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『발견의 기쁨』은 전체적으로 서로 연관되는 물리학의 중요한 주제를 중심으로 구성된 여러 개의 일화와 이야기들로 구성한 책이다. 이 책에서는 모든 과학자들이 성취하려고 했던 것, 즉 그들의 깊은 동기가 분명히 지엽적이 아닌 자연의 본질적 측면을 이해하려고 했던 것 이라는 점을 강조하고, 적어도 물리학 연구의 아름다운 목적에 대한 일반적인 의견을 다루고자 했다. 무엇보다도 아주 재능 있는 사람들이 피할 수 없는 역사적 현실 속에서 이상주의 적이라고 할 수 있는 목적에 그들의 일생을 바칠 때 어떤 일이 일어나느냐에 관한 이야기들을 담고 있다.

뉴턴(Newton)으로부터 물리학이 시작된 지 벌써 5세기가 지났다. 지금까지 5세기 동안 계속되고 있는 물리학의 탐구에 대한 이야기는 물리학 본연의 아름다움을 넘어서 감격적이고 흥미로운 인간의 이야기들로 이루어져 왔다. 첫 시작인 갈릴리(Galile)의 이야기는 물리학자들과 물리학자가 아닌 사람들 모두를 매혹시켰다. 지난 여러 해 동안 나는 수많은 그런 이야기들을 들어왔고 또 직접 보았다. 이러한 이야기는 과학의 진보라는 거대한 이야기 안에서 사람들의 얼굴과 이름을 떠올리게 하였고, 일반적으로 입에서 입으로 전해져왔다. 내가 장이론 강의를 하던 중, 에미 뇌터(Emmy Noether)의 기본 정리 부분을 끝내고, 나는 항상 이 유명한 수학자의 감동적인 이야기를 해주면서 학생들에게 숨 돌릴 시간을 주곤 했다. 학생들은 내 이야기에 완전히 빠져들었으며, 강의실에서 바늘 떨어지는 소리까지 들을 수 있었다. 내가 그런 이야기들을 책으로 쓰고 싶다는 생각은 물리학자들이 가지고 있는 재미나는 일화와 흥분을 전하고 싶은 마음뿐 아니라 물리학자들의 생애가 어떤 역사의 자애로운 힘이나 악의적인 힘에 의하여 어떻게 영향을 받는지를 전하고 싶은 마음에서 나오게 되었다.

이 책은 전체적으로 서로 연관되는 물리학의 중요한 주제를 중심으로 구성된 여러 개의 일화와 이야기들로 되어있다. 이 책에서 나는 모든 과학자들이 성취하려고 했던 것, 즉 그들의 깊은 동기가 분명히 지엽적이 아닌 자연의 본질적 측면을 이해하려고 했던 것 이라는 점을 강조하고, 적어도 물리학 연구의 아름다운 목적에 대한 일반적인 의견을 쓰려고 노력했다. 무엇보다도 이 책은 아주 재능 있는 사람들이 피할 수 없는 역사적 현실 속에서 이상주의 적이라고 할 수 있는 목적에 그들의 일생을 바칠 때 어떤 일이 일어나느냐에 관한 이야기들을 다루고 있다.

앞에서 나는 물리학의 아름다움이라는 말을 썼는데, 이 말에 대한 설명을 해야겠다. 일반적으로 사람들은 아름다움을 예술품과 연관시킨다. 루브르 박물관에 전시되어있는 장 오귀스트 도미니크 앵그르(Jan-Auguste-Dominique Ingres)의 그랑드 오달리스크(Grande Odalisque)가 왜 아름다운지를 설명하는 것은 어렵지 않다. 그것의 형체는 뛰어나며, 색상은 풍부하고 육감적이다. 그리고 광을 내는 피부의 결은 완벽에 가깝다. 모든 것이 너무나 자연스럽고 너무나 우아하다. 우리는 자연스러움과 우아함(간결함), 이 두 성분들을 과학에서도 발견할 수 있다. 물리학 연구의 궁극적 핵심은 예전에는 관련이 없다고 생각한 여러 개념들이 하나의 의미 있는 전체로 연결되면서 훨씬 더 쉽게 이해되고 우리 앞에 완전히 새로운 가능성을 열어주게 한다는 것이다.

