천재들의 과학노트 3

추천의 글·4
이 시리즈를 펴내며·6
머리말·8

고전물리학계의 큰 스승, 아이작 뉴턴·16
중력법칙과 세 가지 운동법칙｜평범하게만 보이던 어린시절｜케임브리지 대학
기적의 해｜숨겨진 증명｜놀라운 《프린키피아》｜학회 외의 활동｜뉴턴의 죽음
로버트 훅

산업혁명의 불을 댕긴 과학자, 마이클 패러데이·46
전자기 유도 법칙｜가난한 어린 시절｜데이비의 조수｜세계 최초의 전기 모터
높아져 가는 명성｜전자기 연구｜전기화학과 빛｜보통 사람 마이클 패러데이
데이 비가 발견한 환각제

현대물리학의 새로운 장을 연 과학자, 막스 플랑크·78
에너지 양자에 대한 개념｜열역학｜자외선 재앙｜양자 개념｜개인적인 비극
명예로운 물리학자｜가장 선망 받는 상

방사성의 수수께끼를 푼 과학자, 어니스트 러더퍼드·102
원자핵의 발견｜농부의 아들｜흥미로운 분위기｜생산적인 동업자
원자에 대한 설명｜신중한 변화｜방사능의 개척자들｜프리데릭 소디

핵분열 발견으로 물리학의 새 장을 연 과학자, 리제 마이트너·124
원자핵 분열｜교육을 받기 위한 투쟁｜베를린의 지하실｜초우라늄 원소
불가능한 가설｜방사능 낙진｜뒤늦은 인정｜볼츠만의 업적

과학의 오랜 상식을 깨뜨린 선구적인 물리학자, 알베르트 아인슈타인·148
상대성이론｜늦은 시작｜빛의 이중성｜브라운 운동｜모든 것은 상대적이다
더 일반적으로｜통일장이론의 실패｜실패한 실험

양자물리학의 비약적인 발전을 이끈 지식 탐험가, 닐스 보어·174
원자의 양자 역학적 모델｜과학의 명문가｜원자 수수께끼의 해결
대응원리와 상보성원리｜내면 들여다보기｜보어의 유산｜양자 슈퍼스타들

원자의 세계를 들여다본 물리학자, 루이 드브로이·196
파동역학의 기초｜귀족 가문｜문제｜혁명적인 논문｜증명과 토론
새로운 분야의 창시자｜파동이란 무엇인가?

물리학의 전도사, 리처드 파인만·212
양자전자기학 이론의 발전｜천재의 징후｜프린스턴과 전쟁
가장 완벽한 물리학 이론｜화살표와 진폭｜지적으로 고무된 환경
대중적 유산｜폴 디랙

소립자의 상호작용을 밝힌 머레이 겔만·240
소립자의 분류와 그들의 상호작용｜귀여운 천재｜소립자의 분류｜동반자와의 만남
8정도｜쿼크의 제안｜양자색깔역학｜정년퇴직 후의 바쁜 생활｜통일을 위한 투쟁

역자의 말·268

[머리말]

