“물질은 텅 빈 것과 같고, 비었다는 건 물질로 꽉 차 있는 것”
“물질은 텅 빈 것과 같고, 비었다는 건 물질로 꽉 차 있는 것”
  • 김종현
  • 승인 2020.05.20 21:16
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대구, 노벨상을 품자 - (15) 종교의 섭리를 열쇠로 물리학 문제에 도전
프랑스 물리학자 드브로이
“입자도 파동을 가진다”
이중슬릿 실험 통해 입증
기존의 양자이론 뒤집어
‘공즉시색’의 전자 본질 규명
1922년 노벨물리학상 수상
노벨상-물리학문제
종교로 본 물리학문제.

◇ 특허국에 근무하면서 연구한 아인슈타인

특허국에 근무하면서 물리학 연구를 계속한 아인슈타인은 1905년에 독일 물리학 연보((Annalen der Physik)에 연달아 5편의 논문을 발표했다. 브라운 운동, 빛의 광전효과, 특수상대성이론인 ‘운동하는 물체의 전기역학을 5월 한 달 동안 발표했다. 1905년 7월에 알프레드 클레이너(Alfred Kleiner, 1849~1916) 교수의 지도 아래 ‘분자의 크기에 관한 새로운 규정’이란 학위논문으로 취리히 대학교에서 물리학 박사학위를 취득했다.

1908년부터 1909년 독일 베를린대학교(University of Bern), 1909년부터 1911년까지 스위스 취리히대학교, 1911년부터 1912년까지 체코 프라하 대학교(Charles University in Prague: 카를 대학이라고도 불린다), 1912년부터 1914년까지 모교인 취리히연방 공과대학 교수로 재직했다. 1914년부터 1933년까지 프로이센 과학 아카데미(Prussian Academy of Sciences)에 재직했으며 1914년부터 1933년 베를린 훔볼트대학교(Humboldt University of Berlin) 교수, 1917년부터 1933년까지 카이저 빌헬름 연구소(Kaiser Wilhelm Institute) 소장을 역임했다.

주요 연구로는 1914년 특수상대성이론 발표, 1915년 ‘중력의 장 방정식(Feldgleichung der Schwerkraft)’발표, 1919년 5월 29일 런던 왕립학회(Royal Society of Lodon) 기니 걸프 프린시페(Principe Island, Gulf of Guinea)의 일식 관측에서 일반상대성이론 예측을 검증 발표했으며 1921년에 광전 효과에 대한 업적으로 노벨물리학상을 수상했다. 1933년 미국으로 망명하여 1940년 미국 시민권을 취득했으며 프린스턴 고등 연구소(Institute for Advanced Study) 교수로 지냈다. 나치 독일에 앞서 핵무기를 개발하도록 프랭클린 루스벨트(Franklin Delano Roosevelt, 1882~1945) 대통령에게 편지를 보내 ‘새로운 형태의 최강력 폭탄(extremely powerful bombs of a new type)’을 만드는 맨해튼프로젝트(Manhattan Project)를 설득했다.

제2차 세계대전을 종식시킨 원자폭탄 제조계획이었던 맨해튼 프로젝트( Manhattan Project)는 1939년 8월 과학자 레오 실라르드(Leo Szilard, 1898~1964)와 위그너(Eugene Paul Wigner, 1902 ~1995)가 당시 프랭클린 루스벨트(Franklin Delano Roosevelt, 1882~1945) 대통령에게 원자폭탄개발을 권유하였고, 1942년 9월에 미국의 뉴멕시코 로스앨래모스(Los Alamos)에 위치한 로스앨러모스 국립연구소((Los Alamos National Laboratory)의 소장 로버트 오펜하이머(Julius Robert Oppenheimer)에게 원자폭탄 개발 비밀 과제가 떨어졌다.

총책임자는 그로브 장군(General Leslie R. Groves, Jr.)이, 총괄은 연구소장이 맡았다. 시카고 대학의 엘리코 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954)를 중심으로 연구실, 실험실 및 제조시설을 만들었으며 1943년에 영국 리버풀대학 핵물리학연구소장 조지프 롯블랫(Rotblat, Joseph, 1908~2005) 박사팀이 합류했다. 1945년 7월 15일에 최초로 핵실험을 했다. 위력은 TNT 1만 5천t이었다. ‘어린아이(little boy)’와 ‘뚱보(fat man)’라는 별명을 붙인 이 원자폭탄은 1945년 8월 6일과 9일에 히로시마와 나가사키에 투하하여 모두 20만여 명의 목숨을 빼앗았다.

