수소 원자의 스펙트럼 패턴을 찾아낸 스위스의 고교 교사
요한 야코프 발머(1825～1898)는 “자연의 신비함은 간단한 정수에 숨어 있다”는 피타고라스학파의 학설에 심취한 고등학교 수학교사였다. 그런 그가 과학사에 이름을 남기게 된 건 수소 원자와 관련된 4개의 숫자(6562.10, 4860.74, 4340.10, 4101.20)에 흥미를 느껴서였다. 그 숫자들은 수소 원자가 방출하는 스펙트럼선의 파장 값이었는데 그는 이 숫자들을 계산하는 공식을 발표하여 전 세계 과학자들을 놀라게 했다. 발머의 공식 덕분에 수소 원자는 스펙트럼을 연구하는 모든 학자들에게 절대적인 표준이 되었고 보어의 원자 모형에 영감을 주어 마침내 양자역학이란 폭탄을 과학계에 떨어뜨리게 된다.

보어의 수소 원자 모형
‘양자역학 시대를 연 물리학의 거두’ 닐스 보어(1885～1962)는 발머의 공식을 본 순간 수소 원자 모형이 자연스레 떠올랐다고 한다. 당시 과학자들은 하늘 같이 믿고 있던 물리법칙들이 원자 내부에서는 전혀 적용되지 않는 것에 당황하고 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 보어가 내놓은 답은 수소 원자에 양자적 조건을 부과하는 것이었다.

그가 말한 원자 모형에 따르면 전자는 일종의 뜀박질이라 할 수 있는 ‘전이’를 통해 다른 에너지 상태로 변할 수 있었다. 이러한 불연속적 성질이 당시의 과학자들에게 얼마나 충격이었는지는 1943년 노벨물리학상 수상자 오토 슈테른의 말에서 살짝 엿볼 수 있다. 당시 슈테른은 “보어의 황당무계한 주장이 사실로 밝혀지면 나는 물리학계를 떠나겠소”라고 선언했으니까.

자기공명영상의 기원
1944년 노벨상을 수상한 이지도어 라비(1898～1988)는 양성자의 자기모멘트를 측정하기 위한 수소 분자 빔 실험에 자석을 이용함으로써 자기공명법이라는 새로운 분야를 탄생시켰다.

1934년에 실행된 그의 실험 기술은 지금 병원에서 사용하는 자기공명영상기(MIR)로 발전했다. 훗날 라비는 세상을 떠나기 몇 달 전 병원에서 MIR 검사를 받았다. 라비가 원통형 자석 속에서 들어가자 그의 몸을 이루고 있던 수소 원자들이 감지되어 영상화되었다. 나중에 라비는 그 순간을 떠올리며 다음과 같이 말했다고 한다. “그땐 기분이 정말 이상했습니다. 내가 설계했던 실험 장비 속에 입자 빔 대신 내 몸뚱이가 들어간 꼴이었으니까요. 저의 실험 장비가 그런 식으로 사용될 줄은 정말이지 꿈에도 생각하지 못했습니다.”

지구인의 통신을 방해한 우주 전파
먼 우주에서 날아온 수소 원자의 복사파는 전파천문학이라는 새로운 분야를 탄생시켰는데, 우주 전파가 처음 발견된 일화가 재미있다.

