출판사 서평
독일 이론 물리학 역사의 파노라마
1987년 미국 과학사학회 파이저 상(Pfizer Award) 수상작
이론/실험/연구환경의 복잡한 융합을 통해 한 분야의 연대기를 창출
『자연에 대한 온전한 이해』는 19세?기부터 20세기 초까지 현대 이론 물리학이 어떻게 형성되었는지를 독일 사회의 맥락에서 새로운 접근법으로 살핀 책이다.
크리스타 융니켈과 러셀 맥코마크는 『자연에 대한 온전한 이해』에서 독일 이론 물리학 역사의 파노라마를 보여준다. 그들은 사회적, 제도적, 지적 역사를 총괄하여, 여러 연구자들의 연구를 19세기 초...
독일 이론 물리학 역사의 파노라마
1987년 미국 과학사학회 파이저 상(Pfizer Award) 수상작
이론/실험/연구환경의 복잡한 융합을 통해 한 분야의 연대기를 창출
『자연에 대한 온전한 이해』는 19세기부터 20세기 초까지 현대 이론 물리학이 어떻게 형성되었는지를 독일 사회의 맥락에서 새로운 접근법으로 살핀 책이다.
크리스타 융니켈과 러셀 맥코마크는 『자연에 대한 온전한 이해』에서 독일 이론 물리학 역사의 파노라마를 보여준다. 그들은 사회적, 제도적, 지적 역사를 총괄하여, 여러 연구자들의 연구를 19세기 초부터 연대순으로 서술하여 ‘자연에 대한 온전한 이해’를 보여주려고 노력했다.
『자연에 대한 온전한 이해』 2부는 플랑크, 아인슈타인, 하이젠베르크 같은 물리학자들의 뛰어난 성취의 시기를 다룬다. 19세기가 끝나갈 무렵에 독일 물리학은 주로 대학 물리학 연구소를 중심으로 현재의 형태를 갖추었다. 독일 대학 내에서 이론 물리학은 점점 실험 물리학에서 분리되어 별개의 연구와 교육 영역으로 발전했다. 독일 이론 물리학자들은 이제 주로 자신의 연구소에서 일하면서 그들의 과학에서 20세기에 이룩한 중요한 발전을 이룩하였다. 그들은 실험 물리학자들과 함께 현대 물리학의 시대를 여는 데 크게 기여했다.
광범한 연구가 이론과 실험과 연구 환경의 복잡한 융합을 통해 한 분야의 연대기를 창출했으니 독일 물리학의 탄생과 발전, 특별한 환경에서 이루어진 지적 활동을 상세히 묘사하였다. 지금까지 거의 사용되지 않은 기록 보관소의 자료를 사용하여 저자들은 생생한 이야기를 들려준다. 이 책은 물리학사의 걸작 중 하나이다.
-제드(Jed) Z. 부흐발트(Buchwald), Isis
이 책은 앞으로 일반 역사가나 과학사가들의 정보의 원천이자 상상력이 넘치는 연구의 모델이 될 것이다. 저자들은 전문적인 분야를 명확하고 간결하게 다루었고, 수식을 거의 사용하지 않아 일반 독자가 내용에 접근 가능하게 해 놓았다. 그들의 중요한 연구가 과학사를 하는 또 하나의 새로운 길을 열어 놓았다.
-S. S. 슈베버(Schweber) & S. 시구르드손(Sigurdsson), Journal of Modern History
멋지게 집필하고 철저하게 연구했다.
-피터 하먼(Peter Harman), Nature
-역자서문-
『자연에 대한 온전한 이해: 이론 물리학, 옴에서 아인슈타인까지(Intellectual Mastery of Nature: Theoretical Physics from Ohm to Einstein)』의 한국어판이 나오기까지 어려운 일이 많았다. 힘든 만큼 일에는 보람이 있어 역자의 지적 여정에 하나의 이정표를 남기는 경험이 되었다. 19세기부터 20세기 초까지 독일 물리학의 가장 중요한 시기에 물리학이 어떻게 독일적 맥락에서 형성되었는지를 새로운 접근법으로 살핌으로써 기념비적인 저작이 된 책을 번역할 수 있었던 것은 특권이었다.
20세기 초 현대 물리학은 양자 역학과 상대성 이론이라는 양대 기둥에 의해 우뚝 섰다. 그 이론들이 독일적 맥락에서 주로 이루어졌다는 것은 이러한 놀라운 성과를 이룩하기 위해 독일인들이 불과 한 세기 전의 미약했던 물리학의 토대 위에서 어떠한 노력을 기울였는가에 의문을 품게 한다. 그런 점에서 이 책은 기존의 연구와는 차별되는 접근법, 즉 과학 내적 흐름보다는 제도적 흐름에 주목함으로써 탁월한 이론 물리학의 성과들이 어떻게 독특한 배경 속에서 출현하게 되었는가를 서술한다. 이 책은 19세기와 20세기 초를 거치면서 물리학 교과서에서 흔히 접하는 상당수 물리학자들의 개인적인 면모를 볼 수 있는 남다른 즐거움을 선사한다. 교과서에서 위대한 물리학의 창조자로 나오는 이들이 현대 사회의 어떤 물리학자보다도 어려운 연구 형편에서 연구에 매진하여 이룩해낸 위대한 성과를 현재 우리가 접하고 있다는 사실을 통해 독자들은 큰 감동을 느낄 것이다. 인력과 지식이 원만하게 흐를 때 그 사회의 과학은 성공적으로 발전할 수 있다는 것도 배우게 될 것이다. 또한 독자들은 두 저자가 탁월한 연구를 수행하기 위해 참고한 방대한 자료에 놀라고 이러한 대단한 저작이 나올 수 있도록 여러 가지로 지원한 사회의 지적 배경에 또한 부러운 시선을 보내게 될 것이다.
이제 우리나라도 과학의 수혜자 지위에서 과학의 창조자로서 지위로 서서히 나아가고 있다. 이 시점에서 과학의 발전에 대한 이러한 심오한 논의는 우리나라 과학 종사자들의 과학에 대한 관점을 새롭게 하는 데 보탬이 되리라고 기대해 본다. 책의 존재 의미는 적절한 독자를 만날 때 실현될 수 있다. 이 번역서가 과학자를 비롯한 많은 지적 대중에게 사랑받으며 한국어의 지적 풍요를 확대하는 책이 되기를 바란다. 이 책의 번역 출판을 지원해준 한국연구재단에 감사한다. 또한 책이 나오기까지 여러 차례의 교정으로 큰 도움을 준 아내 최윤정에게 감사하며, 마지막으로 멋진 책이 나오도록 꼼꼼하고 진지하게 책을 만들어 준 한국문화사 여러분의 노고에도 감사를 드린다.
2013년 12월 1일
천성산 기슭에서 구자현

