＜하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다＞은 교양만화인데, 양자역학에 대한 어떤 전문적 설명을 그려냈다기 보다는 양자학(量子學)의 태두라 할 수 있는 베르너 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901~1976)의 학문적 발자취 및 성과를 연대기 형식으로 보여준다. 솔직히 이 책을 읽고도 양자역학이 뭔지 제대로 설명을 못하겠다. 측정이 상태에 영향을 미친다는 정도? 조금 더 나열하자면 하이젠베르크가 행렬(行列) 형식의 수학적 개념을 도입하여 양자역학을 체계적으로 발전시키는데 기여하였고, 아인슈타인과의 토론에서 힌트(관찰할 수 있는 양만으로 과학이론을 만드는 것이 아니라, 이론이 우리가 무엇을 관찰할 수 있는지 결정한다)를 얻어 1927년 '불확정성 원리'로 양자역학의 해석을 확립했다는 정도만 받아들였다. 그리고 1932년 노벨 물리학상을 수상했다는 정도...

1927년 하이젠베르크는 보어 교수와 함께 상보성의 원리(하나의 사건을 두 가지의 다른 방법으로 관찰. 즉 파동과 입자 같은 서로 반대되는 개념의 짝을 함께 사용한다는 원리)와 불확정성의 원리(원자를 구성하는 입자들과 관계된 물리량은 측정과정에서의 상호작용에 의해 결정된다. 즉 원자의 위치와 운동성은 정확히 계산할 수 없다)로 표현되는 코페하겐 해석을 발표하는데, 아인슈타인은 이 새로운 양자이론의 확률론적인 성질을 받아들이기 어려웠던 모양이다(물리량은 측정과 관계없이 객관적인 값으로 존재한다는 물리학의 대전제를 완벽히 부정하고 있다는 점에서). 파동방정식으로 유명한 슈뢰딩거 또한 코펜하겐 해석을 수용하지 못하고 뒷날 '슈뢰딩거의 고양이'라는 별명으로 유명해진 사고실험적 비판을 하게 되는데 이 부분이 제법 흥미로웠다. 생각하기에 따라 철학적인 하는 사고로의 영역 확대가 가능한 부분이더라.

이 책을 통해 건진 걸 하나 꼽으라면 자연 현상이 확률에 지배를 받는다는 거다. 양자역학과 관계없이 인상적인 장면이 둘 있었는데 그 하나는 '과학자의 양심'이다. 제2차 세계대전 중 하이젠베르크는 독일의 원자폭탄 개발을 위한 우라늄 프로젝트를 이끌게 되는데, 과학자의 양심에 따라 핵폭탄보다 제어가능한 에너지 생산에 초점을 맞춘 소규모 원자로(原子爐)의 연구에 그쳤다는 내용이다. 다른 하나는 과학자들의 '토론 문화'이다. 하이젠베르크를 중심으로 동시대의 많은 물리학자의 연구 핵심내용들이 소개되어 나오는데, 관련 교수들이 토론을 통해 그들의 연구를 검토하고 업그레이드 한다는 부분이 인상적이었다. 상대성 이론이 천재 아인슈타인 한 사람의 역작이라면 양자역학은 수많은 과학자들의 협력과 경쟁에 의해 자리 잡은, 요즘 말로하면 집단지성의 산물이라 하겠다.

만화라고 쉽게 볼 수 있는 책은 아니고... 그렇다고 양자역학을 이론적으로 설명하는 어려운 책도 아니다. 과학 좀 좋아하는 중·고등학생들이 읽으면 제일 적당하고, 관심 있는 성인들도 어려운 이론은 무심히 넘기면서 볼 수 있는 수준의 구성이다. 나에겐 뭔가 지식충족이 덜된... 그런 느낌이 조금 남아 있다. 하여튼 이런 책을 우리 학생들이 많이 봤으면 좋겠다. 노벨상은 기초과학 분야에서 창조적인 성과를 일궈낸 사람에게 주어지는데 우리나라는 이런 게 너무 약하다. 투자도 좋지만 관심이 우선이다. 이 책으로 인해 단 한 명의 인재라도 관심을 가진다면... 이 책 낸 사람들 모두 행복할거야... 그림체가 시원하고 글에 군더더기가 없어 나름 즐거운 책 읽기(보기) 였다...^^

하이젠베르크의 양자 역학

이 책은 

내가 너무 욕심을 부린 것만 같다, 아니 욕심 차원이 아니라, 나를 너무 과신했다,

읽으면 이해될 줄 알았다. 지금껏 책을 읽으면서 소요 시간은 다소 달랐지만, 이해 문제에 대햐 이 책처럼 고민한 적은 없었다.

