물리는 어떻게 진화했는가

세상을 지배하는 가장 근본적인 법칙을 이해하기 위한 인간 정신의 투쟁 과정 ‘과학 연구의 결과는 종종 과학이라는 분야에 한정되지 않고 그 이상의 철학적 문제에도 변화를 일으킨다. 과학의 목적은 무엇인가? 자연을 서술하려 시도하는 이론은 어떤 덕목을 가져야 하는가? 이런 질문은 물리학의 범주를 넘어서는 것이지만, 결국 물리학과 밀접하게 연관이 있다. 그런 질문이 발생하는 질료가 바로 과학에 의해 형성된 것이기 때문이다. 철학적 일반화는 과학의 결과물을 주춧돌로 삼아야 한다. 그러나 일단 한번 형성되고 널리 인정받은 이론은 종종 수많은 가능성 중 한 가지를 가리킴으로써 과학적 사고의 발전에 영향을 끼치기도 한다. 널리 인정받은 관점에 대한 반란에 성공하면 완벽하게 다르고 예상치 못한 발전을 불러오며, 그로 인해 새로운 철학적 관점의 초석이 된다.’ 이 책은 개념 세계와 현상 세계를 잇는 가교를 발견하려는 인간 정신의 시도의 역사를 물리라는 분야를 통해 개괄적으로 서술한 책이다. 따라서 이 책은 물리학의 사실과 이론을 체계적으로 설명하기 위한 것이 아니며 물리학의 역사를 정리해서 보여주는 것도 아니다. 이 책의 목적은 우리를 둘러싼 세상을 지배하는 가장 근본적인 물리의 법칙을 좀 더 온전히 이해하기 위한 창의적인 인간 정신의 영원한 투쟁이 어떤 형태로 진행되었는지를 독자들에게 제시한다. 아인슈타인과 공저자인 인펠트는 물리의 발전 과정이라는 난해한 내용을 일반 독자들에게 설명하기 위해 모든 수학적 수식을 배제하고서 개념의 발전 과정을 짚어 나간다. 책에 등장하는 수많은 사고 실험과 그것을 설명하기 위한 그림과 도판들은 물리학이라는 학문의 발전 과정에서 벌어진 사건들을 압축하고 정리해서 직관적으로 잘 보여준다. 아인슈타인과 공저자의 의도는 멋지게 성공하여 이 책은 발간되자마자 즉각 베스트셀러가 되었고, <타임> 지의 커버스토리로 선정되기도 했다. 내용을 간략하게 살펴보면 이 책은 운동이라는 물리학의 가장 기초적인 문제에 대한 고찰로 시작된다. 2천 년 가까이 유지되어 온 아리스토텔레스의 자연관이 갈릴레오와 뉴턴의 고전역학에 의해 붕괴되면서 새로운 역학적 세계관이 형성된 것은 진정한 과학이라 할 수 있는 근대 과학의 출발점이 되었다. 갈릴레오가 발견하고 사용한 과학적 추론 방식은 과학뿐 아니라 인간 사고의 역사에서 가장 중요한 업적 중 하나이며 갈릴레오가 발견하고 뉴턴이 간결하게 정리한 고전역학의 세계관은 인간의 세계관을 근본적으로 변화시켰다. 하지만 완벽한 세계관으로 보였던 역학적 세계관은 전자기와 광학의 영역에서 큰 난관을 겪게 된다. 빛의 입자 이론과 파동 이론의 대립에서 물리학의 역사는 파동 이론의 손을 들어주게 된다. 하지만 빛이 전파될 수 있는 매질은 무엇이며 그 매질은 어떤 역학적 성질을 지니고 있는가. 광학 현상과 전자기 현상을 역학적으로 환원할 때 발생하는 난점은 너무 거대해서 결국 역학적 세계관은 포기할 수밖에 없게 된다. 뉴턴 이래 가장 중요한 개념으로 역장이 등장하게 되었고 이 역장은 전자기장의 구조를 서술하고 전기만이 아니라 광학 현상까지 설명할 수 있는 맥스웰 방정식의 발견을 불러왔다. 