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불확실성의 시대

: 찬란하고 어두웠던 물리학의 시대 1900~1945

[ 양장 ]
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품목정보

품목정보
발행일 2023년 05월 01일
판형 양장?
쪽수, 무게, 크기 480쪽 | 750g | 140*210*30mm
ISBN13 9788965965695
ISBN10 8965965691

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퀴리 부부는 파리의 학술지구인 라틴지구에 자리한 물리화학 공과대학교 마당 헛간을 실험실로 썼다. 천막 틈새로 들어오는 바람이 피리를 불었다. 바닥은 늘 축축하게 젖어 있다. 예전에는 대학생들이 이곳에서 신물이 나도록 시체를 해부했었다. 지금은 부검대 위에 유리병, 전선, 진공펌프, 양팔저울, 프리즘, 건전지, 가스버너, 용광로 등의 기이한 실험 도구들이 놓여 있다. ‘긴급 요청’이 받아들여져 퀴리 부부의 실험실을 방문할 수 있었던 독일 화학자 빌헬름 오스트발트는 이 막사 실험실을 “헛간과 감자 창고의 교집합”이라고 평했다. “작업대에서 화학 실험 도구들을 보지 못했더라면, 나는 이 모든 것을 장난이라 여겼을 터이다.” 연금술사의 주방을 연상시키는 이곳에서 퀴리 부부는 이제 막 시작된 20세기에서 가장 중요한 발견을 해낼 것이다. 그들은 이곳 헛간에서 새로운 물리학 세계관의 초석이 다져지고 있음을 아직 알지 못했다. 퀴리 부부는 이 헛간에서 한 물질을 만들어내고자 한다. 수많은 동료들이 불과 얼마 전까지만 해도 ‘수리 수리 마수리’로 여겼던 물질, 순수 라듐이다.
---「1903년 파리-균열의 시작」중에서

그러나 하비히트에게 보낸 편지에서 아인슈타인이 “매우 혁명적”이라고 불렀던 것은 상대성이론이 아니라 광양자이론이다. 그가 자신의 논문에 “혁명적”이라는 표현을 쓴 것은 이것이 유일하다. 스스로 세상에 내놓은 양자를 여전히 계산을 위한 임시 수단으로 여겼던 플랑크는 아인슈타인의 광양자이론에 동의하지 않았다. 그러나 논문을 출판하는 것에는 동의했다. 이 모든 대단하고 과감한 이론을 내놓은 베른 출신의 아마추어 물리학자가 누구인지, 플랑크는 갑자기 궁금해졌다. 아인슈타인이 하비히트에게 보낸 편지에서 열거한 논문만으로도 그는 과학사에 영원히 이름을 남기기에 충분해 보인다. 아인슈타인은 그 논문들의 집필을 몇 달 사이에, 그것도 자투리 시간에 해냈다. 지금까지 과학자 중에 그렇게 폭발적인 창의력을 발휘한 전례가 없다. 그다음 그는 하비히트에게 보낸 편지에서 거론하지 않은 다섯 번째 논문을 썼다. 이 논문에 E=mc2 공식이 등장한다.
---「1905년 베른-특허청 직원」중에서

전쟁 기간에 수많은 물리학자가 안전하고 조용한 장소를 찾아 전 세계를 헤맸다. 보어는 조국에서 그런 장소를 찾았다. 그는 이제 전 세계에 몇 안 되는 이론물리학 교수이고, 이미 덴마크의 유명 인사다. 1920년대에 60명이 넘는 이론가들이 보어 연구소를 방문하여 오랜 기간 머물렀다. 대다수가 몇 년씩 머물렀다. 그들은 미국, 소련, 일본 등 전 세계에서 왔다. 대부분이 젊었다. 보어가 직접 그들의 체류 비용을 댔다. 그는 물리학을 넘어서는 새로운 유형의 협업을 탄생시켰다. 물리학자들은 그곳에서 함께 일하고 함께 살고 함께 먹고 함께 축구를 했다. 보어는 그들과 스키를 타고 등산을 가고 영화관에 갔다. 보어는 서부영화를 가장 즐겨 보았다.
---「1914년 뮌헨-원자와 함께하는 여행」중에서