광범한 연구가 이론과 실험과 연구 환경의 복잡한 융합을 통해 한 분야의 연대기를 창출했으니 독일 물리학의 탄생과 발전, 특별한 환경에서 이루어진 지적 활동을 상세히 묘사하였다. 지금까지 거의 사용되지 않은 기록 보관소의 자료를 사용하여 저자들은 생생한 이야기를 들려준다. 이 책은 물리학사의 걸작 중 하나이다.
—제드(Jed) Z. 부흐발트(Buchwald), Isis

 

이 책은 앞으로 일반 역사가나 과학사가들의 정보의 원천이자 상상력이 넘치는 연구의 모델이 될 것이다. 저자들은 전문적인 분야를 명확하고 간결하게 다루었고, 수식을 거의 사용하지 않아 일반 독자가 내용에 접근 가능하게 해 놓았다. 그들의 중요한 연구가 과학사를 하는 또 하나의 새로운 길을 열어 놓았다.
—S. S. 슈베버(Schweber) & S. 시구르드손(Sigurdsson), Journal of Modern History

멋지게 집필하고 철저하게 연구했다.
—피터 하먼(Peter Harman), Nature

해제: 독일 이론 물리학 수립의 대서사시

『자연에 대한 온전한 이해: 이론 물리학, 옴에서 아인슈타인까지(Intellectual Mastery of Nature: Theoretical Physics from Ohm to Einstein)』를 집필한 융니켈(Christa Jungnickel)과 맥코마크(Russell McCormmach)는 부부 과학사학자로서 이 걸출한 연대기로 명성을 얻었다. 융니켈은 독일에서 태어나 독일에서 교육받았고 19세기 독일의 과학 기관에 많은 관심을 두었다. 그녀는 남편과 함께 『캐번디시(Cavendish)』를 저술했고 이 책을 보완하여 3년 뒤에는 『캐번디시: 실험실 생활(Cavendish: The Experimental Life)』을 출간했다. 그녀의 남편이자 이 책의 공동 저자인 맥코마크는 1969년부터 1979년까지 과학사 학술지인 ≪물리 과학 역사 연구(Historical Studies of Physical Sciences)≫의 편집을 맡아 꼼꼼함과 박식함으로 이 학술지를 세계 최고의 과학사 학술지로 만들었다. 그는 아내와 집필한 책 말고도 과학사 연구서와 논문들을 다수 출판했다. 특히 과학 인명사전(Dictionary of Scientific Biography)의 “헨리 캐번디시(Henry Cavendish)” 항목과 ≪미국 철학회보(Proceedings of the American Philosophical Society)≫에 낸 논문 「캐번디시, 지구의 무게를 재다(Mr. Cavendish Weighs the World)」에서 캐번디시에 대한 깊은 이해를 보여주었다. 또한 아내 융니켈과 함께 출판한 캐번디시에 대한 책들과 이후에 추가된 연구를 담은 『사색적 진실: 헨리 캐번디시, 자연철학, 현대 이론과학의 발흥(Speculative Truth: Henry Cavendish, Natural Philosophy, and the Rise of Modern Theoretical Science)』을 내놓아 캐번디시 전문가로서 확고한 위상을 얻었다. 또한 독특한 접근법을 적용한 역사 소설 『어떤 고전 물리학자의 한밤중의 생각들(Night Thoughts of a Classical Physicist)』을 집필하기도 했다. 이 책은 가상의 독일 물리학자인 야콥(Victor Jacob)을 등장시켜 1918년을 배경으로 한 독일 물리학계의 실상을 아카이브의 기록을 토대로 제시한 소설이다. 문학성의 결여로 비판을 받기도 했지만 역사적 자료에 근거한 역사 소설의 집필을 시도했다는 점에서 주목할 만하다. 이 두 저자가 이룩한 가장 탁월한 업적은, 그들에게 미국 과학사 학회의 파이저 상(Pfizer Award)을 안겨준 『자연에 대한 온전한 이해(Intellectual Mastery of Nature, 1986)』이다. 저명한 과학사학자 버크왈드(Jed Buchwald)는 이 책이 당시까지 사용되지 않은 1차 사료를 사용함으로써 생생한 역사를 보여주어 물리학사에서 가장 빼어난 저작 중에 들었다고 평가했다.

물리학사에서 길이 빛나는 탁월한 성과들이 수립된 시기를 들여다보면서 이 책의 저자들은 특히 이론 물리학이 실험 물리학과 분리되어 별도의 연구 분야로 정립되는 과정을 추적했다. 어떤 과학 분야도 이론과 실험이 분리되어 추구되는 독특한 발전이 이루어진 사례가 없었기에, 저자들은 이러한 독특한 과정이 어떻게 진행되었는지, 과학의 내용, 인물, 제도, 기관에 대한 방대한 자료를 바탕으로 폭넓고 꼼꼼하게 살폈다. 수백 명의 등장인물과 수백 가지 사건을 다룸으로써 삼국지만큼이나 복잡하고 다양한 이야기 속에 당시 물리학자들이 처한 상황을 생생하고 상세한 장면으로 재현해 놓았다. 이 모든 것이, 독일 전역에 흩어져 있는, 당시까지 연구된 적이 없는 원자료들을 바탕으로 새롭게 구성되었다는 점에서 이 연구서의 가치가 높이 평가되었다.

