고전물리학의 세계관이 설명할 수 없는 자리에 들어선
‘새로운 과학’은 인류의 역사를 어떻게 바꿔놓았는가?
‘세계를 발견하는 과학’과 ‘과학이 바꿔놓은 세상’,
그사이에서 빚어진 위대한 물리학의 명장면들을 포착하다!

20세기 초까지 물리학자들은 수백 년 전의 기하학이 그랬던 것처럼 물리학 역시 완성에 가까워질 것이라고 생각했다. 1899년, 미국 물리학자이자 노벨물리학상 수상자이기도 한 앨버트 마이컬슨은 “물리학의 중요한 기본 법칙과 사실들은 모두 발견되었다. 그것은 아주 확고하여 새로운 발견의 추월 가능성은 매우 낮다. 앞으로 우리가 발견할 수 있는 것들은 소수점 아래 여섯 번째 자리에 있다”라고도 이야기했다. 반면, 고전 전기역학의 창시자인 제임스 맥스웰은 조금 다른 결의 이야기를 했다. “꼼꼼한 측정의 노력에서 얻어야 하는 진정한 보상은 더 큰 정확성이 아니라, 새로운 연구 분야의 발견과 새로운 과학 아이디어의 발달이다.”

17세기 뉴턴의 운동 법칙이나 19세기 맥스웰의 전자기 법칙 등으로 상징되는 고전물리학은 시간과 공간을 관측자와 독립되어 객관적으로 존재하는 절대적인 것으로 상정하고, 인간의 눈에 포착되는 현상 내지 그보다 더 큰 거시적인 현상들을 다루었다. 원인과 결과가 명확한 인과론과 결정론적 관점으로 자연현상을 해석했던 고전물리학은 그때까지 인간이 경험했던 대개의 현상들을 수월히 설명해냈다. 하지만 1890년대에 접어들어 기존의 고전물리학 이론으로는 설명하기 어려운 현상들이 나타나기 시작했다. 마이컬슨은 틀렸고, 맥스웰의 전망이 맞았다.

과학자들은 ‘발견’하는 이들이기도 하지만, ‘해석’하는 이들이기도 하다. 이들은 “무엇이 올바른지 알고자 할 뿐 아니라, 그것이 왜 올바른지도 이해하고자 하는” 사람들이다. 과학이 학문적으로 아름다움을 발할 때는, 진리에 한층 더 가깝게 다가가기 위해 기존의 이론을 폐기하거나 수정하며 한 단계 더 진일보하는 순간일 것이다. 그 순간 과학은 ‘세계를 발견하는 과학’에서 ‘세계를 바꿔놓는 과학’이 되기도 한다. 《불확실성의 시대》는 20세기 과학사를 수놓은 걸출한 과학 지성들이 고전물리학의 한계를 타파하고 ‘상대성이론’과 ‘양자역학’, 두 축으로 대표되는 현대물리학의 빛나는 성취를 일궈가는 순간들을 담아낸 대중과학 논픽션이다. 저널리스트인 토비아스 휘터는 우리가 꼭 기억해야 하는, ‘20세기 위대한 물리학의 명장면’들을 현장감 있는 문장으로 생생하고 입체적으로 담아냈다.

‘새로운 과학’의 토대를 쌓아올린 천재들의 놀라운 발견에서부터
두 차례의 세계 대전이 종식된 반백년의 역사에 대한 상세한 기록.
현대물리학의 태동과 발전을 둘러싼 협력과 경쟁의 드라마!

