부분과 전체

1. 소개2. 내용

2.1. 원자 이론과의 첫 만남2.2. 물리학을 공부하기로 결심하다2.3. 현대 물리학의 '이해'라는 개념2.4. 정치와 역사에 대한 교훈2.5. 양자역학과 아인슈타인과의 대화2.6. 신대륙으로 떠나는 길2.7. 자연과학과 종교의 관계에 대한 첫 번째 대화2.8. 원자물리학과 실용주의적 사고방식2.9. 생물학, 물리학, 화학의 관계에 대한 대화2.10. 양자역학과 칸트철학2.11. 언어에 대한 대화2.12. 혁명과 대학 생활2.13. 원자 기술의 가능성과 소립자에 대한 토론2.14. 정치적 파국에서의 개인의 행동2.15. 새로운 시작을 향해2.16. 과학자의 책임2.17. 실증주의, 형이상학, 종교2.18. 정치적 논쟁과 과학적 논쟁2.19. 통일장 이론2.20. 소립자와 플라톤 철학

1. 소개

양자역학의 거장인 베르너 하이젠베르크의 저서이다. 원제는 Der Teil und das Ganze. 영어식으로는 Physics and Beyond라고 쓴다.

대학이나 대학원에 다니는 이과생일 경우 이 책의 이름을 한 번이라도 들어본 적은 있을 것이다. 그와 그의 지인이 토론을 하는 방식으로 쓰여져 있고 과학 외적으로 하이젠베르크에 대해서도 자세하게 알 수 있다. 서울대학교 권장도서 100선에도 실렸다.

한국에서는 출판사 지식산업사와 서커스에서 정발되었는데, 지식산업사에서는 김용준이, 서커스에서는 유영미 번역가가 작업했다. 지식산업사 판은 2005년에, 서커스 판은 2016년에 발매된 것으로 지식산업사 판은 번역의 질이 많이 낮으며 오래되었다. 웬만하면 서커스 판을 이용하자.

2. 내용

어렸을 때 부터 성인이 되고 물리학자로서 양자역학을 연구할 때까지의 내용을 1인칭 주인공시점으로 내용을 설명하고 있다. 전체적으로는 인문학 도서지만 양자역학적인 내용이나 수학, 물리학이 조금씩 들어있어서 이쪽 분야들과는 인연이 아예 없다면 책 내용을 이해하기가 어려울 수 있다.

타인과 토론을 하는 내용으로 구성되어 있으며 토론자는 어릴때의 친구부터 보어, 아인슈타인등의 물리학자까지 그 스펙트럼이 다양하다. 토론을 하는 주제는 과학자의 역할과 책임, 당시의 정치 등 다양하다.

