폴 디랙 - 양자물리학의 천재 폴 디랙의 삶과 과학 -

'1디랙'
한 시간에 평균 한 단어를 말하는 사나이. 디랙의 동료들은 폴 디랙의 과묵함의 단위를 '1디랙'이라 정의했다. 이렇게 과묵한 성격 탓에 사람들에게 아인슈타인이나 닐스 보어만큼 널리 알려져 있지는 않지만 폴 디랙이 현대물리학에 남긴 업적은 눈부시다. 그는 양자물리학의 기초를 다진 주역이자 디랙 방정식을 통해 반전자를 처음으로 예측한 인물이다. 폴 디랙은 특이한 성격으로도 유명했는데 극단적으로 논리를 중요시하는 태도와 한 시간에 한마디 말도 하지 않을 정도로 과묵하고 수줍음을 타는 성격은 그를 '가장 이상한 사람'으로 불리게 만들었다.

이 책의 저자인 그레이엄 파멜로는 폴 디랙의 어린 시절부터 시작하여 그의 성장 과정과 교육환경, 그가 남긴 과학적 성취와 그 당시 양자물리학의 태동단계였던 과학적 시대상에 대해 세세히 다룬다. 더불어 공개적으로는 오직 과학에만 관심이 있다고 알려진 과학자 폴 디랙의 삶 이외에도 그의 사랑 이야기와 가족, 우정에 이르기까지 인간 폴 디랙의 삶 또한 빠짐없이 담겨 있다.

20세기의 가장 혁명적인 과학적 성취인 양자역학은 실재의 본질, 그리고 무엇이 이 세계의 확실한 진리인지에 관한 기나긴 선입견을 뿌리 뽑았다. 폴 디랙은 원자와 분자 및 그 구성요소들에 관한 현대적 이론인 양자역학의 세계적 선구자였다. 디랙의 찬란하고 열정적인 과학자로서의 삶의 이야기가 과학 팬들에게는 지적 탐구를 충족시켜주고 폴 디랙이라는 한 개인의 세밀한 인생사를 전해줄 것이다.

폴 디랙에 관한 그 첫 번째 책을 도서출판 승산에서 국내에서 처음으로 출간하게 됐다. 폴 디랙이 물리학에 남긴 업적과 그의 천재성을 생각한다면 부끄러운 일이라고도 볼 수 있다. 도서출판 승산은 양자물리학에 관한 도서의 선두에 서 있다는 책임감과 리처드 파인만의 전기를 다룬 『천재』와 『퀀텀맨』, 앨런 튜링의 전기인 『너무 많이 알았던 사람』, 머리 겔만을 다룬 『스트레인지 뷰티』, 존 내쉬의 전기인 『뷰티풀 마인드』등 위대한 과학자와 수학자들의 전기를 출간한 노하우를 담아 폴 디랙의 전기를 출간하게 되었다.