1930년대 당시 미국의 통신사 AT&T사는 대서양을 건너는 선박이 대기 중 잡음으로 통신 장애를 일으키는 것 때문에 골치를 앓고 있었다. 고민 끝에 벨 전화연구소의 물리학자 카를 잰스키를 해결사로 고용했는데, 그는 잡음을 추적하다 뇌우 외에 원인을 알 수 없는 ‘약하고 지속적인 잡음’을 발견한다. 그리고 수년 동안 데이터를 수집하고 분석한 끝에 그 잡음이 은하수 중심부의 궁수자리에서 날아오는 복사파라는 결론을 내린다. 1933년 잰스키는 자신의 연구 결과로 워싱턴 시에서 강연회를 열었는데, 그 내용이 <뉴욕 타임스>에 ‘은하수 중심에서 날아온 라디오파’라는 헤드라인과 함께 커버스토리로 소개되었다. 그것도 모자라 미국 방송국은 전파음을 방송하기까지 했는데, 그날 미국의 가정들은 라디오 주파수를 잰스키의 송신안테나와 연결된 방송국에 맞추고 다음과 같은 아나운서의 말에 귀를 기울였다고 한다. “청취자 여러분, 지금부터 들으실 소리는 은하수 중심부에서 전송된 것입니다!”

<b>과학사도 이젠 미시사적 관점으로 읽는다</b><br/><br/>수소 원자를 이해하는 것은 물리학 전부를 이해하는 것이다. _빅터 바이스코프<br/>안정된 상태에 있는 원자들 중 가장 간단한 구조를 갖고 있는 수소 원자는 이론과 실험을 대면시키는 가장 훌륭한 매개체다. _테오도어 헨슈 (2005년 노벨상 수상)<br/><br/>‘과학사’ 하면 흔히 특정 이론의 역사, 주요 사건들로 이루어진 통사, 유명하고 뛰어난 과학자들의 계보를 떠올린다. 모두가 입문서나 개론서 같다. 두 권쯤 읽고 나면 왠지 다 안 것 같다. 그렇다고 이론서를 펼쳐들자니 부담스럽다. 쉬우면서 뭔가 다른 새로운 과학책은 없을까? 여기 기존의 이야기 방식을 살짝 틀어서 현대 과학을 이야기하는 책이 있다. <br/><br/><br/>역사학의 미시사적 방법론을 빌려온 이 책은 구체적인 물질, 수소에 대해 거의 모든 것을 이야기한다. 수소의 탄생에서 시작해 과학자들이 수소를 발견하고 그 생김을 연구하고 그러다 수소 속에 담긴 우주의 규칙까지 알게 되는 이야기인데 다 읽고 나면 현대 과학사의 주요 이론과 사건, 과학자 들까지 머릿속에 남아 있다. 수소의 탄생을 이야기하자니 빅뱅 이론을 언급해야 하고, 수소의 생김새를 설명하려니 보어의 원자 모형을 그냥 지나칠 수 없다. 양자역학이 탄생하는 순간의 수소가 활약한 이야기를 빼놓으면 그건 또 앙꼬 없는 찐빵 같다. 그래서 수소라는 창을 통해 현대 과학의 빛나는 에피소드들을 들여다보는 과학사 책이 나올 수 있었다.<br/> <br/>그리고 이 책은 과학사를 다룬 책에선 거의 보기 힘든 실험실 이야기들이 생생하게 살아 있다. 과학 이론의 운명을 좌우했던 실험 현장에 밀착하여 과학 활동의 참 모습을 보여준다. 예를 들어 1952년 노벨상을 수상한 퍼셀과 블로흐는 큰 물질 속에서 핵자기공명이 일어나는 현상을 실험으로 증명했는데, 2차 대전 직후라 재정과 실험 장비가 절대적으로 부족했다. 둘은 사방에 굴러다니는 낡은 부품을 긁어모아 장비를 만들어야만 했다. 그러고도 원하는 결과가 나오지 않아 몇 번이고 다시 시도하면서 실험 방법을 조금씩 수정해 결국 역사적인 발견을 이루었다. 이 책에는 그 같은 풍경들이 거의 모든 장마다 펼쳐진다. 이론을 펼쳐가는 과학자들의 천재성도 놀랍지만 실험실에서 이론 값과 관측 값의 오차를 줄이기 위해 끊임없이 실험 장비를 개선하고, 실험 방법을 바꿔가는 과학자들의 열정적인 모습 또한 감동적이고 매력적이다. <br/><br/><b>수소는 어떻게 현대 과학의 운명을 바꿔왔는가? </b><br/><br/>만일 신이 하나의 단어로 세상을 창조했다면 그 단어는 분명 ‘수소’였을 것이다. _할로 섀플리<br/>가장 단순한 구조로 모든 원자를 대표하는 수소 원자는 과학사에 길이 빛날 무용담을 우리에게 남겨주었다. _다니엘 클레프너<br/><br/>세상은 무엇으로 만들어져 있을까? 눈에 보이는 물질을 쪼개고 또 쪼개고 그러다 더는 쪼갤 수 없는 상태가 되었을 때 그 물질은 무엇일까? 기원전 6세기 탈레스는 만물의 근원이 물이라 했다. 그후 백여 년 뒤 데모크리토스는 세계가 물과 불, 땅, 공기로 이루어져 있다고 믿었다. 그러나 지금 우리는 정밀한 실험 장비 덕분에 물질을 이루는 최소 단위가 전자와 쿼크 같은 소립자라는 것을 알게 되었다. <br/> <br/>자연의 비밀에 이만큼 다가서기까지 과학자들에게 힌트를 주고 등대가 되어준 것은 ‘수소 원자’였다. 주기율표의 그 많은 원소들을 제치고 과학자들의 사랑을 독차지할 수 있었던 건 우선 구조의 단순함 때문이었다. 양성자 하나, 전자 하나라는 수소의 심플함에 과학자들은 아름다움까지 느끼곤 했다. 수학자들이 쉽고 간결한 공식에 매혹되는 것과 마찬가지였다. 게다가 구성 성분과 구조가 단순하면 실험 과정에서 변수가 나타날 가능성도 적었다. 또 한 가지 수소의 장점은 우주를 구성하는 전체 원소의 90%를 차지하고 있다는 것이다. 지금도 우주 곳곳에서 복사에너지를 방출하는 수소 덕분에 천체물리학자들은 새로운 천체의 정체를 규명할 수 있다. 빅뱅 이론의 검증은 우주 초기에 획득한 성질을 그대로 간직해온 중수소(수소의 동위원소)가 있었기에 가능했다. 수소가 없었다면 인간은 존재할 수도, 자연의 비밀을 알아낼 수도 없었을 것이다. <br/>

