[북 리뷰] 하이젠베르크의 양자역학

하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다 ㅣ 작은길 교양만화 메콤새콤 시리즈 4
이옥수 지음, 정윤채 그림 / 작은길 / 2016년 4월

【 하이젠베르크의 양자역학 】 

  _이옥수 글, 정윤채 그림 / 작은길출판사

다재다능하면서도 괴짜 과학자라는 애칭이 붙었던 미국의 물리학자 리처드 파인먼은 “만일 기존의 모든 과학적 지식을 송두리째 와해시키는 대재앙이 일어나서 다음 세대에 물려줄 과학적 지식을 단 한 문장으로 요약해야 한다면, 그것은 아마도 ‘원자 가설’일 것이다.” 라고 말했다.

‘원자 가설’은 모든 물질이 원자로 이뤄져 있으며, 이들은 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 어느 정도 이상 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다는 가설을 뜻한다.

물리학자들에겐 ‘원자’의 존재를 인정하고, 파악하는 것이 기본이다. 파인먼이 원자가 사물의 기본이라는 생각은 세대를 이어서 전수되어야 할 물리학의 핵심 개념이라고 단정을 짓는 것도 무리가 아니다. 원자라는 개념을 처음 사용한 사람은 그리스 철학자 데모크리토스로 알려져 있다. 근대적 원자론은 19세기 초 영국의 존 돌턴에 의해 제창된다. 조지프 톰슨은 음극선관 실험을 통해 일명 푸딩 모델로 불리는 원자모형을 주장했다.

이 책의 주인공 하이젠베르크는 1958년 ‘세계공식(World Formula)’이라고 알려진 식을 만들어서 모든 소립자의 특성을 유도해내려고 했다. 그는 젊은 시절 플라톤의 『티마이오스』에 영감을 받아 양자론의 발전에 앞장선다. 코펜하겐 해석이 양자역학의 공리로서 널리 인정받게 된 이후 자연현상의 근본적인 법칙이 대칭성이라는 믿음을 갖고 세계 공식을 만들고자 했으나 결국은 실패했다. 평생의 친구이자 연구 파트너였던 파울리마저도 외면한 공식이지만, 대칭성에 대한 하이젠베르크의 믿음은 현대물리학 이론에 그대로 남아 있다.

책의 서두는 1958년 뮌헨시 800주년 기념행사장인 독일박물관에서 하이젠베르크가 연설을 하는 장면부터 시작된다. “제 고향은 뮌헨이 아닙니다. 제가 태어난 곳은 뷔르츠부르크입니다. 뮌헨에서 꽤 떨어진 곳이죠. 1910년 아버지가 뮌헨대학의 그리스 문헌학 교수로 초빙되면서 우리 가족은 뮌헨에 와서 지내게 되었습니다.” 그때 그의 나이는 아홉 살이었다. 1920년 뮌헨대학. 대학에서 무엇을 전공할까 고심하던 그는 처음에 수학을 염두에 뒀으나, 이론물리학으로 방향을 잡는다. 그가 대학에서 학문의 인정을 받게 된 계기는 조머펠트 교수와의 조우와도 관계가 있다. 조머펠트는 보어의 양자가설을 전자의 궤도를 원이 아닌 타원궤도로 확장하고 상대론을 적용함으로써 추가로 발견된 수소의 선스펙트럼을 완벽하게 설명했다. 이를 보어-조머펠트 원자모형이라고 한다. 조어펠트 교수는 하이젠베르크에게 제만 효과를 설명해보라고 하면서 의문점을 찾아보라고 지시한다. 그 당시까지만 해도 ‘이상 제만 효과’라는 명칭이 붙은 실험이었다. 원자에 자기장을 가했을 때 선스펙트럼이 분리되는 수는 항상 홀수여야 하는데, 그 수가 짝수로 갈라지는 것이 관찰되었다. 그런 현상을 그때는 도저히 설명할 수 없었기 때문에 ‘이상 제만 효과’라고 불렀다. 하이젠베르크는 이 문제를 반정수(+1/2, -1/2)를 사용하면 된다는 생각을 하게 된다. 당시에는 아무도 반정수에 대해서 말한 적이 없었다. 양자수는 정수였던 것이다. 조머펠트 교수조차도 “그건 불가능하네. 양자의 세계는 정수와 상관이 있는 걸세. 반정수는 있을 수가 없어.”라고 하이젠베르크의 말문을 닫는다. 그러나 그가 옳았다. 그의 이론은 나중에 전자의 에너지 상태를 기술하는데 쓰이게 된다.