그래서 결론은 이 책은 그저 시작일 뿐이라는 것, 더 공부할 분야, 항목으로 남겨두기로 했다는 것이다.

이 책은 만화로 되어 읽고 보기에는 편하지만, 중간 중간 삽입된 수식과 공식은 나의 이해범위를 넘어선 기호에 불과할 뿐인 것이 안타깝다.

베르너 하이젠베르크는 누구인가 

이 책의 주인공 베르너 하이젠베르크는 독일 사람, 1927년 10월 라이프치히 대학의 이론물리학 정교수가 됨. 25세 나이로 독일 최연소 교수이며, 1945년 맨해튼 프로젝트 성공.

독일의 이론물리학자. N.보어의 지도 아래 원자구조론을 검토하여 양자역학의 시초가 되는 연구를 하였으며, 불확정성원리에 대한 연구로 새로운 이론의 개념을 명확하게 하였다. 그 외 원자핵 분야에 대한 연구 등 여러 연구가 있다.

불확정성원리의 연구와, 양자역학 창시의 업적으로 1932년 노벨물리학상을 받았다. (두산백과)

뉴턴의 고전역학과 하이젠베르크의 양자역학

만화를 보면서, 하이젠베르크가 주장한 양자역학을 이해하려고 노력했다.

읽었으나, 그 것을 문장으로 정리할 수 없음이 이 책의 저자에게 민망한 노릇이다,

그래서 나름 여러 자료를 찾아보다가 다음과 같은 설명을 접했다,

＜뉴턴의 고전역학과 하이젠베르크의 양자역학을 바닷가의 모래밭에 비유해보죠.

뉴턴의 고전역학의 관점으로 보는 것은, 모래밭을 멀리서 보는 겁니다. 그렇게 보면 모래밭이 규칙적으로 펼쳐져 있는 거처럼 보이죠.

하지만 양자역학의 관점에서 보는 것은 모래 하나하나를 관찰하는 것입니다. 그렇게 보면 모래가 불규칙적으로 쌓여 있는 걸 볼 수 있습니다.

이렇게 불규칙적으로 되있는걸 양자화되있다고 합니다.

양자역학은 이런 세계를 다루는 학문이죠＞

그런 설명을 들으니 조금 이해가 되는 것도 같다.

밑줄 긋고 새겨야 할 말들.

하이젠베르크: 경험할 수 없는 원자세계를 설명하기 위해 수학적 규칙성을 도입한 건 참으로 기발한 시도야. 나는 모든 것의 기본 요소를 수학적 형상으로 설명하려고 했던 플라톤의 사고방식을 죽는 날까지 믿게 되었다. (19쪽)

가장 어려운 것부터 시작했다고 해서 쉬운 문제가 저절로 이해된다고는 말할 수 없어. (28쪽)

책을 받았을 때 매우 즐거웠다. 어려운 과학 내용이 이미지를 통해 전해지기에 쉽게 다가갈 수 있을 줄 여겼기 때문이다. 하지만 이미지에 짧은 글들로 이루어져 있어도 그 내용엔 심도가 있다. 과학적 용어에 흥미를 느끼지 못하고 살아온 시간들이 나를 쉽게 원자, 전자, 양자의 세계에 빠져들게 하지 못하게 한다. 입자, 파동 등의 의미가 어떻게 관련되는 지도 잘 인지가 안 된다. 한 번 읽어서는 내용이 쉽게 감지가 안 된다. 두 번 읽고 세 번 읽고 많이 읽어야 하는 수고를 하고 있다. 그리고 조금 이해가 되어 이렇게 책의 고마움을 전한다.

아인슈타인은 모든 것은 계산을 할 수 있다고 생각한다. 그러기에 미래에 일어날 일도 알 수 있다는 주장을 폈다. 즉 필연의 법칙이 존재한다는 것이다. 그런데 하이젠베르크는 불확정성의 원리를 제시했다. 모든 것이 어떻게 변모할 줄 모르며, 계산이 이루어질 수 있는 것이 아니라는 뜻이다. 오늘을 예측할 수 없고, 그러기에 미래를 더욱 확정적으로 말할 수 없다는 말이다. 즉 확률적인 우주관을 피력한 것이다. 이런 의미에서 전자들의 충돌로 이루어진 불확정의 의미를 분명히 하기 위해 양자역학을 주창하고 있다.