'양자 기술의 시대를 연 폴 디랙'
21세기는 양자 기술의 시대다. 양자 암호, 양자 컴퓨터, 양자 통신과 같은 과학,기술분야에 양자기술이 사용되면서 양자물리학의 활용은 무궁무진하고 그 전망 또한 밝다. 그렇다면 그 양자물리학은 어떻게 태동되고 발전되었을까.
양자물리학의 역사는 상대성 이론과 함께 현대 물리학의 역사 그 자체라고도 할 수 있을 정도로 스펙터클하고 광활하다. '양자'라고 불리게 되는 에너지 묶음을 발견한 막스 플랑크부터 시작해 양자 아이디어를 응용해 양성자 주위를 공전하는 전자의 행동을 서술한 닐스 보어, 전자가 파동과 입자라는 이중성을 지녔다는 충격적인 제안을 한 루이 드 브로이, 파동역학 이론에서 원자 오비탈을 유도한 에르빈 슈뢰딩거부터 불확정성원리를 주장한 베르너 하이젠베르크까지 위대한 과학자들이 양자역학의 탄생과 발전에 기여했다. 그런 격동의 시절, 웬만큼의 천재 과학자가 아닌 이상 양자물리학의 역사에 이름을 남길 수 없었는데 그 역사적 과정의 주역들 중에 양자 이론과 특수상대성 이론을 결합해 전자의 스핀과 반전자의 존재를 예측한 폴 디랙이라는 위대한 과학자가 있었다.
상대성 이론으로 유명한 아인슈타인이나 교과서에서도 나오는 닐스 보어와 달리 물리학 전공자가 아닌 사람에게 폴 디랙은 거의 알려지지 않았다. 하지만 디랙이 현대 물리학에 남긴 업적은 눈부신데 한 논문에서는 '디랙의 업적은 보어와 대등한 수준이고, 디랙을 능가하는 것은 오직 아인슈타인뿐이다'라고 평했을 정도이다. 20세기는 물리학의 시대였던 만큼 본인이 원했다면 아인슈타인만큼 유명해질 수 있었던 폴 디랙은 과묵하고 수줍음을 많이 타는 성격 때문에 유명해지지 못했다.
이 책은 폴 디랙의 전반적인 삶과 과학에 대해 다루고 있다. 그의 유년 시절부터 드러난 천재성부터 시작해 양자역학의 공동발명과 디랙 방정식을 통한 반전자의 예측 등 그의 과학적 업적에 대해 세세히 다루고 있다. 더불어 공개적으로는 오직 과학에만 관심이 있고 극단적으로 논리를 중요시하며 과묵하다고 알려진 삶 이외에도 애정 어린 남편이자 아이들을 사랑하는 아버지였고 친구들과의 우정을 중히 여기는 개인적인 면모까지도 다룬다. 마지막으로는 저자인 그레이엄 파멜로가 분석하는, 폴 디랙이 자폐에 걸린 사람일지도 모르는 사람이라는 가능성과 그가 과학사에 남긴 유산에 대해 말하고 있다.

'어렸을 때는 사랑이나 애정을 몰랐다네'
유년 시절 그의 부모님에 대해 폴 디랙은 이렇게 말했다. 디랙의 회상에 의하면, 가장인 아버지는 밤낮으로 아내를 괴롭힌 폭군이었다. 게다가 자신의 모국어인 프랑스어를 영어 대신에 자식들한테도 쓰라고 강요했다. 이렇게 억압적인 아버지와 그런 아버지에 의한 형의 자살 등의 사건들은 폴 디랙을 말수가 아주 적고 감정이 무디며 직설적인 사고방식의 소유자로 만들었다.

'감히 신발 끈도 매어줄 수 없는 학생, 폴 디랙'
폴 디랙의 학창시절은 그 누구보다 남달랐다. 교실의 다른 아이들이 숙제를 제시간에 끝내느라 끙끙대고 있을 때 디랙은 집에 앉아서 공간과 시간의 본질에 대해 오랫동안 생각하고 있었다. 대학교에서도 그의 천재성은 유감없이 나타났다. 브리스틀 대학교에서는 공학 학위를 수석으로 받았다. 디랙의 지도교수는 '내가 감히 신발 끈을 매어줄 수도 없는 학생이 강의에 왔다. 디랙이라는 아주 젊은 친구였다. 그의 천재성은 공학에서 싹트기 시작하더니 수학에서 무럭무럭 자라나고 있었다.'고 말한 일화가 있다. 케임브리지 대학교에서는 교수 에버니저 커닝햄에게 '수리 물리학 분야에서 내가 만난 가장 독창적인 학생'이자 '타고난 연구자'라고 이야기를 들을 정도였다.