2.1. 원자 이론과의 첫 만남

제 1차 세계대전에서 패배한 이후, 전후 독일에서는 기성세대는 더이상 젊은 세대에 대한 통제력을 발휘하지 못했으며 젊은이들은 혼란감과 실의에 빠져있었다. 하이젠베르크는 이러한 상황 속에서 1919~1920년경 처음으로 원자 이론에 대한 논의를 친구들과 주고받게 된다. 이후 하이젠베르크가 나눈 대화의 내용이 이어진다.
하이젠베르크가 읽은 한 물리학 교과서에서는 원자에 갈고리가 달려있어 그 갈고리의 작용에 의해 화학 반응이 일어나는 것처럼 묘사하고 있었다. 하이젠베르크는 이것이 자의적이고, 심지어는 황당한 구조물이라고 생각하였다. 분자가 형성되는 것은 자연법칙에 의한 것이지, 갈고리와 같은 자의적인 구조물에 의한 것이 아니기 때문이다. 반면 그의 친구 쿠르트는 그 그림이 올바르지 않다는 것에는 동의하면서도, 그 그림을 그린 사람의 의도가 분명히 존재하며 그것은 '탄소 원자 하나가 산소 원자 셋이 아니라 둘과 결합해야만 하는 형식이 있다는 것을 보이기 위함'이라고 생각하였다.
한편 철학도 로베르트는 '지각' 활동이란 개별적인 인상을 이해할 수 있는 무언가로 바꾸는 일이기에, 표상은 지각의 대상과는 다르다고 생각한다. 그리고 표상이 지각으로부터 만들어질 수 있는 가능성을 다음의 세 가지로 제시한다. 첫째는 대상들이 감각적 인상을 통해 직접 표상을 형성하는 것이고, 둘째는 인간의 정신 속에 처음부터 표상이 들어있는 경우이고, 셋째는 인간의 이성이 신의 정신에 참여하고 있는 경우이다. 여기서 로베르트는 철학자 말브랑슈의 경우 셋째 경우를 가장 옹호하고 있다고 언급한다.
이것에 대해 쿠르트는 표상이 경험으로부터 저절로 나오지 않음을 보이기 위해서는 표상이 어떻게 인간 정신에 처음부터 개입해야 하는지를 설명해야 한다고 반론한다. 이에 대해서 로베르트는 형태학적인 상부 구조가 작용한 연관에 의해서 지각, 생명현상 등등의 자연과학적 관찰 법칙들이 설명 가능하며 이렇게 벌어지는 현상들은 원인과 결과 관계에 의해 주어지는 것이 아님을 언급함으로써 자신의 주장을 옹호한다. 또 관찰 불가능한 원자는 시각으로 감지할 수 없기에 단순한 사물이라기보다는 세계를 구성하는 기본적인 구조임을 언급하며, 경험만에 의해서 원자를 논하는 것은 잘못이라고 하였다.
이에 대해 하이젠베르크는 플라톤의 '티마이오스'(Τίμαιος (영)Timaeus)[1]를 떠올린다. 그 책에서 플라톤은 물질의 최소 부분이 직각삼각형으로 구성되며 그것이 5가지의 정다면체 (정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체)를 이룬다고 주장하였다. 그리고 그 각각의 정다면체들이 4원소(흙, 불, 공기, 물)의 기본 단위가 된다고 주장하였다. 하이젠베르크는 왜 플라톤과 같은 명석한 두뇌의 소유자가 이러한 얼토당토않은 생각을 가지게 된 것인지 의문을 가지면서도, 과연 그렇다면 물질의 가장 작은 부분은 무엇으로 이루어져 있을지를 알아야 이러한 의문이 풀릴 것이라는 확신을 갖게 된다.
하이젠베르크는 슈타인베르크 호숫가의 언덕을 거닐면서 원자의 '형태'를 논하는 경우에는, 그것의 눈에 보이는 특성을 논해야 하는 것이 아니라, 가장 일반적인 의미-공간적인 구조, 다른 원자들과의 결합 가능성, 수학적 고찰-로 이해되어야 한다고 보았다.
이후 이러한 논의를 주고받으며 원자를 자연법칙에 대한 추상적인 표현이라고 보는 로베르트와 다시 논의하게 된다. 하이젠베르크는 고양이의 예를 들면서, 만일 원자를 직접 볼 수 없지만 원자의 작용만을 볼 수 있다고 한다면, 그것은 고양이를 본다고 했을 때 실제로는 고양이에게서 나오는 광선만을 보는 것이므로 고양이를 본 것이라고는 할 수 없다는 논증을 제시한다. 이에 대해 로베르토는 고양이의 경우 대상으로서의 고양이와 표상으로서의 고양이가 모두 존재하지만, 원자의 경우 둘 중 그 무엇도 아니기 때문에 그렇게 말할 수 없다고 보았다. 다시 여기서 쿠르트가 참여한다. 쿠르트는 이러한 논쟁이 매우 현학적이며, 경험에 모든 것을 위임함으로써 문제가 해결될 것으로 보았다. 상상력만으로 원자에 대해서 알아내는 것은 무의미하며, 철저하게 세심한 실험을 통해 원자에 대해 알아나가는 것이 중요하다고 보았기 때문이다.

