과학도서 - 신비한 소립자의 세계 신비한 소립자의 세계를 읽고…

신비한 소립자의 세계를 읽고…
과학세대
출판사 : 벽호
처음으로 스스로 공부하려고 샀던 책..
나는 대구 과학고 학생이다. 나는 과학에 관심이 있고, 과학을 좋아해서 이 학교에 들어오게 되었다. 나는 과학 분야 중에 물리가 특히 좋다. 왜냐하면 머리로만 이해하면 되기 때문이다. 생물이나 다른 분야처럼 암기가 없어서 좋다...
어느 날 내가 과학 채팅을 하던 때였다. 고등학교에서 자퇴하고, 일본으로 유학 가려는 형을 만나서 이야기 했었는데 많은 것을 묻고 토론 하던 중, 현대물리에 관한 이야기가 나왔고 당연히 양자역학에 관한 이야기가 대두되었다. 나는 양자역학에 대해서 더 자세히 알고 싶어 졌고, 그 형은 Newton이라는 과학 잡지를 나에게 추천해 주었다. 서기2000년이 양자론 설립 100주년 기념(1900년 12월 Max Plank가 양자론 발표)이라서 Newton지에서 특집으로 3개월간 양자론에 대해 알기 쉽게 다…(생략)

예전의 고전 물리학의 확정적인 뉴턴 패러다임을 뒤엎는 -그 당시에는 충격적인- 내용들이기 때문이다. 나는 이 모든 혁명의 시작은 빛 때문이라고 생각한다. 양자역학은 입자와 같은 아주 작은 세계를 다루는 것이라서 외부에서 아주 작은 영향을 미치더라도 그 입자에는 큰 영향이 끼치는 것과 같다. 그래서 우리 세계에서 가장 완벽한 물질인 빛마저 입자에 영향을 끼치게 되어 실험을 할 수 없게 하고, 진실을 감추게 되는 것이다.
내 생각이 여기까지 이르자 나는 머리가 아파 져 왔다. 고전 물리학과, 뉴턴 패러다임에 물들어 있던 나에게 이런 생각을 받아들이기에는 너무 힘이 들었다. 하지만 이제는 괜찮다....
제 2장. 물질의 근본을 찾아서
2장에서는 입자의 비밀을 밝히기 위해 노력했던 과학자들의 업적에 관해서 이야기 해 주고 있다. 어떤 과학자는 어떤 실험을 해서 어떤 결과를 얻게 되고, 다른 과학자는 다른 실험을 해서 다른 결과를 얻게 되고... 여기서 나는 과학자의 길이 얼마나 힘이 드는지 알 수 있었다. 계속된 실험을 반복하고, 결과를 해석하는데 엄청난 노력이 필요하기 때문이다. 하지만 과학도를 추구하는 학생으로서, 이런 것도 재미있다고 생각한다. 다른 사람과 도와가면서 자연이 내는 퀴즈를 맞히는 것에 비유하니 웃음이 나온다...
제 3장. 양자역학으로 가는 길
이제부터 본격적으로 양자론과 양자역학에 관해서 설명이 되어 있다. 3장에서는 플랑크가 어떻게 양자론을 설립할 수 있었는지에 관해서 설명 해 주고, 양자론을 설립할 수 있었던 흑체 복사 스펙트럼 실험에 관해서 자세히 설명해 주고 있다. 플랑크는 흑체를 가열해서 복사에너지를 낼 때 온도에 따른 파장-에너지 그래프의 오차를 줄일 수 있는 방법에 관해 연구를 해서, 에너지가 연속적인 것이 아니라 불연속적인 즉, 에너지의 단위가 있다는 사실을 알게 되었고, E=hf(h=플랑크상수, f=진동수)라는 식을 만들게 되었다. 콜럼버스의 달걀처럼 이미 알려진 사실은 별거 아닌 것처럼 느껴지지만, 100년 전에 뉴턴 패러다임에 완전히 대항하는 양자론을 낸 플랑크를 보면 그의 뛰어난 통찰력과 자신의 이론에 대한 믿음으로 뉴턴 패러다임에 대항한 용기가 존경스럽다.(but 나중에 플랑크는 양자역학의 완벽히 이해하지 못하고(다른 사람도 마찬가지지만) 자신의 가치관과도 엇갈려서 자신의 발견을 위대하다고 생각하지는 않았지만..)
제 4장. 원자이야기
4장에서는 원자모형의 발달에 관해서 이야기 하고 있다. 톰슨, 러더퍼드, 보어, 러더퍼드 등이 여러 실험을 통해서 원자모형을 발달 시켰지만, 역시 여기서 제일 중요한 것은 양자역학을 도입한 현대적 원자모형이다.
앞에서 말했듯이 빛이 입자에 부딪히면 입자에 큰 영향을 주게 된다. 만약 우리가 현미경으로 원자의 모형을 알아내려고 한다면 그것은 불가능 할 것이다. 전자가 빛을 쬐이면 에너지를 받아 다른 곳으로 이동해 버리기 때문이다. ‘어떤 물체를 관측 할 때 위치를 알려면 에너지를 모르게 되고, 에너지를 알려면 위치를 모르게 된다 - 하이젠베르크의 불확정성의 원리’그래서 나타난 것이 전자가 궤도에 있을 확률, 오비탈이다. 이거는 화학시간에 배워서 좀 안다...
제 5장. 신은 주사위 놀이를 좋아하는가?
