일본 과학의 저력을 통해 보는 우리의 미래, 그리고 과제

천재와 괴짜들의 일본 과학사 - 개국에서 노벨상까지 150년의 발자취
고토 히데키 지음, 허태성 옮김 / 부키 / 2016년 10월

과학 분야에서 일본의 노벨상 수상 업적은 대단하다. 물리학, 화학, 생리의학 등 분야도 고르다. 원자핵 공학을 공부한 뒤 신경 생리학을 전공한 독특한 이력의 연구자인 고토 히데키의 '천재와 괴짜들의 일본 과학사'는 노벨상 수상자를 중심으로 일본 과학의 위상과 저력을 알 수 있는 단서가 되는 책이다.

우리는 이 책을 통해 단순히 일본 과학의 위상에 감탄하는 수준을 넘어 그들이 뿌리고 거둔 과학 발전의 실상을 역사적으로 파악할 수 있을 것이다. 일본 과학의 여명, 전쟁과 과학자, 패배로 빛나다, 의사 대 과학자, 일본인과 노벨상 등으로 이루어진 구성도 시사적이다.

책의 앞 부분에는 후쿠자와 유키치가 등장한다. 물리를 통해 서양 사고를 공부하게 한 의사 출신의 지식인으로 이상주의자보다 현실주의자의 길을 간 선구자이다. 그가 서양 학문에 주목한 것은 부국 강병 차원이었다. 일본은 개국에 즈음해 서양 기술과 학문을 배우며 인프라를 갖추기 위해 혼신을 다했는데 이는 주변 국가들과는 다른 모습이었다.

메이지 신정부는 법률, 어학, 광산학, 건축, 야금학, 화학, 축산, 의학, 군사 등 모든 분야에서 신지식을 맹렬한 속도로 받아들였다. 국위와 국력과 직결되는 것들이었다. 아드레날린을 발견한 다카미네 조키치, 각기병에 효과를 내는 오리자닌(Oryzanin)이란 쌀겨 추출물을 만들어냈지만 노벨상 후보에조차 오르지 못한 스즈키 우메타로 등의 이야기도 읽을 만하다.

‘벽암록’에 출처를 둔 줄탁동기(啐啄同機)라는 말이 있듯 과학 발전에도 사제 관계는 중요하다. 줄탁동기란 알 안에서 쪼는 줄의 시간과 어미 닭이 밖에서 쪼아 알을 깨트리는 탁의 시간이 같아야 온전한 병아리가 세상에 나올 수 있다는 의미의 말이다.

저자는 사제 관계를 방목형과 군대형으로 나눈다. 방목형은 소수파이지만 제자에게 원하는 연구로 자유롭게 하는데 의외로 제자가 크게 성장하는 경우가 있다. 방목형의 대표는 일본 최초(1949년)의 노벨상(물리학) 수상자인 유카와 히데키와 2008년 노벨상 수상자인 물리학자 난부 요이치로 등이다.

군대형은 제자를 엄격하게 단련시키고 제자를 통해 업적을 쌓는다. 물리학자 나가오카 한타로가 대표적이다. 유카와 히데키와 도모나가 신이치로가 하이젠베르크와 폴 디랙을 평가한 부분도 흥미 있게 읽힌다. 하이젠베르크는 열정적인 엘리트가 예상되었지만 밝은 스포츠맨 유형이고 디랙은 과묵하고 항상 생각이 많은 철학자 유형이었다고 한다.

유카와 히데키, 도모나가 신이치로 등 노벨상 수상자들을 길러낸 "일본 현대 물리학의 아버지" 니시나 요시오는 원자핵이 플러스인 양성자와 전기를 띠지 않는 중성자가 모여 있기에 같은 플러스 전하끼리 반발해 흩어지겠지만 실제로 그렇지 않은 것을 보고 새로운 소립자를 가정했다. 이것이 중간자(meson)의 시초이다.