1800년부터 1925년까지 독일에서 이론 물리학의 형성 과정을 추적한 이 저술은 125년의 기간을 4기로 구분한다. 1기는 1800년부터 1830년까지로 준비기에 해당한다. 정치적 격동을 겪은 후 독일 대학들이 정비되고, 독일보다 앞선 프랑스 물리학이 수입되고, 이러한 배경에서 성장한 물리학자들이 독일 내에서 교수 자리를 얻게 된다. 2기는 1830년부터 1870년까지로 물리학의 성장기에 해당한다. 물리학의 가능성이 과학적으로나 제도적으로나 널리 인식되고 물리 교육과 연구의 틀이 잡히는 시기이다. 3기는 1870년부터 1900년까지로 이론 물리학의 분리기라고 볼 수 있다. 그것은 1871년에 키르히호프(Gustav Kirchhoff)가 베를린 대학의 이론 물리학 교수로 임명되는 사건으로 상징화된다. 물리학은 정립된 분야가 되어 확고한 위상을 대학 내에서 얻은 한편 이론 물리학이 교육과 연구에서 전문화된 분야가 되었다. 이론 물리학과 실험 물리학의 분리가 일어난 것을 확실히 볼 수 있는 시기이다. 4기는 20세기 시작부터 1925년까지로 이론 물리학의 융성기라고 할 수 있다. 아인슈타인(Albert Einstein)과 플랑크를 비롯하여 양자론과 원자론을 전개한 이론 물리학자들에 의해 독일 물리학이 최고의 명성을 얻을 뿐 아니라 현대 물리학의 변혁을 선도한다. 1권은 1기와 2기, 2권은 3기와 4기를 다루도록 구성되어 있다.

이 책의 1권은 19세기 초 독일 물리학의 상황에 대한 서술로 시작한다. 독일은 분열된 군소 국가의 집합체에 불과했고 경쟁국인 프랑스나 영국보다 전반적으로 뒤처져 있었으며, 이러한 상황에서 프랑스와의 경쟁에서 이기기 위한 노력을 기울였다. 그러한 노력의 일환으로 대학이 개혁되고 물리학 또한 새로운 교육 목표를 달성하려는 노력, 즉 관료와 과학 교사, 약사, 의사 등의 엘리트를 양성하려는 노력에 힘을 보탰다. 이러한 목표를 달성하기 위해 독일의 물리학자들이 선진 프랑스의 실험적, 수학적 연구를 적극적으로 수용하는 과정을 묘사하면서 저자들은 옴(G. S. Ohm)과 베버(Wilhelm Weber), 노이만(Franz Neumann)의 경력과 실험 물리학 및 이론 물리학에서의 성취를 추적한다. 독일의 여러 대학에서 새로운 학생 실험실 교육 체제가 등장했고, 물리 기구실이 발전하여 물리학 연구소가 수립되었으며, 물리 세미나를 통해 실험 물리학뿐 아니라 수리 물리학에서도 체계적인 교육이 정착되어 갔다. 그럼에도 수리 물리학의 교육적 가치는 널리 공유되지 않았기에, 이론 물리학 부교수 자리의 창출을 통하여 서서히 그 위상의 고양과 영역의 확장이 추구되었다. 저자들은 이와 더불어 학회와 학술지를 만들고 유지하면서 물리학이 제도적으로 정착되고 고전 물리학의 주요 이론들이 형성되는 과정을 보여준다. 1870년경이 되면 독일 물리학, 특히 이론 물리학은 오늘날과 유사한 제도적 형태를 갖추게 되고 지적으로도 물리적 세계에 대한 고전적인 묘사가 정교화되기에 이른다.

2권에서는 1870년 이후 이론 물리학의 제도적 정착과 성숙의 시기를 다룬다. ≪물리학 연보≫와 같은 학술지에서 이론 물리학의 위상과 수준은 헬름홀츠나 이후에 플랑크(Max Planck)와 같은 탁월한 이론 물리학자들의 편집 자문을 통하여 더욱 높아졌다. 베를린 대학의 이론 물리학 정교수 자리나 괴팅겐 대학의 이론 물리학 연구소 창설과 같은 제도 개선이 선도적으로 이루어지면서 이론 물리학은 독일 대학 내에서 부교수 자리의 수를 늘리고 정교수 자리를 창출할 뿐 아니라 유명한 이론 물리학 연구소도 잇따라 창설하며 실험 물리학에 비견될 만한 위상과 중요성을 확보했다. 이렇듯 독일 물리학이 역학, 광학, 열역학, 전자기학 등의 분야에서 실험적 발전과 이론적 발전의 병행으로 더욱 영향력과 수준을 높여가면서, 이 모든 하위 분야를 하나로 아우르는 일반론적 체계를 구축하려는 이론적 노력이 출현했다. 이 과정에서 역학을 모든 물리학의 기초와 중심으로 삼으려는 관점을 전도시켜 맥스웰의 전자기학의 기초 위에 모든 물리학을 세우려는 시도가 출현하기도 했다. 이러한 이론적 노력의 기초 위에서 20세기 초에 양자역학과 상대성 이론이라는 현대 물리학의 치적이 독일어권을 중심으로 달성될 수 있었다.

