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＜하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다＞은 교양만화인데, 양자역학에 대한 어떤 전문적 설명을 그려냈다기 보다는 양자학(量子學)의 태두라 할 수 있는 베르너 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901~1976)의 학문적 발자취 및 성과를 연대기 형식으로 보여준다. 솔직히 이 책을 읽고도 양자역학이 뭔지 제대로 설명을 못하겠다. 측정이 상태에 영향을 미친다는 정도? 조금 더 나열하자면 하이젠베르크가 행렬(行列) 형식의 수학적 개념을 도입하여 양자역학을 체계적으로 발전시키는데 기여하였고, 아인슈타인과의 토론에서 힌트(관찰할 수 있는 양만으로 과학이론을 만드는 것이 아니라, 이론이 우리가 무엇을 관찰할 수 있는지 결정한다)를 얻어 1927년 '불확정성 원리'로 양자역학의 해석을 확립했다는 정도만 받아들였다. 그리고 1932년 노벨 물리학상을 수상했다는 정도...

1927년 하이젠베르크는 보어 교수와 함께 상보성의 원리(하나의 사건을 두 가지의 다른 방법으로 관찰. 즉 파동과 입자 같은 서로 반대되는 개념의 짝을 함께 사용한다는 원리)와 불확정성의 원리(원자를 구성하는 입자들과 관계된 물리량은 측정과정에서의 상호작용에 의해 결정된다. 즉 원자의 위치와 운동성은 정확히 계산할 수 없다)로 표현되는 코페하겐 해석을 발표하는데, 아인슈타인은 이 새로운 양자이론의 확률론적인 성질을 받아들이기 어려웠던 모양이다(물리량은 측정과 관계없이 객관적인 값으로 존재한다는 물리학의 대전제를 완벽히 부정하고 있다는 점에서). 파동방정식으로 유명한 슈뢰딩거 또한 코펜하겐 해석을 수용하지 못하고 뒷날 '슈뢰딩거의 고양이'라는 별명으로 유명해진 사고실험적 비판을 하게 되는데 이 부분이 제법 흥미로웠다. 생각하기에 따라 철학적인 하는 사고로의 영역 확대가 가능한 부분이더라.

이 책을 통해 건진 걸 하나 꼽으라면 자연 현상이 확률에 지배를 받는다는 거다. 양자역학과 관계없이 인상적인 장면이 둘 있었는데 그 하나는 '과학자의 양심'이다. 제2차 세계대전 중 하이젠베르크는 독일의 원자폭탄 개발을 위한 우라늄 프로젝트를 이끌게 되는데, 과학자의 양심에 따라 핵폭탄보다 제어가능한 에너지 생산에 초점을 맞춘 소규모 원자로(原子爐)의 연구에 그쳤다는 내용이다. 다른 하나는 과학자들의 '토론 문화'이다. 하이젠베르크를 중심으로 동시대의 많은 물리학자의 연구 핵심내용들이 소개되어 나오는데, 관련 교수들이 토론을 통해 그들의 연구를 검토하고 업그레이드 한다는 부분이 인상적이었다. 상대성 이론이 천재 아인슈타인 한 사람의 역작이라면 양자역학은 수많은 과학자들의 협력과 경쟁에 의해 자리 잡은, 요즘 말로하면 집단지성의 산물이라 하겠다.

만화라고 쉽게 볼 수 있는 책은 아니고... 그렇다고 양자역학을 이론적으로 설명하는 어려운 책도 아니다. 과학 좀 좋아하는 중·고등학생들이 읽으면 제일 적당하고, 관심 있는 성인들도 어려운 이론은 무심히 넘기면서 볼 수 있는 수준의 구성이다. 나에겐 뭔가 지식충족이 덜된... 그런 느낌이 조금 남아 있다. 하여튼 이런 책을 우리 학생들이 많이 봤으면 좋겠다. 노벨상은 기초과학 분야에서 창조적인 성과를 일궈낸 사람에게 주어지는데 우리나라는 이런 게 너무 약하다. 투자도 좋지만 관심이 우선이다. 이 책으로 인해 단 한 명의 인재라도 관심을 가진다면... 이 책 낸 사람들 모두 행복할거야... 그림체가 시원하고 글에 군더더기가 없어 나름 즐거운 책 읽기(보기) 였다...^^

하이젠베르크의 양자 역학

이 책은 

내가 너무 욕심을 부린 것만 같다, 아니 욕심 차원이 아니라, 나를 너무 과신했다,

읽으면 이해될 줄 알았다. 지금껏 책을 읽으면서 소요 시간은 다소 달랐지만, 이해 문제에 대햐 이 책처럼 고민한 적은 없었다.