이 책은 하이젠베르그가 어떻게 학문적 성취를 이루게 되었는가를 자세하게 서술해 주고 있다. 그의 이론도 물론 그려지지만 그것보다는 그의 인간관계와 학문적 노력 등이 자세하게 표현된다. 그러기에 어려운 내용을 조금이라도 쉽게 접근하여 다가갈 수 있다. 그의 성장에는 많은 사람들이 함께한다. 그를 이끌어준 교수님, 그리고 같이 연구에 참여한 사람들은 그의 학문적 성취에 많은 도움이 되었다. 그 혼자만의 성취라고 보기 어려울 정도로 서로 나누는 토론 문화가 그들의 성취를 만들어 내고 있다. 나는 과학자들의 그런 자세가 너무나 마음에 다가왔다. 함께하는 노력, 그리고 그 성과를 나누는 것은 다른 학문 쪽에선 쉽게 할 수 있는 일이 아니다. 지식의 쌓아감이 중요한 과학에서 이루어질 수 있는 상황이 아닌가 생각된다.

사실 원자, 전자의 관계성 그리고 양자의 불확정성 등 상관관계에 따른 대충의 의미는 다가오나 그 부분의 전문적인 지식이 없기에 이미지로 그려 놓아도 수식 같은 것은 잘 이해가 되지 않는다. 많은 공식들이 등장하지만 그 언어들이 처음 보는 외국어 모양 거리를 가지고 다가온다. 깊이까지는 나아갈 수가 없다는 말이다. 단지 모든 물리적 상황을 수학을 통해서 표현하려고 하는 학자들의 노력은 마음에 와 닿는다. 나는 이 책을 통해 물리학에 통찰의 지식을 보태지는 못 하고 있다. 하지만 인간의 삶과 학자의 길, 그리고 어떻게 사는 것이 바른 삶인가 하는 것을 대신 읽어보고 있다.

작은 이미지의 글속에 현대 수많은 물리학자가 등장하고, 그들의 토론 문화가 보이고, 지식을 찾아가는 냉철한 시선이 보이고, 몸을 돌보지 않는 노력이 보이고, 현대의 물리학의 진전을 만날 수 있고, 새로운 세계가 열림을 감지할 수가 있다. 과학도들에게 많은 도움이 된 글이다. 아마 물리학에 조예가 있는 사람, 수학에 관심이 있는 사람들은 이 책이 좋은 자료가 되지 않을까 생각이 된다.

아인슈타인과의 대화는 지식인의 고집을 볼 수 있는 본보기였다. 서로 이해를 할 수 없더라도 끊임없이 상대의 의견에 귀를 기울이는 자세는 놀라운 모습이다. 그것이 과학을 하는 사람들의 기본자세가 되어야 하지 않을까 생각이 된다. 뭔헨 대학에서 스승 조머펠트와 동료 파울리를 만난 것은 그에게는 행운이었다. 또한 코펜하겐에서 보어선생님, 괴팅겐에서 보른 등을 만난 것도 그의 학문적 성장에 크게 도움이 되었다. 힘을 모으고 나누면서 연구할 수 있는 무대를 제공 받고 시간을 나눈 것은 위대한 물리학자의 앞길을 인도하는 포석이라고 여겨졌다. 서구의 그런 학문적 분위기가 마음에 무척이나 감겼다.

난 이 책에서 문자적인 의미를 중점적으로 읽었다. 온전한 독해를 하지 못하고 있다는 말이다. 언젠가 읽었던 칸트의 ‘비판’과 관련된 서적만큼이나 나에겐 지적 부담으로 다가왔다. 하지만 책에 내포된 의미는 크리라. 이 양자 불확정성의 원리가 오늘날 물리학의 주류를 형성하고 있음은 주지의 사실이다. 그것은 원자력의 이용을 현실화 하는 정도의 반향을 현대 과학에 던져 주고 있다. 그의 성과에 찬사를 보낸다.

얼마 전 수학의 역사와 관련된 책을 읽었었다. 고등학교를 준비하는 청소년들을 대상으로 한 책으로 수학사와 학자를 중심으로 그들이 찾고 만들어낸 수학 이론을 살펴보면서 왜 '수학'을 배워야 하는지, 교과 과정 속에서 나온 공식들이 어떤 과정을 거쳐서 나오게 되었는지를 알 수 있는 기회가 되었다. 갑자기 툭 튀어나온 것이 아니라 자동차가 여러 단계의 발전을 거쳐서 현재의 모습이 되었듯 수학 이론들 역시 수학 학자들의 끈질긴 노력과 열정으로 발견하고 만들어져 지금에 이르게 된 것이다.

역사와 학자를 중심으로 이야기를 풀어내면서 모래알처럼 흩어져있는 이론들의 발전 단계를 보여주니 그토록 힘들고, 지루하고, 재미없었던 수학 공식들이 감동적이고 아름답게 보였다. 물론, 다시 되돌아가서 수학 공부를 하라고 한다면 여전히 힘겹고 지겨울 것이다. 그러나 그 눈물나는 탄생의 과정을 알게 된 이상 그들의 유산을 지켜내고 이해해야 한다는 책임감은 느껴질 것 같다.

