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음, 아인슈타인이랑 허블이 우주의 거대한 구조를 밝혀내는 데 엄청난 성과를 거둘 때, 또 다른 사람들은 우리 바로 옆에 있지만 또 너무나 멀게 느껴지는 것, 그러니까 작고 영원히 신비로운 원자를 이해하려고 애썼대요.
칼텍의 위대한 물리학자 리처드 파인만이 언젠가 이런 말을 했어요. 과학사를 딱 한 문장으로 압축해야 한다면 그건 바로 "모든 것은 원자로 이루어져 있다"라는 말일 거라고요. 진짜 어디든 원자가 있는 거예요. 원자가 모든 걸 구성하잖아요. 주위를 둘러보면 온통 원자 투성이죠. 벽이나 책상, 소파 같은 고체는 물론이고, 그 사이에 있는 공기조차도 원자로 이루어져 있대요. 원자는 정말 상상할 수 없을 정도로 엄청나게 많이 존재하거든요.
원자의 기본적인 작동 형태는 분자인데, 분자는 라틴어로 "작은 덩어리"라는 뜻이래요. 분자는 둘 이상의 원자가 비교적 안정적인 형태로 함께 작동하는 걸 말하죠. 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 결합하면 물 분자가 되는 것처럼요. 화학자들은 보통 원소보다는 분자를 기준으로 생각하는데, 작가들이 글자를 기준으로 생각하기보다는 단어를 기준으로 생각하는 것과 비슷하대요. 그래서 분자 수를 계산하는 거죠. 분자 수는 진짜, 최소한 많다고 말할 수 있을 거예요. 해수면 높이, 섭씨 0도 온도에서 1세제곱센티미터의 공기, 그러니까 각설탕 정도의 공간 안에 분자가 4경 5천조 개나 들어있대요. 와, 진짜 어마어마하죠? 그리고 우리 주변의 모든 1세제곱센티미터 공간에 그만큼의 분자가 있는 거예요. 밖을 한 번 보세요. 창밖 세상에는 얼마나 많은 세제곱센티미터가 있을까요? 얼마나 많은 각설탕으로 그걸 채울 수 있을까요? 그리고 그런 공간이 얼마나 많아야 우주를 구성할 수 있을까요? 결론적으로, 원자는 진짜 진짜 많아요.
게다가 원자는 엄청나게 오래 살아요. 원자가 그렇게 오래 살기 때문에, 정말 여기저기 돌아다닐 수 있는 거죠. 우리 몸을 구성하는 모든 원자는 분명히 여러 개의 별을 거쳐 왔을 거고, 수백만 종의 생물체의 일부였다가 우리 몸의 일부가 된 거겠죠. 우리 각자 엄청나게 많은 원자를 가지고 있대요. 그리고 그 원자들은 생명력이 강해서 우리가 죽은 후에도 다시 사용될 수 있대요. 우리 몸에 있는 원자 중 상당 부분, 어떤 사람은 우리 몸에 최대 10억 개의 원자가 셰익스피어의 몸에서 왔을 수도 있다고 계산하더라구요. 석가모니, 칭기즈칸, 베토벤, 뭐 이런 역사적인 인물들한테서도 각자 10억 개씩 왔을 수도 있대요. 당연히 역사적인 인물이어야겠죠. 왜냐하면 원자가 완전히 재분배되는 데는 대략 수십 년이 걸리거든요. 아무리 원해도 엘비스 프레슬리의 원자는 아직 우리 몸에 있을 수 없다는 거죠. 하하.
그러니까 우리는 모두 다른 사람의 환생인 셈이에요. 비록 수명이 짧긴 하지만요. 우리가 죽으면 우리 몸의 원자는 뿔뿔이 흩어져서 다른 곳으로 가서 새로운 용도를 찾을 거예요. 나뭇잎이 되거나, 다른 사람의 몸이 되거나, 이슬방울의 일부가 되겠죠.
그리고 원자 자체는 사실상 영원히 살아남을 거예요. 사실, 아무도 원자의 수명을 정확히 알지는 못하지만, 마틴 리스에 따르면 그 수명은 대략 10의 35승 년 정도래요. 진짜 너무 커서 저도 그냥 수학 기호로 쓰고 싶어지네요.
그리고 원자는 엄청 작아요. 진짜 작아요. 50만 개의 원자를 일렬로 세워도 사람 머리카락 하나를 가릴 수 없대요. 그런 비율로 보면 원자는 상상할 수 없을 정도로 작죠. 하지만, 물론 한번 시도해 볼 수는 있어요.
