원자핵 속에 있는 힘을 밝혀낸 과학자들의 여정

강력의 탄생 - 하늘에서 찾은 입자로 원자핵의 비밀을 풀다
김현철 지음 / 계단 / 2021년 7월

평점

3.5점  ★★★☆  B+

이 세상의 모든 물질을 구성하는 데 반드시 존재해야 하는 네 가지 힘이 있다. 그 네 가지 힘이 바로 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이다. 중력은 중량(무게)이 있는 모든 물질을 서로 끌어당기는 힘이다. 중력은 네 가지 힘 중에 가장 약하다. 하지만 중력이 약한 힘이라고 해서 절대로 가볍게 봐선 안 된다. 이 세상 모든 물질의 중량이 0이 되는 것을 ‘무중량 상태(Weightlessness state)’라고 한다. 무중량 상태가 된 물질은 공중에 뜨게 되는데, 우주선에 탑승한 우주비행사의 모습을 생각하면 된다. 용어가 생소하게 보일지 모르겠으나 그동안 우리는 무중량 상태를 ‘무중력 상태’로 잘못 알고 있었다. 중력의 상태가 0에 근접할 수 있어도 완전한 0이 되는 세계, 즉 중력이 없는 세계는 없다.

전자기력은 간단하게 말하면 전기력과 자기력의 성질을 모두 가진 힘이다. 전자기력은 강한 핵력 다음으로 힘의 세기가 강하다(강한 핵력>전자기력>약한 핵력>중력). 강한 핵력과 약한 핵력은 ‘강력과 약력’ 또는 ‘강한 상호작용과 약한 상호작용’이라고 부르기도 한다. 원자 속에 있는 이 두 가지 힘은 20세기에 이르러서야 증명되었다. 원자는 물질의 기본 입자다. 고대 그리스의 철학자 데모크리토스(Democritos)는 이 세상의 모든 것이 더 이상 쪼갤 수 없는 원자(atomos)로 이루어져 있다고 주장했다. 하지만 눈에 보이지 않은 원자의 실체가 완전히 밝혀지기까지 몇 세기를 지나야 했다. 데모크리토스의 원자론은 한동안 잊혔고, 관찰이나 실험으로 검증 가능한 지식을 옹호한 실증주의자들은 원자론을 주장한 과학자들을 공격했다. 원자의 존재가 증명되자 과학자들은 원자 속이 어떻게 생겼는지 알고 싶어 했다. 원자 속을 들여다본 과학자들은 원자의 중심 부분인 핵(원자핵) 주변에 공전하는 전자를 발견했고, 핵 속에 있는 양성자와 중성자까지 확인했다. 강력은 양성자와 중성자를 결합하는 힘이다. 약력은 양성자를 중성자로 변환시키는 힘이다. 양성자가 중성자로 변하는 현상을 ‘베타 붕괴’라고 한다. 유물이나 화석의 연대를 측정할 때 사용하는 방사성 탄소연대측정법은 베타 붕괴 현상을 응용한 기술이다.

강력과 약력은 이들보다 먼저 발견된 중력과 전자기력 못지않게 아주 중요한 힘이다. 하지만 강력과 약력의 인지도는 중력과 전자기력보다 낮은 편이다. 강력과 약력을 이해하려면 핵물리학을 공부해야 하는데, 이 학문은 과학 비전공자들이 선뜻 다가서지 못하게 할 정도로 상당히 어렵다. 강력은 네 가지 힘 중에 가장 크면서도 제일 약한 중력의 인지도에 밀려 주목을 크게 받지 못했다. 《강력의 탄생》은 이 세상에서 가장 큰 힘을 향해 스포트라이트를 비춘 책이다. 

이 책은 뢴트겐(Röntgen)이 X선을 발견한 해인 1895년부터 시작한다. 과학자들이 X선에 주목하고 있을 때 베크렐(Becquerel)은 처음으로 방사선을 발견했다. 그는 방사선에 우라늄의 앞 글자를 딴 ‘U-선(uranic ray)’이라는 이름을 붙였지만, 당대 과학자들의 주목을 크게 받지 못했다. 하지만 방사선 연구는 미시 세계를 규명하려는 물리학자들이 활동하기 좋은 ‘블루 오션’이었다. 특히 마리 퀴리(Marie Curie)는 남편 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 함께 방사선이 폴로늄(polonium)과 라듐(radium)에서도 나온다는 사실을 발견했다.