이 책을 집필하기 위해 저자들은 이 책에서 다루는 모든 독일어권 대학을 방문하고 물리학 연구소, 실험실 및 그 대학에서 근무한 과학자들의 관련 기록을 철저히 검토했다. 저자들은 이러한 철저한 사료 연구 결과를 직접적이고 선언적인 문장 스타일로 19세기부터 20세기 초 독일 물리학의 연대기로 엮어내었다. 이 책을 통해서 저자들은 이전에 물리학사에서 간과된 과학 외적 요인들이 과학 지식의 형성과 과학 연구 및 교육에 미치는 복잡한 연관 관계를 드러냄으로써 과학사 서술의 새로운 지평을 열었다. 이 책의 주된 주장은 물리학의 실행과 내용이 대학의 조직 체계에 의해 영향을 받았다는 것이다. 저자들은 서술된 125년 동안 이론 물리학이 교육과 연구를 위한 독립된 분야로 발전하게 되었음을 주장했는데 그것은 독일의 특수 상황에서 비롯된 것이었다. 그들의 목표는 과학적 작업과 제도적 배경이 통합된 설명을 제시하는 것이었는데 그러한 목적은 성공적으로 달성되었다.

이러한 시기를 다루면서 우선으로 살펴본 장소는 독일의 대학과 고등기술학교였고 그중에서도 물리학 연구소가 관심의 초점이었다. 이 책의 주된 등장인물은 이러한 기관을 이끌어간 물리학 정교수 및 부교수들이다. 모든 이야기의 전개는 이 물리학자들이 어떻게 특정한 자리에 임용되고 어떻게 교육과 연구를 수행하고 어떻게 다른 곳으로 옮기게 되었는가가 핵심을 이룬다. 이러한 논의를 중심으로 다루었다는 것은 다른 사회적 요인들, 가령, 정치적, 경제적, 문화적 요인은 주된 논의에서 벗어나 있다는 것이다. 이것이 이 저술이 갖는 뚜렷한 특색이며 이는 저자들의 독특한 역사관을 반영한다. 결국 외적 접근법을 쓰는 것 같지만 물리학자들이 독특한 배경에서 어떠한 실험과 어떠한 이론을 어떠한 방법을 써서 전개했는가를 다룸으로써 내적 접근법에도 균형을 맞춘다. 그럼에도 과학의 내용을 본격적으로 분석하는 데 초점을 맞추지는 않으며 기관과 직접 관련된 사항이 아니라면 외적 요인에 대해서는 거의 무관심하다. 이러한 독특한 태도는 이후의 과학사에서 좀처럼 찾아보기 어려운 독특한 연구 방법으로 남아 있다.

물론 내적 접근과 외적 접근은 동시에 구분 없이 추구되어야 한다는 생각이 이 선구적인 저작이 나온 이후에 더욱 보편적인 힘을 얻게 되었고, 이 책의 시도가 그러한 경향에 기여한 바가 크다고 할 수 있겠으나, 그러한 경향을 이 책에서만 독보적으로 채택한 것은 아니었다. 이 책이 나올 즈음에는 이미 내적 접근과 외적 접근이 배타적이어서는 안 된다는 데에 과학사학자들 사이에 폭넓은 공감대가 형성되어 있었다. 코이레(Alexandre Koyré)의 과학 혁명 연구에서는 내적 접근법만을, 포먼(Paul Forman)의 「바이마르 문화, 인과율, 양자역학」에서는 외적 접근법만을 사용함으로써 온전한 설명을 할 수 없었다는 데 공감했다. 그러한 조화로운 접근법이 어떠한 모습으로 하나의 연구에서 나타날 수 있는가를 예시해 주었다는 점에서, 이 책은 하나의 모범 사례를 보여준 것이었다. 그러나 이 책이 나왔을 즈음에 예견된 것처럼 비슷한 방식의 연구가 비슷한 시기에 프랑스나, 영국, 미국 등의 다른 지역을 배경으로 이루어질 수 있겠다는 바람은 아직 제대로 성취되지 못했다. 이 책이 나온 지 30년이 다 되어 가지만 이 책이 이룩한 방대한 작업을 비슷하게라도 성취하는 다른 연구는 나오지 않고 있다. 이 책에 전개된 것처럼 국가 규모에서 어떤 과학 전문 분야의 ‘전기’라고 할 수 있는 서술을 성공적으로 수행하는 것은 좀처럼 흉내 내기 어려운 과업임을 세월이 입증한 셈이다.

1980년대와 1990년대에 과학사학계를 크게 추동한 것은 과학사회학으로부터 몰아친 구성주의였다. 구성주의는 과학의 내용에 비과학적 요소들이 미치는 영향을 다양한 방면에서 보여주었는데, 그 요소들은 사회적 인자뿐만 아니라 실험실 내의 기구를 포함하여 과학자들의 과학 활동에 영향을 미치는 다양한 인자의 형태로 다면적으로 나타났다. 그런 점에서 이 책은 이러한 경향과는 다소 유사하면서도 거리를 두는 연구로서 그 자체의 의미를 갖게 되었다. 고용 환경이 과학 활동, 과학 방법론과 과학의 내용에 미치는 영향처럼 그동안 살펴보지 못했던 측면을 들여다본 것이 바로 이 책의 특징이다. 그렇지만 이 책은 그러한 고용 환경이 과학의 내용을 구성한다는 주장까지 할 정도로 급진적이지는 않다. 그런 점에서 구성주의와는 어느 정도의 거리를 둔 관점에서 대안적인 과학사 방법론을 제시하는 입장을 취했다고 볼 수 있다.

이후에 물리학사에서 전개된 바대로 과학의 내용과 과학 외적 요소의 영향을 독특한 시각으로 살펴보는, 주목받는 저작인 갤리슨(Peter Galison)의 『이미지와 논리(Image and Logic)』에도 이 책은 영향을 주었다. 갤리슨 자신이 고백했듯이 사회학과 인류학에서 많은 영향을 받아 독특한 시각으로 현대 물리학사를 조망한 이 저작은 다양한 전통이 접촉하는 “교역 지대(trading zone)”에서 이루어지는 독특한 커뮤니케이션에 관심을 집중했다. 각기 상이한 전통이 접촉할 때 피진이나 크레올이 만들어져 의사소통이 이루어지는 과정을 밝혀 과학에 대한 이해의 폭을 더욱 넓혔다. 이러한 저술에 이 책 『자연에 대한 온전한 이해』가 직접적인 영향을 미쳤다고 말하기는 어려워도, 이 성공적인 저술이 과학 활동에 교육적, 제도적 요인이 미치는 영향을 어떻게 다루어야 할지 지침을 제공했다는 점을 인정할 수 있을 것이다.