상대성이론은 고전역학적 물리 세계에 새로운 성질을 부여할 수밖에 없었기 때문에 등장했다. 상대성이론은 역학의 법칙을 변화시켰다. 운동하는 입자의 속도가 광속에 접근하면 고전역학의 법칙은 더 이상 유효하지 않게 된다. 또한 상대성이론은 질량과 에너지 사이의 연결 관계를 제안했다. 질량은 에너지이며 에너지에는 질량이 존재한다. 질량과 에너지 보존법칙은 상대성이론을 통해 하나로 합쳐져서 질량-에너지 보존법칙이 되었다. 상대성이론은 물리학에서 역장이라는 개념이 가지는 중요성을 훌륭하게 보여준다. 하지만 완벽하게 역장으로만 구성된 물리학은 정립되지 못했다. 일반 상대성이론은 아직 불완전하며 아직까지는 역장과 물질이라는 두 가지 개념의 존재를 모두 인정해야 한다. 원자 단위의 현상이 보여주는 다양한 관찰 결과들은 물리학에 다시 한 번 새로운 개념을 도입하게 만들었다. 바로 양자역학이다. 물질은 입자 구조를 가지며 양자라는 기본적인 입자로 구성되어 있다. 광자는 빛을 구성하는 에너지의 양자이다. 빛은 파동인가, 아니면 광자의 흐름인가. 전자 빛살은 기본 입자의 물살인가, 아니면 파동인가. 현대 양자역학의 실험 결과들은 원자 단위의 사건들을 시공간 속에서 서술하는 것을 포기하게 만들었고 물리학은 다시 역학적 세계관으로 후퇴해야 했다. 갈릴레오, 뉴턴 이래의 근대 물리학의 진화 과정을 개괄하면서 독자들은 운동과 열, 빛, 전자기장, 역장, 양자 같은 물리학의 핵심적인 개념들이 얼마나 풍요롭고 창의적인 사고 실험과 실제 실험들을 통해 발전해왔는지를 이해할 수 있다. 그리고 아인슈타인의 상대성이론이 어떠한 착상을 통해 나왔으며 그것이 물리학의 역사에서 지니는 의미를 아인슈타인의 언어를 통해 확인할 수 있다. 일반 상대성이론은 아직 충분히 입증되지 않았고 양자역학의 실험 결과들은 아인슈타인이 꿈꾸었던 통일장 이론을 더 멀어지게 만들었다. 하지만 아인슈타인이 말했듯이 ‘과학은 닫힌 책이 아니며, 앞으로도 닫힌 책이 아닐 것이다. 모든 중요한 진보에는 새로운 문제가 따른다. 모든 발전은 결과적으로는 새롭고 좀 더 심오한 문제를 드러내’ 보이는 것이다. 문제 해결은 결코 문제의 종결이 아니라 한 차원 높은 더 많은 문제들을 불러온다. 하지만 그것은 결코 혼란이 아니다. 그것은 우리 세계에 조화와 질서가 내재해 있다는 신념을 더욱 깊이 있게 확인해가는 과정이다. ‘우리는 물리 이론의 도움을 받아서 관찰한 사실이라는 미로를 헤쳐 나가며, 감각으로 받아들인 세계에 규칙성을 부여하고 이해하려 노력한다. 우리는 관찰을 통해 획득한 사실이 현실이라는 개념을 논리적으로 따르기를 원한다. 이론의 구축을 통해 현실을 이해할 수 있으리라는 신념이 없다면, 우리 세계에 조화가 내재해 있다는 신념이 없다면, 과학은 존재할 수 없을 것이다. 이 신념은 과학을 통한 모든 창조 행위의 근본 동력으로 남을 것이다. 지금까지 살펴본 모든 노력에서, 과거와 현재의 관점이 극적으로 충돌하는 모습에서, 우리는 자연을 이해하고자 하는 영원한 갈망이, 우리 세계의 조화에 대한 굳건한 신념이, 갈수록 많아지는 장애물에 의해 계속 강해지는 모습을 엿볼 수 있다.’