1940년대 양자역학을 창시한 영웅들부터 2001년도 노벨상 수상자에 이르기까지, 현대물리학의 발달에는 예외 없이 수소 원자가 중요한 역할을 해왔다. 이 책에는 그 흥미로운 사건들이 하나도 빠짐없이 등장한다.
- 리언 레이더먼 (1988년 노벨 물리학상 수상자)

수소 원자는 우주의 진화 과정에서 가장 중요한 역할을 했으며 초기의 양자역학과 원자물리학, 양자전기역학, 핵자기공명, 원자시계 등 이론과 실험을 망라하는 현대물리학의 다양한 분야에서 과학자들의 길을 안내해왔다. 리그던은 수소 원자의 역사와 함께 20세기 과학의 발달사를 일목요연하게 소개한다.
- 노먼 F. 램지(1989년 노벨 물리학상 수상자)

현대물리학의 발전사를 한눈에 보여주는 지형도. 지식의 최전선에서 천재적인 물리학자들이 보여주는 섬광 같은 통찰과 실험 에피소드들이 흥미진진하게 펼쳐진다. 수소에 대한 열정으로 가득한 리그던의 서사시는 서점의 물리학 서가를 독점하고 있는 이론서들의 침묵을 깨뜨려줄 것이다.
- 로렌스 M. 크라우스 (뉴욕 타임스 북리뷰)

보석을 캐듯 애정 어린 손길로 원자들을 탐구하는 물리학자들에게 보내는 감동적인 러브레터.
- 그레이엄 파멜로 (뉴 사이언티스트 북리뷰)