볼츠만의 원자

데이비드린들리

케임브리지대학교와시카고근교페르미국립가속연구소에서이론천문물리학자로활동하다가글을쓰기시작했다.'네이처','사이언스','사이언스뉴스'의편집자로활동했으며아이라플래토가진행하는라디오프로그램'과학같은것SoundsLikeScience'의퀴즈파트의장기출제자역할도했다.'워싱턴포스트','뉴욕타임스','계간윌슨','뉴사이언티스트','런던서평'에글을게재하기도했다.현재미국버지니아주알렉산드리아에서살고있다.저서로'물리학의종말TheEndofPhysics','켈빈온도DegreesKelvin','볼츠만의원자Boltzmann’sAtom','이상한세상은어디로갈것인가'등이있다.

서문
제1장봄베이에서온편지:어둠에서의배움
제2장보이지않는세상:우리가열이라고부르는운동
제3장빈의볼츠만박사:조숙했던천재
제4장비가역적변화:엔트로피의수수께끼
제5장"적응을못하시겠군요":위협적인프로이센사람들
제6장영국의참여:성직자,법률가,물리학자
제7장"엄청난실수를대단한발견으로여기기는쉽다
:물리학을유혹하는철학
제8장미국의혁신:세계와아이디어
제9장새로움의충격:원자세기의도래
제10장천국의베토벤:영혼의그림자
제11장기적의해,운명의해:아인슈타인의비상과추락하는사람

후기
감사의글
참고문헌과주석
평형열역학:에너지와엔트로피-이덕환교수
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※승산북카페"이책의포럼"☞atom.seungsan.com

우리가다음세대에물려줄과학지식이단한문장밖에살아남지않는다면,그것은‘원자가설’이될것이다.
-리처드P.파인만『파인만의여섯가지물리이야기』

랜덤하우스선정20세기100대논픽션중물리학책으로는유일하게선정된『파인만의여섯가지물리이야기(물리학강의Ⅰ에서발췌)』에서리처드파인만은과학의중요성을강조하는대목에서후손에게남겨주어야할과학지식중가장최고의것으로‘원자가설’을꼽았다.뉴턴의만유인력의법칙이나아인슈타인의상대성이론도아닌‘원자가설’의중요성을피력한자신의말을증명이라도하듯『TheFeynman'sLecturesonPhysicsⅠ』의첫강의는‘움직이는원자(AtomsinMotion)’로시작된다.이는존그리빈이‘우리가다음세대에남겨줄책을단한권만골라야한다면바로『파인만의여섯가지물리이야기』를택하겠다’는말과묘한조화를이룬다.

약2400년전경에고대그리스의시인인루크레티우스의시속에서도등장하는원자의개념은19세기까지만하더라도증명되지않은‘말도안되는’주장에불과했다.당시의물리학은경험적이고실증적인측면만을강조했기때문에눈에보이지않는원자가열의개념을설명해줄것이라는생각은극소수의사람들만이갖고있었거나,어렴풋이짐작했지만증명될수없는그런상상에불과한것이었다.

데이비드린들리의『볼츠만의원자』는열역학제2법칙에서소개되는엔트로피의물리학적인의미를규명했던볼츠만의일생을소개한것이다.이렇게당시에는말도안되는주장을피력했던볼츠만의생애와업적을담고있는이책은훌륭한과학자의일반적인전기가아니다.오히려볼츠만의일생을통해서과학적개념과원리가어떻게정립되는가를자세하게보여주고있다는점에서“과학이론”의전기라고해야할것이다.미지의세계를탐험하는과학자들이어떤환경에서,어떠한과정을거쳐서과학적개념과원리를찾아내게되는가를이책보다더이상자세하게보여줄필요는없다.특히,과학적원리가완성되어가는과정에서대수롭지않게여겼거나,너무어려워서포기해버렸던문제들이훗날어떻게발전했는가를자세하게설명해주고있다는점에서『볼츠만의원자』는현대과학의흐름을이해하는데에큰도움이될것이다.

아인슈타인볼츠만에게빚을갚다.

