강력의 탄생

들어가며

1장 여정의 시작
4대에 걸친 물리학자 집안 / 엑스선의 발견 / 불온한 원자 / 방사선의 발견 / 마리아 스크워도프스카 / 피에르 퀴리와의 만남 / 한발 늦게 발견한 토륨 / 폴로늄의 발견 / 라듐의 발견 / 노벨상을 받다 / 피에르의 죽음 / 두 번째 노벨상

2장 원자 속으로
캐번디시 연구소 / 맥길로 간 러더퍼드 / 프레더릭 소디 / 맨체스터 대학으로 / 한스 가이거와 알파입자 / 원자핵의 발견 / 원자 속으로 들어가는 길

3장 물리학자, 하늘을 보다
공기는 전기를 띠고 있다 / 테오도르 불프와 알베르트 고켈 / 프란츠 엑스너와 빈 라듐 연구소 / 빅토르 헤스 / 1912년 8월 7일 / 베르너 콜회르스터의 검증 / 밀리컨이 인정한 우주선 / 잊혀진 물리학자, 도메니코 파치니 / 밀리컨과 플레처

4장 안개 상자
고독한 물리학자 / 안개 상자 / 안개 상자와 자기장 / 발터 보테 / 동시 방법 / 우주선의 위도 효과 / 브루노 로시 / 우주선의 동서 효과

5장 디랙의 바다
조용한 물리학자 / 카피차 클럽 / 양자역학의 탄생 / 디랙 방정식 / 디랙의 바다 / 첫 번째 예언

6장 기적의 해
스코벨친이 찾아낸 궤적 / 칼 데이비드 앤더슨 / 양전자를 발견하다 / 패트릭 블래킷 / 주세페 오키알리니 / 쌍생성의 발견 / 진공의 참모습

7장 중성자의 발견
제임스 채드윅 / 러더퍼드를 만나다 / 베타선의 이상한 에너지 분포 / 제1차 세계 대전 / 원자량과 원자번호 / 중성자의 발견 / 핵물리학의 시작 / 거인의 죽음

8장 강력을 찾아서
일본 물리학의 시작 / 나가오카 한타로 / 니시나 요시오 / 코펜하겐 정신 / 클라인-니시나 공식 / 일본으로 돌아온 니시나 / 니시나 선생 / 위기의 에너지 보존 법칙 / 파울리, 중성미자를 제안하다 / 페르미의 베타 붕괴 이론 / 강력을 찾아서

9장 강력의 탄생
양자장론, 고전물리학과 영원한 결별 / 게이지 이론과 양자전기역학 / 교토 사람 유카와 히데키 / 하이젠베르크의 원자핵 모형 / 에토레 마요라나 / 강력을 향한 발걸음 / 새로운 입자가 필요하다 / 강력의 탄생

10장 혼돈을 헤치고
전자보다 무겁지만 양성자보다 가벼운 / 새로운 입자 메조트론 / 반갑지 않은 새로운 입자 / 메조트론은 유카와 입자인가 / 유카와의 메존 / 독일 물리학의 몰락 / 전쟁과 물리학자 / 메조트론의 붕괴 / 망명객 로시 / 비아 파니스페르나의 아이들 / 세 명의 이탈리아인이 찍은 마침표

11장 예언의 적중
마리에타 블라우 / 새로운 검출기, 감광유제 / 나치에 막힌 연구의 꿈 / 세실 파월 / 향상된 감광유제 / 새로운 발견의 전조 / 파이온의 발견 / 셸터 아일랜드 학회 / 두 개의 메존 / 완벽한 증거 / 전하가 없는 파이온 / 뮤온과 파이온

나가며
참고문헌
찾아보기

마리는 우선 U-선이 나오는 우라늄부터 살폈다. 그리고 그녀는 우라늄에 관해 무척 중요한 사실 하나를 알아냈다. 우라늄염은 우라늄이 어떤 원소와 결합하느냐에 따라 화학적 성질과 물리적 특성이 무척 달랐다. …… 그런데 U-선의 세기는 오직 우라늄이 해당 물질에 얼마나 많이 들어 있는지에만 의존했다. 이 사실은 우라늄에서 나오는 U-선은 오직 우라늄과 관련이 있지, 우라늄의 물리적 또는 화학적 성질과 상관이 없다는 것을 의미했다. 이 발견은 매우 중요했다. U-선은 우라늄이 들어 있는 화합물의 특성이 아니라 우라늄 원자와 관련된 현상이었던 것이다. …… 베크렐은 단지 U-선의 존재를 발견했을 뿐이지만, 마리는 U-선의 의미를 꿰뚫어 봤다.

처음에는 아무 전하도 없는데, 양전자만 달랑 생겨날 수는 없는 법이다. 처음이나 나중이나 전하는 늘 같아야 한다. 아무것도 없는 데서 양전자가 생겼다면, 전하가 반대인 전자도 반드시 생겨나야 했다. (…) 전자와 양전자가 같이 생겨나는 현상인 쌍생성은 디랙 자신이 세운 바다 이론에서 이미 설명했다. 그러니까 채드윅, 블래킷, 오키알리니는 디랙의 바다에서 튀어 올라 뭍으로 나온 전자와 그 빈자리에 남은 양전자를 동시에 본 것이었다. 전자가 떠나면서 남은 자리, 그게 양전자였다. 앤더슨이 관찰했던, 납판을 통과해 위로 올라와 자기장에 의해 휘던 입자는 쌍생성으로 생겨난 양전자였다.
디랙이 자신의 방정식에서 나오는 이상한 해를 변명하려고 고안한 ‘디랙의 바다’는 옳았다. 정말로 아무것도 없는 곳에서, 아니 좀 더 정확하게 말하면, 전자의 질량보다 에너지가 두 배 이상인 감마선이 물질을 통과하면, 그 에너지가 입자로 바뀌면서 전자와 양전자가 생겨난다. 디랙이 예언한 그대로였다. 이것은 인류 역사상 처음으로 이론으로 먼저 입자의 존재를 예측하고, 실험으로 그 존재를 확인한 사건이었다.

채드윅이 중성자를 발견한 1932년은 핵물리학이라는 학문이 시작된 해라고 할 수 있다. 말하자면, 중성자의 발견은 핵물학을 기원전과 기원후로 나누는 것과 다름없었다. 러더퍼드가 문을 연 핵물리학은 채드윅 덕분에 동력을 얻었다. 중성자는 질량은 양성자와 같지만 전하가 없으니, 핵 주위를 돌고 있는 전자의 영향을 거의 받지 않았고, 핵의 전기적 장벽이 진로를 가로막지도 않았다. 이런 놀라운 투과력은 핵을 조사하는 새로운 도구가 될 수 있었다. 핵물리학은 이제 막 싹트기 시작한 학문이었다. 핵은 오직 두 가지, 양성자와 중성자만으로 이루어져 있다. 그러나 양성자와 중성자가 어떻게 핵을 이루는지, 중성자는 도대체 무엇인지, 오히려 답해야 할 질문이 한층 늘어난 셈이었다.