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자연과학
2016.08.09 18:05

<불멸의 원자-이강영>를 읽고

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<불멸의 원자>를 읽고

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원자와 우주, 리얼리티(실재)의 세계를 알고 싶어 하는 이들에게 누가 뭐래도 원자의 세계 탐구는 어렵지만 재미있다. 더욱이 원자가 발견되고 100여 년의 연구를 통해 물리학자들은 수 많은 이론과 실험, 시행착오와 검증을 거쳐 원자와 원자의 내부세계를 깊이 있게 탐구해왔다. 그래서 과학책을 읽는 이들에게 물리학자들의 최신 연구 성과를 읽는 것은 큰 즐거움이다. 이강영 교수의 <보이지 않는 세계>, <LHC,현대물리학의 최전선>, 리사 랜들의 책을 번역한 <이것이 힉스입자다>는 현대 물리학의 최근의 연구 성과를 기록한 것이고 책 읽는 모임에서 강연도 듣고 읽어왔기에 이번에 출간된 <불멸의 원자>는 어떤 내용으로 쓰여 졌을까, 궁금해 하면서 읽어 내려갔다.

한마디로 저자의 세 권의 현대 물리학 책 핵심 내용을 개념 중심으로 압축 정리했다고나 할까? 원자와 입자 전쟁, 그리고 물리학자들의 분투와 이론의 시대상황이라는 3가지 주제를 중심으로, 이론의 발전 역사와 이론의 핵심, 이론이 완성되어 가는 과정, 자연을 대하는 태도가 어떠해야 하는지를 이론과 가설을 세우고 실험과 검증을 거치고 과학자들의 합의를 거치면 그것을 토대로 새로운 이론을 세우는 물리학자들의 연구를 한편의 서스펜스 드라마처럼 흥미진진하게 소개하고 있다.

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1부는 원자와 원자의 내부세계에 관한 소개이다. 아무리 원자가 불멸한다 해도 원자는 근원적인 입자가 아니라 내부세계로 들어가면 쿼크와 전자의 세계도 있다는 것, 원자와 전자, 원자핵의 보이지 않는 세계 연구를 통해서 본다는 개념이 어떻게 확장되어 왔는지를 원자의 내부 세계와 그 탐색 과정을 소개하고 있다. 물론 저자의 전작인 <보이지 않는 세계>에 소개된 원자와 쿼크, 중성미자에 대한 이야기를 같이 읽으면 훨씬 이해하기 쉽다.

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“우리는 전자와 전자기장을 따로 따로 보는 것이 아니다. 애초에 전자기장 없는 ‘전자 그 자체’란 존재하지 않는다. 우리가 보는 진짜 전자란 맨물리량과 양자 역학적 효과를 모두 합친, 그러니까 ‘재규격화된’ 전자이며, 그것이 실제로 존재하는 전자다. 이것이 양자 전기 역학(QED)이 우리에게 가르쳐 준 일이다.”

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물론 이런 ‘전자’의 개념이 성립되기까지의 파인만을 비롯한 천재 과학자들의 연구 과정도 같이 소개하면서 저자는 전자의 관점에서 이 세계를 바라볼 필요가 있다고 말한다.

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“원자의 모습을 제대로 보려면 양자역학을 통해서 보아야 한다. 양자 역학을 통해서 보는 원자 속 풍경이란 원자핵을 중심으로 가벼운 전자가 마치 구름처럼 주변을 둘러싸고 있는 모습이다. 그 지식으로 우리는 원자와 물질의 세계를 설명할 수 있게 되었고, 세계를 지금 우리가 보는 모습으로 만들어 놓았다. 트랜지스터, 레이저, 컴퓨터, 인터넷과 스마트폰은 모두 양자론 위에 세워진 구조물이다.”

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기초과학이 현대문명에 어떻게 공헌하고 있는지 잘 보여주는 케이스다.

원자핵 속으로 계속 탐구해 들어가면 쿼크의 탄생과 쿼크의 게이지 이론을 만든 겔만의 양자 색역학(QCD)의 이론의 전체적인 내용과 성립과정을 압축해서 소개하고 있지만 내용은 이해하기 쉽지 않다. 쿼크의 아버지 겔만은 원자들의 성질에 일정한 패턴이 있음을 알고 군론(group theory)이라는 수학적 표현을 통해 (SU3)대칭성이 하드론 세계의 숨은 질서임을 밝혀냈다. 쿼크가 탄생하는 순간이었고 실재가 무엇인가 다시 생각하게 하는 순간이었다. 쿼크는 원자처럼 물리적인 실재인가? 아니면 추상적인 대칭성을 설명하기 위한 도구인가? 우리는 원자를 보듯이 쿼크를 보는가? <불멸의 원자>에서는 이 부분을 압축적으로 표현했지만 저자의 <보이지 않는 세계>, <LHC, 현대물리학의 최전선>을 통해 입자들의 상호작용이 어떻게 이루어지는지 이 부분에 대해서 계속 음미해야 할 것 같다.