물리학이라는 단어가 생겨나기 전부터 사람들은 자연환경 속에서 살아오면서 자연의 힘을 체득해 왔다. 자연현상은 결코 피하거나 막을 수 있는 대상이 아니었다. 때문에 사람들은 세상이 어떻게 움직이고 있는지 이해하려고 노력해 왔다.
대학에서 역학力學을 가르치기 훨씬 전인 5,000여 년 전부터 사람들은 무거운 물건을 운반할 때 발생하는 마찰력을 줄이기 위해 수레에 바퀴를 달아 사용하는 방법을 생각해냈다. 물건을 던질 때 가장 멀리 보낼 수 있는 각도와 시간을 계산하는 수식을 알지 못했지만 고대인들은 먼 곳에 있는 동물을 사냥할 때 막대 끝에 날카롭고 약간 무거운 돌을 달면 창을 더욱 멀리 던질 수 있다는 사실을 알고 있었다.
화학이 자연의 성분을 밝혀내는 것처럼 물리학은 모든 물체가 어떻게 움직이는지를 설명하는 학문이다. ‘물질과 에너지에 대한 과학적 연구’라고 정의할 수 있는 물리학은 난로 뒤로 달아나는 생쥐부터 목성의 위성에 이르기까지, 우주에 존재하는 모든 물체의 성질과 운동을 지배하는 자연법칙을 이해하려는 학문이다.
과학자들은 종종 20세기의 시작을 기준으로, 물리학을 고전물리학과 현대물리학으로 구분한다. 고전물리학은 운동, 열, 여러 가지 형태의 에너지, 소리, 빛, 물질의 상태, 전기 그리고 자기를 포함하여 관측 가능한 모든 자연현상을 다루고 있다. 일상생활을 하는 동안에 갖게 되는 궁금증들은 고전물리학의 지식을 이용하면 대개 이해할 수 있다. 예를 들어, 역학은 단거리 육상선수가 스타트를 할 때 발판에 발을 올려놓는 것이 어떤 식으로 도움이 되는지 설명해 준다. 물질의 상태에 대해 이해하게 되면 얼음이 왜 물 위에 뜨는지 알 수 있다. 세상을 변화시킨 에어컨이나 진공청소기는 자기학과 전기학의 원리들을 응용한 발명품이다.
이에 비해 현대물리학은 원자핵 붕괴, 물질을 이루는 입자들과 이들의 상호작용 등과 같이 원자보다 작은 세계에서 일어나는 일을 주로 다룬다. 불꽃놀이용 화약을 만드는 기술자들은 현대물리학의 한 분야인 양자물리학에서 설명하고 있는 현상을 이용한다. 특정한 화학물질이 에너지를 흡수하고 방출하는 양을 조절하여 가열되는 시간을 늦춤으로써 화려한 불꽃을 만들어 내는 것이다. 핵잠수함은 입자들이 어떻게 상호작용하는지를 다룬 지식을 응용한 결과물이다. 핵잠수함이 한 번에 일주일 동안이나 계속해서 잠수할 수 있는 것은 산소를 필요로 하지 않는 핵에너지를 사용하기 때문이다. 만약 산소를 이용하여 연소를 해서 에너지를 발생시키려고 한다면, 잠수함 안에 있는 승무원들은 산소 부족으로 그렇게 오랫동안 바닷속을 돌아다닐 수 없을 것이다.
물리학을 연구하는 방법에는 두 가지가 있다. 이 두 가지 다른 방법은 물리학을 발전시키는 데 상호 보완적인 역할을 한다.
실험물리학은 일정한 실험을 통해 결과를 이끌어 내는 반면 이론물리학자들은 자연에서 일어나는 일들을 설명하고 예측하기 위해 수학을 이용한다. 이 두 가지 방법은 각각 장점과 함께 단점을 가지고 있기 때문에 서로 연결되어서 행해져야 한다. 이론물리학은 실험물리학자들이 실험기구나 기술을 적용할 수 없는 분야에 대한 탐구를 가능하게 해 준다. 이론을 통한 예측은 실험결과를 통해 확인할 수 있고, 실험결과는 이론물리학자들이 전개해 나갈 연구의 방향을 제시한다.
물리학은 다른 과학의 기초가 된다. 물리학의 원리들은 생물학, 화학, 천문학, 지구과학의 여러 가지 현상을 설명할 수 있도록 돕는다. 자연법칙은 생물과 무생물을 구별하지 않기 때문이다.
생물물리학은 생명체 안에서 일어나는 현상들을 연구하기 위한 물리학적 토대를 제공한다. 생물물리학자들은 물질의 분자 구조를 연구하여 어떤 파장의 전자기파가 가장 효과적으로 흡수되는지를 알아낸다. 화학물질의 물리적 성질을 연구하는 물리화학자는 두 원자가 결합하는 데 필요한 에너지를 계산한다. 천체물리학자들은 천체의 물리적 성질을 연구한다. 천체물리학자는 분광기를 이용하여 별이 내는 파동을 분석함으로써 별의 구성 성분을 밝혀낸다. 그리고 물리학과 지리학의 결합을 통해, 어떤 과정을 거쳐 지구 표면의 모양을 변화시키는 화산 폭발과 지진이 만들어지는지를 알아낼 수 있게 되었다.
르네상스 기간(1300년~1600년) 동안에 천문학자들은 지식을 중요시하는 문화적 전통을 확장하여 과학이 보다 발전할 수 있는 길을 열어 놓았다. 1543년부터 1700년 사이에 있었던 과학혁명 기간 동안에 과학자들은 과학적 지식을 얻기 위해 잘 정의된 객관적 방법을 적용하기 시작했다. 1700년대 말부터 1800년대 초까지 계속되었던 산업혁명 기간 동안 한 단계 진보한 과학기술은 수많은 과학 발명품들이 쏟아지도록 만든 원동력이 되었다. 이러한 기술의 진보와 새로운 발명들은 지난 2세기 동안 물리학 분야의 폭발적인 발전을 가능하게 했다.
