미시 세계를 탐험하는 이들의 이야기...

불멸의 원자 - 필멸의 물리학자가 좇는 불멸의 꿈
이강영 지음 / 사이언스북스 / 2016년 6월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.   

얼마 전부터 너희들이 원자가 뭐냐고 자주 물어봤잖아. 아빠가 알고 있는 지식 범위 안에서 설명을 해주긴 했는데, 아빠도 그리 많이 알고 있지 않아. 그래서 원자에 대해 재미있는 책이 뭐 없을까 생각하던 중에, <김상욱의 양자공부>를 읽었잖아. 그런데 그 책에서 양자역학과 원자물리학에 대한 많은 책을 추천해 주었단다. 그 중에 이강영님의 책들도 있었어. 이강영님의 책들 중에서 확 끌리는 제목의 책… 불멸의 원자. 너희들이 궁금해하는 원자에 대해 공부할 수 있겠다 싶었어. 검색을 해보니 평도 좋았단다.

이강영님은 물리학을 공부하셨고, 지금은 물리학을 가르치는 교수님이란다. 그분이 과학문화웹진 <크로스로드>에 실었던 칼럼을 모은 책이래. <크로스로드>에 실었을 때는 글 길이의 제약이 있어서 생략했던 내용들에 대해서는 제한 없이 보충도 했다고 했어. 아빠는 과학문화웹진이라는 것이 있다는 것도 처음 알았어. 이 책을 읽고 <크로스로드>를 한번 들어가보았단다. 음, 건전하면서도 좋은 정보를 알려주고, 호기심도 채워주는 그런 곳이더구나. 자주 들러봐야겠구나.

1.

책제목이 <불멸의 원자>라고 해서 책 전체가 원자에 관한 이야기만 있는 것은 아니란다. 1부는 주로 원자에 관한 이야기이고, 2부는 그런 원자를 연구했던 과학자들의 이야기였어. 아빠는 2부가 특히 좋았단다. 모르고 있던 과학자들을 알게 되었고, 그들의 숨겨진 재미있는 에피소드들을 만날 수 있었어. 3부에서는 새로운 입자들을 찾기 위한 노력을 이야기해주고 있단다.

…

원자는 변하지 않아. 단지 형태를 바꾸면서 다른 화합물로 들어가는 것이지. 사람이 죽어 오랜 시간이 지나면 흙으로 변한다고 하잖아. 그러면 사람을 구성하고 있던 원자들은 모두 사라지는 거냐? 사라지는 것이 아니라 다른 것으로 변할 뿐이야. 그렇게 생각하면 모든 생물체는 불멸의 존재라도 할 수 있을까?

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(20)

그렇게 원자는 변하지 않는다. 형태를 바꿔 가며 상태를 바꿔 가며 이런저런 화합물 속에 들어갔다가 나올 뿐이다. 누군가의 몸속에 있었던 원자든지 인간이 나고 자라고 죽고 문명이 성하고 쇠하고 꽃이 피고 지고 숲이 우거지고 새가 울다가 날아가 버리는 동안 언제나 같은 원자인 채로 남아서 세상을 떠돈다. 원자는 불멸의 존재다.

불멸의 원자라는 개념은 놀라울 만큼 일찍 인간의 문명 속에 나타났다. 약 2,400년 전 아브데라 출신의 데모크리토스는 우리 눈앞에 펼쳐진 세상은 근본적인 물질인 원자가 결합해서 만들어진 것이라는 세계관을 펼쳤다. 데모크리토스의 원자는 더 이상 나누어지지 않으며 사라지지도 않는 불멸의 존재였고 데모크리토스에게 이 세상은 빈 공간과 원자로 이루어진 물리적 대상이었다.

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그럼 원자들은 도대체 언제 어떻게 생겨난 것일까. 우주의 탄생부터 원자들이 생겨났고, 이 우주에 가능 많은 원자는 수소로 우주 전체 원자의 90%를 차지한대. 그 다음이 헬륨인데 거의 10%를 차지한대… 세 번째가 산소인데 0.06%밖에 안돼. 그러니, 우주의 대부분은 수소와 헬륨으로 이루어져 있다고 해도 무방하겠구나. 그렇게 수소와 헬륨이 많은 이유는 별의 대부분을 수소와 헬륨이 차지하고 있어서 그래.

