현실을 의심한 자들

1900년, 물리학은 거의 완성된 학문이라고 여겨졌다. 뉴턴 역학과 맥스웰 전자기학이 우주의 모든 것을 설명할 수 있다고 믿었다. 그러나 바로 그 해, 한 독일 물리학자가 작은 의문을 품었다. 그 의문이 20세기 물리학 전체를 뒤흔들 줄은 아무도 몰랐다.

막스 플랑크가 에너지의 양자화를 제안한 것은 시작에 불과했다. 닐스 보어는 원자 안의 전자가 어떻게 움직이는지를 새롭게 정의했고, 베르너 하이젠베르크는 우리가 자연을 ‘안다’는 것의 의미 자체에 의문을 던졌다. 세 사람은 함께 양자역학이라는 새로운 세계를 열었다.

플랑크: 절망 끝에 찾은 상수

막스 플랑크는 혁명가가 아니었다. 오히려 보수적인 물리학자였다. 그는 고전 물리학을 믿었고, 그 틀 안에서 문제를 해결하려 했다. 하지만 한 가지 문제가 그를 괴롭혔다. 흑체복사 문제였다.

뜨거운 물체가 내는 빛의 스펙트럼을 고전 물리학으로 설명하려고 하면, 자외선 영역에서 에너지가 무한대로 발산한다. 이른바 ‘자외선 파탄’이었다. 실험 결과와 완전히 맞지 않았다.

“이것은 절망적인 행위였다. 나는 어떤 대가를 치르더라도 결과를 얻어야 했다.”

1900년 12월, 플랑크는 수학적 트릭을 썼다. 에너지가 연속적으로 흐르는 것이 아니라, 작은 덩어리 — 양자(quantum)— 단위로 방출된다고 가정한 것이다. 에너지 양자의 크기는 E = hν. 여기서 h가 바로 ‘플랑크 상수’다.

플랑크 자신은 이것이 단순한 계산 편의라고 생각했다. 하지만 그가 발견한 상수 h는 우주의 가장 근본적인 상수 중 하나가 되었다. 양자역학의 모든 공식에 등장하는 이 작은 숫자가 고전 물리학과 양자 물리학을 가르는 경계선이다.

보어: 원자 속 전자의 도약

닐스 보어는 덴마크의 젊은 물리학자였다. 1912년, 그는 영국 맨체스터에서 어니스트 러더퍼드와 함께 일하고 있었다. 러더퍼드는 막 원자핵을 발견한 참이었다. 그러나 새로운 문제가 생겼다. 전자가 핵 주위를 돌고 있다면, 왜 에너지를 잃고 핵으로 추락하지 않는가?

보어의 답은 대담했다. 전자는 아무 궤도나 돌 수 없다.특정한 궤도만 허용된다.그리고 전자는 궤도 사이를 ‘점프’할 수 있지만, 그 중간에는 존재할 수 없다. 마치 계단을 오르내리듯이.

“양자역학에 충격받지 않은 사람은 양자역학을 이해하지 못한 것이다.”

보어의 원자 모형은 수소 원자의 스펙트럼을 완벽하게 설명했다. 전자가 높은 궤도에서 낮은 궤도로 떨어질 때 특정 파장의 빛을 방출한다. 그 빛의 색깔이 바로 우리가 보는 수소의 선 스펙트럼이다.

보어는 나중에 코펜하겐에 연구소를 세웠다. 그곳은 양자역학의 메카가 되었다. 젊은 물리학자들이 전 세계에서 모여들었고, 그중 한 명이 하이젠베르크였다.

하이젠베르크: 알 수 없음의 원리

베르너 하이젠베르크는 23살에 양자역학의 핵심을 완성했다. 1925년, 건초열 때문에 북해의 헬골란트 섬에서 요양하던 중이었다. 그는 밤새 계산에 몰두했고, 새벽에 결과를 확인하고는 흥분에 잠을 이루지 못했다고 한다.

하이젠베르크의 접근법은 급진적이었다. 관측할 수 없는 것에 대해 말하지 말자. 전자의 ‘궤도’를 그리지 말자. 대신 우리가 실제로 측정할 수 있는 것들 — 에너지 준위, 전이 확률 — 만으로 이론을 세우자.

“입자의 위치를 정확히 알면 알수록, 그 속도는 더 불확실해진다. 이것은 측정 기술의 한계가 아니라 자연의 본성이다.”

1927년, 하이젠베르크는 불확정성 원리를 발표했다. 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정하는 것은 원리적으로 불가능하다. 이것은 측정 장비의 한계가 아니다. 자연이 본질적으로 그렇게 작동한다.

아인슈타인은 이것을 받아들이지 못했다. “신은 주사위를 던지지 않는다”라고 그는 말했다. 하지만 보어는 응수했다. “아인슈타인, 신에게 이래라저래라 하지 마시오.”