[하이젠베르크의 양자역학]을 읽고 싶었던 이유 역시 그 수학책을 읽은 이유와 같았다. '양자역학'이라는 넘사벽의 분야를 '하이덴베르크'라는 학자의 일생을 통해서 접근하다는 책소개를 읽고 한번 도전해보고 싶은 마음이 들었던 것이다. 학창시절 수학만큼 싫어했고, 어려워했던 물리를 다시 보고 싶은 생각은 없었으나 '양자역학'이라는 개념을 알고 싶었는데 이론을 본격적으로 다룬 책은 읽을 엄두가 나질 않았던 것이다. 더구나 이 책은 '만화'라는 형식으로 되어 있어 문외한이 나에게 그나마 접근할 용기를 주었다.

만화라는 형식에 하이젠베르크라는 학자의 일대기라는 포맷으로 풀어냈어도 결코 쉽지만은 않다. 일반 독자들의 눈높이에 맞춰 설명을 할지라도 어쨌든 다루고 있는 이론이 간단하게 이해될 수 있는 내용이 아니기 때문이다. 2~3번 정도 반복해서 읽고, 책의 말미에 소개한 '함께 읽으면 좋을 책들'을 추가로 읽어본다면 미약하나마 개념을 이해할 수 있지 않을까 싶다.

처음 접하는 내용이고, 이해하기 어려운 이론들에 고개가 내내 갸우뚱거렸지만, 그럼에도 책을 읽어 내려가는데는 어려움이 없다. 심지어 술술 읽힌다. 이 무슨 이율배반적인 이야기인가 싶지만 실제로 그렇다. 일단 이론은 그런가보다 하면서 한번 본 것으로 만족하고, 스토리를 따라가면서 읽으면 '하이젠베르크'라는 천재적인 학자의 열정, 끈기, 뚝심이 보인다. 세상의 그 어떤 보상보다도 '알고 싶다'는 그 열망으로 노력한 학자의 땀과 노력이 그대로 느껴진다. 뿐만 아니라 동료 학자들과 함께 연구하고, 때로는 반목하며 대립하고 하는 과정들은 흥미진진하면서도 감동과 경외심이 든다.

지금의 기술이라면 바로 확인 가능한 것들이지만 당시로는 윤곽조차 잡기 어려운 것을, 마치 깜깜한 어둠 속을 더듬거리며 찾아가는 모습이 안타깝기도 했다. 마치 기계로 찍어낼 수 있는 것을 손으로 하나하나 만들고 있는 것처럼. 그럼에도 그들은 포기하지 않는다. 눈으로 확인할 수도, 증명하기도 어려운 양자역학의 개념을 온전히 손으로 증명해보이려 했다. 그리고 마침내 성공한다. 세기의 천재로 불리는 아인슈타인도 끝내 인정하지 않았던 그 개념을.

2차 세계대전이라는 전쟁을 겪으면서 자신을 비롯한 과학자들이 평생을 걸쳐 연구한 원자물리학이 26만명의 목숨을 앗아간 괴물같은 무기가 되는 과정을 눈으로 지켜보면서 절망하기도 했다. 그렇지만 학문에 대한 그의 열정은 패전국 독일이라는 악조건 속에서도 사그라들지 않았고 죽을 때까지 그 끈을 놓지 않았다.

복잡하고 어려운 과학 이론을 빼더라도 하이젠베르크라는 열망이 가득했던 한 과학자의 일생을 조망해보는 것만으로 충분히 감동적이었다. 하늘이 주신 재능을 기꺼이 받아들이고 '과학'이라는 학문으로 맺어진 인연들과 끊임없이 토론하고 치열하게 연구해나가는 그의 모습을 보면서 낯설었던 과학이라는 영역이, 과학자들이, 한뼘은 다가온 것 같다. 수학의 역사와 수학자들을 통해서 수학의 아름다움을 느꼈던 것처럼, 이 책을 통해서도 과학이라는 신비한 세계를 조금은 맛본 느낌이다. 그들의 땀이 얼룩진 아름다운 세계를.

독일 과학자 하이젠베르크는 인문적 교양과 예술에 대한 재능도 가졌던 종합적 지식이라 할 수 있다. 불확정성 원리로 유명한 하이젠베르크의 면모는 그의 자서전인 ‘부분과 전체’를 통해 확인할 수 있다. 물리교육 및 과학교육을 전공한 이옥수 저자의 ‘하이젠베르크의 양자역학’은 그래픽 노블이라는 장르의 책이다.

