남들은 다 알고 나만 모르는 물리 1탄

우리의 모든것은 원자로 이루어져 있는데요

그저 단순한 가장 작은 단위가 아닙니다

 

1906년 10월 5일 루드비히 올즈만이라는 독일 과학자가 스스로 목을 맸습니다

우울증도 하나의 원인이였지만 그의 의견이 처참히 묵살당했기 떄문이기도 합니다

그는 물질은 무한히 작은 조각으로 나눌수 없고 그 끝에는 궁극적인 기본 입자가 있을것이라는 거죠

그러나 100년전엔 원자의 존재자체 마저 회의적이였습니다

그리스 철학자마저 세상은 어떤 기본입자로 이루어져있다고 믿었는데 말이죠

 

증기의 등장은 1850년을 그이전과 그이후로 나누게 됩니다

19세기 과학에도 중요한 문제이기도 했구요

보다 효율적으로 사용하기 위해 고온 고압에서의 물과 증기의 행동을 예측, 이해가 필요했기 때문이죠

루드비히 올즈만과 동료들은 원자로 이루어져있다고 생각하고 방정식을 만들어 냈습니다

증기의 움직임 또한 정확하게 예측했구요 그러나 엄청난 비난을 받게되죠

그 당시에도 종교적사상이 문제였습니다 신의 창조물을 원자따위로 표현할수 없다라는 말이죠

그러나 그가 1906년 자살하기 1년전 26살 젊은과학자가 원자의 존재를 주장하는 논문을 출간합니다

 

얼굴이 낯이 익죠? 알버트 아인슈타인이죠

그 당시 교수님들의 질타로 일자리는 구하기 힘들고 여자친구 임신으로 서둘러 결혼하게 되죠

당시 열악한 상황에서도 놀라는 발견을 하게 됩니다

상대성 이론에 대해 다들 조금은 알고계실겁니다

빛의 성질에 관한 그 논문은 몇년후 노벨상까지 받게 되죠

그러나 원자발견에 가장 큰 영향을 준것은

꽃가루의 작은 입자가 물에서 어떻게 움직이는가에 대한 논문이였습니다

 

1872년 스코틀랜드 식물학자 로버트 브라운이 꽃가루를 물에 뿌린 다음 현미경으로 관찰했는데

눈에 보이는 것처럼 천천히 움직이는것이 아니였습니다

 

 

마치 춤을 추듯 격렬하게 움직이고 있었는데

이 '브라운 운동'은 금세 잊혀지게 됩니다

 

그러나 아인슈타인은 이것에서 원자의 존재를 믿게되죠

물은 원자같은 작은 입자로 이루어져있는데 그 입자들이 수도 없이 꽃가루를 때리는 것이라고요

또한 수식으로 표현하기 까지하는데 크기가 머리카락지름의 100만분의 1이라는 수가 나오게 되죠

결국 20세기 초반 원자의 존재를 모두 알게되었습니다

 

어니스트 러더포드입니다

뉴질랜드 출신으로 배터리 코일 자석과 방사능물질의 배치에 관심이 많고

직관또한 뛰어난 궁극의 실험주의자였습니다

 

닐스보어는 코펜하겐 생으로 이론주의자로

논리에 대한 지나친게 집착했던 사람이구요

 

이 정반대의 사람이 맨체스터에서 원자에 대해 연구를 하기 시작합니다

1911년부터 1916년 까지 말이죠

1895년 독일에선 너무나도 괴기한 광선이 발견되 과학자들은 이것을 엑스레이라 부르기 시작했고

몇년후 캠브리지에선 강력한 전류로 부터 전자를 발견하게됩니다

1896년 파리에서는 우라늄에서 방사선을 발견합니다

금속은 만지면 따뜻했고 화상을 입을수도 있으며 금속을 투과할수도있습니다

그당시엔 엄청난 발견이죠 러더포드는 방사능에 집착하게되죠

 

1909년 러더포드는 방사선을 알파선이라 명명하고 입자에 대해 더 관심을 가지게 됩니다

조수 한스 가이거와 어니스트 마즈덴이라는 조수와 함께 실험장치를 만들었습니다

가이거계수기로도 유명하죠?

이 실험장치는 라듐을 이용해 알파선을 금에 쏜다음 인광판을 이용해 투과된 입자수를 세는것입니다

 

알파선은 금조각이 없는것처럼 통과하였죠

가끔 방향을 틀때도 있었지만 그다지...

