19세기 과학의 한 장면: 패러데이와 맥스웰의 고군분투

패러데이 & 맥스웰 : 공간에 펼쳐진 힘의 무대 ㅣ 지식인마을 35
정동욱 지음 / 김영사 / 2010년 4월

지식인마을 시리즈 중 하나인 이 책은 패러데이와 맥스웰이 어떻게 전자기 현상을 이해하려고 고군분투했는지를 보여준다. 뒷부분으로 갈수록 상당히 전문적인 내용이 나온다. 맥스웰의 생각을 따라가며 벡터 미분과 적분을 마구 사용하여 논의를 전개하고 있는데, 이공계 전공자가 아니면 잘 이해가 안될 내용이다. 사실 이런 책이 나왔다는 자체가 놀랍기도 하다. 훌륭한 과학사 책이긴 하지만 대상으로 삼은 독자가 애매해 별 하나를 뺐다(별 다섯을 주고 싶기도 하다). 

사실 당시 패러데이와 맥스웰이 전자기 현상을 '이해'하고자 했던 방식이 현대 물리학까지 온전히 살아 남지는 못했다. 맥스웰은 전자기 현상을 역학적으로 이해하고자 했으며, 이 책은 그러한 지난한 과정을 상세히 보여주고 있다. 전자기파 역시 보통 파동과 마찬가지로 탄성 매질--'에테르'--를 통해 전파된다고 생각했다. 이 책 마지막에도 나오지만 에테르의 존재는 결국 부정되었다. 패러데이와 맥스웰의 전자기학은 현대 문명의 기반이 되었고 그 유용성이 거듭 증명되었지만, 결국 미시 세계에는 맞지 않았으며 양자 전기역학quantum electrodynamics으로 대체되었다. 하지만 만유인력 법칙이 여전히 로켓 궤도 계산에 쓰이는 것처럼 고전 전자기학도 거시 세계의 전자기 현상 계산--가령 휴대폰의 안테나 설계--에는 여전히 쓰이고 있다. 

이 책은 이러한 고전 전자기학이 어떻게 체계를 잡게 되었는지를 보는데 매우 유용하다고 할 수 있다. 더불어 과학이 어떻게 연구되는지 그 예시로서도 손색이 없다. 이 시리즈의 다른 책과 마찬가지로 함께 생각해 볼 내용이 "이슈"로 제시되어, "과학에서 모형은 어떻게 사용되는가?"에 대한 간략한 논의와 함께 책은 마무리된다. 이 부분이 좀 더 길었으면 좋았겠지만 개론서 역할인 이 시리즈의 한계인 것 같기도 하다[한편, 중간에 논의되는 맥스웰의 생각 부분(4장)은 완전 전문서적 같아서 난이도 조절에 조금 실패한 느낌도 있다]. 

19세기의 과학이 영국에서 어떻게 펼쳐졌는지를 설명하는 글의 도입부를 다음에 옮겨 놓는다.

  ... 19세기 영국의 상황은 지금과 무척 달랐다. 당시 과학은 전문가들의 활동이 아니었으며, 따라서 전문적인 과학자를 양성하는 교육 과정도 존재하지 않았다. 대학에서는 '자연철학'이나 '수학'이라는 이름으로 과학을 가르쳤지만, 이는 과학자를 양성하기 위한 것이라기보다는 기본 소양을 갖춘 사회적 엘리트를 배출하기 위한 교양 교육의 일환이었다.

  과학은 교양이자 문화로 향유되었지만, 직업으로 여겨지지는 않았다. 자연 현상을 탐구하는 사람과 그들의 토론 모임은 점점 많아지고 있었지만, 과학을 자기 계발이나 하나의 취미 활동 이상으로 생각하는 이들은 거의 없었다. 따라서 과학을 하고 싶은 사람은 스스로 과학 서적을 읽고 토론 모임에 참가하여 자비로 실험을 해야 했다. 이들은 '과학인man of science'으로서 명예를 얻었지만, '과학자scientist'로서 일을 하지는 않았다.