2.2. 물리학을 공부하기로 결심하다

하이젠베르크는 김나지움의 대학입학시험을 치르고 나서, 수학자 헤르만 바일의 '시간, 공간, 물질'(Space-Time-Matter)[2]을 읽으며 아인슈타인의 상대성이론을 수학적으로 이해할 수 있었으며, 이를 읽으며 뮌헨 대학교에서 수학을 공부하기로 결심한다. 그는 린데만 교수와 면담할 기회를 얻어 그의 연구실에 찾아가지만, 그의 연구실에서는 강아지가 격하게 짖어대어 좀처럼 지속되는 대화가 불가능했다. 하지만 린데만 교수는 바일의 '시간, 공간, 물질'을 읽었다는 하이젠베르크에게 이렇게 말함으로서 대화는 곧 종료된다.
"그렇다면 자네는 이미 수학을 하기에는 글러먹었구만."
그는 수학을 전공하려던 계획을 접고, 눈을 돌려 수리물리학에 관심을 갖게 된다. 그는 이제 뮌헨 대학의 아르놀트 조머펠트(Arnold Sommerfeld) 교수와 상담하게 되었고, 엄해 보이지만 그가 말하는 것을 들으며 조머펠트가 조언이 필요한 학생들에게 도움이 되는 존재임을 직감한다. 조머펠트는 하이젠베르크가 읽은 책 이야기를 듣고, 물론 매력적인 내용이지만 과학의 다른 부분에서도 흥미로운 인식이 나타나고 있으며, 그것을 알기 위해서는 우선 전통적인 물리학부터 신중하게 공부할 것을 조언한다. 다른 몇 가지 조언과 함께 하이젠베르크는 조머펠트 밑에서 수학을 시작한다.
한편, 하이젠베르크는 다른 많은 학생들과 대화할 기회를 얻게 된다. 그 중 하나는 첼리스트이자 그의 친구였던 발터(Walter Tuchmann)로, 하이젠베르크는 예전에 많이 했던 것처럼(하이젠베르크는 발터와 다른 바이올리니스트와 함께 3중주곡들을 연주하고는 했다.), 그의 집에 들르게 된다. 그곳에서 그는 발터의 어머니에게 왜 음악과를 선택하지 않았는지를 질문받는다. 발터의 어머니는 '너 역시 도구, 공식으로 표현되는 이과적 정신보다도 음악의 정신을 더 멋지다고 생각하는 것을 알고 있으며, 젊은이들이 아름다운 것에 시간을 쏟기를 선택한다면 그만큼 세상에 아름다운 것이 많아질 것'이라고 말한다. 이에 대해 하이젠베르크는 어떤 분야가 유망한지를 따져보아야 한다면서, 현재의 음악은 과거의 전성기를 지나서 실험기로, 이론적인 숙고가 중요한 시기로 이행하고 있다고 말한다. 이에 반해 물리학에서는 아직 나아가지 못한 신대륙이 열리고 있으며 이러한 신대륙을 발견하는 역사적 순간에 함께하는 것이야말로 매력적으로 다가온다고 하였다.
이에 반해 바이올리니스트 롤프는 이제 음악에서도 옛 틀을 뛰어넘어 바야흐로 신대륙으로 뛰어들었기에, 자연과학과 마찬가지로 새로운 결실을 맺을 수 있을 것이라고 하였다. 하지만 발터는 이에 대해서 표현 수단의 제약이야말로 진정한 예술의 탄생을 위한 불가피한 전제라고 한다. 즉, 그의 말에 의하면 아무 음이나 내어서 음악을 하게 되었을 때는 예술가의 노력이 가치가 없어진다는 것이다.
그러던 도중 이야기는 다시 물리학의 신대륙이 무엇인지에 대한 것으로 전환되고, 하이젠베르크는 상대성 이론의 발견, 플랑크 곡선의 등장을 언급하는 동시에 이제 신대륙은 원자 이론이며 아직 밝혀지지 않은 것이 많다고 말한다. 또한 오늘날에는 음악에서보다 원자물리학에서 더욱 중요한 연관들을 밝혀낼 수 있다고 보며, 150년 전에는 상황이 이와 반대였다고 말한다.
이러한 주장에 대해 발터는 '그렇다면 역사의 진보를 이루려는 개인의 노력은 그 시대에 종속되어 있는 것이냐'라고 반론하였고, 조금 다르게 발터의 어머니는 '대부분의 사람들은 결정적인 영향력을 발휘할 만한 기회가 거의 없으며 따라서 과학과 씨름하는 것보다는 음악에 집중하는 삶이 보다 가치 있다고 생각한다'고 하였다.
이후 추후 대화를 통해서 예술과 과학 모두가 고요히 정지해 있거나 갑작스럽게 발전하는 기간이 있으며, 그렇기에 서로 다른 시대의 업적을 기반으로 그 시대의 사람들을 비교하는 것은 무리가 있다고 보았다.

