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과학] 직감하는 양자역학

양자컴퓨터를 만들고 있는 세상에서

그 양자란 것이 뭐길래

양자컴퓨터가 만들어지면

지금의 인공지능보다 더 뛰어난 인공지능이 나온다는 것일까?

양자에 대한 호기심으로 이 책의 목차를 살피니

고전 물리부터 시작해서

양자를 어떻게 발견하게 되었고

그 양자가 무엇인지 알려

그 양자를 어떻게 활용할 수 있는지 알려주는 내용이라

이 책을 펼쳐보게 되었다.

머리말에도 있는데 내용으로도 또 한번 언급되고

책의 각 장마다 있는 명언인데 그곳에서도 등장한 내용이라면 중요한 내용인거 같다.

우리가 보고 있는 세상은

우리의 오감이 처리한 '측정'을 근거로 그려낸

상상도이다.

기존의 고전 물리학으로

이해되지않던 해결되지 않던 문제들을

양자의 발견으로 인해

우리의 선입견이 해제되고

불확정성 관계에 대해 새로운 방법들이 나오게 되었다.

양자의 발견으로 그 양자를 통해

다양한 방법들을 연구하게 되었고

장비의 발달도 함께 하게되어

자연현상 배후의 양자의 특성에 대한 지식에서

그 양자 이론을 직접 사용하는 계산기인 양자 컴퓨터까지 발전되었다.

정말 신기한거 같다.

행렬과 벡터를 시작으로 여러 발전을 거쳐

고전적인 숫자 표현 방법에서 벗어나서

정수를 양자론적으로 표현하는 양자 계산의 아이디어가 나온것이다.

0과 1에서 0과 1의 중첩상태인 '양자비트'를 기본으로 해서

중첩상태와 얽힌 상태를 제어해서 정수를 다루는 양자계산!

이를 통해 고전비트에서 다루던 정보를

차원이 다른 수준으로 더 많이 보존할수 있게 된다.

그래서 이 양자계산을 우주의 근원적인 물리법칙을

직접 사용한 계산으로도 볼 수 있다.

왜 양자컴퓨터가 등장하면 지금의 인공지능에서 풀 수 없던

문제들을 풀 수 있다고 기대하는지 어렴풋이 알게 되었다.

방대한 수학적 물리적 지식들로 인해

한페이지 한페이지 넘기는 것이 쉽지 않았지만

그래도 끝까지 읽어나가다보니

양자라는 것이 어렴풋하게 그려진다.

물론 양자컴퓨터가 무조건 고전컴퓨터보다 좋은것은 아니다.

딥러닝이 나왔다고 그 이전의 규칙기반 시스템이나

머신러닝이 사라지지 않은것처럼

각자 잘하는 영역이 다른것이다.

고전컴퓨터로 처리하는 것이 더 빠른 경우가 있고

고전알고리즘으로 해결하는데 방대한 시간이 걸리는

문제의 계산 횟수를 크게 줄여주는 양자 알고리즘의 엉역이 있다.

문제와 알고리즘에 따라 더 잘하는 아이를 사용하면 된다.

파인먼의 이 명언이 위로가 된다^^;

한번 읽어서는 대략 느낌만 알게 된거 같다.

아예 몰랐는데 이젠 설명은 잘못하겠지만

혼자만의 생각으로 이런거인가 라고

느낌적으로 알게 된거 같다

좀더 반복적으로 읽다보면 설명하능한 나의 지식이 되지않을까 기대해본다^^*

뒤에 더 깊은 양자 공부를 위한 9가지 수학 개념도 소개하고 있는데

음..아직 내겐 조금 어려운 내용 이였다ㅜㅜ

하지만 양자를 좀더 심도있게 공부하고자 하는 이들에겐 도움이 될꺼 같다

양자컴퓨터에 대해 궁금하거나

양자에 대해 알아보고자 하는 이들에겐

전반적인 개념과 함께

어떤 부분을 더 깊이 있게 공부해야할지 알려주는

방향성을 제공해줄만한 책인거 같다.

제목을 정말 잘지은거 같다.

