대화로 재구성한 20세기 양자물리학의 역사

얽힘 현상을 둘러싸고 세계에서 가장 똑똑한 물리학자들이 펼치는
양자역학 100년의 드라마!

양자 물리학의 역사를 한 편의 대하 다큐멘터리로 만들다

『얽힘의 시대』는 20세기 양자 물리학의 역사를 대화로 재구성한 것이다. 자료 수집과 집필 기간만 장장 8년 반. 프롤로그와 36막으로 구성된 본문 및 에필로그 원고는 2300매, 핵심이 되는 물리학 용어 설명과 본문을 가득 채운 인용문의 출처를 세세히 밝힌 미주만 해도 근 1000매에 이를 정도로 장대한 책이다. 여기에 주연과 조연, 단역으로 등장해 다양한 개성을 드러내는 수많은 물리학자들의 삶과 이론을 주제별로 찾아보도록 종횡으로 연결된 인덱스가 30여 쪽에 이른다.
이 책은 시간적으로는 20세기 초 양자론 태동기부터 양자 얽힘 현상을 입증하고 실제 적용되고 있는 21세기 초까지를 그린다. 공간적으로는 20세기 전반기엔 독일, 스위스, 덴마크 등 유럽이 중심 무대이고, 후반기엔 나치 치하에서 대거 미국으로 망명한 물리학자들 때문에 주무대가 미국으로 바뀐다. 여기에다 얽힘 현상을 밝히는 데 주연 중 한 사람인 데이비드 봄이 머물던 브라질까지 무대가 넓어진다.

내용은 서로 밀접히 관련되어 있는 두 개의 주제와 과정으로 전개된다. 전반부인 16장까지는 20세기 전반기 과학계에 혁명을 몰고 온 양자역학 자체에 이야기의 초점이 맞춰진다. 막간 이야기를 지나 17장부터 시작되는 후반부는 기존 양자역학에 대해 새로운 돌파구를 찾는 과정과 그 일환으로 밝혀진 양자 얽힘 현상에 관한 내용이 주를 이룬다.
양자역학의 태동에서 양자 얽힘의 입증에 이르는 약 한 세기를 그린 이 책은 수많은 등장인물이 그 시대의 역사적 맥락 하에서 겪게 되는 시대적 고민도 풍부하고 깊이 있게 들여다본다. 아인슈타인을 비롯해 여러 과학자들이 나치 치하에서 겪게 되는 탄압과 갈등, 특히 나치의 “유전적으로 손상된 자손을 금지하기 위한” 법안의 통과로 다운증후군을 앓던 아들을 총으로 쏘고 자살로 생을 마감한 에렌페스트의 이야기는 야만적인 시대의 모습을 적나라하게 보여 준다. 또 오펜하이머의 제자인 데이비드 봄이 공산주의자로 낙인 찍혀 외국을 전전하면서 외롭고 힘겹게 자신의 이론을 구축해 나가는 과정, 그리고 존 벨을 위시한 젊은 과학자들이 자유분방하고 열정적인 정신으로 새로운 패러다임을 열어가는 장대한 이야기가 서로 얽히고설키면서 유유히 흘러간다.
이렇게 해서 이 책은 양자론과 물리학자들의 삶이 한데 어우러져 풍성하고 드라마틱한 한 편의 대하 다큐멘터리가 되었다. 여기에다 저자의 시적이고 서정적인 묘사, 물리학자들만이 표현할 수 있는 물리 이론에 비댄 재치 있고 유쾌한 농담이 곁들여져 읽는 재미를 더한다.
 
