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상대성 이론 탄생 후 100년… 지난 100년을 되돌아 본다.
2005년은 《애널스 오브 피직스 Annals of Physics》라는 독일어판 학술지에 무명이었던 아인슈타인이 논문 〈상대성 이론〉을 발표한 지 꼭 100년이 되는 해이다. 이 역사적인 사건은 후에 20세기 과학의 내용뿐만 아니라 철학사상을 비롯한 다른 여러 분야에도 커다란 영향을 미쳤다. 지금은 흔하게 일상처럼 회자되는 ‘상대성 이론’에 대해서, 우리는 과연 제대로 알고 있다고 말할 수 있는가?
“사실, 나는 어떤 학생도 포기하고 싶지 않다. 강의 중에 내가 부지불식간에 그런 실수를 저질렀을지도 모르지만, 순전히 강의가 어렵다는 이유만으로 우수한 학생이 낙오되는 것은 누구에게나 불행한 일이다.” ―리처드 파인만
파인만의 또 다른 물리 이야기
―아인슈타인의 상대성 이론, 대칭성, 그리고 시공간에 대하여…
More Feynman! More Feynman!
위의 구호는 파인만의 물리학 강의에 중독된 여러 독자들의 외침이다. 아니, 리처드 파인만이 누구이기에 이런 신흥종교에서나 흘러나올 법한 중독성 강한 구호를 외치게 하는 것인가?
리처드 파인만은 미국이 낳은 가장 위대한 물리학자이다. 파인만은 훌륭한 스승이자, 문화의 표상이기도 했다. 그의 자서전과 전기는 전 세계 수백만의 사람들에게 읽혀졌고, 넘치는 재기와 비범한 기행은 TV나 연극, 영화를 통해 소개되는 등 아인슈타인 이후, 가장 뛰어난 물리학자라 일컬어지며 대중의 스타가 되었다. 이런 파인만의 많은 부분은 아인슈타인과 닮아 있다. 바이올린과 봉고 드럼을 연주하던 그들의 과학적 본질은 예술적 재능과 뛰어난 미적 감각에 닿아있다. 그래서 그들의 이론은 창의적이며 미려할 수 있었다.
파인만이 가장 자랑스러워 했던 칼텍(캘리포니아 공과대학)에서의 강의를 담은 『파인만의 물리학 강의』 중 쉬운 여섯 개의 강의를 선정해서 만든 『파인만의 여섯가지 물리 이야기』가 출판되자, 수많은 사람들이 그의 강의에 매료되어 "파인만의 물리학 강의를 더 듣고 싶다! 더 출판해 달라!"는 요청을 출판사에 끊임없이 했다. 그래서 파인만의 원조 강의록인 『파인만의 물리학 강의』에서 아인슈타인의 상대성 이론, 대칭성, 시공간에 관한 여섯 개의 장을 추가로 발췌하여 『파인만의 또 다른 물리 이야기』를 출판하게 된 것이다.
아인슈타인이 상대성 이론을 내놓았을 당시, 이 난해를 이해한 자가 전 세계에 단 12명에 지나지 않았다는 신화가 생겨났다. 아인슈타인이 상대성 이론을 최초로 제출했을 무렵에는 이 신화가 대단한 과장은 아니었으리라. 하지만 이 신화의 수명은 길고 그 흔적은 아직도 남아있다. 상대성 이론에 관한 논문은 지금도 매년 넘쳐나고 있기 때문이다.
'이제 우리에게는 최고의 스승이라 일컬어지는 파인만을 통해 소박한 천재 아인슈타인의 즉흥작품 모두를 교감할 수 있는 기회가 주어졌다. 아인슈타인이 어린시절에 아버지에게 받았던 자침이 애써 북쪽만 가리키려 하고 지면을 향하여 하강하려는 모습을 보임으로써 아인슈타인에게 중력의 경이로움을 깨닫게 해주었던 것처럼, 이 책이 20세기 물리학의 진수라 할 수 있는 상대성 이론을 제대로 이해하는 데 올바른 방향을 제시할 자침의 역할을 했으면 하는 바람이다.
■ 파인만이 강의하는 상대성 이론
“이 책에서는 블랙홀과 웜홀, 원자 에너지, 휘어진 시공간 등 현대 물리학의 분수령이 된 상대성 이론을 주로 취급했다. 그러나 상대성 이론의 아버지였던 아인슈타인조차도 그 난해한 내용을 파인만처럼 명쾌하게 설명하지는 못했다.”