5장은 슈뢰딩거의 파동이론, 하이젠베르크의 불확정성의 원리, 슈뢰딩거의 고양이 등에 대해서 다루는데 Newton지에서는 어려운 수식들이 많았지만, 여기서는 말로만(?) 상세히 설명해 주었다. 말로만 해서 약간 이해하기가 어려웠지만, 수식이 있는 것 보다는 나았다... 5장에서는 내용이 너무 어려워서 나도 완벽하게 이해하지는 못했다. 그래서 내 생각은 잘 말 못하겠다. 5장에는 입자가 매우 작다는 사실에서 그 입자의 양자적 성질에 대해 이야기 하고 있는데, 통계와 확률이라는 개념으로 입자의 형태를 설명하고 소립자의 세계에서 일어나는 일들을 기술하고 있다. 아, 그리고 슈뢰딩거의 고양이의 역설에서 아인슈타인과 보어가 논쟁을 벌인 일이 있는데 그 일에 대해서 자세히 기술한 것이 좋았다. 아인슈타인은 통계, 확률을 부정하고 보어는 긍정했는데 결과는... 보어가 이겼음. (슈뢰딩거의 고양이 : 바깥에서는 볼 수 없는 상자 속에 고양이 한 마리가 들어 있다. 이 안에는 방사성 물질이 들어 있다. 일정한 시간이 지나면 방사선이 튀어나오게 된다. 그런데 그 확률은 2분의 1이다. 방사선이 나오면 곁에 있는 철사에 전류가 흘러서 청산가리를 넣은 병의 뚜껑이 열리게 되어있다. 청산가리를 들이마시면 고양이는 죽는다. 양자론에 따르면 물질이 방사선을 방출하는 상태와 방출하지 않는 상태는 반반이라고 생각하지 않으면 안 된다. 두 가지 상태를 한꺼번에 가지고 있어야 하기 때문이다. 그렇다면 고양이는 살아 있는 상태와 죽은 상태가 반반이라고 하게 된다. 실제로는 살아있거나, 죽은 두 가지 상태중의 하나인데 양자역학적으로 설명하면 역설이 되는 것이다.)
제 6장. 늘어나는 소립자 가족
6장에서는 디랙의 방정식에서 나온 음전자로부터 이끌어낸 반물질의 세계와, 쿼크에 관해서 설명하고 있다. 음..역시 이 부분은 나도 잘 몰라서 내가 설명은 못하겠고, 아는 것은 입자의 구성을 알 수 있는 입자가속기 뿐이다. 입자가속기는 강력한 자기장을 걸어서 두 입자를 가속시킨 후에 서로 충돌시켜서 큰 충격으로 인해서 입자가 부서지게 하는 장치이다. 입자를 부서트려서 그 파편들을 분석해서 그 입자가 더 작은 어떤 것들로 이루어 졌는지 알아내는 것인데, 현재는 스위스에 있는 CERN의 입자가속기가 제일 크다. 입자가속기 1개월을 돌리려면 우리나라의 1년 국방비가 들어간다고 한다.
6장 뒷부분에는 쿼크에 대해서 설명해 놓았는데, 쿼크는 업, 다운, 스트레인지, 참, 바텀, 톱 이라는 6개의 쿼크로 이루어 져 있다고 한다.
제 7장. 양자역학이 일군 현대 물리학의 성과
7장에서는 양자우주론에 대해서 설명하고 있다. 양자우주론이란, 양전자로 채워진 진공에서 약간의 에너지의 불균형이 일어나면 에너지가 한 곳에 집중되어 입자와 반입자가 생기게 되어 우주가 형성된다는 이론이다. 그리고 마지막에는 앞으로 우리가 개척해 나가야 할 것에 대해서 이야기 하면서 이 책의 끝을 맺고 있다.
이 책의 목표는 책을 읽는 사람들에게 입자의 성질과 과학의 역사에 관해서 가르쳐 주려는 것 같다. 우리 세계의 물체는 분자로 이루어 져서, 직접적으로 우리 생활에 관계되어 있지는 않지만 현대물리에 관심이 있는 초심자가 읽어 보기에는 참 좋은 책인 것 같다. 어려운 수식이 없고 머리로 생각하는 내용이 많기 때문이다. 이 책은 내가 스스로 공부하기 위해 본 첫 번째 책인데 참 게으른 내가 스스로 공부를 하려고 책도 찾아본다는 생각을 하니 웃음이 나온다.
내가 이 책을 읽고 가장 크게 느낀 점은 ‘내가 아는 것이 참 없구나...앞으로 공부를 열심히 해야겠다.’는 생각이다. 솔직히 이 책을 읽으면서 알게 된 것도 너무 많고, 느낀 것도 너무 많다. 이 책에서 나타난 과학자들의 태도를 보고 나도 저렇게 해야겠다는 생각도 했고, 평범한 것만 같았던 이 세계가 이렇게 복잡 했던 것인지 감탄도 하였다. 내가 글을 쓰는 실력이 모자라서 지금 내 감정을 완벽하게 표현 하지는 못하겠지만, 지금 내가 느끼는 것은 어린아이가 처음으로 불을 보고 느끼는 황홀함(?) 신비함(?) 뭐..그런 느낌이다. 아마도 공부하다 느낀 감정 중에서 가장 좋은 감정 같다. 어쨌든 지금 내가 느끼는 감정을 똑바로 표현하지는 못한 것 같지만 앞으로 이런 좋은 상태 유지해서 공부를 즐기면서 할 수 있는 상현이가 될 수 있게 노력해야겠다.