불확정성 원리는 상당한 철학적 함의를 지닌 이슈이다. 하이젠베르크는 ‘경로는 우리가 입자를 관찰하는 순간에만 존재한다.’는 말로 자신의 원리를 설명했다. 입자의 속도와 위치를 정확히 알 수 없기 때문에 입자의 미래 경로도 예측할 수 없음을 의미하는 그의 원리는 입자의 과거와 미래가 모두 불투명하다는 사실을 깨닫게 한다.

하이젠베르크는 이런 말을 했다. “최대의 난관은 수학에 있는 것이 아니라 수학이 어느 점에서 자연에 연결이 되어야 하는가에 있었다. 따지고 보면 결국에는 자연을 설명하자는 것이지 수학을 하자는 것이 아니잖는가?”(‘입자, 인간, 자연에 대한 단상‘ 77 페이지) 이 말을 들으며 생각한 것은 전공자가 아닌 이상 교양으로서의 과학을 읽는 것의 가치는 사람과 사회를 이해하고 설명하는 데에 있다는 것이다.

’하이젠베르크의 양자역학’은 교양 과학서이다. 하이젠베르크의 이 말은 그의 다른 말인 “우리가 관찰하는 것은 자연 자체가 아니라 우리의 질문 방식에 따라 드러난 자연”이라는 말과 함께 충분히 음미할 만하다. ‘하이젠베르크의 양자역학’에는 스무살의 하이젠베르크가 이미 그 어렵다는 헤르만 바일의 ’공간, 시간, 물질‘을 읽었다는 내용이 나온다. 이 책은 헤르만 바일이 아인슈타인의 상대성 이론을 수학적으로 서술한 책이다.

책을 읽으면 느낄 수 있는 바이지만 설득력 있는 가설(假設)을 세움으로써 새로운 이론을 만드는가 그렇지 못하는가에 따라 과학자의 명운(命運)이 결정된다 해도 지나치지 않다. 당연히 과학자에게도 영감이 중요하다. 과학자들이 미적인 것을 추구하는 과정을 통해 통찰력 있는 과학 이론을 세우는 것은 주지의 사실이다. 하이젠베르크는 “자연이 극적인 단순성과 아름다움을 보여준다면 그것은 진리일 수 밖에 없다.”는 말을 했다.

본문에는 하이젠베르크와 보어의 인연에서부터 과학사의 주요 사건들이 망라되어 있다. 하이젠베르크가 옛 스승이자 친구인 보어를 찾아간 것은 1941년이다. 하이젠베르크는 잘 나가던 때였고 보어는 점령국의 반(半) 유대인으로 힘든 삶을 이어가던 때였다. 영국 작가 마이클 프레인(Michael Frayn: 1933 - )의 1998년작 연극 ’코펜하겐(Copenhagen)‘이 있다.

하이젠베르크가 보어에게 “과학자가 핵분열의 결과에 대해 연구를 계속할 도덕적 권리가 있는가?”란 물음을 던졌다. 보어는 벌컥 화를 냈다. ’코펜하겐‘에는 왜 하이젠베르크가 보어를 방문했는가란 문제는 생각할수록 불확실성이 존재한다는 메시지가 담겼다. 프레인이 말하려는 바는 원자(原子)는 물론 인간 사회도 불확정적이라는 것이다. ‘하이젠베르크의 양자역학’은 카튼 형식의 책이지만 상당히 전문적인 내용을 담고 있어 쉬운 책이 아니다. 그렇기에 그래픽 노블이라 불리는 것이다.

물론 정독하면 상당한 도움을 받을 수 있다. 중간 중간 ‘메타 인포(meta - info)‘라는 코너를 배치해 더 깊은 이해를 도모하는 점도 돋보인다. 과학에 대한 더 나은 이해, 그리고 보완적 독서의 하나로 추천할 수 있는 것은 관련된 여러 책을 읽는 것이다. 초점이 다르고 설명 방식이 다르고 다루는 부분이 다른 책들을 통해 좀 더 나은, 입체적인 이해를 담보할 수 있다. ‘하이젠베르크의 양자역학’ 역시 당당히 그 대열에 포함될 만하다. 그림이 컬러풀하고 인물 묘사가 섬세하기에 더 더욱.

하이젠베르크의 양자역학

만약 대재앙이 일어나서 인류에게 단 1개 문장의 과학적 지식을 전달해야 한다면 ‘모든 물질은 원자로 이루어져 있다는 가설을 전달할 것이다.’
(리처드 파인드만, 1918~1988, 미국 물리학자, 아인슈타인과 함께 20세기 최고의 과학자로 손꼽힘)

   이 가설에 의하면 원자는 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로, 그것은 거리가 어느 정도 이상 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어내는 성질을 가지고 있다.