『파인만의 또 다른 물리 이야기』는 그다지 만만한 책은 아니다. 만화처럼 편하고 쉽게 읽어서 이 책에서 다루는 상대성 이론을 심원한 부분까지 이해하려 든다면 그건 정말 그릇된 욕심이다. 서점에 상대성 이론에 관한 책이 넘쳐나도 우리에게는 항상 제대로 알고 있지 못함에 대한 찜찜함이 남아 있었다. 이건 보통 사람들의 문제만은 아니다. 과학과 수학을 공부하겠다고 나선 이과 고등학생들과 대학생들조차도 이 이론을 본질적으로 이해하는 이는 소수에 불과하다. 하지만 파인만이 상대성 이론에 관해 강의한 이 책은 그 동안의 다른 상대성 이론에 관한 책들과는 확실히 다를 것이다. 파인만이 이해하고 해석한 상대성 이론을 학생들이 알아들을 수 있게 쉬운 형태로 구성하여 마음먹고 기획한 강의이기 때문이다. 지금 한번 도전해 보자. 아마 『파인만의 또 다른 물리 이야기』는 상대성 이론의 정복을 향한 마지막 기회를 제공할 지도 모른다.
그러면 파인만을 통해 듣는 상대성 이론은 뭐가 다를까?
최고의 전문가에게 듣는 20세기 가장 위대한 이론!
리처드 파인만은 위대한 물리학자이기도 했지만 또한 위대한 스승이기도 했다. 누가 뭐라 해도 그는 분명히 20세기가 낳은 천재적인 이론물리학자이다. 그는 현대물리학의 기둥인 양자역학의 핵심을 이루며 최첨단의 후속 연구를 가능하게 했고, 오늘날 우리들의 자연관을 형성하는 데 지대한 영향을 미쳤다. 파인만의 경로적분Feynman path integral과 파인만 다이아그램Feynman diagram, 그리고 파인만 법칙Feynaman rules 등은 현대 이론물리학자들이 양자역학을 현실세계에 적용할 때(전자, 양성자, 중성자에 대한 양자이론 등) 없어서는 안 될 연구수단이 되었고, 여기서 유도된 모든 법칙들은 아인슈타인의 특수 상대성 이론과도 멋지게 부합되었다. 그만의 군더더기 전혀 없는 독특한 접근 방식은 항상 우리를 명쾌한 해답으로 안내해주었다. 그의 탁월한 연구 능력과 교수법 사이에는 밀접한 관계가 있다. 아무리 복잡한 문제라 해도 그의 사고를 거치면 어린 아이도 이해할 수 있는 단순 명료한 원리로 둔갑하곤 했다.
아인슈타인이 시공간의 아이디어를 처음 떠올렸을 때, 그는 그것을 철저히 자신의 생각대로 밀고 나가 멋진 성공을 거두었다. 그것이 바로 일반 상대성 이론이다. 여기에 휘어진 시공간의 개념이 도입되었고 중력의 실체를 더욱 원리적인 단계에서 이해할 수 있었다. 물론 일반 상대성 이론도 이해하기 어렵기는 마찬가지다. 그러나 파인만은 복잡한 수식이 아닌 일상적인 사례를 들어가며 아인슈타인의 이론을 너무나 쉽게 설명하고 있다. 이는 시공간에서 양자역학을 다루는 그만의 고유한 방법이 있었기에 가능했다. 파인만의 시공간 다루기는 지금도 물리학자들에게 없어서는 안 될 강력한 도구로 평가받고 있다. 상대성 이론은 어설픈 철학도 아니고 시간과 공간을 그저 하나의 공간에 담아놓은 수학이론도 아니다. 그것은 우주의 운영 원리를 아주 구체적으로 규명한, 현대물리학의 빛나는 전리품인 것이다. 파인만이 지향했던 목표는 항상 진지했다. 우리의 우주를 더더욱 깊이 이해하는 것보다 더 진지한 목표가 어디에 있겠는가? 사람들에게 우주를 이해시키는 방면에서 파인만은 단연 최고 중의 최고이다. 이 책을 읽는 독자들은 파인만의 상대성 ? 肩極?대한 강의를 통해 어떤 영감이나 아이디어를 떠올릴 수 있을 것이다. 또한 생각하는 즐거움은 물론이고 한 걸음 더 나아가 그 아이디어를 더욱 큰 규모로 확장해나갈 지도 모를 일이다.
Six Not So Easy Pieces 파인만의 또 다른 물리이야기
“이 책을 읽는다는 것은 뉴턴이나 아인슈타인과 어깨를 나란히 한다는 뜻이다.
독자들은 이 책에서 커다란 만족과 함께 더욱 심오한 질문을 던지고 싶은 충동을 느끼게 될 것이다. 우주를 바라보며 “왜?”라는 질문을 한 번이라도 떠올린 적이 있는 사람에게라면 이 책을 강력하게 권하고 싶다.”
