열정과 노력, 우연과 직관이 빚어낸 드라마틱한 발견들

과학혁명을 이끈 물리학자 12명의 삶과 연구 『물리학의 혁명적 순간들』. 갈릴레이, 뉴턴, 패러데이, 맥스웰, 아인슈타인, 플랑크, 베크럴 등 물리학사에 뚜렷한 족적을 남긴 물리학자 12명의 삶과 업적을 일화와 함께 엮어낸 교양과학도서다. 그들이 전 세계의 발전에 영향을 끼친 ‘위대한 발견’을 하게 된 그 순간으로 되돌아가 그 현상을 생생하게 되살려냈다. 또한 이들이 과학자가 되기까지의 성장과정과 고난 등을 함께 담았다. 어려운 순간에도 목표를 잊지 않고, 과학에의 끌림과 열정으로 차근차근 나아가 ‘혁명적 순간들’을 맞게 되는 과정을 들려주고 있다.

갈릴레이, 뉴턴, 패러데이, 맥스웰, 아인슈타인, 플랑크,
베크렐, 러더퍼드, 보어, 하이젠베르크, 페르미, 마이트너 …

물리학자 12명의 위대한 순간을 포착하다!
열정과 노력, 우연과 직관이 빚어낸 드라마틱한 발견들

“물리학적 혁명의 순간들은 어떤 학자에겐 열심히 연구에 몰두하는 가운데 찾아왔고, 어떤 학자에겐 일상에서 한 걸음 떨어져 휴가를 가거나 고향에 내려가 있을 때, 또는 산책을 할 때 찾아왔다. 그러나 연구실에서 그런 순간들을 맞았건 한가롭게 쉬고 있을 때 그런 순간들을 맞았건 간에, 공통적인 것은 그 순간에 이르기까지 연구에 몰두했던 수많은 밤들과 풀리지 않는 문제를 안고 묻고 또 묻던 시간들이 누적되어 있었다는 것이다. 에디슨도 천재는 99퍼센트의 노력과 1퍼센트의 영감으로 이루어진다고 하지 않았던가. 물리학적 영감의 순간이 있기 위해서는 연구에 바친 수많은 땀이 선행되었다.”
- ‘옮긴이의 말’ 중에서

물리학의 혁명적 순간들은 존재했다. 물론 위대한 물리학적 발견과 이론이 천재들의 아이디어만으로 이루어진 것은 아니다. 뉴턴이 “내가 더 멀리 볼 수 있다면 그것은 내가 거인들의 어깨 위에 서 있기 때문이다”라고 말했던 것처럼, 모든 위대한 발견은 선배 학자들이 이루어놓은 토대를 바탕으로 꽃피웠다. 그러나 위대한 과학적 발견이 이루어진 과정을 살펴보노라면, 뉴턴이나 아인슈타인처럼 동시대의 과학자들보다 한 걸음 앞서거나 그들을 훌쩍 뛰어넘는 과학자들의 ‘혁명적 순간’을 발견할 수 있다.
토마스 뷔르케의『물리학의 혁명적 순간들』(원제 : Stern Stunden der Physik : Von Galilei bis Heisenberg)은 물리학사에 길이 빛나는 물리학의 혁명적 순간들을 마치 지금 이 순간 벌어지는 것처럼 현재로 불러와 그 순간을 실감나게 재현한다. 자신도 믿기 힘든 놀라운 발견에 황홀해 하는 과학자들, 해답을 알아냈을 때 “행복에 겨워 정신을 잃을 지경”이라고 고백하는 과학자들….
『물리학의 혁명적 순간들』은 갈릴레이, 뉴턴, 패러데이, 맥스웰, 아인슈타인, 플랑크, 베크렐, 러더퍼드, 하이젠베르크, 페르미, 마이트너 등 물리학사에 뚜렷한 족적을 남긴 물리학자 12명의 ‘혁명적 순간’을 드라마틱하게 보여주면서, 그들의 삶과 업적을 일화와 함께 흥미롭게 엮어낸 교양과학 도서이다. 독자들은 비교적 단순했던 갈릴레이의 실험에서부터 오늘날 우리 삶에 지대한 영향을 끼치고 있는 핵분열에 이르기까지 물리학이 걸어온 발자취를 따라 즐거운 지적 여행을 떠날 수 있을 것이다.
그러면 ‘혁명적 순간’은 어떻게 찾아온 것일까? 이들 물리학자들이 경험한 물리학의 혁명적 순간들은 한밤중에 연구하다가 ‘문득’ 떠오르는 방식으로 찾아오거나, 실험에 실험을 거듭하던 중에 ‘느닷없는 포탄처럼’ 찾아왔으며, 사고실험을 하다가 ‘번뜩이는’ 영감으로 찾아오는가 하면, 아니면 아주 운 좋게도 ‘우연히’ 찾아왔다. 그러나 위대한 순간을 연구하던 중에 맞이하건, 한가롭게 쉬고 있을 때 맞이하건 간에, 그 순간이 찾아온 것은 수많은 노력과 시간들이 축적되었기 때문에 가능한 일이었다. 지지부진한 실험에도 끈을 놓지 않는 학문적 열정이 뜻하지 않는 우연과 섬광처럼 찾아온 직관과 함께 어우러져 그 순간들을 만들어냈던 것이다. 그 ‘혁명적 순간’들은 마치 마지막 퍼즐을 끼워 맞출 때처럼 아슬아슬한 설렘과 도취를 선물함과 동시에 과학자들의 머릿속을 움켜쥐었고 급기야는 탄성을 자아냈다.

