미래 기술의 핵심, 양자광학을 샅샅이 파헤치다 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 16번째 책. 2005년 노벨 물리학상을 수상한 로이 글라우버의 1963년 논문을 중심으로 양자광학의 A부터 Z까지 샅샅이 살펴본다. 양자광학에 앞서 고전광학에서 빛의 파동성과 입자성에 관한 역사를 재고찰했고, 광통신의 역사와 광섬유의 발명에 얽힌 이야기로 시작했다. 메이저와 레이저의 발명에 관한 일화도 다루었다. 디랙이 소개한 광자의 생성 및 소멸 연산자 아이디어를 전자기파에 대응한 이론을 설명했다. 이에 필요한 맥스웰 방정식도 간단히 소개했다. 빛과 물질의 상호작용에 관한 제인스와 커밍스의 연구 결과를 독자들이 이해할 수 있도록 간단한 수식만을 사용해 다루었다. 또한 글라우버가 도입한 결맞는 상태와 반응집광의 개념을 설명했다. 마지막으로 양자광학을 이용한 양자광 기술을 소개했다. 광학 핀셋, 주파수 빗, 메타물질을 이용한 투명 망토, 레이저 냉각, 양자정보과학에의 활용 등을 다루었다. 부록에는 제인스-커밍스, 글라우버, 펜드리 논문의 영문본과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 지적 탐구심을 자극하도록 하였다.

추천사 천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며 양자광학의 창시자 글라우버_애슈킨 박사 깜짝 인터뷰 첫 번째 만남. 고전광학 입자설과 파동설_날아가는 야구공 vs 출렁거리는 파도 파동설의 승리_간섭무늬와 회절 현상 전자기파의 발견_눈에 보이지 않는 빛을 찾다 두 번째 만남. 레이저의 탄생 광자의 탄생_빛을 이루는 입자 아인슈타인의 유도방출 이론_레이저의 기본 원리 양자역학의 탄생_전자라는 양자가 만족하는 물리학 메이저의 발명_강렬하고 정밀한 빔을 만들다 레이저의 발명_증폭된 가시광선의 빔 레이저 응용_천문학에서 의학까지 세 번째 만남. 광통신의 역사 그레이엄 벨_광통신을 발명하다 포토폰의 발명_거울에 반사되는 빛으로 광섬유의 발견_유리 막대에 갇힌 빛 저손실 광섬유의 발명과 광통신_더 효율적으로 많은 정보를 네 번째 만남. 양자광학의 탄생 광자의 생성·소멸 연산자_광자 한 개를 어디로 보낼까? 벡터 대수학_전기장과 자기장을 연산자로 바꾸기 위해 맥스웰 방정식_전기장과 자기장을 묘사하는 복잡한 방정식 파동방정식과 전자기파_파동은 어떻게 나타낼까? 전자기파_벡터퍼텐셜이 만족하는 파동방정식에서 전자기장의 양자화_입체 속의 전자기파 다섯 번째 만남. 원자와 빛의 상호작용 제인스-커밍스 모형_바닥상태와 첫 번째 들뜬상태 라비 진동_원자 속 전자가 두 에너지 준위 사이에서 진동한다 여섯 번째 만남. 결맞는 상태 글라우버_로스앨러모스의 최연소 과학자 결맞는 상태_빛의 선명도가 최대가 되다 결맞는 상태의 성질_광자수의 확률, 기댓값, 표준편차 반응집광_방출되는 광자가 분리되는 현상 일곱 번째 만남. 양자광 기술 애슈킨의 광학 핀셋_레이저 빔으로 미세한 물체를 붙잡다 주파수 빗의 발명_일정한 주파수 간격의 날카로운 스펙트럼선 레이저 냉각_원자들의 속력을 느리게 만들다 메타물질_투명 망토의 비밀 반응집광과 양자컴퓨터_양자광학의 활용과 미래 만남에 덧붙여 Comparison of Quantum and Semiclassical Radiation Theories with Application to the Beam Maser_제인스-커밍스 논문 영문본 Coherent and Incoherent States of the Radiation Field_글라우버 논문 영문본 Controlling Electromagnetic Fields_펜드리 논문 영문본 위대한 논문과의 만남을 마무리하며 이 책을 위해 참고한 논문들 수식에 사용하는 그리스 문자 노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