'천재성과 광기 사이에서 줄타기를 하는 31세의 노벨물리학상 수상자'
폴 디랙이 닐스 보어의 지도아래 있을 때 그는 양자역학의 이론체계를 건설하는 업적을 세우게 된다. 하이젠베르크가 내놓은 양자역학의 기초 논문을 보고, 비가환 대수학을 기초로 하여 별도의 양자역학 이론체계를 건설한 것이다. 이 업적을 본 아인슈타인은 디랙을 보고 이렇게 말했다고 한다.'천재성과 광기 사이에 있는 아찔한 길 위에서 이렇게 균형을 잡고 있다니, 정말 감탄스럽네'
디랙은 또한 상대성이론과 양자론의 통합이라는 업적을 세웠다. 디랙에게 상대성이론이란 매우 특별한 것이었는데 1919년 그가 [타임스]에서 일반상대성이론이 에딩턴의 일식 관측을 통해 증명됐다는 기사를 접했을 때 그의 인생에 가장 큰 과학적 영향이었다고 말한다. 하지만 이 상대성이론은 양자론과의 통합문제에서 모순을 보이는 것 같았는데 디랙은 디랙방정식이라는 상대론적 파동방정식을 세워 이 둘을 통합하는 상대론적 양자역학을 개척하였다. 이 방정식을 통해 전자의 스핀과 반물질의 존재를 처음으로 예측함으로써 그는 31세라는 젊은 나이에 노벨 물리학상을 받았다.

'괴짜적 성격 뒤에 숨겨진 사랑꾼의 면모'
이렇게 디랙은 오직 과학에만 관심이 있는 괴짜로 알려져 있지만, 개인적으로 그는 따뜻한 성격의 인간적인 사람이었다. 그는 아내인 맨시에게 열정적인 사랑꾼이었다. 그는 아내에게 '시간이 가면 갈수록 당신이야말로 나에게 딱 맞는 여자라는 걸 알겠어요', '설령 내 연구에 더 이상의 성공이 없더라도 당신과 함께라면 나는 행복하게 살 수 있어요'라는 연애편지를 쓸 정도로 아내를 사랑했다. 아내뿐만이 아니라 그는 '딸바보'란 이야기를 들을 정도로 아이들에게는 자상한 아버지였다. 또한 가장 친한 동료이자 친구인 카피차가 소련에 억류되었을 때 그를 석방하기 위해 그 누구보다 발 벗고 석방 운동에 나서는 등 우정을 중시하는 사람이기도 했다. 이외에도 베토벤과 렘브란트에서부터 미키마우스까지 대중문화에도 관심사가 넓은 폴 디랙의 인간적인 면모를 다루며 이 책은 과학자 폴 디랙이 아닌 인간 폴 디랙의 모습을 보여주기도 한다.

위대한 사상가들은 언제나 사후에 생산적이다. 이런 기준으로 볼 때 디랙은 가장 위대한 과학자 중 한 명이라고 할 수 있다. 그가 도입한 과학적 개념들은 지금도 발전되고 있으며, 현대적 사고에 여전히 요긴하고 지금의 과학자들에게 풍부한 사고의 원천이 되어가고 있다. 작가는 책을 마무리하며 지금의 과학자들에게 폴 디랙이 이렇게 말했으리라 예상한다. "항상 열린 마음을 갖고, 자신들이 기초물리학의 완성 지점에 있다고 결코 착각하지 마세요. 지난 경험이 지나가고 나면 결국에는 새로운 혁명이 뒤따를 것입니다. 무엇보다도 자신의 감정을 따르세요." 

지은이 : 그레이엄 파멜로
런던에 있는 과학박물관의 과학통신부를 관할하고 있으며, 미국 노스이스턴대학교 물리학과 부교수로 재직 중이다. 엮은 책으로는 <여기 그리고 지금: 박물관과 과학센터에 있는 현대 과학기술> <최근 연구에 대한 공적 이해, 박물관, 그리고 관계 생성하기>가 있다.

옮긴이 : 노태복
환경과 생명운동 관련 시민단체에서 해외 교류 업무를 맡던 중 번역가의 길로 들어섰다. 과학과 인문의 경계에서 즐겁게 노니는 책들 그리고 생태적 감수성을 일깨우는 책들에 관심이 많다. 저글링을 하면서 즐겁게 살고 있다. 옮긴 책으로는 《소리의 과학》 《얽힘의 시대》 《교양인을 위한 수학사 강의》 《리처드 파인만》 《수학자가 아닌 사람들을 위한 수학》 《미로 속의 암소》 등이 있다.

프롤로그

 폴 디랙 : 양자물리학의 천재 폴 디랙의 삶과 과학

 디랙의 뇌와 페르소나에 관하여
 유산

 감사의 말씀
 주석에 나오는 줄임말
 주석
 참고문헌
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