“모든 것은 원자로 되어 있다”
천재 물리학자, 파인먼을 통해 읽는 20세기 현대 물리학의 모든 순간

나는 천둥벌거숭이로 태어나 자연의 이치를 깨친답시고
약간의 시간을 할애해 여기저기 기웃거렸을 뿐이다 _리처드 파인먼

상대성이론과 양자역학의 등장, 핵폭탄의 발명, 핵보다 더 작은 입자의 등장, 베타 붕괴, 우주왕복선 챌린저호 폭발 참사. 20세기 물리학은 어느 때보다 큰 번영을 누렸으며, 큰 비극을 안겨주었다. 곧 현대 물리학의 흐름은 20세기 인류의 역사와 궤를 같이한다. 지식이 홍수처럼 범람하여 인류를 원자보다 더 작은 세계부터 지구 밖 광활한 우주까지, 본래 지녔던 세계관을 극한으로 확장시켰다. 뉴턴 이후 300년 동안 이어져 온 시간과 물질을 보는 관점이 바뀌었으며, 물리학자들의 손에서 전쟁이 끝났다. 전쟁 이후 핵물리학은 더 작은 입자를 찾기 위해 막대한 자금을 들여 입자가속기라는 장비를 만들었고, ‘비대칭적’으로 붕괴하는 입자들을 발견했다. 그리고 지구 밖 달로 향했던 7명의 우주인이 하늘의 별이 되었다. 이 모든 이정표에 이름을 새긴 위대한 과학자가 바로 리처드 파인먼이다. 세상을 보는 시선이 바뀐 시대, 한 천재의 삶에 인류의 지평이 팽창된 역사적인 순간이 고스란히 담겨 있다.

19세기까지 물리학의 거점은 독일을 중심으로 한 유럽이었다. 하지만 두 번의 큰 전쟁으로 물리학의 거점이 유럽에서 미국으로 옮겨졌다. 미국은 독일에서 망명한 아인슈타인을 앞세워 세계 물리학의 최전방이 되길 원했다. 1918년 뉴욕에서 태어나 1988년 캘리포니아에서 세상을 떠난 리처드 파인먼은, 매사추세츠 공과대학(이하 MIT)과 프린스턴에서 전자(e)의 작용이 최소작용의 원리를 따른다는 것을 밝혀 양자역학과 상대성이론 사이의 연결고리를 발견했으며, 코넬에서 파인먼 다이어그램을 고안해 입자 간 상호작용 방식을 단순화시켰고, 캘리포니아 공과대학(이하 캘테크)에서 오늘날 반도체 기술의 기반이 되는 양자전기역학을 완성했다. 프린스턴 대학원생 시절 참여한 맨해튼 프로젝트에서는 스물일곱 젊은 나이에도 팀을 이끌며 수백 명의 과학자 사이에서 압도적 기량을 뽐냈다. 온몸에 암세포가 퍼져 몇 번씩이나 큰 수술을 받는 순간에도 끈이론 연구를 이어갔으며, 죽기 직전까지 챌린저호 참사의 진상을 밝혔다.

파인먼의 천재성은 단지 물리학, 양자역학 분야에 그치지 않았다. 나노기술의 최초 아이디어를 제안한 사람이었으며, 친구였던 분자생물학자 막스 델브뤽의 연구실에서 DNA 돌연변이 기제를 밝히는 데 실마리를 제공하기도 했다. 만약 양자컴퓨터가 등장한다면 이 아이디어의 시초에서 파인먼의 이름을 발견할 수 있을 것이다. 어느 인터뷰에서 파인먼은 ‘대재앙이 발생해 후대에 단 하나의 문장으로 다음 세대에 최대한의 정보를 전달해줘야 한다면 무엇이라 남길 것인가’라는 질문에 이렇게 대답했다. “모든 것은 원자로 구성되어 있다.” 그가 남긴 이 한 문장에 어떤 의미가 담겨 있는지, 그의 삶을 통해 인류의 빛나는 지성을 읽자.

진정한 과학은 혼란과 의문이고, 야망과 갈망이며
안개 속을 지나는 행진이다.