하이젠베르크는 1927년, 그의 나이 스물여섯 살에 라이프치히대학 이론 물리학 정교수가 된다. 독일에서 가장 젊은 교수로 기록된다. 히틀러의 등장으로 제2차 세계대전이 일어나고, 하이젠베르크도 힘든 시간을 보내게 된다. 나치의 강압으로 핵개발에 관여하게 되는 것이다. 실패로 돌아갔지만, 전쟁이 끝난 후 그 후폭풍을 견뎌내야 했다. 원자폭탄 개발 경쟁에서 독일은 연합국이 벌인 다각도의 방해 작전으로, 처음에는 우라늄 확보에 어려움을 겪었다. 충분한 양의 우라늄을 구하지 못하니 차선책으로 감속재인 중수를 사용하는 방법을 채택한다. 그때에도 중수 수송선 폭파 같은 방해공작이 끊이지 않았다. 반면, 미국은 중수 방식을 쓰지 않았고, 엄청난 비용과 우수한 과학자를 대거 투입한 덕분에 폭탄 제조에 성공한다. 하이젠베르크는 1932년 양자역학을 세운 공로로 노벨물리학상을 받았다. (노벨상은 1933년에 받음)

글과 그림이 만화로 재미있게 편집된 이 책을 현재 과학을 전공하는 학부생들이나, 미래의 과학도들에게 추천하고 싶다. 부모가 자녀들과 함께 읽어도 좋은 책이다.

[100자평] 잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽

잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽 - 이보다 재미있는 '천문학'은 없었다 - 우주 특강 27
이광식 지음 / 들메나무 / 2016년 5월

우주를 알아가는 데 있어 특히 중요한 토픽 27개를 골라서 나름대로 재미있고 이해하기 쉽게 쓰였다. 책 제목을 『잠 안 오는 밤에 읽는 우주토픽』이라 붙인 것은, 읽으면 잠이 잘 오는 책이란 뜻이 아니라 잠 안 올 때 부담 없이 읽을 수 있는 우주 이야기란 뜻이라고 한다.

[북 리뷰] 잠 안오는 밤에 읽는 우주 토픽

잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽 - 이보다 재미있는 '천문학'은 없었다 - 우주 특강 27
이광식 지음 / 들메나무 / 2016년 5월

【 잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽 】

_이광식 (지은이) | 들메나무

때로 하늘을 올려다보는 것만으로도 위로가 될 때가 있다. 바닥을 향하던 마음도 잠시나마 위로 향하게 된다. 특히 요즘 하늘은 바라다보기만 해도 기분이 업 된다. SNS엔 하늘 사진이 대세다. 밤에 보는 하늘은 낮 하늘과 분위기가 다르다. 우주를 향한 시선이 답답한 현실을 벗어나게도 해준다. 그러나 전문가가 아닌 이상 우주에 대해 생각하는 것은 분명 한계가 있다. 기껏해야 밤하늘의 별을 바라보는 정도에 불과하다. 그나마 탁한 시야의 도심에선 별보다 건물의 불빛이 눈에 먼저 들어온다.

안톤 체호프의 소설 『세 자매』에 나오는 한 대목은 우리의 삶이 아무리 팍팍해도 시선을 위로 향하는 시간이 필요하다는 것을 잘 표현해주고 있다. “두루미가 왜 나는지, 아이들이 왜 태어나는지, 하늘에 왜 별이 있는지 모르는 삶은 거부해야 한다. 이러한 것들을 모르고 살아간다면 모든 게 무의미하여 바람 속의 먼지 같은 것이다.”