먼저 1밀리미터에서 시작해 볼게요. 딱 이만큼의 선이요: ㅡ. 이제, 이 선이 폭이 같은 1000개의 조각으로 나뉘었다고 상상해 보세요. 각 조각의 폭은 1마이크로미터가 되는 거예요. 이게 바로 미생물의 크기예요. 예를 들어, 일반적인 섬모충, 그러니까 단세포 담수 생물은 대략 2마이크로미터 폭 정도래요. 즉 0.002밀리미터인데, 진짜 작죠. 육안으로 섬모충이 물방울 속에서 헤엄치는 걸 보려면, 이 물방울을 12미터 폭으로 확대해야 한대요. 하지만, 같은 물방울 속의 원자를 보려면 물방울을 24킬로미터 폭으로 확대해야 한다네요.
바꿔 말하면, 원자는 완전히 다른 미세한 척도 안에 존재한다는 거죠. 원자의 크기를 알려면, 이런 마이크로미터 크기의 물체를 집어서 10,000개의 더 작은 조각으로 잘라야 해요. 그게 바로 원자의 크기인 거예요. 1밀리미터의 1천만분의 1이죠. 이렇게 작은 것은 우리의 상상력을 훨씬 뛰어넘는 크기예요. 하지만, 원자가 위의 1밀리미터 선에 대해, 종이 한 장의 두께가 뉴욕 엠파이어 스테이트 빌딩 높이에 해당하는 것과 같다고 기억하면, 크기에 대한 대략적인 감을 잡을 수 있을 거예요.
물론, 원자가 그렇게 유용한 이유는 그 수가 엄청나게 많고 수명이 매우 길기 때문이에요. 그리고 감지하고 인식하기 어려운 이유는 너무 작기 때문이죠. 원자의 세 가지 특징, 즉 작고, 많고, 사실상 파괴할 수 없다는 것과 모든 것이 원자로 구성되어 있다는 사실을 처음 발견한 사람은, 우리가 생각하는 것처럼 앙투안-로랑 라부아지에나 헨리 캐번디시, 험프리 데이비가 아니라, 존 돌턴이라는 아마추어이자 교육을 제대로 받지 못한 영국 퀘이커 교도였대요. 이 사람은 7장에서 처음 언급했었죠.
돌턴은 영국 호수 지방 가장자리에 있는 코커머스 근처에서 태어났어요. 그는 1766년에 가난하고 독실한 퀘이커 교도 직조공 가정에서 태어났죠. (4년 후, 시인 윌리엄 워즈워스도 코커머스에 왔대요.) 돌턴은 엄청 똑똑한 학생이었대요. 너무 똑똑해서 12살이라는 어린 나이에 지역 퀘이커 학교의 교장이 되었대요. 이걸 보면 돌턴이 조숙했다는 걸 알 수도 있고, 아니면 그 학교의 상황을 보여주는 걸 수도 있고, 아니면 아무것도 아닐 수도 있겠죠. 돌턴의 일기를 보면, 대략 이때쯤에 뉴턴의 "프린키피아", 그러니까 라틴어 원본이랑 비슷한 수준의 어려운 책들을 읽고 있었다고 하더라구요. 15살이 되었을 때는 계속 교장으로 일하면서 근처의 켄달 타운에서 일자리를 구했대요. 10년 후에는 맨체스터로 이사해서 인생의 마지막 50년 동안 거의 움직이지 않았죠. 맨체스터에서 그는 지적인 돌풍을 일으켰대요. 책도 쓰고, 논문도 쓰고, 기상학부터 문법까지 다양한 내용을 다뤘다고 하네요. 그는 색맹이었는데, 오랫동안 색맹을 돌턴 증후군이라고 불렀대요. 왜냐하면 그가 이 분야를 연구했기 때문이죠. 하지만, 1808년에 출판된 "화학 철학의 새로운 체계"라는 두꺼운 책이 드디어 그를 유명하게 만들었대요.
책의 4페이지밖에 안 되는 짧은 장에서 (책은 총 900페이지가 넘어요), 학계 인사들은 거의 현대적인 개념의 원자를 처음 접하게 되었대요. 돌턴의 견해는 간단했어요. 모든 물질의 기본에는 아주 작고 환원 불가능한 입자가 있다는 거죠. "수소 입자를 만들거나 파괴하는 것은 태양계에 새로운 행성을 도입하거나 기존 행성을 파괴하는 것만큼이나 불가능할 것이다."라고 그는 썼대요.
