자연에 대한 온전한 이해 2(서양편 726)(양장본 Hardcover)

독일 이론 물리학 역사의 파노라마

1987년 미국 과학사학회 파이저 상(Pfizer Award) 수상작



지적 역사에서 가장 중요한 시대에 대한 장엄한 연구

B. 피파드(Pippard), Times Literary Supplement



『자연에 대한 온전한 이해』는 19세기부터 20세기 초까지 현대 이론 물리학이 어떻게 형성되었는지를 독일 사회의 맥락에서 새로운 접근법으로 살핀 책이다.



실험실 예산, 기구 컬렉션, 학생 번호 등 방대한 조사



『자연에 대한 온전한 이해』는 기존 연구와는 차별되는 접근법을 사용해서, 과학 내적 흐름보다 제도적 흐름에 주목한다. 그를 통해, 물리학의 토대가 미약했던 독일에서 불과 한 세기만에 탁월한 성과들이 출현하게 되기까지, 학자들이 어떠한 노력을 기울였는지를 알 수 있다. 또한 물리학 교과서에서 흔히 접하는 학자들의 개인적인 면모를 볼 수 있는 남다른 즐거움도 선사한다.



『자연에 대한 온전한 이해』의 저자 크리스타 융니켈과 러셀 맥코마크는 사회적, 제도적, 지적 역사를 총괄하여, 여러 학자들의 작품을 19세기 첫해부터 연대순으로 서술한다.

1부는 19세기가 시작하면서 외국의 수학 및 과학 연구 성과를 받아들이는 독일 학자들의 이야기로 시작한다. 융니켈과 맥코마크는 옴, 베버, 노이만 등 여러 학자들의 기록을 따라간다. 이들 과학자들은 물리학의 새로운 가능성을 확인하고, 학생 실험실과 수리 물리학을 도입하고, 학회와 잡지를 만들고, 고전 물리학의 주요 이론을 확립하고 발전시켰다. 19세기 말 이전에 독일 물리학과 그 뒤를 따른 이론 물리학은 거의 현재의 형태로 구성되었다. 물리학의 세계가 어떻게 구성되는지 그 고전적인 이미지를 보여줌으로써, 1부는 확실하게 2부의 발전을 보여줄 길을 마련했다.



연구자로, 교사로, 대학 행정 시스템의 일원으로, 정부 직원으로 물리학자를 다루면서, 저자는 사회/교육/제도/지적 역사에 권위있는 저서로 이바지했다. 그 과정에서 과학의 실제 성장과 그 내용을 웅대하게 묘사한다.

I. 버나드 코헨(Bernard Cohen), American Historical Review



이 연구는 저자가 동유럽 문서도 포함하여 독일 대학의 이제까지 알려지지 않은 아카이브까지 광범하게 조사한 결과물이다. 실험실의 사소한 예산, 기구 컬렉션, 학생 번호 등 세부적인 부분까지 포함한 이러한 귀중한 기록을 저자들은 근면하게 재구성했다. 물리학에 대한 추가 지원을 꺼리는 정부부처에 대해 끊임없이 캠페인을 벌이는 학자들, 이러한 캠페인으로 얻어낸 약속, 그리고 그 약속에 반영된 시대상황, 즉 그 시대에 물리학의 가치가 어떠했는지를 드러내고, 이 과정에서 학자들 사이의 관계를 탐구하는 데 수많은 문서를 사용하고 있다.

R. 스티븐 터너(Steven Turner), Science



'해제: 독일 이론 물리학 수립의 대서사시' 중에서



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 키르히호프가 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. 아인슈타인과 플랑크를 비롯하여 양자론과 원자론을 전개한 이론 물리학자들에 의해 독일 물리학이 최고의 명성을 얻을 뿐 아니라 현대 물리학의 변혁을 선도한다. 1부는 1기와 2기, 2부는 3기와 4기를 다루도록 구성되어 있다.



이 책의 1부는 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 옴과 베버, 노이만의 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.



(중략)



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. 코이레의 과학 혁명 연구에서는 내적 접근법만을, 포먼의 「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 갤리슨의 『이미지와 논리』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"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 2부의 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. 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 앙페르의 전자기학이 만들어지고, 영국에서 윌리엄 톰슨에 의해 열역학이 수립되고, 맥스웰에 의해 전자기학이 수립되는 과정은 물리학사에서 뺄 수 없는 중요한 이론적 발전이었다. 또한 프랑스, 영국, 아일랜드 출신의 수학자들, 가령 푸아송, 코시, 그린, 스토크스, 해밀턴 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 학문주의에 따라 진행되었다. 이는 도덕성과 미적 감각을 갖춘 전인적 인간의 양성을 위하여 빌둥을 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" 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 연구소의 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.



(중략)



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.

07 물리학에 기여한 수학자들: 디리클레, 리만, 카를 노이만



물리학에서 가우스의 중요성

가우스의 후임자 디리클레

리만의 강의와 연구

카를 노이만의 강의와 연구



08 스위스와 오스트리아에서의 독일 물리학의 발전



스위스의 새로운 종합기술학교의 물리학

취리히의 이론 물리학자 클라우지우스

취리히의 실행 물리학자 클라우지우스

오스트리아에서 "과학적" 물리학자의 훈련

빈 대학의 이론 물리학자 볼츠만



09 독일 대학의 물리학: 1840년부터 1870년까지



"하나뿐인" 대학에서의 물리학

지방 대학의 물리학

노동의 분화

문제



10 베를린의 물리학: 중등 교육과의 관계



베를린 물리학과 베를린의 김나지움

베를린의 군사 교육 중의 물리학

베를린 기술학교의 물리학

1840년 이후의 베를린 물리학자들



11 뮌헨의 물리학: 기술과의 관계



옴, 바이에른으로 돌아오다

광학 기구 제조에서 프라운호퍼의 연구

뮌헨 대학과 바이에른 과학 아카데미의 물리학

뮌헨의 옴과 슈타인하일

옴 이후 뮌헨의 물리학



12 하이델베르크의 키르히호프와 헬름홀츠: 화학과 생리학에 대한 물리학의 관계



키르히호프 이전의 하이델베르크

하이델베르크의 키르히호프

키르히호프의 탄성과 전기 연구

키르히호프와 분젠: 스펙트럼(빛띠) 분석과 복사열 연구

역학과 키르히호프

하이델베르크의 헬름홀츠: 생리학 연구

헬름홀츠의 물리 연구

과학 간의 관계에 대한 헬름홀츠의 견해

크리스타 융니켈 저자 융니켈은 독일에서 태어나 독일에서 교육받았고 19세기 독일의 과학 기관에 대해서 많은 연구를 하였다. 남편과 함께 『캐번디시』(Cavendish, 1996)를 저술하였고 이 책을 보완하여 3년 뒤에는 『캐번디시: 실험실 생활』(Cavendish: The Experimental Life, 1999)을 출간하였다.