우주에 관해 사람들이 가장 궁금해 하는 질문은 무엇일까? “우주는 끝이 있는가?”가 아닐까? 인간의 지식범주는 유한에 익숙하다. 무한이라는 개념은 그저 추상적으로만 다가올 뿐이다. 스피노자는 “영원의 관점에서 사물을 생각하는 한 마음은 영원하다”는 말을 남겼다. 유한과 무한의 개념 역시 우리 마음 안에 있다는 의미로 받아들인다.

“이 우주라는 시공간이 시작된 것이 약 138억 년 전이라는 계산서는 이미 나와 있다. 얼마 전까지만 해도 137억 년이라 했지만, 유럽우주국이 우주 탄생의 기원을 찾기 위해 미항공우주국(NASA)등과 협력해 2009년에 발사한 초정밀 플랑크 우주망원경의 관측 자료를 토대로 계산한 결과, 우주의 나이가 지금까지 알려진 것보다 약 8,000만 년 더 오래된 것으로 분석되어 138억 년으로 약간 상향 조정된 것이다.

밤하늘의 스타들 중에서도 진짜 스타가 있다. 우리 은하에 있는 별들의 수만도 3,000억 개에 이른다. 저자가 소개하는 스타들을 만나보자. 큰개자리의 알파별 시리우스, 거문고자리의 알파별 직녀성(베가), 별이 아닌 성단인 플레이아데스라고 불리는 좀생이별은 비교적 젊은 수백 개의 청백색 별들로 구성된 대표적인 산개성단이다. 지구촌 밤하늘에서 현재 가장 문제적 별인 베텔게우스가 있다. 이 별은 수명이 다되어가기 때문에 ‘조만간’ 초신성으로 폭발할 가능성이 많다. 물론 우주의 시간에서 조만간이란 오늘 내일일 수도 있고, 수천수만 년도 될 수 있다. 그리고 우리 눈과 귀에 익숙한 북두칠성이 있다. 북두칠성을 이루는 7개의 별은 모두 2등 내외의 밝은 별이다. 그래서 예로부터 항해 할 때 길잡이별이 되어 주었다. “그런데 사실 북두칠성은 7개별이 아니라 8개별이다. 북두팔성이라고 불러야 한다. 자루 끝에서 두 번째 별을 자세히 보라. 미자르라는 이름의 별인데. 그 옆에 알코르라는 작은 별 하나가 더 붙어있어 이중성을 이루고 있다. 그러나 두 별은 시선 방향에서 붙어 보일 뿐, 사실은 1.1광년 이상 떨어져 있다.”

이 책의 지은이 이광식은 독특한 이력의 소유자다. 나이 쉰다섯에 “이제부턴 돈벌이 안 한다!”고 결연히 선언한 후, 강화도 산속에 들어가 개인 천문대 하나 지어놓고, 낮에는 텃밭 가꾸며 책 읽고, 밤에는 망원경으로 별을 보며 사는 사람이다. 원래 전공인 문과의 성향을 담은 『우리 옛시조 여행』 외에 재미가 포함된 융합형 천문학이야기로 채워진 『별 아저씨의 별난 우주 이야기』외에 여러 권의 저술이 있다.

“별들 사이의 아득한 거리에는 신의 배려가 깃들어 있는 것 같다.” _칼 세이건의 말이다. 맞는 말이다. 별들이 서로 인접해있다면, 허구한 날 별들의 전쟁이 끊이지 않을 것이다. 태양이나 달까지의 거리를 측정하려는 시도는 고대 그리스 시대부터 행해져왔지만, 하늘의 단위와 지상의 단위를 결부시키는 것은 쉬운 일이 아니었다. 천문학자들은 먼저 지구의 크기와 달과 태양까지의 거리를 구한 다음, 그것들을 기초 삼아 가까운 별에서 더 먼 천체까지 차례로 거리를 측정하는 과정을 밟아왔다. 이런 식으로 단계별로 척도를 늘려나가는 측량 방식을 ‘우주거리 사다리’라고 한다. 그런가하면 작대기 하나로 지구의 크기를 잰 사람이 있다. 그는 역사상 최초로 천체의 크기를 잰 그리스의 천문학자이자 수학자인 에라토스테네스(기원전 273경~기원전 192경)였다. 그가 잰 천체는 물론 지구였다. 에라토스테네스는 터무니없이 간단한 방법으로 인류 최초로 지구 크기를 쟀다. 참값에 비해 10% 오차밖에 나지 않았다. 그가 이용한 방법은 작대기 하나를 땅에 꽂는 거였다. 이른바 해의 그림자를 이용한 측정법이었다.

