[책추천] '불확실성의 시대' 토비어스 휘터 찬란하고 어두웠던 물리학의 시대

1900년에서 1945년은 물리학에서 가장 어두웠고 가장 찬란했던 시기이다. 불확실한 것이 나타났기 때문이다. 불확실성의 시대를 읽어 보면 그 고민 속에 있었던 물리학자들을 만날 수 있다.

 

불확실성의 시대 

 

 

『불확실성의 시대』는 20세기 초, 고전물리학의 한계를 타파하고 양자역학과 상대성이론이라는 현대물리학의 두 축을 확립한 과학자들의 이야기를 다룬 대중과학 논픽션입니다.

저자인 토비아스 휘터는 독일의 물리학자이자 저술가로, 『불확실성의 시대』를 통해 20세기 물리학의 격동기를 생생하게 재현해냅니다. 그는 당시의 과학적 발견과 논쟁을 흥미진진한 스토리텔링으로 풀어내며, 독자들에게 현대물리학의 기초를 이해할 수 있는 기회를 제공합니다.

책은 크게 세 부분으로 나뉩니다.

• 제1부에서는 1900년부터 1915년까지의 이야기를 다룹니다. 이 시기에는 맥스 플랑크, 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어 등 과학자들이 양자역학의 기본 원리를 정립해 나갔습니다.
• 제2부에서는 1916년부터 1930년까지의 이야기를 다룹니다. 이 시기에는 아인슈타인이 상대성이론을 완성하고, 에드윈 허블이 우주의 확장을 발견하는 등 획기적인 발견들이 이루어졌습니다.
• 제3부에서는 1930년부터 1945년까지의 이야기를 다룹니다. 이 시기에는 핵물리학이 탄생하고, 핵폭탄이 개발되는 등 현대 물리학의 기초가 마련되었습니다.

책의 주요 내용을 살펴보면 다음과 같습니다.

• 맥스 플랑크의 양자화

맥스 플랑크는 1900년, 흑체복사의 에너지가 일정한 단위로 나뉘어 있다는 양자화의 개념을 도입했습니다. 이 발견은 고전물리학의 한계를 넘어서고, 양자역학의 출발점이 되었습니다.

 

맥스 플랑크는 1900년, 흑체복사의 에너지가 일정한 단위로 나뉘어 있다는 양자화의 개념을 도입했습니다. 이 발견은 고전물리학의 한계를 넘어서고, 양자역학의 출발점이 되었습니다.

흑체복사란, 온도가 높은 물체에서 방출되는 전자기파를 말합니다. 고전물리학에 따르면, 흑체복사의 에너지는 연속적으로 분포되어야 합니다. 그러나 플랑크는 실험 결과를 설명하기 위해, 흑체복사의 에너지가 일정한 단위인 '플랑크 상수'로 나뉘어 있다는 가설을 세웠습니다.

플랑크의 가설은 다음과 같은 수식으로 표현됩니다.

E = hν

여기서,

• E는 에너지
• h는 플랑크 상수 (6.626 x 10^-34 J·s)
• ν는 진동수

플랑크의 가설은 흑체복사의 실험 결과를 완벽하게 설명했습니다. 이는 고전물리학의 한계를 넘어서는 획기적인 발견이었습니다.

플랑크의 양자화는 양자역학의 기본 원리 중 하나입니다. 양자역학에서는 모든 물질이 일정한 단위로 나뉜다는 것을 가정합니다. 이는 고전물리학에서 물질이 연속적으로 존재한다는 가정과는 근본적으로 다른 것입니다.

플랑크의 양자화는 현대물리학의 발전에 큰 영향을 미쳤습니다. 양자역학은 빛, 원자, 분자, 핵물리학 등 다양한 분야에서 성공적으로 적용되고 있습니다.

 

• 알베르트 아인슈타인의 상대성이론

알베르트 아인슈타인은 1905년, 특수 상대성이론을 발표했습니다. 이 이론은 시간과 공간이 절대적이지 않고, 관측자의 속도에 따라 상대적으로 변한다는 것을 밝혀냈습니다. 1915년에는 일반 상대성이론을 발표하여, 중력의 기원을 설명했습니다.