가이거는 러더포드에게 별다른게 없다고 말을하지만

러더포드는 뜬금없이 라듐쪽에서 알파입자가 나오는지도 확인해 달라고합니다

 

정말 쌩뚱맞은 부탁이죠 금조각이 없는것처럼 투과하는데 금조각에 튕겨져 나오는 입자를 생각하다니..

그런데 정말로 입자가 튕겨져 나오는 것입니다

아주 가끔 입자가 튕겨져 나오는데 가이거는 그 확률이 8000개중 하나라는 것을 계산합니다

이것이 얼마나 어이없는 상황이냐면 티슈에 대포를 쐈는데 그 포탄이 튕겨져 나오는 경우같은 것이죠

아원자를 발견한것이죠 음전하를 띤 전자는 핵이라 불리는 작은 양전자입자 주위를 회전하는데

리더포드는 핵이 원자보다 만 배 작다고 계산했습니다 그래서 팔천번중 한번 튕기는 것이죠

 

나머지는 그냥 지나갑니다 우연이라는 것이죠

1905년 부터 1911년까지 원자는 상상을 초월할정도로 작고

거의 빈공간으로 이루워져있다...

이렇게 신세대가 고전물리학의 틀을깨면서 앞으로 나오게됩니다

 

닐스보어는 디킨스의 소설을 읽으며 독학으로 영어를 익혔다고 할정도로 명석한데

보어는 러더포드의 원자 모델에 큰 관심을 가졌습니다

여기서 보어는 빛과 관련되있을 것이라는 추측을 하게됩니다

대부분의 물질은 가열하면 빛을 내게되는데

 

구리는 푸른색 나트륨은 노란색 리튬을 빨간색 이렇게 말이죠

다들 아시는거와 같이 스펙트럼이라고 부릅니다

스펙트럼이 원자 내부 구조를 알려주고 빈 공간을 설명할 수 있을거라 생각한것이죠

보어는 러더포드에서 더 나아가 원자모델의 새로운 개념을 도입합니다

바로 양자 도약이죠 물리학자들은 이 양자 도약을 이해하는데만 몇년이 걸립니다

'이해한것 같다면 제대로 생각 안 해 본 것'이라는 양자도약

 

빌딩으로 표현하자면 1층엔 핵이살고 윗층에는 전자들이 살고있습니다 여기서 층에만 살고 그 사이에는 살수 없다고 하죠

가끔 전자는 다른층으로 순간이동을 합니다 여기서 더 중요한것은 이동할때마다 색이 달라진다는 것이였죠

3층에서 2층으로갔을때는 빨간색인데 10층에서 2층으로 이동하면 파란색이다..뭐 이런거죠

뭐 물리학세계에선 말도 안되는 일이 일어나고 있는거죠

도약은 말도 안되는데 지금 일어나고 있고 그 상황은 이해못하고

이 말도 안되는 이론에 대해 가장 비판적이였던 사람은 바로

 

아인슈타인이였습니다

여기서 '신은 주사위를 던지지 않는다'라는 말을 남기게되죠

그러나 보어를 반박하는데 항상 실패하게됩니다

 

그러다 1925년 그에게 편지가 하나 오게되는데

1차 대전중 프랑스 학생이 에펠탑에서 무선 장비를 조작하다

전파로 원자를 설명할수 있을지 모른다라는 아이디어를 제공하죠

프린스 루이 드 브로이 였습니다

 

연못에 잔 물결처럼 파동이라는 것이죠

드 브로이는 그 파동을 파라고 불렀습니다

여기서 양자의 도약도 없고 쉬운 파동만이 존재할뿐이죠

이제 아인슈타인은 원자는 파동이 전부이다 라고 주장하기 시작합니다

 

그러나 보어는 가만히 있지 않습니다

수소의 스펙트럼으로 설명할 순 있지만 그에겐 아인슈타인같은 권위는 없었죠

결국 고국으로 돌아와 다시 연구하기 시작합니다

그러다 그의 수제자 울프강 파울리가 이런 주장을합니다

배타 원리인데 모든 원자는 동일한 간단한 구성물로 형성됩니다

그런데 왜 그렇게 형태가 많은가 하는것이 의문인데

예를 들어 금과 수은을 보면 둘은 완전 다른 원소임에도 불구하고 둘은 전자 하나밖에 차이나지 않습니다

금은 79개 수은은 80

보어의 빌딩에 층 가운데 전자 하나가 들어가면  그 윗은 모든 순서를 하나씩 위로 밀어야하죠

이것으로 원자의 성질과 모양이 변한다는 것이죠 바로 결합방식에 말이죠

 