이 책엔 이와 같은 이야기들이 수두룩하다. 우주를 알아가는 데 있어 특히 중요한 토픽 27개를 골라서 나름대로 재미있고 이해하기 쉽게 쓰였다. 책 제목을 『잠 안 오는 밤에 읽는 우주토픽』이라 붙인 것은, 읽으면 잠이 잘 오는 책이란 뜻이 아니라 잠 안 올 때 부담 없이 읽을 수 있는 우주 이야기란 뜻이라고 한다.

[100자평] 멈출 수 없는 사람들

멈출 수 없는 사람들 - 강박에 사로잡힌 마음과 행동 그리고 뇌 이야기
데이비드 애덤 지음, 홍경탁 옮김 / 반니 / 2016년 4월

지은이 자신의 경험을 비추어 볼 때, 자신의 강박 장애 원인을 명확하게 찾아내지 못하겠다고 고백한다. 아마도 개인의 기질적인 면과 복합적인 생각들의 혼합 또는 그 당시에는 트라우마라고 생각하지 못했던 여러 상처들이 뒤섞여서 강박이라는 장애가 만들어지지 않았을까? 라는 조심스러운 생각을 보태본다.

[북 리뷰] 멈출 수 없는 사람들

멈출 수 없는 사람들 - 강박에 사로잡힌 마음과 행동 그리고 뇌 이야기
데이비드 애덤 지음, 홍경탁 옮김 / 반니 / 2016년 4월

【 멈출 수 없는 사람들 】  - 강박에 사로잡힌 마음과 행동 그리고 뇌 이야기

_데이비드 애덤 (지은이) | 홍경탁 (옮긴이) | 반니

원제 : The Man Who Couldn't Stop: OCD and the True Story of a Life Lost in Thought

책의 첫 장을 열면 에티오피아의 비라 라는 이름을 가진 여학생의 이야기로 시작된다. 비라는 자기 집 벽을 먹었다. 벽을 먹어 치우지 않으면 도저히 벽 생각에서 벗어날 수가 없어서 그랬다고 한다. 벽에 대한 불안은 벽을 먹어야 한다는 기이하고 참을 수 없는 충동에 따른 것이었다. 그렇게 비라는 벽을 먹기 시작했고, 몇 년이 지났다. 17세까지 비라는 8제곱미터의 벽을 먹어치웠다. 그건 벽돌 0.5톤보다 많은 양이었다. 비라의 아버지는 그녀가 어렸을 때 죽었고, 어머니 혼자 그녀를 키웠다. 비라의 기억으로는 아주 어렸을 때부터 진흙을 먹었다. 그녀는 10대가 되면서 증세가 더욱 심해져, 자기 집 벽만 먹기 시작했다. 몸이 온전할 리가 없다. 진흙 때문에 변비에 걸렸고 복통이 심했다. 급기야 몸이 감당하기 힘든 심각한 상황까지 와서야 비라는 울면서 병원을 찾았다. 당시 에티오피아의 인구는 7천만 명이었지만 정신과 의사는 여덟 명이었다. 운 좋게도 비라는 그 여덟 명 가운데 한 의사를 만날 수 있었다.

비라의 경우는 좀 특이한 사례라고 할 수 있지만, 많은 사람들이 정도의 차이만 있을 뿐 강박증, 강박 장애에 시달리며 일상을 살아가고 있을 것이라고 생각한다. 이따금, 밑도 끝도 없이 일어나는 생각들이 있다. 두서없이, 제멋대로 나타났다 사라지곤 한다. 다행히 자신이 앉았던 자리라고 의자까지 들고 일어나지 않듯이 그 생각들을 털어버리며 제정신을 찾는 경우가 대부분이다. 그러나 그 사라지지 않는 생각들이 반복해서 행동으로 이어지면 문제다. 아주 큰 문제다. 그 기이한 생각을 떨쳐내지 못하면 불행해지거나 마음의 병이 자리 잡게 된다.