“여기에서 중요한 점이 뭔가?” 베테가 물었다.
“중요한 것은 없습니다.” 파인먼이 말했다. “그저 재미있지 않나요?”
“재미있네.” 베테가 동의했다. 파인먼은 이제부터 하고자 하는 것은 재미있게 노는 것이라 그에게 말했다.

[파인먼의 위대한 강의]
리처드 파인먼은 뛰어난 교육자였다. 물리학을 하는 방법 중에 제1원리란 것이 있는데 “기본 물리법칙과 상수 및 입자에 대한 기본적인 정보만으로 물질의 모든 물리적, 화학적 성질을 계산하는 방법”을 뜻한다. 리처드 파인먼은 어떤 문제를 만나더라도 제1원리로 해결하길 원했고, 학생들 역시 이 원리로 과학을 하길 바라는 마음으로 물리학을 가르쳤다.
책은 세 번의 기념할 만한 강의를 기록했다. 첫째로 파인먼이 교수가 된 직후 맡은 코넬 대학원의 〈기초 수리물리학〉 강의다(362쪽). 파인먼은 맨해튼 프로젝트의 경험을 토대로 ‘유용한 것과 교과서적 단순 지식’을 구분하여 학생들을 가르쳤다. 관습을 타파하려 했고, 수업을 듣는 학생들에게 물리학적 직관을 기르는 법을 알려주기 위해 애썼다. 무엇을 배제할지 파악하게 했으며, 스스로 익힌 계산 요령들을 소개했다. 또 학생들이 계산의 굴레에 빠져 허우적거리지 않도록 필요한 정확도를 지정해주었다. 파인먼은 첫 강의부터 대학원생뿐만 아니라 물리학과와 수학과의 젊은 교수들까지 모두 매료시켰다.
둘째로 비공식 강의인 〈물리학 X〉 세미나다(652쪽). 파인먼은 교수가 된 후 약 20년 동안 일주일에 한 번 학부생들을 모아 즉흥 수업을 진행했다. 과학과 관련된 궁금증이라면 무엇이든 질문할 수 있었고, 파인먼은 즉흥적으로 대답하며 수업을 진행했다. 이 세미나에 참여한 학생들은 마치 속세의 모든 것을 알고 있는 현인을 만난 경험을 했다고 소회했다. 형식은 물리학 강의였지만 파인먼이 이 수업에 담고자 했던 메시지는 ‘진정한 이해란 일종의 명확성을 의미한다’였다. 즉, 이해했다면 단순한 언어로 누구나 이해할 수 있게 설명할 수 있어야 한다는 것을 전하고 싶었다.
셋째로 불혹을 넘긴 파인먼이 캘테크에서 1학년 학부생을 대상으로 한 2년짜리 〈기초 물리학〉 강의다(586쪽). 교육자 파인먼 남긴 위대한 업적으로, 파인먼 덕분에 18~19세기에 매몰된 기존의 물리학 강의에서 벗어날 수 있었다. 책으로 출판되어 지금까지도 기초 물리학 강의에 교재로 쓰인다. 이 강의는 파인먼에게도 큰 의미가 있었다. 파인먼은 지금까지 받아들인 물리학 지식을 재정립하길 원했다. 마치 지도를 그리듯 파인먼의 머릿속에서 물리학은 표류하고 있던 힘과 물질들의 길을 잇고 방향을 찾았다. 관습에 얽매이지 않고 세계에 대한 지식, 곧 자신의 지식과 과학계의 지식을 방대하게 정리한 사람은 뉴턴 이래 단 한 명도 없었다. 파인먼이 인류에게 남긴 위대한 유산이다.