두 권으로 되어 있는 이 책의 첫 권 제목은 “수학의 횃불”이다. 이는 옴의 연구를 특성화하는 말로 처음 나타나 2권의 마지막 장에 아인슈타인에 대한 논의에서 다시 언급됨으로써 이 책 전체를 관통하는 중요한 주제이다. 이론 물리학 전체를 관통하는 중요한 방법상의 혁신으로서 수학의 횃불은 자연을 온전히 이해하는 강력한 무기로서 지속적으로 기여했다.([역주] “수학의 횃불”이라는 용어는 19세기 독일 이론 물리학의 형성 과정에서 이루어진 “수학화”라는 독특한 혁신을 지칭하는 용어로 사용된다.) 실험 결과를 대수식으로 표현하는 방식으로부터, 연역적 추론 과정을 거쳐서 수식을 찾아내는 방식, 미분 방정식의 수립과 풀이로부터 식을 찾는 수리 해석학적 방법, 연산자의 사용과 비유클리드 기하학의 도입에 이르기까지, 이론 물리학은 다양한 수학적 도움을 얻었는데, 이는 ‘수학화’라는 개념으로 표현된다. 100년이 넘도록 이론 물리학은 실험 물리학에 비하여 그 독립된 지위를 획득하지 못하다가 마지막 시기에 도달해서야 제도적으로 독립된 대학의 교수직과 독립된 연구소를 확보함으로써 안정적인 독립적 지위를 누리게 되었다. 옴의 연구에서 물리학의 새로운 방법으로서 등장한 수학적 탐구 방식은 우여곡절을 거치면서 점차 그 영역을 확장해 나갔고 19세기 독일 물리학 성과의 주된 내용을 점차 차지하게 되었다.

이 책이 이론 물리학의 형성 과정이 독일어권에서 일어났다는 것을 말하고자 한 것은 아니다. 19세기와 20세기 초에 걸쳐서 이론 물리학이 독립된 연구분야이자 교육 분야로서 정립되는 과정은 독일어권 밖인 프랑스와 영국에서도 일어났다. 프랑스에서 앙페르(André-Marie Ampère)의 전자기학이 만들어지고, 영국에서 윌리엄 톰슨(William Thomson)에 의해 열역학이 수립되고, 맥스웰(James Clerk Maxwell)에 의해 전자기학이 수립되는 과정은 물리학사에서 뺄 수 없는 중요한 이론적 발전이었다. 또한 프랑스, 영국, 아일랜드 출신의 수학자들, 가령 푸아송(Siméon-Denis Poisson), 코시(Augustin Louis Cauchy), 그린(George Green), 스토크스(G. G. Stokes), 해밀턴(William Rowan Hamilton) 등이 이론 물리학의 토대가 될 수학적 도구들을 개발함으로써 이론 물리학의 기초를 놓은 것도 중요하다. 이런 국가에서 일어난 이러한 변화들이 독일에서 뒤이어 변화가 일어나는 데 지대한 영향을 미쳤다. 그렇지만 비중 면에서 본다면 독일어권에서 일어난 변화가 중심이었다는 것을 부인할 수는 없다. 그 정도로 19세기 후반에 독일 물리학은 세계 최고 수준이었고 상당수의 혁신적 발전이 독일어권에서 일어난 것이다. 그런 점에서 이 책의 논의가 독일어권에 한정되어 있음에도 그 논의하는 바가 지극히 중요하다고 판단할 수 있다.

이 책을 잘 이해하기 위해서는 이 책의 배경이 되는 독일의 사회 정치적 변혁에 대한 사전 이해가 필요하다. 1806년에 나폴레옹 전쟁에서 프로이센이 패한 후 1818년까지, 대학 개혁은 학문주의(Wissenschaftideologie)에 따라 진행되었다. 이는 도덕성과 미적 감각을 갖춘 전인적 인간의 양성을 위하여 빌둥(Bildung)을 갖추도록 돕기 위한 개혁이었다. 1809년에 베를린 대학이 설립되고 1818년에 본 대학이 설립되면서 이러한 이상이 구현될 길이 열렸다. 그러나 훔볼트의 시대는 1819년 종식되고 프로이센 대학에 카를스바트 선언문에 따른 검열과 억압 조치가 내려졌다. 이는, 부정적 측면과 함께, 정부의 행정력이 대학에 직접 미치는 결과를 가져왔다. 대학 교원의 임용에서 정부의 권한이 강화되면서 임용 요건으로서 전문 분야에서의 기여도가 중시되기 시작했다. 이로부터 연구는 교수의 임용을 위한 중요한 조건으로 새롭게 주목되기 시작했다. 1848년 3월에 정치적 소요가 발생하기 전까지 “3월 이전(Vormärz)” 시대는 연구가 대학 내에서 정착되는 중요한 시기였다. 국가 간의 치열한 경쟁 속에서 독일 대학의 독특한 체제가 형성되었는데, 1870년 독일이 통일되면서 프로이센을 중심으로 하는 체제가 성립되었다. 독일 대학 제도는 이전보다 좀 더 차별성이 줄어들어 균일한 속성을 띠게 되었다. 1887년에 제국 물리 기술 연구소(Physikalisch-Technische Reichsanstalt)의 성립은 물리학이 갖게 된 균질성의 축이 되었다. 이로써 실제적인 응용보다 순수 과학을 지향하고 이론과 실험을 긴밀하게 연관시키는 경향이 물리학을 지배했다. 그렇지만 기본적으로 제국 안에서 국가 간의 경쟁이 지속되면서 대학에서 더 좋은 물리학자를 유치하고 더 낳은 연구 성과를 내놓으려는 경쟁 또한 계속되었다.