그래서 결론은 이 책은 그저 시작일 뿐이라는 것, 더 공부할 분야, 항목으로 남겨두기로 했다는 것이다.

이 책은 만화로 되어 읽고 보기에는 편하지만, 중간 중간 삽입된 수식과 공식은 나의 이해범위를 넘어선 기호에 불과할 뿐인 것이 안타깝다.

베르너 하이젠베르크는 누구인가 

이 책의 주인공 베르너 하이젠베르크는 독일 사람, 1927년 10월 라이프치히 대학의 이론물리학 정교수가 됨. 25세 나이로 독일 최연소 교수이며, 1945년 맨해튼 프로젝트 성공.

독일의 이론물리학자. N.보어의 지도 아래 원자구조론을 검토하여 양자역학의 시초가 되는 연구를 하였으며, 불확정성원리에 대한 연구로 새로운 이론의 개념을 명확하게 하였다. 그 외 원자핵 분야에 대한 연구 등 여러 연구가 있다.

불확정성원리의 연구와, 양자역학 창시의 업적으로 1932년 노벨물리학상을 받았다. (두산백과)

뉴턴의 고전역학과 하이젠베르크의 양자역학

만화를 보면서, 하이젠베르크가 주장한 양자역학을 이해하려고 노력했다.

읽었으나, 그 것을 문장으로 정리할 수 없음이 이 책의 저자에게 민망한 노릇이다,

그래서 나름 여러 자료를 찾아보다가 다음과 같은 설명을 접했다,

＜뉴턴의 고전역학과 하이젠베르크의 양자역학을 바닷가의 모래밭에 비유해보죠.

뉴턴의 고전역학의 관점으로 보는 것은, 모래밭을 멀리서 보는 겁니다. 그렇게 보면 모래밭이 규칙적으로 펼쳐져 있는 거처럼 보이죠.

하지만 양자역학의 관점에서 보는 것은 모래 하나하나를 관찰하는 것입니다. 그렇게 보면 모래가 불규칙적으로 쌓여 있는 걸 볼 수 있습니다.

이렇게 불규칙적으로 되있는걸 양자화되있다고 합니다.

양자역학은 이런 세계를 다루는 학문이죠＞

그런 설명을 들으니 조금 이해가 되는 것도 같다.

밑줄 긋고 새겨야 할 말들.

하이젠베르크: 경험할 수 없는 원자세계를 설명하기 위해 수학적 규칙성을 도입한 건 참으로 기발한 시도야. 나는 모든 것의 기본 요소를 수학적 형상으로 설명하려고 했던 플라톤의 사고방식을 죽는 날까지 믿게 되었다. (19쪽)

가장 어려운 것부터 시작했다고 해서 쉬운 문제가 저절로 이해된다고는 말할 수 없어. (28쪽)

책을 받았을 때 매우 즐거웠다. 어려운 과학 내용이 이미지를 통해 전해지기에 쉽게 다가갈 수 있을 줄 여겼기 때문이다. 하지만 이미지에 짧은 글들로 이루어져 있어도 그 내용엔 심도가 있다. 과학적 용어에 흥미를 느끼지 못하고 살아온 시간들이 나를 쉽게 원자, 전자, 양자의 세계에 빠져들게 하지 못하게 한다. 입자, 파동 등의 의미가 어떻게 관련되는 지도 잘 인지가 안 된다. 한 번 읽어서는 내용이 쉽게 감지가 안 된다. 두 번 읽고 세 번 읽고 많이 읽어야 하는 수고를 하고 있다. 그리고 조금 이해가 되어 이렇게 책의 고마움을 전한다.

아인슈타인은 모든 것은 계산을 할 수 있다고 생각한다. 그러기에 미래에 일어날 일도 알 수 있다는 주장을 폈다. 즉 필연의 법칙이 존재한다는 것이다. 그런데 하이젠베르크는 불확정성의 원리를 제시했다. 모든 것이 어떻게 변모할 줄 모르며, 계산이 이루어질 수 있는 것이 아니라는 뜻이다. 오늘을 예측할 수 없고, 그러기에 미래를 더욱 확정적으로 말할 수 없다는 말이다. 즉 확률적인 우주관을 피력한 것이다. 이런 의미에서 전자들의 충돌로 이루어진 불확정의 의미를 분명히 하기 위해 양자역학을 주창하고 있다.