원자의 개념이나 "원자"라는 단어 자체는 새로운 것이 아니래요. 둘 다 고대 그리스인들이 발명했대요. 돌턴의 공헌은 원자의 상대적인 크기와 성질, 그리고 그것들이 결합하는 방법을 고려했다는 거죠.
예를 들어, 그는 수소가 가장 가벼운 원소라는 것을 알고 있었기 때문에 원자량을 1로 주었대요. 그는 또한 물이 산소 7개와 수소 1개로 구성되어 있다고 생각했기 때문에 산소의 원자량을 7로 주었대요. 이런 식으로 알려진 원소의 상대적인 무게를 얻을 수 있었던 거죠. 항상 정확했던 것은 아니래요. 산소의 원자량은 실제로 16이지 7이 아니지만, 원리는 타당했고 전체 현대 화학과 다른 많은 과학의 기초가 되었대요.
이 업적은 돌턴을 유명하게 만들었는데, 영국 퀘이커 교도 스타일로 은근하게 유명해졌대요. 1826년에 프랑스 화학자 P.J. 펠티에가 맨체스터에 와서 이 원자 영웅을 만나고 싶어했대요. 펠티에는 돌턴이 큰 기관에 속해 있을 거라고 생각했기 때문에, 돌턴이 작은 골목길에 있는 초등학교에서 아이들에게 기초 산수를 가르치고 있다는 사실을 알고 깜짝 놀랐대요.
과학사학자 E.J. 홈야드에 따르면, 펠티에가 그 대단한 사람을 보자 당황해서 더듬거리면서 말했대요. "실례합니다, 돌턴 씨십니까?" 왜냐하면 유럽에서 유명한 화학자가 어린 아이들에게 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈을 가르치고 있다는 사실을 믿을 수 없었기 때문이죠. "맞아요." 퀘이커 교도가 무뚝뚝하게 말했대요. "앉으세요. 아이들에게 먼저 이 산수 문제를 가르쳐야 합니다."
돌턴은 모든 영예를 멀리하고 싶어했지만, 어쩔 수 없이 왕립 학회 회원으로 선출되어 많은 메달을 받고 상당한 정부 연금을 받았대요. 그가 1844년에 사망했을 때, 4만 명이 그의 관을 보려고 나왔고 장례 행렬은 3킬로미터가 넘었대요. "영국인 명사 사전"에서 그의 항목은 가장 긴 항목 중 하나이고, 19세기 과학자 중에서는 다윈과 라이엘만이 길이로 비교될 수 있었대요.
돌턴이 그의 견해를 제시한 후 1세기 동안, 그것은 여전히 가설에 불과했어요. 일부 저명한 과학자, 특히 오스트리아의 물리학자 에른스트 마흐는 음속 단위가 그의 이름을 따서 명명되었는데, 원자가 존재한다는 것을 아예 의심했대요. "원자는 보이지도 만져지지도 않는다. … 그것들은 머릿속에서 상상해낸 것들이다."라고 그는 썼대요.
특히 독일어권에서는 이런 의심스러운 시각으로 원자의 존재를 바라봤대요. 이것이 위대한 이론 물리학자이자 원자의 열렬한 지지자인 루트비히 볼츠만이 자살하게 된 이유 중 하나라고도 하네요.
아인슈타인은 1905년에 브라운 운동에 대한 논문을 통해 원자의 존재를 입증하는 반박할 수 없는 증거를 처음 제시했지만, 큰 주목을 받지 못했대요. 어쨌든 아인슈타인은 곧 일반 상대성 이론 연구에 몰두하게 되었죠. 따라서, 원자 시대의 첫 번째 진정한 영웅은 어니스트 러더퍼드였대요.
러더퍼드는 1871년에 뉴질랜드의 "내륙 지역"에서 태어났대요. 스티븐 와인버그의 말에 따르면, 그의 부모는 아마를 조금 심고 많은 아이들을 키우기 위해 스코틀랜드에서 뉴질랜드로 이주했대요. 그는 과학의 주류와 마찬가지로 멀리 떨어진 나라의 외딴 지역에서 자랐죠. 하지만, 1895년에 그는 장학금을 받아서 케임브리지 대학교의 캐번디시 연구소에 올 기회를 얻었대요. 이곳은 곧 세계에서 물리학을 하는 가장 인기 있는 곳이 될 예정이었대요.
