원자폭탄 탄생의 비사(3)

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<독일을 떠나지 않은 하이젠베르크>

보어는 미국의 원자폭탄 개발에 참여했지만 하이젠베르크는 오토 한과 같이 독일에서 원자폭탄을 제조하려는 계획에 전혀 참여하지 않았다. 후일 알려진 이야기이기는 하지만 일본 히로시마에 원자폭탄이 투하되던 1945년 8월 6일 소위 ‘우라늄 클럽’이라고 불리던 독일의 학자들은 영국의 케임브리지로부터 약 40킬로미터 정도 떨어진 고드만체스터라는 마을의 팜 홀이라는 커다란 저택에 연금되어 연합군의 감시를 받고 있었다. 당시에 연금된 학자들로는 하이젠베르크, 1914년 노벨물리학상을 수상한 막스 폰 라우에, 1944년에 노벨화학상을 받은 오토 한, 이론물리학자 칼 프리드리히 폰 바이츠재커, 칼 비르츠 등도 있었다. 히로시마라는 도시에 원자폭탄이 떨어졌다는 소리를 듣고 하이젠베르크는 그의 저서 『부분과 전체』에서 다음과 같이 서술했다.

 

‘1945년 8월 6일 오후 갑자기 칼 비르츠가 내게 오더니 일본의 히로시마라는 도시에 원자폭탄이 투하되었다는 소식을 막 라디오에서 발표했다고 말했다. 나는 우선 이 보도를 믿고 싶지 않았다. 원자폭탄을 제조하기 위해서는 아마 수십 억 달러에 달하는 막대한 기술개발 비용이 필요하다고 확신하고 있었기 때문이다. 또 심리적으로 내가 잘 알고 있는 미국의 원자물리학자들이 그 프로젝트를 위해 그렇게 전력을 투입했다고는 믿어지지 않았다. (중략) 그러나 그날 밤 라디오에서 거기 소요되었던 막대한 기술 출자에 대한 뉴스 해설자의 설명을 듣고서 나는 25년이라는 긴 세월을 통해 우리가 심혈을 기울였던 원자물리학의 발전이 지금 10만 명을 훨씬 넘는 인간의 죽음의 원인이 될 수밖에 없었다는 엄연한 사실과 직면할 수밖에 없었다.’

 

추후에 그는 원자폭탄 제조에 대한 아이디어를 히틀러에게 말하지도 않았음이 밝혀졌다. 한편 미군당국은 일찍부터 독일이 원폭을 개발하지 않고 있다는 정보를 알고 있었지만 연구원들의 사기를 떨어트리지 않기 위해 숨겼다는 설도 있다.

하이젠베르크는 1901년 12월 독일 남부의 뷔르츠부르크에서 라틴어 학자인 아우구스트하이젠베르크와 안니 베클라인의 두 아들 중 막내로 태어났다. 8살 때 아버지가 뮌헨대학의 중세 및 고대 그리스어의 교수 자격을 얻어 뮌헨으로 이사하자 막시밀리안김나지움에 다녔는데 그는 피아노 연주와 수학, 과학에서 탁월한 재능을 보였다. 대학도 뮌헨 대학교에 입학했는데 그의 지도교수가 당대 이론물리학의 대가인 아놀드 조머펠트이다. 이곳에서 평생의 친구이자 동료로 1945년 노벨 물리학상을 수상하는 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli, 1900〜1958)를 만났다. 파울리는 ‘파울리의 배타원리’를 발견하여 하이젠베르크와 함께 양자론의 주역이 된다.

1922년 닐스 보어가 독일에 들렸을 때 대학 3학년생에 불과했던 하이젠베르크와 닐스 보어가 만났다. 청중의 한 사람으로 기본적인 문제에 대해 예리한 질문을 던진 하이젠베르크에게 닐스 보어가 따로 만나자고 청했고 이들의 만남은 앞에서 이야기한 원자폭탄 개발 아이디어로까지 이어진다.

