[불확실성의 시대] 찬란하고 어두웠던 물리학의 시대 1900~1945

불확실성의 시대 - 찬란하고 어두웠던 물리학의 시대 1900~1945
토비아스 휘터 지음, 배명자 옮김 / 흐름출판 / 2023년 5월

 

독자가 알기로는 '불확실성의 시대'(The Age of Uncertainty)란 용어를 처음 사용하고 세계적 화두로 정착시킨 사람은 20세기의 유명 경제학자인 존 케네스 갤브레이스의이다. 갤브레이스는 현대의 특성을 불확실성이라고 규정한 바 있다. 존 케네스 갤브레이스(John Kenneth Galbraith, 1908~2006)가 BBC가 제작한 〈불확실성의 시대〉라는 제목의 경제사상사 관련 TV 프로그램에 참여하면서 작성한 원고에 더욱 상세한 내용을 첨가하여 1977년 출판한 『불확실성의 시대』라는 저서에서 비롯된 말이다. 갤브레이스는 이 책에서 현대를 ‘사회를 주도하는 지도원리가 사라진 불확실한 시대’라고 규정하였다. 현대는 과거처럼 확신에 찬 경제학자도, 자본가도, 사회주의자도 존재하지 않는 시대이고, 우리가 진리라고 여겨왔던 많은 것들과 합리성과 이성에 근거한 담론체계도 의심스러우며 어디로 가야할지 모를 혼란스러운 시대라는 것이다.

갤브레이스는 모두 12장으로 구성된 저서에서 금과 토지 중심 경제체제의 형성과정을 경제사적으로 검토하고, 화폐와 은행 중심의 새로운 자본주의 경제체제로의 이행을 분석하였다. 또, 스미스, 리카도, 마르크스, 레닌, 케인스 등의 200년에 걸친 경제사상의 흐름을 짚고, 자본주의의 형성과 발전과정과 자본주의 체제의 핵심적 이슈들, 즉 다국적기업, 제3세계, 거대도시, 핵문제, 세계적 빈곤문제 등을 분석하며 경제와 경제사상의 변화를 알기 쉽게 설명하였다. 이를 통해 현대의 특성을 불확실성이라고 규정하였는데, 불확실성의 시대라는 표현은 단순히 경제 분야에 국한되지 않고 사회 전반의 영역으로 확장되어 전세계의 화두가 되었다. 이 책은 우리나라에서도 번역 출판돼 큰 호응을 얻은 바 있다. 김영삼 전 대통령은 집권하면서 이 불확실성의 시대를 되짚어 '예측 가능한 경제' 시대로 변화시키겠다고 공언했지만 이 선언은 IMF로 이뤄지지 못한 채 끝을 맺기도 했다.

 

이 책 『불확실성의 시대』는 앞의 책처럼 경제 사상서가 아닌 현대물리학 서적이다. 〈슈뢰딩거의 고양이〉, 〈하이젠베르크의 불확정성 원리〉, 〈보어의 상보성의 원리〉 등 과학사에 대해 잘 모르는 사람이라도 한 번쯤은 들어봤음직한 이 용어들은 현대물리학의 기초인 양자역학의 탄생과 발전 과정을 설명할 때 빠지지 않고 등장하는 말들이다. 양자역학은 미시 세계의 입자 및 입자의 무리가 어떠한 힘에 의해 어떻게 움직이는지를 다루는 학문으로 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 작동 원리를 비롯해 오늘날 우리 일상에 영향을 미치는 신기술들의 바탕이 되는 과학이다. 20세기 초, 아인슈타인은 〈상대성원리〉를 발견하여 고전물리학의 절대적인 시간과 공간 개념을 뒤흔들어 새로운 시간과 공간을 창안해냈다.