별이라는 것의 정체가 무엇일까? 별은 수소가 헬륨으로 변환하는 핵융합의 과정이라고 하는구나. 그러면서 빛을 내는 것이고 말이야. 그리고 헬륨은 양성자가 하나 더해져서 다른 원소들을 만들어낸대. 그리고 그렇게 원자들은 별에서 생겨난 것이고, 그렇게 생긴 원자들이 흘러 지구로 와서 아빠와 너희들의 몸이 되었다고 해도 틀린 말이 아니야. 그러니까 우리의 고향은 우주 저 멀리 어떤 별이 되는 거야…

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(28)

우리 몸을 이루는 원자는 수십억 년 전 어느 별 안에서 만들어져서 초신성의 폭발과 함께 우주 공간에 흩어지거나 적색 거성의 표면에서 흩날려서 떠다니다가 서로 만났다. 우리는 언젠가 우주 어디선가 일어났던 초신성의 흔적이며 수많은 별들의 죽음 속에서 태어난 존재다. 우리가 언젠가 죽겠지만 우리 몸을 이루는 원자는 언제까지나 남아서 지구 어느 곳인가, 혹은 우주 어느 곳인가에서 또 무엇인가를 이루고 있을 것이다.

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2.

원자의 존재를 알게 되고, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다는 것도 알게 되었어. 아주 작은 원자핵과 그것보다 더 작은 전자가 원자핵에서 한창 떨어져서 원자의 주변을 어디서 모를 경로로 돌고 있는 것… 그것이 바로 원자의 모양이란다. 집념의 과학자들은 또 연구를 해서 원자핵 안에는 양성자와 중성자가 있다는 것을 밝혀내게 된단다. 그것이 끝이 아니야. 양성자 안에는 또 쿼크들이 있고, 글루온이라는 접착제 같은 물질로 뭉쳐 있는 모양이라는 것까지 밝혀내었단다. 원자라는 것 자체도 너무나 작아서 눈에 보이지 않는 것인데, 그 미지의 세계를 탐험하는 과학자들은 정말 대단해 보이는구나.

…

반물질이라는 신기한 물질이 있단다. 이런 호기심에서 출발한단다. 원자라는 것이 전기적으로 중성을 띤단다. 원자핵의 양성자는 전기적으로 양극, 전자는 음극을 띠고 그것이 서로 상쇄되어 중성을 띠는 거야. 그런데 서로 짝이라고 하기에는 질량 차이가 너무 난다는 거야. 전자의 짝은 따로 있지 않을까… 그러던 중 디랙이라는 과학자가 양자역학을 연구하다가 전자와 질량은 같고 극성이 다른 입자가 있음을 밝혀낸단다. 그것을 양전자로 이름 지었지만, 발견하지는 못했어. 그 일이 있고 얼마 뒤 미국에서 우주에서 온 물질을 관측하다가 양전자를 실제로 발견했단다. 그렇게 디랙의 예상은 실제가 된 거야. 그리고 전자와 질량은 같고 극성이 반대인 양전자가 있듯이 양성자와 질량은 같고 극성이 반대인 반양성자도 있는 거야. 그리고 반양성자와 양전자가 하나씩 있는 반수소도 있는 것이지. 이렇듯 모든 입자는 그것의 진정한 짝인 반입자가 있단다. 그런데 입자와 반입자가 만나면 모든 물리적 성질이 상쇄되어 0이 되어 두 입자는 소멸한단다. 그리고 소멸된 질량만큼 복사에너지, 즉 빛을 남기게 돼… 반입자가 있으면 우리 몸도 사라지는 것이냐고? 그것은 맞는데, 너무 걱정하지마....  우리 지구에는 그냥 입자만 있으니까 말이야.

우주 탄생의 빅뱅의 순간 수많은 입자와 반입자가 생겨났고, 반입자들은 우주 곳곳으로 퍼져나갔고, 현재 우리 눈에 보이는 것은 반입자 짝을 찾지 못하고 남은 입자들이라는 이야기를 어디선가 들은 것 같아. 혹시 모르지… 지구와 똑같이 생긴 반지구가 우주 어딘 먼 곳에 있을 수도 말이야…

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(86~87)

반입자는 입자와 질량은 똑같고, 전하뿐 아니라 모든 물리적 성질이 정반대인 상태다. 그래서 입자와 반입자가 만나면 모든 물리적 성질이 서로 상쇄되어 0이 되고 두 입자는 소멸한다. 다만 입자와 반입자의 질량만은 상쇄되지 않고 남아서, 그 질량만큼의 복사 에너지가 된다. 한마디로 입자와 반입자가 만나면 빛을 남기고 살져 버리는 것이다. 우리 세상은 그냥 물질로 되어 있으므로, 반물질이 나타나면 물질과 만나서 금방 소멸해 버린다. 그러니까 반물질을 보관하려면 보통 물질로 만들어진 용기에 그냥 담을 수 없고 항상 진공 속에 두어야 한다. 그러려면, 무언가로 반물질을 붙잡아서 공중에 떠 있게 만들어야 한다. 양전자나 반양성자라면 전기를 가지고 있으므로 전자기장으로 조종해서 일정한 위치에 잡아놓을 수 있다.