[파인먼의 평범한 삶]
책은 평범한 파인먼 역시 꼼꼼히 기록했다.
유년 시절 동네에서 라디오 수리공으로 이름을 떨쳤으며, 자기 방에서 구두약을 녹여 암실을 만들려다가 불을 낼 뻔한 적도 있다. 해변을 뛰어다니며 ‘모래와 바위는 다른가?’ ‘바닷물이 출렁이는 것이 파도인데, 공기가 출렁이는 현상은 바람일까?’와 같은 자연을 향한 근본적인 의문도 품곤 했다. 특히 아버지 멜빌 파인먼과의 에피소드는 리처드 파인먼이 세상을 보는 시선이 어떻게 정립되었는지에 대해 잘 설명한다. (“그러니까 아빠 말은, 저 새를 관찰하고 새가 무슨 행동을 하는지 살펴보자는 거야. 중요한 건 ‘이름’이 아니라, ‘어떻게 사느냐’거든.”_53쪽, “‘움직이는 물체는 계속 움직이려고 하고, 가만히 서 있는 물체는 네가 세게 떠밀지 않는 한 계속 서 있으려고 한다’는 거야. 이런 성질을 관성이라고 하지만, 어째서 그런지는 아무도 몰라.”_54쪽) 과학자들, 특히 과학을 배우는 학생들이라면 파인먼의 유년 시절을 통해 매우 의미 있는 메시지를 얻을 것이다.
파인먼의 삶에서 사랑 역시 빼놓을 수 없는 주제다. 첫사랑 ‘알린 그린바움’과의 슬픈 사랑이야기, 사별 후 갈피를 잡지 못한 채 문란하고 방탕했던 카사노바의 삶, 제네바 호숫가에서 만난 마지막 사랑 궤네스 하워스까지. 책은 파인먼은 순애보 같은 모습도, 카사노바로 살 수밖에 없었던 비극도, 아이를 사랑하고 가족을 지키는 한 가정의 가장의 모습도 놓치지 않고 기록했다. 특히 파인먼의 사후에 발견된 첫사랑 알린을 향한 편지는 사랑조차 열렬히 임했던 파인먼의 모습을 절절하게 기록하고 있다(368쪽).
파인먼의 마지막 순간은 어땠을까. 책은 파인먼의 마지막 순간을 기억하고 기념한다. 1978년 10월, 1981년 9월에 발병한 암으로 각각 두 번의 큰 수술을 받아야만 했다. 투병의 순간에도 파인먼은 양자색역학이라는 새로운 분야에 몰입했으며, 우주왕복선 챌린저호 참사의 진상을 규명해냈다. 숨이 다하는 순간까지 과학자로 살았던 리처드 파인먼의 모든 순간을 기억하자.

제임스 글릭의 ‘역사를 바꿀 천재를 찾아서’

“파인먼은 그 세대에서 가장 독창적인 정신의 소유자였다.”
_프리먼 다이슨

현대 물리학을 지탱하는 두 기둥은 양자역학과 상대성이론이다. 그렇기에 20세기 물리학의 양대 산맥은 누가 뭐라고 해도 ‘알베르트 아인슈타인’과 ‘리처드 파인먼’이다. 상대성이론의 아인슈타인은 시간과 공간을 다루는 거시적 세계를, 양자역학과 전자기학을 통합하는 이론을 완성한 리처드 파인먼은 미시적 세계를 확장시켰다. 우리는 두 사람을 소위 ‘천재’라 부른다. 베스트셀러 작가인 제임스 글릭은 책을 저술하는 내내 관찰자의 시선으로 리처드 파인먼을 가까운 곳에서 바라보고, 기록하는 것에 온전히 집중했다. 하지만 파인먼의 천재성을 이야기하는 순간이 되자, 자신의 의견을 과감하게 피력했다(510쪽).
제임스 글릭은 천재라는 말의 현대적 의미에서부터 시작한다. 과거의 문헌에서 찾은 “천재성이란 이전에는 결코 없었던 것을 만들어내는 신과 같은 능력”이라는 의미를 되새기며 천재라 불릴 수 있는 필요조건을 제시한다. 나아가 과거에 천재라 불렸던 사람들의 천재성을 냉정하게 평가하며 문학, 음악, 미술, 건축, 스포츠까지 시야를 넓혀 천재라 불렸던 사람들을 재평가한다. 그 과정에서 특별한 천재성은 어떻게 발휘되는지와, 현재에는 어째서 과거보다 천재들이 드물게 등장하는지에 대한 근거를 찾는다. 글릭의 냉정한 평가 끝에 남은 특별한 천재(과학 분야 한정)는 고전 물리법칙의 뉴턴, 불확정성 원리의 하이젠베르크, 대륙이동설의 베게너, 상대성이론의 아인슈타인 그리고 파인먼이다.
제임스 글릭은 천재라는 특별함을 두고 이렇게 썼다. “천재는 역사를 바꾼다.” 하지만 이렇게 덧붙이기도 했다. “과학은 개별적인 발견이 아니라 우연하고 중복된 다수의 발견에 관한 역사다.” 한 명의 천재도 필요하지만, 그를 검증하는 사람들에 의해 쓰이는 것이 역사라고 말한다(541쪽). 노벨상을 받고도 한참이 지난 어느 날, 파인먼은 질문이 가득 쓰인 통의 편지를 받았다. “만약 에디슨이 전구를 발명하지 않았다면?” “하이젠베르크가 S행렬을 창안하지 않았더라면?” “플레밍이 페니실린을 발견하지 못했다면?” “아인슈타인이 일반상대성이론을 만들지 않았다면?” 온갖 가정법으로 가득한 편지를 읽고 난 후 파인먼은 이렇게 답했다. “저는 항상 이와 같은 질문이 이상하다고 생각합니다. 과학은 필요할 때 창조됩니다. 우린 서로가 상대방보다 월등히 똑똑한 건 아니거든요.” 천재에 의해서든, 다수에 의해서든 과학은 언제나 더 발전하는 방향으로 나아갈 것이라고 말이다.
제임스 글릭 역시 파인먼과 같은 생각이었다. 단 한 가지, 파인먼이 역사를 바꾼 천재라는 사실만 제외하고 말이다.