‘새로운 과학’은 1900년 베를린에서 막스 플랑크로부터 시작되었다. 19세기 물리학자들의 난제 중 하나는 흑체복사곡선을 고전물리학 이론으로 설명하는 것이었다. 그러나 고전물리학의 수단들로는 온도와 색상 스펙트럼의 연관성을 바르게 설명하는 공식을 찾을 수 없었다. 그는 자신이 받아들이기를 거부했던 방법론까지 동원해가며 흑체복사선에 대한 연구를 한 끝에 “에너지가 매우 특정한 수의 유한한 등가성 알갱이로 구성되었다”라고 발표한다. 그가 말했던 이 ‘알갱이’는 곧 양자 개념으로, 플랑크의 양자가설은 이후 아인슈타인의 광양자가설에도 영감을 준다. ‘새로운 과학’은 또 다른 곳에서도 움트고 있었다.
여성 최초의 노벨상 수상자이자 노벨상 2관왕인 마리 퀴리는 20세기 초, 앙리 베크렐이 발견한 우라늄선에 매료되어 이후 방사선에 대한 연구를 이어갔으며, 그 과정에서 우라늄보다 더 강한 방사능을 지닌 물질인 라듐을 분리해내는 데 성공한다. 이로써 훗날 핵물리학으로 발전하게 될 과학의 새로운 영토가 개척되었다.
한편, 연구실과 실험실에서 고군분투했던 과학자들과 달리 생업 전선에 몸을 내맡긴 일상 가운데에서 세상을 놀라게 한 발견을 해낸 인물도 있었다. 그 주인공은 알베르트 아인슈타인이다. 1900년 막스 플랑크의 흑체 문제에 대한 발표를 읽고 난 뒤, 스위스 특허청에서 3등급 심사관으로 일하던 그는 1905년에 빛, 즉 모든 전자기선은 파동이 아니라 일종의 입자인 양자로 구성되었다는 주장을 담은 원고(‘발견적 관점에서 본 빛의 생성에 관하여’)를 발표한다. 그전까지 과학자들은 빛이 파동이라고만 생각했다. 플랑크는 계산을 위한 임시 수단으로 양자 개념을 도입했을 뿐이지만, 아인슈타인은 그의 이론을 발판 삼아 더욱 혁명적으로 사고를 진화시킨 것이다.
이들을 필두로 《불확실성의 시대》에서는 20세기 초중반, 과학의 새로운 영토를 넓혀나간 과학자들―닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, 루이 드브로이, 폴 디랙, 에르빈 슈뢰딩거, 리제 마이트너 등―을 차례로 호명해내어 이들이 기존의 이론을 수용하고, 반박하고, 보완해나가며 현대물리학(그중에서도 특히 양자역학)의 역사를 새롭게 써나가는 모습을 한 편의 드라마처럼 그려낸다. 저자가 선별하여 책에 실은 50여 개의 장면들은 그 자체로 현대물리학사의 계보다.
반백년의 세월에 걸친 드라마 속에서 세기의 과학자들은 서로의 스승이자 제자가 되어 때로는 상대방의 학문적 고뇌에 공감해주고, 때로는 한 치의 양보도 없이 팽팽하고 치열하게 논쟁한다. 이들은 세계대전의 참화 속에서도 서로의 논문을 찾아 읽고, 국경을 넘나들며 서신을 주고받으면서 양자역학이라는 새로운 과학의 토대를 단단히 쌓아나갔다. 특히, 원자 모형과 양자이론을 둘러싼 하이젠베르크와 보어의 대화(‘1922년 괴팅겐-아버지를 찾은 아들’), 상대성이론과 양자이론에 관한 아인슈타인과 하이젠베르크의 대화(‘1926년 베를린-물리학의 신들을 만나다’), 전자와 광자가 주제였던 제5차 솔베이회의에서 이루어진 보어와 아인슈타인 사이의 대논쟁(‘1927년 브뤼셀-대논쟁’)을 재구성한 부분들은 이들의 협력과 갈등을 생생히 보여주는 이 책의 명장면들이다.

빛나는 과학혁명 이면에 드리워진 ‘원자폭탄’이라는 대재앙!
‘세상을 바꾸는 과학’의 찬란한 빛과 짙은 어둠을 묘사해낸 걸작!
과학이 역사를 바꾸기도 하지만, 역사가 과학의 쓰임을 바꾸기도 한다. 《불확실성의 시대》는 경이로운 과학적 발견의 순간들만을 다루지 않는다. 20세기 초반, 유럽 전역을 비롯해 전 세계를 참화로 몰아넣었던 두 차례의 세계대전은 과학자들로 하여금 그들이 가진 지식으로 전쟁에 복무하게 만들었다. 특히 1945년 8월, 일본 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄은 새로운 과학혁명의 바람이 빚어낸 참혹한 재앙의 태풍과도 같았다. 나치즘의 횡포가 극에 달하던 시기, 여성 과학자 리제 마이트너는 나치의 압박을 피해 독일을 떠나 스톡홀름으로 탈출하지만, 자신의 학문적 파트너 오토 한과 편지를 주고받으며 국경을 초월한 연구를 이어나간다. 이들은 우라늄보다 더 무거운 원소를 만들고자 했는데, 오히려 그 과정에서 중성자로 충격을 준 우라늄으로부터 원자 무게가 더 가벼운 바륨을 얻게 된다. 이로써 원자핵이 쪼개지고 분열될 수 있음을 알아냈을 뿐만 아니라 이때 생성되는 에너지가 어마어마하다는 것을 밝혀낸다.
이 발견은 오늘날 원자력 발전을 가능케 한 기본 원리이지만, 당시는 나치즘을 비롯한 군국주의와 연합군이 대립하던 제2차 세계대전의 전황 중이었다. 보어, 아인슈타인 등 연합국 진영의 과학자들은 핵분열 연구 결과가 나치의 손에서 위험하게 쓰일 수도 있음을 경계하며 이를 미국 대통령이었던 루스벨트에게 알렸고, 이윽고 미국의 원자폭탄 개발계획인 ‘맨해튼 프로젝트’가 시작된다. 프로젝트는 성공했으나 폭탄이 투하된 히로시마에서는 8만여 명이 즉사했다. 훗날 아인슈타인은 루스벨트에게 썼던 자신의 편지를 “인생 최대 실수”라고 부를 만큼 후회했다고 한다. 전쟁은 모든 것을 파괴했고, 연합군의 승리는 자명했으나 세계는 불확실해졌다.

