위대한 실험

물리학의 진로를 바꾼 40가지

김기태 지음

하늘아래 2013년 05월 30일 출간 종이책 : 2009년 07월 20일 출간

작품소개

책소개

그들의 실험은 어떻게 세상을 변화시켰나? 세상을 바꾼 40가지 위대한 실험

열역학, 현대물리학, 고체물리학, 양자역학, 핵물리학 등의 분야에서 과학사적으로 의미 있는 중요한 실험과 원리 40가지를 소개한 『위대한 실험』. 과거 100여 년 간의 노벨 물리학상의 수상자들의 업적을 분석해 보면 거의 대부분이 실험적으로 물리학의 원리를 증명해 보이거나 그것을 응용한 데서 나왔다. 즉 이론보다는 실험적으로 증명함으로써 노벨상을 수상할 수 있었던 것이다.

저자는 그 예로 하전입자의 진로를 볼 수 있는 윌슨의 안개상자를 손꼽는다. 안개상자는 간단히 만들 수 있는 장치이지만 그 후에 여러 사람에 의해 개량되어 버블상자, 스파크 챔버 등으로 발전하고 또 이들을 발명하고 개량하고 한 사람 중 세 사람이나 노벨 물리학상을 수상했고 그것을 이용한 사람들 중에서도 앤더슨과 브라케트를 비롯한 여러 사람이 노벨 물리학상을 수상했다.

이 책은 물리학의 기초실험 중 대표적인 실험들 40가지를 모아 엮었다. 각 실험의 이론적 배경, 역사적 배경, 사진, 도표, 그림 등을 실어 이해를 도우며, 발견 발명의 뒷이야기를 소개하고, 각 실험의 결과에 대한 영향력을 살펴봄으로써 흥미를 돋운다. 복잡한 이론과 공식에 대한 지식이 없더라도 과학에 흥미를 가진 사람이라면 누구나 쉽게 읽을 수 있다.

목차

1. 뢰머의 광속 측정
2. 토머스 영의 두 슬릿 실험
3. 도플러 효과
4. 음극선관
5. 마이컬슨-몰리의 실험
6. X선과 방사선의 발견
7. 흑체복사 법칙과 플랑크의 양자가설
8. 전자파를 발견한 하인리히 헤르츠의 실험
9. 톰슨에 의한 전자의 발견
10. 가이거-마즈던 실험과 러더퍼드-보어 원자모형
11. 광전효과
12. 브라운 운동
13. 밀리컨에 의한 전자의 전하 측정
14. 윌슨의 안개상자
15. 프랑크-헤르츠의 실험
16. 질량분석기
17. 아인슈타인의 사고 실험
18. 라만 효과
19. 데이비슨-거머 실험
20. 슈테른-게를라흐 실험
21. 콤프턴 효과
22. 채드윅에 의한 중성자의 발견
23. 코크로프트-월턴 고전압 발생기
24. 초전도현상
25. 원소의 변환과 연쇄 반응
26. 열전기 현상
27. 제만 효과
28. 슈타르크 효과
29. 카시미르 효과
30. 메이저와 레이저
31. 밴더그래프 제너레이터
32. 진공관의 발명
33. 입자가속기의 발명
34. 트랜지스터의 발명
35. 집적회로의 발명
36. 전자현미경
37. 터널 효과
38. 우주 마이크로파 배경복사
39. 생명의 기원을 찾아서
40. 냉핵융합

책 속으로

음극선관은 두 극을 가진 방전관으로 1860~70년경 영국의 과학자 윌리엄 크룩스에 의해 발명된 것으로 유리관 속에 두 개의 전극을 넣고 봉하고 공기를 뺀 것이다. 크룩스 등이 사용하던 음극관의 경우는 그 진공상태가 매우 높지 않은 상태였다. 이 두 전극에 고전압을 걸면 음극 쪽에서 물질의 입자들이 나와 양극 쪽으로 이동하는 것을 보았다.
뒤에 톰슨에 의해 그것이 물질의 분자가 아니고 전자임이 밝혀진다. 음극선관은 그 후 물리학의 발전에 크게 기여한다. 1895년 독일의 뢴트겐에 의한 X선의 발견, 그 이듬해 프랑스의 베크렐에 의한 방사능의 발견도 이 방전관에서 나온 X선이 우라늄염에 비쳐 형광이 발생하는 것으로부터 발견되었고, 1897년 영국의 톰슨에 의한 전자의 발견 역시 이러한 방전관에 의한 것이다. 레나르트는 이러한 방전관의 성질에 대한 연구로 1905년 노벨물리학상을 수상한다.
그러므로 이러한 방전관과 직접적인 연관으로 노벨상이 나온 것만도, 뢴트겐의 X선, 베크렐의 방사능, 톰슨의 전자의 발견과 레나르트의 방전관의 그외 특성의 연구 등으로 초기의 노벨 물리학상을 휩쓴 셈이다.
-37쪽 중에서

