책

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우리가 다음 세대에 물려줄 과학지식이 단 한 문장밖에 살아남지 않는다면, 그것은 ‘원자가설’이 될 것이다.
-리처드 P. 파인만 『파인만의 여섯가지 물리이야기』

랜덤하우스 선정 20세기 100대 논픽션 중 물리학 책으로는 유일하게 선정된 『파인만의 여섯가지 물리이야기(물리학 강의 Ⅰ에서 발췌)』에서 리처드 파인만은 과학의 중요성을 강조하는 대목에서 후손에게 남겨주어야 할 과학지식 중 가장 최고의 것으로 ‘원자가설’을 꼽았다. 뉴턴의 만유인력의 법칙이나 아인슈타인의 상대성 이론도 아닌 ‘원자가설’의 중요성을 피력한 자신의 말을 증명이라도 하듯 『The Feynman's Lectures on Physics Ⅰ』의 첫 강의는 ‘움직이는 원자(Atoms in Motion)’로 시작된다. 이는 존 그리빈이 ‘우리가 다음 세대에 남겨줄 책을 단 한권만 골라야 한다면 바로『파인만의 여섯가지 물리이야기』를 택하겠다’는 말과 묘한 조화를 이룬다.

약 2400년 전 경에 고대 그리스의 시인인 루크레티우스의 시 속에서도 등장하는 원자의 개념은 19세기까지만 하더라도 증명되지 않은 ‘말도 안되는’ 주장에 불과했다. 당시의 물리학은 경험적이고 실증적인 측면만을 강조했기 때문에 눈에 보이지 않는 원자가 열의 개념을 설명해줄 것이라는 생각은 극소수의 사람들만이 갖고 있었거나, 어렴풋이 짐작했지만 증명될 수 없는 그런 상상에 불과한 것이었다.

데이비드 린들리의 『볼츠만의 원자』는 열역학 제2법칙에서 소개되는 엔트로피의 물리학적인 의미를 규명했던 볼츠만의 일생을 소개한 것이다. 이렇게 당시에는 말도 안되는 주장을 피력했던 볼츠만의 생애와 업적을 담고 있는 이 책은 훌륭한 과학자의 일반적인 전기가 아니다. 오히려 볼츠만의 일생을 통해서 과학적 개념과 원리가 어떻게 정립되는가를 자세하게 보여주고 있다는 점에서 “과학 이론”의 전기라고 해야 할 것이다. 미지의 세계를 탐험하는 과학자들이 어떤 환경에서, 어떠한 과정을 거쳐서 과학적 개념과 원리를 찾아내게 되는가를 이 책보다 더 이상 자세하게 보여줄 필요는 없다. 특히, 과학적 원리가 완성되어 가는 과정에서 대수롭지 않게 여겼거나, 너무 어려워서 포기해버렸던 문제들이 훗날 어떻게 발전했는가를 자세하게 설명해주고 있다는 점에서 『볼츠만의 원자』는 현대 과학의 흐름을 이해하는 데에 큰 도움이 될 것이다.

아인슈타인 볼츠만에게 빚을 갚다.

1905년은 물리학에 있어 기적의 해였다. 최고의 천재 아인슈타인이 26세의 젊은 나이로 현대 물리학의 기틀이 되는 이론 네 가지를 정립했기 때문이다. 마지막 두 편의 논문은 오늘날 아인슈타인의 이름이 붙여진 가장 유명한 이론인 특수 상대성 이론에 대한 것이었다. 논란의 여지가 있기는 하지만, 처음 두 편의 논문은 더 혁신적인 것이었다. 아인슈타인은 그 중 한 편의 논문에서 5년 전에 막스 플랑크에 의한 복사 스펙트럼의 설명에 담긴 의미를 명백하게 밝혀냈고, 당시의 플랑크는 모르고 있었지만 오늘날 광자(光子)라고 부르게 된 빛의 양자 입자에 대한 물리학적 존재를 정립했다.

다른 한 편의 논문에서는 백년에 가깝도록 과학자들에게 수수께끼로 남아있었던 현상을 설명하면서 거의 직접적으로 원자의 존재를 증명했다. 첫 번째 논문에서는 볼츠만이 수십 년 전에 개발했던 방법을 그대로 사용했고, 두 번째 논문에서는 볼츠만의 평생에 걸친 원자에 대한 확신이 분명한 근거를 가지고 있다는 사실을 증명했다. 그러니까 아인슈타인은 볼츠만에게 빚을 진 후에 즉시 그 빚을 되갚았던 셈이었다.