과학자들은 오랫동안 논쟁을 벌였어. 빛이 날아가는 야구공 같은 입자인지, 아니면 출렁거리는 파도 같은 파동인지 말이야.
_22쪽

스펜서는 레이더 장비를 연구하던 중에 전자레인지를 발명했다. 그는 레이더 기계류의 동력 부품 중 하나인 마그네트론 옆에서 잠시 휴식을 취했다. 그런데 주머니에 들어 있던 초콜릿 바가 녹아버린 것을 발견하고는 깜짝 놀랐다. 호기심으로 그는 다른 여러 물체를 마그네트론 근처에 올려놓고 물체로부터 멀찌감치 서 있었다. 팝콘이 성공적으로 튀겨졌으며 다음 날 아침에는 계란이 익었다.
_38쪽

1875년 6월 2일, 벨과 왓슨은 다중 전신기 실험을 하고 있었다. 옆방에서 왓슨이 금속 리드(reed)를 수리하는 동안, 벨에게 갑자기 전기의 흐름을 통해 왓슨의 소리가 뚜렷하게 들렸다. 이것이 바로 전화의 발명이었다.
_74쪽

가장 처음 등장한 광통신은 손에 횃불을 들고 흔드는 것이었다. 기원전 35만 년경 베이징 사람들은 연기를 가지고 통신하였고, 이 방법은 현재 바티칸에서 교황을 선출할 때 쓰인다. 이와 같은 방법으로 고대 그리스는 트로이가 멸망한 사실을 500킬로미터가 넘는 거리에서 알 수 있었다.
_77~78쪽

그 후 사람들은 물줄기 대신 가느다란 유리 막대에 빛이 갇히게 하여, 이것을 구부려 사람의 몸속을 조사했다. 이렇게 유리 막대나 플라스틱 막대에 빛이 갇혀 있는 형태를 광섬유라고 부른다.
_85쪽

광자의 반응집성(Photon antibunching)은 광원에서 방출될 때 개별 광자가 일시적으로 분리되는 양자역학적 현상을 말해. 이렇게 방출되는 빛을 반응집광이라 하고, 반응집광과 반대로 광자들이 몰려다니는 행동을 보이면 응집광이라고 불러.
_159~160쪽

물리군: 광학 핀셋이 뭐죠?
정교수: 고도로 집중된 레이저 빔을 사용하여 핀셋과 유사한 방식으로 원자나 나노 입자 및 물방울과 같은 미세한 물체를 붙잡거나 이동시키는 장치야.
_163~164쪽

물리군: 메타물질은 어디에 이용되나요?
정교수: 메타물질의 활용 분야는 매우 넓어. 층간 소음을 비롯한 생활 소음을 줄이거나 음파 탐지기에 잡히지 않는 스텔스 잠수함에서, 또한 투명 망토나 고성능 렌즈, 소형 안테나 등에 사용할 수 있지.
_174쪽