◇ 3번째 공무원 출신 노벨물리학상 수상자

1961년 미국 도량형국 공무원 출신 물리학자 호프스태터(Robert Hofstadter, 1915~1975)는 미국 뉴욕시에서 태어났다. 1927년부터 1931년까지 드윗 클린턴 고등학교((DeWitt Clinton High School)를 졸업하고, 1931년부터 1935년까지 뉴욕시립대학(City College of New York)에서 학사 과정을 마친 뒤 1935년부터 1938년까지 프린스턴대학교(Princeton University)에서 석사과정을 거쳐 1938년 박사학위를 취득했다. 박사후 연구는 프린스턴대학과 펜실베이니아대학에서 연구했다. 제2차 세계대전 중 미국 국가공무원으로 도량형국에서 근무했으며, 종전 이후 모교 프린스턴대학교로 돌아와서 조교수가 되었다. 1950년 스탠퍼드대학교로 옮긴 후 교수로 승진했으며 1985년까지 근무했다.

공무원 출신 노벨물리학상 수상자로는 1920년 국제도량형국(Bureau international des poids et mesures) 공무원인 프랑스의 샤를 에두아르 기욤(Charles Edouard Guillaume, 1861~1938)이 도량형 재료로 합금 니켈을 개발한 공로로 수상했으며 1921년 독일 특허청 공무원 출신인 아인슈타인에 이어 1961년 로버트 호프스태너(Robert Hofstadte, 1915~1975r)가 미국 도량형국(Office of Standard Weights and Measures) 담당 공무원으로 3번째 노벨물리학상 수상자가 되었다. 그의 주요 연구는 처음엔 유기화합물 분자의 적외선 스펙트럼과 수소결합 연구, 1953년 고에너지의 전자산란 연구, 원자핵의 하전 분포 규명, 중성자와 양성자에 대한 하전 및 자기모멘트 분포를 조사해 구조인자를 밝혀냈다.

◇ 공즉시색(空卽是色)의 전자 본질을 규명하고자

1929년 노벨물리학상 수상자인 프랑스의 물리학자 프린스 루이스 드브로이(Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie, 1892~1987)는 1892년 센마리팀 디에프(Dieppe Seine-Maritime)에서 태어났다. 1910년 파리 소르본 대학교(Sorbonne, University of Paris)에서 인문학 분야인 역사학 학사학위를 받고 1913년 다시 과학학사학위를 취득했으며 1914년 제1차 세계대전이 발발하자, 군대에 입대해 라디오 통신부대에서 근무했다. 1924년 폴 랑주뱅(Paul Langevin, 1872~1942) 교수의 지도로 ‘양자이론에 대한 연구(Recherches sur la theorie des quanta)’논문으로 물리학 박사학위를 취득했다. 이 논문은 맥스 프랑크(Max Planck, 1858~1947)와 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955) 이론에 기초한 물질의 파동·입자 이중성(wave·particle duality of matter)을 규명했다. 이어 전자의 파동성(wave nature of electrons)에 대해 규명했다.

사실, 양자론(quantum theory)은 1900년 프랑크(Marx Planck, 1858~1947) 양자가설(quantum hypothesis)에서 시작되어, 1905년 아인슈타인의 광양자설(light quantum theory), 1913년 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)의 원자 구조와 스펙트럼의 해명에 의해서 파동역학(wave mechanics)과 행렬역학(matrix mechanics)이란 두 갈래로 갈라졌다. “양자론을 접하고서 놀라지 않는다면 그것은 양자론을 이해하지 못한 것이다.”라고 말했던 그는 1922년 노벨물리학상을 수상한다. “파동이 입자의 성질을 가진다.”는 닐스 보어의 생각은 1924년 프랑스의 물리학자 드브로이(Louis Victor Pierre Raymond de Broglie)에 의해서 뒤집혔다.

즉 “입자도 파동을 가진다.”라고 한 그는 전자를 이중 슬릿(double-slit)에 발사시켜 입증했다. 입자(전자)에서 파장의 성격을 띤 간섭무늬(interference fringe)가 나타났고, 간섭이란 파동만이 지니는 특성을 보였다. 이는 곧바로 “물질은 텅 빈 것과 다름이 없고, 텅 비었다는 건 또한 물질로 꽉 차 있다는 것이다(色不異空, 空不異色, 色卽是空, 空卽是色).” 구절을 연상하게 했다.

글·그림 이대영<코리아미래연구소장>

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