이 책은 20세기 과학사를 장식한 세계의 과학 지성들이 고전물리학의 한계를 타파하고 〈상대성이론〉과 〈양자역학〉으로 대표되는 현대물리학의 빛나는 성취를 만들어나가던 순간들을 담아낸 대중과학 논픽션이다. 촉망 받는 저널리스트인 저자 토비아스 휘터는 당대 과학자들이 남긴 편지, 메모, 연구 논문, 저서 등을 토대로 1900~1945년에 질적인 변화를 이뤄낸 현대물리학의 역사를 한 편의 드라마처럼 흥미진진하게 풀어냈다.

그러나 빛이 찬란할수록 그림자는 짙은 법. 상대성이론과 양자역학의 시대는 전쟁의 광기가 몰아치던 시대와도 오버랩 된다. 과학이 역사를 바꾸기도 하지만, 역사가 과학의 쓰임을 정하기도 하던 시기, 이들의 놀라운 발견은 원자폭탄이라는 무시무시한 대재앙으로 연결되기도 했다. 그 누구도 자신들의 학문적 열정과 진리에의 탐구가 살상무기 제조에 쓰이기를 바라지는 않았을 터. 찬란하지만 어두웠으며, 동기와 결과가 일치하지 않았던 이 시절을 저자가 '불확실성의 시대’라고 명명하는 이유다. 현대물리학의 태동에서부터 황금기에 이르는 역사적 흐름을 한눈에 조망할 수 있는 탁월한 교양과학서다.

 

책에 따르면 20세기 초까지 물리학자들은 수백 년 전의 기하학이 그랬던 것처럼 물리학 역시 완성에 가까워질 것이라고 생각했다. 1899년, 미국 물리학자이자 노벨물리학상 수상자이기도 한 앨버트 마이컬슨은 “물리학의 중요한 기본 법칙과 사실들은 모두 발견되었다. 그것은 아주 확고하여 새로운 발견의 추월 가능성은 매우 낮다. 앞으로 우리가 발견할 수 있는 것들은 소수점 아래 여섯 번째 자리에 있다”라고도 이야기했다. 반면, 고전 전기역학의 창시자인 제임스 맥스웰은 조금 다른 결의 이야기를 했다. “꼼꼼한 측정의 노력에서 얻어야 하는 진정한 보상은 더 큰 정확성이 아니라, 새로운 연구 분야의 발견과 새로운 과학 아이디어의 발달이다.”

17세기 뉴턴의 운동 법칙이나 19세기 맥스웰의 전자기 법칙 등으로 상징되는 고전물리학은 시간과 공간을 관측자와 독립되어 객관적으로 존재하는 절대적인 것으로 상정하고, 인간의 눈에 포착되는 현상 내지 그보다 더 큰 거시적인 현상들을 다루었다. 원인과 결과가 명확한 인과론과 결정론적 관점으로 자연현상을 해석했던 고전물리학은 그때까지 인간이 경험했던 대개의 현상들을 수월히 설명해냈다. 하지만 1890년대에 접어들어 기존의 고전물리학 이론으로는 설명하기 어려운 현상들이 나타나기 시작했다. 마이컬슨은 틀렸고, 맥스웰의 전망이 맞았다.

과학자들은 ‘발견’하는 이들이기도 하지만, ‘해석’하는 이들이기도 하다. 이들은 “무엇이 올바른지 알고자 할 뿐 아니라, 그것이 왜 올바른지도 이해하고자 하는” 사람들이다. 과학이 학문적으로 아름다움을 발할 때는, 진리에 한층 더 가깝게 다가가기 위해 기존의 이론을 폐기하거나 수정하며 한 단계 더 진일보하는 순간일 것이다. 그 순간 과학은 ‘세계를 발견하는 과학’에서 ‘세계를 바꿔놓는 과학’이 되기도 한다.

