‘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.”

프롤로그 폴 디랙 : 양자물리학의 천재 폴 디랙의 삶과 과학 디랙의 뇌와 페르소나에 관하여 유산 감사의 말씀 주석에 나오는 줄임말 주석 참고문헌 찾아보기

138p 동료들은 말은 할 줄 알면서도 가장 적은 개수의 단어로만 말하는 과묵함의 단위를 나타내는 새로운 용어를 창조해냈다. 바로, 한 시간에 평균 한 단어 말하기를 ‘1디랙’이라고 정의했던 것이다. 드물지만 ‘예/아니오’보다 더 많이 말을 해야만 하는 경우가 생기면, 디랙은 자기 생각을 단지 정확하게만 말했다. 다른 사람들의 감정이나 정중한 대화를 위한 관례 따위는 일체 아랑곳하지 않고서. 172p 아인슈타인은 한 친구에게 이렇게 말했다고 한다. ‘디랙 때문에 애먹고 있네. 천재성과 광기 사이에 있는 아찔한 길 위에서 이렇게 균형을 잡고 있다니, 정말 감탄스럽네.’ 180p 보어가 보기에 디랙은 ‘오랜만에 세상에 등장한, 아마도 가장 돋보이는 과학자’이자 ‘완벽하게 논리적인 천재’였다 (···) 물리학자들은 서로 경쟁적으로 디랙의 어휘의 간결성, 문자 그대로 말하는 성향, 수학적 정확성과 기이함을 알려주는 아주 재미있는 사례들을 이야기해댔다. 그를 이해하려는 심리학적 고찰 없이, 그의 성격은 숱한 ‘디랙 이야기’를 통해 집단적인 흥밋거리가 되었다 (···) 디랙이야말로 ‘가장 이상한 사람’이었다고 한다. 619p 소형화로 향하는 현재의 경향 때문에 양자역학은 훨씬 더 중요해지고 있다. 점점 더 성장하고 있는 나노기술 분야에서 양자역학은 필수불가결하다 (···) 이 새로운 기술의 한 분야인 스핀트로닉스에서 공학자들은 전하의 흐름을 제어할 뿐만 아니라 전자의 스핀의 흐름까지도 제어하는 새로운 장치를 개발하려고 애쓰고 있다 (···) 어쩌면 디랙이 처음으로 전자스핀을 양자역학의 논리 구조 속에 포함시킨지 딱 한 세기 만에 그의 방정식(일상생활과는 아무 관련이 없는 수학적 상형문자로 한때 취급된 방정식)은 수백억 달러 산업의 이론적 기반이 될 수 있을 것이다. 620p 디랙의 영향력은 우주의 가장 작은 구성요소를 연구하는 과학자들한테서 가장 두드러지게 느껴진다 (···) CERN에 있는 거대한 입자 가속기인 강입자충돌기에서 그들은 우주 태초의 순간의 수백만 곱하기 수 백만 분의 1초 이내로 우주의 초기조건을 재현할 수 있다. 이런 가속기에서 아원자 충돌이 벌어질 때 실험물리학자들은 아원자 입자들이 생성되고 소멸되는 과정을 일상적으로 관찰하는데, 이 과정은 상대론적 양자 장이론으로만 설명할 수 있다. 디랙의 영향력은 그 이론 전반에 걸쳐 있다. 장에 관한 현대적 사고의 핵심적 부분인 그 이론을 공동으로 발견하고 양자역학의 핵심 원리를 정식화한 사람이 바로 디랙이다.