예를 들면 아인슈타인의 일반 상대론(general relativity)이 알려지기 이전에는 시공간의 형태는 일반적으로 1차원인 시간과 3차원인 공간으로 된 연속체의 모양이라고 가정되었다. 더 솔직히 말해면 그렇다고 추측되었다. 그리고 나서는 이 추측된 공간 안에서 어떻게 물질에 의해 중력이 생기고 그 중력이 물질의 움직임에 영향을 주는지에 대한 문제를 연구했었다. 공간의 형태 자체는 이러한 연구와는 관련이 적을 뿐만 아니라 이 연구에 의하여 영향을 받지도 않았다. 그러나 일반 상대론이 공식화되고 실험적으로 증명되었을 때, 물질과 중력의 상호 작용이 바로 공간의 행태를 결정한다는 사실이 밝혀졌고, 그 후로 공간의 형태에 대한 추측은 더 이상 필요하지 않았다. 다시 말해 두 독립적인 연구들이 큰 전체의 다른 면들을 반영한다는 것이 판명된 것이다. 이 결과 공간의 진화가 연구될 수 있었고 근대 우주론이 탄생했다. 얼마나 우아하고 얼마나 자연스럽고 얼마나 간결한가! 그리고 얼마나 아름다운가!

나는 이 책의 이야기를 선택하는데 몇 개의 기준을 정했다. 우선 내가 이 책을 쓰는 데는, 어떤 숨은 의도가 없다는 것을 밝히기 위해, 내 자신의 연구와 관련이 있는 것은 가능한 제외하려고 노력했다. 또한 파인만(Feynman)의 미국의 유인 우주왕복선 챌린저호(Challenger)의 참사 조사에 참여한 이야기나 2차 대전 중 하이젠베르크(Heisenberg)와 보어(Bohr)의 만남 같은 잘 알려져 있는 이야기들은 멀리했다. 그리고 이 이야기들이 정확한지 의식적으로 확인하려고 노력하였고 대부분은 나의 좋은(그러나 틀릴 수도 있는) 기억에 의존했다. 만약 이 책에 부정확한 것이 있으면 나는 먼저 사과하고 고칠 준비가 되어있다. 그러나 나는 내가 쓰고 있는 사람들에 대한 나의 깊은 사랑과 존경이 이 책을 통해 빛나길 바란다. 이야기 자체를 보면 이 책은 일부 “무거운 내용”들을 포함한다. 그러나 만약 그 이야기들이 그렇게 주목할 만한 가치가 없고 중요하지 않거나 영향력이 없었다면, 나는 그러한 것들을 쓰지 않았을 것이다.

나는 종종, 내가 다루고 있는 사람들의 사고방식을 이해하려고 노력했다. 그럼에도 불구하고 내 해석의 일부가 분명히 논쟁을 일으킬 수 있을 것이다. 이것은 어떻게 보면 당연한 일일 것이다.

이 책에 있는 모든 축어적 인용들은 내가 기억하는 것들이나 내가 말했다고 들은 것들을 묘사한 것이다. 나는 이 인용들의 요점을 정확히 이해했기를 진심으로 바라고, 내가 그들의 입을 빌려 한 말들이 때에 따라 조금 고통스러울 수도 있지만 편안하고 유쾌하게 잘 이해되길 바랄 뿐이다.

이 책은 물리학과 그 뒷이야기에 관한 것이다. 처음에는 이 두 개가 아무런 공통점이 없다고 생각할 수 있다. 그럼에도 이들은 아주 가깝게 연결되어있다. 일반적으로 무엇을 이해 한다는 것은 그것을 이야기 형태로 표현할 수 있다는 것이다. 다시 말해서 만약 우리가 물리학 자체에서 숨은 이야기의 구조를 발견한다면 놀라울 것이 없다는 것이다. 실제로 물리학에는 세 가지 이야기 구조가 있다.

