배타원리와스핀이만들어낸진짜양자역학,
네개의숫자로원자의구조를밝히다
배타원리,스핀,그리고진짜양자역학
“신은세계를창조하기전에배타원리부터만들어야했다.”
-프리먼다이슨
세상모든원소의구조와성질을하나의표로정리한것이주기율표다.그래서과학을배우는중고등학생이면누구나한번쯤주기율표의원소들을나름의규칙에따라외우곤한다.‘수리나칼루세프,벨마카스바라…’어떤원소가상온에서기체이고어떤원소가액체인지,어떤원자의반지름이더큰지더작은지도이표를...
배타원리와스핀이만들어낸진짜양자역학,
네개의숫자로원자의구조를밝히다
배타원리,스핀,그리고진짜양자역학
“신은세계를창조하기전에배타원리부터만들어야했다.”
-프리먼다이슨
세상모든원소의구조와성질을하나의표로정리한것이주기율표다.그래서과학을배우는중고등학생이면누구나한번쯤주기율표의원소들을나름의규칙에따라외우곤한다.‘수리나칼루세프,벨마카스바라…’어떤원소가상온에서기체이고어떤원소가액체인지,어떤원자의반지름이더큰지더작은지도이표를통해알수있다.많은과학자들과기술자들이이표를활용하고연구하는까닭이기도하다.
그러면이표는어떻게만들어진걸까?왜원자번호순으로쭉나열하지않고,주기와족을나눠서2,8,…개씩으로구분하는걸까?왜주기율표의맨왼쪽과오른쪽위는그렇게뿔처럼두개의원소만솟은걸까?
이런주기율표의모양과원소의배열순서를근본에서결정하는것이바로배타원리다.또한원자가인력에의해폭발하지않을수있는것,그래서결국물질이안정적으로존재할수있는것자체가바로배타원리덕분이다.우리는배타원리때문에꺼지지않는마룻바닥을딛고안전하게걸을수있다.마룻바닥만이아니다.배타원리가없다면항성들은모두중력에의해곧블랙홀이되고말것이다.이렇게배타원리는우주에존재하는모든원자의구조를그려낼수있는유일하고결정적인원리다
배타원리는20세기전반에활동했던오스트리아출신의물리학자볼프강파울리가발견했다.이책은볼프강파울리를주인공으로배타원리의탄생과정과배타원리의물리적토대가되는스핀의발견과정을한편의드라마처럼보여준다.
20세기초반은닐스보어,알베르트아인슈타인,베르너하이젠베르크,폴디랙,아르놀트슈뢰딩거,볼프강파울리등현대물리학에자신들의이름을수놓은천재들이자신들의재기를뽐내던시기였다.이들이겪었던돈독한우정과날카로운경쟁,어이없는독선과외골수의아집,놀라운성과와안타까운좌절이이책에는함께담겨있다.도저히따라할수없을것같은놀라운직관을가진뛰어난천재들로우리를압도하지만이들중에는본받고싶은스승의모습도있고,함께어울리고싶은친구의모습도있고,시대적압박에괴로워하던시민의모습도있다.물론일자리를찾지못해힘들어하다가,어렵게찾은직장에기뻐하는모습도있다.천재이면서동시에세상에던져진한개인의모습까지이책에서모두확인할수있다.
파도소리만들리는한적한섬,새벽녘종이위를내달리는연필소리에서양자역학이태어나는과정이생생하게묘사된다.저자는이렇게과학적발견의과정을세심하게따라가면서,과학적탐구의혼란스런모습을있는그대로보여준다.이런묘사들을통해,《LHC,현대물리학의최전선》을통해한국출판문화상을받고,수많은과학칼럼과강연,서평을통해폭넓고두꺼운독자층을보유한이강영교수글쓰기의진면목을다시한번여실히확인할수있다.
‘물리학의양심’,‘신의채찍’이라불렸던,볼프강파울리
이책은배타원리를발견한파울리를주인공으로20세기전반양자역학의발전과정을살펴본다.파울리가어떤사람인지를나타내주는말은많이있다.
그를조수로채용하여함께일했던막스보른은파울리에대해이렇게말했다.
