20세기 들어 인류 역사상 세상을 놀라게 한 ‘천재들’은 많다. 그중에서도 상대성 이론을 밝히고 양자역학에 기여했다면 그는 어떤 범주에 드는 천재일까.
독일의 물리학자 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)은 세계적으로 대중들에게 널리 알려진 천재다. 얼마나 유명한지 우리나라에는 그의 이름을 딴 우유도 있을 정도다.
닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)는 아인슈타인과 함께 양자역학의 발전에 기여한 천재 과학자다. 양자역학을 둘러싸고 이들이 함께 두뇌 싸움을 벌이는 모습에서 우리는 20세기 과학자들의 천재성을 조금이나마 느낄 수 있다.
20세기 최고의 천재, 아인슈타인
흔히 아인슈타인은 갈릴레오 갈릴레이와 뉴턴을 잇는 천재 물리학자라 일컫는다. 이들의 공통점은 끈질기게 ‘빛’을 추적해왔다는 점이다.
자연의 보편적인 법칙을 수학적 형식을 통해 증명하는 학문인 물리학의 태생 자체가 빛이 없으면 설명이 어렵다. 갈릴레오는 빛의 속도를 측정하고자 했다. 그는 빛의 속도가 유한하다면 매우 빠를 것이라고 가설을 세웠다.
뉴턴은 빛의 정체성을 밝히기 위해 노력했다. 그는 프리즘과 빛을 가지고 다양한 실험을 시도했다. 뉴턴이 밝혀낸 빛의 성질은 향후 현대 천문학에 가장 중요한 기반이 됐다.
아인슈타인만큼 대중의 사랑을 받은 과학자도 드물다. ⓒ 김은영/ ScienceTimes
아인슈타인도 빛에 매혹된다. 아인슈타인의 빛나는 업적인 상대성 이론이 바로 빛에 대한 호기심에서 출발한 산물이다. 상대성 이론을 통해 우리는 서로 다른 시간을 살아간다는 것을 알게 됐다.
빛은 오묘하다. 빛을 따라가다 보면 ‘양자(quantum)’의 세계로 연결된다. 아인슈타인의 또 다른 업적인 양자역학(quantum mechanics)을 빛을 통해 만나게 되는 것이다. 현대 과학은 빛과 양자, 다중우주론을 의미하는 초끈이론으로 이어진다.
하지만 아인슈타인은 광전효과이론을 통해 양자역학의 태동에는 가장 큰 영향을 미쳤음에도 양자가 관측을 통해 확률로 결정된다는 ‘코펜하겐 해석’에는 강력하게 반발한다.
아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로 양자역학의 확률 결정론에 이의를 제기한다.
아인슈타인의 반대편에 선 천재가 바로 닐스 보어(Niels Bohr)다. 닐스 보어는 아인슈타인과 양자역학 ‘배틀’(battle)을 벌인 또 다른 천재 물리학자다.
닐스 보어와 코펜하겐 연구소에서 과학자들은 양자와 같은 작은 단위의 세계에서는 입자와 파동의 중첩 상태로 존재하다가 관찰(측정)이 이뤄지면 파동 기능이 붕괴된다고 주장했다.
아인슈타인과 양자역학 해석 놓고 대토론 펼친 닐스 보어
닐스 보어는 원자 구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 노벨물리학 수상자다. 그의 원자 모형론은 빛의 복사에 관한 이론이었던 양자론을 원자론에 도입하며 고전역학에서 양자역학으로 넘어가는 과정에 큰 영향을 미친다.
닐스 보어는 생리학 교수인 아버지 밑에서 태어나 유복한 환경에서 자신의 천부적인 과학 재능을 마음껏 발휘할 수 있었다. 그는 26세에 박사 학위를 따고 영국 케임브리지 대학 캐번디쉬 연구소에서 당대 최고의 물리학자였던 톰슨 교수를 만나게 되면서 원자론의 기틀을 다지게 된다.
닐스 보어는 원자모형론으로 1922년 노벨물리학상을 수상한 후 덴마크 코펜하겐대학 부설 닐스 보어 연구소를 설립하며 하이젠베르크, 로젠펠트, 파울리 등 양자역학의 성립과 발전에 기여한 수많은 학자들을 육성한다. 훗날 아인슈타인과 설전을 벌이게 되는 양자역학의 코펜하겐 해석도 바로 이 보어 연구소에서 나온 것이다.
아인슈타인과 닐스 보어의 ‘솔베이 대충돌’은 인류 역사상 기념비를 세울 역사적인 사건이었다. 화학자 어네스트 솔베이가 자신의 이름을 따 만든 학회 ‘솔베이 회의(1927년)’에서 만난 두 사람은 양자역학에 대한 서로 다른 시각을 설득하기 위해 대토론을 벌인다.
