세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자전기역학 : 선형대수학의 역사부터 파인먼 다이어그램까지

선형대수학의 역사부터 파인먼 다이어그램까지
양자역학을 쉽게 이해시키고자 애쓴
천재 물리학자 파인먼과 그의 혁명적 논문 속으로!

■ 책 소개

양자전기역학의 창시자인 천재 물리학자 파인먼의 생애와 논문을 탐구하다

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 14번째. 이 책에서는 양자전기역학의 창시자 중 한 명인 리처드 파인먼의 양자전기역학 논문과 그의 생애를 집중 탐구한다.
서두에서는 1979년 노벨 물리학상을 수상한 셸던 글래쇼 박사와의 가상 인터뷰로 시작하여 책 내용의 흐름을 개괄적으로 파악하도록 했다.
파인먼의 논문에서는 반입자의 존재를 예언한 폴 디랙의 새로운 벡터 기호인 브라켓이 쓰였다. 이것을 이해하기 위해서는 선형대수학이라는 수학의 한 분야가 필요한데 1장에서 선형대수학의 역사를 소개했고, 2장에서 브라켓 기호를 자세히 설명했다.
3장에서는 파인먼의 생애와 함께 양자역학을 새로운 방법으로 설명한 경로 적분 아이디어와 그 계산을 다루었다. 4장에서는 양자전기역학에 앞서 등장한 양자장론과 그것을 만든 물리학자들을 소개했고, 양자전기역학의 또 다른 창시자이자 노벨 물리학상 수상자인 슈윙거와 도모나가 신이치로에 대해서도 살펴보았다. 마지막으로 파인먼의 양자전기역학 논문을 수식을 줄여서 다루었고, 대학원 수준의 양자전기역학을 쉽게 이해하게 만든 파인먼 다이어그램을 소개했다.
부록에는 책의 주 내용을 이루는 디랙과 파인먼의 논문 영문본과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 이해를 도왔다.

[노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학] 전20권
1권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 특수상대성이론
2권 마리 퀴리(1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상) – 방사선과 원소
3권 플랑크(1918년 노벨 물리학상) – 양자혁명
4권 보어(1922년 노벨 물리학상) – 원자모형
5권 하이젠베르크(1932년 노벨 물리학상) - 불확정성원리
6권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 브라운 운동
7권 왓슨과 크릭(1962년 노벨 생리의학상) - DNA 구조
8권 디랙(1933년 노벨 물리학상) - 반입자
9권 찬드라세카르(1983년 노벨 물리학상) - 별의 물리학
10권 바딘/브래튼/쇼클리(1956년 노벨 물리학상) - 반도체 혁명
11권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 일반상대성이론
12권 유카와 히데키(1949년 노벨 물리학상) - 핵물리학
13권 폴링(1954년 노벨 화학상, 1962년 노벨 평화상) - 양자화학
14권 파인먼(1965년 노벨 물리학상) - 양자전기역학
15권 피블스(2019년 노벨 물리학상) - 우주팽창(출간 예정)
16권 글라우버(2005년 노벨 물리학상) - 양자광학(출간 예정)
17권 홀데인(2016년 노벨 물리학상) - 양자물질(출간 예정)
18권 하셀만(2021년 노벨 물리학상) - 기후 물리(출간 예정)
19권 차일링거(2022년 노벨 물리학상) - 양자정보(출간 예정)
20권 겔만(1969년 노벨 물리학상) - 쿼크모형(출간 예정)




■ 차례

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
양자전기역학의 창시자 파인먼 _글래쇼 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 선형대수학의 역사
선형연립방정식 _고대의 연구 기록
크라메르의 공식과 가우스 소거법 _연립방정식의 새로운 해법 발견
행렬의 등장 _직사각형 모양으로 수 배열하기
벡터의 탄생 _오래 누워 있는 습관 덕에
그라스만의 벡터 공간 _체를 이루는 조건

두 번째 만남 | 디랙의 양자역학
디랙 브라켓의 탄생 _벡터를 표현하는 또 다른 기호
코시 적분 _새로운 적분 공식
디랙 델타 함수 _디랙이 만든 함수의 성질
하이젠베르크-보른-요르단-슈뢰딩거의 양자역학 _양자역학의 탄생 과정
양자역학의 위치 상태와 운동량 상태 _전자의 위치와 운동량

세 번째 만남 | 파인먼의 경로 적분
파인먼의 생애 _수학 천재의 사랑과 도전
파인먼의 아이디어 _양자역학을 새롭게 이해하는 이론
하위헌스의 원리 _과거의 정보로부터 현재가 결정되다
경로 적분 _전자를 발견할 확률 구하기
경로 적분을 구하는 방법 _모든 가능한 경로에 대해
전파인자의 계산 _전자가 힘을 받지 않는 경우와 힘을 받는 경우

네 번째 만남 | 양자전기역학
양자장론을 만든 물리학자들 _포크, 요르단, 위그너
양자장론 _입자의 생성과 소멸에 대한 이론
양자전기역학의 창시자 _슈윙거와 도모나가 신이치로
양자전기역학 _파인먼 다이어그램을 이용하여