앞세대의 과학자들처럼 선입견에 사로잡히지 않았던 아인슈타인은 통계학과 확률을 사용한 볼츠만의 이론을 주저없이 받아들였다. 천재는 천재를 알아본 것일까. 볼츠만의 이론은 아인슈타인의 이론적 토대가 되었으며, 아인슈타인은 이에 보답이라도 하듯 수없이 공격받았던 볼츠만의 이론이 옳은 것이라는 명확한 증명을 해보였다.

“나는 원자가 존재한다는 사실을 믿지 않습니다.”

1897년 1월 빈에서 개최된 왕립 과학원 학술회의에서 물리학자이자 존경받는 철학자인 에른스트 마흐는 원자론을 주장하는 볼츠만의 앞에서 이렇게 당당하게 자신의 의견을 피력했다.

오늘날에는 자연의 기본 법칙을 이해하려고 노력하는 이론 물리학자들이 우리의 일상생활과 동떨어진 난해한 개념이나 대상에 대해서 연구하는 것이 신기하기는커녕 당연한 일로 여겨진다. 그러나 19세기 후반의 과학자들은 공기 중에서 전달되는 음파, 가열에 의해서 일어나는 기체의 팽창, 증기기관에서 열이 동력으로 변환되는 과정처럼 직접 관찰할 수 있는 현상을 측정해서 명백하게 만드는 것이 자신들에게 주어진 기본적인 임무라고 생각했다. 당시의 과학은 실증적인 것을 중시하는 풍토로 조성되었다. 눈으로 직접 확인하지 못하는 것은 이론이나 증명이 될 수 없었다. 과학법칙이란 직접 관찰된 현상들 사이의 관계를 밝히는 것이라고 정의되었다. 볼츠만이 주장했던 원자의 존재는 당시의 기술로서는 실제로 확인이 불가능했다는 것은 말할 필요도 없을 것이다.

당시에는 원자나 분자가 존재한다고 믿지 않고도 과학자가 될 수가 있었다. 당시의 화학자들은 원자나 분자를 편리하기는 하지만 추상적인 설명을 위해서 필요한 개념으로 여겼고, 물질을 그렇게 분할함으로써 화학 반응을 설명하기 위한 장부 정리에 도움이 될 정도의 개념이라고 믿었다. 수소와 산소가 2대 1의 비율로 결합해서 물이 만들어진다는 사실은 널리 알려져 있었지만, 그런 사실이 반드시 두 조각의 수소가 한 조각의 산소와 결합한다는 사실을 뜻하는 것은 아니었다. 19세기 말이 가까워질 때까지도 화학에서는 원자의 존재에 대한 믿음은 반드시 필요한 것은 아니었다. 많은 화학자들은 그런 개념이 너무 추상적이라고 여겨서 큰 관심을 갖지도 않았다.

오스트리아 태생으로 시골뜨기에 가까운 사람이었던 19세기의 물리학자 루드비히 볼츠만은 오랫동안 몸담았던 독일 대학교의 고급 문화에 쉽게 적응하지 못했다. 더욱이 볼츠만은 과학자들이 무작위적으로 움직이는 원자들의 움직임을 확률론적으로 설명할 수 있다는 주장으로 논란을 일으켜 더 큰 어려움에 처해버렸다. 통계 이론이라는 새로운 해석법을 근거로 했던 그의 주장은 쉽게 인정받지 못했다. 과학자이면서 과학 편집자인 데이비드 린들리에 의하면 “과학 법칙이란 절대적인 확실성과 예외 없는 규칙으로 구성되어야만 한다고 믿고 있었던 당시의 물리학자들에게 그의 주장은 매우 난처한 것이었다.”

당시 영향력이 있던 물리학자이며 철학자였으면서 고전적인 열역학에 집착했던 에른스트 마흐의 반대에 직면했던 볼츠만은 동료들에게 원자들의 움직임을 노름판에서나 적용되는 것으로 알고 있었던 법칙으로 설명할 수 있다는 사실을 설득시켜야만 한다는 강박 관념을 갖게 되었다. “이론이 성공적이라는 사실이 그 이론에 사용된 가정들이 모두 진실임을 증명하는 것은 아니다”라는 마흐의 반대가 전혀 엉터리는 아니었다. 볼츠만의 직관을 완벽하게 증명한 것은 알베르트 아인슈타인을 비롯한 다음 세대의 물리학자들이었다. 마흐의 물리학에 대한 기여와는 달리 볼츠만의 성과는 양자역학과 기체 원자의 속도 분포를 나타내는 맥스웰-볼츠만 분포로 살아남게 되었다.

