과학을 공부하는 것은 놀라움과 경탄, 그리고 머리 속이 뜨끈해지면서 두통을 유발하는 일인 것 같습니다.

후기담당에 대해 무려(!) 4번이나 강조한 여울아님의 목소리가 환청처럼 들리는 데 그것도 부담백배 요인입니다.^^

박재용 선생님은 최소 12강은 강의해야 할 내용을 4회로 압축해달라는 미션을 받고 4강으로 양자역학을 설명할 구도를 짰다고 합니다. 그 첫번째 순서가 '19세기 물리학과 양자역학의 시작'입니다.

19세기까지 고전물리학은 우주에 작용하는 힘에는 두 가지밖에 없다고 생각했다는군요.

바로 중력과 전자기력입니다.

중력은 뉴턴의 두가지 공식에 의해 설명되었고, 전자기력은 맥스웰과 패러데이에 의해 설명되었다고 합니다.

(뉴턴 공식은 고등학교 물리지식 수준에서 뭔말인지 대략 감을 잡았지만, 맥스웰과 패러데이 공식은 제게는 외계어입니다.^^)

철학을 공부하던 막스 플랑크가 물리학을 연구해야겠다고 결심했던 19세기말,

물리학자들 사이에는 이제 과학은 완성되었다, 더이상 새로 발견할 것이 없다는 믿음이 팽배해 있었다고 해요.

그런데 플랑크는 당시까지 미해결이었던 흑체복사문제에 뛰어들어서 그 문제를 해결했는데 이게 새로운 세계로 가는 문을 열었습니다.

고전 물리학이론에 따르면 흑체복사는 무한대의 에너지를 내어 놓아야 하는데 실제 흑체복사의 결과는 그와 달랐습니다.

물리학자들은 이 문제를 붙들고 씨름을 했는데 플랑크가 이 문제를 해결했습니다.

물론 플랑크의 해결은 결코! 개인적인 성과로 퉁칠 수 있는 것은 아니었습니다.

여러 물리학자들이 축적한 테이터와 이론적 성과 위에서 새로운 가설을 세웠더니, 아, 그게 현실과 일치했다는 이야기입니다.

플랑크의 가설이란, 플랑크 상수라는 값과 전자기파의 진동수를 곱한 값이 그 진동수에서 내놓을 수 있는 에너지의 최소양이라는 겁니다.(E= nℎν, 여기서ν는 브이가 아니고 유라고 읽는다고 합니다. ℎ는 플랑크 상수, ν는 전자기파의 진동수를 가리킵니다.)

이 공식에 따르면 흑체의 에너지에는 정수(n)로 표시할 수 있는 최소단위가 있고,

흑체가 가지고 있는 에너지보다 높은 에너지를 갖고 있는 전자기파는 흑체복사에서 존재할 수 없다는 결론이 나옵니다.

그러니 흑체복사에서 무한대의 에너지가 나올 수 없다는 것이 증명된 것이지요.

수업에서 선생님의 설명을 제대로 이해못한 저는 그놈의 흑체복사가 뭔지 인터넷을 엄청 뒤진 뒤에야 겨우 감을 잡았네요.^^

제 앞에 앉은 둥글레는 김상욱의 양자역학을 공부한 지라 이게 무슨 말인지 제대로 아는 것 같았는데.. 저는 웹서핑의 고단한 수고를 해야 했습니다. 모르는 건 그 때 그 때 미루지 말고 질문하여 수고를 덜자!! 1강 후기가 주는 교훈입니다.^^

막스 플랑크는 이것을 ‘양자 가설 quantum hypothesis’이라고 명명했습니다.

드디어 양자(quantum)이라는 말이 등장하게 되었습니다!!

여기서 양자는 그동안 빛(전자기파)은 파동이라고 생각한 것과는 전혀 다른 사고방식이었습니다.

빛은 에너지 알갱이라는 가설이 세워진 것이지요. (이제야 여울아님이 쓴 과학세미나 후기가 쬐끔 이해가 갑니다.ㅎㅎㅎ)

재미있는 것은 플랑크 자신도 자신의 가설에 대해 반신반의했다고 합니다.

왜 아니겠어요. 이미 알고 있던 것을 버리고 새로운 앎을 받아들인다는 것이 얼마나 어려운 일인지 우리도 잘 알고 있잖아요.

양자역학의 문을 열었지만, 그는 여전히 19세기의 아들이었는지도 모르겠습니다.

아인슈타인도 광전효과문제를 풀었을 때 답은 내었지만 왜?에 대해서는 대략난감이었다고 합니다.

물리학의 난제에 대해 과학자들이 답을 냈다고 해서 반드시 그 이유를 안 것은 아니라는 이야기도 재미있었습니다.

그 이유를 아는 것은.. 또 그 다음에 오는 과학자들의 과제겠지요. 거인의 어깨 위에 올라선 난쟁이.. 우리 인류의 숙명인가 봅니다.

19세기 물리학의 세가지 난제가 있었는데, 흑체복사가 첫번째이고, 두번째는 광전효과문제라고 합니다.

그리고 세번째는 전자모형(전자궤도)의 문제입니다. 

광전효과문제는 아인슈타인이 풀었고, 전자궤도 문제는 닐스 보어에 의해 풀리게 됩니다.

이 세문제가 고전물리학의 세계를 넘어 양자역학으로의 길을 여는 입구가 되었습니다.

막스플랑크는 양자의 발견으로 1918년에 노벨상을 받고 아인슈타인은 광전효과를 발견함으로써 1921년에 노벨상을 받았습니다.

닐스보어는 1913년에 수소원자구조를 밝히는 논문을 썼는데 1922년에 노벨물리학상을 받았습니다.

이렇게 흑체복사문제, 광전효과문제, 원자구조문제를 통해  드디어! 근대 양자역학의 세계로 들어가는 문이 열리게 되었습니다.

박재용 선생님은 2회차에는 근대 양자역학, 3회차에는 현대양자역학, 그리고 4회차에 과학과 철학의 관계를 다루겠다는 계획을 갖고 계시더군요. 대체 근대양자역학과 현대양자역학은 무엇이 다른지, 양자역학이 우리 자신과 세계를 보는 관점을 어떻게 바꾸었는지, 계속 강의를 들으면 알게 되겠지요? 저는 첫 시간에 등장한 몇 개 안되는 공식 앞에서도 정신이 혼미해졌습니다. 정신 바짝 차리지 않으면 여긴 어디, 나는 누구, 안드로메다로 갈 것만 같았습니다.

1강에서 배운 것을 아는지 모르는지 지금도 헷갈리지만 1강을 통해 제가 알게 된 흥미로운 포인트는 20세기에 들어와서 이론 물리학의 발전은 기술의 발전과 실험이 끌고 갔다는 것을 알게 된 것이었습니다. 측정기술의 발전 없이 이론 없다!! 생각해 보면 새로운 가설이 등장할 때 과연 실험만으로 그게 가능할 것 같지는 않습니다. 기존의 인식의 패턴을 확~ 바꾸어 버리는 사고방식과 통찰이 따라와야 할 것 같은데, 실험과 이론의 관계가 정말 그토록 확고한 것인지 확인하고 싶은 것도 제겐 관전 포인트입니다.

아래 기사 두개는 재미있게 읽었기에 공유합니다.

https://www.injurytime.kr/news/articleView.html?idxno=4258

https://www.injurytime.kr/news/articleView.html?idxno=4273