화학, 물리법칙으로 설명해낼 수 있을까?

“양자역학은 화학의 모든 것과 물리학의 대부분을 설명했다.”
양자이론의 발전에 중요한 역할을 한 영국의 물리학자 폴 디랙은 양자역학이 물리학뿐 아니라 화학에서도 얼마나 중요한 위치를 차지하는가를 이 문장을 통해서 강조한다. 즉, 양자역학을 통해 화학을 물리학으로 환원할 수 있다는 의미다. 전통적으로 물질의 ‘구성’을 다루는 화학과 물질의 ‘운동’을 다루는 물리학은 나뉘어 발전해왔다. 하지만 원자, 전자, 핵 등에 대한 연구가 심화되면서 물질을 전자와 핵의 ‘운동’으로 해석하게 되었고, 이로 인해 현대 화학에서 물리학, 특히 양자역학의 역할이 중요해지기 시작했다. 이 책은 화학적 주제인 물질의 구성을 물리학적 이론으로 풀어간다. 알기 쉽고, 이해하기 쉬운 표현들로 미시세계를 지배하는 양자역학의 원리와, 원자와 분자의 구조, 화학반응 등에 대해 자세하게 설명해내고 있다. 이 책을 읽다 보면 단지 화학에 대해서뿐 아니라 물리학 지식에 대해서도 이해가 깊어지고 풍성해지게 된다.

고전역학에서 양자역학으로, 혁명적 전환이 일어나다

양자역학이 화학에 적용되는 과정을 이해하기 위해서는 어떻게 고전역학에서 양자역학으로의 변화가 시작되었는지를 먼저 이해해야 한다. 지은이는 이 책의 첫 장에서 완벽해 보이던 고전역학 이론이 ‘빛이 가진 이중성’, 즉 빛이 입자로서의 특징과 파동으로서의 특징을 함께 갖는 특징을 통해 균열이 생기기 시작했고, 이로 인해 ‘양자’와 ‘물질파’라는 개념이 등장하면서 물리학에 ‘양자론’이라는 혁명이 시작되었다고 이야기한다. 지은이는 이 책에서 고전역학에서 양자역학으로의 전환 과정을 설명하면서 빛의 성질, 토머스 영의 이중슬릿 실험, 원자모델의 발전 과정, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거 고양이 패러독스 등 물리학이 발전해온 중요 이론과 개념들에 대해서도 자세히 들려준다.

카오스 재단이 선보이는 과학 강연의 마스터 클래스!

이 책은 재단법인 카오스에서 주최한 과학 강연을 묶은 시리즈다. 2017년 여름에 실시한 ‘마스터클래스 화학 S=mQ의 제곱’의 강연은 소수의 인원이 강연자와 함께 대화와 질문을 통해 배우는 강연으로 과학에 대해 보다 깊이 이해하는 시간으로 꾸며졌다. 강연의 부제가 S=mQ의 제곱인 것은 ‘과학(Science)은 마스터(Master)에게 끊임없이(제곱) 질문(Question)하는 것’이란 뜻이다. E=mc의 제곱을 패러디한 제목으로 이 강연에서는 ‘Q’ 즉, 질문에 방점을 두었다. 이에 따라 수많은 질문과 대답이 오갔고, 책의 각 장 마지막에는 강연에서 등장했던 주요 질문들을 담아 그 생생한 열기를 함께 전달하고 있다.

이 시리즈는 서울대 화학부 김지환, 김경택, 이동환 교수가 각 2017년 6월, 7월, 8월에 강연을 진행했다. 김지환 교수가 「분자 사용 설명서」란 주제로, 다음으로 김경택 교수가 「불가능은 어떻게 일상이 되었나: 나일론과 디엔에이」란 주제로, 마지막으로 이동환 교수가 「분자공학 각론(分子空學各論)」이라는 주제로 강연을 펼쳤다. 카오스 재단은 과학이 세상에 도움을 줄 수 있고 과학적 사고가 세상을 바꿀 수 있다고 믿으며, 더 많은 사람과 기초과학에 관한 다양하고 깊이 있는 지식을 대중 강연, 콘서트, 출판 등을 통해 나누어오고 있다.