 

이 책 『불확실성의 시대』는 20세기 과학사를 수놓은 걸출한 과학 지성들이 고전물리학의 한계를 타파하고 ‘상대성이론’과 ‘양자역학’, 두 축으로 대표되는 현대물리학의 빛나는 성취를 일궈가는 순간들을 담아낸 대중과학 논픽션이다. 저널리스트인 토비아스 휘터는 우리가 꼭 기억해야 하는, ‘20세기 위대한 물리학의 명장면’들을 현장감 있는 문장으로 생생하고 입체적으로 담아냈다. 그는 1900~1945년을 「찬란하고 어두웠던 물리학의 시대」로 명명하고 이 책의 부제로 사용했다. 이 책은 이 시기의 과학사를 정리했다는 의미다. 이 시기는 마리 퀴리의 라듐의 발견부터 막스 플랑크의 양자가설에 이르기까지 빛나는 업적을 쌓아간 시절이다.

‘새로운 과학’은 1900년 베를린에서 막스 플랑크로부터 시작되었다. 19세기 물리학자들의 난제 중 하나는 흑체복사곡선을 고전물리학 이론으로 설명하는 것이었다. 그러나 고전물리학의 수단들로는 온도와 색상 스펙트럼의 연관성을 바르게 설명하는 공식을 찾을 수 없었다. 그는 자신이 받아들이기를 거부했던 방법론까지 동원해가며 흑체복사선에 대한 연구를 한 끝에 “에너지가 매우 특정한 수의 유한한 등가성 알갱이로 구성되었다”라고 발표한다. 그가 말했던 이 ‘알갱이’는 곧 양자 개념으로, 플랑크의 양자가설은 이후 아인슈타인의 광양자가설에도 영감을 준다. ‘새로운 과학’은 또 다른 곳에서도 움트고 있었다.

여성 최초의 노벨상 수상자이자 노벨상 2관왕인 마리 퀴리는 20세기 초, 앙리 베크렐이 발견한 우라늄선에 매료되어 이후 방사선에 대한 연구를 이어갔으며, 그 과정에서 우라늄보다 더 강한 방사능을 지닌 물질인 라듐을 분리해내는 데 성공한다. 이로써 훗날 핵물리학으로 발전하게 될 과학의 새로운 영토가 개척되었다.

 

연구실과 실험실에서 고군분투했던 과학자들과 달리 생업 전선에 몸을 내맡긴 일상 가운데에서 세상을 놀라게 한 발견을 해낸 인물도 있었다. 그 주인공은 알베르트 아인슈타인이다. 1900년 막스 플랑크의 흑체 문제에 대한 발표를 읽고 난 뒤, 스위스 특허청에서 3등급 심사관으로 일하던 그는 1905년에 빛, 즉 모든 전자기선은 파동이 아니라 일종의 입자인 양자로 구성되었다는 주장을 담은 원고(‘발견적 관점에서 본 빛의 생성에 관하여’)를 발표한다. 그전까지 과학자들은 빛이 파동이라고만 생각했다. 플랑크는 계산을 위한 임시 수단으로 양자 개념을 도입했을 뿐이지만, 아인슈타인은 그의 이론을 발판 삼아 더욱 혁명적으로 사고를 진화시킨 것이다.

이들을 필두로 이 책 『불확실성의 시대』는 20세기 초중반, 과학의 새로운 영토를 넓혀나간 과학자들 - 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, 루이 드브로이, 폴 디랙, 에르빈 슈뢰딩거, 리제 마이트너 등 - 을 차례로 호명해내어 이들이 기존의 이론을 수용하고, 반박하고, 보완해나가며 현대물리학(그중에서도 특히 양자역학)의 역사를 새롭게 써나가는 모습을 한 편의 드라마처럼 그려낸다. 저자가 선별하여 책에 실은 50여 개의 장면들은 그 자체로 현대물리학사의 계보다.

