양자론은 상대성 이론과 함께 현대 물리학의 쌍벽을 이루는 이론이다. 상대성 이론은 간단히 말하면, 물체의 속도가 매우 빠르거나 중령이 아주 큰 환경에서는 시간, 공간의 길이가 달라지는 것 등을 다루는 거시 세계의 이론이다. 이에 비해 양자론은 원자와 전자 등 우리의 눈으로는 식별할 수 없는 미시 세계에서 일어나는 현상을 다룬다.
상대성 이론의 세계와 마찬가지로 양자론의 세계에서도 우리의 일상적인 감각으로는 이해하기 어려운 일들이 벌어진다. 이를테면 하나의 전자의 2개위 문(슬릿)을 동시에 통과하며, 벽을 꿰뚫고 지나가기도 하고, 아무것도 없는 공간에서 갑자기 생기거나 사라지기도 한다.
양자론은 금속, 절연체, 반도체 같은 다양한 고체의 성질도 밝혀냈는데, 특히 반도체는 컴퓨터나 휴대전화 같은 디지털 기기에 반드시 필요한 물질이다. 반도체 부품 등은 양자론의 계산에 기초해서 만들어지므로, 양자론에 근거한 반도체에 대한 이해가 없었다면 현재와 같은 첨단 과학 기술 사회는 성립되지 않았을 것이다.
양자론이 탄생하기 전 모든 물체의 운동은 뉴턴 역학으로 설명할 수 있다고 생각되었다. 하지만 원자 단위의 미시 세계는 우리가 보는 세계와 전혀 다르다는 점을 알게 되었고, 이런 미시 세계를 설명하기 위해 양자론이 필요하게 되었다.
양자론을 이해하기 위해 책에서는 두 가지 주요 항목을 제시하고 있다. 첫 번째는 파동과 입자의 양면성이다. 이는 빛이나 전자 등이 파동의 성질과 입자의 성질을 동시에 갖는다는 것이다. 두 번째는 상태의 공존이다. 이는 미시 세계에서 하나의 물체가 동시에 여러 장소에 존재할 수 있다는 것이다. 양자론을 이해하기 위해 책에서는 우리의 감각과는 동떨어진 이런 현상이 일어나고 있음을 받아들여야 한다고 말한다. 자세한 내용은 다음과 같이 설명된다.
최초에 빛은 간섭 실험을 통해 파동이라고 인정되었다. 그런데 광전현상 등 파동만으로는 설명되지 않는 부분이 발견되었고, 아인슈타인이 빛에는 입자의 성질(광자)도 있다는 가설을 제시하였다. 이후 여러 학자에 의해 빛을 포함한 전자기파, 원자 등 미시의 세계에서는 파동과 입자의 양면성이 입증되었다.
또 다른 양자론의 핵심은 상태의 공존이다. 미시 세계에서는 하나의 물체가 같은 시간에 여러 곳에 존재할 수 있다는 쉽게 이해할 수 없는 현상이 나타난다. 전자를 이용한 이중 슬릿 실험을 통하여 전자는 2개의 슬릿을 동시에 통과하는 공존을 보여준다. 그러나 관찰을 하는 경우 입자로서 나타난다. 양자론에 따라 움직이는 미시의 세계에서는 여러 가지 상태가 공존하는 상태를 취하고 있으며, 공존한 여러 상태 가운데 어느 하나의 상태로 관측된다. 상태의 공존은 우리가 살고있는 거시의 세계에서 이해하는 것이 쉽지 않다. 두 개로 쪼게져서 두 개의 슬릿을 통과하는 것이 아니라 두 곳에 동시에 존재한다는 것, 우리가 관측을 하는 경우에는 입자로서 한곳에서만 관측된다는 것은 그냥 받아들이는 것 이외 도저히 이해가 힘든 이야기이다. 하지만 실험이 이를 증명하고 있으며, 공존을 받아들일 때 설명할 수 있는 현상들이 다수이기에 양자론의 발전을 통해 보다 명확한 설명이 나올 때까지 일단은 수용할 수 밖에 없다고 생각한다.
양자론은 지속적으로 발전하며 여러 가지 현상을 설명하지만, 책에서 가장 큰 공적중의 하나는 물리학과 화학 사이의 다리를 놓은 것이라고 이야기 한다. 원소의 주기성에 대하여, 화학반응이 왜 일어나는지도 양자론을 이용해 이론적으로 설명할 수 있으며, 분자구주의 이해에 큰 도움을 주고 있다. 또한 양자론은 금속, 절연체, 반도체 같은 다양한 고체 중의 전자의 움직임을 밝혀냄으로써 오늘날의 IT 사회에 기여하였다.
그리고 양자론은 자연계의 4가지 힘을 설명한다. 자연계에는 4가지 힘이 존재하는데 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력 그리고 중력이다. 물질과 힘의 구조를 규명하면 자연계의 근본 원리를 알 수 있는데, 양자론에서는 힘을 입자의 공받기로 설명한다. 그리고 이 설명방법을 통해 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력 3가지를 설명하였다. 그리고 이제는 양자론과 일반 상대성 이론을 합하여 중력까지 설명하려는 노력을 기울이고 있다. 양자 중력이론은 아직까지 완벽하게 발전하지 않았으며 난항을 거듭하고 있으나, 인간은 지속적으로 이를 통합하여 설명하려는 노력을 기울이고 있다.
책을 읽으면서 인간이 참 위대한 존재라는 생각을 했다. 눈으로 볼 수도 없는 작은 세계를 사고실험과 수학으로 설명하고, 이를 증명하는 자료를 어떻게든 찾아내서 증명하는 과정을 통해 인간사회가 발전해 왔다. 앞으로도 이런 노력 등을 통해 닥치는 여러 가지 문제를 해결해 나갈 수 있을 것이라는 밝은 기대를 해 본다.