우리가 애초에 왜 이론 물리학에 관심을 두게 되었는가를 따져보면 이 분야의 발전이 인류의 삶에 끼친 깊은 영향력 때문이다. 그런 점에서 이러한 논의 자체가 의미가 있다는 것을 이해하기 위해서는 이론적 발전에 대한 이해가 선행되어야 한다. 그러한 연구가 기존에 충분히 나와 있기에 이 책에서는 그러한 측면들이 배경 설명처럼 피상적으로 다루어져서, 19세기 독일 이론 물리학의 발전을 이해하고자 하는 대중적 관심사를 충족하기에는 부족한 측면이 있다. 이런 점을 보완하려고 역주에서 핵심적인 설명을 덧붙이기도 했지만, 일관된 설명이 미흡한 점을 고려하여 여기에서 19세기 물리학의 주요 발전을 정리하는 것이 이 책을 충실하게 이해하고자 하는 독자에게 도움이 될 것이다.

19세기 초 물리학의 발전은 전자기학에서의 중요한 혁신에서 비롯된다. 그 혁신은 1800년부터 사용되기 시작한 볼타 전지를 통해 연구자들이 전류를 손에 넣은 것이었다. 전지는 그 이전까지 정전기로만 취급되던 전기를 일정하고 지속적인 세기를 갖는 흐름으로 다룰 수 있게 해주었고, 이로써 전기에 대한 연구자들의 취급 능력이 현격하게 높아졌다. 이 덕분에 독일에서는 전류와 전기 저항과 전압의 관계에 대한 옴(Georg Ohm)의 정식화가 이루어졌고, 전류 주위에 자기장이 형성된다는 외르스테드(Hans Christian Oersted)의 발견에 힘입어 프랑스에서는 전류의 자기 작용을 정식화한 앙페르의 연구가 나왔다. 이어진 영국의 패러데이(Michael Faraday)의 연구는 전기를 가지고 수행할 수 있는 모든 실험을 연구의 목록에 올렸다. 그중에서 전류에 의한 자기 유도 법칙의 발견과 자기장의 변화에 의한 전류의 유도 실현은 이후 발전기와 전동기의 개선을 통해 전기 산업의 기초가 되었다. 이론적 측면에서 패러데이는 대륙의 전기학자들과 유리된 상태에서 독창적인 연속체 관념에 입각하여 역선과 장의 개념을 통해 전기 자기 현상의 이해를 도모했고 이는 이후 맥스웰에 의해 수학화되어 맥스웰 방정식의 수립과 전자기파의 예견으로 이어졌다. 한편 독일에서는 베버(Wilhelm Weber)와 노이만(Franz Neumann) 등에 의해 전기 동역학의 수학화가 진행되었는데, 원격 작용에 토대를 두고 전기 현상을 이해했다는 점에서 이들은 영국의 접근 방식과 차별화되었다. 헬름홀츠는 이러한 대륙의 전자기학과 맥스웰이 수립한 영국의 전자기학을 접목해 이해하려는 시도를 했다. 이러한 노력의 연장선에서 헬름홀츠의 제자인 헤르츠(Heinrich Hertz)는 1888년에 전자기파를 검출해 냄으로써 맥스웰의 접근법의 우수성을 여실히 입증해 내었고 이후 무선통신의 발전을 위한 토대를 놓았다.

1840년대 에너지 보존 법칙의 수립과 엔트로피라는 개념의 정립, 그리고 열역학 제2법칙의 성립 과정은 물리학사에서 매우 중요한 사건이었다. 에너지 보존 법칙의 발견은 동시 발견의 예로 주로 거론되는바 영국의 줄(James Prescott Joule), 독일의 생리학자 마이어(Julius Robert Mayer), 독일의 물리학자 헬름홀츠 등이 독립적으로 유사한 결론에 도달했다고 인정을 받는다. 헬름홀츠는 사실상 생리학적인 연구를 통해 에너지 보존 법칙을 착안하게 되었는데, 이 법칙을 정립하는 데 수학적인 접근을 추구함으로써, 수학화가 이론 물리학적 성과로서 중요하게 인식되게 된다. 영국에서 줄이 열기관의 효율을 높이려는 실용적인 목적에서 연구를 수행한 반면, 헬름홀츠는 동물의 열 발생을 생리화학적으로 연구하면서 유사한 결론에 도달했다. 에너지 보존 법칙은, 여러 종류의 변환 과정에 모두 적용되는 변하지 않는 통일적인 원리를 추구했다는 점에서, 낭만주의적 사조로서 독일 지식인을 사로잡고 있었던 자연철학주의(Naturphilosophie)의 영향을 받았다고 알려져 있다.

열역학 제2법칙의 발견도 역시 열기관의 열효율에 대한 문제를 고찰하면서 나왔다. 자연 상태에서 열은 고열원에서 저열원으로 흐르며 열효율은 두 열원의 온도 차에만 관계되고 작용물질과는 무관하다는 사실에서, 에너지의 자연적 흐름의 방향성, 즉 에너지 낭비의 경향이 있음이 인지되었다. 영국의 윌리엄 톰슨(William Thomson)이 이 개념을 천착하는 동안 독일의 클라우지우스(Rudolf Gottlieb Clausius)는 이러한 경향을 수학적으로 정량화하기 위한 이론적 고찰을 거듭한 끝에 엔트로피라는 개념을 창시하고 엔트로피 증가의 경향이라는 말로 열역학 제2법칙을 수립하는 데 성공했다. 오스트리아의 볼츠만(Ludwig Boltzmann)은 클라우지우스의 엔트로피 개념에 통계역학적으로 접근하여 상태의 수의 증가라는 개념에 의거해 엔트로피를 새롭게 정의했다. 이는 통계역학이라는 새로운 접근법의 수립과 병행하여 이루어졌다. 맥스웰은 다수의 입자가 모여 있는 기체의 운동을 다루면서 속도 분포에 대한 이론적 논의를 통계적 접근법을 써서 성공적으로 제시한 데 비해, 볼츠만은 여기에 시간의 차원을 넣어서 이러한 분포가 어떻게 바뀌어 갈 수 있는지를 논의함으로써 열역학 제2법칙에 이르게 되었다.