이해되고 정의로 개념 잡히는 양자역학이 아닌

직감적으로 양자역학을 알게 해주는 책이다

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출판사로부터 도서를 제공받아 작성한 리뷰입니다
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#과학 좋아하는 사람이라면, 절대 빼 놓을 수 없는 이야기 중 하나가 바로 양자역학일 것이다. 양자 터널링, 양자 얽힘과 같은 #양자역학 이야기를 듣고 있으면, 마치 마법과 같다는 생각마저 들게 한다. 게다가 최근 첨단 과학 기술들을 보면, #양자컴퓨터, 양자 반도체, 양자 현미경, 양자 암호, 양자 레이더 같이 양자라는 단어를 붙이는 게 유행이란 생각이 들 정도다 보니, 양자역학을 좀 더 알고 싶어 지게 만든다.

나 역시도 과학 이야기를 무척 좋아하는 사람이라, 홀로그램 우주, 다중 우주 같은 각종 우주론이며, 시간과 차원에 대한 이론과 함께 #양자이론 같은 책을 즐겨 보고 있다. 이번에 본 #직감하는양자역학 역시도 매우 재미있게 본 책이다.

특히 '직감하는 양자역학'은 기존에 봐왔던 양자 역학 책들과는 많이 달랐다. 다른 책들은 양자 이론이 워낙 난해하다 보니, 주로 과학사 위주의 스토리거나, 실험과 현상 위주로 다루는데, 이 책은 아예 수학적으로 양자역학을 접근하고 있다.

우선 양자의 세계가 얼마나 다른 지 알기 위해, 고전 물리의 세계관부터 알아본다. 위치의 개념에 벡터를 생각해 보고, 속도의 개념에 미적분을 말한다. 이런 것들은 우리가 바로 체감할 수 있는 것이기에 전혀 의문 없이 받아들이는 물리현상이다. 100층이 1층 보다 높다는 것처럼 바로 직감할 수 있는 게 고전 #물리 세계라는 것이다.

여기서 한 단계 나아가, 고전 물리 세계에서 벗어나게 한, 빛의 입자성, 파동성 이야기가 등장한다. 간섭 실험, 광전효과 같은 것은 다들 아는 얘기일 것이다. 그러나 '직감하는 양자역학'에서는 여기서도 접근이 다르다. 가시광선의 범위 얘기와 함께, 진동수와 확률을 통해 빛의 문제를 설명한다. 전에 봐왔던 뻔한 얘기가 아닌 것이다. 색이 보이는 이유, 1.5V 건전지 전압, 불꽃 놀이, 별이 보인다는 의미를 통해 광자와 전자가 양자일 수 밖에 없는지 알게 해준다. 재미있으면서 명확한 설명이었다.

그리고 양자를 표현하는 수 많은 방법 중에 여기서는 하이젠베르크의 #행렬역학, 슈뢰딩거의 #파동역학, 파인먼의 #경로적분, 이 세 가지를 대표적으로 설명하고 있다. 같은 양자를 대상으로 하는데, 너무나도 다른 방법들이다. 하나는 위치와 운동량을 시간에 따라 행렬로 표현했고, 어떤 건 벡터가 움직이는 파동으로, 또 다른 건 동시에 통과하는 모든 길로 생각했다. 같은 양자를 이렇게 다르게 볼 수 있다는 게 그저 놀랍다.

그 밖에 페르미온과 보손, 스핀 이야기를 통해, 도체와 절연체의 원리도 알아보고, 우리가 많이 쓰는 플래시 메모리의 개념, 주사형 터널 현미경의 원리도 알아본다. 물론 양자컴퓨터 이야기도 빠지지 않고 나온다. 두껍지 않은 책인데, 툭툭 던져진 내용을 통해 몰랐던 새로운 것들을 많이 알게 되었다. 양자역학을 그저 신기한 존재로만 봤는데, 각종 이론들이 이미 우리 생활 곳곳에서 쓰이고 있는 것을 알 수 있었다.

'직감하는 양자역학'을 보고 있으면, 이야기 흐름이 꼬리에 꼬리를 무는 형식으로 연결되어 있음을 알 수 있다. 그렇기 때문에 가급적 순서대로 보는 것이 좋다. 게다가 책에 나온 수학들이 앞에 것들과 연결되어 있으므로 더욱 더 그렇다.