이 책은 하이젠베르그가 어떻게 학문적 성취를 이루게 되었는가를 자세하게 서술해 주고 있다. 그의 이론도 물론 그려지지만 그것보다는 그의 인간관계와 학문적 노력 등이 자세하게 표현된다. 그러기에 어려운 내용을 조금이라도 쉽게 접근하여 다가갈 수 있다. 그의 성장에는 많은 사람들이 함께한다. 그를 이끌어준 교수님, 그리고 같이 연구에 참여한 사람들은 그의 학문적 성취에 많은 도움이 되었다. 그 혼자만의 성취라고 보기 어려울 정도로 서로 나누는 토론 문화가 그들의 성취를 만들어 내고 있다. 나는 과학자들의 그런 자세가 너무나 마음에 다가왔다. 함께하는 노력, 그리고 그 성과를 나누는 것은 다른 학문 쪽에선 쉽게 할 수 있는 일이 아니다. 지식의 쌓아감이 중요한 과학에서 이루어질 수 있는 상황이 아닌가 생각된다.

사실 원자, 전자의 관계성 그리고 양자의 불확정성 등 상관관계에 따른 대충의 의미는 다가오나 그 부분의 전문적인 지식이 없기에 이미지로 그려 놓아도 수식 같은 것은 잘 이해가 되지 않는다. 많은 공식들이 등장하지만 그 언어들이 처음 보는 외국어 모양 거리를 가지고 다가온다. 깊이까지는 나아갈 수가 없다는 말이다. 단지 모든 물리적 상황을 수학을 통해서 표현하려고 하는 학자들의 노력은 마음에 와 닿는다. 나는 이 책을 통해 물리학에 통찰의 지식을 보태지는 못 하고 있다. 하지만 인간의 삶과 학자의 길, 그리고 어떻게 사는 것이 바른 삶인가 하는 것을 대신 읽어보고 있다.

작은 이미지의 글속에 현대 수많은 물리학자가 등장하고, 그들의 토론 문화가 보이고, 지식을 찾아가는 냉철한 시선이 보이고, 몸을 돌보지 않는 노력이 보이고, 현대의 물리학의 진전을 만날 수 있고, 새로운 세계가 열림을 감지할 수가 있다. 과학도들에게 많은 도움이 된 글이다. 아마 물리학에 조예가 있는 사람, 수학에 관심이 있는 사람들은 이 책이 좋은 자료가 되지 않을까 생각이 된다.

아인슈타인과의 대화는 지식인의 고집을 볼 수 있는 본보기였다. 서로 이해를 할 수 없더라도 끊임없이 상대의 의견에 귀를 기울이는 자세는 놀라운 모습이다. 그것이 과학을 하는 사람들의 기본자세가 되어야 하지 않을까 생각이 된다. 뭔헨 대학에서 스승 조머펠트와 동료 파울리를 만난 것은 그에게는 행운이었다. 또한 코펜하겐에서 보어선생님, 괴팅겐에서 보른 등을 만난 것도 그의 학문적 성장에 크게 도움이 되었다. 힘을 모으고 나누면서 연구할 수 있는 무대를 제공 받고 시간을 나눈 것은 위대한 물리학자의 앞길을 인도하는 포석이라고 여겨졌다. 서구의 그런 학문적 분위기가 마음에 무척이나 감겼다.

난 이 책에서 문자적인 의미를 중점적으로 읽었다. 온전한 독해를 하지 못하고 있다는 말이다. 언젠가 읽었던 칸트의 ‘비판’과 관련된 서적만큼이나 나에겐 지적 부담으로 다가왔다. 하지만 책에 내포된 의미는 크리라. 이 양자 불확정성의 원리가 오늘날 물리학의 주류를 형성하고 있음은 주지의 사실이다. 그것은 원자력의 이용을 현실화 하는 정도의 반향을 현대 과학에 던져 주고 있다. 그의 성과에 찬사를 보낸다.

얼마 전 수학의 역사와 관련된 책을 읽었었다. 고등학교를 준비하는 청소년들을 대상으로 한 책으로 수학사와 학자를 중심으로 그들이 찾고 만들어낸 수학 이론을 살펴보면서 왜 '수학'을 배워야 하는지, 교과 과정 속에서 나온 공식들이 어떤 과정을 거쳐서 나오게 되었는지를 알 수 있는 기회가 되었다. 갑자기 툭 튀어나온 것이 아니라 자동차가 여러 단계의 발전을 거쳐서 현재의 모습이 되었듯 수학 이론들 역시 수학 학자들의 끈질긴 노력과 열정으로 발견하고 만들어져 지금에 이르게 된 것이다.