19세기 물리학의 큰 특징은 일반 이론을 추구하는 경향이었으며, 그러한 과정에서 이론 물리학은 중심적인 역할을 했다. 그중에서도 역학 위에 물리학을 세우고자 하는 움직임이 광범하게 일어났다. 많은 물리학자가 열역학을 역학적으로 설명하고자 시도했으며, 이러한 과정에서 통계역학이라는 새로운 시각의 물리학이 창출되었다. 처음에는 전자기학을 역학적으로 설명하고자 시도했으나 결국에 맥스웰의 전자기학이 자체로서 서게 되었고 그 엄밀성의 확보는 확고하여 역학조차도 전자기학으로 환원하려는 시도를 하는 이들이 상당히 많았다. 이러한 흐름에서 선두에 섰던 이가 네덜란드의 물리학자 로렌츠(H. A. Lorentz)로, 물질 내부의 구성물로 전하를 띤 입자인 전자를 가정함으로써 전기 역학적 접근으로 물체의 변형을 다루어, 로렌츠 변환식을 얻기에 이르렀는데 이것은 나중에 아인슈타인이 고속으로 움직이는 물체에 대하여 상대론적으로 얻은 것과 일치했다.

20세기 초 독일 물리학의 탁월한 공헌은 양자역학과 상대성 이론의 창안에 있었다. 양자 개념은 1900년에 플랑크가 흑체 복사를 설명하는 식을 만들면서 도입한 가정에서 시작되었다. 빛이 띄엄띄엄 떨어진 에너지 양자를 갖는다는 생각은 근본적으로 새로운 사고였기에 그 의미에 대한 많은 논의가 이어졌고, 1908년에 아인슈타인의 광양자(빛양자) 이론을 통해 광전 효과를 성공적으로 설명함으로써 그 함의가 더욱 확장되었다. 1913년에 보어의 수소 모형에 도입된 불연속적 준위의 가정에서 분광학적 측정값으로 제시된 발머 계열에 대한 일관된 설명을 통해 양자 개념은 원자 물리학에 도입되었다. 조머펠트(Arnold Sommerfeld)는 타원 궤도를 전자에 부여함으로써 측정치와 더욱 일치되는 양자 모형을 만들어 내었고 하이젠베르크는 행렬을 사용하는 새로운 수학적 방법을 통해 양자역학을 체계적으로 수립했다. 한편 슈뢰딩거는 운동 방정식을 사용하는 더 전통적인 방법으로 미시적 세계를 기술하려 시도했고, 이것이 하이젠베르크의 행렬 역학과 일치된 결과를 낸다는 것이 알려짐으로써 양자역학은 더욱 완결된 형식을 얻게 되었다. 보른(Max Born)은 양자역학의 상태함수의 제곱이 확률 밀도 함수로서 특정한 위치에서 입자가 발견될 확률을 나타낸다는 것을 발견하여, 파동함수란 곧 존재 확률의 파동이라는 이해를 낳게 되었다. 이는 이후 보어에 의해 정교화된 양자역학에 대한 코펜하겐 해석의 기초였다.

아인슈타인의 상대성 이론은 맥스웰의 전자기 이론에서 출발했다. 도선 주위에서 자기장이 움직이는 경우와 자기장에 대하여 도선이 움직이는 경우에서, 맥스웰의 이론에 따라 대칭적인 해석이 가능하도록 하려는 노력에서 아인슈타인은 역학의 변혁을 요구했다. 이는 광속 불변과 상대성 원리라는 공준(postulate)에서 출발하여 등속으로 운동하는 좌표계에 논의를 한정했기에 특수 상대성 이론이라고 불렸다. 이것이 근본적으로 시공간의 변혁을 함축한다는 것은 한때 아인슈타인의 스승이었던 수학자 민코프스키(Hermann Minkowski)의 해석에 의해 분명해졌고, 플랑크의 적극적인 도움으로 특수 상대성 이론은 이후 많은 추가 연구를 촉발시켰다. 아인슈타인은 속도가 변하는 좌표계 사이의 상대성을 다루는 일반 상대성 이론을 중력 이론과 연관해 전개했고, 이를 위해 필요한 수학적 도구인 텐서를 활용하기 위하여 수학자 그로스만(Marcel Grossmann)의 도움을 받았다. 그렇게 하여 1915년에 수립된 일반 상대성 이론은 다양한 예측을 내어 놓았고 그중에서 태양에 의한 별빛의 굴절(꺾임)의 예측은 1919년에 영국의 천문학자인 에딩턴(Arthur Eddington)의 팀에 의해 검증됨으로써 세계적인 명성을 아인슈타인에게 안겨주었다.