물리학자들은 특히 다른 분야의 과학자들을 깔봤대요. 위대한 오스트리아의 물리학자 볼프강 파울리의 아내가 그를 떠나 화학자와 결혼했을 때, 그는 너무 놀라서 믿을 수가 없었대요. "그녀가 투우사와 결혼했다면 이해할 수 있었을 텐데." 그는 놀라서 친구에게 말했대요. "하지만, 화학자와 결혼하다니…"
러더퍼드는 그런 감정을 이해할 수 있었대요. "과학은 물리학이거나 우표 수집이다."라고 그는 언젠가 말했대요. 이 말은 나중에 반복해서 인용되었죠. 하지만, 아이러니하게도 그는 1908년에 노벨 물리학상이 아니라 화학상을 받았대요.
러더퍼드는 운이 좋은 사람이었대요. 천재였던 것도 운이 좋았지만, 물리학과 화학이 그렇게 흥미진진하면서도 그렇게 대립적인 시대에 살았던 것도 운이 좋았대요. 이 두 학문은 다시는 예전처럼 겹쳐지지 않았을 거예요.
많은 업적을 이루었음에도 불구하고, 그는 특별히 똑똑한 사람은 아니었대요. 실제로 수학에는 젬병이었대요. 강의 중에 종종 자신의 방정식을 엉망으로 만들어서 중간에 멈추고 학생들에게 직접 결과를 계산하도록 시켰대요. 그와 오랫동안 함께 일했던 동료이자 중성자 발견자인 제임스 채드윅에 따르면, 그는 실험에도 특별히 능숙하지는 않았대요. 그는 끈기가 있고 생각이 열려 있었을 뿐이죠. 그는 영리함 대신에 재치와 약간의 용기를 사용했대요. 한 전기 작가의 말에 따르면, 그는 자신의 머리가 "대부분의 사람들보다 훨씬 멀리, 엉뚱한 방향으로 가는 것"처럼 보였대요. 어려운 문제를 만나면 대부분의 사람들보다 더 많은 노력을 기울이고 더 많은 시간을 할애하고, 비정통적인 설명을 더 쉽게 받아들였대요. 형광 스크린 앞에 앉아서 소위 α 입자의 섬광 횟수를 세는 엄청나게 지루한 시간을 기꺼이 보냈기 때문에, 가장 위대한 돌파구를 마련할 수 있었던 거죠. 그는 원자에 내재된 에너지가 일단 이용되면 "이 낡은 세상을 연기 속에 사라지게 할" 수 있을 만큼 강력한 폭탄을 만들 수 있다는 것을 처음 발견한 사람 중 한 명, 아마도 처음 발견한 사람일 거예요.
몸집이 크고 체격이 좋았고, 말하는 목소리는 소심한 사람들을 깜짝 놀라게 할 수 있을 정도였대요. 언젠가 한 동료가 러더퍼드가 대서양 건너편에 방송 연설을 할 것이라는 소식을 듣고 냉담하게 물었대요. "왜 방송을 해야 하지?" 그는 또한 매우 자신감이 넘쳤고, 긍정적인 마음을 가지고 있었대요. 누군가가 그에게 항상 파도 꼭대기에 사는 것 같다고 말하자, 그는 "에이, 어쨌든 이 파도는 내가 만든 건데, 그렇지 않나?"라고 대답했대요. C.P. 스노는 언젠가 케임브리지의 재단사 가게에서 러더퍼드가 "내 허리 둘레는 점점 더 굵어지고, 동시에 지식은 점점 더 늘어난다."라고 말하는 것을 엿들었다고 회상했대요.
하지만, 1895년에 그는 캐번디시 연구소를 떠났대요. 머나먼 미래에 그의 허리 둘레는 더욱 굵어질 것이고, 명성은 더욱 높아질 것이었죠. 러더퍼드가 케임브리지 대학교에 도착한 해에, 빌헬름 뢴트겐은 독일의 뷔르츠부르크 대학교에서 X선을 발견했대요. 그 다음 해에 앙리 베크렐은 방사능 현상을 발견했죠. 캐번디시 연구소 자체도 길고 화려한 길을 걷게 될 예정이었대요. 1897년에 J.J. 톰슨과 그의 동료들은 그곳에서 전자를 발견할 것이고, 1911년에 C.T.R. 윌슨은 그곳에서 최초의 입자 검출기를 만들 것이고, 1932년에 제임스 채드윅은 그곳에서 중성자를 발견할 것이었대요. 더 먼 미래에는 1953년에 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 캐번디시 연구소에서 DNA 구조를 발견할 것이었대요.