 

상대성이론은 20세기 초, 알베르트 아인슈타인이 주창한 시간과 공간, 중력에 대한 물리 이론입니다. 상대성이론은 크게 특수 상대성이론과 일반 상대성이론으로 나뉩니다.

특수 상대성이론은 빛의 속도가 모든 관측자에게 동일하다는 것을 전제로, 시간과 공간의 상대성을 설명하는 이론입니다. 특수 상대성이론의 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 시간의 상대성

관측자의 속도에 따라 시간의 흐름이 느리거나 빨라진다.

• 공간의 상대성

관측자의 속도에 따라 공간의 길이가 줄어들거나 늘어난다.

• 질량-에너지 동등성

질량과 에너지는 서로 변환될 수 있다.

특수 상대성이론은 전자기학, 우주론, 원자물리학 등 다양한 분야에서 성공적으로 적용되고 있습니다.

일반 상대성이론은 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 이론입니다. 일반 상대성이론의 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 중력은 시공간의 곡률에 의해 발생한다.
• 중력은 가속과 같다.
• 중력파는 시공간의 곡률이 전파되는 파동이다.

일반 상대성이론은 천체물리학, 우주론, 블랙홀 연구 등에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

상대성이론은 현대물리학의 기초를 이루는 중요한 이론입니다. 시간과 공간, 중력에 대한 우리의 이해를 혁명적으로 바꾸어 놓았습니다.

 

• 닐스 보어의 코펜하겐 해석

닐스 보어는 1927년, 양자역학의 기본 원리를 설명하는 코펜하겐 해석을 발표했습니다. 이 해석은 양자 세계의 불확실성을 인정하고, 측정 행위가 대상의 상태를 변화시킨다는 것을 주장했습니다.

 

코펜하겐 해석은 양자역학에 대한 다양한 해석 중 하나로, 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크 등에 의한 정통해석으로 알려져 있습니다. 이는 그 논의의 중심이었던 코펜하겐의 지명으로부터 이름이 붙여진 것이며, 20세기 전반에 걸쳐 가장 영향력이 컸던 해석으로 꼽힙니다.

코펜하겐 해석의 기본적인 내용은 다음과 같습니다.

• 양자 세계는 고전 세계와 근본적으로 다르다.

양자 세계에서는 물질이 입자와 파동의 양면성을 가지고 있으며, 측정 행위가 대상의 상태를 변화시킬 수 있습니다.

• 불확실성 원리

동시에 두 개의 물리량을 정확하게 측정하는 것은 불가능합니다. 예를 들어, 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없습니다.

코펜하겐 해석은 양자역학의 성공을 설명하는 데 중요한 역할을 했습니다. 그러나 이 해석은 양자 세계의 근본적인 특성에 대한 설명을 제공하지 못한다는 점에서 비판을 받기도 합니다.

코펜하겐 해석의 주요 개념을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같습니다.

• 양자 세계의 이중성

양자 세계에서는 물질이 입자와 파동의 양면성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 전자는 입자처럼 굴절되기도 하고, 파동처럼 회절되기도 합니다.

• 측정 행위의 영향

양자 세계에서는 측정 행위가 대상의 상태를 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 슈뢰딩거의 고양이 실험에서 고양이의 생사 여부는 측정 행위를 통해 결정됩니다.

• 불확실성 원리

불확실성 원리는 하이젠베르크가 제안한 것으로, 동시에 두 개의 물리량을 정확하게 측정하는 것은 불가능하다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없습니다.

코펜하겐 해석은 양자역학의 이해에 중요한 역할을 했지만, 양자 세계의 근본적인 특성에 대한 설명을 제공하지 못한다는 점에서 비판을 받기도 합니다. 현재에도 양자역학의 해석에 대한 논쟁은 계속되고 있습니다

 

 

• 에드윈 허블의 우주 확장 발견

에드윈 허블은 1929년, 은하의 적색편이를 관측하여 우주가 확장하고 있다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 우주의 기원에 대한 새로운 시각을 제공했습니다.

