제 7대 브로이 공작, 루이 빅토르 피에르 레몽 드 브로이(Louis Victor Pierre Raymond de Broglie, 7th duc de Broglie, 1892-1987)

이름만 듣는다면 중세 시대에 나오는 권력자처럼 생각되지만, 드 브로이는 아인슈타인과 함께 19세기초 현대물리학의 기초를 마련한 이론 물리학자입니다. 물론, 태어날 때부터 왕자 칭호를 갖고 세습 귀족 지위인 공작(duke)의 칭호를 갖고 있던 것 또한 사실로서 현대 과학자 중 가장 높은 세습 지위를 갖고 있었다는 흥미있는 기록의 소유자입니다. 브로이 가문은 17세기에 프랑스 왕을 섬기기 위해 이태리에서 이주한 것으로 알려져 있습니다. 루이 14세로부터 세습작위를 하사받았고, 첫 공작의 아들은 프러시아와의 7년전쟁에서의 공적으로 왕자(Prince)의 칭호를 하사받았습니다. 게다가 드 브로이의 친 할아버지는 쿠데타를 통해 수상에 올랐을 정도로 막강한 권력을 갖고 있는 집안이었습니다. 워낙 명문 정치가의 집안이었기에, 할아버지를 포함한 가족들은 상대적으로 과학을 대수롭지 않은 학문으로 생각하는 경향이 있었습니다. 드 브로이가 아직 물리학 분야에서 그 천재성을 드러내기 전인 1928년에 사망한 그의 어머니는 사랑스런 막내아들이 정치 및 역사 분야를 팽개치고 물리학을 공부하기 시작했다는 사실을 매우 안타까워하며 돌아가셨다고 합니다. 하지만, 가풍에 따라 정치, 역사학을 공부하던 드 브로이에게 물리학의 흥미로움을 일깨워 준 것 역시 같은 집안의 큰 형, 바로 6대 브로이 공작 모리스였습니다. 

솔베이 물리학 토론회에 참가하고 돌아온 모리스는 아인슈타인을 포함한 당대의 일류 물리학자들과 함께 토론한 내용을 드 브로이에게 들려주었습니다. 그 토론은 과연 빛은 광자라는 입자로 이루어진 것이 맞는가에 대한 것이었습니다. 그 전까지는 빛의 입자성, 파동성 등의 이야기에 크게 주목하지 않았던 드 브로이는 이 날 형 모리스와의 대화가 자신을 물리학의 길로 이끌었다고 자신의 회고록에서 이야기하고 있습니다. 아인슈타인은 광전효과(photoelectric effect)를 설명하며 빛은 입자로 이루어져있다고 주장했고, 그 입자를 광자(photon)라고 불렀습니다. 이전까지 빛은 파동(wave)의 일종이라고 믿고 있던 과학계는 이후 빛의 입자성과 파동성에 대해서 대립하여 서로 논쟁을 하고 있었습니다. 이 때, 파리 소로본 대학 물리학과 박사과정이었던 드 브로이는 두 주장을 대립시키는 대신 서로 융합하는 것이 맞다는 주장의 논문을 지도교수에게 학위논문으로 제출하였습니다. 오랫동안 파동으로 알고 있던 빛에서 입자의 성질을 찾을 수 있었다면, 그동안 입자라고 알고 있는 것들에서 파동의 성질을 찾는 것도 불가능하지는 않을 것이라는 것이 그의 아이디어였습니다. 이를 바탕으로 한 이론적 접근을 통해 모든 물질(입자)들도 그의 고유 파장을 갖고 있으며, 이를 물질파(matter wave)라고 한다는 주장을 담은 논문이었습니다. 이는 만약 드 브로이가 박사과정학생이 아니라 유명 대학 교수 정도의 학자였다면, 너무나 황당하며 배척당할 수도 있었을 만큼 파격적인 내용입니다. 하지만, 그의 지도교수 랑쥬벵(Paul Langevin, 1872-1946)은 그의 이론의 참신함과 열정을 높이 평가해 이를 학위 논문으로 승인했고 1924년 드 브로이는 물리학 박사학위를 받게 됩니다. 비록 논문이 발표되기는 했지만, 아인슈타인을 포함한 몇몇의 급진적인 학자들을 제외하고는 젊은 박사과정학생의 파격적인 논문의 내용에 주목하는 이는 그리 많지 않았습니다. 조용히 잊혀질 뻔한 천재의 논문은 3년뒤 미국 벨 연구소에서 데이비슨과 거머에 의해 전자 산란 실험(Davisson-Germer experiment)에 의해 유명해지기 시작합니다. 이 실험은 전자를 니켈결정에 쏜 후 그 결과를 측정한 실험인데, 예상과는 달리 X-선을 이용해서 실험한 경우에 보이는 파동의 성질을 동일하게 나타내는 것을 확인하게 됩니다. 즉, 전자라는 입자가 파동의 성질을 갖고 있음을 보여줌으로써 입자도 파동을 갖고 있다는 드 브로이의 예측을 뒷받침하는 결과를 보여준 것입니다. 뿐만 아니라, 드 브로이가 이론적으로 계산했던 파장(wavelength)값이 정확하게 측정되는 것도 확인되었습니다. 그의 이론이 완벽하게 옳았다는 것을 보여주는 결정적인 계기가 나옴으로써, 과학계는 입자 역시 파동의 성질을 갖고 있다는 그의 주장을 받아들이기 시작했고, 이후 이 발견은 양자역학 발전의 중요한 초석이 되었습니다. 이 실험이 발표된 후 영국의 과학자 조지 패짓 톰슨(Sir George paget Thomson, 1892-1975)은 다른 실험을 통해서 동일한 전자의 회절현상을 재차 확인하는 데 성공합니다. 입자의 파동성을 예견하고 그것을 증명한 공로를 인정받아 드 브로이는 1927년에, 데이비슨과 톰슨은 1937년 각각 노벨 물리학상을 받았습니다. 흥미로운 것은 조지 패짓 톰슨은 전자를 처음으로 발견한 조지프 존 톰슨(J. J. Thomson)의 아들입니다. 아버지는 전자의 존재를 밝히고, 아들은 그 전자의 파동 성질을 증명함으로써 부자가 모두 노벨 물리학상을 수상한 가족이 된 것입니다. 19세기 초에는 과학을 공부하는 것도 가업을 잇는 것과 비슷한 경우가 많았기 때문에 이렇게 2대가 함께 노벨상을 수상한 경우가 적지 않습니다. 현재까지 아홉 가족이 부부, 또는 부모와 자식들이 함께 노벨상을 받았던 것으로 알려져 있습니다. 이중 퀴리 부인과 남편, 그 딸과 사위가 모두 노벨상을 받은 퀴리 가족은 현재 가장 많은 노벨상 수상자를 배출한 가문으로 남아있습니다. 