이로써 아인슈타인은 하룻밤 사이에 세계적 스타가 되었다. 왕립학회 회장인 톰슨은 영국 신문에서 “상대성이론이 새로운 과학 아이디어의 신대륙을 열었다”고 말했다. 전후 독일에서도 아인슈타인은 축하를 받았고, 곳곳에서 그와 상대성이론에 관한 기사가 쏟아졌다. 독일 주간지 〈베를리너 일루스트리르테 차이퉁〉은 그를 코페르니쿠스, 케플러, 뉴턴의 뒤를 잇는 사람으로 소개했다. 런던의 〈타임스〉는 “과학의 혁명 / 우주의 새 이론 / 뉴턴의 아이디어가 전복되다”라는 제목으로 기사를 냈다. (…) 그러나 친절한 비판과 악의에 찬 비판이 환호에 스며들었다. 이해할 수 있는 언어로 아인슈타인의 이론을 설명해낸 사람이 아무도 없다고, 톰슨이 한 기자에게 지적했다. 제1차 세계대전 동안 대량 사망, 거짓 선전, 사회적 불행, 전통적인 생활 방식의 상실로 유럽에 번진 깊은 불안이 상대성이론 안에서 응집되었다. 이윽고 반대 운동이 싹텄다. 반대 운동은 나치주의와 “독일물리학”을 내세웠다.
---「1919년 카리브해-개기일식」중에서

맥스웰 이후 물리학자들은 그것을 알고, 전기기술자는 그 지식으로 라디오와 방송기기를 만든다. 파동이어야 하는데 입자라니, 말도 안 된다! “그러니까 이제 빛의 이론이 두 가지다. 둘 다 필수불가결이고, 20년에 걸친 이론물리학자들의 엄청난 노력에도 불구하고 오늘날 고백할 수밖에 없듯이, 둘 사이에는 어떤 논리적 연결도 없다.” 빛의 파동이론과 입자이론 둘 다 어떤 식으로든 말이 된다. 광양자는 간섭현상과 굴절현상 같은 빛의 파동현상을 해명하지 못한다. 그러나 광양자 없이는 콤프턴 효과와 광전 효과를 해명할 수 없다. 빛은 두 개의 얼굴을 가졌다. 파동과 입자. 물리학자는 이것과 공존하는 법을 배워야만 한다.
---「1923년 뮌헨-하이젠베르크, 시험을 뚫고 날아오르다」중에서

파동-입자 이중성이 물리학자들에게 안겨준 고통은 거의 육체적 통증에 가까웠다. 아인슈타인은 1926년 8월에 에렌페스트에게 이런 편지를 썼다. “여기에 파동, 저기에 양자! 두 현실 모두 아주 견고하다네. 하지만 악마가 거기에서 (정말로 운율이 잘 맞는) 시 한 편을 지어냈지.” 고전물리학에서 세계는 아직 질서 안에 있었다. 파동이 있었고 입자가 있었다. 둘이 동시에 있을 수는 없었다. 양자물리학에서는 입자가 때때로 파동처럼 행동한다. 또는 그 반대일까? 하이젠베르크는 자신의 양자역학에서 입자의 존재를 확신했다. 슈뢰딩거는 세계를 거대한 파동 뭉치로 생각했다. 그런데 두 접근 방식이 수학적으로 같음이 입증되었다. 이것이 어떻게 가능하단 말인가? 완전히 다르고 절대 합쳐질 수 없어 보이는 두 출발점에서 같은 결과가 나오다니!
---「1926년 코펜하겐-파동과 입자」중에서

하이젠베르크는 자신의 논문으로, 아인슈타인과 슈뢰딩거가 물리학의 토대라고 여겼던 인과성을 흔들었다. “‘현재를 정확히 알면, 미래를 계산할 수 있다’는 인과법칙의 명확한 진술에서 틀린 것은 결론이 아니라 전제조건이다.” 우리는 현재를 알 수 없다. 우리는 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수 없으므로, 전자의 미래 위치와 속도의 가능성 확률만을 계산할 수 있다. “양자역학을 통해 인과법칙의 무효성이 명확히 입증된다.” 논문의 마지막 문장이 말한다. 아인슈타인은 상대성이론을 통한 시공간 혁명에서 감히 그렇게 멀리까지 가지 못했었다. 한때 뉴턴이 상상했던 시계태엽 우주는 이제 더는 존재하지 않는다. “모든 변화는 원인과 결과의 법칙에 따라 일어난다”는 이마누엘 칸트의 문장도 더는 통하지 않는다.
---「1927년 코펜하겐-불확실해진 세계」중에서