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3.

2부에서는 원자물리학을 연구했던 물리학자들에 대한 이야기가 나온단다. 대부분 아빠가 모르는 과학자들이었어. 책의 표지에 나와 있는 남자… 이 사람이 도대체 누구일까, 궁금했는데 2부에서 궁금증이 풀렸단다. 엔리코 페르미라는 사람이야. 페르미라는 이름이 좀 익숙하다는 생각을 했는데… 그 사람의 이름을 딴 페르미온, 페르뮴, 페르미 준위라는 용어들이 있었고, 1000조분의 1을 의미하는 페르미라는 말도 엔리코 페르미라는 이름에서 따왔대. 이 사람은 물리학에 있어 대단한 이론가이면서도 대단한 실험가였다는구나. 자신이 할 실험에 필요한 장비들을 직접 만들고 실험들도 직접 다 했다고 하는구나. 그리고 책을 한번 읽으면 다 외워버리는 지구인이라고는 믿기지 않는 능력이 있대. 그가 한 업적이 이 책에는 많이는 소개되지 않았지만, 원자 물리학자이며 핵폭탄을 만드는 맨하튼 프로젝트에도 참가했었대.

…

아빠가 앞서도 이야기했지만, 2부 과학자들의 이야기가 가장 좋았어. 그 중에 상반된 두 천재 이야기를 다룬 ‘두 천재 이야기’가 특히 좋았어. 오늘날 전자제품의 혁신을 이끌어온 트랜지스터를 발명한 존 바딘과 윌리엄 쇼클리에 관한 이야기였어.

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(133)

1947년 12월 23일, 바딘과 브래튼은 저마늄 표면에 0.05밀리미터 간격으로 놓인 텅스텐 침을 통해 진공관처럼 전류를 증폭시킬 수 있는 소자를 개발하고 특허를 취득했다. 이 소자의 이름은 트랜지스터로 명명되었고, 특히 이들의 발명품은 점-접촉 트랜지스터라고 부른다. 특허권자의 이름에 쇼클리는 없었다. 쇼클리는 이 발명은 자신의 이론에 기반을 둔 것이라고 주장했으나 받아들여지지 않았다. 다시금 충격을 받은 쇼클리는 호텔 방과 집에 틀어박혀서 몰래 새로운 방식의 소자를 연구했다. 두 종류의 반도체를 접합한 쇼클리의 트랜지스터는 1948년에 발표되었다.

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윌리엄 쇼클리는 독선적이고 다른 사람을 예의 없이 대해서 그의 주변을 모두 떠난 반면에 존 바딘은 사람들과 잘 어울리면서 업적도 같이 나눌 줄 아는 그런 천재였대. 역사가 그들을 평가할 때 존 바딘은 진정한 천재, 윌리엄 쇼클리는 망가진 천재로 했다는구나. 아무리 천재라도 이 세상은 혼자 사는 세상이 아닌 다함께 공존한다는 것을 먼저 깨달아야 했음을 그는 왜 몰랐을까.

4.

마지막으로 이야기할 것은 물리학의 이야기가 아니라, 음악 이야기란다. 이 책이 칼럼을 모은 글이라고 했잖아. 그래서인지 칼럼을 시작하기 전에 사람들에게 호기심을 불러 일으키는 글들로 시작한단다. 그런 글들을 과학과 관련 없는 다른 분야의 이야기를 끌어와서 이야기를 시작했어. 그 중에 하나… 엄마가 좋아하는 영화 <카사블랑카>와 그 영화 속에 나오는 노래 <As time goes by>가 소개되었어. 아빠도 <As time goes by>라는 노래를 좋아하는데, 이 노래는 원래 브로드웨이 뮤지컬을 위해 만든 곡이었대. 영화에 나오지 않은 노래와 가사에 아인슈타인이 나온대… 그 가사 내용이 아인슈타인의 이론은 이제 지쳤다는 가사래.. 하하, 참 재미있구나…

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(304~305)

우리가 살고 있는 이 시대는

속도와 4차원 같은 새로운 발명으로

걱정거리를 만들죠.

미스터 아인슈타인의 이론에는

이제 조금 지쳤어요.

그래서 가끔은 땅에 내려와서

긴장을 풀고 쉬어야 해요.

무슨 진보가 있건

무엇이 더 증명되든

인생의 단순한 사실은

사라질 수 없다는 것.