반백년의 세월에 걸친 드라마 속에서 세기의 과학자들은 서로의 스승이자 제자가 되어 때로는 상대방의 학문적 고뇌에 공감해주고, 때로는 한 치의 양보도 없이 팽팽하고 치열하게 논쟁했다. 이들은 세계대전의 참화 속에서도 서로의 논문을 찾아 읽고, 국경을 넘나들며 서신을 주고받으면서 양자역학이라는 새로운 과학의 토대를 단단히 쌓아나갔다. 특히, 원자 모형과 양자이론을 둘러싼 하이젠베르크와 보어의 대화(‘1922년 괴팅겐-아버지를 찾은 아들’), 상대성이론과 양자이론에 관한 아인슈타인과 하이젠베르크의 대화(‘1926년 베를린-물리학의 신들을 만나다’), 전자와 광자가 주제였던 제5차 솔베이회의에서 이루어진 보어와 아인슈타인 사이의 대논쟁(‘1927년 브뤼셀-대논쟁’)을 재구성한 부분들은 이들의 협력과 갈등을 생생히 보여주는 이 책의 명장면들이다.

과학이 역사를 바꾸기도 하지만, 역사가 과학의 쓰임을 바꾸기도 한다. 이 책은 경이로운 과학적 발견의 순간들만을 다루지 않는다. 20세기 초반, 유럽 전역을 비롯해 전 세계를 참화로 몰아넣었던 두 차례의 세계대전은 과학자들로 하여금 그들이 가진 지식으로 전쟁에 복무하게 만들었다. 특히 1945년 8월, 일본 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄은 새로운 과학혁명의 바람이 빚어낸 참혹한 재앙의 태풍과도 같았다. 나치즘의 횡포가 극에 달하던 시기, 여성 과학자 리제 마이트너는 나치의 압박을 피해 독일을 떠나 스톡홀름으로 탈출하지만, 자신의 학문적 파트너 오토 한과 편지를 주고받으며 국경을 초월한 연구를 이어나간다. 이들은 우라늄보다 더 무거운 원소를 만들고자 했는데, 오히려 그 과정에서 중성자로 충격을 준 우라늄으로부터 원자 무게가 더 가벼운 바륨을 얻게 된다. 이로써 원자핵이 쪼개지고 분열될 수 있음을 알아냈을 뿐만 아니라 이때 생성되는 에너지가 어마어마하다는 것을 밝혀낸다.

이 발견은 오늘날 원자력 발전을 가능케 한 기본 원리이지만, 당시는 나치즘을 비롯한 군국주의와 연합군이 대립하던 제2차 세계대전의 전황 중이었다. 보어, 아인슈타인 등 연합국 진영의 과학자들은 핵분열 연구 결과가 나치의 손에서 위험하게 쓰일 수도 있음을 경계하며 이를 미국 대통령이었던 루스벨트에게 알렸고, 이윽고 미국의 원자폭탄 개발계획인 ‘맨해튼 프로젝트’가 시작된다. 프로젝트는 성공했으나 폭탄이 투하된 히로시마에서는 8만여 명이 즉사했다. 훗날 아인슈타인은 루스벨트에게 썼던 자신의 편지를 “인생 최대 실수”라고 부를 만큼 후회했다고 한다. 전쟁은 모든 것을 파괴했고, 연합군의 승리는 자명했으나 세계는 불확실해졌다. 이 책의 표제가 '불확실성의 시대'가 된 배경이기도 하다.

 

특히 1927년 하이젠베르크는 불확정성의 원리를 발표하며 아인슈타인과 슈뢰딩거가 옹호했던 인과성의 법칙을 흔들었다. “‘현재를 정확히 알면, 미래를 계산할 수 있다’는 인과법칙의 명확한 진술에서 틀린 것은 결론이 아니라 전제조건이다. (…) 양자역학을 통해 인과법칙의 무효성이 명확히 입증된다.” “무엇이 올바른지 알고자 할 뿐 아니라, 그것이 왜 올바른지도 이해하고자” 했던 과학자들의 집념 어린 탐구는 역사의 물줄기와 뒤섞이며 그들이 예상하지 못했던 ‘불확실한’ 결과로 가닿았다. 저자가 현대물리학의 가장 눈부신 성과가 이룩되었던 1900~1945년의 시기를 ‘불확실성의 시대’로 명명하는 이유다.

