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볼츠만의 원자/ 데이비드 린들리/이덕환/ 승산/ 2017 패러데이, 맥스웰 그 다음 주요한 과학자라면 역시 볼츠만이 아닐까. 그에 이어서 막스 플랑크, 아인슈타인으로 넘어가며 물리학에 있어서 통계와 확률을 중요성을 처음으로 확실하게 보여준 과학자. 그로인해 당대 독일 철학에서 대두되었던 현상학파(에 가까운. 후설도 이렇게 극단적인 에른스트 마흐의 말에 찬성할 것 같지 않음) 에른스트 마흐의 과학 철학에 맞서면서 말년에 기력을 다 소모하고 어지러운 오스트리아 빈의 정세와 맞물려 자살로 생을 마감한 안타까운 과학자. 다른 과학자들에 비해 유명도가 밀리기 때문에 볼츠만에 대한 전기가 국내에 나와 있을 것이라고는 꿈에도 생각을 못하다가 혹시나 하는 마음에 검색해 보고 깜짝 놀랐습니다. 있다! 서론에서 부터 이 책이 단순한 전기가 아니라 과학에 대한 더 근본적인 이야기를 담고 있다는 것을 보여줍니다. 기존의 물리학자들은 측정하고 계량할 수 있는 것들을 통해 법칙을 찾아내는 것이 과학이라고 생각했지만 볼츠만은 이를 넘어서서 명백하게 증명할 수 없다고 해도 새로운 개념과 잠정적 이론을 이끌어 내는 것 역시 과학이며 이를 위해 정확한 측량이 아니라 통계와 확률이라는 물리학자들이 이전에 사용하지 않았던 방법을 쓰는 것도 타당하다고 보았습니다. 이 갈등은 볼츠만의 말년까지 계속 되었습니다만 그를 통해 진정한 이론 물리학에 탄생하게 되었고 이후에는 이론 물리학에 이어 실험 물리학이 증명하는 것이 현대 과학의 당연한 과정이 되어 있습니다. 본론은 총 11장과 후기 1장 봄베이 에서 온 편지 - 볼츠만 이전에 기체 운동론은 주장한 존 제임스 워터스톤. 인도 동인도 회사에서 해군 생도들을 가르치던 아마추어 과학자가 기초운동론을 처음 영국 왕립학회에 보냈지만 묻혀버렸습니다. 아주 오랜 시간이 지나서야 원고가 발견되어 한바탕 난리가... 비슷한 시기 역시 아마추어 과학자였던 헤라패스도 비슷한 논문을 보냈지만 역시 사장. 사실 원자에 대한 이야기는 과거 데모크리토스와 루크레티우스에 의해 처음 나왔으며 루크레티우스의 무작위적으로 움직이는 원자라는 존재는 무신론과도 이어집니다. 한참 사장되었다가 럼퍼드, 베르투이 같은 이들의 기체와 열 연구에서 다시 부활하지만 다시 묻히고 돌턴에 의해 완전히 수면 위에 올라왔지만 아직 긴가민가한 상태였습니다. 그러다가 루돌프 클라우지우스의 열이라고 부르는 운동 이라는 논문과 제임스 멕스웰의 기체 원자 속도 분포를 나타내는 수학적 표현식과 그래프가 등장하면서 급작스럽게 학계의 판도가 변합니다. 그리고 여기 볼츠만이 맥스웰 볼츠만 분포를 들고 나타나게 되는 것이지요. 2장 보이지 않는 세상 -볼츠만의 친구 제임스 로슈미트, 루돌프 클라우지우스의 연구. 볼츠만의 스승이자 볼츠만의 모난? 성격을 잘 품어주었던 요제프 슈테판의 원자론 옹호. 맥스웰에 대해 소개하고 연구해 볼 것을 적극 권한 것도 바로 슈테판. 기체 운동론 탄생 과정. 1848년 어지러운 오스트리아 상황. 3장 빈의 볼츠만 박사 - 빈 대학 졸업 후, 그라츠 대학에서 실험조교와 강사일. 프랑스 프로이센 전쟁과 독일과 오스트리아의 사정. 열역한 1번 에너지 보존 법칙으로 유명한 헬름홀츠와의 만남. 기체 운동론에 이어 기체 분자이 열평형에 대한 후속 연구. 정류 상태에 대당하는 해는 바로 맥스웰 볼츠만 식. 그라츠 대학 교수직. 그리고 복사 이론과 열역한 사이의 기본 관계인 슈테판 볼츠만 법칙. 4장 비가역적 변화 -사디 카르노의 열역학. 톰슨과 클라우지우스의 연구. 비가역 변화에서 벌어지는 엔트로피의 증가와 한계에 도달한 열적 평형상태를 나타내는 H- 정리 도출. 이 역시 맥스웰 볼츠만 분포. 그런데 H- 정리는 법칙인가? 확률에 근거한 근사값인가? 이 논란으로 인해 위기에 처한 원자론. 5장 적응을 못하시겠군요 - 독일 학계의 적대적 분위기. S와 W가 등장하는 유명한 볼츠만 식의 탄생. 가능성 뿐 아니라 가능성의 수치화가 가능해 짐. 당대 물리학계의 중심지였던 독일 베를린에 가느냐 아니면 오스트리아에 남느냐 문제와 결정장애를 일으키다 뮌헨으로 가게 됨. 6장 영국의 참여 - 뮌헨에서의 역량 발휘. 영국 과학계의 관대하고 포용적인 분위기. 