 파동이라는 점을 이야기하며, 이러한 파동을 기술하는 파동 함수를 소개한다. 2장에서는 파동 함수의 공명을 기술하는 슈뢰딩거 방정식을 설명하며, 파동 함수의 공명을 통해 어떻게 가장 단순한 수소 원자가 만들어지는지를 보인다. 3장에서는 전자기 이론의 기초인 맥스웰의 방정식을 소개하며, 기본 힘들 가운데 하나인 전자기력이 어떻게 전자기장의 패턴에 의해 결정되는지를 이야기한다.
그러고 나서 4장에서 나머지 기본 힘들, 즉 중력, 약력, 강력의 메커니즘을 설명하며, 이러한 힘들이 모두 게이지 대칭성이라는 하나의 원리에 기반한다는 점을 보인다. 이전 장들에서 배운 이론과 설명을 통해 5장에서는 수소 원자를 포함한 모든 원자가 만들어지는 일반 법칙을 끌어내고, 더 나아가 이를 통해 분자와 격자 구조의 형성 규칙을 다룬다. 6장에서는 과거로부터 미래로 나아가는 것처럼 보이는 시간의 방향성이 어떻게 양자역학으로부터 나타나는지를 보이고, 7장에서는 양자역학을 지탱하는 게이지 대칭성이 자발적으로 깨짐으로써 어떻게 우리가 존재하는 데 필요한 거의 모든 것이 나타나는지를 보인다.

“양자역학에 대한 최고의 설명서다.”
-방윤규(포항공과대학교 물리학과 교수, 아시아태평양이론물리센터 소장)


라플라스의 악마부터 베르그송의 시간까지,
양자 우주에 담긴 깊은 철학적 의미

“이 책은 단순한 교양 과학 책이 아니다. 깊은 철학적 질문을 던지는 야심작이다.”
-장하석(케임브리지대학교 과학사 및 과학철학 석좌교수, 『온도계의 철학』 저자)

이 책은 우리가 어떻게, 그리고 왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증이다. 양자역학이 모든 것이 ‘어떻게’ 존재하는지를 설명한다면, 양자역학에 관한 철학적 해석은 우리가 ‘왜’ 존재하는지를 드러낸다. 다시 말해, 존재뿐만 아니라 의미가 어떻게 양자로부터 창발할 수 있는지 드러나는 것이다.
그래서 저자는 양자역학을 바탕으로, 게임 이론을 통해 도덕이 어떻게 행위자들 사이에서 자발적으로 생겨날 수 있는지를 설명하고, 튜링 기계와 정지 문제로 인공 생명과 자유의지의 가능성에 답한다. 더 나아가 자발적 대칭성 깨짐으로 존재의 의미를 이야기하며, 프랑스 철학자 앙리 베르그송의 ‘창조적 진화’가 양자적 우주에서 어떤 의미를 지니는지를 밝힌다.

“다체 양자장 이론을 배경으로, 영화, 개인적인 일화, 정보 과학 그리고 철학을 한데 녹여내 다양한 관점을 연결한 역작이다.”
-김필립(하버드대학교 물리학과 교수)

정말 재미있게도, 이 책을 가로지르는 것은 마치 하나의 ‘이론’이 아니라 여러 ‘이야기’로 보인다는 점이다. 《HORIZON》의 「믿기 힘든 양자」 시리즈를 통해 ‘영화 평론하는 물리학자’로 입소문이 난 저자인 만큼 〈봄날은 간다〉, 〈시네마 천국〉, 〈슬럼독 밀리어네어〉, 〈캐스트 어웨이〉, 〈블레이드 러너〉와 같은 영화들을 유감없이 끌어들이며, 물리학을 이야기하다가 어느 순간 독자를 스크린 앞으로 데려간다. 케임브리지대학교의 과학사 및 과학철학 석좌교수인 장하석 교수는 이 책을 가장 처음 받아 읽고 다음과 같이 말했다. “가장 중요한 아이디어들을 공상과학소설이나 영화 이야기를 동원해 직관적으로 이해시키며, 여러 각도에서 과학 지식이 인간의 삶에 어떤 의미를 가지는지를 전달한다. 과학사와 철학에 대한 저자의 식견이 믿기 힘들 정도의 수준이다.”

종이책 회원 리뷰 (14건)

구매 [과학] 이 모든 것이 우연이라는 확률_일어날 일은 일어난다
내용 평점5점   편집/디자인 평점5점 | YES마니아 : 플래티넘 스타블로거 : 블루스타 k*******4 | 2023.07.02

우리는 모두 별에서 왔다. 문학적 표현이 아니라 과학적 표현이다. 빅뱅으로 우주가 폭발할 때, 최초의 원자인 수소와 헬륨이 생성됐다. 폭발 후에는 만유인력의 법칙에 따라 서로 끌어당긴다. 더 무거운 쪽으로 원자가 모인다. 중력 수축이다. 모든 원자는 떨린다. 아인슈타인의 특수상대성 이론은 질량과 에너지의 등가원리를 말한다. 유명한 E=mc^2다. 에너지는 질량에 속도의 제곱을 곱한 값이다. 질량이 무수하게 작다고 하더라도 속도가 빛에 속도에 가까우면 에너지는 엄청나게 커진다. 빠르게 떨고 있는 원자들이 중력에 의해 모여 들면 원자 사이에 밀도가 높아진다. 온도도 높아진다.