도서출판 승산에서 7개월 만에 단행본으로 선보이는 『볼츠만의 원자』는 19세기를 비극적으로 살다간 잊혀진 천재 루트비히 볼츠만의 생애를 다룬 책이다. 그러나 이 책이 단순히 이론 물리학자의 일생만을 담고 있는 것은 아니다. 볼츠만이라는 사람이 정립했던 ‘원자가설’은 현재를 살고 있는 우리에게는 너무나 당연시 되는 이론으로 자리 잡았다. 그러나 이 가설이 정설로 자리잡기까지의 과정은 우리의 상상을 초월하는 것 그 이상의 험난함이 존재했다.

중.고등학교 교과서에서도 거론되는 19세기 고전물리학자들의 생애와 이론을 다룬 책은 흔한 것이 아니다. 그리고 열의 개념에 대한 새로운 인식을 정립시켜준 볼츠만의 생애는 그의 과학사적 위치와는 동떨어지게 잘 알려지지 않았다. 과학사의 통사에만 잠깐씩 언급되었을 뿐이다.

과학 출판시장이 점차 확대되어가고 있는 지금 지구촌의 최신 이론을 독자들에게 알려주는 것은 과학 출판의 당연한 의무가 될 것이다. 그러나 최신 이론을 알리기에 앞서 우리가 알아두어야 할 것은 그러한 이론들의 기저에 자리하고 있는 개념이다. 개념의 이해 없이는 아무 것도 존재할 수 없다. 과학적 이론의 토대는 수많은 기초증명과 논리이기 때문이다.

『볼츠만의 원자』는 이제껏 다뤄진 적 없었던 잊혀진 천재 볼츠만의 생애를 통해, 19세기 고전 물리학자들의 치열한 싸움과 더불어 과학이론의 정립까지 얼마나 많은 논의와 논쟁과 토론이 뒤따라야 하는지, 진실을 말하는 것이 때로는 고독한 싸움이 될 수도 있다는 과학계의 현실을 생생히 전달할 것이다.

“행운은 그에게 마음의 평화를 허락하지 않았다”
-프란츠 엑스너

천동설의 세계관에 부딪쳐 지동설의 주장을 접어야만 했던 갈릴레오 갈릴레이의 “그래도 지구는 돈다”라는 말을 모르는 사람은 없을 것이다. 당시의 그의 주장은 기독교적 세계관이 팽배했던 보수주의적 시대의 신념과 사상을 거스르는 것으로 그는 큰 힘에 굴복하여 자신의 주장을 잠시 꺽었을지언정, 그의 주장은 거짓이 아니었다. 그리고 외롭게 자신의 견해를 피력했던 과학자의 인생은 갈릴레오 갈릴레이의 것만은 아니었다.

어린시절부터 남다른 영특함을 보였던 것이 아니라, 온전히 자신의 신념과 노력으로 천재의 자리에 오를 수 있었던 볼츠만의 생애 또한 그러했다. 그의 인생은 원자가설을 위해 대부분 보내졌으며, 괴팍한 성격의 그는 ‘원자가설’이라는 모든 이들에게 배척당하는 주장 때문에 매도당하거나 쓸쓸한 인생을 보내야만 했다. 물론 그의 왕성한 연구활동은 그를 오스트리아의 존경받는 물리학자의 지위에까지 오르게 하였지만, 그는 앞서 말했듯 공개된 석상에서 언제나 비난받거나 반박에 부딪혀야만 했다.

그의 끊임없는 신경쇠약은 그가 당면해야했던 이러한 현실과 무관하지 않을 것이다. 가족들과 단란한 시간을 보내다가 다른 사람들이 잠시 자리를 비운 시간, 호텔의 창가에서 목을 매어 생애를 마감했던 볼츠만. 그의 죽음을 많은 이들이 애도하였으나, 실제 장례식에 참석한 과학자는 단 둘 뿐이었다.

과학자로서 살아왔던 생애 전부를 원자가설에 쏟아왔지만 그의 생전에는 인정받을 수 없었던 비운의 천재. 볼츠만의 드라마틱한 삶과 더불어 현대 물리학의 이론의 정립과정을 『볼츠만의 원자』를 통해 만나볼 수 있을 것이다.

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♧ 저자 및 역자 소개

데이비드 린들리
《네이처》,《사이언스》,《사이언스 뉴스》의 편집자로 일했으며, 케임브리지 대학과 국립 페르미 가속기연구소에서 이론 물리학자로 연구하기도 했다. 『물리학의 끝은 어디인가』,『이상한 세상은 어디로 갈 것인가』등을 저술했다.

이덕환
서울대학교와 동 대학원 화학과를 졸업하고, 미국 커넬대학에서 박사학위를 받았다. 프린스턴 대학 연구원을 거쳐 현재 서강대학교 화학과 교수를 역임하고 있다. 옮긴 책으로는『확실성의 종말』,『셜록홈즈의 과학 미스테리』,『먹거리의 역사』등이 있다.