불확실성의 시대 - 과학 도서

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

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.

책 <불확실성의 시대>는 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 저자는 당대 과학자들이 남긴 편지, 메모, 연구 논문, 저서 등을 토대로 1900~1945년에 질적인 변화를 이뤄낸 현대물리학의 역사를 한 편의 드라마처럼 흥미진진하게 풀어냈다.

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 있게 되는 탁월한 교양과학서다.

저자는 마리 퀴리가 박사학위 축하 파티를 마치고 살롱을 나와 피에르와 팔짱을 끼고 여름밤 속으로 들어갈 때, 파티 손님들이 그들을 위해 유리잔을 높이 들었고, 별이 빛나는 밤하늘 아래에서 피에르가 조끼 주머니에서 라듐브로마이드가 든 유리병을 꺼냈다고 말한다. 유리병에서 빛이 나와 그들의 얼굴을 비췄다. 저자는 술기운에 붉어진 편안한 얼굴, 그리고 화상으로 여기저기 상처투성이인 피에르의 손가락, 그것은 언젠가 마리를 죽게 할 방사능 질병의 전조이자, 그들이 쫓고 있는 지식의 무게를 알려주는 첫 번째 암시였다고 이야기한다.

저자는 제1차 세계대전 동안 대량 사망, 거짓 선전, 사회적 불행, 전통적인 생활 방식의 상실로 유럽에 번진 깊은 불안이 아인슈타인의 상대성이론 안에서 응집되었다고 말한다. 그리고 저자는 이윽고 반대 운동이 싹텄으며, 반대 운동은 나치주의와 독일물리학을 내세웠다고 이야기한다.

"반대 운동의 대표자이자 노벨상 수상자인 필립 레나르트는 현대 이론물리학을 "유대인의 과학"이라고 거부하고 "아리아인의 과학"을 꿈꿨다. 아인슈타인, 유대인, 이론물리학자, 평화주의자. 아인슈타인은 그들이 반대하는 모든 것을 상징했다."

저자는 하이젠베르크는 자신의 논문으로, 아인슈타인과 슈뢰딩거가 물리학의 토대라고 여겼던 인과성을 흔들었다고 이야기한다. "'현재를 정확히 알면 미래를 계산할 수 있다'는 인과법칙의 명확한 진술에서 틀린 것은 결론이 아니라 전제조건이다." 우리는 현재를 알 수 없다. 우리는 전자의 위치와 속도를 정확히 알 수 없으므로, 전자의 미래 위치와 속도의 가능성 확률만을 계산할 수 있다. "양자역학을 통해 인과법칙의 무효성이 명확히 입증된다." 논문의 마지막 문장이 말한다.

"다른 물리학자들은 불확정성 원리의 의미를 가늠하는 데 한참이 걸렸다. 인과성은 이미 1년 전에 보른에 의해 폐기되었다고, 일부 이론가들은 말하고, 일부 실험가들은 불확정성 원리를, 정교한 장비로 양자 현상의 더 선명한 그림을 얻으려는 도전으로 받아들였다. 그러나 그들은 잘못 이해했다. 세계는 그저 불확실하게 보이기만 하는 것이 아니다. 세계는 실제로 불확실하다. "세계와 우리의 언어가 맞지 않음을 알아야 한다." 하이젠베르크가 말한다."

저자는 마이트너와 프리쉬는 겨울 산책을 하며 베를린에서 온 기이한 측정 결과를 토론했고, 그들은 원자핵의 새로운 모형을 설계했다고 말한다. 무거운 핵은 중성자와 충돌하여 물방울처럼 휘청일 수 있다. 만약 이때 충분히 형태가 일그러지면, 장거리 전기 반발력이 핵을 지탱하는 힘보다 더 커진다. 그리고 핵이 폭발한다. 아인슈틴인의 공식 E=mc2으로 마이트너와 프리쉬는 폭발 에너지를 추측해보았다. 어마어마한 수치가 도출되었다.

"프리쉬는 코펜하겐으로 가서 보어에게 이론을 설명했다. 보어의 손이 이마를 짚는다. "아, 우리 모두 바보 같았어! 그것을 우리가 먼저 예상할 수 있었는데 말이야." 그러나 보어는 이제 뭔가 다른 것을 예상한다. 원자핵에서 나오는 이 에너지가 할 수 있는 것은 파괴이다. 그리고 이 파괴는 모든 물리학자가 상상할 수 있었던 것보다 더 빨리 일어날 것이다. 그것이 물리학의 빛나는 시대를 어둡게 할 것이다."

저자는 역사의 밝은 면은 믿을 수 없이 똑똑하고 지식에 목말라하는 놀라운 과학자들과 그들의 지식 협력이라고 말한다. 양자역학은 그 누구도 혼자 힘으로 발견할 수 없을 만큼 아주 기이한 이론이었다. 그들은 양자역학을 탄생시키기 위해 협력하고 경쟁하고 친구이자 적이 되어야만 했다. 저자는 그 과정에서 그들이 썼던 편지, 메모, 연구 논문, 일기, 회고록에서 양분을 얻어 이 책이 탄생했다고 이야기한다.

"이 책의 물리학자들은 1945년 이후에도 계속 활동했다. 그러나 그들 가운데 누구도 양자역학이나 상대성이론에 견줄 만한 진보를 이루지 못했다. 아인슈타인은 세계 공식을 찾고자 했다. 하이젠베르크 역시 뭔가를 찾고 있었다. 그들은 찾지 못했다. 그러나 그들이 100년 전에 세운 그들의 이론은 오늘날까지 굳건히 서 있고, 우리의 컴퓨터칩과 의료장비 안에 들어 있고, 당시 이런 이론의 해석을 두고 그들이 겨뤘던 논쟁들은 오늘날에도 여전히 회의적인 물리학자들에 의해 제기되고 있다. 이 역사는 아직 끝나지 않았다."

이 포스팅은 출판사로부터 책을 제공받아 작성한 글입니다.