   이렇듯 인류의 과학 지식에서 가장 중요한 것으로 알려진 원자, 그 개념은 누가 먼저 생각해 내었을까?
   그리스 철학자 데모크리토스(기원전 460~380년)는 ‘물질을 계속 잘게 쪼개면 어떻게 될까?’라는 질문 속에서 원자라를 개념을 탄생시켰으며, 근대에 와서는 영국의 존 돌턴(1766~1844)이 이를 제창하였다. 돌턴의 원자설은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자가 물질을 이루는 기본 단위라는 개념에서 고대 원자론과 차이가 없지만, 근대과학의 발달에 힘입어 최초로 화학적 원자론을 제시했다는 데 의의가 있다.
   돌턴 이후 원자 내부 구조를 예측하는 다양한 원자 모형 가설이 등장했다.

   재미있는 것은 데모크리토스는 원자에 대한 개념은 생각했지만 그 형태에 대한 구체적인 설명은 없었는데, 그리스 철학자 플라톤은 물질의 최소단위를 직각삼각형으로 이루어져 있다고 생각했다는 점이다. 이 직각삼각형을 합치면 정삼각형, 정사각형 등 다양한 모양으로 만들 수 있는데, 이렇게 만들어진 정삼각형이나 정사각형으로 정다면체를 만들면 물, 불, 공기, 흙의 4원소를 만들 수 있다고 생각한 것이다.

   기원 전부터 수많은 철학자와 과학자들이 눈에 보이지 않는 원자에 대해서 고민하고 연구했다고 하니 사실 놀랍기만 하다. 하지만 원자에 대한 연구는 아직 끝나지 않았고 수 천년이 지난 현재에서도 계속 진행 중이라는 것은 충격적이기도 하다.
   우리는 역사 속에서 뉴턴의 운동법칙, 맥스웰의 전자기이론 등 물리학에 대한 놀라운 발견들이 있었지만 원자의 구조와 현상을 설명하는데는 모두 부적합했었다.
   이때 등장한 것이 양자역학이다.
   양자역학은 원자의 내부 세계를 설명하는 새로운 과학적 언어로 원자를 설명하고 있다.
   지금까지의 뉴턴의 과학은 어떤 에너지의 위치와 운동성을 정확하게 측정할 수 있다고 가정하고 있으나 양자역학은 원자에 대한 운동은 정확히 측정할 수 없다는 가정에서 시작한다. 논리적이고 정확함을 따지는 뉴턴의 과학과 불확정성을 기반으로 한 양자역학이 양립할 수 있다는 것 자체가 사실 매우 놀라웠다.

   하이젠베르크의 양자역학, 이 책은 하이젠베르크의 일생과 그 일생을 통해 양자역학에 대한 체계가 나온 사회적, 이론적 배경을 독자들에게 동시에 설명해 주고 있다는 점에서 독특성을 찾을 수 있다.
   그동안 수많은 과학책들은 과학이론과 과학자의 삶을 구별하여 설명하는 방식을 선택했다.
   과학이론은 과학책에서 과학자의 삶은 위인전기를 통해 배우라는 방식이다.
   그러나 과학적 이론은 어느 날 하늘에서 뚝하고 떨어진 것이 아니다. 그것은 과학자의 일생을 통해 자연스럽게 도출된 하나의 결과이다. 따라서 과학자의 일대기 속에서 과학이론에 대한 설명도 반드시 함께 공존해야 한다는 생각이 반영된 것으로 보여진다.
사실 그런 까닭에, 책의 중간마다 설명하고 있는 복잡한 과학이론이 책의 이해도와 몰입성, 가독성을 떨어뜨리기도 한다는 극복해야할 약점이 존재한다.
   그러나 이로 인해 독자들이 너무 자학하지는 않았으면 한다. 미국의 물리학자 리처드 파인만 조차도 “양자역학을 완벽하게 이해한 사람은 이 세상에 없을 것이다”라고 이야기 했으니까 말이다.

【 하이젠베르크의 양자역학 】   이옥수 글, 정윤채 그림 / 작은길출판사

1. 

다재다능하면서도 괴짜 과학자라는 애칭이 붙었던 미국의 물리학자 리처드 파인먼은 “만일 기존의 모든 과학적 지식을 송두리째 와해시키는 대재앙이 일어나서 다음 세대에 물려줄 과학적 지식을 단 한 문장으로 요약해야 한다면, 그것은 아마도 ‘원자 가설’일 것이다.” 라고 말했다.

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2.

원자 가설은 모든 물질이 원자로 이뤄져 있으며, 이들은 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 어느 정도 이상 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다는 가설을 뜻한다.

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3.

