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.