-미치오 카쿠, 『초공간 Hyperspace』의 저자
“물리학에 대한 파인만의 설명을 단 한 번도 들어보지 못한 불운한 사람들은
지금이 바로 절호의 기회이다. 이 강의록에는 파인만의 위트와 천재성이 고스란히 담겨있다."
- 존 호건, 『The End of Science』의 저자
■ 역자서평 -박병철
물리학의 역사를 바꾼 천재들은 타인과의 의사소통에 대체로 무능했다고 전해진다. 뉴턴은 고전물리학을 완성한 불세출의 천재였지만 캠브리지 대학에 개설된 그의 강의는 너무도 난해하여 학생들에게 철저히 외면당했으며, 현대물리학의 상징인 아인슈타인은 자신의 심오한 이론을 심오한 언변으로 전달하지 못하여 당대의 석학들 중 상대성이론을 제대로 이해하는 사람은 손으로 꼽을 정도였다고 한다. 그러나 천재들의 이러한 무능함은 세상 사람들에게 너그럽게 이해되었을 뿐만 아니라, 오히려 그들의 인간적인 단면을 보여주는 사례로 회자되었다. 자연의 섭리를 꿰뚫어보는 통찰력과 그것을 사람들에게 전달하는 언변은 같은 부류의 자질이 아니라는 심증 때문이었을 것이다. 그러나 이 두 가지는 흔히 정 반대의 자질로 간주되는 경향이 있어서 ‘달변의 천재’라는 표현에는 왠지 어색함을 지우기가 어렵다.
리차드 파인만은 뉴턴이나 아인슈타인과 비교할 때 결코 빠지지 않는 천재였다. 그는 고전 전자기학의 양자역학적 버전인 양자전기역학(QED)을 완성했을 뿐만 아니라, 입자물리학을 연구하는데 필수적 도구인 경로적분과 파인만 다이아그램을 창시하는 등 후대의 물리학자들에게 엄청난 유산을 남겨주었다. 그러나 파인만은 이러한 업적들보다 강의 잘하는 교수로 더욱 잘 알려져 있다. 한마디로 그는 ‘달변의 천재’였던 것이다.
파인만이 학생들에게 그토록 사랑을 받았던 이유는 최고로 난해한 물리학 이론을 학부생들의 이해수준을 넘지 않으면서 완벽하게 설명해냈기 때문이다. 물론 여기에는 그의 타고난 달변이 큰 몫을 했지만, 그의 강의를 접하다 보면 자연에 대한 그의 이해가 얼마나 깊었는지를 수시로 실감하게 된다. 그의 깊은 이해는 곧바로 자신감으로 이어지고, 자신감은 재기 발랄한 유머로 표출되어 청중들의 눈과 귀를 사로잡았다. 그의 입을 거치면 어렵고 따분한 물리학은 예외 없이 흥미진진한 이야기 거리로 재탄생되었는데, 그렇다고 해서 흥미를 유발시키기 위해 논리의 요지를 흐리는 일은 결코 없었다. 그의 기발한 유머는 학생들의 이해를 돕기 위한 수단이었을 뿐이다.
교수의 강의내용이 책으로 출판되는 것은 흔한 일이 아니다. 대부분의 강의는 이미 출판된 책을 교재로 삼아 진행된다. 그러나 기존의 물리학교재에 불만이 많았던 파인만은 칼텍(Caltech)의 학부생들을 위하여 새롭게 강의노트를 만들었고, 그 강의에 탄복한 학생과 교수들은 일과성 과목으로 지나가는 것이 너무나도 아쉬워서 책과 녹음테이프로 그의 강의를 영원히 남기기로 하였다. 이렇게 탄생한 책이 바로 그 유명한 <파인만의 물리학강의 Feynman Lectures on Physics, vol. 1~3>이며, 『파인만의 또 다른 물리 이야기』는 그 중 상대성이론과 관련된 여섯 개의 장을 발췌하여 편집한 것이다. 상대성이론을 다룬 교재는 헤아릴 수 없을 정도로 많지만 ‘파인만식 이해 법’에는 확실히 다른 점이 있다. 그의 강의를 듣고 있노라면 물리학의 신처럼 추앙되는 아인슈타인이 마치 친구처럼 느껴지는 것이다. 이것은 파인만이 구사하는 유머 때문이 아니라, 최첨단의 과학이론을 지식의 최소단위로 낱낱이 해부하여 식탁 위에 먹기 좋게 차려주는 그의 탁월한 조리능력 덕분일 것이다.