대학을 졸업하고 괴팅겐대학의 막스 보른 교수 밑에서 조교로 일하면서 행렬역학을 발전시키고 1926년부터 코펜하겐의 닐스보어연구소를 오가며 양자론에 몰입했고 27세인 1927년 유명한 ‘불확정성 원리’를 발표하고 라이프치히 대학의 교수가 되었으며 31살인 1932년 노벨물리학상을 수상한다. 노벨상 역사상 가장 나이어린 수상자로는 두 번째였다.

흥미 있는 것은 그의 연구가 모두 수학적인 계산 과정 중에 나온 것이 아니라 새로운 철학적 착상을 통해서 이루어졌다는 점이다. 행렬 역학은 콤프톤 효과를 양자이론으로 설명하려는 과정에서 얻었다. 닐스 보어 등 많은 물리학자들이 이 문제를 풀려고 애썼으나 결국 실패했는데 하이젠베르크는 그들과 출발부터 달랐다. 그는 다음과 같이 출발했다.

 

‘에너지나 주파수 등 어떤 크기를 계산하는 데는 단지 원칙적으로 조종 가능한 크기 사이의 관계만 출현해야 한다.’

 

이는 매우 실증주의적인 착상에 입각하여 물리학 문제를 풀려고 했음을 보여준다. 하이젠베르크의 행력역학은 한 개 이상의 전자를 가진 원자를 포함해 원자들의 특성에 대해 많은 것을 설명해주므로 물리학자들은 그의 설명에 매료되었다. 그러나 일부 학자들은 연관되어 있는 수학의 불분명한 특성과 그것이 원자가 실제로 어떻게 생겼는지 시각화하는 작업을 쉽게 해주는 것은 아니라는 면에서 받아들이지 않았다.

이때 또 다른 양자론의 슈퍼스타가 등장하는데 파동방정식을 발표한 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger, 1887〜1961)이다. 슈뢰딩거는 전자의 양자 에너지는 보어가 주장했던 것처럼 정해진 궤도가 아니라 핵 주위의 ‘전자-파동’의 진동수에 해당한다고 주장했다. 피아노 줄이 정해진 음을 가지고 있듯이 전자-파동도 정해진 에너지 양자를 가지고 있다는 것이다. 슈뢰딩거의 파동 방정식은 행렬 역학과는 달리 간단하면서도 고전역학과 조화를 이루었기 때문에 많은 물리학자 특히 실험 물리학자들에게서 크게 환영 받았다. 특히 그의 방정식으로도 행렬역학으로 계산할 때와 마찬가지로 전자의 움직임에 대해 똑같은 결과를 얻을 수 있었으므로 이를 어떻게 인식해야할지 고민하지 않을 수 없었다.

이 결과가 추후에 하이젠베르크의 불확정성 원리와 보어의 상보성 원리의 기본이 되지만 처음에 섬광처럼 불확정성 원리가 도출된 것은 아니다. 슈뢰딩거와 양자론의 문제점에 대해 토론한 하이젠베르크는 자신의 수학 공식화 작업이 충분하지 않다는 것을 깨닭았다. 이때 파스쿠알 요르단(Ernst Pascual Jordan, 1902~1980)과 영국의 물리학자 폴 디렉(Paul Adrien Maurice Dirac, 1902~1984)이 ‘변환 이론’이라 불리는 새로운 방정식을 발표했다. 하이젠베르크는 이들 방정식을 연구하면서 문제점을 발견했다. 입자의 위치와 속도(특정 방향으로의 속도를 뜻함) 두 가지를 동시에 측정하려고 할 때마다 그 결과가 부정확하거나 불확실하다는 것이다. 그는 이러한 불확정성이 방정식의 잘못이 아니라 아원자 세계가 지닌 특성의 일부분이라고 생각했다. 이것이 바로 불확정성 원리다. 보어도 상보성 원리를 발표한다.