양자역학의 확률 이론을 깨기 위해 만든 영국의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 생각해낸 사고 실험 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 오히려 양자의 중첩성을 설명하는 좋은 사례로 꼽힌다.
하지만 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험도 양자역학을 전부 설명할 수 있는 것은 아니다. 기존의 고전역학은 위치와 속도를 알면 모든 상황은 예측할 수 있다고 했다. 하지만 양자와 같이 작은 입자의 세계에서는 위치와 속도 둘 중 한 가지를 도저히 파악할 수가 없다. 그만큼 양자의 세계에서는 우리가 상상하기 어려운 일들이 일어나기 때문이다.
지금은 우주의 별이 된 천재 물리학자 스티븐 호킹이 “누가 슈뢰딩거의 고양이를 말하는 걸 들으면 난 내 총을 꺼낸다”고 한 것도 이러한 이유에서다.
(4371)
로그인후 이용 가능합니다.
대한민국의 내일을 바꿀 발명 기술 1위로 '인공지능'(AI) 이 선정됐다. 특허청은 발명의 날(5월 19일)을 앞두고 국민이 뽑은 '대한민국 내일을 바꿀 10대 발명 기술'을 18일 발표했다. 인공지능 기술에 이어 2위는 로봇, 3위는 미래차가 차지했으며 수소(4위), 에너지(5위) 등이 뒤를 이었다.
라오스 고대 동굴서 화석 인류인 데니소바인 소녀에게서 나온 것으로 추정되는 어금니가 발견돼 학계에 보고됐다. 네안데르탈인의 사촌 격인 데니소바인은 화석이 드문데다 동남아 열대 지역 거주가 확인된 것은 처음이다. 호주 플린더스대학과 외신 등에 따르면 코펜하겐대학 고인류학자 파브리세 데메테르 박사 등이 참여한 국제 연구팀은 라오스 북동부 안남산맥의 석회암 동굴 '탐 은구 하오(Tam Ngu Hao) 2'에서 발굴한 어금니 화석에 대한 연구 결과를 과학 저널 '네이처 커뮤니케이션'(Nature Communications)에 발표했다.
천식 치료제 알부테롤(albuterol)과 부데소니드(albuterol)를 병행 투여하면 천식 발작을 크게 줄일 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 천식 발작은 천식이 악화해 호흡이 빠르고 숨을 내쉬기 힘들게 되는 상태로 응급실 이송이나 입원이 필요하게 된다. 심하면 사망할 수도 있다. 기관지 확장제인 알부테롤은 속효성(short-acting) 베타-2 항진제로 기도에 있는 베타 수용체와 결합, 평활근을 이완시켜 천식 발작을 억제한다.
12일 국제 '사건지평선망원경'(EHT) 협력단이 발표한 우리 은하 중심부에 있는 블랙홀의 실제 이미지 포착은 한국천문연구원 연구진도 참여해온 EHT 프로젝트를 통해 거둔 획기적인 성과다. 블랙홀이라고 하면 대부분 영어 단어 뜻 그대로 해석해 '검은 구멍'을 떠올리지만 블랙홀은 빛조차 흡수해 버리기 때문에 직접 볼 수 없다.
1형 당뇨병은 인슐린을 생성하는 췌장의 베타세포가 자가면역 반응으로 파괴되는 병이다. 이렇게 베타세포가 손상되면 인슐린 부족으로 혈당치가 급격히 치솟아 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 그래서 1형 당뇨병 환자는 매일 인슐린을 투여해야 한다.
아프리카나 중동에 주로 서식하는 열대·아열대성 곤충인 '푸른아시아실잠자리'가 북위 37.7도인 우리나라 파주시에도 사는 것이 확인됐다. 국립생물자원관은 '기후변화 생물지표종'인 푸른아시아실잠자리가 경기 파주시에서 관찰되기 시작했다고 17일 밝혔다.
한국생명공학연구원은 바이오나노연구센터 임은경 박사 연구팀과 건양대 문민호 교수 공동연구팀이 혈액 검사로 초기 알츠하이머병을 조기 진단할 수 있는 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다. 기억 상실·인지 장애를 동반하는 노인성 치매인 알츠하이머병은 현재까지 효과적인 치료 방법이 없어 정확한 조기 진단으로 증상의 진행을 늦추는 게 최선이다. 연구팀은 알츠하이머병 환자 혈액에서 마이크로RNA(miRNA)의 일종인 miR-574가 매우 증가하는 사실을 확인하고, 이를 검출할 수 있는 진단시스템을 개발했다.