이제 구이론과 신이론의 대립이 점점 확대 되어가는중

신이론에 (좌) 베르너 하이젠베르크와 구이론 (우) 오르트리아인 에르빈 슈뢰딩거가 의견을 대립합니다

슈뢰딩거에 대해 조금 덧붙이자면 굉장한 매력의 소유자였습니다 옴므파탈이라고 하죠?

1925년 스위스에서 드 브로이의 파이론을 더 진전시킵니다

전자는 에너지 파장으로 너무 빨리 진동하기에 구름처럼 보인다 라구요

 

 

 

 

그리고 그에 따른 방정식도 만들게 되는데 슈뢰딩거의 파동 방정식이라고 합니다

파동에 함수가 있다...

슈뢰딩거는 아원자세계를 완전히 묘사할수 있다고 주장하게되죠

그러나 여전히 양자 도약을 설명 할수는 없었습니다

 

 

1925년 하이젠베르크는 힐게란드의 외딴 섬에서 생각에 잠기게 됩니다

슈뢰딩거의 이론에 알 수없는 경쟁심에 휩사여서 말이죠

이 섬에서 그는 이전 빌딩 이미지를 버리고 새로운 수학을 사용해야겠다라고 생각하죠

원자는 곱하는 순서에도 커다란 변화가 생긴다라는 것이죠

3x4 나 4x3는 같지만 행렬이라면 어떨까요?

그는 그날밤 이후 그날 밤을 '힐게란드의 밤' 이라고 불렀습니다

행렬 역학이라고 부르는 이론의 탄생이죠

행렬 역학은 스프레드 시트처럼 복잡한 숫자의 배열을 이용합니다

이후 하이젠베르크는 라이벌 슈뢰딩거에 강의에 참석에 슈뢰딩거를 비판합니다

원자의 실제모습을 그리기란 불가능 하다고 말이죠

그러나 청중들은 슈뢰딩거 편이였고 그는 보어와 다시 코펜하겐으로 돌아옵니다

 

하이젠베르크는 항상 보어와 양자역하에 대해 이야기하며 울기도 했다는군요

그러다 문뜩 이런 생각을 합니다 원자를 시각화하자...

그렇지만 한계가있었죠

속력을 구하면 위치를 알수없었고 위치를 알면 속력을 구할수 없었습니다

이것이 하이젠베르크의 불확정성의 원칙입니다 상당히 불편한 이론이죠

결국 하이젠베르크는 이 불편한 진실속에서 더 나아가 원자는 자기모순적이라고 합니다

원자는 입자이면서 파동으로 움직이고 보고있지 않을때는 파장처럼 행동하다가

그 위치를 찾으려하면 입자의 성질을...물리세계에선 뚜겅이 열리는 이야기입니다

 

결국 원자의 존재는 알지만 알 수 없는것이죠

1927년 가을 마침내 브뤼셀 슬베이 학회에서 세계 유명 원자 물리학자들이 모이게됩니다

 

학회 기간중 그들의 주제는 양자 역학이였습니다

불확정성을 뼈대로 강력한 주장을 펼쳤죠

아인슈타인은 학회내내 보어를 공격하였지만

보어는 모두 대답하죠

결국 보어의 승리로 간주되고

그와 함께 원자이론도 인정받기 시작한것이죠

이것이 코펜하겐 해석으로 물리학의 핵심이 자리잡는 순간입니다

 

그리고 그들은 사진을 한장 남게게 됩니다

아인슈타인과 퀴리 부인 가운데 있는 사람이 헨드릭 로렌즈입니다

두번째줄 맨 오른쪽 보어는 만족스런 표정을 짓고 있군요 그의 옆은 막스본이고

그뒤로 보어의 제자 하이젠베르크와 파울리가 있습니다

파울리는 슈뢰딩거를 비웃는듯 보이는군요

1927년 슬베이 학회이후 과학계는 코펜하겐해석을 수용하게 됩니다

1905년부터 1927년 사이 모든것이 변했습니다 바로 양자역학 때문에 말이죠