물리학자들에겐 ‘원자’의 존재를 인정하고, 파악하는 것이 기본이다. 파인먼이 원자가 사물의 기본이라는 생각은 세대를 이어서 전수되어야 할 물리학의 핵심 개념이라고 단정을 짓는 것도 무리가 아니다. 원자라는 개념을 처음 사용한 사람은 그리스 철학자 데모크리토스로 알려져 있다. 근대적 원자론은 19세기 초 영국의 존 돌턴에 의해 제창된다. 조지프 톰슨은 음극선관 실험을 통해 일명 푸딩 모델로 불리는 원자모형을 주장했다.

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4.

이 책의 주인공 하이젠베르크는 1958년 ‘세계공식(World Formula)’이라고 알려진 식을 만들어서 모든 소립자의 특성을 유도해내려고 했다. 그는 젊은 시절 플라톤의 『티마이오스』에 영감을 받아 양자론의 발전에 앞장선다. 코펜하겐 해석이 양자역학의 공리로서 널리 인정받게 된 이후 자연현상의 근본적인 법칙이 대칭성이라는 믿음을 갖고 세계 공식을 만들고자 했으나 결국은 실패했다. 평생의 친구이자 연구 파트너였던 파울리마저도 외면한 공식이지만, 대칭성에 대한 하이젠베르크의 믿음은 현대물리학 이론에 그대로 남아 있다.

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5.

책의 서두는 1958년 뮌헨시 800주년 기념행사장인 독일박물관에서 하이젠베르크가 연설을 하는 장면부터 시작된다. “제 고향은 뮌헨이 아닙니다. 제가 태어난 곳은 뷔르츠부르크입니다. 뮌헨에서 꽤 떨어진 곳이죠. 1910년 아버지가 뮌헨대학의 그리스 문헌학 교수로 초빙되면서 우리 가족은 뮌헨에 와서 지내게 되었습니다.” 그때 그의 나이는 아홉 살이었다. 1920년 뮌헨대학. 대학에서 무엇을 전공할까 고심하던 그는 처음에 수학을 염두에 뒀으나, 이론물리학으로 방향을 잡는다. 그가 대학에서 학문의 인정을 받게 된 계기는 조머펠트 교수와의 조우와도 관계가 있다. 조머펠트는 보어의 양자가설을 전자의 궤도를 원이 아닌 타원궤도로 확장하고 상대론을 적용함으로써 추가로 발견된 수소의 선스펙트럼을 완벽하게 설명했다. 이를 보어-조머펠트 원자모형이라고 한다. 조어펠트 교수는 하이젠베르크에게 제만 효과를 설명해보라고 하면서 의문점을 찾아보라고 지시한다. 그 당시까지만 해도 ‘이상 제만 효과’라는 명칭이 붙은 실험이었다. 원자에 자기장을 가했을 때 선스펙트럼이 분리되는 수는 항상 홀수여야 하는데, 그 수가 짝수로 갈라지는 것이 관찰되었다. 그런 현상을 그때는 도저히 설명할 수 없었기 때문에 ‘이상 제만 효과’라고 불렀다. 하이젠베르크는 이 문제를 반정수(+1/2, -1/2)를 사용하면 된다는 생각을 하게 된다. 당시에는 아무도 반정수에 대해서 말한 적이 없었다. 양자수는 정수였던 것이다. 조머펠트 교수조차도 “그건 불가능하네. 양자의 세계는 정수와 상관이 있는 걸세. 반정수는 있을 수가 없어.”라고 하이젠베르크의 말문을 닫는다. 그러나 그가 옳았다. 그의 이론은 나중에 전자의 에너지 상태를 기술하는데 쓰이게 된다.

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6.

하이젠베르크는 1927년, 그의 나이 스물여섯 살에 라이프치히대학 이론 물리학 정교수가 된다. 독일에서 가장 젊은 교수로 기록된다. 히틀러의 등장으로 제2차 세계대전이 일어나고, 하이젠베르크도 힘든 시간을 보내게 된다. 나치의 강압으로 핵개발에 관여하게 되는 것이다. 실패로 돌아갔지만, 전쟁이 끝난 후 그 후폭풍을 견뎌내야 했다. 원자폭탄 개발 경쟁에서 독일은 연합국이 벌인 다각도의 방해 작전으로, 처음에는 우라늄 확보에 어려움을 겪었다. 충분한 양의 우라늄을 구하지 못하니 차선책으로 감속재인 중수를 사용하는 방법을 채택한다. 그때에도 중수 수송선 폭파 같은 방해공작이 끊이지 않았다. 반면, 미국은 중수 방식을 쓰지 않았고, 엄청난 비용과 우수한 과학자를 대거 투입한 덕분에 폭탄 제조에 성공한다. 하이젠베르크는 1932년 양자역학을 세운 공로로 노벨물리학상을 받았다. (노벨상은 1933년에 받음)

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7.