“괴팅겐에서내조수로있었을때부터나는파울리가오직아인슈타인에나비견할만한천재임을알았다.사실그는아인슈타인과는완전히다른유형의사람이라서,아인슈타인처럼위대하게는결코될수없으리라고생각하지만,순전히과학의관점에서라면파울리가아인슈타인보다더위대할지도모른다.”
이런평가도있다.그자신도노벨상을수상했던탁월한물리학자였던에밀리오세그레는자신의책에서,
“어떤물리학자는만능의능력을가지고있고또다른사람은좁은영역이지만전문가인경우도있다.헨드릭로렌츠와같은사람은외교관이나사업이나거의무슨일을해도탁월했을것이다.그러나파울리같은사람은이론물리학말고는무엇을할수있었을까?”
파울리는만18세에상대성이론에관한논문을발표할정도로천재였다.파울리가1900년생이고,아인슈타인이상대성이론을논문으로발표한해가1916년이니논문이나오고불과몇년지나지않아고등학교를갓졸업한학생으로이런연구를발표한것이다.이책에서는20세기초반에서중반까지파울리가물리학자로성장하고연구하는과정을따라가면서20세기초반진짜양자역학이만들어지는과정을생생하게지켜본다.
과학의발전은절대일직선이아니다
“과학의역사를공부하는일이과학을더깊이이해하는데매우유용하다는것은잘알려진일이다.교과서로과학을배운젊은이들은과학이란원래교과서에나와있는것처럼눈부시게합리적이고,교묘하게논리적이고,모든세부가정교하게배치된정밀기계와같은것이라는인상을가지고있기쉽다.그러나과학이발전해온과정은물론전혀그런것이아니다.한발자국을전진하기위해서는오랜시간동안수많은시도가필요하고,지금은당연하게보이는해답한줄을얻기위해서도숱한착오와잘못과헛된노력을들여야한다.
이왕역사의길을따라가는김에나는이책에서물리학의이론적,실험적전개과정뿐아니라,시대와과학자들의주변환경도함께묘사하려고애썼다.읽는이들이구체적인시대적공간적배경속에서과학자들의연구활동을좀더입체적으로볼수있도록하고싶어서,그렇게하면과학자들과그들의연구활동을더가깝게느낄수있지않을까해서다.좀더욕심을부리자면과학자들의연구가어떤전통속에서이루어진것인가를보이고싶었다.결국정말보이고싶었던것은물리학연구의기쁨과아름다움이었던것같다.”
지금은‘스핀’하면파울리나울렌벡,호우트스미트를떠올리지만,정작‘스핀’이라는개념을먼저생각한사람은따로있었다.여러사람들에게이야기하고많은사람들이그이야기를들었지만,정작논문으로정리해서발표하지는않았고,그래서결국‘스핀’발견의영광은결국다른사람들에게돌아가고말았다.불운의주인공은바로랠프크로니히다.과학은바뀔수없는진리를담고있지만,그과정에개입하는수많은사람들은절대로그렇지않다.그들은실수를하고,시기하고질투하고,용서하고인정한다.그러면서하나의주장이과학적진실로자리잡는다.
또한과학의발전에는우연도빼놓을수없다.‘슈테른-게를라흐실험’은스핀이실재한다는것을증명한가장유명한실험이다.많은책에나오는대표적인실험이지만,이실험에는뜻밖에도싸구려담배가조연으로등장한다.아마도담배연기가없었다면진짜양자역학은훨씬더늦게나왔을는지도모른다.
이책은과학적지식만큼이나관련된사람들의활동,사회적분위기를충분히담아내고있다.과학적진실이완성되어가는과정을지켜보는즐거움또한각별하게느낄수있을것이다.
[책속으로추가]
“나는정지상태의에너지와운동량값은궤도라는것보다훨씬더진짜로존재하는것이라고믿습니다.”파울리가편지에서역설한것은,우리가원자세계에대해말할때전자가원자핵주위의궤도를돈다고말하는것은의미가없다는것이었다.전자의궤도란관찰할수도측정할수도없는것이기때문이다.우리는물리