히틀러의 적대(敵對) 정책으로 독일에서 쫓겨난 유대인 과학자들이 미국에 거주하며 우라늄 농축에 성공한 이야기도 눈길을 끈다. 일본은 이 점에서 생각을 잘못한 것이었다. 만주 731 부대에 파견되어 아이들을 상대로 동상(凍傷) 실험을 해 물의를 일으킨 요시무라 히사토 이야기도 나온다.

당시 한 대학에서 “의과는 병과(兵科)여야 한다. 사람 죽이는 것을 생각해야만 한다.”는 말도 나왔었다. 731 부대에서는 물만 마시고 얼마나 살 수 있는지도 실험했다. 포로들인 마루타는 수도물의 경우 45일을 살았지만 미네랄이 없는 증류수로는 33일만에 사망했다. 어떤 군인은 유행성 출혈열에 걸린 환자의 혈액을 중국인에게 접종해 병에 감염되게 했다. 의사 뿐 아니라 과학자 대부분이 군 연구에 종사하고 있던 시대였다.

유카와 히데키는 공부에 몰두하면 중얼중얼하면서 몇 시간이나 연구실 안을 곰처럼 어슬렁거렸다. 이 버릇이 시작되면 도모나가는 도서관으로 피신할 수 밖에 없었다. 유카와 히데키는 오카와 히데키였다. 그런 그가 유카와 히데키가 된 것은 유카와 집안의 데릴 사위로 들어갔기 때문이다.

히데키의 아내인 스미(スミ)가 일본인은 노벨상을 받을 수 없냐고 묻자 히데키는 자신이 노벨상을 받을 계획인데 다른 사람들에게는 말하지 않는 게 좋겠다는 말을 했다. 스미는 집안일을 전부 할 테니까 당신은 노벨상을 꼭 받아 주세요란 말을 했다.

일본은 레이더, 원폭, 페니실린 등 전쟁의 국면을 좌우하는 개발 경쟁에서 미국에 모두 패했다. 하이젠베르크의 불확정성 관계에 의하면 힘이 미치는 범위가 넓을수록 그것을 중개하는 입자는 가벼워 먼 거리를 재빨리 날아간다. 전기적인 힘의 경우 두 전하가 아무리 멀리 떨어져 있어도 약하지만 서로 당긴다. 전기력은 가장 멀리까지 작용하는 힘이다. 그에 부합해 광자는 무게가 없다.(203 페이지)

유카와 히데키는 첫 논문을 쓸 때 군더더기를 싫어해 문장을 계속 간결하게 수정했다. 심지어 문장에 적합한 단어는 단 하나 밖에 없다고 생각해 단어 선택에 극도로 신중을 기했다. 유카와는 시퍼렇게 간 칼날 같은 날카로운 문장을 썼다. 유카와는 이론은 관계가 있는 모든 현상을 설명해야 하며, 아름다워야 하며, 그것을 증명할 수 있는 실험을 논문에서 제시해야 한다고 생각했다.

1948년 유카와는 미국 동부의 프린스턴 고등연구소로 초청을 받아 일본을 떠났다. 저자는 이를 두뇌 유출(brain drain)이라 말한다. 유카와 부부를 보고 아인슈타인은 자신이 원리(질량 에너지 등가이론)를 발표했기 때문에 원폭이 개발되어 당신 나라의 두 곳에서 많은 살상자가 발생했다며 자신의 책임이 매우 크다는 사실을 언급했다. 부디 용서해 주시길 바란다는 말과 함께.

유카와는 원자핵에서 매력적인 문제를 발견했다. 원자핵은 양성자와 중성자가 모여 있기 때문에 플러스라는 같은 전하를 가진 양성자들의 반발 작용으로 흩어져야 하는데 결합되어 있다. 유카와는 전자기력, 중력 등으로 설명할 수 없는 미지의 힘이 있다고 생각한 뒤 그것을 해명하고자 했다. 유카와는 불확정성 관계에 의거해 핵력을 중개하는 새로운 입자의 무게까지 산출했다.