양자역학을 수학으로 접근하다 보니, 당연히 수학이 많이 등장한다. 어려워 보이는 공식도 나오고, 처음 보는 기호에 수식도 등장한다. 아예 부록에 '더 깊은 양자 공부를 위한 9가지 수학 개념'이라고 수학만 나온 파트도 있다. 이 때문에 많은 사람들이 이 책을 보고 좌절하는 거 같다. 도통 뭔지 모르겠다고 한다. 수학이 전공인 나도 모르는 부분이 많은데 타 전공자는 당연한 거다.

그런데 책을 읽어 보면 알겠지만, 저자가 의도하는 것은 수학 식을 증명하고 풀고 그러라는 것이 아니라 생각한다. 양자이론을 풀어낸 이야기로만 접하지 말고, 보다 구체적인 형태의 수학으로도 한번 만나 보라는 의도일 것이다. 이를 통해 공식이 말하는 것이 무엇인지 개념을 올바르게 이해하고, 고전 물리 세계와 다른 양자역학의 세계도 책 제목처럼 바로 직관할 수 있는 안목을 갖추라는 것이다.

사실 고만고만한 책만 봐서는 발전이 없다. 무엇이든 제대로 알려면, 조금씩 단계를 높일 필요가 있다. 그런 면에서 이 책은 다음 단계로 가기 위한 교두보 역할을 하고 있다 생각한다. 과학을 좋아하고, 살짝 매콤한 양자역학을 만나 보고 싶다면, '직감하는 양자역학'을 추천해 본다.

복잡한 수식 없이 양자역학을 직감하는 방법이 있을까? 물리 교양서를 아무리 많이 읽어도 비전공자들은 한계에 부딪히기 마련이다. 양자역학은 고약하게도 고도의 수학이 아니면 참모습을 드러내지 않기 때문이다. 이 책은 양자의 눈으로 세상을 바라보고 이해하는 직감을 기르자는 도발적인 제안을 한다. 양자와 관련해 올바른 경험을 꾸준히 쌓는다면 직감이 생기고, 이 직감으로 복잡한 수식과 논리를 넘어 양자역학을 이해하는 길이 열린다고 말이다. 이 책은 양자를 올바르게 경험하는 첫걸음이 된다.'

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모르겠다! 무슨 말을 하는 거야?’

아마 이것이 솔직한 감상일 것이다. 지극히 당연한 반응이며, 양자를 다루는 학문인 양지역학에서는 이런 ‘모르겠다’는 말이 항상 따라다닌다.

들어가는 글 - p. 8

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양자역학. 단어를 듣기만 해도 쉽진 않아보인다. 양자역학은 내가 (예비)과학 전공자이고 양자역학도 예전에 관심있어서 종종 찾아봤음에도 완전히 이해되지 않은 것들 중 하나다. 아마 대학까지 전공한 진짜 전공자분들이 봐도 이해가 어려운 게 아닐까? 이 책에도 언급되듯 말이다.

그런데 이 책은 그 어려운 양자역학을 어려움 물리/수학 공식을 최소화한 상태로 이해할 수 있게 돕는다. 믿기지 않는다고? 나도 읽기 전까진 믿을 수 없었다. 하지만 흔한 고등학생인 나를 믿고 읽기 시작해보시기 바란다. 일단 읽고 나면, 이 책의 1/3쯤 읽었을 때 쯤이면 이미 당신은 양자역학의 세계에 빠져 허우적거리고 있으리라 장담한다. 츄라이츄라이.

이 책은 내가 이해한 건 맞는 것 같은데 도저히 설명하긴 엄두가 나지 않는 책이다. 내용 자체도, 설명하는 방식도 분명 교양서보다는 깊이 있는 내용을 다뤄 어려운데, 학교에 놓인 선배들의 교과서 속 양자역학보단 쉬워 보인다. 그 덕분일까? 양자역학은 이제 마냥 어렵기만 하고 찾아보다가도 금세 어려워지거나 질려서 나중으로 미뤄놓고 찾아보길 그만두게 되는 주제는 아니게 되었다.