처음에 러더퍼드는 전파를 연구해서 약간의 성과를 거두었대요. 1킬로미터 떨어진 곳으로 선명한 신호를 보내는 데 성공했는데, 당시에는 꽤 괜찮은 업적이었죠. 하지만, 그는 한 선배 동료가 전파에는 큰 미래가 없을 것이라고 충고하자 그만두었대요. 전반적으로 러더퍼드의 캐번디시 연구소 경력은 썩 좋지는 않았대요. 그는 그곳에서 3년을 보내면서 별로 한 일이 없다고 느꼈고, 몬트리올의 맥길 대학교에서 자리를 제안받자 수락했고, 그때부터 영광으로 향하는 길을 꾸준히 걸어갔대요. 그가 노벨상을 받았을 때에는 이미 맨체스터 대학교로 옮긴 상태였죠. 사실, 그곳에서 그는 가장 중요한 성과를 거두고 원자의 구조와 성질을 밝혀낼 예정이었대요.
20세기 초에 이르러서는 이미 원자가 여러 부분으로 구성되어 있다는 것을 알고 있었대요. 톰슨이 전자를 발견해서 그런 견해를 확립했죠. 하지만, 아직 몰랐던 것은 정확히 몇 부분으로 되어 있는지, 그것들이 어떻게 합쳐지는지, 어떤 모양인지였대요. 어떤 물리학자들은 원자가 정육면체일 수도 있다고 생각했대요. 왜냐하면 정육면체는 공간을 낭비하지 않고 깔끔하게 쌓을 수 있기 때문이죠. 하지만, 더 일반적인 견해는 원자가 건포도 빵이나 건포도 푸딩과 더 비슷하다는 것이었대요. 밀도가 매우 높은 고체에 양전하가 있고, 그 위에 음전하를 띤 전자가 건포도 빵의 건포도처럼 흩어져 있다는 것이죠.
1910년에 러더퍼드는 그의 학생 한스 가이거의 도움을 받아 이온화된 헬륨 원자, 즉 α 입자를 금박에 발사했대요. 놀랍게도 일부 입자가 튕겨져 돌아왔대요. 그는 마치 종이에 38센티미터 포탄을 쏘았는데, 포탄이 그의 무릎으로 튕겨져 돌아온 것 같았다고 말했대요. 이것은 일어나서는 안 될 일이었죠. 심사숙고한 후에 그는 오직 하나의 설명만이 가능하다고 생각했대요. 튕겨져 돌아온 입자는 원자 안에서 작고 밀도가 높은 어떤 것에 부딪혔고, 다른 입자는 막힘없이 통과했다는 거죠. 러더퍼드는 원자 내부가 주로 텅 빈 공간이고, 가운데에만 밀도가 매우 높은 핵이 있다는 것을 깨달았대요. 이것은 매우 만족스러운 발견이었죠. 하지만 곧바로 문제가 발생했는데, 전통적인 물리학의 모든 법칙에 따르면 원자는 존재해서는 안 되었기 때문이죠.
잠시 멈춰서 우리가 현재 알고 있는 원자 구조에 대해 생각해 봅시다. 각 원자는 세 가지 기본 입자로 구성되어 있어요. 양전하를 띤 양성자, 음전하를 띤 전자, 그리고 전하를 띠지 않은 중성자죠. 양성자와 중성자는 원자핵에 들어 있고, 전자는 바깥쪽에서 회전하고 있어요. 양성자의 수는 원자의 화학적 특성을 결정해요. 양성자가 하나인 원자는 수소 원자이고, 양성자가 두 개인 원자는 헬륨 원자이고, 양성자가 세 개인 원자는 리튬 원자이고, 이런 식으로 올라가는 거죠. 양성자를 하나씩 추가할 때마다 새로운 원소가 생기는 거예요. (원자 속의 양성자 수는 항상 같은 수의 전자와 균형을 이루기 때문에, 어떤 책에서는 전자의 수로 원소를 정의하는 경우도 있는데, 결과는 완전히 똑같아요. 누가 저에게 설명해 주기를, 양성자는 원자의 정체성을 결정하고, 전자는 원자의 성격을 결정한다고 하더라구요.)
중성자는 원자의 정체성에 영향을 미치지는 않지만, 질량을 증가시켜요. 일반적으로 중성자 수는 양성자 수와 거의 같지만, 약간 더 많거나 적을 수도 있어요. 중성자를 한두 개 늘리거나 줄이면 동위원소가 되는 거죠. 고고학에서는 동위원소를 사용해서 연대를 측정하는데, 예를 들어 탄소-14는 6개의 양성자와 8개의 중성자로 구성된 탄소 원자예요.