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업 ★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록 해리 포터 이야기 속 투명 망토가 현실로? 신비한 빛의 세계로 떠나는 여행 영국 작가 J.K.롤링의 《해리 포터》 시리즈의 팬이라면 한 번쯤, 주인공 해리처럼 투명 망토를 쓰고 곳곳을 몰래 누비는 상상의 나래를 펼쳐보았을 것이다. 그런데 판타지 소설이 아닌 현실에서도 투명 망토가 가능하다면 어떨까? 투명 망토는 메타물질이라는 아이디어에서 출발한다. 메타물질로 만든 투명 망토를 물체에 씌우면 물체에 빛이 도달하지 않아 우리 눈에 보이지 않는다. 메타물질의 활용 분야는 매우 넓다. 생활 소음을 줄이거나 음파 탐지기에 잡히지 않는 스텔스 잠수함에서도 쓰인다. 또한 투명 망토나 고성능 렌즈, 소형 안테나 등에 사용할 수 있다. 지금도 많은 과학자가 무궁한 가능성을 가진 메타물질을 연구한다. 이러한 메타물질의 바탕에 바로 양자광학이 자리하고 있다. 이 책은 양자광학의 창시자 글라우버의 연구를 중심으로 양자광학의 역사, 개념, 활용, 미래 등을 차근차근 소개한다. 이 책을 통해 신비한 빛의 세계로 여행을 떠나자! 흥미로운 과학사와 고등학교 수학 수준의 개념 설명 이 책은 단순히 양자광학의 개념을 나열하는 데 그치지 않는다. 저자는 독자들을 시간 여행으로 초대하여, 빛이 입자인지 파동인지 치열하게 논쟁했던 고전광학의 시대로 먼저 데려간다. 이어서 아인슈타인의 유도방출 이론이 레이저라는 혁신적인 빛을 탄생시킨 과정, 유리 막대에 빛을 가두어 정보의 바다를 열어젖힌 광섬유의 발견에 이르기까지, 한 편의 흥미진진한 과학 드라마를 펼쳐 보인다. 이러한 역사적 배경 위에서 독자들은 자연스럽게 양자광학의 핵심 질문들과 마주한다. 무엇보다 이 책의 백미는 서문에서 밝힌 ‘이제는 독자들의 수준도 많이 높아졌으니 수식을 피하지 말고 천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하길 바랐습니다’라는 열망이다. 양자광학의 핵심인 광자의 생성?소멸 연산자, 빛과 원자의 상호작용을 다룬 제인스-커밍스 모형, 빛의 최대 간섭을 설명하는 글라우버의 결맞는 상태 등 복잡한 개념들을 ‘고등학교 정도의 수식을 이해하는 청소년과 일반 독자’의 눈높이에 맞게 풀어내는 저자의 노력은 실로 감탄을 자아낸다. 이는 단순히 지식 습득을 넘어, 위대한 과학자들이 문제를 어떻게 정의하고 해결해 나갔는지 그 창의적인 생각의 흐름을 접하는 소중한 기회가 될 것이다. 산업, 의료, 군사, 통신, ... 우리 삶과 밀접한 양자광학 탐구 이 책을 읽고 새삼 깨닫는 것이 ‘이렇게 양자광학이 쓰이는 곳이 많았나?’이다. 광자의 개념으로 탄생한 레이저는 산업, 의료, 군사, 통신 등 이미 우리 삶에서 빼놓을 수 없는 존재가 되었다. 정교한 재단과 가공을 하거나, 치료나 검사에 쓰이고, 공격의 기준이 되며, 광섬유를 통한 초고속 통신을 한다. 여기서 한 걸음 더 나아가 양자광학이 미래 과학기술의 기본이 됨을 이 책을 통해 알 수 있다. 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자광학》은 ‘전자기장의 양자화’ 같은 개념 설명부터, 이러한 기초가 어떻게 현대 과학기술의 눈부신 성과로 이어지는지 생생하게 보여준다. 레이저 빔으로 미세 입자를 다루는 ‘애슈킨의 광학 핀셋’, 원자시계의 정밀도를 극한으로 끌어올린 ‘주파수 빗의 발명’, 빛의 경로를 조종하는 ‘메타물질’, 미래 컴퓨팅의 핵심인 ‘양자컴퓨터’에 이르기까지 양자광학의 다양한 응용 사례를 소개한다. 현대뿐 아니라 미래 사회에도 필수인 양자광학의 세계에 푹 빠져보자!. 『노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학』 시리즈의 의의 이 시리즈는 노벨상을 수상한 과학자들의 오리지널 논문을 바탕으로 현대 과학의 정수를 전달하는 것을 목표로 한다. 지금까지 출간된 15권은 특수상대성이론, 양자역학, 방사선, 반입자, 양자전기역학, 양자광학, 그리고 기후물리학과 양자정보, 쿼크 이론에 이르기까지, 다양한 분야의 대표적 이론과 발견들을 다루어 왔다. 각 권은 특정 이론의 과학사적 배경, 수학적 정식화, 핵심 개념, 그리고 오리지널 논문의 전문을 함께 담아냄으로써 단순한 ‘지식 전달’에서 벗어나, ‘과학적 사유’를 훈련할 수 있도록 구성되어 있다. 고등학교 수학 정도를 이해할 수 있는 독자를 기본 독자로 설정하되, 전문적인 물리학 지식을 가진 독자에게도 새로운 시야를 제공할 수 있도록 정밀하게 설계되어 있다. ★“박문호의 자연과학 세상 특강 선정도서” 이러한 시리즈의 깊이와 정교함은 외부 전문가의 평가를 통해서도 뒷받침되고 있다. 특히 「세상에서 가장 쉬운 과학 수업」 시리즈는 박문호 박사의 ‘자연과학세상 목요특강’에서 연속으로 선정되는 영예를 안았다. 박문호 박사는 일반적으로 동일 출판사의 책을 연속으로 선정하지 않는 원칙을 지켜왔지만, 시리즈 제2권 『방사선과 원소』는 제204회 목요특강, 제8권 『반입자』는 제205회 목요특강에 각각 선정되며 이례적인 연속 채택이 이루어졌다. 이는 곧 시리즈 전체가 지닌 학술적 깊이와 대중 강연에서의 교육적 적합성을 전문가도 인정했다는 방증이다. 이처럼 「세상에서 가장 쉬운 과학 수업」 시리즈는 학습자와 독자의 지적 도약을 이끄는 학문적 실험장이자 안내서로 자리매김하고 있다. [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 16권 글라우버(2005년 노벨 물리학상) - 양자광학 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) ★“박문호의 자연과학 세상 특강 선정도서”