첫째로, 각 물리학 혹은 수학 논문은 그 자체의 이야기 구조를 가지고 있다. 증명들은 순간적인 것이 아니고, 때를 맞추어 개발된다. 재미있는 추리소설을 읽듯이 물리나 수학 논문을 예를 들어 보자. 여기서 주인공들은 여러 개념들이다. 그들의 모험은 논문의 모든 수식들을 통해 표시되고 마지막에는 그들은 변화되거나 새로운 개념으로 탄생된다. 물론 이런 이야기에는 보조역을 하는 인물들도 포함되나, 우리는 그들이 어떻게 되는지 별로 상관할 필요가 없다. 놀라울 것 없이 논문의 끝에서 우리는 “우리는 이점에 관하여 다시 이야기할 기회가 있길 바란다.” 같은 말들을 종종 보는데, 그러한 논문들은 실제로 할리우드 영화에서 말하는 속편에 해당되는 후속논문으로 이어진다.

둘째 단계에서는 모든 물리학을 통하여 흐르는 이야기, 즉 과학의 장엄한 이야기가 있다. 통괄적으로 이 이야기 안에서는 여러 가지 이론들이 주인공이다. 그들은 변화하고, 궁극적으로는 더 좋은 것으로 발전하거나 완전히 새로운 것으로 진화한다. 하나의 중요한 논문이 쓰여질 때마다 종전의 논문들은 암암리에 다시 쓰여지고, 우리는 몇 세기가 걸려서 발견된 것들을 몇 년 안에 젊은이들에게 쉽게 설명할 수 있게 된다. 비슷한 일들은 예술계에서도 일어난다. 소설가나 작가들은 글을 쓰기 시작하기 전에, 롱구스(Longus)와 페트로니우스(Petronius)의 작품으로 시작해서 그 동안 발간된 모든 소설을 읽지 않는다. 그 이유는 각 새로운 소설들이 지난 소설들의 지혜를 어느 정도 담고 있으며, 그것을 반영하기 때문이다. 톨스토이(Tolstoy)가 안나 카레니나(Anna Karenina)라는 작품을 썼을 때, 엠마 보바리(Emma Bovary)는 다시는 때어놓을 수 없는 동반자를 얻었던 것처럼 말이다.

마지막으로 물리학이 대화 구조를 가지는 세 번째 단계가 있다. 다시 말해서, 우리 인간의 삶으로 드러나는 것이다. 모든 과학이나 예술과 마찬가지로, 물리학도 인간이 하는 일이고 그 일을 하는 물리학자들은 서로 밀접히 사귀고 교류한다. 적절한 환경에서 일어나는 이들의 상호 교류는 빛나는 연구 결과와 아름다운 우정을 가져온다. 그러나 다른 면들도 있다. 물리학자들은 상아탑에서 살지 않으며 역사의 폐허에서 보호되지도 않는다. 아주 극적인 사태가 종종 불합리한 역사와 정치의 힘에 의하여 유발되기도 한다. 그리고 내가 관찰할 수 있었던 사람들의 이러한 삶이 내가 여기서 다루는 이야기의 초점이다.