중성자와 양성자는 원자핵을 차지하고 있어요. 원자핵은 매우 작아서 원자 전체 부피의 1조분의 1에 불과하지만, 밀도는 매우 높아서 사실상 원자의 모든 물질을 구성하고 있어요. 크로퍼에 따르면, 원자를 교회만큼 크게 확대하면 원자핵은 파리 한 마리 정도밖에 안 될 거예요. 하지만, 파리는 교회보다 수천 배 더 무거울 거예요. 1910년에 러더퍼드가 고민했던 것은 바로 이런 넓은 공간, 놀랍고 예상치 못했던 넓은 공간이었대요.
원자가 주로 텅 빈 공간이고, 우리 주변의 실체는 환상에 불과하다는 견해는 지금도 놀랍죠. 두 물체가 현실 세계에서 부딪히면, 우리는 종종 당구공을 예로 들죠, 그것들은 실제로 서로 충돌하는 것이 아니래요. "대신," 티모시 페리스가 설명하기를, "두 공의 음전하장이 서로 반발하는 것이다. … 전하가 없다면 은하처럼 아무렇지도 않게 서로 통과할 가능성이 높다." 우리는 의자에 앉아 있지만, 실제로 앉아 있는 것이 아니라 1옹스트롬 높이로 떠 있는 것이래요. 우리 몸의 전자와 의자의 전자가 서로 용납할 수 없을 정도로 반발해서 더 가까워질 수 없는 거죠.
거의 모든 사람의 머릿속에는 원자 그림이 하나 있는데, 한두 개의 전자가 행성이 태양 주위를 도는 것처럼 원자핵 주위를 맹렬하게 회전하는 그림이죠. 이 이미지는 1904년에 나가오카 한타로라는 일본 물리학자가 만든 것으로, 완전히 영리한 상상력의 산물이래요. 완전히 틀렸지만, 여전히 생명력이 넘치죠. 아이작 아시모프가 지적하기를, 그것은 여러 세대의 공상 과학 작가들에게 영감을 주어서 세상 속의 세상 이야기를 만들어냈대요. 원자는 사람이 거주하는 태양계가 되고, 우리의 태양계는 훨씬 더 큰 체계의 입자가 되는 거죠. 유럽 핵 연구 센터조차도 나가오카가 제시한 이미지를 웹사이트의 마크로 사용하고 있대요. 물리학자들은 곧 전자가 실제로 궤도를 도는 행성처럼 행동하는 것이 아니라, 궤도의 모든 공간을 동시에 채우고 싶어하는 선풍기의 회전 날개와 더 비슷하다는 것을 깨달았대요. (하지만, 중요한 차이점이 하나 있는데, 선풍기 날개는 모든 곳에 동시에 있는 것처럼 보이지만, 전자는 정말로 모든 곳에 동시에 있다는 거죠.)
말할 것도 없이, 1910년이나 그 이후의 여러 해 동안, 이런 지식을 알고 있는 사람은 극소수였대요. 러더퍼드의 발견은 곧바로 몇 가지 큰 문제를 야기했대요. 특히, 원자핵 주위를 회전하는 전자가 추락할 수 있다는 것이었죠. 전통적인 전자기학 이론에 따르면, 맹렬하게 회전하는 전자는 곧 에너지를 소모해서 순식간에 원자핵으로 소용돌이치면서 둘 다에게 재앙적인 결과를 초래할 것이기 때문이죠. 또 다른 문제는 양전하를 띤 양성자가 어떻게 원자핵 안에 함께 머물면서 자신과 원자의 다른 부분을 폭발시키지 않을 수 있느냐는 것이었죠. 분명히 그 작은 세상에서 일어나는 일은 우리가 사는 거시 세계에 적용되는 법칙의 지배를 받지 않는 것이었대요.
물리학자들이 이 아원자 세계로 더 깊이 들어갈수록, 그곳이 우리가 익숙한 그 무엇과도 다를 뿐만 아니라 상상할 수 있는 그 무엇과도 다르다는 것을 깨달았대요. "원자의 행동은 일반적인 경험과 너무 달라서 익숙해지기가 어렵다."라고 리처드 파인만이 언젠가 말했대요. "초보자든 경험 많은 물리학자든 모든 사람에게 이상하고 신비하게 보인다." 파인만이 이런 말을 했을 때, 물리학자들은 이미 반세기 동안 원자의 이상한 행동에 적응해 왔대요. 따라서, 러더퍼드와 그의 동료들이 20세기 초에 어떤 느낌을 받았을지 상상해 볼 수 있겠죠. 당시에는 완전히 새로운 것이었으니까요.