브라운 운동은 1827년 스코틀랜드의 식물학자 브라운에 의해 발견된 현상으로, 화분(꽃가루)과 같은 작은 물체가 물 위에 떠 있는 것을 현미경으로 보면 끊임없이 전후좌우로 움직이는 임의의 운동을 하는 것을 볼 수 있다. 그는 처음에는 화분은 생물체이므로 생명체에 의한 움직임으로 알았으나 그 후 먼지와 같은 무생물체도 같은 운동을 하는 것을 알았다. 그 후 이러한 현상은 브라운 운동이라 알려지게 되었으나 그러한 운동의 원인에 대해서는 전혀 설명할 수가 없었다.
1905년 스위스 특허국에서 일하던 아인슈타인이 처음으로 그러한 운동은 열에 의한 분자들의 운동임을 정량적으로 제시했고, 그로 인해 그때까지 물질이 원자나 분자로 구성되었다는 설에 대한 비관적인 견해를 바꾸고 원자와 분자의 존재를 인정하게 하는 계기를 만들었다.
-107쪽 중에서

사이클로트론은 1929년 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스의 로렌스에 의해 발명되었다. 1920년도에는 이미 선형가속기가 발명되어 사용되고 있었으나 당시의 선형가속기에 사용하던 교류의 고전압원의 주파수가 그렇게 높지 못하였기 때문에 선형 입자가속기의 길이가 무척 길어야 어느 정도 큰 에너지 입자를 얻을 수 있었다. 예를 들면 스탠퍼드 대학의 선형가속기는 그 길이가 3.2킬로미터나 된다.
로렌스는 이러한 입자를 직선으로 가속하는 대신 자장 하에서 원형으로 가속하게 함으로써 가속기의 크기를 크게 줄일 수 있었다. 자장 하에서는 에너지가 일정한 하전입자는 원형 궤도를 돌 것이나 매 회전마다 이들 입자들이 가속되므로 사이클로트론 내에서의 입자의 궤도는 나선형으로 된다.
입자가속기는 핵물리학 연구에 없어서는 안 될 가장 중요한 장치이다. 입자의 에너지가 높아질수록 그 속도는 높아지므로 광속에 가까워진다. 그리고 또 이러한 가속기를 선형으로 한다면 그 길이가 너무 길어지기 때문에 상대적인 속도에서도 사용할 수 있는 싱크로트론 형의 원형가속기가 사용되고 있다. 현재의 이러한 가속기는 프로톤을 기가 볼트대로 가속하고 있고 그 길이도 수십 킬로미터에 이른다. 이러한 장치에서 가속된 초고에너지 입자들은 우주 생성의 비밀을 밝혀줄 것으로 고려되고 있다.
이러한 거대 입자가속기들은 인간이 알고 있는 가장 작은 물질들을 연구하는 장치로써 인간이 만든 가장 큰 기계들이다.
-241쪽 중에서