1687년 아이작 뉴턴은 중력법칙을 제안했고, 운동의 3법칙을 확립했다. 그는 또한 여러 가지 빛깔이 혼합되었을 때 흰빛이 만들어진다는 사실을 발견하여 광학 연구의 시발점을 마련하기도 했다. 뉴턴과 같은 영국인이었던 마이클 패러데이는 1831년에 전자기유도 현상을 발견했고, 이를 토대로 현대 전기산업의 기초가 된 세 가지 기기인 전기모터, 발전기, 변압기를 발명했다.
물리학자들은 19세기 말까지는 물리의 모든 기본적인 원리를 밝혀낼 수 있을 것이라고 믿었다. 하지만 독일의 물리학자 막스 플랑크가 양자 개념을 도입함으로써 물리학자들의 생각이 틀렸다는 것을 보여 주었다. 그러나 양자이론의 발전은 물리학의 개혁을 불러왔다.
1903년에 뉴질랜드 출신 물리학자 어니스트 러더퍼드는 화학 원소가 다른 원소로 바뀔 수 있다는 놀라운 사실과 함께 방사성 붕괴 이론을 발표했다. 방사성 붕괴 과정을 자세히 관찰하면서 그는 원자핵을 발견했고, 전자들이 중심에 있는 원자핵 주위를 돌고 있는 새로운 원자모델을 제안했다.
원자핵 물리학 분야의 선구적인 과학자들은 원자핵이 어떤 구조를 띠고 있으며 어떤 물질로 채워져 있는지를 알기 위해 원자핵을 조사했다. 1930년대 말에 나치의 탄압을 피해 베를린을 탈출한 리제 마이트너는 원자핵에 다른 입자를 충돌시키면 원자핵이 두 부분으로 나누어진다는 ‘원자핵 분열’을 발견했다. 미국 정부는 이러한 현상을 이용하여 원자폭탄을 만들 목적으로 리제 마이트너의 도움을 요청했지만, 그녀는 거절했다.
독일 출신의 미국 물리학자 알베르트 아인슈타인도 리제 마이트너와 마찬가지로 말년에는 평화를 증진하기 위해 노력했지만, 그것은 2차 세계대전에서 미국이 승리하기 위해 원자폭탄을 개발해야 한다는 탄원서에 자신의 이름과 명성을 올린 이후의 일이었다.
아인슈타인은 1905년에 여러 편의 놀라운 논문을 발표하여 세계적인 명성을 얻었다. 그중 한 편은 빛이 에너지 알갱이라는 사실을 밝혀낸 것이었다. 빛이 가지고 있는 에너지 알갱이는 후에 광자光子라고 불렸고, 이 연구로 인해 아인슈타인은 노벨상을 받았다. 다른 논문은 액체 속에 떠 있는 작은 입자들의 브라운 운동을 설명하여 분자의 존재를 증명한 것이었다. 같은 해에 그는 에너지와 질량을 E=mc2이라는 식으로 연결하는 특수상대성이론을 발표하여 절대적인 공간과 시간은 존재하지 않는다고 주장했다. 이런 그의 생각은 물리학의 원리들이 새롭게 정립되어야 한다는 사실을 뜻했다. 10년 후인 1915년에 아인슈타인은 중력과 관성이 동등하다는 것을 보여 주는 일반상대성이론을 발표했다.
덴마크의 물리학자 닐스 보어는 전자가 원자핵 주위를 돌고 있는 러더퍼드의 원자모델을 발전시켜 양자 역학적 원자모델을 제안했다. 러더퍼드의 원자모델은 고전물리학으로 설명할 수 없는 여러 가지 문제를 가지고 있었다. 그러나 보어의 원자모델은 이런 문제점을 모두 해결했고, 원자가 발산하는 스펙트럼을 설명하여 양자물리 시대를 여는 안내자 역할을 했다.
고전물리학은 원자 크기나 원자보다 작은 크기의 세계에서 일어나는 많은 현상들을 설명할 수 없었다. 루이 드브로이는 빛이 파동과 입자의 특징을 가지고 있고, 물질 역시 그런 성질을 가지고 있다는 ‘물질의 이중성’을 발견하여 파동역학 분야의 기초를 닦았다. 이처럼 독특한 생각은 상식에 어긋나는 것이었지만, 이로 인해 물리학자들은 고전물리학의 한계를 받아들였고, 나아가 물리학이 보다 발전할 수 있는 전기가 마련되었다.
1940년대 말 당시의 이론들이 빛과 물질의 상호작용을 설명하는 데 실패하고 있을 때 미국의 이론물리학자 리처드 파인만은 물리학의 가장 완전한 이론이라고 평가되고 있는 양자전자기학을 고안했다. 몇 년 후 파인만의 동료였던 뮤레이 겔만은 입자물리학 분야를 새롭게 정리했다. 겔만은 빠른 속도로 발견되고 있던 수백 개가 넘는 새로운 입자들을, 추상적인 수학과 대칭성을 바탕으로 8개씩의 조로 나눌 수 있다는 ‘8정도 모형’을 제안하여 정리했다.
수천 년 동안 자연철학자들은 자연의 비밀을 알 수 있게 되기를 희망하면서 주위의 세상을 관찰해 왔다. 때때로 자연은 마지못해 비밀의 일부를 과학자들에게 보여 주었고, 어떤 때는 자연에 대한 새로운 정보가 넘쳐흐르기도 했다. 그러나 이 책에 수록된 선구적인 물리학자들은 그들 특유의 근면과 집중력으로 자연법칙에 대한 윤곽을 그려 나갔다. 물리학자들은 언젠가 자연을 지배하는 모든 법칙을 밝히게 되기를 바라면서, 자연이 우리에게 보여 주는 모든 것으로부터 자연을 이해하는 데 필요한 자료를 찾아내고 서로 관계있는 정보들을 결합하여 새로운 사실을 밝혀내고 있다.