러더퍼드와 함께 일한 사람들 중에는 닐스 보어라는 상냥한 덴마크 젊은이가 있었대요. 1913년에 그는 원자 구조를 생각하는 과정에서 갑자기 흥미진진한 아이디어가 떠올랐대요. 그는 신혼여행을 미루고 획기적인 논문을 썼죠.
물리학자들은 원자처럼 작은 것을 볼 수 없기 때문에, 외부 조건의 작용 방식에 따라 구조를 파악하려고 노력해야만 했대요. 예를 들어 러더퍼드처럼 금박에 α 입자를 발사하는 것처럼요. 때로는 그런 실험 결과가 당혹스러울 때도 있는데, 이상할 것도 없겠죠. 오래된 난제 중 하나는 수소 파장의 스펙트럼 판독과 관련이 있었대요. 그것들이 만들어내는 모양을 보면 수소 원자가 어떤 파장에서는 에너지를 방출하고 어떤 파장에서는 에너지를 방출하지 않는다는 것을 알 수 있었대요. 이것은 감시를 받는 사람이 특정 장소에 계속 나타나지만 어떻게 왔다 갔다 하는지는 영원히 볼 수 없는 것과 같대요. 아무도 그 이유를 설명할 수 없었죠.
바로 이 문제를 생각하는 동안, 보어는 갑자기 해답을 생각해 냈고 빠르게 그의 유명한 논문을 썼대요. "원자와 분자의 구조에 대하여"라는 제목의 논문은 전자가 특정한 궤도에만 머무를 수 있고 원자핵으로 추락하지 않는다고 주장했대요. 이 새로운 이론에 따르면, 두 궤도 사이를 움직이는 전자는 한 궤도에서 사라져서 중간 공간을 통과하지 않고 즉시 다른 궤도에 나타난대요. 이 견해, 즉 유명한 "양자 도약"은 당연히 극도로 기이하면서도 믿지 않을 수 없을 만큼 훌륭했대요. 그것은 전자가 재앙적으로 원자핵으로 소용돌이치지 않는다는 것을 설명했을 뿐만 아니라 수소의 당혹스러운 파장을 설명해 주었대요. 전자는 특정한 궤도에만 나타나는데, 왜냐하면 그것들은 오직 특정한 궤도에만 존재하기 때문이죠. 이것은 대단한 견해였고, 보어는 이 견해로 1922년에 아인슈타인이 상을 받은 다음 해에 노벨 물리학상을 받았대요.
한편, 지칠 줄 모르는 러더퍼드는 이때 케임브리지 대학교로 돌아와서 J.J. 톰슨의 뒤를 이어 캐번디시 연구소 소장이 되었대요. 그는 원자핵이 폭발하지 않는 이유를 설명하는 모델을 설계했대요. 그는 양성자의 양전하가 어떤 중화 작용을 하는 입자에 의해 상쇄되어야 한다고 생각했고, 그 입자를 중성자라고 불렀대요. 이 아이디어는 간단하고 매력적이었지만, 증명하기는 쉽지 않았대요. 러더퍼드의 동료 제임스 채드윅은 무려 11년 동안 중성자를 찾는 데 매달렸고, 결국 1932년에 성공했대요. 1935년에 그는 노벨 물리학상도 받았죠. 불스와 그의 동료들이 그들의 물리학사에서 지적한 것처럼, 중성자를 늦게 발견한 것이 아마도 좋은 일이었을 거예요. 왜냐하면 원자 폭탄을 개발하려면 반드시 중성자를 알아야 하기 때문이죠. (중성자는 전하를 띠지 않기 때문에, 원자 중심의 전장에 의해 반발되지 않아서 작은 어뢰처럼 원자핵으로 발사되어 핵분열이라는 파괴 과정을 시작할 수 있대요.) 만약 1920년대에 중성자를 분리할 수 있었다면, "원자 폭탄은 유럽에서 먼저 개발되었을 가능성이 높고, 의심할 여지 없이 독일인에 의해서 개발되었을 것이다."라고 그들은 생각했대요.