1927년 하이젠베르크는 불확정성의 원리를 발표하며 아인슈타인과 슈뢰딩거가 옹호했던 인과성의 법칙을 흔들었다. “‘현재를 정확히 알면, 미래를 계산할 수 있다’는 인과법칙의 명확한 진술에서 틀린 것은 결론이 아니라 전제조건이다. (…) 양자역학을 통해 인과법칙의 무효성이 명확히 입증된다.” “무엇이 올바른지 알고자 할 뿐 아니라, 그것이 왜 올바른지도 이해하고자” 했던 과학자들의 집념 어린 탐구는 역사의 물줄기와 뒤섞이며 그들이 예상하지 못했던 ‘불확실한’ 결과로 가닿았다. 저자가 현대물리학의 가장 눈부신 성과가 이룩되었던 1900~1945년의 시기를 ‘불확실성의 시대’로 명명하는 이유다.
《불확실성의 시대》는 현대물리학의 황금기였던 20세기 전반기에 양자역학, 핵물리학 등의 토대를 쌓아올린 당대 과학자들의 놀라운 발견과 혁명의 순간을 각종 사료들을 토대로 현장감 넘치게 조망해낸 논픽션이다. 과학자들의 편지, 메모, 연구 논문, 일기, 회고록 등을 바탕으로 재구성해낸 생동감 있는 이야기를 읽다 보면 당대 과학 진영이 어떻게 나뉘었는지는 물론이고, 책에서 언급되는 과학 이론들에 대한 배경 지식이 다소 부족하더라도 현대물리학의 계통과 흐름을 쉽고 일목요연하게 조망할 수 있게 될 것이다.

관찰하는 순간 세계가 바뀐다. 세계를 바꾸지 않고는 세계를 관찰할 수 없다. 이런 통찰이 하이젠베르크를 양자역학으로 안내했고, 그것이 그의 딜레마였다. 그는 세계를 연구하고자 했다. 세계를 바꾸는 것은 그에게 중요하지 않았다. 그럼에도 그는 세계를 바꿨고, 그는 손에 든 이 엄청난 이론으로 세계를 바꿀 수밖에 없었다. 그는 나치가 지배하는 독일에서 무관심이 존재하지 않았던 시대에 살았기 때문이다. 다른 물리학자들도 비슷했다. 평화주의자로 알려진 아인슈타인조차 세계 역사에서 벗어나 있을 수 없었다. 그 또한 원자폭탄 제조를 재촉했다. 그는 이것을 나중에 후회했다. 이것이 바로, 마리 퀴리의 손끝 균열에서 히로시마의 원자폭탄까지 이어진 역사의 어두운 면이다. (…) 진짜 역사는 끝나지 않는다. 이 책의 물리학자들은 1945년 이후에도 계속 활동했다. 그러나 그들 가운데 누구도 양자역학이나 상대성이론에 견줄 만한 진보를 더는 이루지 못했다. 그들이 100년 전에 세운 그들의 이론은 오늘날까지 굳건히 서 있고, 우리의 컴퓨터칩과 의료장비 안에 들어 있고, 당시 이런 이론의 해석을 두고 그들이 겨뤘던 논쟁들은 오늘날에도 여전히 중심에 있다. 아인슈타인이 양자역학에 제기한 이의는 오늘날에도 여전히 회의적인 물리학자들에 의해 제기되고 있다. 이 역사는 아직 끝나지 않았다. (<에필로그> 중에서)