가령, 아이작 뉴턴이 사과가 떨어지는 소리를 들었을 때 떠올린 생각이 중력 법칙의 발견으로 이어졌다는 이야기는 널리 알려진 일화 가운데 하나다. 그러나 뉴턴의 중력 이론을 ‘우연한 착상’에 비롯한 업적이라 여기는 것은 사정을 몰라서 하는 얘기다. 뉴턴이 관찰되는 모든 현상을 중력이라는 통일된 개념으로 편입시킬 수 있었던 것은 뉴턴의 집념어린 연구가 아니었으면 불가능했다. 비서의 말에 따르면 뉴턴은 2년 동안 “거의 사람 같아 보이지 않았다.”고 한다. 또한 비서는 “쉬는 시간을 잠시도 참을 수 없어 했다. 연구실을 나오는 일은 극히 드물었고 연구에 몰두한 나머지 점심 먹는 것을 잊어버릴 정도였다. 잠은 하루에 너댓 시간밖에 자지 않았다.”라고 전했다.
알베르트 아인슈타인은 베른 특허국 사무실에 앉아서 사고실험을 하며 상상의 나래를 펴던 중, 자유낙하하는 사람은 자신의 무게를 느끼지 못할 것이라는 생각에 깊은 충격을 받았고, 그 생각을 단초로 하여 상대성 이론을 만들었다. 그러나 이 사고실험이 상대성 이론으로 단단하게 영글어지기까지는 아인슈타인의 ‘초인적인 노력’, ‘끝없는 고생과 고통스러운 의심’이 필요했다. “굴뚝처럼 담배 연기를 내뿜고, 말처럼 일하고, 아무렇게나 먹고, 진짜 마음에 드는 사람들이 찾아와야만 가물에 콩나듯 한 번쯤 산책을 하고, 불규칙적으로 수면을 취하고….” 올바른 방정식을 찾았는데도, 계산상의 실수로 아인슈타인은 2년 동안 수식 속을 헤매기도 했다.
우라늄 등에서 모종의 방사선이 나온다는 앙리 베크렐의 발견은 우연의 힘이 컸다. 우중충한 날씨가 아니었다면 베크렐은 ‘최초의 방사선 발견’이라는 명예를 마리 퀴리에게 넘겨주었을지 모른다. 베크렐은 우라늄 결정을 햇빛에 노출시켰을 때 나타나는 인광 실험을 반복하고 있었는데, 날씨가 좋지 않자 실험하기를 그만두고 사진 건판 위에 우라늄 결정을 놓고는 서랍장 속에 넣어버린다. 며칠 후 베크렐은 서랍 속에 넣어둔 사진 건판에 검은 그림자를 발견했고, 우라늄 결정이 방사선을 발산한다는 것을 최초로 확인했다.
