[거인의 어깨 위에 서다]

물리학 클래식 - 물리학의 원전을 순례하다
이종필 지음 / 사이언스북스 / 2012년 8월

 [거인의 어깨 위에 서다] 

 흔히 위대한 업적을 이룬 학자 등은 "위대한 거인의 어깨 위에 서 더 멀리 볼 수 있었다"는 말을 한다. 인간의 지식이 기록을 통해 축적되고 보존되면서, 지식을 처음 발견한 학자보다 훨씬 더 쉽고 명확하게 배울 수 있었다는 의미로 사용한 것이다. 그런 점에서 비록 학부생일 뿐이지만, 나도 수많은 거인들의 어깨 위에서 세상을 바라보고 있다. 경제학을 문을 연 애덤 스미스부터 마샬, 케인즈, 프리드먼 등 경제학계에도 수많은 위대한 거인이 존재하기 때문이다. 그런데 조금 더 본질적으로 생각해보면 난 경제학부생이기 앞서서 인간이고, 인간은 물리적 세계 속에서 살아간다. 그런 의미에서 물리학의 거인들의 업적은 분야를 초월해서 모든 인류에게 어깨를 빌려주고 있다고 볼 수 있다.

 따라서 이왕 어깨를 빌리는거 좀 확실하게 빌려보고 싶었다. 어차피 빌리는데 멀리 보려고 노력이라도 해봐야 빌려주는 거인에게도, 빌리는 나 스스로에게도 당당하지 않겠나 싶어서다. 그래서 어떻게 공부해봐야 하나 생각하면서, 이런 저런 책들을 보고 있는데, 그 중에서 오늘은 <물리학 클래식>이라는 책을 소개하고 싶다. <물리학 클래식>은 물리학 박사인 저자가 20세기 논문 중 가장 위대하다고 생각하는 논문 10편을 선정해서 소개하는 책이다. 저자는 "이건 논문을 번역한 책이 아니라 쉽게 풀어서 소개하는 책이다"라고 하는데 개사기다. 어렵다. 근데 분명 해당 논문을 작성한 학자들의 노고에 비하면 이걸 이해라는 노력은 미미한 수준일 것이고, 애초에 어려운 개념은 쉽게 설명해봐야 어려운거다. 암튼 어렵다는걸 인지하고 책을 읽어나가길 바라고, 나도 그랬다. (그래도 어려웠다.) 

 소개하는 논문은 

1. 움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여 (1905년, 알베르트 아인슈타인)

2. 물질에 의한 알파 및 베타 입자의 산란과 원자의 구조(1911년, 어니스트 러더퍼드)

3. 중력의 장 방정식(1915년, 알베르트 아인슈타인)

4. 운동학적 역학적 관계들에 대한 양자 이론적 재해석(1925년, 베르너 하이젠베르크)

5. 외계 은하 성운들의 선속도와 거리 사이의 관계(1929년, 에드윈 허블)

6. 트랜지스터, 3극 반도체(1948년, 존 바딘&월터 브래튼)

7. 초전도성 이론(존 바딘&리언 쿠퍼&존 슈리퍼)

8. 4,080Mc/s에서 초과 안테나 온도의 측정(1965년, 아노 펜지어스& 로버트 월슨)

9. 경입자모형(1967년, 스티븐 와인버그)

10. 큰 N 극한에서의 초등각장론과 초중력(1998년, 후안 말다세나) 

이다. 