마이트너와 프리쉬는 겨울 산책을 하며 베를린에서 온 기이한 측정 결과를 토론했다. 눈 덮인 스웨덴 숲에서 그들은 나무 등걸에 앉아 사고 과정을 종이에 적었다. 그들은 원자핵의 새로운 모형을 설계했다. 무거운 핵은 중성자와 충돌하여 물방울처럼 휘청일 수 있다. 만약 이때 충분히 형태가 일그러지면, 장거리 전기 반발력이 핵을 지탱하는 힘보다 더 커진다. 그리고 핵이 폭발한다. 아인슈타인의 공식 E=mc2으로 마이트너와 프리쉬는 폭발 에너지를 추측해보았다. 어마어마한 수치가 도출되었다. 프리쉬는 코펜하겐으로 가서 보어에게 이론을 설명했다. 보어의 손이 이마를 짚는다. “아, 우리 모두 너무 바보 같았어! 그것을 우리가 먼저 예상할 수 있었는데 말이야.” 그러나 보어는 이제 뭔가 다른 것을 예상한다. 원자핵에서 나오는 이 에너지가 할 수 있는 것은 파괴이다. 그리고 이 파괴는 모든 물리학자가 상상할 수 있었던 것보다 더 빨리 일어날 것이다. 그것이 물리학의 빛나는 시대를 어둡게 할 것이다.
---「1938년 베를린-분열하는 핵」중에서

루스벨트는 원자 연구자의 편지를 읽을 시간이 없었다. 전쟁 상황이 더 나빠졌기 때문이다. 히틀러가 폴란드를 공격하고, 영국과 프랑스가 독일에 전쟁을 선포했다. 1939년 10월 11일에야 비로소 이 편지가 루스벨트의 책상에 도달했다. “나치가 우리를 공중분해하지 못하게 뭔가 대책을 세워야 해.” 루스벨트가 결론지었다. 그는 그날 바로 원자폭탄 개발을 위한 ‘맨해튼 프로젝트’를 개시했다. 처음에는 아주 천천히 진행되었다. 아인슈타인이 루스벨트에게 편지 두 통을 연달아 보내 프로젝트 조직을 촉구하고 독일의 폭탄 제조에 대해 재차 경고한 후에 비로소 추진력이 생겼다. 맨해튼 프로젝트는 미국을 우라늄 공장으로 바꿀 뿐 아니라, 영국, 캐나다, 미국 세 국가의 협력도 요구했다.
---「1939년 대서양-충격적 소식」중에서

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과학은 누가 뭐라 해도 어렵다. 왜 어렵냐고 물으면 안 된다. 그냥 어려운 거다. 특히 물리학은 정말 어렵다. F=ma까지는 어떻게 이해할 수 있을 것 같은데 양자가 등장하는 순간 물리학으로부터 멀어지고 싶어진다. 나도 그랬다. 이론이 어려우면 역사를 보게 되는 법. 하지만 과학사 책을 읽는다고 해서 해결되는 게 아니었다. 개별 발견이 토막토막 보이기 때문이다. 이 책을 읽고서 깨달았다. 어려운 걸 이해하려면 진짜 이야기가 필요하다. 어떤 이론도 하늘에서 뚝 떨어지지 않는다. 책에 등장하는 모든 인물은 결국 ‘나는 모른다’에서 시작한다. 그리고 무수히 많은 실패와 경쟁과 협력을 통해 원자를 깨달았다. 20세기 전반의 물리학사가 21세기 전반을 사는 우리에게 던지는 교훈이 무엇일지 곰곰이 생각할 일이다. 진짜 역사는 지금부터다. 잘 꿰어진 꼬리에 꼬리를 무는 양자역학의 역사를 즐기시라.
- 이정모 (전 국립과천과학관장)

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