아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 러시아의 프리드만은 우주방정식을 얻었고 그때까지 믿어 오던 정적우주와는 달리 우주가 팽창한다는 답을 얻었다. 그는 곧 그 결과를 아인슈타인에게 보냈고 아인슈타인은 그 해답에 대해 오류를 발견하지 못했으나 정적인 우주를 믿고 있던 아인슈타인은 그것을 탐탁하게 생각하지 않았다. 그는 반대로 그의 방정식에 우주가 정적인 상태를 유지하게 하는 상수를 하나 더 추가했다.
그러나 1926년 벨지움의 가톨릭 신부이며 천문학자인 르메트르 역시 아인슈타인의 일반상대성이론으로부터 우주가 팽창한다는 결론을 얻었다. 아인슈타인은 르메트르의 결과도 들었으나 정적우주에 대한 그의 생각을 바꾸지 않았다. 그가 1929년 미국 캘리포니아에 있는 칼텍을 방문했을 때 윌슨 천문대를 방문하고 그 천문대의 허블로부터 멀리 있는 은하일수록 더 큰 적색편위를 보인다는 것, 즉 더 빠른 속도로 멀어져가고 있다는 것을 듣고 처음으로 우주가 팽창한다는 것을 인정하게 되었다. 그 후 그는 그의 방정식에 상수항을 추가한 것을 그의 생애에 저지른 가장 큰 오류라고 고백했다.
-285쪽 중에서

출판사 서평

그들의 실험은 세상을 어떻게 변화시켰나?

아인슈타인이 1922년 노벨물리학상을 수상한 것은, 20세기를 대표하는 상대성이론이 아니라 1905년에 발표한 간단한 광전효과에 관한 것이었다.
하전입자의 진로를 볼 수 있는 윌슨의 안개상자는 초등학교 학생도 간단히 만들 수 있는 장치지만, 그 후에 여러 사람에 의해 개량되어 버블 상자, 스파크 챔버 등으로 발전했고 이를 발명하고 개량한 사람 중 세 사람이나 노벨물리학상을 수상했다. 또 이것을 이용한 사람들 중에서도 여러 사람이 노벨 물리학상을 수상했다.
2002년 노벨화학상을 수상한 일본의 타나가 고이치는 전자공학을 전공한 계측기 제작회사인 시마주 제작소의 연구주임이었다.
이처럼 과거 100여 년 간의 노벨물리학상의 수상자들의 업적을 분석해 보면 극히 일부를 제외하고는 거의 전부가 실험적으로 물리학의 원리를 증명해 보인 데서나 응용한 데서 나왔다. 즉 이론보다는 실험적으로 증명함으로써 노벨상을 수상할 수 있었다. 이처럼 이론과 더불어 실험은 과학의 매우 중요한 한 축인 것이다.
그럼에도 우리나라의 물리학 교육은 너무도 이론에만 치우쳐 있는 것이 현실이다. 또 기초과학에 대한 연구나 이해보다는 지나치게 선진(先進)한 이론에 대한 동경과 선호를 중시하는 풍조를 지니고 있다. 저자는 이러한 것을 조금이나마 시정할 수 있는 기회를 학생들에게 부여하고자 이 책을 쓰게 되었다.

이 책은 열역학, 현대물리학, 고체물리학, 양자역학, 핵물리학 등의 분야에서 과학사적으로 의미 있는 중요한 실험과 원리들을 담고 있다. 그리고 그 이론적 배경, 역사적 배경, 사진, 도표, 그림 등을 실어 이해를 돕고 발견 발명의 뒷이야기를 소개해 재미있게 읽을 수 있도록 구성되었다. 또한 각 실험마다 그 결과에 대한 영향력들을 살펴봄으로써 이해의 수준을 쉽게 적용하였다.
이 책의 내용적인 수준은 미적분과 일반물리학, 전자기학 정도를 공부한 사람이라면 어려움 없이 읽을 수 있게 구성되었다. 또 복잡한 이론과 공식에 대한 지식이 없더라도 과학에 흥미를 가진 독자라면 누구나 관심을 가지고 볼 만한 내용들을 싣고 있다.
특히 과학고, 영재고를 진학하려는 학생이나 과학자를 꿈꾸는 청소년들이 이 책을 읽고 더 원대한 과학의 세계로 한 발 더 나아가기를 바란다.

작가정보

저자(글) 김기태

서울대학교 문리대 수학과 졸업
미국 University of Nebraska 대학원 고체물리학 전공
미국 Sherwin-Willams 社 중앙연구소 연구원(Chicago)
미국 Guidance Technology 연구부장
일본 롯데전자 상무
한국 롯데산업 상무
아신전기(주) 사장
Micron-Ashin 사장(Thailand)
V-S Ashin 사장(Malaysia)
1982년 상공부 장관상 수상
1983년 동탑산업훈장 수훈
저서 : 『청소년을 위한 유쾌한 물리상식』(도서출판 하늘아래)