원자의 모형을 보면 가운데 커다란 '양성자'가 있고 그 주변으로 전자가 도는 모형을 볼 수 있다. 전자는 마이너스 전하를 갖고 양성자는 플러스 전하를 갖는다. 플러스 전하가 강력하게 가운데로 모여든다. 플러스 극을 가진 자석을 가까이 가져가면 서로 밀어내는 것처럼 양성자들도 서로 밀어내는 힘이 있다. 운동에너지의 크기는 온도를 통해서 측정할 수 있다. 온도가 높아지면 분자의 운동에너지가 커지기 때문이다. 고로 온도가 초고온 상태가 되면 양성자의 운동에너지가 엄청나게 커지는데 이렇게 높아진 운동에너지의 힘이 서로를 밀어내던 힘을 이겼을 때, 두 원자핵이 서로 충돌하게 된다. 두 원자핵이 충돌하여 하나의 원자핵으로 결합될 때, 아주 강력한 끌어당기는 힘이 발생한다. 서로가 서로를 끌어당기는 과정에서 발생하는 속도 높아지면 역시 에너지가 발생한다. 이렇게 두개의 원자가 하나의 원자로 융합하는 과정에서 얻어지는 에너지를 '핵융합 에너지'라고 한다. 아무튼 핵융합 반응이 일어나면 기존 원소는 서로 결합하여 새로운 원소로 생성된다. 새로운 원소는 이전 원소보다 질량이 더 크다. 원소들이 폭발로 인해 우주로 흩어졌다가 다시 무거운 원자로 모여든다. 다시 중력 수축이다. 이렇게 수축과 핵융합 반응이 반복적으로 일어나면서 점차 무거운 원소가 만들어진다. 점차 원소가 무거워지다가 철이 만들어지면 같은 방식으로 더이상 무거운 원소는 만들어지지 않는다.

철은 모든 원자핵 가운데 가장 강한 결합을 한 상태다. 고 가장 안정되어 있는 상태다. 고로 철 역시 가장 무거운 원소이기 때문에 주변 원자를 끌어당긴다. 기본적으로 철을 만들기 위한 핵융합 온도는 30억도다. 중심이 철로 가득찬 중력덩어리가 점차 모여든다. 중력에 의해 철이 꾸준하게 모여들면 질량은 점차 커진다. 그러나 철은 아무리 온도가 높아져도 핵융합하지 않는다. 점차 철은 철끼리 끌어당기며 압력이 높아진다. 이때 철의 중심 핵이 압력을 버티지 못하면 양성자와 전자가 합쳐지며 중성자가 되어버린다. 우리가 보는 원자 모형은 커다란 양성자를 전자가 돌고 있지만 실제 양성자와 중성자는 그렇게 가까이 붙어 있지 않다. 양성자와 전자의 거리는 서울에 둔 오렌지와 수원에 있는 꽃가루 사이의 비율과 같다. 다시 말하면 원자의 99%는 비어있다. 이 비어 있는 공간이 꾸준하게 압축되다가 결국 붕괴되면 원자가 무너지며 수축한다. 이 수축 속도가 빨라지면 폭발한다. 이 폭발이 초신성 폭발이다. 별들 중에서 태양보다 10배 정도로 무겁고 태양보다 10억 배 밝은 이런 초신성은 중심핵이 수축하며 폭발에 이른다. 이것이 우주 전체로 흩어지고 흩어진 우주 알갱이가 다시 모여 만들어진 것이 우주다. 지구상의 모든 것들은 결국 별에 의해 만들어진 것이고 그것은 우리도 다르지 않다. 우리 모두는 별의 후손인 셈이다. 이렇게 원자가 뭉쳐지고 흩어지는 과정에서 태양계와 지구는 만들어졌다. 지구에는 이처럼 별에서 흩어져 나온 원자들이 득실 거린다. 이 중 10억년 동안 지구에 떨어진 번개로 인해 생명체가 탄생하게 된다. 지구에는 35억년 전 엄청나게 많은 번개가 내렸다. 이 것은 생명에 필수적인 물질인 인을 만들어냈다. 이 인은 점차 발전하다가 단세포 생물로, 그 단세포는 분열을 하면서 다세포로, 그 아주 극희귀한 경우의 수를 뚫고 어류가 되고 그것은 다시 땅으로 기어 나온다. 극한의 숫자를 뚫고 그것은 멸종하고 탄생하길 반복하다가 나온 것이 지금의 우리다.