아직은 볼츠만의 이론에 반대했던 막스 플랑크의 등장. 7장 엄청난 실수를 대단한 발견으로 여기기는 쉽다 - 물리학을 유혹하는 철학. 화학과 열역학을 합쳐 물리화학 분야의 기초를 다졌고 한때 에너지론을 주장했던 동료 빌헬름 오스트발트와의 의견 차이와 논박. 볼츠만의 승리였으나 반대파를 설득하지는 못함. 더구나 완강한 에른스트 마흐. 안타깝게도 철학적 사조에 물들어 있지 않았던 미국의 깁스처럼 무시하지 못한 볼츠만. 푸앵카레의 수학 이론을 받아들이고 막스 플랑크의 제자였던 에른스트 제르멜로와의 의견 대립까지. 사실 푸앵카레의 회귀정리와의 차이는 확률과 시간 척도의 차이였을 뿐. 시간이 무한하면 일어날 수 있으나도 현실적으로는 무시할 수 있을 만큼 작은 것이니. 무시해도 좋았을 것을 완벽주의자 볼츠만은 설득하여 애씀. 8장 미국의 혁신 - 독학으로 볼츠만처럼 통계적 계념을 물리학에 적용한 조시아 월라드 깁스. 엔트로피, 에너지, 부피를 축으로 하는 그래프로 열역학적 성질을 과표로 하는 3차원 그래프로 맥스웰의 격찬을 받음. 열역학적 성질에 따라 달라지는 것이지 원자론 자체는 중요하지 않은 그야말로 열역학 최적의 논문이었으나 독일 학계는 이를 각기 아전인수로 받아들이기도. 그러나 그 역시 열역학에 확률 통계를 사용했고 그 역시 열역학에서 보상없는 감소가 매우 희박하다는 것으로 사실상 볼츠만의 이론을 증명한 것이었지만... 9장 새로움의 충격 - 원자 세기 도래 . 영미 사람들이 아닌 독일 사람들 사이에서 실용주의적 물리학자이면서도 철학의 틀을 갖추고 싶어했던 볼츠만의 우울한 말년. 막스 플랑크의 생각 전환과 온도와 빛 파장 사이의 관계, 열적 평행 상태의 열과 빛 등 복사광 문제를 해결하게 해 준 물리학적 확률 통계 방식. 아직까지 복사에너지가 작은 단위에 해당하는 에너지의 원자 즉 양자로 실제 존재하리라고는 생각하지 못했지만. 원자론은 이제 당연한 것으로 받아들여지게 되었지만 지친 볼츠만은 나날이 불안정해지는 빈의 상황에 고민하다 라이프치히로 가게 되는데... 10장 천국의 베토벤 - 고통 받는 자신을 은유. 20년의 침묵을 깨고 마침내 통계역학으로 돌아온 월라드 깁스의 통계역학의 기초 가 출판. 다시 오스트리아로. 여전한 마흐와의 갈등. 11장 기적의 해, 운명의 해 - 1905년 볼츠만의 연구 성과를 이어 받은 아인슈타인의 첫 연구 성과. 플랑크가 생각하지 실존하리라고는 생각하지 못했던 양자의 등장. 즉 원자의 실존! 광전효과는 빛의 양자가 충돌하는 것. 두번째 연구 성과. 브라운 운동은 원자 운동을 직접 관찰하고 계산할 수 있는 현상. 맥스웰 볼츠만 식으로만 가능하다! 이렇게 자신의 업적이 증명되었으나 볼츠만은 잘 알지 못했던 듯. 친구 펠릭스 클라인이 원했던 기체 운동론 원고를 쓰다. 자살이 흔했던 빈의 사정 그리고 그의 죽음. 후기 - 이후 엄청난 과학계의 발전. 마지막에 역자인 이덕환 교수의 평형 열역학에 대한 짧은 글이 나오는데 유용하니 꼭 읽어 볼 것. 열역학 2법칙도 당연히 특정 조건에서만 가능한 이론 이라는 것. 엔트로피 무한 팽창은 현실적으로는... ㅡㅡ 저자는 볼츠만 전기로는 부족하다고 언급하고 있지만 제가 봤을 때는 일반 독자로서 그의 사생활을 더 알 필요도 없고, 그의 연구 업적에 대해서도 특별히 더 알 필요가 없다고 생각될 정도로 잘 정리된 좋은 책이었다고 생각합니다. 과학자가 어떤 과정을 통해 그러한 연구 결과를 도출해 냈는가 이전에 과학이란 무엇인가, 물리학이란 무엇인가 에 대한 기본적인 생각을 하게 만드는 멋진 책이었어요. 검은색 바탕에 구리색으로 둥근 원자 형태 한가운데 볼츠만의 얼굴이 조그맣게 보이는 표지에서 무언가 엄숙하고 경건한 분위기가 느껴져서 걱정했습니다만, 도입부부터 흥미를 유도했고 이후 내용도 예상했던 것 보다 일반 독자들에게 친절하고 심지어 다정하다는 느낌마저 들었습니다. 담담한 문체였지만 모난 성질의 볼츠만에게 연민이 느껴질 정도로 살짝 감정이입이 되기도 했다는. 마흐와 볼츠만의 대립에서는 볼츠만의 고뇌를 이해하고 공감하면서도 마흐의 생각도 일부 수용할 부분이 있다는 저자 본인의 과학하는 자체에 대한 의견도 엿볼 수 있어서 좋았습니다. 한 과학자의 전기이면서 당대 원자론과 열역학이론의 과학사 이기도 하고 과학철학 내용도 담겨있는 책. 좋은 만남이었습니다. |