  과학이 점차 문화로 소비됨에 따라 그 문화적 컨텐츠를 생산하는 전문적인 사람도 필요해졌는데, 대학의 자연철학 및 수학 교수, 각종 과학 강연 기관의 교수와 떠돌이 과학 강사들이 그 역할을 맡았다. 각각 과학을 팔았던 대상은 달랐지만, 이들은 과학이 문화로서 소비되던 19세기의 몇 안 되는 직업 과학자들이었다. 그중 몇몇 사람들은 대학과 강연 기관 소속의 교수가 되어 실험실과 연구비 등의 지원을 받기도 했는데, 이들의 수는 조금씩 증가하고 있었다. '과학자'라는 말이 1830년대 영국의 학자 윌리엄 휴얼William Whewell, 1794~1866에 의해 처음 만들어져 통용되기 시작했다는 점은 이러한 시대적 변화를 반영한다. (24~25 페이지)

  한편 내용 면에서 19세기 중반 영국 대학의 교양 교육은 믿기 힘들 정도로 수학을 강조하고 있었다. 수학적 추론 능력은 사회적 엘리트가 갖추어야 할 가장 중요한 기본 소양으로 여겨졌고, 그래서 케임브리지 대학 같은 명문대학에서는 우등 졸업을 원하는 학생들에게 무척이나 까다로운 수학 시험을 보게 하기도 했다. 이러한 대학 교육 방식은 당시 대학 출신 과학자들의 독특한 연구 스타일을 형성하는 데 큰 영향을 미쳤다.

  패러데이와 맥스웰이 과학자로서 성장하며 경력을 쌓아가는 과정은 이러한 19세기 영국의 상황을 잘 반영하고 있다. 그럼에도 그 둘은 또한 19세기 영국 과학의 상반된 모습을 보여준다. 패러데이가 19세기 초중반의 영국을 보여준다면 맥스웰은 19세기 중후반의 영국을 보여준다. 또한 패러데이가 영국 사회의 노동 계층을 대표하는 반면, 맥스웰은 영국 사회의 엘리트 계층을 대표한다. 패러데이는 대중 과학 강연을 통해 과학을 습득했으며, 결국 강연 기관의 교수가 되어 실험가 겸 대중 강연가로서 활동했지만, 맥스웰은 영국 최고의 대학에서 과학적 훈련을 쌓은 후, 역시 대학의 교수로 재직하며 고도로 수학적인 연구를 수행했다. (26 페이지)

최무영 교수의 물리학 강의 개정판

<최무영 교수의 물리학 강의> 개정판이 드디어 출간됐다(오른쪽은 지금은 절판된 초판본). 책은 좀 더 두꺼워지고(560페이지에서 720페이지로 늘어남), 몇 개 장-강의-는 없어지고 일부 내용이 추가됐다. 가령 '전자기이론'은 예전에는 '고전역학' 강의의 뒷부분에 함께 언급되다가 개정판에서는 별도의 강의로 독립했고, 예전의 '엔트로피와 정보' 강의는 '엔트로피'와 '확률과 정보'로 분리됐다. '확률과 정보' 강의에는 요새 많이 회자되는 '베이스추론'에 대한 논의도 추가됐다. 책의 두꺼워짐은 이와 같이 내용이 늘어남에도 기인하겠지만 글자 크기가 커지고 한 페이지의 줄 수가 줄어든 것에도 영향을 받았을 것 같다(한 페이지의 줄 수는 25줄에서 23줄로 줄어듦). 전반적으로 페이지가 시원한(?) 느낌이 든다. 최무영 교수님은 '개정판을 내면서'의 글에서

개정판은 물리학을 소개하는 교과서로도 부족하지 않도록 표준의 '전문적' 내용을 꽤 추가하였습니다... 특히 최근의 연구로 얻은 새로운 결과들도 소개하였습니다. 그 대신에 부득이 물리학과 직접 관련이 없는 내용은 상당 부분 삭제하였습니다. 과학과 현대사회를 다룬 마지막 두 강의를 없앴고 곳곳에 담겨 있던 인문, 사회와 정치 관련 논의도 일부 지웠습니다. (16 페이지)

라고 개정판의 변화에 대해 설명한다. 그래서인지 전체적으로 예전의 교양강의 같은 느낌은 조금 줄어들고, 말씀대로 물리학 교과서의 느낌이 좀 더 강해졌다. 특히 '더 알아보기'라는 섹션이 생겨서 강의 마지막에 중요한 수식들을 보여주고 그 의미들을 논의하고 있다. 하지만 문학이나 예술과 연결 짓는 논의는 그대로이고 순우리말-"토박이말"-을 여전히 사용하여 읽는 맛이 있다.