만남에 덧붙여
A New Notation For Quantum Mechanics _디랙 논문 영문본
Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics _파인먼 1 논문 영문본
Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics _파인먼 2 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다


■ 출판사 리뷰

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상 논문 영문본 수록

대학원 석사 수준의 물리학에 쉽고 재밌게 접근하다

이 책은 양자전기역학의 창시자 중 한 명인 파인먼의 1949년 논문에 초점을 맞추었다. 또한 이 논문이 나올 수 있게 한 파인먼의 경로 적분에 대한 논문도 다루었다.
양자전기역학을 이해하려면 양자장론을 알아야 한다. 여기서는 양자장론을 일반 독자도 쉽게 이해할 수 있을 만큼만 다루었다. 사실 양자장론은 입자 물리 전공 대학원생들이 힘들어하는 과목 중 하나다. 그 이유는 엄청나게 많은 수학이 사용되기 때문이다.
먼저 양자장론의 기초를 다지기 위해 디랙이 도입한 새로운 벡터 기호인 브라켓 기호를 재미있게 소개했다. 또한 양자역학이 선형대수라는 수학의 기초 위에 만들어졌으므로 선형대수의 역사를 다루어 보았다.
마지막으로 양자전기역학에 대한 파인먼의 논문은 수식보다는 그림(파인먼 다이어그램)으로 이해하는 방향으로 마무리했다. 원래의 논문을 이해하려면 복소함수론, 그린 함수 이론과 같은 복잡하고 난해한 수학을 공부해야 하기 때문이다. 독자의 이해를 돕기 위해 이 시리즈의 《양자혁명》 《원자모형》 《불확정성원리》 《반입자》를 더불어 추천한다. 이 책을 통해 독자들은 양자전기역학의 신비에 푹 빠질 수 있을 것이다.


난해하기에, 그래서 더욱 쉽게 이해시키고자 애쓴 천재 물리학자 파인먼

“양자역학이 무엇인지 이해했다고 말하는 사람이 있다면, 그것은 새빨간 거짓말이다.” -리처드 파인먼
고전전기역학에서는 빛을 전자기파라는 파동으로 다룬다. 반면 양자전기역학에서는 빛을 광자라는 이름의 양자로 본다. 양자의 세계에서 모든 입자는 양자가 된다. 전자도 양자이다. 양자전기역학은 두 종류의 양자, 즉 광자와 전자의 상호작용을 다루는 물리학이다.
소립자물리학 전공자는 대학원 석사 과정에서 양자전기역학을 배운다. 복잡한 계산식을 써야 하는 이 어려운 학문에 파인먼은 이해하기 쉽게 그림을 도입했다.
파인먼 다이어그램은 공간과 시간을 축으로 입자의 경로와 상호작용을 간단히 나타낸 것이다. 파인먼의 아이디어는 양자전기역학의 이해를 도왔고, 비약적인 발전에 이바지했다.
양자역학을 쉽게 이해시키고자 애쓴 천재 물리학자 파인먼과 그의 탁월한 논문을 파헤쳐 보자!


리처드 파인먼을 비롯한 동시대 노벨 물리학상 수상자들을 함께 만나다

이 책은 주인공 파인먼의 양자전기역학 논문뿐 아니라 그의 생애와 연구, 교육 활동들을 상세히 소개한다. 파인먼은 어릴 때부터 기존 사고방식에 도전하는 것을 즐겼다고 한다. 그는 대학 시절 양자역학을 공부하며 경로 적분 아이디어를 떠올렸다. 이것은 양자역학을 새롭게 이해하는 이론이 되었다.
파인먼은 유머 감각 또한 출중했는데, 맨해튼 프로젝트를 진행하던 로스앨러모스 연구소의 무료한 일상 가운데 동료들의 캐비닛 잠금장치를 푸는 장난을 치기도 한 일화도 소개한다.
불치병을 앓던 연인과 결혼하여 연구에 전념하면서도 지극정성으로 아내를 돌본 파인먼의 사랑, 과학자 스파이 문제로 브라질로 떠나 안식년으로 보내며 콩가 드럼 연주에 빠졌던 파인먼의 이야기도 흥미롭게 다가온다.
파인먼과 더불어 동시대에 활약한 여러 물리학자가 책에 등장한다. 양자전기역학 이전에 등장한 양자장론을 만든 포크, 요르단, 위그너. 파인먼과 독립적으로 양자전기역학을 연구하고 창시한 슈윙거, 도모나가 신이치로. 다양한 방식으로 양자역학을 연구한 여러 과학자의 고뇌와 노력을 엿보며 이 책의 독자들도 물리학을 더욱 즐기는 계기가 되길 바란다.


■ 추천사


이 책이 좀 더 일찍 출판되었다면 공부하는 많은 사람들이 물리학의 핵심을 곧장 만났을 것입니다. 양자전기역학과 양자장론이 탄생한 역사적 배경과 그 핵심 내용을 간결하고 명료하게 잘 설명합니다. 리처드 파인먼이 어떤 사람인가는 이 책을 통해서 그 진면목을 만날 겁니다. 많은 독자에게 이 책을 추천합니다.
《뇌 생각의 출현》 저자 박문호