만일 이 글을 읽고 있는 당신이 양자역학에 관심이 있거나, 양자역학에 대해 알아야 할 상황이 되어서 이 글을 읽고 있다면 이 책을 읽어보기를 권한다. 분명 상상한 것보다는 쉽지만 그렇다고 쉬운 건 아닌 설명하기 어려운 양자역학이 당신을 기다리고 있을 것이다.

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출판사로부터 도서만을 제공받아 주관적으로 작성한 글입니다.

제목 : 직감하는 양자역학_미쓰우라 소 (책콩서평)

독서기간 : 2022.10

＜서평＞

이 책 "직감하는 양자역학"은 제목 그대로 양자역학이란 무엇인가에 대해 비전공자에게 쉽게 알려주기 위한 개념서이다. 부제 "우주를 지배하는 궁극적 구조를 머릿속에 바로 떠올리는 색다른 물리 강의"처럼 양자란 당장의 내 자신, 크게는 지구를 비롯한 전 우주를 구성하는 최소 단위로써 과학 기술의 발달로 관측 기구의 고도화에 따라 원자의 발견과 이후 원자를 분해하니 전자와 원자핵, 그리고 원자핵은 또다시 양성자와 중성자. 그리고 이들의 성질은 입자 덩어리이자 파동의 움직임인 즉, 양자이다.

사실 이 책을 읽고 나서도 "양자"가 무엇인지 잘 모르겠다. 그렇지만 책의 제목과 서두에서 언급한 것처럼 "직감"을 키워야 한다.

p69. "빛과 전자와 같은 존재를 오감으로 기른 개념으로 표현할 수 없다는 것을 의미한다." 란 문구에서처럼 이 책을 단순히 읽기만 해서는 이 분야의 전문도 아니며 뿌리깊은 문과생이었던 나로써는 이 양자와 양자역학이라는 개념을 눈감고 코끼리를 만지는 것보다도 훨씬 더 대강만 알 수 있을 뿐이다.

다만 이 책의 목적은 단순하다. 바로 이러한 이론을 머릿속으로 떠올려 정리할 수 있는 직감을 키우도록 도와주는 것이다. 양자가 무엇인지, 내가 중, 고등학교에서 배웠던 뉴턴의 고전물리학이 정확하지 않다는 점과 특히 최근의 과학의 발달은 기존 과학자들이 발견한 자연 현상과 이를 구성하는 물질에 대한 이론은 전혀 틀렸다는 점과 이러한 이론으로 머리가 굳어있는 우리들에게 전혀 새로운 이론으로 색칠하기 위해 상당한 애를 쓰고 있다. 최대한 쉽고 재미있게 말이다.

솔직히 책을 읽는 내내 어려움에 봉착했다. 전혀 이해하지 못했음에도 나 자신을 속이며 이해한 척하며 페이지를 넘기는 나를 보고 있자니 한심하게 느껴지기도 했고, 전공자가 아니기 때문에 책 중반부터 나오는 공식들은 내 머리를 더욱 아프게 했다. 왜 공대생들이 전공책을 불살라버리고 싶다고 했는지 새삼 이해가 간다. 하지만 우리가 기존에 알았던 모든 기초과학이 양자라는 것을 이해하지 않는다면 과연 올바르게 이해하고 있는 것일까? 나는 그렇지 않다라고 생각한다. 나를 둘러싼 모든 사물과 현상은 그 나름대로 원인과 결과가 있는 것이고 나는 그러한 것들을 쉬이 당연하게 넘기고 싶지 않다. 머리가 복잡하고 생각이 많아질지언정 당연하지 않은 것을 당연히 넘기는 것만큼 가여운 게 있을까 

다시 말하지만 이 책은 나와 같은 오리지널 문과생에게는 너무 어렵다. 사실 다시 읽어도 이해하기 어려울 것이다. 하지만 이러한 책은 모든 현상에 대한 최소한의 의문이자 이해이기에 이런 책은 우리의 삶을 보다 밀도 높게 채워주는 중요한 양분이 될것이다.

＜이 글은 출판사로부터 도서를 협찬받아 주관적인 견해에 의해 작성했습니다.＞

과학에 관심이 많고.

물리학에 관심이 많고.

특히나 양자역학에 대해 알고 싶은데...