이 책의 약점이자 장점은, 제도적 측면에 초점이 맞추어져 있어 개념적 발전의 흐름을 상세히 살피지는 않는다는 점이다. 실제로 과학사에서 오랫동안 관심의 초점이 된 것은 이러한 개념의 역사였다. 과학의 흐름을 새로운 개념의 출현과 발전 과정으로 읽었던 것이다. 그러다가 1990년대에 들어와 실행(practice)으로 과학을 보고자 하는 새로운 조류가 생겨났다. 과학은 단지 머릿속에서만 일어나는 과정이 아니라 사람의 몸과 관련된 활동이기도 하다는 인식이 이러한 흐름을 이끌었다. 이러한 조류는 한편으로는 관찰과 실험이라는 실행적 측면에 대한 역사가들의 관심을 증폭시켰고 또 한편으로는 과학이라는 실행의 배경이 되는 제도적 측면에 대한 관심으로 나타났다. 이러한 맥락에서 이 책은 대학의 교수직과 연구소, 그리고 학술지에 초점을 맞추어 이론 물리학의 전개 과정을 살펴보았다. 이전까지 탐구된 적이 없었던 1차 자료들을 분석함으로써 이전에 세상에 알려지지 않았던 새로운 측면을 찾아내 이론 물리학의 역사에 새로운 내용을 더했다. 그런 점에서 이 책은 신기원을 이루었고 이후의 과학사 연구 방향에 중요한 영향을 미쳤다. 제도적 측면을 이 책의 방식으로 탐구하는 데 모범이 된 것이다.

그런 점에서 과학사를 연구하고자 하는 학생이나 연구자는 이 책을 통하여 과학의 제도적 측면을 살피는 좋은 실례를 배울 수 있다. 물론 과학자들을 비롯하여 관심 있는 일반 독자는 이 책을 통하여 과학이라는 것이 어떤 배경에서 자라나고 어떠한 상호 작용을 통하여 육성될 수 있는지를 발견할 수 있다. 물론 현대 물리학의 형성 과정에서 결정적으로 기여한 유명한 독일 물리학자들의 생생한 삶의 이야기와 난관들을 실감나게 살필 기회와 적지 않은 재미도 가져다줄 것이다.

목차
24 20세기 전환기의 이론 물리학의 새로운 기초
역학적 기초
물리학의 분자 역학적 기초에 대한 열역학적 의문
물리학의 에너지학적 기초
물리학의 전자기적 기초
물리학의 상대론적 기초
25 세기 전환기? 이후 이론 물리학의 제도적 발전, 연구, 교육
베를린과 괴팅겐의 이론 물리학
뮌헨의 새 이론 물리학 연구소
이론 물리학 부교수 자리
새 이론 물리학 정교수 자리
26 이론 물리학의 전성기: 양자론, 상대론, 원자 이론, 우주론
독일 과학자 협회의 잘츠부르크 회의에서의 양자 이론
양자 이론, 다른 이론들, ≪물리학 연보≫, 솔베이 회의
상대성 이론과 ≪물리학 연보≫
아인슈타인의 일반 상대성 이론과 우주론
수학의 횃불을 든 아인슈타인
27 새로운 대가들의 출현
원자 이론: 상대론과 양자론이 만나다
양자역학

역자 서문

『자연에 대한 온전한 이해: 이론 물리학, 옴에서 아인슈타인까지(Intellectual Mastery of Nature: Theoretical Physics from Ohm to Einstein)』의 한국어판이 나오기까지 어려운 일이 많았다. 힘든 만큼 일에는 보람이 있어 역자의 지적 여정에 하나의 이정표를 남기는 경험이 되었다. 19세기부터 20세기 초까지 독일 물리학의 가장 중요한 시기에 물리학이 어떻게 독일적 맥락에서 형성되었는지를 새로운 접근법으로 살핌으로써 기념비적인 저작이 된 책을 번역할 수 있었던 것은 특권이었다.

20세기 초 현대 물리학은 양자 역학과 상대성 이론이라는 양대 기둥에 의해 우뚝 섰다. 그 이론들이 독일적 맥락에서 주로 이루어졌다는 것은 이러한 놀라운 성과를 이룩하기 위해 독일인들이 불과 한 세기 전의 미약했던 물리학의 토대 위에서 어떠한 노력을 기울였는가에 의문을 품게 한다. 그런 점에서 이 책은 기존의 연구와는 차별되는 접근법, 즉 과학 내적 흐름보다는 제도적 흐름에 주목함으로써 탁월한 이론 물리학의 성과들이 어떻게 독특한 배경 속에서 출현하게 되었는가를 서술한다. 이 책은 19세기와 20세기 초를 거치면서 물리학 교과서에서 흔히 접하는 상당수 물리학자들의 개인적인 면모를 볼 수 있는 남다른 즐거움을 선사한다. 교과서에서 위대한 물리학의 창조자로 나오는 이들이 현대 사회의 어떤 물리학자보다도 어려운 연구 형편에서 연구에 매진하여 이룩해낸 위대한 성과를 현재 우리가 접하고 있다는 사실을 통해 독자들은 큰 감동을 느낄 것이다. 인력과 지식이 원만하게 흐를 때 그 사회의 과학은 성공적으로 발전할 수 있다는 것도 배우게 될 것이다. 또한 독자들은 두 저자가 탁월한 연구를 수행하기 위해 참고한 방대한 자료에 놀라고 이러한 대단한 저작이 나올 수 있도록 여러 가지로 지원한 사회의 지적 배경에 또한 부러운 시선을 보내게 될 것이다.

이제 우리나라도 과학의 수혜자 지위에서 과학의 창조자로서 지위로 서서히 나아가고 있다. 이 시점에서 과학의 발전에 대한 이러한 심오한 논의는 우리나라 과학 종사자들의 과학에 대한 관점을 새롭게 하는 데 보탬이 되리라고 기대해 본다. 책의 존재 의미는 적절한 독자를 만날 때 실현될 수 있다. 이 번역서가 과학자를 비롯한 많은 지적 대중에게 사랑받으며 한국어의 지적 풍요를 확대하는 책이 되기를 바란다. 이 책의 번역 출판을 지원해준 한국연구재단에 감사한다. 또한 책이 나오기까지 여러 차례의 교정으로 큰 도움을 준 아내 최윤정에게 감사하며, 마지막으로 멋진 책이 나오도록 꼼꼼하고 진지하게 책을 만들어 준 한국문화사 여러분의 노고에도 감사를 드린다.

2013년 12월 1일
천성산 기슭에서 구자현