 

에드윈 허블은 1929년, 먼 은하의 빛이 적색편이되어 있다는 사실을 발견했습니다. 적색편이란, 빛의 파장이 늘어나는 현상을 말합니다. 허블은 이 발견을 바탕으로, 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어지고 있다는 법칙을 발표했습니다. 이 법칙은 허블의 법칙이라고 불립니다.

허블의 법칙은 우주가 팽창하고 있다는 것을 의미합니다. 이는 당시로서는 획기적인 발견이었습니다. 당시에는 우주가 영원하고, 정지해 있다는 정적 우주론이 지배적이었습니다. 그러나 허블의 발견은 우주가 팽창하고 있다는 사실을 입증함으로써, 우주론에 대한 새로운 시각을 제시했습니다.

허블의 법칙은 다음과 같은 수식으로 표현됩니다.

v = H_0 * d

여기서,

• v는 은하의 멀어짐 속도
• H_0는 허블 상수 (약 70km/s/Mpc)
• d는 은하와 우리 은하 사이의 거리 (Mpc: 메가파섹, 3.26광년과 동일)

허블의 법칙은 우주의 나이를 계산하는 데에도 사용됩니다. 우주의 나이는 허블 상수와 우주의 팽창률을 이용하여 계산할 수 있습니다. 현재의 연구 결과에 따르면, 우주의 나이는 약 138억 년으로 추정됩니다.

허블의 법칙은 우주론의 가장 기본적인 법칙 중 하나입니다. 이 법칙은 우주의 기원과 진화, 우주의 미래에 대한 연구에 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

• 핵물리학의 탄생

1932년, 제임스 채드윅은 중성자를 발견했습니다. 이는 핵물리학의 발전에 결정적인 계기가 되었습니다. 1938년에는 오토 한과 리제 마이트너가 우라늄 핵분열을 발견했고, 1945년에는 핵폭탄이 개발되었습니다.

『불확실성의 시대』는 현대물리학의 기초를 이해하는 데 도움이 되는 중요한 책입니다. 흥미진진한 스토리텔링을 통해 20세기 물리학의 격동기를 생생하게 재현해내며, 독자들에게 물리학에 대한 새로운 시각을 제공합니다.

 

핵 물리학은 원자핵을 연구하는 물리학의 분과입니다. 원자핵은 원자의 중심에 위치하며, 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다. 핵 물리학에서는 원자핵의 구조, 성질, 상호작용을 연구합니다.

핵 물리학의 주요 연구 분야는 다음과 같습니다.

• 원자핵의 구조

핵 물리학에서는 양성자와 중성자가 어떻게 원자핵을 구성하는지 연구합니다. 핵의 크기, 모양, 질량, 전하 등을 연구합니다.

• 원자핵의 성질

핵 물리학에서는 원자핵의 붕괴, 방사능, 핵융합, 핵분열 등을 연구합니다. 이러한 현상은 원자핵의 에너지 상태와 관련이 있습니다.

• 원자핵의 상호작용

핵 물리학에서는 원자핵과 원자핵, 핵과 입자 사이의 상호작용을 연구합니다. 이러한 상호작용은 핵의 구조와 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

핵 물리학은 현대 물리학의 중요한 분야 중 하나입니다. 핵 물리학의 연구 결과는 원자력 발전, 핵무기, 핵의학 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다.

핵 물리학의 주요 연구 업적 중 하나는 핵분열의 발견입니다. 핵분열은 무거운 원자핵이 두 개의 가벼운 원자핵으로 분열하면서 에너지를 방출하는 현상입니다. 핵분열은 원자력 발전과 핵무기의 원천이 됩니다.

또 다른 주요 연구 업적은 핵융합의 발견입니다. 핵융합은 가벼운 원자핵이 합쳐져서 무거운 원자핵으로 되는 현상입니다. 핵융합은 태양의 에너지원이며, 미래의 에너지원으로 주목받고 있습니다.

핵 물리학은 아직도 활발히 연구되고 있는 분야입니다. 핵 물리학의 연구는 원자핵의 구조와 성질에 대한 우리의 이해를 넓히고, 새로운 에너지원을 개발하는 데 기여할 것으로 기대됩니다