역사와 학자를 중심으로 이야기를 풀어내면서 모래알처럼 흩어져있는 이론들의 발전 단계를 보여주니 그토록 힘들고, 지루하고, 재미없었던 수학 공식들이 감동적이고 아름답게 보였다. 물론, 다시 되돌아가서 수학 공부를 하라고 한다면 여전히 힘겹고 지겨울 것이다. 그러나 그 눈물나는 탄생의 과정을 알게 된 이상 그들의 유산을 지켜내고 이해해야 한다는 책임감은 느껴질 것 같다.

[하이젠베르크의 양자역학]을 읽고 싶었던 이유 역시 그 수학책을 읽은 이유와 같았다. '양자역학'이라는 넘사벽의 분야를 '하이덴베르크'라는 학자의 일생을 통해서 접근하다는 책소개를 읽고 한번 도전해보고 싶은 마음이 들었던 것이다. 학창시절 수학만큼 싫어했고, 어려워했던 물리를 다시 보고 싶은 생각은 없었으나 '양자역학'이라는 개념을 알고 싶었는데 이론을 본격적으로 다룬 책은 읽을 엄두가 나질 않았던 것이다. 더구나 이 책은 '만화'라는 형식으로 되어 있어 문외한이 나에게 그나마 접근할 용기를 주었다.

만화라는 형식에 하이젠베르크라는 학자의 일대기라는 포맷으로 풀어냈어도 결코 쉽지만은 않다. 일반 독자들의 눈높이에 맞춰 설명을 할지라도 어쨌든 다루고 있는 이론이 간단하게 이해될 수 있는 내용이 아니기 때문이다. 2~3번 정도 반복해서 읽고, 책의 말미에 소개한 '함께 읽으면 좋을 책들'을 추가로 읽어본다면 미약하나마 개념을 이해할 수 있지 않을까 싶다.

처음 접하는 내용이고, 이해하기 어려운 이론들에 고개가 내내 갸우뚱거렸지만, 그럼에도 책을 읽어 내려가는데는 어려움이 없다. 심지어 술술 읽힌다. 이 무슨 이율배반적인 이야기인가 싶지만 실제로 그렇다. 일단 이론은 그런가보다 하면서 한번 본 것으로 만족하고, 스토리를 따라가면서 읽으면 '하이젠베르크'라는 천재적인 학자의 열정, 끈기, 뚝심이 보인다. 세상의 그 어떤 보상보다도 '알고 싶다'는 그 열망으로 노력한 학자의 땀과 노력이 그대로 느껴진다. 뿐만 아니라 동료 학자들과 함께 연구하고, 때로는 반목하며 대립하고 하는 과정들은 흥미진진하면서도 감동과 경외심이 든다.

지금의 기술이라면 바로 확인 가능한 것들이지만 당시로는 윤곽조차 잡기 어려운 것을, 마치 깜깜한 어둠 속을 더듬거리며 찾아가는 모습이 안타깝기도 했다. 마치 기계로 찍어낼 수 있는 것을 손으로 하나하나 만들고 있는 것처럼. 그럼에도 그들은 포기하지 않는다. 눈으로 확인할 수도, 증명하기도 어려운 양자역학의 개념을 온전히 손으로 증명해보이려 했다. 그리고 마침내 성공한다. 세기의 천재로 불리는 아인슈타인도 끝내 인정하지 않았던 그 개념을.

2차 세계대전이라는 전쟁을 겪으면서 자신을 비롯한 과학자들이 평생을 걸쳐 연구한 원자물리학이 26만명의 목숨을 앗아간 괴물같은 무기가 되는 과정을 눈으로 지켜보면서 절망하기도 했다. 그렇지만 학문에 대한 그의 열정은 패전국 독일이라는 악조건 속에서도 사그라들지 않았고 죽을 때까지 그 끈을 놓지 않았다.

복잡하고 어려운 과학 이론을 빼더라도 하이젠베르크라는 열망이 가득했던 한 과학자의 일생을 조망해보는 것만으로 충분히 감동적이었다. 하늘이 주신 재능을 기꺼이 받아들이고 '과학'이라는 학문으로 맺어진 인연들과 끊임없이 토론하고 치열하게 연구해나가는 그의 모습을 보면서 낯설었던 과학이라는 영역이, 과학자들이, 한뼘은 다가온 것 같다. 수학의 역사와 수학자들을 통해서 수학의 아름다움을 느꼈던 것처럼, 이 책을 통해서도 과학이라는 신비한 세계를 조금은 맛본 느낌이다. 그들의 땀이 얼룩진 아름다운 세계를.