 논문 제목을 굳이 한 번 적어 본 것은 일단 굉장히 있어 보일 것 같기도 하고(이게 주요 목적이다), 인류가 세상을 조금 더 잘 이해하도록 위대한 발견을 위해 노력했을 학자들에게 따로 해줄 것은 없으니, 논문과 학자 이름이나 한번 되새겨 보자는 뜻에서 적어 보았다. 개인적으로 이 책을 장 별로 내가 요약 정리하는 것은 큰 의미가 없을 것 같다. 그럴 목적이었으면 그냥 이거 읽을 시간에 검색해서 알아보는 것이 더 효율적일테니 이건 직접 읽어보는 수 밖에 없을 것 같다. 그리고 솔직히 다른 분야 책은 저자가 논리를 전개해나가면 따라가는 일은 자신이 있고, 이해도 못하는 편은 아니라고 생각하는데 이런 고등 물리학은 내가 잘 따라간 것인지도 확신이 안서도, 이해를 했다는 생각은 당연히 안든다. 아인슈타인의 경우에는 그나마 전체를 깔끔하게 관통하는 이른바 '현인형 물리학자'라서 논리를 따라 갈 수는 있는데, 하이젠 베르크나 스티븐 와인버그, 후안 말다세나의 경우에는 솔직히 이해 안가는 부분이 이해 가는 부분보다 더 많다. 그래서 평소에는 서평을 쓰려고 책을 다 보고 나면 접어두고 밑줄 처둔 부분 중에서 인상 깊은 부분을 따로 워드패드로 옮겨 놓고 그거 보면서 서평을 쓰는데 이건 그럴 엄두를 못내고 그냥 목차 보면서 바로바로 인상 깊은 부분을 소개하는 정도만 리뷰를 해야할 것 같다. 

 아인슈타인의 경우에는 역시 <중력의 장 방정식>이 백미다. 특수상대성이론 위대하지만 뒷통수 한 대 맞은 것 같은 느낌을 선사하는 건 역시 중력장이론이다. 시공간이 질량으로 뒤틀리고, 중력은 시공간이 뒤틀리면서 작용한다니! 침대에 볼링공 떨어뜨리면 볼링공 떨어뜨린 곳이 푹 내려가면서 그쪽으로 다른 것들이 굴러가게 되는 것이 중력의 개념이라니! (사실 명작 다큐멘터리 <코스모스>에서 보고 알고 있긴 했다. 핳) 언제 봐도 엄청난 스케일이다. 그리고 이런 아인슈타인의 중력장 방정식을 물리학의 맥락에서 함께 보면 그런 감탄이 더해진다. 누구도 설명하지 못했던 중력에 대한 Why? How? 라는 질문에 답을 했다는 점에서 그렇다.( 정확히는 왜 중력이 존재해야 하는가, 어떻게 중력이 작용하는가?에 대한 질문) 

 그리고 두 번째는 역시 양자역학이다. 하이젠 베르크의 <운동학적 역학적 관계들에 대한 양자 이론적 재해석> 논문은 저자가 나름 친절하게 푼다고 푼거 같긴 한데 그래도 솔직히 이해가 잘 안간다. 그냥 내가 건진 개념들은 미시적 세계에서의 운동의 아주아주 기본적인 개념과 '덩어리 단위'라는 개념이다. 아주 미시적으로 세계를 바라보면, 어떤 입자들(예컨대 전하량 같은 것)이 '덩어리져서만 존재한다'는 것을 알 수 있는데, 이때 '덩어리져 있는 것'을 '양자화 되어 있는'으로 해석하면 된다. 즉 양자 역학 자체가 덩어리져 있는 물리량을 다루는 역학이라는 것이다. 그리고 덩어리져 있기 때문에 당연히 양자화된 입자는 그 최소 단위의 정수배로만 존재할 수 있는 것이다. 예컨대, 세상에 책이 2권 단위로 묶여서만 존재할 수 있다면, 존재하는 책의 수는 그 최소 단위(2)의 정수배로만 존재할 수 있는 것이다. 이건 다시 말해서 임의의 값이 연속적인 값을 갖을 수가 없다는 것이다. 예컨대, 앞의 예에서 값은 오로지 2, 4, 6, 8... 만을 가질 것인데, 이걸 그래프로 그러면 연속적인 그래프인 줄이 아니라 점이 여러개 찍힐 수 밖에 없다. 따라서 양자 역학의 관점에서 보면 고전 역학(뉴턴, 갈릴레이 역학)은 양자 역학의 아주 극단적인 경우라고도 할 수 있다. 해상도가 낮아지면서(너무 크게 보다보니) 디테일(2,4,6,8로 이산적인 분포)을 볼 수 없어서 연속적으로 바라보고 있으니 말이다. 이 밖에도 양자 역학과 확률론적 해석 등의 부분도 상당히 흥미로운데 이건 내가 정리할 수 있을만큼 이해를 못했다. 