대화와 인용으로
역사의 현장을 생생하게 재현하다
 
저자는 이 책에서 어떤 개념을 강의실에서 설명하듯이 소개하지 않는다. “학생들이 물리학 교과서에서 받는 느낌 때문에 물리학은 틀 속에 갇히고 말았다. 교과서 속의 물리학은 진공 밀폐된 상자 속에 들어 있는 완벽한 조각상처럼 보인다. (…) 하지만 이들에게서는 인간미라든가, 해결하지 못한 질문들이 아직도 남아 있다는 인식을 좀체 찾아볼 수 없다. 실제로 물리학은 인류가 시작하긴 했지만 결코 끝나지는 않을 탐구의 과정이다. (…) 교과서에 나와 있는 단순하기 짝이 없는 설명 때문에 각 개념의 과거와 미래를 보여 줄 온갖 구불구불하고 기이하고 매력 넘치는 길들이 제대로 드러날 수가 없다.”고 생각했기 때문이다.
이런 문제의식에서 출발한 이 책은 이론 설명을 중심에 둔 것이 아니라 이론이 만들어져 가는 과정, 그 속에 물리학자들의 삶을 녹여 내면서 생명력 있는 이야기로 그려 내고자 했다. 논문, 신문, 잡지, 책, 편지, 비망록 등 온갖 출처에서 나온 인용문들로 가득 찬 책이 된 것도 정확한 사실 기록과 생생한 묘사를 위해서였다. 그리하여 책 전체가 마주 보고 대화를 나누고 있는 것처럼 현장감을 뿜어낸다. 저자는 책 서두에서부터 ‘대화’의 중요성을 역설하면서 양자역학이 어떤 천재가 마술과도 같은 방정식을 풀어서 내린 결론이 아니라 숱한 천재 과학자들의 고뇌, 영감, 대립과 반목, 그리고 모색의 과정임을 보여 준다. 저자가 마치 과학자들 간의 대화에 끼어들어 각자의 이야기를 ‘중계’해 주는 듯한 서술 방식을 취한 것도 박제된 역사가 아니라 살아 있는 역사의 현장을 재현하고 싶어서일 것이다.
이런 방식은 특히나 여러 과학자들의 집단적인 협력과 동시에 반목의 결과이기도 한 양자역학의 참 모습을 진솔하게 그려 내게 했다. 다만 이해하기가 그리 만만치 않은 주제를 ‘생중계’ 방식으로 전개하다 보니 내용이 이리저리 얽히는 느낌이 들 수도 있다.
하지만 이 책은 일반 독자들을 양자역학의 세계로 발을 들여놓게 하기에 손색이 없다. 과학적 명제나 원리를 단순명쾌한 설명으로 이해하기보다는 이론을 둘러싼 위대한 과학자들의 고군분투 과정 속에 그려 내 재미있고 흥미진진하게 그리고 감동적으로 이야기에 빠질 수 있기 때문이다.
 
‘얽힘’ 현상을 파헤치고
실험물리학의 성과를 보여 주다
 
이 책은 20세기 가장 미묘하고 지적인 양자역학의 세계를 흥미롭고 정교하게 재창조한 서술 방식도 독특하지만 ‘얽힘(entanglement)’ 현상을 집중적으로 파헤친 책이라는 점도 큰 의미가 있다. 현재 양자역학에 관한 책은 많이 소개되어 있지만 양자 얽힘을 주제로 삼은 책은 참고할 만한 게 별로 없다. 또 기존에 양자역학을 다룬 책이 많기는 하지만 주로 코펜하겐 해석을 중심으로 양자역학을 설명하거나, 조금 더 나아가 코펜하겐 해석과 실재론자와의 대립을 다루는 정도에 그쳤다. 그런 의미에서 양자 얽힘이라는 주제를 전면에 내세움으로써 20세기 전반기의 양자역학의 전모와 국소적 실재론자와의 대립, 그리고 이 대립의 결과로 드러난 불가사의한 비국소성 즉 얽힘의 세계를 그려 낸 것은 이 책의 중요한 특징이다.
더불어 이 책이 20세기 중후반에 이루어진 신예 과학자들의 활약상, 특히 실험 물리학자들의 활약상에 상당한 비중을 할애하고 있다는 점도 색다르다. 양자역학을 둘러싼 20세기 전반기까지의 이론 대립에만 그치는 것이 아니라, 양자역학의 불완전한 해석에 만족하지 않고 도전장을 던진 데이비드 봄, 존 벨 등의 활약상과 실험 물리학자들이 양자역학을 실제로 검증해 나가는 과정이 구체적이고 생생하게 포착되어 있는 것이다. 그리고 이런 노력을 통해 양자역학이 단지 원리적으로 어떤 한계만을 정하는 이론이 아니라 양자 얽힘 현상의 발견, 이를 통한 양자 컴퓨터나 양자 암호 작성법 등 놀라운 응용 사례로 이어진다는 점을 보여 주는 것도 이 책의 미덕이다.

