(서평) 세상에서 가장 쉬운 과학수업 양자혁명 -정완상 作-

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

노벨상 수상자의 업적을 논문으로 쉽게 풀어주고 더불어 과학사를 설명해주는 정완상 교수의 양자혁명에 대한 이야기가 나왔다. 요즘 크리스토퍼 놀란 감독의 영화 오펜하이머를 통해 양자 역학이 소개되면서 이와 관련된 이론들, 핵무기를 개발한 맨허턴 프로젝트와 관련된 과학자들이 다시금 주목되고 있다. 오펜하이머의 일대기를 다룬 '아메리칸 프로메테우스' 를 중심으로 그의 일대기, 오펜하이머와 알버트 아인슈타인의 이야기를 풀어낸 를 책으로 찾는 사람들도 늘고 있다는데, 이러한 시기에 양자 역학의 근간이 되는 배경 지식을 이야기해주는 '양자 혁명' 을 접해서인지 그 어느 때보다 더욱 재미있게 읽어내려갔다.

책을 읽고 느낀점

● 뉴턴 역학에서 설명하지 못하는 일이 발생하자 상대성 이론과 양자 역학이 대두되었다. 쉽게 이해하지만 뉴턴역학은 천천히 움직이는 거시적인 물체에 적용하지만 상대성 이론은 빠르게 움직이는 물체에, 그리고 양자역학은 미세한 전자의 세계에 적용된다고 보면 쉬울 것이다.

● 과학의 세계는 독일의 철학자 헤겔이 말한 정반합의 이론이 가장 잘 들어맞는 구조라는 생각이 들었다. 과학계에 퍼져있는 상식과 같은 이론에서 (正) 기존의 법칙을 무너뜨리거나 초월하는 이론 혹은 실험이 나오게 되면 (反) 실증과 동료들의 리뷰를 거쳐 새로운 이론으로 창출되고 이것이 다시 과학계는 다시 새로운 이론이 정론으로 굳어지는 과정을 거치는 혁명적인 발전을 (合) 거듭해 왔기 때문이다. 그래서 과학자들은 동료들로부터 인정을 받는 과정인 일명 Peer review 를 굉장히 중요하게 생각한다.

● 과거 과학사의 새로운 발명과 발견을 이끈 유럽사람들이 자유롭게 서로 학문적인 열의를 나눌 수 있는 분위기가 너무 부러웠다. 막스플랑크가 양자론을 창시한 이래 (1900년) 보어, 하이젠베르크를 거치며 그 사이에도 무수한 보일 (원소에 대한 기본을 정립), 돌턴 (원자설 이론), 아보가드로, 라부아지에, 줄 등의 과학자들은 서로 네트워크처럼 연결되면서 서로 영향을 주고 받고, 때로는 독자적으로 이론을 정립해 나간다.

● 과학사와 이론을 설명은 재미있게 읽었지만 중간에 이론에 대한 쉬운 설명이 나온다. 열역학 법칙 이후 엔트로피를 설명하며 편미분 (2개의 변수에 대한 미분) 을 풀어줄 때 수학적 공식의 이해가 다소 필요한 부분이라 어려웠다 (미분, 적분도 다 잊어버렸다구욧!). 이론 물리학을 공부하는 분들 대단하다.

책에서 인상 깊었던 내용

● 열역학 : 열과 일 사이의 관계를 연구하는 학문

뜨거운 물체와 차가운 물체를 저복시키면 뜨거운 물체에서 차가운 물질로 열 에너지가 이동한다. 시간이 충분히 흐르면 두 물체의 온도가 같아지는데 이를 열평형이라고 하고, 이때 같아지는 온도를 평형온도라고 부른다.

열역학 제1법칙 : 유입된 열의 변화량 = 팽창하는데 쓰인 일 + 계의 에너지의 변화량

열역학 제2법칙 : 모든 반응에서 전체 계의 엔트로피가 증가한다 (전체 계의 엔트로피가 감소하는 반응은 존재하지 안힉 때문에 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 열이 저절로 이동할 수 없다)

● 볼츠만의 엔트로피 정의 : S = klnW (W 경우의수, k : 볼츠만 상수, 비례상수)

경우의 수가 커지는 것은 골고루 섞이는 경우를 말하는데 이 경우를 '질서가 가장 없다' 라고 한다. 볼츠만의 해석에 따르면 엔트로피는 질서가 가장 없을수록 커진다. 물리학자들은 질서가 가장 없는 것을 무질서도 entropy 가 가장 크다고 말한다. 즉, 엔트로피가 최대가 되는 것은 무질서도가 최대가 되는 것을 말한다.

● 아인슈타인은 플랑크의 양자론을 믿었다. 아인슈타인은 금속의 표면에 빛을 쪼이면 전류가 나오는 현상을 광자가 금속 표면에 있는 전자와 충돌해 전자를 튀어나오게 하는 현상이라고 설명했다. (광전효과) 이렇게 튀어나온 전자의 흐름이 전류를 만든다. 광전효과로 튀어나온 전자는 운동에너지를 갖는다. 전자의 질량을 m이라 하고, 튀어나온 전자의 속력을 v라고 하면 전자의 운동에너지는 1/2mv 이다.

대화형으로 과학의 이론을 설명하는 것이 한결 친절하고 쉽게 느껴졌다. 중학교 고등학교 때 배웠던 엔트로피 법칙에 대해서도 기억을 되살려보는 기회가 되었다. 열역학 제 1법칙과 2법칙도 볼 수 있었던. 하지만 막스 플랑크의 논문을 들어가며 수학적으로 증명하는 부분에서는 어려웠다. 복잡한 수식들과 증명과정. 정확한 풀이 모두 기억에 남지는 못하지만 이러한 이론들을 정립하고 발견해낸 물리학자들이 더욱 위대해 보였다. 과학에 관심많은 이과형 분들이라면 이 책의 완전한 이해에 한 번 도전해보시길! (조만간 기회를 봐서 재도전!)