도통 뭔 소리인지...

20세기의 천재 과학자로 꼽히는 리처드 필립 파인먼도 양자역학을 강의하면서 이런 얘기를 했다고 하지 않은가.

"양자역학을 제대로 이해한 사람이 세상에 아무도 없다는 사실만큼은 자신 있게 말할 수 있다."

맞아!

직관으로 이해할 수 없는 게 사실인가 보다!

그럼 어떻게 해야 할까...?

'마쓰우라 소'는 양자역학을 감각적으로 체득하자고 말하였습니다

복잡한 방정식과 논리를 넘어

물리학자의 직감적 이해에 도달하라!

정말 직감적으로 파악하고 이해할 수 있을까?

여전히 의문스럽지만 책을 읽고 나면 뭔가 알게 되지 않을까...

평범한 상식과 직감을 버리고

새로운 양자 직감을 익히는 지적 모험

『직감하는 양자역학』

우선 우리의 일상적인 세계관이 얼마나 깊이 고전물리학에 뿌리내리고 있으며, 양자가 고전물리학에서 얼마나 떨어져 있는지를 분명히 하기 위해 뉴턴역학의 토대를 받치는 견해를 설명하고 있었습니다.

가상 입자인 질점의 정해진 위치에서 운동량을 구하면 질점의 그다음 위치와 속도를 알 수 있는, 너무나 당연하며 우리가 직감적으로 이해하는 세계 인식과도 부합합니다.

여기까지는 너무나도 잘 알고 이해도 되고 스스로 뿌듯함도 느끼게 되지만...

양자역학에서는 이 상식이 여지없이 무너지게 됩니다.

와르르...

양자는 입자인가 파동인가

양자를 접하게 되면 한 번은 마주하게 되는 의문이지 않나.

사실 이에 대한 논쟁도 양자라는 존재를 입자나 파동과 같이 오감으로 익힌 개념에 억지로 끼워 맞추려고 해서 발생한 혼란이라는데...

그렇기에 우리는 기존 틀로는 양자를 표현할 수 없다는 사실을 적극적으로 인정하고, 양자를 올바르게 표현하는 경험을 쌓아야 함을 일러주었습니다.

그래야만 '양자의 직감적 이해'에 도달할 수 있기에.

이것은 결국, 이런 일상이 정말 일상으로 남으려면, 그리고 우리가 세상을 이렇게 인식하려면 빛과 물질이 입자인 동시에 파동인 양자여야 한다는 뜻이다. 일상 풍경에 양자의 모습이 확실하게 담겨 있다고 느낄 수 있겠는가?

세상의 근본에 양자가 있다고 알게 된 지금, 세상을 이해하고 싶으면 양자가 어떤 원리에 근거해서 움직이는 존재인지 시선을 돌리지 말고 바라봐야만 한다. - page 92

양자역학에는 여러 모습이 있었습니다.

행렬로 표시한 위치와 운동량이 변화하는 행렬역학

상태 벡터가 파동처럼 전하되는 파동역학

입자 한 개가 가능한 모든 경로를 동시에 통과하는 경로적분

이 외에도 입자가 노이즈 속을 통과한다고 생각하는 확률과정 양자화, 파일럿 파 이론 등 다양한 양자역학이 있었습니다.

이를 비유한 그림이 있었는데 '양자역학'이라는 산을 다른 위치에서 바라볼 때 보이는 풍경.

양자의 운동이란 행렬의 운동이며, 파동함수의 운동이며, 가능한 모든 경로를 통과하는 입자의 운동이지만, 그 어느 것도 아니다.

이제는 이 말의 뜻을 이해할 것 같은... 왠지 모를 뿌듯함이...

조금씩 '양자역학'의 맛을 느끼게 되었다고 할까.

양자가 발견되고 100년 정도가 지난 지금.

우리는 양자역학을 기반으로 한 과학기술에 둘러싸여 살고 있습니다.

그렇다면 '양자'에 대한 이해야말로 우리의 일상 세계에 대한 이해가 아닐까.

양자로 세상 바라보기!

흥미로운 세계가 무궁무진 펼쳐져 있었습니다.

출판사로부터 도서를 제공받아 작성한 리뷰입니다.