최첨단의 과학이론은 물론 어렵고 난해하지만 알고 보면 모두가 기초적인 지식과 상식의 조합에 지나지 않는다. 그러나 이 사실을 알기 위해서는 아주 사소한 최소단위의 모든 지식들을 하나의 일관된 논리로 이해해야만 한다. 이 작업을 스스로 할 수 있는 사람은 천재이고, 그렇지 않은 사람은 파인만의 도움을 받을 수 있다. 파인만은 소수의 천재들만이 알아볼 수 있는 편협한 천재가 아니기 때문이다.
“바보가 이해할 수 있는 것은 나도 이해할 수 있다” ―파인만의 천재성은 생전에 그가 자주 언급했던 이 한마디에 고스란히 담겨있다. 이것은 단순히 듣는 사람의 자신감을 북돋는 말이 아니라, 자연의 심오한 원리를 완전하게 이해한 선발대원이 후발대원에게 전달하는 고급 정보이다. ‘하면 된다’는 식의 강요가 아니라 ‘될 수 있기에 한다’는 지극히 상식적이고 설득력 있는 파인만 특유의 메시지인 것이다.
♧ 저자 소개
지은이 리처드 파인만
“노벨 물리학상 수상자인 파인만은 자신이 물리학계에 남긴 가장 큰 업적을 무엇이라고 생각했을까? 그것은 QED도 아니었고, 초유체 헬륨이론도, 플라톤 이론도, 파톤 이론도 아니었다. 그가 생각했던 가장 큰 업적은 바로 표지 위에 ‘파인만의 물리학 강의’이라고 자신의 이름이 크게 새겨져 있는 3권의 강의록이었다!”
생각과 농담을 동시에 구사하는 100% 천재에 100% 익살꾼!
파인만의 연구동료이자 저명한 물리학자 겸 작가였던 다이슨(Freeman Dyson)은 코넬대학의 대학원생이었던 1948년에 영국에 있는 부모에게 다음과 같은 편지를 썼다. “저희 학교에 파인만이라는 젊은 미국인 교수가 있는데요, 반은 천재고 반은 익살꾼이예요. 그의 생기 넘치는 농담 덕분에 물리학과 교수님들과 아이들은 웃느라고 정신이 없어요. 하지만 저도 최근에 알았는데, 그분에게는 그 이상의 무언가가 있는 것 같아요…” 그리고 세월이 한참 지난 1988년에 다이슨은 또 한 장의 편지를 썼다. “제가 잘못 알았어요. 파인만은 100% 천재에 100% 익살꾼이에요. 그의 깊은 사고력과 재기 넘치는 익살은 분리될 수 없는 그만의 특성이더군요… 파인만은 생각과 농담을 동시에 구사할 줄 아는 사람이었어요.” (다이슨이 쓴 편지의 원본은 그의 저서인 『From Eros to Gaia(Phantom Books, New York, 1992』 의 325페이지와 314페이지에 수록되어 있다)
―물리학자이자 미래학자인 프리먼 다이슨이 파인만을 회고하며
리처드 파인만(Richard P. Feynman:1918~1988)은 아인슈타인 이후 20세기 최고의 천재물리학자로 평가되는 미국의 과학자다. 뉴욕 출신으로 MIT와 프린스턴 대학에서 물리학을 공부했으며, 2차 대전 중에는 원자폭탄 제작에 참여하기도 했다. 코넬 대학의 교수를 거쳐, 1951년부터 1988년 사망할 때까지 칼텍(캘리포니아 공과대학)에서 교수로 재직했으며, 1965년에 양자전기역학 이론으로 노벨 물리학상을 수상했다.
그의 대표적인 저서로는 파인만의 물리학 강의 , 파인만의 여섯가지 물리 이야기, 파인만의 또 다른 물리 이야기, 일반인을 위한 파인만의 QED 강의, 발견하는 즐거움, 과학이란 무엇인가? 등이 있다. 위의 책들은 도서출판 승산에서 이미 출간했거나 앞으로 출간할 예정이다.
리처드 파인만은 재기 넘치는 유머와 익살, 짓궂은 장난의 달인이자 훌륭한 봉고 드럼 연주자였으며, 말년에는 중앙아시아의 투바를 여행할 계획을 세울 정도로 끝없는 열정의 소유자였다. 그는 명석한 두뇌의 소유자였고 계산도 엄청나게 빨랐다. 게다가 마야의 고문서를 해독하는 데에도 일가견이 있었다. 노벨 물리학상을 수상한 경력을 굳이 언급하지 않더라도 파인만의 천부적인 능력은 거의 모든 분야에서 빛을 발했다. 파인만을 제대로 아는 사람이라면, 그가 20세기의 가장 뛰어난 사고력의 소유자라는 사실에 모두 동감할 것이다. |
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