어니스트 러더퍼드가 원자에서 핵을 발견한 사건은 극적이기까지 하다. 러더퍼드는 학생들에게 금속박지에 알파입자를 조사(照射: 광선이나 방사선 따위를 쬠)하도록 한다. 입자들이 금속박지를 자연스럽게 통과하리라고 생각했지만 8,000개 중 하나 꼴로 입자가 금속박지에 부딪혀 튕겨져 나왔다. 러더퍼드가 뛰어난 것은 이 실험에서 원자에 아주 작은 핵이 있다는 것을 생각해냈다는 점에 있을 것이다. 러더퍼드는 “그 이야기는 마치 수류탄을 얇은 종이에 던졌는데 그 수류탄이 도로 튀어나와서 나를 때린 것만큼이나 믿기지 않은 이야기였다.”라고 회상했다.
베르너 하이젠베르크는 절망스러운 수학 문제에 빠져 있다가 휴식을 취하고자 떠난 휴양지에서 그동안 해결하지 못했던 수식에 답을 찾는다. 하이젠베르크는 그때의 심정을 이렇게 표현한다. “첫 번째 항이 에너지 명제를 충족시켰을 때 나는 흥분의 도가니에 빠졌다. 완전한 계산을 손에 쥐었을 때는 새벽 3시가 가까워오고 있었다. 나는 까무라칠 것 같았다. 표피적 원자 현상을 통해 저 안쪽 깊숙이 높인 아름다운 심연을 본 것 같은 느낌이었다.”
초등학교 때부터 비범한 재능을 과시한 엔리코 페르미가 느린 중성자의 힘을 발견한 것은 우연과 직관의 힘이 컸다. 페르미는 중성자를 통한 방사성 동위원소 생성 실험을 진행하던 중, ‘그냥’ 갑자기 실험 물질로 ‘납’이 아니라 ‘파라핀’이 좋겠다는 생각을 한다. 그래서 납이 있던 자리에 파라핀을 갖다 놓고 실험을 진행했다. 그러자 믿기지 않은 일이 발생했다. 중성자를 파라핀에 통과시켰을 때 중성자는 파라핀 속에서 속도가 느려졌고, 이렇게 느려진 중성자는 지금까지와는 상대도 안 되는 방사능 효과를 발생시켰던 것이다. 그날 밤 연구원들은 모두 흥분을 주체하지 못해 큰 소리로 토론하며 신들린 사람처럼 현관을 왔다 갔다 했다고 한다.
리제 마이트너는 나치의 박해를 피해 스웨덴으로 망명했을 때, 조카와 산책하다가 나무 밑둥에 걸터앉아 학문적 동료인 오토 한의 실험 결과를 계산하다가, 초우라늄이 생성되는 게 아니라 중성자에 의해 핵분열이 일어난다는 것을 깨달았다. 당시 동료 과학자들은 3여 년 동안 초우라늄 생성에 매달리고 있을 때였다.
이처럼 물리학의 혁명적 순간들은 ‘운명’처럼 위대한 과학자들의 삶을 사로잡아버렸다. “여느 때 느릿느릿 하나씩 꼬리를 물며 진행되던 것들이 한순간에 압축된 형태로 머릿속에 확 들어오며, 그 순간이 모든 것을 결정해버린다”라는 슈테판 츠바이크의 말처럼 말이다.