하이젠베르크는 이 동양인이 양자역학의 핵심을 누구보다 깊이 이해하고 있다고 생각했다. 유카와는 이론만으로 노벨상을 수상한 첫 물리학자이다. 유카와의 이론은 당시까지의 생각을 훨씬 뛰어넘어 계산만으로 소립자를 발견할 수 있다는 사실을 인류에게 명확하게 제시했다.(225 페이지)

도모나가 신이치로에게 늘 뒤져있던 유카와가 상황을 역전시킨 것은 중간자 이론 발표로 인해서이다. 1965년 도모나가는 노벨상을 수상했다. 슈윙거, 파인만과 함께. 물론 두 미국인은 도모나가에게 경의를 표하며 공식 수상 기록에 도모나가의 이름을 첫 번째로 올렸다. 훨씬 앞서 이론을 완성했기 때문이다.

일본인이 물리학상과 화학상을 수상하는 것은 드물지 않았지만 일각에서 의학생리학상은 무리로 평가되기도 했다. 그런데 1987년 도네가와 스스무가 그 상을 탔다. 2008년 노벨 화학상을 수상한 시모무라 오사무는 제약회사 면접에서 당신은 회사에 맞지 않습니다란 말을 들었던 이력을 가지고 있다.

물리 연구는 이론과 실험으로 나뉜다. 유카와는 손재주가 없었고 도모나가는 손재주가 좋았다. 볼프강 파울리는 이론 물리학자 동료들이 무서워할 정도로 머리 회전이 빨랐다. 실험을 하지 않더라도 조금 생각하는 것만으로도 결과를 예측할 수 있어서 귀찮은 실험을 하는 사람들을 이해하지 못했다. 그런데 손재주는 너무 없었다. 극단적인 기계치였다.

문제에 착수할 때 이론물리학자들은 영향이 작은 것을 전부 없앤다. 그런 미미한 요소를 식에 포함시켜 풀어보면 복잡해질 뿐이고 결론에는 큰 차이가 없기 때문이다. 모델을 만들어 대략적인 풀이를 생각하는 것을 정성적(定性的) 연구라 한다. 이 정성적 연구에는 고도의 이론적 감각이 필요하다. 이론 물리학자에게는 수식보다 아이디어가 중요했다.

특수 상대성이론의 수식 자체는 고등학생도 이해할 수 있지만 그 아이디어를 생각해낸 것은 아인슈타인 한 사람이다. 유카와의 중간자 이론도 수식이 훌륭한 것은 아니다. 중간자를 설정해서 그것의 주고받음으로 힘이 발생한다는 아이디어가 훌륭했던 것이다.

양자(量子)라는 아이디어는 아인슈타인이 제안했다. 그는 빛이 광자라는 입자로 만들어졌다는 사실을 발견했다. 그 후 양자에 확률 해석을 가해 양자역학을 만들었다. 하지만 아인슈타인은 그 확률 해석에 동의하지 않고 죽을 때까지 양자역학에 반대했다. 난부 요이치로는 끈이론을 제안했는데 이것이 초끈이론의 시초가 되었다.

난부는 대칭의 세계(물질과 반물질의)라면 빅뱅 당시 에너지로부터 같은 수로 탄생한 입자와 반입자가 합쳐져 전부 사라져야 하는데 한쪽의 세계만이 현재 남아 있다는 것은 자발적인 대칭 깨짐(spontaneous symmetry breaking)이 없으면 있을 수 없다고 주장했다.

저자는 현대의 서양 기술은 그 밑바탕에 있는 생각을 배우지 않는 한 우리가 상상도 할 수 없는 적의를 드러내며 세계를 멸망시킬 것이라 말한다. 이익의 논리에서 이치의 논리로 중심을 옮겨 직시하지 않으면 비극 밖에는 없다는 것이다.(377, 378 페이지)

후쿠자와 유키치(19 세기 일본의 계몽 사상가, 교육자)는 일본이 외부를 향해 나아가기 시작했을 때 유형의 학문 가운데 물리를 특히 중시했다. 하지만 그 마음의 밑바탕에는 학생들에게 무형의 사상성을 키우려는 생각이 있었다. 저자는 유카와 히데키를 동경해 이론 물리학을 공부했다. 흥미와, 그 이상의 의미와 교훈을 주는 책으로 '천재와 괴짜들의 일본 과학사'를 추천한다.