글과 그림이 만화로 재미있게 편집된 이 책을 현재 과학을 전공하는 학부생들이나, 미래의 과학도들에게 추천하고 싶다. 부모가 자녀들과 함께 읽어도 좋은 책이다.

만화 형식으로 재미있게 '양자역학'이라는 어려운 과학의 내용을 공부해볼 수 있는 책이 출간되어서 정말 기쁩니다. 바로 ＜하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다＞라는 제목의 이 책이지요!

표지에서도 금방 드러나고 알 수 있듯이, '양자역학'을 재미있게 호기심을 자극하며 소개해주는 멋진 책이라고 할 수 있는데요, 그래서 이 책은 '양자역학'을 공부해 보고자 마음을 먹는 많은 독자들, 관심있는 사람들을 위해서 만들어졌다고 볼 수 있는 '만화 과학교양서'로 야심차게 소개되고 있고 실제로 그러한 역할을 제대로 해주고 있는 책이 됩니다.

이 책은 '양자역학'의 '불확정성 원리'를 발견한 과학자로 '하이젠베르크'를 단연 으뜸으로 손꼽게 되는데 '하이젠베르크'에게서 직접 배우는 '양자역학' 이야기를 만화로 즐겁게 만나니 얼마나 신나는지 자기도 모르게 빠져들 수 있으니 얼마나 좋은가요~

이 책은 그 형식에서 누구라도 좋아하는 '만화'라는 강점이 있기에 순수하게 문과를 전공한 사람도, 또 과학을 좋아해서 다양한 책들을 섭렵했다는 사람도 모두모두 공감하고 또 만족할 수 있는 좋은 책이 되는 것 같아요!

이 책이 또한 자랑하는 것이 '독자와 배우는 자의 입장에서 꼼꼼하게 짚어 가며 만든 양자역학 만화'라는 것이지요~ 책장을 넘겨갈수록 그것에 크게 공감하며 이 책의 내용을 잘 알고 이해할 수 있어서 좋았습니다.

'하이젠베르크'는 또한 '철학, 수학, 물리학의 전통 위에 선 과학자'라는 별명을 자랑합니다. '하이젠베르크'는 학창시절부터 수학 신동이었고 독일의 김나지움에서 그리스 고전을 배우면서 물질 세계와 자연현상을 알고 이해하는 철학적인 토대를 마련하는 바탕을 만들 수 있었다고 합니다. 그가 풀어내는 '양자역학'의 내용들이 결국 오늘의 과학과 우리 세계를 만들어가는 중요한 원리가 되기에 참 감사한 마음이 들었습니다.

평소에는 어렵다고 생각해서 범접하기가 힘들었던 '양자역학'의 이야기!!! 이 책 [하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다]를 통해서 '양자역학'에 관심을 가지고 그 내용들에 대해서 즐겁게 파악해보고자 하는 열의와 열정에 자신감을 가지게 되었다고 해도 과언이 아니랍니다.

책에서도 소개하고 있듯이, '현대물리학'의 굵직한 두 기둥으로 '상대성 이론'과 '양자역학'을 꼽을 수 있다고 하는데요, 솔직히 이름부터 어려운 것이 사실입니다. '양자역학'에는 '불확정성 원리'라는 핵심적인 법칙이 존재한다고 합니다. 이러한 개념들에 접근하여 이해하는 것이 솔직히 어려운 것이 솔직한 심정이므로 이 책이 더 마음에 와닿았어요~ 왜냐하면, 남녀노소 모두 이해하기 쉽도록 만화형식으로 이해하고 접근할 수 있도록 도와주고 있기 때문이지요~

이 '양자역학'으로 유명하는 물리학자는 바로 독일의 이론물리학자로 유명한 '베르너 하이젠베르크'로 이러한 '양자역학'의 원리를 발견하고 급기야 그것을 수학적인 언어로 표현하기에 이르러 이른바 '양자역학'의 핵심적인 이론을 세우도록 한 인물이라고 평할 수 있으니 이 분의 이야기들을 따라가보는 시간을 가질 수 있다는 것이 얼마나 설레고 즐거운 독서가 되었는지 모른답니다.

이 책은 어렵다는 선입견을 가지게 하는 과학의 '양자역학' 분야에 관심을 가지는 많은 사람들을 위한 멋진 '만화 과학교양서'가 됩니다. 그리고 아이들에게도 재미있는 과학을 시작할 수 있도록 해주는 좋은 영향을 미치는 책으로 거듭날 것이라고 믿어 의심치 않네요!!!