<추천사>

아주 재미있고 감격스러울 정도로 독창적인 과학의 역사…. 이 책은 과학의 주역들이 복잡다단한 개성으로 펼쳐 나간 흥미로운 삶을 되살려 낸다. 20세기 물리학을 다룬 대중적인 역사서 가운데 한 권으로 너끈히 자리 잡을 작품이다.  돈 하워드, 『네이처』
 
반짝거리는 독창적인 책. 길더는 이론과 인물을 독자에게 함께 전달하는데, 이는 미국의 물리학자 제레미 번스타인이 「뉴요커」에 소개한 과학계의 풍경을 생생하게 떠올리게 한다. 길더는 실험 물리학자들의 세계도 멋지게 그려 내고 있다.  피터 갤리슨, 「뉴욕 타임스 북 리뷰」
 
물리학의 골칫거리인 양자 얽힘의 역사를 재치 있고 매력적이고 정확하게 그려 낸 작품. 양자역학의 역사나 기초에 관한 책은 많다. 전문적인 책도 있고 역사적인 측면을 다룬 책도 있지만 길더만큼 독특하게 이 주제를 다룬 책은 없었다. 그녀는 이런 측면들을 종합적으로 묘사하면서 양자 얽힘이라는 현상 자체의 양자적 기이함에 초점을 두고 이 현상을 흥미롭고 알기 쉽게 소개하고 있다. 나를 사로잡은, 정말 마음에 드는 책이다.  조너선 P. 도울링, 『사이언스』
 
루이자 길더가 기품 있는 서술과 시적 열정 그리고 정곡을 찌르는 은유적 표현으로 얽힘의 이야기를 풀어놓고 있기에, 잠시나마 내가 양자역학을 이해했다고 여길 뻔했다.  매트 리들리, 『게놈』의 저자
 
루이자 길더는 지적 모험의 이야기에 새로운 생명을 불어넣어 그 주역들을 생생하게 살려 낸다. 심오하고 아름답고 아주 독창적인 책이다.  조지 존슨, 『세상의 비밀을 밝힌 위대한 실험』의 저자 

<차례>
 
삽화 목록—9
독자에게 드리는 글—10
들어가며: 얽힘—19
1 베르틀만의 짝짝이 양말 1978년과 1981년—27
 
논쟁 1909~1935년
 
2 양자화된 빛 1909년 9월~1913년 6월—51
3 양자화된 원자 1913년 11월—62
4 종잡을 수 없는 양자 세계 1921년 여름—75
5 시가전차에서 1923년 여름—89
6 빛 파동과 물질 파동 1923년 11월~1924년 12월—108
7 영화관에 간 파울리와 하이젠베르크 1925년 1월 8일—122
8 헬고란트의 하이젠베르크 1925년 6월—132
9 아로사의 슈뢰딩거 1925년 크리스마스~1926년 새해 첫날—144
10 당신이 관찰할 수 있는 것 1926년 4월 28일 그리고 여름—150
11 괴상하기 짝이 없는 양자 도약 1926년 10월—163
12 불확정성 1926년 겨울~1927년—175
13 솔베이 회의의 라이벌 1927년—190
14 회전하는 세계 1927~1929년—198
15 솔베이에서 다시 만난 아인슈타인과 보어 1930년—211
막간의 이야기: 붕괴 1931~1933년—219
16 실재에 대한 양자역학적 설명 1934~1935년—256
 
탐색 그리고 고발 1940~1952년
 
17 프린스턴에 날아든 소환장 1949년 4월~6월 10일—303
18 전쟁 중의 버클리 대학 1941~1945년—310
19 프린스턴의 양자론 1946~1948년—321
20 강의를 정지시킨 프린스턴 1949년 6월 15일~12월—329
21 양자론 1951년—333
22 숨은 변수 그리고 도망 1951~1952년—337
23 브라질에서 만난 봄과 파인먼 1952년—347
24 전 세계에서 온 편지들 1952년—358
25 오펜하이머에 맞서다 1952~1957년—368
26 아인슈타인의 편지 1952~1954년—372
봄 이야기에 덧붙이는 에필로그 1954년—378
 
발견 1952~1979년
 
27 변화의 물결 1952년—387
28 불가능 증명을 통해 증명된 것 1963~1964년—393
29 약간의 상상력 1969년—415
30 결코 단순하지 않은 실험물리학 1971~1975년—446
31 설정이 바뀌다 1975~1982년—467
 
얽힘 현상의 전성기 1981~2005년
 
32 슈뢰딩거 100주년 1987년—483
33 셋까지 세기 1985~1988년—489
34“‘측정’에 반대하여”1989~1990년—498
35 이것이 실질적인 용도로 쓰일 수 있다는 말인가? 1989~1991년—512
36 새로운 밀레니엄을 맞으며 1997~2002년—518
37 어떤 불가사의, 아마도 1981~2006년—532
에필로그: 다시 비엔나에서 2005년—541
용어 설명—551  보충 설명—564  주—569  참고문헌—676  감사의 말—691  찾아보기—696