불확정성 원리는 어느 입자(전자)의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없다‘는 것이고 ’상보성 원리‘는 전자를 입자로 보는 것이나 파동으로 보는 것 모두 그것의 실제 전체롤 보여주지 못한다는 것이다. 즉 전자들이 파동이면서 입자일 수 있지만 어떤 주어진 시간에는 어느 한자리로만 경험할 수 있다는 것이다. 보어의 상보성은 그 어떤 결과도 하나만 받아들일 수 없으므로 모든 가능성을 동시에 고려해야 한다는 것이다. 한마디로 두 이론 모두 내용상 같은 것이다.

특정 순간에 자동차의 위치와 속도 두 가지를 알아내는 것은 어려운 일이 아니다. 그러나 미세한 아원자 세계에서는 이것이 불가능하다는 뜻이다. 특히 아원자 세계에서 보다 정확한 측정 기술이나 기구로 해결할 수 없다는 것이 더욱 중요하다. 입자의 위치는 파동의 움직임이 가장 강한 곳에서 정확하게 알아낼 수 있다. 그러나 파동의 움직임이 가장 강한 곳에서는 파장이 가장 불명확하기 때문에 연관된 입자의 속도를 알아내는 것이 불가능하다. 마찬가지로 파장이 뚜렷한 입자는 정확한 속도를 갖지만 위치가 매우 불명확하다는 설명이다. 이것의 실질적인 의미는 특정한 시간에 전자가 어디 있을지 결코 측정할 수 없다는 것이다. 또한 전자는 관찰되기 전까지는 실제로 존재하지 않는다고 말할 수 있다. 최소한 불확정적인 상태로 존재한다는 것이다.

 

하이젠베르크는 자신이 도출한 가설의 초고를 보어에게 보여주었다. 보어는 그의 가설에 깊은 인상을 받고 곧바로 논문 사본을 아인슈타인에게 보내 논평을 요청했다. 그러나 아인슈타인은 우주가 가능성에 의존한다는 것이 마음에 들지 않았다. 그가 더욱 반대한 것은 관찰자가 관찰 대상에 영향을 줄 수 있다는 생각이다. 아인슈타인에게 자연은 실험자와 상관없이 독립적으로 존재해야 했다. 그러나 하이젠베르크의 불확정성 원리는 당대의 대학자인 아인슈타인의 반대에도 불구하고 곧바로 지지자들이 몰려들었다. 사실 보어의 상보성은 하이젠베르크의 불확정성 원리가 도출한 뒤에 발표된 것이다. 불확정성과 상보성은 양자 역학의 ‘코펜하겐 해석’이라고도 알려진다.

1933년 독일의 나치가 정권을 잡자 많은 사람들이 독일을 탈출했지만 하이젠베르크는 계속 독일에 남아 있었다. 그는 독일 과학의 위치를 지키기 위해 독일에 남아 있어야 한다고 믿었다.

하이젠베르크는 철저한 독일인이므로 병역도 그의 의무이자 권리라고 생각했다. 그러므로 1932년 노벨상수상자임에도 불구하고 1936년과 1938년 두 차례에 거쳐 2개월씩 소집되는 병역을 치렀다. 1939년 독일이 폴란드를 침공하여 제2차세계대전이 발발하자 소집영장을 받고 입소했는데 그가 배치된 곳은 일선부대가 아니라 독일 육군성의 병기국이었다. 독일이 그에게 부여한 임무는 원자폭탄의 가능성을 조사하는 소위 우라늄클럽의 지도자였다.

하이젠베르크는 핵에너지를 해방시키기 위해서 두 가지 방법을 사용해야 한다고 제시했다. 우라늄 연소기라고 불렸던 ‘원자로’를 건설해야 하며 우라늄235를 농축시켜야 폭탄으로 만들 수 있다는 것이다. 따라서 해당 분야의 전문가들이 두 방향에 따라 연구와 조사를 진행시키자고 했는데 하이젠베르크는 우라늄235를 농축시키는 것이 사실상 불가능하다고 비관론을 펼쳤다. 시간과 비용이 천문학적이라는 것이다. 여기에는 충분한 증거가 있다. 히틀러 정권에서 각료를 지낸 알버트 슈펠은 다음과 같이 회상했다.