‘천재 물리학자들’의 영화 같은 삶이 펼쳐진다

“이 책에 소개된 물리학자 열두 사람의 삶을 비교해보아도 공통점은 거의 찾을 수 없다. 굳이 공통점을 찾는다면 심신이 지쳐서 나가떨어질 때까지 문제를 붙들고 씨름하는 열정이 있었다는 것이다. (…) 열두 꼭지의 에피소드에는 선구적인 발견이나 혁명적인 이론을 얻기 위한 물리학자들의 절절한 노력들이 깔려 있다. ‘순진무구했던’갈릴레이의 실험에서부터 오늘날 우리의 삶에 적잖은 영향을 끼치고 있는 핵분열에 이르기까지 일화들은 물리학이 걸어온 발자취를 보여줄 것이다.”
- ‘서문’ 중에서

이 책에서 다룬 12명의 물리학자의 삶에서 공통점을 찾기란 무척 힘들다. 가난한 대장장이의 아들에서 어렵사리 물리학자가 된 이도 있고, 명망 높은 과학자의 집안에서 태어나 착실한 교육을 받은 이가 있는가 하면, 어릴 때부터 천재 소리를 들은 과학자도 있고, 남자들만이 들어갈 수 있는 독일 빈 대학 자연과학부에 여학생으로 처음으로 입학한 여성 과학자도 있다. 이들 12명의 삶을 들여다보면, 손쉽게 ‘혁명적 순간’을 얻어낸 이는 그 누구도 없다는 사실을 절실히 깨닫게 된다. 풀리지 않는 문제를 안고 묻고 또 묻던 시간들이 쌓였기 때문에 그들은 과학사라는 ‘명예의 전당’에 자신의 이름을 올릴 수 있었던 것이다.
대장장이의 아들이었던 마이클 패러데이는 물리학자가 된 것 자체만으로도 기적인 삶을 살았다. 어린 시절 빵 한 덩이만으로 일주일을 버티는 가난한 집에서 인류에 지대한 공헌을 한 물리학자가 탄생하리라고 누가 생각할 수 있었을까? 패러데이는 서적상에서 책 제본 기술을 배워 그곳에서 일하다가, 어느 날 자신의 운명을 뒤바꿀 험프리 데이비의 강의를 듣게 되었다. 그리고 그것을 꼼꼼히 받아 적어 한 권의 책으로 만든 다음 데이비에게 보냈다. 그 노트에 감동한 데이비는 패러데이에게 자신의 조수로 일할 것을 제안했고, 데이비의 조수가 된 패러데이는 ‘전자기 유도’를 발견하는 등 최고의 실험 물리학자가 되었다. 패러데이는 가르치는 일에도 관심을 기울여 대중을 상대로 저 유명한 ‘크리스마스 자선 강좌’를 열기도 했다.
하마터면 뉴질랜드의 감자를 캐며 일생을 보낼 뻔했던 어니스트 러더퍼드의 삶은 그야말로 인생역전 드라마를 보는 듯한 착각에 빠지게 만든다. 러더퍼드는 탁월한 집중력과 재능으로 뉴질랜드에서 인정받기는 했지만 장학금을 받지 못하면 학업을 더 이상 유지할 수 없는 상황이었다. 유일한 방법은 영국 유학을 갈 수 있는 장학제도에 응모해 1등을 하는 일이었는데, 안타깝게도 2등이 되는 바람에 탈락하고야 만다. 그러나 1등을 한 사람이 장학금을 포기하는 바람에 러더퍼드에게 기회가 돌아왔다. 러더퍼드는 그 길로 감자를 캐던 삽을 내던지고 영국 케임브리지의 캐번디시 연구소로 유학을 떠났다. 그리고는 훗날 원자의 핵을 발견해 노벨 화학상을 타는 물리학자가 되었다.
리제 마이트너는 성차별이 당연시되던 시대정신을 극복하고 뚜벅뚜벅 과학자의 길을 걸었던 여성 과학자였다. 그녀는 빈 대학 자연과학부의 최초의 여대생이었으며, 여성 최초로 물리학 강의를 들은 과학자였다. 유복한 유대인 가정에서 자라났지만 여자이기 때문에 마이트너는 대학에 들어가지 못하다가, 여자도 대학에 입학할 수 있다는 법안이 통과되자 대학 입학자격시험을 보고는 빈 대학에 합격했다. 이후 연구 업적으로 남성 과학자들의 인정을 받기는 했지만, 여성이라는 이유만으로 변변한 취직자리를 구하지 못해 어려움을 겪기도 했다. 막스 플랑크의 조교가 된 이후 연구할 수 있는 상황이 나아졌지만, 설상가상으로 나치의 유대인 박해로 스웨덴으로 망명을 떠날 수밖에 없었다. 그리고 그 망명지에서 ‘핵분열’이라는 위대한 생각을 인류에게 선사한다.