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“양자 역학에서 진공이란 ‘아무것도 없는 공간’을 의미하는 것이 아니라 우리가 다루는 대상의 가장 낮은 에너지 상태를 가리킨다.

아무것도 없다 해도 이 상태는 단순히 빈 공간이 아니다. 양자역학의 불확정성 원리에 따라 장의 값이 0이라고 하더라도 장의 양자역학적 요동은 언제나 존재하고 있으며, 이 양자요동을 통해 소위 ‘가상의’ 입자-반입자 쌍이 만들어졌다가 소멸하는 일이 언제나 일어나고 있기 때문이다. 그래서 진공은 사실 텅 빈 공간이나 공허가 아니라, 입자가 끊임없이 생성과 소멸을 거듭하는 역동적인 공간이다.“

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힉스메커니즘과 힉스장이 생기는 이유를 알려면 진공의 정의가 무엇인지 제대로 이해해야

하는데, 진공은 아무 것도 없는 것이 아니라 모든 것이 시작되고, 모든 물리적 성질을 결정하는 것이란 진공에 대한 설명은, 다른 어느 책보다 쉽게 와 닿는다.

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2부 쉬운 듯 아아하게

저자의 다른 물리학 책을 포함해서 저자의 물리학 책에는 물리학 이론과 함께 그 이론이 탄생하게 된 시대적 상황과 당시의 물리학자들의 연구과정이 다른 어느 책보다 구체적으로 소개되어 있어 편하게 읽힌다.

천재적인 재능으로 난해한 물리학과 원자의 실재 세계를 쉬운 듯 우아하게 노벨상과 영광을 차지한 페르미, 폰 노이만을 비롯한 천재 과학자들의 연구와 인간적인 모습들을 소개하고 있는가 하면, 연구와 교육의 모범을 제시한 에렌페스트의 불운한 말년, 과학자로서의 리더십의 모범을 보인 이시도어 라비 등 분투하는 과학자들의 인간적인 모습과, 비록 노벨상을 받지는 못했지만 자기 충족적인 물리학 연구를 통해 다음 연구의 디딤돌이 된, 제대로 인정받지 못한 과학자들의 모습도 소개하고 있다. 특히 인상적인 부분은 트랜지스터를 개발한 두 천재, ‘진정한 천재’ 존 바딘과 ‘망가진 천재’ 쇼클리를 통해 객관성을 추구하는 과학자들도 인간적인 독선과 편협함을 지니고 있고, 과학의 객관성과 인간 과학자는 구분해서 생각해야 한다는 것을 보여주는 인상 깊은 케이스다.

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3부 입자 전쟁

우주선이 발견되면서 새로운 입자를 찾기 위한 연구가 본격적으로 시작되면서 원자의 내부구조를 탐색하기 위한 입자 가속기가 등장했다 .

우주선 채집이 아니라 실험실에서 입자를 만들어 내는 일로 바뀌었고 입자 전쟁이 시작된 것이다.

처음엔 멈춰 있는 양성자에 양성자를 충돌시키는 실험으로 시작되었지만, 기술의 발전으로 입자와 입자를 충돌시키는 양성자 충돌 실험이 등장했고, 입자 전쟁은 가속화되었다. 결정적으로 루비아의 양성자-반양성자 충돌 실험은 유럽이 가속기 전쟁에서 미국을 추월하는 계기가 되었다면서 입자 전쟁이란 표현으로 가속기의 세계와 입자 발견의 역사를 흥미진진하게 소개하고 있다. 특히 가속기에 왜 액체 헬륨이 필요한지 궁금했는데 오네스의 극저온 세계 소개를 통해 그 궁금증이 해소되었다.

그러면서 LHC를 통해서 힉스 입자를 발견하게 된 과정과 표준 모형에 대한 연구 성과를 소개하고 있다.

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자연과 우주를 더 깊이 이해하고 설명하기 위해서는 자연의 모습이 어떠한지, 자연이 건네는 말에 귀를 기울여야 한다. 이것이 과학자가 하는 일의 맨 첫걸음이다. 라고 저자는 이 책을 마무리하면서 이야기한다. 자연의 관점에서 인간과 우주를 보아야 한다고 저자의 관점에 동의한다. 자연의 관점에서....

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