내 생애동안 나는 역사에 의해 되풀이되는 연극들을 목격할 만한 기회를 내가 원했던 것보다 더 많이 가졌다. 이 연극들은 모든 사람들에게, 특히 물리학자든 수학자든 생물학자든, 과학자들에게 지울 수 없는 흔적을 남겼다. 내가 어린 시절을 보냈고 대학을 다녔던 루마니아에서는 전쟁 국수주의 독재자의 몰락 후에 순수 스탈린주의자(Stalinist)의 등장으로 무산계급 독재자의 시대가 전개되었다. 1956년 헝가리 의거는 나의 고향 티미소아라(Timisoara)에 여러 사건들을 불러 일으켰다. 그 당시 폴리테크닉 대학(Polytechnic Institute)의 학생이었던 나는 다른 학생들과 함께 군인들에 붙들려 일렬로 선채, 우리들에게 대포를 겨누고 있는 장갑차들 앞에 줄을 서서 마지막 운명을 기다리고 있었다. 그러나 분명히 어떤 이상한 이유로, 한편으로는 우리들에게는 운 좋은 이유로 공산당 책임자는 우리들을 없애지 않기로 결정했으며 우리는 살아났다. 그러나 이 사건은 나의 정치적 반란에 대한 민감성을 높이게 되었다. 나는 이 사건을 통해서 20세기를 문화적이라고 생각하면서 만났던 많은 물리학자들이 세상에 살면서 너무 자주 그리고 예상치 않게 나타난 위기들을 어떻게 대처해 나갔는지, 그 방법들에 대해 매우 많은 관심을 갖게 되었다.

비엔나 대학에서 대학원 학생 시절, 박사 과정 이후 제네바 대학과 프린스턴의 프린스턴 고등연구소 연구원, 그리고 시카고 대학에서 여러 해의 교수 생활을 하는 동안, 나는 자연의 모든 것을 설명할 수 있으리라 기대되는 오늘날의 “끈 이론(string theory)”의 바탕이 되고 있는 개념들의 발전에 참여하고 공헌할 기회를 가졌다. 이 여러 해 동안 나는 이 이론의 발전에 공헌한 사람들이 20세기 큰 사건들의 뚜렷한 영향을 입은 물리학자들과 가까운 접촉을 하고 있었고 같은 경험을 한 다른 물리학자들과 서로 그물처럼 엉켜있음을 알았다. 이러한 연관성을 바탕으로 나의 머리에 하나의 그림 즉 하나의 이야기가 형성되기 시작했고 이 괄목할만한 사람들의 이야기들이 의미 있는 전체로 조직화 되었다. 흥미롭게도 이 중요한 인간 이야기들이 물리학 자체의 이야기와 뒤얽히면서 나에게 이 책의 개념적 내용을 제공했다.

Peter Freund
Chicago
Spring, 2007

제 1 장. 한때 외톨이가 된 아인슈타인
제 2 장. 하이젠베르크(Heisenberg)의 차례
제 3장. 진정한 귀족
제 4장. 물리학의 양심
제 5장. 파사데나(Pasadena)의 마법사
제 6장. 모페르튀(Maupertuis)로 돌아가서
제 7장. 신의 언어
제 8 장. 에미 뇌터(Emmy Noether)와 추상에 대한 갈망
제 9장. 오스발트 타이히뮐러(Oswald Teichmuller)와 나치 과학
제 10장. 인간 존엄성의 자발적 붕괴
제 11장. 정치 속의 과학자들
제 12장. 과학에서의 유대인. 그리고 유대인에 대한 반발
제 13장. 스탈린과 양자
제 14장. 사하로프(Sakharov)가 키예프에 가다.
제 15장. 양(Mr. Yang)도 키예프로 가다.
제 16장. 스톤(Stone)의 시대와 페르미(Fermi)의 시대
제 17장. 세속을 초월한 선생님
제 18장. 오펜하이머, 그는 영웅인가 반(反)영웅인가？
제 19장. 비엔나의 물리학: 예전과 지금
제 20장. 유머 감각의 중요성
제 21장. 소련 방식
제 22장. 찬드라(Chandra), 열정적인 캠브리지(Cambridge) 신사
제 23장. 루마니아 수학의 발전과 쇠퇴
제 24장. 텔레그디(Telegdi)와 실험물리
제 25장. 집단의 지도자
제 26장. 새로운 차원
제 27장. 공간의 짧은 역사
제 28장. 다가오는 시대

맺음말 : 목적과 수단

몇 가지 추가 이야기
A. 하이젠베르크의 통일장 이론
B. 오펜하이머 이야기
C. Touschek 이야기
D. 퀴리 부인 이야기