역사의 거대한 물결에 휩쓸린 과학자들
리제 마이트너의 삶에서 가장 극명하게 드러난 것처럼, 물리학자의 삶을 들여다볼 때 염두에 둬야 하는 것은 그들 모두가 자신들이 살았던 시대의 정치적·시대적 상황으로부터 자유로울 수 없었다는 점이다. 특히 핵분열 관련 과학자들은 제2차 세계대전이라는 전쟁이라는 거대한 역사적 소용돌이에 휩쓸릴 수밖에 없었다. 저자는 이에 대해 이렇게 논평한다. “핵분열의 발견으로 물리학은 순결을 잃어버렸다.”
20세기 초중반 제2차 세계대전이 발발하고 나치 정부의 유대인 탄압이 극심해지자 과학자들은 한가롭게 연구실에 틀어박혀 연구만 할 수 있는 상황이 아니었다. 적극적이든 소극적이든, 각자가 속한 국가와 민족적 상황에 따라 과학자들은 정부 프로젝트에 참여하거나 망명하거나 다른 과학자들을 도왔다.
닐스 보어는 연합국측에 서서 핵무기 관련 정치활동에 힘썼으며, 베르너 하이젠베르크는 개인적으로 위험에 처한 물리학자들을 구해주기도 했지만 나치 정권의 핵 연구 프로젝트에 참가해 훗날 비판을 받기도 했다. 엔리코 페르미는 연합국측의 연구본부에서 플루토륨(원자폭탄 실험에 사용되는 주원료)을 생산하는 원자로 건설을 도맡았다. 그리고 급기야 1945년 일본 히로시마와 나가사키에 원자폭탄이 투여됐다. 리제 마이트너의 학문적 동료이자 노벨상 수상자인 독일 과학자 오토 한은 원자폭탄 투하 소식을 듣고는 실의에 빠져 자살하려고까지 했다.
이처럼 『물리학의 혁명적 순간들』은 정치적·시대적 어둠을 피해 스웨덴으로, 미국으로 망명을 떠나는 과학자들, 시대와 타협하는 길을 선택하는 과학자들, 물리학 연구가 무기로 바뀌어 정치에 이용되는 것을 지켜볼 수밖에 없는 과학자들의 개인적 고뇌와 시대적 아픔을 전하는 것도 놓치지 않고 있다.

한 줄로 요약해본 물리학자 12명의 위대한 업적

● 갈릴레이, 역학과 광학에 지대한 영향을 끼치며 실험 물리학의 토대를 정립하다.
● 뉴턴, 보편적인 중력 법칙에 기초하여 관찰되는 모든 현상과 움직임을 설명하다.
● 패러데이, 전기 현상과 자기 현상을 연결하는 전자기 유도를 발견하다.
● 맥스웰, 전기와 자기와 빛을 하나로 연결한 전자기장 이론을 완성하다.
● 아인슈타인, 상대성 이론이라는 새로운 중력 이론을 제시하다.
● 플랑크, 열복사 이론에 양자 가설을 도입하여 양자 물리학을 개척하다.
● 베크렐, 우라늄 등에서 방사선을 발견하다.
● 러더퍼드, 알파선 산란 실험으로 원자핵의 존재를 발견하고, 원자 모형을 발표하다.
● 보어, 원자구조와 분자구조에 양자론을 최초로 적용하다.
● 하이젠베르크, 입자의 위치와 운동량을 정확히 동시에 측정할 수 없다는 불확정성 원리를 제시하다.
● 페르미, 느린 중성자의 활동을 연구하여, 핵분열 연구의 길을 열다.
● 마이트너, 중성자에 의한 우라늄 핵분열을 증명하다.

서문

갈릴레오 갈릴레이
공기의 저항을 완전히 제거하면 모든 물체는 똑같은 속도로 낙하한다
아이작 뉴턴
내가 더 멀리 볼 수 있다면 그것은 내가 거인들의 어깨 위에 서 있기 때문이다
마이클 패러데이
자기를 전기로 바꾸라!
제임스 클러크 맥스웰
이런 기호를 쓴 이는 신이 아닐까?
알베르트 아인슈타인
뉴턴, 날 용서해줘요!
막스 플랑크
그것은 절망에서 비롯된 행위였다
앙리 베크렐
나는 그것을 우라늄 방사선이라 부를 것이다
어니스트 러더퍼드
이제 원자가 어떻게 생겼는지 알아!
닐스 보어
그걸 본 순간 어마어마하고 상상력을 초월하는 그림이 그려졌다
베르너 하이젠베르크
두 눈을 동시에 뜨면 보이지 않아
엔리코 페르미
내게 필요한 것은 파라핀이야
리제 마이트너
나는 원자폭탄을 만들지 않았다

옮긴이의 말
참고문헌
도판의 출처
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