험프리 보거트와 잉그리드 버그먼이 주연한 1942년 영화 <카사블랑카>의 주제곡 <시간이 흐르면서( As time goes by)>는 원래 1931년에 허먼 후펠드가 브로드웨이 뮤지컬을 위해 만든 곡이다. 영화에 나오면서 이 곡은 대히트를 거둬, 1931년에 취입한 루디 발레의 곡이 10년도 더 지나서 뒤늦게 차트 1위를 차지하기도 했다. 영화에는 나오지 않았지만 이 곡의 앞부분 가사는 사실 앞에 보인 내용이다. 이 가사를 보면 아인슈타인의 상대성 이론이 당대에 얼마나 광범위하게 충격을 미쳤는지를 느낄 수 있다.

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….

이 책에 좀더 너희들에게 소개해 주고 싶은 이야기들이 많은데, 아빠가 메모를 게을리해서, 오늘은 여기까지만… 책을 읽었지만, 이제 원자에 대해서 확실히 알 것 같구나… 이렇게 말은 못하겠구나. 나중에 너희들도 과학에 흥미를 느끼게 된다면, 이 책을 한번 읽어봤으면 좋겠구나.

PS:

책의 첫 문장 : 인간은 누구나 죽는다.

책의 끝 문장 : 우리 삶도 결국 자연 속에서 일어나는 한 가지 현상이니까.

지구에 가장 많은 원자는 지구 핵의 대부분을 차지하는 철이고 그 다음은 산소, 그리고 규소다. 그러나 우주 전체에 가장 많은 원자는 소소다. 수소는 우주 전체에 있는 원자 개수의 약 90퍼센트에 달한다. 그리고 나머지 10퍼센트는 거의 헬륨이다. 세 번째로 많은 원자인 산도도 0.06퍼센트에 불과하다. 태양을 비롯해서 우리가 보는 별은 대부분이 수소와 헬륨으로 되어 있다. 수소는 별들이 타오르는 연료다. 중력에 의해서 성간 물질이 뭉쳐져서 별을 만들고, 내부의 온도가 점점 올라가서 약 1000만 도에 이르면 별이 점화된다. - P23

오늘날 우리는 우주에서 원자핵을 합성하는 모든 과정을 알고 있다. 밤하늘의 많은 별들 속에서는 지금도 계속 수소가 헬륨이 되는 핵융합이 일어나고 있고, 헬륨은 다시 탄소와 산소를 만든다. 더 무거운 별들 속에서는 네온과 마그네슘, 규소 등 점점 무거운 원자가 생겨나서 마침내 철과 니켈까지 만들어진다. 그보다 더 무거운 원자들은 중성자를 천천히 흡수해서 만들어지거나, 초신성이 폭발할 때와 같은 극단적인 환경에서 중성자나 양성자를 급격히 흡수하는 등의 과정을 통해서 만들어진다. - P26

맥스웰의 고전 전기 역학에 양자 역학의 원리를 적용한 이론을 양자 전기 역학(Quantum Electrodynamics, QED)라고 부른다. 우리가 보는 세상은 원자로 이루어져 있고 원자의 세계에서 일어나는 일은 거의 전자기적인 상호 작용이므로, 양자 전기 역학이야말로 이 세상의 모습을 대부분 설명해 주는 근본적인 이론이다. 그래서 양자 전기 역학 이론을 확립하고 전기장의 양자 역학적 효과를 이론적으로 계산하는 것이 1920년대 후반부터 이론 물리학의 주요 과제가 되었다. - P48

페르미가 즐겨 그렇게 했듯이, 복잡하고 어려운 문제를 적절한 가정을 통해 단순화시켜서 자세한 계산 없이 정량적인 값을 어림해 내는 것을 페르미 해답(Fermi Solution)이라고 부른다. 그리고 페르미 해답을 구하도록 문제를 페르미 문제(Fermi Question)라고 한다. - P119

오늘날 입자 물리학의 실험적 연구는 가속기 없이는 생각하기 어렵다. 대부분의 입자는 시간이 지나면 보다 안정된 상태로 붕괴해 버린다. 우리가 주변에서 보는 물질은 모두 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과 전자가 안정된 상태로 결합된 원자로 만들어져 있다. 다른 입자를 보고 싶으면 특별히 높은 에너지 상태를 만들어야 한다. 지구에서 그런 높은 에너지 상태는 초신성 폭발 등을 통해서 만들어진 입자인 우주선이 우주를 날아오다 지구에 부딪힐 때만 생긴다. 그래서 1940년대까지 입자 물리학 실험은 하늘 높이 띄운 기구에 설치된 검출기를 통해 이루어졌다. 1933년 미국의 어니스트 로런스가 원형 입자 가속기 사이클로트론을 발명하면서, 가속기로 입자를 직접 만들어서 연구할 수 있게 되었고, 입자 물리학 연구는 급속도로 발전했다. - P252