 마지막으로 소개할 부분은 경입자모형과 허블의 발견 중 무엇을 할까 고민하다가, 아무리 생각해도 경입자모형은 제대로 이해한게 아니라서(그렇다고 허블의 논문은 제대로 이해했다는건 아니지만, 아냐 허블은 어느정도 이해했다. 암튼) 글이 엄청 길어지고 사실상 책 옮겨적기가 될 것 같아서 허블의 <외계 은하 성운들의 선속도와 거리 사이의 관계>에 대해서 인상 깊은 부분은 쓴다. 근데 꼭 경입자모형 부분은 읽어보길 바란다. 엄~~~청 중요한 부분이기도 하고, 뉴스에서 입자가속기 따위를 다룰 때 더이상 무슨 소리인지 몰라서 어벙벙 하고 있지는 않아도 된다. 이해는 못해도 대충 무슨 이야기를 하고 있는지는 알 수 있을 정도는 만들어 줄 것 같다. 아무튼 허블의 이야기로 돌아오면, 허블 망원경으로 더 유명한 에드윈 허블은 우주의 팽창의 실증적 증명을 한 것으로 유명하다. 허블의 법칙을 통해서 인데(물론 관찰을 통해 발견한 것이다) 개념 자체는 단순하다. 멀리 있는 은하일수록 그 거리에 비례해서 멀어지는 속도가 빨라진다는 뜻이다. 즉 우주가 팽창하고 있다는 것이다. 이 개념은 단순한데 개념이 갖은 함의는 결코 단순하지 않다. 오죽하면 천하의 아인슈타인이 이것에 대해서 오판해서(아인슈타인은 정적인 우주를 지지했었다) 자신의 인생 역작인 중력장 방정식의 해를 정적인 우주와 맞추기 위해서 "인생 최대의 실수"라고 고백한 우주상수까지 넣었었겠는가. 그리고 이런 허블의 법칙은 동시에 또 다른 것을 암시한다. 우주의 역사의 기원에 대한 지식이다. 지구로부터 L만큼 떨어져있는 은하 A가 v의 속도로 멀어지고 있다고 하자. 그러면 대충 R/v만큼 시간을 거슬러 올라가면 이 은하 A는 지구 바로 옆에 와 있을 것이다. 마찬가지로 지구로부터 3L만큼 떨어진 은하 B는 3v의 속도로 멀어지고 있다고 할 때, R/v만큼 시간을 거슬러 올라가면 은하 B도 우리 지구 바로 옆에 와 있어야 한다. 응? 알아챘는가? 허블의 법칙은 본질적으로 옛날 언젠가에는 우주의 모든 은하가 어떤 한 점에 몰려 있었다는 것을 의미한다. 즉, 삼라만상이 한 점에 모이는 '대폭발'의 순간이 있었다는 것이다. 빅뱅의 존재를 허블의 법칙을 통해서 추론할 수 있다는 것이다. 물론 그렇게 추론해본 빅뱅의 시점을 기준으로 계산해본 우주의 나이보다 더 나이가 많은 행성도 있는 등 아직 다 밝혀지지 않은 부분들이 많지만 어쨋든 정말 위대한 발견이다. 정말 인상 깊었다. 

 정리해보자면, 우리는 분명 거인들에게 큰 신세를 지고 있다. 우리가 이만큼 세상을 이해하는데는 그들의 헌신과 노력이 필수적이기 때문이다. 거인의 어깨는 누구에게나 열려 있지만, 오를려고 하는 사람만 올라서 거인이 이룩한 업적을 향유할 수 있다. 그런 점에서 꼭 어렵더라도 짜증나더라도 한번 보길 바란다. 우리가 발을 딛고 살아가고 있는 이 지구가, 우주가, 또 우리의 운동에 대해서 조금은 알아봐야 하지 않겠는가? 다소 버거운 책이어서 아마 언젠가 다시 읽어봐야 할 것 같고, 다시 봐도 완전히 이해는 못하겠지만, 그래도 다시 읽을 것이고 다시 읽고 준비가 된다면 진짜 원전에도 한번 도전해보고 싶다. 강추한다!