화학공학 박사이자 최고의 과학저널 〈네이처〉의 필자이자 편집자인 이 책의 지은이 데이비드 애덤은 자신이 강박장애를 겪었던 이야기를 먼저 털어놓는다. 심지어는 이 책을 쓰기 시작했을 때 불안장애까지 있었다고 한다. 그리고 여전히 강박 장애가 남아 있다는 것이다. 아마도 이러한 자신의 불유쾌한 경험처럼 강박장애를 갖고 있는 사람, 또는 그 경계에서 혼란스런 삶을 살아가고 있는 사람들을 생각하며 이 책을 썼으리라 짐작된다. 2013년 미국정신의학협회(APA)는 공식적으로 강박 장애를 기존과는 별개의 정신질환으로 재분류했다. 강박 장애 영역과 자폐증 영역에 대한 개념의 변화와 함께 미국정신의학협회의 재분류는 전통적으로 별개의 질환으로 간주했던 정신질환 사이에 연관성을 구축하는 중요한 과정의 시작이라고 볼 수 있다.

강박 장애라는 말을 들으면 사람들은 흔히 지나치게 꼼꼼한 성격이나 강박 인격 장애를 떠올린다. 잘 개어 놓은 수건이나 책 따위가 선반 위에 종류, 크기 혹은 알파벳 순서대로 잘 정리된 모습을 연상하게 된다. 이 정도면 그래도 애교로 봐줄만하다(같이 사는 사람이나 주변 사람들에겐 엄청 피곤한 일이겠지만..). 오죽하면 2011년 9월 런던 셀프리지스 백화점에선 이른바 ‘강박 장애 도마’를 판매하기도 했다. 가로세로로 줄이 그어져 있는 것은 물론, 각도까지 잴 수 있게 완벽한 크기와 비율로 눈금까지 있었다.

강박 장애 또는 강박 인격 장애가 잘 치료되지 못하는 이유가 있다. 강박 장애가 있는 사람들이 대부분 강박적 생각에 대해 말하기를 꺼린다는 사실이다. 물론 이해가 되는 부분이다. (강박 장애를 갖고 있는)그 사람들에겐 지극히 평범한 일상이라는 생각이 지배적일 것이다. 이 때문에 중증 강박 장애이면서도 오진을 받거나 진단조차 받지 못하기도 한다. 또 다른 이유는 강박 장애가 다른 정신적인 장애에 가려질 수 있다는 점이다. 많은 경우 강박 장애는 우울증과 불안, 식이 장애 등과 함께 나타난다.

지은이는 이 책을 통해 강박 장애의 여러 가지 원인들을 설명해준다. 아울러 강박 장애에 대한 매우 다양한 사례들(안타깝고 가슴 아픈 사연들이 많다)을 제시해준다. 원인이 분명하다고 인정되는 사례도 있다, 그러나 지은이 자신의 경험을 비추어 볼 때, 자신의 강박 장애 원인을 명확하게 찾아내지 못하겠다고 고백한다. 아마도 개인의 기질적인 면과 복합적인 생각들의 혼합 또는 그 당시에는 트라우마라고 생각하지 못했던 여러 상처들이 뒤섞여서 강박이라는 장애가 만들어지지 않았을까? 라는 조심스러운 생각을 보태본다.

지은이는 이렇게 책을 마무리 한다. “이 책이 자신을 치유해주는 것은 아니다. 하지만 도움이 된다면, 이 책에서 제기한 문제에 직접적인 영향을 받은 사람과 소통할 수 있다면, 주변 사람이 이해하는 데 도움이 된다면, 다른 사람이 이 문제에 관심의 눈을 뜨게 할 수만 있어도 나는 기쁠 것이다. 좋은 일은 두렵고 비참했던 경험에서 올 것이다. 내 이상한 생각도 마침내 어떤 의미가 생길 것이다.”