세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 양자혁명

세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 양자혁명 - 플랑크의 양자 입자에서 아인슈타인의 광전효과까지 ㅣ 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 3
정완상 지음 / 성림원북스 / 2023년 8월

과학을 왜 지루하고 재미없다고 느꼈을까요.

그건 아마도 호기심을 마음껏 펼쳐볼 기회가 없었던 탓이 아닐까 싶어요. 재미를 발견하기도 전에 문을 닫아버렸던 거죠.

학교에서 배웠던 과학은 나의 궁금증과는 별개였고, 다른 영역이라고 여겼는데 이제보니 전부 연결되어 있더라고요.

《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자혁명》는 정완상 교수님의 과학 이야기책이에요.

저자는 대중들이 천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라는 마음으로 이 책을 썼다고 해요. 전공자가 아닌 일반인이 특정 학문의 논문을 찾아서 읽어볼 일은 거의 없는데, 이 책에서는 양자역학 이론에 관한 대표적인 논문이 굉장히 색다른 방식으로 등장해요. 과학자와의 가상 인터뷰로 시작하여 정교수와 물리군의 대화 형식으로 설명해주네요. 양자론의 창시자인 플랑크 박사님이 양자론 최초의 논문(1900년)을 완성한 시점에서 당시 논문을 쓰기 위해 공부했던 열역학 이야기, 흑체복사 이론을 이야기로 풀어내고 있어요.

플랑크의 논문은 양자라는 기묘한 입자의 첫 등장을 알리는 위대한 논문이라고 해요. 이 논문으로 인해 갈릴래이와 뉴턴이 완성한 역학이론이 무너지게 되었고, 새로운 역학 이론이 탄생했기 때문이에요. 플랑크 박사님의 양자는 불연속적인 에너지만을 허용하기 때문에 뉴턴 물리학에서 사용한 입자라는 단어 대신 양자라는 단어를 사용하게 된 거예요. 당시 과학자들은 빛은 전자기파라는 파동으로만 여겼는데 플랑크 박사님이 빛을 양자로 간주하는 가설에 세웠고, 광자로 채워져 있는 흑체에 대한 엔트로피를 계산했는데 이때 진동수가 v인 광자가 가질 수 있는 에너지는 hv가 되며 이 광자가 가질 수 있는 에너지는 hv의 정수배만이 가능하다는 놀라운 결과를 도출했어요. 여기서 h를 플랑크 상수, 양자상수라고 부르는데 이것이 바로 허용 가능한 에너지가 불연속적으로 주어지는 양자의 탄생인 거예요. 우리는 양자역학 이론을 당연한 듯 배우고 있지만 당시로서는 과학계의 파장이 엄청났다고 해요. 플랑크 박사님의 논문이 양자 시대의 문을 열었고 이후에는 모든 물리학이 양자의 개념을 담게 되면서 현대물리학의 기초 이론이 된 거예요. 거시세계를 탐구하는 고전역학에서 설명되지 않는 현상을 미시세계를 탐구하는 양자역학으로 풀어냈다는 사실이 놀라워요. 플랑크 박사님은 논문에서 흑체복사에 대해 잘 설명했지만 실험은 확인되지 않았는데 이를 해결한 과학자가 아인슈타인과 콤프턴이래요. 아인슈타인의 광전효과와 콤프턴의 실험은 빛을 파동으로 다루면 설명되지 않고, 빛을 광자라는 입자로 다루었을 때만 설명이 되기 때문에 플랑크의 양자 가설이 확인이 된 거예요. 양자의 존재를 밝힌 플랑크와 아인슈타인, 콤프턴은 이 업적으로 노벨물리학상을 받았어요. 위대한 논문을 통해 양자론을 배워보니 뭔가 제대로 과학 수업을 받은 것 같아서 뿌듯했네요.