민동필 자연대교수ㆍ물리학부

“아인슈타인이 발표한 상대론을 이해하고 있던 사람이 그 당대에 세 사람 정도”라는 말이 있다지만, 리차드 파인만은 “양자역학을 완전히 이해한 사람은 아직 아무도 없다”고 말했다. 전 세계의 물성 연구의 대부분은 양자역학을 이용해서 미세한 물질세계를 이해하고자 하는 것이고, 그 이익을 알아내려는 연구라고 해도 과언이 아니다. 이 양자역학의 기초를 다진 사람은 많다. 하지만 지금과 같이 원자 및 분자, 더 나아가서 그보다 작은 입자의 세계를 이해하는 데 유용한 방정식을 만든 사람이 바로 에르윈 슈뢰딩거(Erwin Schr쉊inger, 1887-1961)이다.

1933년 노벨상 수상은 “원자이론의 새롭고 생산적인 형태의 발견”에 공헌한 두 사람에게 수여됐다. 한 사람은 오스트리아의 에르윈 슈뢰딩거, 다른 한 사람은 영국의 폴 에이드리언 모리스 디랙(Paul Adrien Maurice Dirac, 1902-1984)이다. 이들은 미시적인 세계를 이해하기 위해서 사용하는 수학적인 표현, 즉 방정식을 완성한 사람들이다. 그 이전에 제안됐던 양자론의 개념이 아직 정돈되지 않았던 시기에 우리에게 친숙한 방법을 알아낸 것이다. 실로 이러한 방정식 덕분에 “양자역학”이라는 체계적인 학문이 만들어진 것이다. 슈뢰딩거는 미시적인 입자의 운동을 기술하는 이 체계를 파동역학이라는 집단적인 운동을 기술하는 방법에서 가져왔다. 이러한 개념을 상대론적인 경우로 확장한 사람이 디랙이다.

일상적인 체험으로는 알 수 없는 사실을 이해하려면 어떤 과정을 거쳐야 하는가? 아인슈타인이 일반상대론을 통해 아주 거대한 우주를 이해하는 방법을 알아냈다면, 하이젠베르그, 슈뢰딩거 등 양자론을 만든 사람들은 아주 미세한 세상을 보는 방법을 개발했다. 상대론과 함께 20세기 물리학이 구축한 두 혁명적 업적 중에 하나인 양자론은 많은 사람들에 의해서 완성됐다고 할 수 있지만, 체계적인 기반은 슈뢰딩거가 만들었다. 그래서 양자론을 얘기할 때 ‘슈뢰딩거 방정식’을 말하게 된다. 그 본질은 파동현상과 같이 연속적인 물질 상태의 현상이 만족하는 소위 ‘고유치문제’라는 방정식이다. 우리가 알고 있는 입자들이 뉴턴역학적인 지배를 받지 않고, 모두 이런 파동적인 방정식을 만족한다는 것이다. 그래서 우리는 이 양자역학으로 모든 미시세계를 기술할 수 있다고 믿게 되었다 .

미세한 세계는 입자적일 수 있고, 파동적일 수도 있으며, 물질세계의 근본 구조는 비연속적이어야 한다는 사실을 일깨워 준 이론이 양자론이다. 일반적으로는 모순되어 보이는 개념들의 존재를 받아들이는 것은 실험이 증명하고 있기 때문이다. 양자론은 우리의 선입관을 넘어선 숨겨진 진실이 있음을 보여준다. 이러한 진실을 알아내고자 과학이 존재한다. 하이젠베르그는 이 한계를 규정하는 ‘불확정성 원리’를 밝혀내 입자와 파동간의 개념 차이란 의미없는 것이며, 오히려 두 개념을 합친 새로운 체계가 필요하다는 사실을 밝혔다.

슈뢰딩거는 당시 많은 물리학의 거장들과 달리 독창적인 아이디어로 학설을 만들지는 못했다. 그러나 그는 물리학, 화학, 식물학뿐만 아니라 그림, 독일 시, 고대언어 등에도 조예가 깊었다. 특히 그는 조국 오스트리아가 독일 통치 하에 들어간 것에 실망, 더블린으로 이주하면서부터 생명 자체에 대한 관심을 가졌다. 결국 1944년 『What is life』라는 책을 발간하게 되는데, 이 속에서 그는 유전코드(genetic code)의 존재에 대한 자신의 확신을 규명하려고 노력했다. 이 책은 많은 생물학자들이 DNA를 논하는데 참고서적으로 널리 인용되고 있다. 이러한 다양한 호기심 때문에 그의 강의는 명강이었다고 전해지며, 또 대중과의 만남을 즐겨했던 인물이었다.

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