이 책은 크게 두 가지 이야기로 구성되어 있다. 원자 세계의 기묘한 현상을 직면한 닐스 보어, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein), 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg), 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger) 등 물리학의 ‘어벤저스’가 펼치는 흥미진진한 1부와, 양자 컴퓨터, 양자 생물학 등 무한한 가능성을 가진 양자 역학의 미래를 들려주는 2부가 그것이다.
1부의 시작인 1장 「양자 역학의 하루」는 양자 공부를 막 시작한 독자가 긴장감을 풀 수 있도록 저자가 특별히 만든 가상 드라마이다. 양자 열차, 펠묜 국수, 보손 카페 등 도무지 납득할 수 없는 세계가 펼쳐진다. 하지만 양자 공부를 모두 끝내고 다시 이 드라마를 시청한다면 ‘양자 역학을 좀 아는’ 사람만이 느낄 수 있는 새로운 재미를 발견할 수 있다. 저자가 독자들을 위해 양자 역학 이해의 지표를 마련해 놓은 셈이다. 2장 「양자 역학의 핵심, 양자 중첩」은 양자 역학의 핵심 개념인 ‘중첩’을 설명하며 본격적으로 독자의 머리를 지끈하게 만든다. 현재 양자 컴퓨터의 정보 처리 기본 단위 큐비트(qubit)를 있게 한 핵심 개념이기도 한 만큼 중첩은 양자 공부를 해 나가기 위해 반드시 거쳐야 할 첫 번째 관문이다. 3장 「슈뢰딩거 고양이는 누가 죽였나?」에서는 누구나 상식처럼 여기지만 사실은 잘 모르는 슈뢰딩거 고양이 역설, 스티븐 호킹(Stephen Hawking)마저도 해결을 포기한 기묘한 사고 실험을 통해 중첩의 신비를 맛볼 수 있다.
결국 물리학자들은 양자 역학을 받아들이기 위해 직관을 포기하기로 했다. (4장 「문제는 원자가 아니라 인간」) 이제 입자가 중간 과정 없이 도약하고(5장 「과학 역사상 가장 기이한 도약」), 관측 전에는 실재하지 않는다는 것이 양자 역학의 주류 해석이 되었다. (6장 「이론이 결정한다!」) 이것을 코펜하겐 해석이라고 하는데, 이에 동조하는 보어, 하이젠베르크 측과 아인슈타인, 슈뢰딩거 측을 중심으로 대논쟁이 벌어지게 된다. 바로 솔베이 논쟁이다. 특히 아인슈타인은 존재의 본질이 확률 분포 함수이고 그 규칙에 따라 관측될 때 비로소 실재할 수 있다는, 당시로서는 극단적인 확률 해석을 전적으로 부정했다. 하지만 오늘날의 과학은 보어와 하이젠베르크가 옳았음을 증명하고 있다. 역사상 가장 위대한 물리학자 아인슈타인은 양자 역학에 있어서만큼은 영원한 패배자로 남았다. (7장 「신은 주사위를 던진다」) 각각 광양자설과 파동 역학이라는, 양자 역학의 토대를 세운 아인슈타인과 슈뢰딩거조차 직관의 덫을 극복하지 못했다는 사실은 양자 역학이 얼마나 어려운지 다시 한번 보여 준다.
이후 하이젠베르크의 불확정성 원리가 양자 역학의 대전제로 자리 잡을 동안(8장 「불확정성 원리의 불확정성?」) 아인슈타인은 회심의 반격을 준비하고 있었다. 보리스 포돌스키(Boris Podolsky), 네이선 로젠(Nathan Rosen)과 함께 발표한 EPR 논문을 통해 코펜하겐 해석의 맹점을 집요하게 파고들었다. EPR 역설로 불리는 이것은 슈뢰딩거 고양이 역설보다도 훨씬 지독하게 양자 역학의 기본 전제를 위협한 사고 실험인 만큼, 궁금한 이들은 9장 「EPR 패러독스, 양자 얽힘」을 살펴보기를 바란다. 특히 이 장은 아인슈타인이 코펜하겐 해석의 모순점을 설명하기 위해 고안했던 개념 ‘얽힘’을 다루고 있다. 역설적이게도 얽힘은 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)에 의해 실험적으로 증명되어 현재 양자 컴퓨터와 묵자 호로 대표되는 양자 통신 기술의 이론적 기반이 되었다.
모순 속에서 살아남은 중첩과 얽힘, 코펜하겐 해석과 불확정성 원리를 모두 공부했다면 양자 역학의 과거를 ‘어느 정도’ 이해한 셈이다.