상대성이론과 더불어 현대물리학의 두 기중을 이룬다고 알려진 양자역학은 그 난해성으로 유명하다. 이는 양자역학 자체가 가지는 “비논리성” 때문이다. 우리의 선조로부터 이어온 인간의 제한된 경험은 우리를 ‘양자역학 세상’과 동떨어지게 만든다. 분명 양자역학은 인간이 사는 세상을 설명하는 학문이지만, 같은 세상을 전혀 다르게 인식하고 묘사하는 양자역학을 보자면 우리에게 전혀 생소한 외계어라고 느껴질 수밖에 없다.
양자역학을 처음 접한 이들에게 이 외계어는 완전히 생소하고 전혀 이해가 가지 않는 말에 불과하다. 살아있는 동시에 죽어있는 ‘슈뢰딩거의 고양이’라든지, 하나의 물체가 여러 곳에 동시에 있다든지, 멀리 떨어져 있는 두 물체가 곧바로 상호작용을 한다든지...와 같은 이야기를 들으면 흥미롭기는 하지만 난해한 것은 마찬가지다. 세상에 양자역학을 제대로 이해하는 사람은 몇 안된다는 이야기도 있는데, 평범한 우리가 양자역학이 무엇인지 감이라도 잡을 수 있을까.
이 책은 인간이 양자역학을 이해하기 힘든 이유를 설명하는 것으로 시작한다. 저자인 최강신 교수는 상대성이론을 다룬 전작 『빛보다 느린 세상』에서와 마찬가지로 하나의 (사고)실험 결과에 대한 차분한 접근을 통해 그 현상을 과학적으로 인식하고 해석한다. 이 실험의 특징은 보이는 것만을 인정한다는 것이다. 볼 수 없는 것을 어설프게 표상화하지 않고 받아들일 수 밖에 없는 것만으로 논리를 전개시킨다. 한걸음씩 걸음마를 떼어가듯 나아가는 이 사고실험 과정에서 독자는 모르는 것과 이해할 수 없는 것이 무엇인지 구체적으로 알게 된다. 여기서부터 새로운 이해가 시작된다. 이 세상을 설명하는 새로운 인식 체계가 시작된다.
책의 1부를 통해서 독자는 양자역학이 다루는 것이 무엇이고 그 난해함이 어디에서 비롯되는지를 파악할 수 있다. 이후 2부에서는 파동을, 3부에서는 양자역학의 측정과 해석 문제를 다루고, 4부에서는 편광에 대하여, 5부에서는 얽힘에 대하여 알아본다. 각각의 장의 난이도는 다르지만, 중첩이나 간섭, 얽힘 등 양자역학을 논하는 데에 있어 빠지지 않고 등장하는 모든 개념을 조금 더 쉽게 설명하기 위해 노력했다.
1부의 목표는 양자역학을 직관적으로 이해할 수 없다는 것을 읽는 이들에게 납득시키는 것이다. 실제 실험을 통해 파동이 무엇인지, 입자가 무엇인지를 파악하고, 왜 양자역학에서는 파동과 입자를 구분할 수 없게 되는지를 살펴본다. 양자역학적 효과를 살펴보고 양자역학이 설명하고자 하는 것을 정리하여 독자를 본격적인 양자역학 세상 입문에 대비시키는 것이다.
이 책이 가지는 또 다른 특징 중 하나는 되도록 표준 해석이라고 여겨지는 코펜하겐 해석에 의존하지 않았다는 것이다. 측정과 해석에 대한 새롭고 꼼꼼한 접근을 통해 독자는 양자역학에 접근하는 새로운 방식을 익힐 수 있게 된다. 따라서 양자역학을 처음 접하는 초심자에게는 양자역학이 어떻게 세상을 기술하는지를 설명하고, 양자역학을 표준 해석에 따라 익힌 이들이게는 새로운 해석 방식을 제공할 수 있게 했다.
흔히 양자역학을 미시세계에서만 일어나는 현상의 확률적 기술이라고 생각하지만 저자는 양자역학이 거시세계를 인과론적으로 설명할 수 있다고 이야기한다. “우연에 가려진 세상”은 어떤 얼굴인지, 저자의 안내에 따라 이해할 수 있는 것부터 이해하고 넘어가다 보면, 어느새 독자는 양자역학의 사유 구조 언저리에 도착해 있을 것이다.

이론물리학을 전공하고, 끈이론이 이 세상을 구체적으로 어떻게 설명하는지를 연구하고 있다. 서울대학교 물리학과에서 공부하고 본대학교, 교토대학교, 한국고등과학원, 캘리포니아대학교 어바인에서 연구했다. 이화여자대학교 부교수로, 스크랜튼학부에서 학생들과 함께 공부하고 있다. 지은 책으로 『빛보다 느린 세상』과 『우연에 가려진 세상』이 있다.

들어가는 이야기: 운동의 문제

1부 이상하고 아름다운
1. 가장 아름다운 실험
2. 실험 결과를 물결로 계산할 수 있다
3. 물체가 두 곳을 동시에 지나가는 것일까?
4. 확률 해석
5. 결정론적 세계에서의 확률
6. 측정 문제와 코펜하겐 해석
7. 입자와 파동의 구별이 없어졌다

2부 파동의 이해
8. 파동
9. 파동은 더해진다. 겹실틈 무늬의 해석
10. 파동은 장애물을 에돌아간다
11. 빛 한 개, 근본적인 파동
12. 파동함수
13. 파동의 변화를 말해주는 슈뢰딩거 방정식
14. 양자

3부 슈뢰딩거의 고양이는 살아있을까
15. 슈뢰딩거의 고양이
16. 측정 문제
17. 보고 싶은 것만 볼 수 있다
18. 불확정성 원리: 두 성질 사이의 긴장 관계
19. 여러 세계 해석
20. 길잡이파 해석
21. 겹실틈의 어디를 지나가는가

4부 편광, 더 단순한 세상
22. 편광
23. 편광을 설명하는 방법
24. 광자 하나의 편광
25. 광자의 편광을 이야기할 때 생기는 문제

5부 얽힘, 그리고 실재에 대한 도전
26. 얽힘
27. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 제안
28. 벨 부등식과 실험
29. 양자역학의 성공
30. 실재에 대한 도전
31. 양자 정보

부록 자세한 이야기
32. 우리는 전자를 보았을까
33. 파동의 간섭, 푸리에 정리, 불확정성 원리
34. 입자와 파동을 한꺼번에 다루는 해밀톤 역학
35. 전자는 모든 곳으로 간다

용어 설명
참고자료
주석