찰스 윌슨(Charles Wilson)이 만든 ‘안개상자’는 과학 역사상 획기적인 실험 장치로 평가받지만, 과학 비전공자들에게는 생소하다. 안개상자가 왜 중요한가? 이 실험 장치가 나오면서 과학자들은 눈에 보이지 않던 방사선을 볼 수 있게 되었기 때문이다. 모든 과학자는 논리실증주의자가 아니다. 하지만 과학은 새로운 이론이 나오면 여러 번의 실험을 통해 반드시 검증해야 하는 학문이다. 그러므로 원자, 방사선, 강력의 존재가 밝혀지는 데 오랜 시간이 지나야 했다. 이 길고 긴 과학적 여정에 수많은 과학자가 나섰다. 그중에 라듐과 폴로늄을 발견한 마리 퀴리, 방사선이 두 가지 형태로 이루어졌다는 사실을 확인한 러더퍼드(Rutherford), 강력의 존재를 예측한 유카와 히데키(湯川秀樹) 등은 노벨상을 받았고, 과학사에 길이 남을 위대한 학자로 기억되고 있다. 반면에 이들보다 한발 늦게 실험 결과를 보고한 과학자들은 잊혀졌다. 위대한 성과를 남겼지만, 모종의 이유로 주목받지 못한 과학자들도 있다. 이탈리아의 물리학자 도메니코 파치니(Domenico Pacini)는 우주에서 지구로 들어오는 방사선인 우주선(宇宙線)의 실체를 밝히는 데 성공했다. 그는 우주선 연구의 선구자로 알려진 빅터 헤스(Victor Hess)보다 먼저 우주선을 측정했지만, 영미와 독불(독일과 프랑스) 중심의 과학사는 파치니의 업적을 외면했다. 명성을 얻고 싶은 과학자는 자신의 연구 성과를 정리한 논문을 쓸 때 자기보다 앞선 연구 결과를 언급하지 않는 실례를 범한다. 《강력의 탄생》은 철저한 검증을 거친 뒤에야 인정받은 과학자들의 노력과 성과뿐만 아니라 잘 알려지지 않은 과학자들의 비윤리적인 모습도 보여준다.

이 책을 쓴 저자는 물리학과 교수다. 학술논문을 제외하면 《강력의 탄생》은 저자의 첫 번째 과학 교양서다. 저자는 핵물리학 발전에 기여한 과학 실험을 도판과 함께 설명했는데, 실험에 참여한 과학자들이 대화하는 장면도 넣었다. 저자가 상상해서 쓴 것이지만, 과학자들의 대화 장면을 보고 있으면 실험실 내부를 코앞에서 보는 듯한 기분이 든다. 

저자의 첫 책이라서 아쉬운 점도 있다. 과학 비전공자에게 생소한 과학 용어의 뜻을 설명한 저자의 주석이 많지 않다. 본 책 244쪽의 ‘보스-아인슈타인 통계(Bose-Einstein statistatics)’, 266쪽의 ‘코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)’, 355쪽의 ‘쿨롱 힘(Coulomb’s power)’에 대한 주석이 없다. 책에 나온 과학 용어의 의미를 간단하게 정리한 부록이 필요해 보인다. 과학 비전공자를 위한 과학 교양서라면 이런 부록이 반드시 있어야 한다.

저자는 원자론을 주장한 오스트리아의 물리학자 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)을 ‘시대를 한참이나 앞선 과학자’로 소개했다.

* 23쪽

 볼츠만은 시대를 한참이나 앞선 과학자였다. 그는 당시 사람들이 상상도 하지 않던 원자론을 주장했다. 그 이듬해에 눈으로 볼 수 있는 것만이 실재한다고 주장하던 에른스트 마흐가 빈 대학에 왔다. 볼츠만의 원자론을 따르는 사람들과 마흐를 추종하는 실증주의자들 사이에 전쟁이 시작되었다. 

이는 사실과 다르다. 데모크리토스 이후부터 잊힌 원자론을 주장한 최초의 과학자는 존 돌턴(John Dalton)이다. 돌턴이 살았던 당시에 원자의 실체를 확인할 방법이 없었고, 원자의 존재를 받아들이지 않는 과학자들이 많았다. 돌턴의 근대적 원자론이 알려지게 되면서 원자의 존재 여부를 둘러싼 과학자들의 논쟁이 시작되었고, 원자론자 볼츠만과 이에 맞선 실증주의자 마흐(Ernst Mach)가 활동한 20세기 초에도 이어졌다. 따라서 볼츠만이 원자론을 주장했다고 해서 ‘시대를 한참이나 앞선 과학자’로 보기 어렵다.

* 53쪽

 영국에서 1만 8000천 킬로미터나 떨어진 뉴질랜드, 그곳에서도 한참 더 들어가면 남쪽 섬의 북부 한 귀퉁이에 넬슨이라는 자그마한 항구도시가 있다. 트라팔가르 해전에서 스페인 함대를 무찌른 넬슨 제독의 이름을 따왔다.

트라팔가르 해전(Battle of Trafalgar)은 영국 함대와 프랑스-스페인 연합 함대가 맞붙은 전투다.

강력을 발견하기 위한 과학자들의 여정은 쿼크(quark)와 강력이 작용하는 강입자인 파이온(Pion)이 처음 발견된 해인 1947년에 마무리된다. 물론 이 여정이 여기서 끝난 건 아니다. 1895년부터 1947년까지의 과학적 여정은 ‘강력의 탄생’을 알리는 서막이다. ‘강력의 실체’를 이해하기 위한 여정이 남았다. 《강력의 탄생》의 저자는 1947년 이후의 이야기를 담은 후속편을 예고했다. 후속편에서는 쿼크를 비중 있게 다룰 것으로 보인다. 아직 나오지 않은 책에 감히 제목을 정한다면, ‘쿼크의 탄생’이다.

※ 정오표

* 244쪽: 핵물학 → 핵물리학

* 288쪽: 194년 → 1949년