1905년은물리학에있어기적의해였다.최고의천재아인슈타인이26세의젊은나이로현대물리학의기틀이되는이론네가지를정립했기때문이다.마지막두편의논문은오늘날아인슈타인의이름이붙여진가장유명한이론인특수상대성이론에대한것이었다.논란의여지가있기는하지만,처음두편의논문은더혁신적인것이었다.아인슈타인은그중한편의논문에서5년전에막스플랑크에의한복사스펙트럼의설명에담긴의미를명백하게밝혀냈고,당시의플랑크는모르고있었지만오늘날광자(光子)라고부르게된빛의양자입자에대한물리학적존재를정립했다.

다른한편의논문에서는백년에가깝도록과학자들에게수수께끼로남아있었던현상을설명하면서거의직접적으로원자의존재를증명했다.첫번째논문에서는볼츠만이수십년전에개발했던방법을그대로사용했고,두번째논문에서는볼츠만의평생에걸친원자에대한확신이분명한근거를가지고있다는사실을증명했다.그러니까아인슈타인은볼츠만에게빚을진후에즉시그빚을되갚았던셈이었다.

앞세대의과학자들처럼선입견에사로잡히지않았던아인슈타인은통계학과확률을사용한볼츠만의이론을주저없이받아들였다.천재는천재를알아본것일까.볼츠만의이론은아인슈타인의이론적토대가되었으며,아인슈타인은이에보답이라도하듯수없이공격받았던볼츠만의이론이옳은것이라는명확한증명을해보였다.

“나는원자가존재한다는사실을믿지않습니다.”

1897년1월빈에서개최된왕립과학원학술회의에서물리학자이자존경받는철학자인에른스트마흐는원자론을주장하는볼츠만의앞에서이렇게당당하게자신의의견을피력했다.

오늘날에는자연의기본법칙을이해하려고노력하는이론물리학자들이우리의일상생활과동떨어진난해한개념이나대상에대해서연구하는것이신기하기는커녕당연한일로여겨진다.그러나19세기후반의과학자들은공기중에서전달되는음파,가열에의해서일어나는기체의팽창,증기기관에서열이동력으로변환되는과정처럼직접관찰할수있는현상을측정해서명백하게만드는것이자신들에게주어진기본적인임무라고생각했다.당시의과학은실증적인것을중시하는풍토로조성되었다.눈으로직접확인하지못하는것은이론이나증명이될수없었다.과학법칙이란직접관찰된현상들사이의관계를밝히는것이라고정의되었다.볼츠만이주장했던원자의존재는당시의기술로서는실제로확인이불가능했다는것은말할필요도없을것이다.

당시에는원자나분자가존재한다고믿지않고도과학자가될수가있었다.당시의화학자들은원자나분자를편리하기는하지만추상적인설명을위해서필요한개념으로여겼고,물질을그렇게분할함으로써화학반응을설명하기위한장부정리에도움이될정도의개념이라고믿었다.수소와산소가2대1의비율로결합해서물이만들어진다는사실은널리알려져있었지만,그런사실이반드시두조각의수소가한조각의산소와결합한다는사실을뜻하는것은아니었다.19세기말이가까워질때까지도화학에서는원자의존재에대한믿음은반드시필요한것은아니었다.많은화학자들은그런개념이너무추상적이라고여겨서큰관심을갖지도않았다.

오스트리아태생으로시골뜨기에가까운사람이었던19세기의물리학자루드비히볼츠만은오랫동안몸담았던독일대학교의고급문화에쉽게적응하지못했다.더욱이볼츠만은과학자들이무작위적으로움직이는원자들의움직임을확률론적으로설명할수있다는주장으로논란을일으켜더큰어려움에처해버렸다.통계이론이라는새로운해석법을근거로했던그의주장은쉽게인정받지못했다.과학자이면서과학편집자인데이비드린들리에의하면“과학법칙이란절대적인확실성과예외없는규칙으로구성되어야만한다고믿고있었던당시의물리학자들에게그의주장은매우난처한것이었다.”