예전에 이 책 초판본을 리뷰하면서 "우리에게 내려진 축복!"이라고 쓴 바 있다. 그 생각은 바뀌지 않았다. 여전히 "전공자와 비전공자 모두에게" 권한다. 책이 다시 발간되어 기쁘다.

  임의성이라는 성격에 나타나 있듯이 이론이라는 것은 인간의 창작물입니다. 하느님이 아니라 인간이 창조한 것이지요. 중요한 점은 상상력을 통해 창조되었다는 겁니다. 다시 말해서 개념과 기본원리 또는 가설 등은 상상력에서 출발했다고 할 수 있습니다. 이렇게 상상력으로 창조되었다는 점에서는 예술과 다를 것이 없습니다. 그러나 과학 이론은 물론 상상력만으로 다 이뤄지는 것은 아니지요. 진술을 이끌어 내고 자연과학의 구조를 정립하려면 당연히 논리 체계가 더해져야 합니다. 논리적 정합성이 유지되어야 함이 중요하지요. 

  널리 알려진 뉴턴의 중력법칙으로 예를 들어서 생각해 봅시다.... 이러한 뉴턴의 중력법칙은 어디에 존재할까요? 지구와 태양 사이에 있나요? 아니면 우리와 지구 사이에 있나요? 다시 말해서 자연에 내재해 있는 건가요? 자연과학의 법칙이 보통 자연에 내재해 있다고 생각하기 쉬운데, 엄밀히 말해서 이론 체계는 자연에 내재해 있다고 말할 수 없습니다. 그렇다면 어디에 존재하는 걸까요? 바로 우리 머리에, 곧 생각에 존재합니다. 물론 크게 보면 우리의 생각도 자연의 일부라고 할 수 있겠지만요.

  앞서 지적했듯이 이론 체계는 눈에 보이는 창조물은 아니지만 정신적 창조물입니다. 이러한 성격을 강조하는 뜻으로 ‘모형’이라는 표현을 씁니다. 다시 강조하면 이론 체계는 기본적으로 우리가 만든 모형이고 자연에 실재하지는 않습니다. (64~66 페이지)

  과학 이론은 기본적으로 상상력과 논리가 중요한 요소라고 할 수 있어요. 일반적으로 상상력에서 출발해 논리적 정합성을 유지하면서 이론을 구성해 갑니다. 그래서 아인슈타인이 “상상력이 지식보다 더 중요하다”고 말했지요. (71 페이지)

세계대전을 배경으로 한 그래픽 노블

그래픽 노블이란 한 마디로 만화책인데, 얼마 전 이런 멋진 그래픽 노블들이 있다는 것을 알게 됐다! 로맹 위고라는 프랑스의 젊은 작가가 세계대전을 배경으로 한 스토리에 그림을 입힌 것이다. 하드커버에 판형이 큼(220*297 mm^2)에 유의하면 좋겠다. 길이는 대개 150페이지 내외(<구름 저편에>는 104페이지)이니 한 시간 정도면 읽을 수 있다. 매우 사실적이고 정확한 세계대전 당시의 비행기 그림을 감상하면서 한 시간 정도를 즐길 수 있겠다. 마치 영화감상 하듯이... (물론 영화--움직이는 그림--은 아니다.) 세계대전이 배경이니 나름 연대에도 신경을 썼을 텐데도 불구하고(아닌가?), 묘사된 연도, 시기 등이 역사적으로 맞는지 갸우뚱할 때가 있다. 옥의 티? 하지만 이 책은 역사책이 아닌 만화책이다. 항공기와 세계대전에 관심 있는 분들은 그저 즐기시길... 그것으로 충분하다. 

스토리, 그림, 나오는 비행기 등등을 고려한 개인적 순위: 수리부엉이 > 에델바이스의 파일럿 > 앤젤윙스 > 구름 저편에.

원자는 실제로 존재하는가?