이 책 『불확실성의 시대』는 현대물리학의 황금기였던 20세기 전반기에 양자역학, 핵물리학 등의 토대를 쌓아올린 당대 과학자들의 놀라운 발견과 혁명의 순간을 각종 사료들을 토대로 현장감 넘치게 조망해낸 논픽션이다. 과학자들의 편지, 메모, 연구 논문, 일기, 회고록 등을 바탕으로 재구성해낸 생동감 있는 이야기를 읽다 보면 당대 과학 진영이 어떻게 나뉘었는지는 물론이고, 책에서 언급되는 과학 이론들에 대한 배경 지식이 다소 부족하더라도 현대물리학의 계통과 흐름을 쉽고 일목요연하게 조망할 수 있게 될 것이다.

"관찰하는 순간 세계가 바뀐다. 세계를 바꾸지 않고는 세계를 관찰할 수 없다. 이런 통찰이 하이젠베르크를 양자역학으로 안내했고, 그것이 그의 딜레마였다. 그는 세계를 연구하고자 했다. 세계를 바꾸는 것은 그에게 중요하지 않았다. 그럼에도 그는 세계를 바꿨고, 그는 손에 든 이 엄청난 이론으로 세계를 바꿀 수밖에 없었다. 그는 나치가 지배하는 독일에서 무관심이 존재하지 않았던 시대에 살았기 때문이다. 다른 물리학자들도 비슷했다. 평화주의자로 알려진 아인슈타인조차 세계 역사에서 벗어나 있을 수 없었다. 그 또한 원자폭탄 제조를 재촉했다. 그는 이것을 나중에 후회했다. 이것이 바로, 마리 퀴리의 손끝 균열에서 히로시마의 원자폭탄까지 이어진 역사의 어두운 면이다." (p.478) - 〈에필로그〉 중에서

 

루스벨트는 원자 연구자의 편지를 읽을 시간이 없었다. 전쟁 상황이 더 나빠졌기 때문이다. 히틀러가 폴란드를 공격하고, 영국과 프랑스가 독일에 전쟁을 선포했다. 1939년 10월 11일에야 비로소 이 편지가 루스벨트의 책상에 도달했다. “나치가 우리를 공중분해하지 못하게 뭔가 대책을 세워야 해.” 루스벨트가 결론지었다. 그는 그날 바로 원자폭탄 개발을 위한 ‘맨해튼 프로젝트’를 개시했다. 처음에는 아주 천천히 진행되었다. 아인슈타인이 루스벨트에게 편지 두 통을 연달아 보내 프로젝트 조직을 촉구하고 독일의 폭탄 제조에 대해 재차 경고한 후에 비로소 추진력이 생겼다. 맨해튼 프로젝트는 미국을 우라늄 공장으로 바꿀 뿐 아니라, 영국, 캐나다, 미국 세 국가의 협력도 요구했다.(p.446)

저자 : 토비아스 휘터

뮌헨과 버클리에서 철학과 수학을 공부했다. [테크놀로지 리뷰(MIT Technology Review)]와 [차이트(ZEIT)] 편집자였고, 공동 창간한 철학잡지 [호헤 루프트(HOHE LUFT)]의 부편집장이었다. 현재 그는 프리랜서 기자 및 작가로 [호헤 루프트]와 [차이트 비센(ZEIT Wissen)] 등에 글을 기고한다.

역자 : 배명자

서강대학교 영문학과를 졸업하고 출판사에서 편집자로 8년간 근무했다. 이후 대안교육에 관심을 가지게 되어 독일 뉘른베르크 발도르프 사범학교에서 유학했다. 현재는 바른번역에서 번역가로 활동 중이다. 『아비투스』, 『숲은 고요하지 않다』, 『세상은 온통 화학이야』, 『우리는 얼마나 깨끗한가』, 『부자들의 생각법』 등 70여 권을 우리말로 옮겼다.

 

<출판사로부터 도서를 제공받아 작성된 리뷰입니다.>