프롤로그

파로커웨이
시골도 도시도 아닌 곳 | 탄생과 죽음 | 그럴 만한 값어치가 있다 | 학교에서 | 만물은 원자로 구성되어 있다 | 진보의 20세기 | 리처드와 줄리언

MIT
최적경로 | 공학도의 사회성 키우기 | 최신 물리학 | 기계공 | 파인먼 군은 물론 유대인입니다만 | 분자 내부의 힘 | 학비가 아깝지는 않을까요?

프린스턴
격식이 판치는 동네 | 종이접기와 리듬 | 스프링클러의 미스터리 | 합리주의자 | Mr. X와 시간의 본질 | 양자역학과 최소작용 원리 | 아우라 | 폐결핵 | 전쟁준비 | 맨해튼 프로젝트 | 논문 마무리

로스앨러모스
까만 서류가방을 든 남자 | 연쇄반응 | 전함과 쾌속 어뢰정 | 확산 | 머리로 계산하기 | 기계로 계산하기 | 울타리 안에서 | 마지막 봄날 | 헛된 희망 | 핵 공포 | 때를 기다릴 거야 | 우리 과학자들은 영리하다

코넬
평온한 대학 | 현상은 복잡해도 법칙은 단순하다 | 그들은 모두 잿더미나 다름없지 | 마음의 장벽 주위로 | 무한대 줄이기 | 다이슨 | 제멋대로 그림을 넣고 생각하여 시각화한 것 | 슈윙어의 영예 | 제 기계장치는 너무나 먼 곳에서 왔습니다 | 또한 파인먼이 발표한 이론이 있었다… | 프리먼 다이슨과 함께한 국토 횡단 | 오펜하이머의 단념 | 다이슨 그래프, 파인먼 다이어그램 | 머나먼 우화 속 나라로

캘테크
코파카바나에서 온 사기꾼 | 아, 여인들의 사랑이란! | 물리학과 함께 미래로 | 양자액체 | 새로운 입자, 새로운 언어 | 머리 겔만 | 천재를 찾아서 | 약한 상호작용 | 가정적인 삶으로 | 양자전기역학에서 유전학으로 | 허깨비와 벌레 | 밑바닥 공간 | 파인먼의 온갖 지식 | 탐험가와 관광객 | 스웨덴에서 주는 상 | 쿼크와 쪽입자 | 다음 세대를 위한 교육 | 영원히 지속될 수 있다고 생각하세요? | 농담도 잘하시네! | 기술이 불러온 참사

에필로그

감사의 말
파인먼 문헌 목록
참고문헌
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