당시영향력이있던물리학자이며철학자였으면서고전적인열역학에집착했던에른스트마흐의반대에직면했던볼츠만은동료들에게원자들의움직임을노름판에서나적용되는것으로알고있었던법칙으로설명할수있다는사실을설득시켜야만한다는강박관념을갖게되었다.“이론이성공적이라는사실이그이론에사용된가정들이모두진실임을증명하는것은아니다”라는마흐의반대가전혀엉터리는아니었다.볼츠만의직관을완벽하게증명한것은알베르트아인슈타인을비롯한다음세대의물리학자들이었다.마흐의물리학에대한기여와는달리볼츠만의성과는양자역학과기체원자의속도분포를나타내는맥스웰-볼츠만분포로살아남게되었다.

도서출판승산에서7개월만에단행본으로선보이는『볼츠만의원자』는19세기를비극적으로살다간잊혀진천재루트비히볼츠만의생애를다룬책이다.그러나이책이단순히이론물리학자의일생만을담고있는것은아니다.볼츠만이라는사람이정립했던‘원자가설’은현재를살고있는우리에게는너무나당연시되는이론으로자리잡았다.그러나이가설이정설로자리잡기까지의과정은우리의상상을초월하는것그이상의험난함이존재했다.

중.고등학교교과서에서도거론되는19세기고전물리학자들의생애와이론을다룬책은흔한것이아니다.그리고열의개념에대한새로운인식을정립시켜준볼츠만의생애는그의과학사적위치와는동떨어지게잘알려지지않았다.과학사의통사에만잠깐씩언급되었을뿐이다.

과학출판시장이점차확대되어가고있는지금지구촌의최신이론을독자들에게알려주는것은과학출판의당연한의무가될것이다.그러나최신이론을알리기에앞서우리가알아두어야할것은그러한이론들의기저에자리하고있는개념이다.개념의이해없이는아무것도존재할수없다.과학적이론의토대는수많은기초증명과논리이기때문이다.

『볼츠만의원자』는이제껏다뤄진적없었던잊혀진천재볼츠만의생애를통해,19세기고전물리학자들의치열한싸움과더불어과학이론의정립까지얼마나많은논의와논쟁과토론이뒤따라야하는지,진실을말하는것이때로는고독한싸움이될수도있다는과학계의현실을생생히전달할것이다.

“행운은그에게마음의평화를허락하지않았다”
-프란츠엑스너

천동설의세계관에부딪쳐지동설의주장을접어야만했던갈릴레오갈릴레이의“그래도지구는돈다”라는말을모르는사람은없을것이다.당시의그의주장은기독교적세계관이팽배했던보수주의적시대의신념과사상을거스르는것으로그는큰힘에굴복하여자신의주장을잠시꺽었을지언정,그의주장은거짓이아니었다.그리고외롭게자신의견해를피력했던과학자의인생은갈릴레오갈릴레이의것만은아니었다.

어린시절부터남다른영특함을보였던것이아니라,온전히자신의신념과노력으로천재의자리에오를수있었던볼츠만의생애또한그러했다.그의인생은원자가설을위해대부분보내졌으며,괴팍한성격의그는‘원자가설’이라는모든이들에게배척당하는주장때문에매도당하거나쓸쓸한인생을보내야만했다.물론그의왕성한연구활동은그를오스트리아의존경받는물리학자의지위에까지오르게하였지만,그는앞서말했듯공개된석상에서언제나비난받거나반박에부딪혀야만했다.

그의끊임없는신경쇠약은그가당면해야했던이러한현실과무관하지않을것이다.가족들과단란한시간을보내다가다른사람들이잠시자리를비운시간,호텔의창가에서목을매어생애를마감했던볼츠만.그의죽음을많은이들이애도하였으나,실제장례식에참석한과학자는단둘뿐이었다.

과학자로서살아왔던생애전부를원자가설에쏟아왔지만그의생전에는인정받을수없었던비운의천재.볼츠만의드라마틱한삶과더불어현대물리학의이론의정립과정을『볼츠만의원자』를통해만나볼수있을것이다.