러더퍼드의 원자핵 발견에서 유카와의 중간자 이론까지
원자핵의 세계를 연 물리학자들, 세상을 바꾸다

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 시민 과학 시대 필독서
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 세계 최초로 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책
★ 일대일 친절한 과학 수업 ★ 오리지널 논문 영문본 수록

어린아이들의 캐치볼 놀이에서 핵력 아이디어 떠올려
동아시아인 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상 수상
이 책에서 가장 핵심이 되는 이론은 동아시아인 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상을 받은 유카와 히데키의 중간자 예언과 핵력 이론이다. 유카와는 힘이란 상호작용이므로 두 개 이상의 물체에 대해 정의된다고 생각했다. 유카와가 퇴근길에 아이들이 캐치볼을 하는 모습을 보고 핵력에 대한 아이디어를 떠올렸다는 유명한 일화가 있다. 이렇게 중요한 연구를 하고 있을 때는 아이들의 놀이로부터도 귀중한 힌트를 얻을 수 있다는 사실이 새삼 놀랍다. 유카와는 두 소년이 계속 놀 수 있는 것은 그들이 서로 던지는 캐치볼 때문이라고 생각했다. 이 공의 특징에 따라 힘의 종류가 결정된다는 것이 유카와의 생각이었다. 공이 가벼우면 힘이 먼 데까지 작용하지만 공이 무거우면 힘이 가까운 곳에서만 작용한다. 핵력은 가까운 곳에서 작용하므로 캐치볼에 대응되는 입자가 비교적 무거워야 한다고 생각했다. 유카와는 이 입자를 ‘중간자’라고 불렀다. 그리고 1947년 영국의 물리학자 파월에 의해 중간자가 발견됨으로써 유카와의 핵력 이론이 증명되었다. 이로써 유카와는 1949년 노벨 물리학상을 받았다. 하나하나의 이론이 탄생하기까지 과학자들이 얼마나 많은 창의적인 생각과 실험 속에서 새로운 것을 발견하였는지 안다면 더 이상 과학이 암기해야 할 학문으로 끝나지는 않을 것이다. 더 많은 이들이 과학 분야의 연구에 관심을 두고 불굴의 의지로 연구에 뛰어들어 우리나라에서도 노벨 과학상 수상자가 탄생했으면 하는 저자의 바람이 이 책을 통해 더 많은 독자의 가슴에 와닿기를 소망한다.

핵물리학의 아버지 러더퍼드에서 중간자를 발견한 파월까지
원자핵을 둘러싼 과학자들의 좌절과 고난, 영광의 순간들
이 책에는 많은 과학자가 등장한다. 그들의 출생 과정과 시대 배경, 과학에 흥미를 느끼게 되는 계기, 연구 과정에서 맞부딪친 좌절과 고난, 마침내 거머쥐게 되는 탁월한 연구 성과와 그 의미 등은 과학에 문외한이었던 이들까지 끌어들일 만큼 흡인력이 있다. 과학자들의 생애를 훑는 과정에는 그들의 실제 모습과 관련 사진을 수록해 독자들의 이해를 돕는다. 가장 먼저 등장하는 과학자는 원자모형 논문을 발표한 러더퍼드이다. 그는 실험을 통해 원자핵을 발견했으며, 이후 원자핵의 신비를 풀려는 과학자들의 시도가 잇따랐다. 즉 핵물리학이 시작된 것이다. 이것이 그를 핵물리학의 아버지라고 부르는 이유다. 핵물리학에 있어 1930년대는 매우 중요한 시기로, 이때 미국의 앤더슨이 양전자를, 영국의 채드윅이 중성자를 발견한다. 양전자는 양의 전기를 띤 전자라는 뜻으로, 전자와 질량, 전하량의 크기는 같지만 전하의 부호가 반대인 입자이다. 또 중성자는 전기적으로는 중성을 띠고 양성자보다 약간 무겁지만 거의 비슷한 질량을 가진 핵자인데, 중성자의 발견으로 원자핵의 모습이 정확하게 알려지게 된다. 여성 과학자로서 퀴리 부인에 이어 두 번째로 노벨 물리학상을 받은 메이어는 ‘엄청나게 많은 양성자와 중성자들이 원자핵에 존재하는데도 원자핵은 어떻게 그렇게 안정적일 수 있는가?’ 하는 의문을 품었다. 그리고 옌센과 함께 마법수를 연구하여 완벽한 핵 껍질 모형을 만들었다. 특히 저자가 주목하는 물리학자는 러시아의 가모프다. 가모프는 알파붕괴 이론, 별의 탄생이론, 빅뱅 이론 등 수많은 업적을 남겼으며, 물리 대중화에도 앞장섰다. 그는 중성자가 발견되기 전에 핵자들이 모여 원자핵을 이루는 모습이 마치 물 분자들이 모여서 물방울을 만드는 모습과 비슷할 것으로 생각했다.

한국이 과학 강국으로 전 세계에 우뚝 서는 날
한국인 최초의 노벨 과학상 수상자도 탄생할 터
저자는 이 책을 고등학교 수준의 수식을 아는 수학 능력을 가진 사람을 목표로 했다고 하지만 과학에 흥미를 지닌 초등학교 고학년부터 중·고등학생, 일반인은 물론 과학 분야 전문가까지 폭넓은 독자층을 아우른다. 많은 수식이 등장하기는 하지만 수식을 다 이해하지 못해도 전체 내용을 이해하는 데는 무리가 없다. 저자는 핵물리학이 얼마나 많은 과학자들의 땀과 의지로 오늘날까지 발전해 오게 되었는지에 방점을 두어 설명하고 있기 때문이다. 이 책을 접하는 독자들이 핵물리학에 관심을 두고 이 분야에 기둥이 될 인재로 성장해 나간다면 과학 강국으로서 대한민국의 미래 또한 밝지 않을까? 오늘날 많은 노벨 과학상 수상자를 배출한 일본이 이미 메이지 유신 때부터 젊은이들을 미국이나 유럽으로 보내 물리학을 공부하게 했다는 내용을 접하면서 한국인으로서 마음이 아프지 않은 이는 드물 것이다. ‘일본 사람들도 서양 사람들처럼 독창적인 과학 연구를 할 수 있을까? 서양 사람들은 오랜 세월 동안 과학 연구를 해왔고 일본의 연구 역사는 짧은데 이것이 가능할까?’ 했던 19세기 말 나가오카 한타로의 고민은 이후 일본 물리학의 괄목할 만한 발전을 가져왔고, 1949년 일본 최초의 노벨 물리학상 수상으로 이어진다. ‘이미 늦었다고 생각한 때가 가장 빠른 때’라는 말이 있듯 한국 물리학계의 괄목할 성장은 지금부터일지 모른다. 대한민국이 과학 강국으로 우뚝 서는 그 날까지 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈는 과학 꿈나무를 비롯한 모든 이들의 든든한 밑거름이 될 것이다.