실제로 유럽인들은 당시 전자의 이상한 행동을 파악하려고 몹시 애쓰고 있었대요. 그들이 직면한 주요 문제는 전자가 때로는 입자처럼 행동하고, 때로는 파동처럼 행동한다는 것이었대요. 이 믿을 수 없는 이중성은 거의 물리학자들을 절망에 빠뜨렸대요. 그 후 10년 동안, 유럽의 물리학자들은 생각하고, 낙서하고, 모순되는 가설을 제시했대요. 프랑스에서는 귀족 가문 출신의 루이 드 브로이 왕자가 전자를 파동으로 간주하면 전자의 일부 이상한 행동이 사라진다는 것을 발견했대요. 이 발견은 오스트리아인 에르빈 슈뢰딩거의 주목을 끌었대요. 그는 솜씨 좋게 몇 가지 정제를 거쳐서 파동 역학이라는 이해하기 쉬운 이론을 설계했대요. 거의 동시에 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크는 행렬 역학이라는 대립적인 이론을 제시했대요. 그 이론은 복잡한 수학을 포함하고 있어서 실제로 거의 아무도 이해하지 못했지만, 하이젠베르크 자신을 포함해서 ( "나는 행렬이 뭔지도 모른다."라고 하이젠베르크는 언젠가 절망적으로 친구에게 말했대요.) 슈뢰딩거의 파동 역학에서 설명할 수 없는 일부 문제를 확실히 해결한 것처럼 보였대요.
결과적으로, 물리학에는 서로 충돌하는 전제를 기반으로 하지만 동일한 결과를 내는 두 가지 이론이 생겼대요. 이것은 믿을 수 없는 상황이었죠.
1926년에 하이젠베르크는 마침내 훌륭한 타협점을 생각해 내서 나중에 양자 역학이라고 불리는 새로운 이론을 제시했대요. 이 이론의 핵심은 "하이젠베르크의 불확정성 원리"였대요. 그것은 전자가 입자이지만, 파동으로 묘사할 수 있는 입자라고 주장했대요. 이 이론의 기초가 되는 "불확정성 원리"는 전자가 공간을 통과하는 경로를 알 수도 있고, 특정 시점에 전자의 위치를 알 수도 있지만, 둘 다 알 수는 없다고 주장했대요. 둘 중 하나를 측정하려는 노력은 반드시 다른 하나를 방해할 수밖에 없다는 거죠. 이것은 더 정밀한 장비가 필요한 간단한 문제가 아니라 우주의 변하지 않는 특성이래요.
진정한 의미는 특정 시점에 전자의 위치를 결코 예측할 수 없다는 거죠. 단지 거기에 있을 가능성이 있다고만 생각할 수 있을 뿐이래요. 어떤 의미에서 데니스 오버비가 말했듯이, 전자는 관찰될 때까지는 존재한다고 말할 수 없다는 거죠. 약간 다른 말로 하자면, 전자가 관찰되기 전에는 전자가 "어디에나 있고, 어디에도 없다."라고 생각해야 한다는 거죠.
만약 이런 말에 횡설수설하게 느껴진다면, 물리학자들도 횡설수설하게 느꼈다는 것을 알면 위안이 될 거예요. 오버비는 "언젠가 보어가 양자 이론에 대해 처음 들었을 때 화를 내지 않았다면, 그 사람은 그 의미를 이해하지 못한 것이다."라고 말했다고 하네요. 누군가가 하이젠베르크에게 원자의 모습을 상상할 수 있느냐고 묻자, 그는 "그러지 마세요."라고 대답했대요.
따라서, 결과적으로 원자는 대부분의 사람들이 만들어낸 모습과 완전히 똑같지는 않대요. 전자는 행성이 태양 주위를 도는 것처럼 원자핵 주위를 맹렬하게 회전하는 것이 아니라, 고정된 모양이 없는 구름과 더 비슷하대요. 원자의 "껍질"은 많은 삽화들이 우리에게 상상하도록 부추기는 것처럼 단단하고 매끄러운 외피가 아니라, 단지 그런 보풀 같은 전자 구름의 가장 바깥쪽 층일 뿐이래요. 실질적으로 구름 덩어리 자체는 전자가 극히 드물게 그 범위를 넘는다는 것을 나타내는 통계적 확률 지대일 뿐이래요. 따라서, 이해가 된다면, 원자는 단단한 테두리가 있는 금속 공보다는 솜털 같은 테니스 공과 더 비슷하대요. (사실, 둘 다 비슷하지 않대요. 다시 말해서, 우리가 본 적이 있는 그 무엇과도 비슷하지 않대요. 어쨌든, 우리는 여기서 우리 주변의 세계와는 매우 다른 세계에 대해 논의하고 있는 거니까요.)
이상한 일들이 끊임없이 일어나는 것 같대요. 제임스 트레필이 말했듯이, 과학자들은 처음으로 "우리 뇌가 이해할 수 없는 우주의 영역"에 부딪혔대요. 또는 파인만이 말했듯이, "작은 것들은 큰 것들이 행동하는 방식과는 전혀 다르게 행동한다." 깊이 파고들수록 물리학자들은 전자