추천사

과학은 누가 뭐라 해도 어렵다. 왜 어렵냐고 물으면 안 된다. 그냥 어려운 거다. 특히 물리학은 정말 어렵다. F\u003dma까지는 어떻게 이해할 수 있을 것 같은데 양자가 등장하는 순간 물리학으로부터 멀어지고 싶어진다. 나도 그랬다. 이론이 어려우면 역사를 보게 되는 법. 하지만 과학사 책을 읽는다고 해서 해결되는 게 아니었다. 개별 발견이 토막토막 보이기 때문이다. 이 책을 읽고서 깨달았다. 어려운 걸 이해하려면 진짜 이야기가 필요하다.
어떤 이론도 하늘에서 뚝 떨어지지 않는다. 책에 등장하는 모든 인물은 결국 ‘나는 모른다’에서 시작한다. 그리고 무수히 많은 실패와 경쟁과 협력을 통해 원자를 깨달았다. 20세기 전반의 물리학사가 21세기 전반을 사는 우리에게 던지는 교훈이 무엇일지 곰곰이 생각할 일이다.
진짜 역사는 지금부터다. 잘 꿰어진 꼬리에 꼬리를 무는 양자역학의 역사를 즐기시라.
- 이정모 전 국립과천과학관장

프롤로그

1900년 베를린 - 지푸라기라도 잡는 심정
1903년 파리 - 균열의 시작
1905년 베른 - 특허청 직원
1906년 파리 - 피에르 퀴리의 비극적 죽음
1909년 베를린 - 비행선의 종말
1911년 프라하 - 아인슈타인, 꽃으로 말하다
1911년 케임브리지 - 덴마크의 어린 청년, 어른이 되다
1912년 북대서양 - 무오류성 타이타닉의 침몰
1913년 뮌헨 - 뮌헨에 온 화가
1914년 뮌헨 - 원자와 함께하는 여행
1915년 베를린 - 완벽한 이론, 미숙한 관계
1916년 독일 - 전쟁과 평화
1917년 베를린 - 쓰러진 아인슈타인
1918년 베를린 - 전염병
1919년 카리브해 - 개기일식
1919년 뮌헨 - 플라톤을 읽던 소년
1920년 베를린 - 거장들의 만남
1922년 괴팅겐 - 아버지를 찾은 아들
1923년 뮌헨 - 하이젠베르크, 시험을 뚫고 날아오르다
1923년 코펜하겐 - 보어와 아인슈타인
1924년 코펜하겐 - 마지막 시도
1924년 파리 - 원자를 살린 왕자
1925년 헬골란트 - 넓은 바다와 작은 원자
1925년 케임브리지 - 조용한 천재
1925년 레이덴 - 선지자와 회전하는 전자
1925년 아로자 - 늦바람
1926년 코펜하겐 - 파동과 입자
1926년 베를린 - 물리학의 신들을 만나다
1926년 베를린 - 플랑크의 파티
1926년 괴팅겐 - 현실의 소멸
1926년 뮌헨 - 영역 다툼
1926년 코펜하겐 - 비처럼 쏟아진 예술 조각상
1926년 코펜하겐 - 위험한 놀이
1927년 코펜하겐 - 불확실해진 세계
1927년 코모 - 리허설
1927년 브뤼셀 - 대논쟁
1930년 베를린 - 독일은 꽃을 피우고, 아인슈타인은 아프다
1930년 브뤼셀 - 2라운드, 완패
1931년 취리히 - 파울리의 꿈
1932년 코펜하겐 - 코펜하겐의 파우스트
1933년 베를린 - 떠나는 사람과 남는 사람
1933년 레이덴 - 슬픈 결말
1935년 옥스퍼드 - 존재하지 않는 고양이
1935년 프린스턴 - 다시 명확해진 아인슈타인의 세계
1936년 가르미슈 - 지저분한 눈
1937년 모스크바 - 다른 한편에서는
1938년 베를린 - 분열하는 핵
1939년 대서양 - 충격적 소식
1941년 코펜하겐 - 서먹해진 관계
1942년 베를린 - 히틀러를 위한 폭탄은 없다
1943년 스톡홀름 - 탈출
1943년 프린스턴 - 약해진 아인슈타인
1945년 영국 - 폭발의 힘

에필로그