그것은 우연인가. 양자역학에 따르면 모든 것은 확률이다. 양자역학은 참 재미있는 것이 모든 것을 확률로 표현한다. 우리가 우너자 모형을 보는 것처럼 원자는 양성자 주변에 전자가 돌고 있지 않다. 양성자 주변에 입자도 아니고 파동도 아닌 '무언가'가 구름처럼 있다가 그것을 관찰하는 순간 그것은 입자가 된다. 그것은 우리가 바라보는 거시세계와는 첨예하게 다르다. 고로 미시세계와 거시세계를 이끄는 하나의 공통 이론을 찾는 것이 우리 시대의 최대 난제 중 하나다. 어쨌건 거시세계에서 우리를 이르게 한 것은 앞서 말한 것과 같이 별들이다. 그러나 미시세계에서는 모든 것은 파동으로 존재하다가 관찰자의 개입에 따라 그것이 입자가 된다. 그것은 단지 동시에 존재할 뿐이다. 고로 우리가 있는 세계가 놀랍지 않을 수 없다.

개인적으로 '일어날 일은 일어난다'라는 박권 작가의 책은 읽으면서 전체적인 맥락은 파악할 수 있었으나 어려웠다. 우리가 살아가는 것이 '기적'이라는 것을 아주 논리적으로 설명하기 위해 피할 수 없는 다양한 수학적 공식과 인문학적, 역사적 사실을 섞어 이야기 한다. 철학과 역사, 인문학으로도 설득 할 수 없는 것에 물리학과 과학, 수학을 들이밀며 일어날 일이 일어난다는 것, 기적에 대한 것에 대해 수학적 증명을 해보인다. 수학에서 '라플라스의 마녀'라는 말이 있다. 19세기 프랑스의 천재 수학자 피에르 시몽 라플라스가 제창한 용어로 모든 물질의 역학적 상태와 에너지를 알고 그 모든 데이터를 분석 가능한 능력을 갖는다면 그 역학적 상태에 따른 미래를 계산해 낼 수 있다는 의미다. 우리가 왜 존재하는지, 우리가 어떤 의미를 갖고 우리가 하는 자율적인 선택들이 단순히 물리학적 계산으로 이뤄진 것인지를 생각해보게 한다. 다만 미시세계에서 라플라스의 마녀는 존재하지 않는다. 고로 우리는 어쩌면 우주에서 가장 신비로운 존재이며 그것을 알고 있는 유일한 존재일지도 모른다.

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구매 재미난 물리학
내용 평점5점   편집/디자인 평점5점 | YES마니아 : 플래티넘 k*******n | 2023.06.02
예전에 양자물리학이란 영화도 있었는데 궁금한 참에 좋은 책이 있어 구입했네요. 나름 편안하게 잘 읽었습니다. 이해 어려운 건 그냥 넘어가면서요~^^ 어디가서 완전 무식하단 소리는 안 듣겠죠 ㅎㅎㅎ 재미있게 어려운 물리학을 풀어주신 저자님께 고맙게 생각합니다~ 일상생활하고 동떨어진 전문가들만의 물리가 아님을 깨달아서 좋았습니다. 앞으로 더 많은 연구를 통해 많은 것이 밝혀지리라 기대해 봅니다~
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구매 [도서] 일어날 일은 일어난다
내용 평점4점   편집/디자인 평점4점 | f*******7 | 2023.05.11
양자역학과 본인의 생각들. 양자역학을 위한 물리학의 기초부터 쭉 설명하고 있는데 그러함에도 이해는 어렵다. 양자역학과 자유의지사이의 일들에 대해 고찰한 부분이 느껴진다. [운명이란 단순히 결종론이나 자유의지가 아니라, 우연과 필연의 절묘한 교차점에 존재하는 그 무엇이라는 것이다.]
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eBook 회원 리뷰 (1건)

구매 일어날 일은 일어난다
내용 평점4점   편집/디자인 평점4점 | YES마니아 : 플래티넘 h****n | 2021.12.22
상당히 재미있게 읽은 양자역학에 대한 과학책이다. 일반적으로 대중과학서적에는 수학 방정식은 거의 등장하지 않는 편인데 이 책은 수식이 상당히 많이 등장한다. 그 점이 나를 어리둥절하게 만들었지만 인내심을 가지고 찬찬히 읽어보면 전혀 따라갈 수 없을 정도는 아니다. 완벽한 이해라고는 할 수 없지만 지금껏 몰랐던 내용도 많이 알게 되었고 수식이 왜 필요한지도 조금은 더 잘 알게 되었다. 그리고 게이지 대칭성과 힉스 메커니즘, 자발적 대칭성 깨짐, 초전도체에 대한 설명이 특히 마음에 들었다. 영화 소개도 참 재미있게 나와있어서 다운 받아서 보려고 준비중이다^^
(양자역학에 대한 입문책으로서는 개인적으로는 추천하고 싶지 않다. 적어도 쉬운 양자역학 관련책을 몇 권 정도 읽었다면 이 책이 좀 더 깊은 이해를 위한 많은 도움을 제공하리라고 본다)
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