물질 속에 감춰진 지혜
이동용박사(항공기계공학), ACT뉴스 2016년 1월
1894년 독일의 물리학자 플랭크(Max Planck: 1858-1947)는 최소 에너지로 최대의 빛을 내는 제품을 개발해 달라는 요청을 받고 흑체에 주목하게 되었다. 여기서 흑체(Black Body)라고 하는 것은 눈으로 볼 수 있는 빛을 모두 흡수하는 흡수체를 말한다. 가시광선의 모든 빛을 흡수하기 때문에 검다. 이 흑체에서 나오는 에너지를 흑체복사(Blackbody radiation)라 하며 이 에너지의 크기는 온도에 의해서 결정된다.
당시에 플랭크는 이 흑체 복사 에너지가 작은 에너지 덩어리로 전달되는 것으로 처음 생각해낸 사람이다. 그는 오늘날 물질계의 최소 에너지 단위로써 양자(quantum)라고 불리게 된 이 에너지 덩어리가 전자기복사의 주파수(1초동안 진동하는 횟수)와 일정한 상수 값에 비례함을 발견하였다. 다시 말하면 흑체 복사 에너지는 그 물질의 고유상수와 주파수의 곱으로 계산되는데 그는 전자기 에너지를 흡수하거나 방출하는 모든 물질계에 동일하게 적용됨을 알게 되었다. 즉 물질계에서 양자의 에너지는 그 양자의 주파수(ν)에 비례하는데 그 값은 일정 상수값(h=6.626e-34 J.sec)의 배수임을 찾아낸 것이다. 이 상수가 소위 물질계를 지배하는 고유상수 또는 자연상수로 알려진 플랭크상수(Planck constant)이다.
이는 보다 높은 주파수의 양자가 그만큼 더 큰 에너지를 가지고 있음을 의미하는데, 20세기 초까지도 이 에너지 덩어리의 개념은 매우 획기적인 것이었다. 당시 여러 과학자들이 전통적인 파동이론(wave theory)으로 흑체복사를 설명하려고 하였지만 모두 실패하였고, 1905년 아인슈타인이 빛을 금속 표면에 비춰줄 때 전자들이 튀어나오는 광전효과 현상을 플랭크의 식으로 유도할 때까지도 받아들여지지 않았던 개념이었다. 이 덩어리 에너지 개념이 아인슈타인으로 하여금 빛과 전자기복사의 입자-파동의 이중성(dual)을 인정하도록 이끌어 주는 계기가 되었다.
1899년 플랭크는 자유 공간에서 물질의 고유한 특성값으로부터 유도할 수 있는 물리계의 5개 기본 단위를 제안하였다. 그는 5개의 기초 물리 상수(표 1)들과 5개의 기초 물리 방정식(표 2)으로부터 플랭크 길이, 플랭크 시간, 플랭크 질량(에너지), 플랭크 전하량 및 플랭크 온도 등 5차원의 기본 단위(표 3)를 유도하였다.[1] 여기서 이 기본 단위는 복잡하게 유도된 수식들이 단위가 없는 대수값으로 표현되어 매우 편리하기 때문에 이론 물리학에서 베이스로 사용된다.
그런데 이 기본 단위를 결정하는데 사용된 물리 방정식들은 모두 광속이 진공에서 일정하다는 가정과 상대성 이론의 가설들 그리고 공간에서 이상적인 운동을 가정하는 이상기체 이론 등 여러 가설에 바탕을 두고 있다. 달리 말하면 이론 물리에서 사용되고 있는 기본 단위 값들이 여러 가설들 위에 세워져있는 것이다. 여기서 각 이론들에 대하여 자세히 다루지 않았지만 검증되지 않은 가설에 바탕을 두고 유도된 값들이 이론물리에 기준으로 사용되고 있음을 쉽게 확인할 수 있다.[2]
플랭크는 오늘날 입자물리, 즉 양자역학의 초석을 이뤄낸 학자로 인정되어 1918년 노벨 물리학상을 수상한 바 있다. 당시 과학자들이 말한 바와 같이 플랭크가 발견한 모든 물질에 공통적으로 적용되는 물질 상수는 설계상수이며 하나님의 지혜상수라고 할 수 있다. 자연주의 입장으로 설명할 수 없는 이 수치는 피조물 속에 숨겨져 있는 창조자의 지혜를 드러내는 놀라운 증거이다.
왜냐하면 진화론을 받아들이는 자연주의 입장으로 물질들이 우연히 저절로 이루어졌다면 그러한 의지적이고 지적인 상수값이 존재할 수 없기 때문이다. 플랭크는 무신론을 거부하고 하나님의 진리와 초월의 세계에 대하여 늘 관심이 많았던 과학자였음을 문헌들은 증언하고 있다. 그는 물질세계의 신비한 질서와 조화를 보면서 하나님의 지혜와 그의 손길을 부정할 수 없었을 것이다.[3]
[1] Barrow, John D., The Constants of Nature: From Alpha to Omega – The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe, New York: Pantheon Books. Easier, 2002.
[2] Duff, Michael, “Comment on time-variation of fundamental constants”, Ar Xiv e-prints. Ar Xiv: hep-th/0208093, 2002
[3] Web: http://adherents.com/people/pp/max_planck.html. “Religion of History’s 100 Most Influencial People”. And web: http://en.wikipedia.org/wiki/Max_Planck.