아톰 익스프레스 - 원자의 존재를 추적하는 위대한 모험 ㅣ 익스프레스 시리즈 1
조진호 지음 / 위즈덤하우스 / 2018년 12월

과학자들과 함께 원자를 찾아가는 흥미로운 여정을 그리고(문자 그대로!) 있다. 멋진 과학사 책이자, 과학이 어떻게 진보하고 만들어지는지를 생생히 보여준다. 살짝 아쉬운 점이 있긴 하지만, 다시 한 번 기립 박수를~!

살짝 아쉬운 점? 방정식 등호 앞 뒤와 단위 앞에 한 칸씩 띄지 않은 것, 온도를 나타내는 문자로 T를 썼다가 t를 쓰는 점, 칠판에 써 있는 식을 대충 그린 것,... ㅎㅎ

책의 마지막 부분 인용:

이 모든 과정을 보면 각자 다른 성향과 믿음을 품었지만 결국 이들[과학자들] 모두의 마음속에 같은 믿음 하나가 있었다는 것을 엿볼 수 있다. 우주가 어떤 법칙에 의해 돌아간다는 것이다.

'우주에는 인간의 의지나 희망과 관계없이 작동하는 법칙이 있으며, 그 법칙은 본질적으로 단순할 것이다.'

하지만 우주가 법칙에 의해 돌아간다는 것이 논리적으로 참인지 거짓인지 증명할 수는 없다. 그러니까 그것은 믿음의 문제인 셈이다.

이들 모두가 인정하는 F=ma라는 뉴턴의 식은 F=0이면(즉 외력이 0이면) 운동량이 보존된다는 것을 표현하고 있다. 이것은 진리인가? 이조차 진리인지 증명할 방법은 없다.

원자와 함께했던 고된 여정에서 우리가 보았던 것은 어쩌면 원자가 아닐지도 모른다. 우리는 그 여정을 통해 우리 자신을 본 것이다. 우리의 가능성을 보는 동시에 한계를 본 것이다. 

우리는 자연을 얼마나 있는 그대로 볼 수 있는가? 참된 실재를 보기 위해 우리는 어떤 선택을 해야 하는가? 완전히 신뢰할 방법은 무엇인가? 우리가 참된 실재를 보는 것은 가능한 일인가? (377~378페이지)

상당히 미묘하고 머리가 아프고 어쩌면 가당치 않은 마지막 질문을 던져본다. 

원자는 원래부터 존재했던 것이고, 그것을 발견한 것인가? 아니면, 우리 과학자들이 원자를 존재하게끔 만들어낸 것인가?

어떤 이들은 절대적으로 옳은 참된 세계는 우리의 인식과 별개로 존재한다고 믿고 있다. 이들이 감각 가능한 세계를 탐구하는 이유도 궁극의 참된 세계를 이해하기 위함이며, 도달하기 힘들지라도 그 참된 세계에 끊임없이 다가갈 수는 있다는 믿음을 가지고 있기 때문이다. 이런 믿음에 기초한 불굴의 노력이 원자의 발견이라는 찬란한 성과에 닿은 것이다. 이런 의미에서 원자는 원래부터 있었고, 분명하게 발견된 것이라고 할 수 있다. 볼츠만, 아인슈타인 같은 사람들은 이에 동의할 것이다.

다른 견해를 가진 과학자도 있다. 푸앵카레는 참된 실재는 알 수도 없고 알 바 아니라며, 인간의 정신이 만든 창조물이 있을 뿐이라고 말한다. 그는 뉴턴의 운동법칙 F=ma는 참인지 거짓인지를 판단할 수 없으며 실재의 우주와 무관한 인간의 자유로운 정신이 만든 창조물이라고 생각했다. F=ma 같은 법칙들은 일종의 규약인 것이고, 이 규약으로부터 유추한 원자도 본질적으로 우리가 만든 창조물이라고 생각했다. 일반적으로 규약은 인위적이며 쓰임의 영역이 비좁다. 그런데 규약으로서의 법칙은 너무나 유용했기에 살아남은 것이라고 했다. 법칙은 실재가 아니지만 생산적이라는 주장이다.

여러분의 생각은 어떠신지? (379페이지)

Space Oddity - Astronaut Chris Hadfield

우주비행사란 진정한 고독을 즐기는 사람들... 눈을 떼지 못하고 봤다. :) 우주 공간에 나가면 인간이란 얼마나 미약한 존재인가. 그럼에도 불구하고...