이후 하이젠베르크는 조머펠트의 강의실에서 볼프강 파울리를 만나게 되고, 그와 대화하며 ' 특수 상대성 이론은 완결된 이론이며, 이제 가장 흥미로운 분야는 원자물리학으로서, 안개 속을 더듬어가며 올바른 길을 찾는 것과 같다'고 하였다.

2.3. 현대 물리학의 '이해'라는 개념

(전략)
베르너 하이젠베르크는 볼프강 파울리 등과 원자물리학의 여러 문제들에 관해 토론한다. 이후 베르너는 파울리 등과 보어 이론에 대해 이야기하면서, 비록 보어 자신도 그의 이론에서 원자 궤도가 실재하는지 등의 여부는 확실하지 않을 것이라면서도 그가 원자에 관해서 올바른 상을 찾아나가고 있다고 생각하였다. 그 후 조머펠트의 주선으로 괴팅겐의 보어 강연에 (베르너는 이때 괴팅겐의 풍경이 너무 아름다워서 이를 보어 축제라고 부른다.) 참석한다. 여기서 보어의 강연에서 질문을 한 것을 계기로 베르너는 보어와 원자물리학에 대한 대화를 나누게 된다. 보어는 물질들이 여러 화학 반응을 거친 후에도 그 자신의 물질의 특성을 가질 수 있다는 것은 기적적인 일이며, 이러한 물질의 안정성에 대해 고찰하면서 자신의 이론이 나오게 되었다고 하였다. 동시에 자신도 원자의 거동에 대해서 고찰한 결과들을 이론으로 제시하였지만 과학자들이 원자에 대한 공통된 언어를 갖지 못하였기에 아주 조심스럽게 그 다음 계단을 밟을 수 밖에는 없다고 하였다. 동시에 보어는 경험으로부터 본인의 이론을 추측하였지만, 그것이 원자의 구조를 잘 묘사하는 것이기를 희망하며, 물질의 안정성과 관련된 이해할 수 없는 자연의 현상들이 보다 명확하게 보여지기를 기다려야 한다고 하였다.

2.4. 정치와 역사에 대한 교훈

보어와 하이젠베르크는 뮌헨 시민전쟁 등 당시의 정치적 상황에 대해 논하면서, 실력 있는 학자들 중에서도 반유대주의적 정서에 편승하려는 움직임이 있으며, 정치적인 수단을 이용해 상대성이론에 대항하려고 했던 학자들이 존재했음을 논하며 씁쓸해한다. 보어는 이 시점에서 영국적 태도와 프로이센적 태도에 대해 논하며 패배를 깨끗이 수용하는 영국적 태도가 패배를 수치로 받아들이는 프로이센적 태도보다는 나으며, 이를 상대성이론을 받아들이지 못하는 물리학자들을 예시로 들며 설명한다.

2.5. 양자역학과 아인슈타인과의 대화

2.6. 신대륙으로 떠나는 길

2.7. 자연과학과 종교의 관계에 대한 첫 번째 대화

2.8. 원자물리학과 실용주의적 사고방식

2.9. 생물학, 물리학, 화학의 관계에 대한 대화

2.10. 양자역학과 칸트철학

2.11. 언어에 대한 대화

2.12. 혁명과 대학 생활

2.13. 원자 기술의 가능성과 소립자에 대한 토론

2.14. 정치적 파국에서의 개인의 행동

2.15. 새로운 시작을 향해

2.16. 과학자의 책임

2.17. 실증주의, 형이상학, 종교

2.18. 정치적 논쟁과 과학적 논쟁

2.19. 통일장 이론

2.20. 소립자와 플라톤 철학

[1] \[The Project Gutenberg \] Τίμαιος(희랍어) Timaeus(영문) Plato https://www.gutenberg.org/files/35453/35453-h/35453-h.htm [2] \[구텐베르크 프로젝트\] Space~~Time~~Matter ,Author: Hermann Weyl 1922 https://www.gutenberg.org/files/43006/43006-pdf.pdf