 

‘완성기간에 대한 나의 질문에 하이젠베르크는 3〜4년 안으로는 불가능하다고 설명했다. 노벨상 수상자인 하이젠베르크의 제안으로 우리들은 1942년 가을 원폭의 개발을 단념했다. (중략) 그 대신 나는 해군사령부가 흥미를 갖고 있던 잠수함용 우라늄 동력의 연구를 허락했다.’

 

이를 보면 하이젠베르크가 처음부터 원자폭탄 제조에 전혀 관심이 없었음을 알려준다. 그는 단지 우라늄 연소기를 사용하여 에너지를 얻는 연구에만 관심을 보였다. 즉 노벨상수상자이자 동 분야의 최고 전문가인 하이젠베르크의 부정적인 발언 때문에 독일은 원자폭탄 생산을 추진조차 하지 않은 것이다. 전후에 폭탄을 만들 생각이 처음부터 없었다면 왜 우라늄클럽에 참여했는가를 묻는 동료 한스 베데의 질문에 하이젠베르크는 다음과 같이 대답했다.

 

“군에 징집되어 총받이로 죽어 갈 젊은 물리학자들을 구하기 위해서 였네.”

 

그는 조국을 위한 봉사와 나치를 위한 봉사를 엄격하게 구분한 것이다. 여하튼 하이젠베르크는 전쟁이 끝나자 1948년에 카이저 빌헬름연구소를 해체하고 막스플랑크연구소를 창설하여 그 소장이 되었다. 독일은 전쟁의 참패에 따라 여러 가지 면에서 어려운 면이 많았는데도 계속 과학 분야에서 선두 주자가 될 수 있었던 것은 그가 창설한 막스플랑크연구소 때문이라는 것이 정설이다.

하이젠베르크는 양자 학자들로부터 제2차 세계대전 이후 따돌림을 받았는데 그것은 그가 히틀러에 봉사했다는 오해에서 비롯된 것이다. 하이젠베르크가 독일에 체류했다는 자체가 히틀러 정권과 타협했다는 것을 뜻한다는 것이다. 이를 심각하게 생각해서인지 그는 임종하기 열흘 전 방문한 칼 프리드리히 폰 바이츠재커에게 다음과 같이 물리학자로서의 회한을 토로했다.

 

‘이제 물리학은 더 이상 중요하지 않네. 이건 나 자신도 놀랄 만한 일인데 거기에 있는 사람들 그들이 중요하다네.’

 

패전국 독일 원자물리학자들 중에서 가장 충격을 받은 사람은 오토 한이었다고 알려진다. 세계에서 최초로 핵분열반응을 발견한 사람이었고 이 연구로 인하여 그가 노벨화학상을 탄 것은 원폭이 터지기 바로 1년 전인 1944년이기 때문이다.

오토 한은 제2차 세계대전이 진행 중 임에도 원자핵 분열로 1944년 노벨화학상 수상자로 선정되었는데 이 당시의 노벨상 수여는 매우 기이하게 이루어졌다. 시상식은 전쟁 중이므로 일반에게 공개되지 않았는데 막상 수상자인 한은 자신의 수상 소식을 전쟁포로의 몸으로 1945년 영국에서 알게 되었다. 함께 포로로 잡힌 사람들이 그에게 수상 소식이 실린 신문기사를 보여준 것이다. 포로수용소 소장은 이를 축하하여 평소보다 질이 좋은 저녁식사와 특별 위스키를 제공했다.

오토 한은 자신의 조수였던 마이트너의 업적을 드러내는 어떠한 행동도 하지 않았다. 심지어 하이젠베르크는 그녀가 오토 한의 연구 성과를 미국인에게 누설해서 독일에 큰 피해를 주었다고 비난했다. 마이트너가 오토 한의 단순한 보조자가 아니라 실질적인 연구자였으며 그동안 제대로 평가받지 못했다는 것도 근래의 일이다. 주인공 모두 사망한 후임은 물론이다.

 

참고문헌 :

 

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