드 브로이의 주장에 따르면, 모든 물질들은  물결치는 파도와 비슷한 파동을 갖고 있다는 것인데, 왜 우리는 이런 파동을 주위의 물질들로부터 전혀 느낄 수 없는 것일까요? 그 이유는 단순히 파동이 너무 작기 때문입니다. 우리는 작은 차이를 느끼는 데에 한계가 있습니다. 두 점이 너무 가까이 있다면 이를 두개의 점으로 구별하지 못하고 한점으로 착각합니다. 이를 분해능(resolution)이라고 합니다. 형광등은 1초에 60번이상 쉼없이 깜박이고 있는데, 우리는 그 깜박임을 인지하지 못합니다. 우리의 눈은 초당 60번이상의 깜박임은 감지할 능력이 없기 때문입니다. 형광등이 수명이 다하면 그 깜박임의 주기가 길어져서 눈에 보이게 됩니다. 매우 빠르게 깜박이는 바람에 알 수 없었을 뿐, 형광등은 언제나 마지막 순간과 비슷하게 깜박이고 있었던 것입니다. 물질의 파동성도 마찬가지 입니다. 그들의 파동 성질이 없는 것이 아니라, 너무나 짧은 파장을 가지고 있기 때문에 거시적(macroscopic) 세계의 물질들의 파동성은 인간이 감지할 수 없었던 것입니다. 하지만, 전자와 같은 미시적(microscopic) 세계의 입자들의 경우, 그들의 크기에 비해 상대적으로 파장이 길어지기 때문에 그 성질이 나타나게 되는 것입니다. 

며칠 전 아내와 함께 숲속 산책로를 걸었습니다. 시간 날때마다 걷던 익숙한 길인데, 그곳에서 이파리 하나하나 나무 하나하나를 사진기에 담고 있는 노부부를 만났습니다. 직접 물어봐서 확인한 것은 아니지만, 그분들의 사진찍는 모습은 아름다운 풍경을 찍고 있다기 보다는 식물 채집을 대신하는 사진을 찍고 계신 듯 보였습니다. 그 분들을 보고 문득 생각이 들었습니다.

‘아, 나에겐 그저 산책로 옆 나무들과 풀일 뿐인데, 저 분들에게는 하나하나 신기하고 재미있는 대상이겠구나. 만약, 저 중에 이 산책로에서는 자라기 힘든 풀이라도 있다치면, 그걸 발견하는 저분들은 엄청 신기하고 재미있겠지만, 나에겐 그 흥미로움을 느낄 기회조차 없는거구나. 비록, 저분들보다 더 많이 이 길을 걸었다고 하더라도.’

세상은 딱 아는 만큼 보이는 듯 합니다. 그것이 인간이 과학을 탐구하는 근본적인 이유일 듯 합니다. 태어나는 순간부터 모자람 없는 부와 명예를 거머쥐고 있던 드 브로이 공작이 숫자와 공식들로 골머리를 썩이면서도 물리학을 공부한 이유는 이런 것이 아닐까 생각합니다.