[양자역학의 탄생사] 제1편 뉴턴의 세계관:신의 설계도에 접근한 인간

지금 우리가 학교에서 배우는 양자역학은 그저 한 줄의 공식으로 요약되곤 한다. 하지만 실제 양자이론의 탄생은 거대한 한 방이 아니라, 과학자들이 "별일 아니야"라고 지나쳤던 수많은 사소한 실험 오류와 미세한 이론적 충돌에서 시작되었다. 이 글은 양자역학이 태동하게 된 그 '사소한 계기'들의 연쇄적 파동을 하나하나 되짚어보려 한다.

 

‘우주는 수학으로 설명된다’는 위대한 착각의 시작

17세기 말, 유럽은 큰 격변기를 겪고 있었다. 종교가 지식의 중심에서 서서히 물러나고, 인간 이성이 새로운 권위를 차지하기 시작했다. 이 변화의 중심에 있던 것이 바로 과학이다. 그리고 그 과학의 흐름을 완전히 바꿔놓은 인물이 있었다.
그가 바로 **아이작 뉴턴(Isaac Newton)**이다.

뉴턴은 단순히 몇 가지 물리 법칙을 만든 사람이 아니다. 그는 ‘자연은 수학으로 구성되어 있다’는 개념을 과학의 중심으로 끌어낸 최초의 인물이었다.
뉴턴의 이론은 단순히 정밀한 계산만 가능하게 만든 것이 아니었다. 그것은 자연을 완전히 예측할 수 있는, 법칙에 따라 작동하는 기계적인 세계로 재해석하도록 만들었다.
그의 세계관은 이후 수백 년간 물리학을 지배했고, 인간은 마치 우주의 설계도를 손에 넣은 것 같은 자만에 빠졌다.
하지만 이 세계관은 완벽하지 않았다. 오늘 우리가 알고 있는 양자역학과 불확정성의 세계는 바로 이 뉴턴의 결정론적 물리학이 한계를 드러낸 결과로부터 태어난 것이다.
이 글에서는 뉴턴의 위대한 업적이 어떻게 만들어졌고, 어떤 과학적 철학을 낳았으며, 결국 어떤 한계를 향해 갔는지를 과학사적 관점에서 풀어본다.

 

1. 뉴턴이 등장하기 전까지: 자연은 신의 뜻이었다
키워드: 중세 자연관, 천동설, 종교와 과학
뉴턴이 활동하던 시기는 지동설이 받아들여진 직후였다. 갈릴레오 갈릴레이와 케플러의 관측 덕분에 사람들은 더 이상 지구가 우주의 중심이 아니라는 사실을 받아들이기 시작했다.
하지만 여전히 자연은 신의 영역이었고, 과학은 신의 뜻을 해석하는 하나의 수단일 뿐이었다.
고대 그리스 시대부터 내려오던 아리스토텔레스의 철학과 물리학은 “지상의 물체와 천상의 물체는 전혀 다른 원리로 움직인다”고 가르쳤다.
즉, 하늘은 완벽하고 변하지 않으며, 지상은 변화하고 타락한 공간이라는 이분법적 세계관이 지배적이었다.
그 틀을 깬 것이 바로 뉴턴이다. 뉴턴은 지상의 사과가 떨어지는 현상과 하늘의 달이 도는 운동을 완전히 동일한 법칙으로 설명했다.
이것은 곧, 자연은 하나의 통합된 구조이며, 인간은 그것을 수학적으로 해석할 수 있다는 믿음으로 이어졌다.
그 믿음은 단순한 과학의 진보가 아니라, 지식의 중심축이 신에서 인간으로 이동한 순간이었다.

 

2. 뉴턴의 운동법칙: 우주의 모든 움직임을 세 가지 문장으로
키워드: 뉴턴의 운동 법칙, 역학, 물리학의 정식화
뉴턴이 만든 가장 유명한 이론은 세 가지 운동법칙이다.
관성의 법칙: 외부 힘이 작용하지 않는 한, 정지한 물체는 계속 정지하고, 움직이는 물체는 계속 같은 속도로 움직인다.
가속도의 법칙(F=ma): 힘은 질량과 가속도의 곱으로 표현된다.
작용과 반작용의 법칙: 어떤 힘이 작용하면 반대 방향으로 같은 크기의 힘이 항상 동시에 작용한다.
이 세 가지 법칙은 단순한 실험 결과의 나열이 아니라, 자연의 기본적인 구조를 수학적으로 서술한 최초의 체계였다.
사람들은 이 공식을 통해 공의 낙하, 수레의 움직임, 포탄의 궤적 등 다양한 자연 현상을 예측할 수 있게 되었다.
그 결과, 과학은 관찰의 도구가 아니라 예측과 통제의 도구로 바뀌기 시작했다.

3. 만유인력의 법칙: 하늘과 땅을 하나로 잇다
키워드: 만유인력, 중력, 천체 운동
가장 혁명적인 개념은 바로 만유인력의 법칙이었다.
뉴턴은 모든 물체는 서로를 끌어당긴다는 간단한 원칙을 도입했다.
이 끌어당기는 힘, 즉 중력은 두 물체의 질량에 비례하고, 거리의 제곱에 반비례한다는 수식으로 정리되었다.
이 법칙은 단지 지구상의 사물에만 적용되는 것이 아니라, 달, 태양, 행성의 운동까지도 동일한 원리로 설명할 수 있었다.
지금까지는 지상과 천상의 운동은 전혀 다른 것이라 여겨졌지만, 뉴턴은 그것들이 하나의 법칙 안에서 설명된다는 사실을 증명해 냈다.
이는 과학의 역사상 처음으로 ‘자연의 통합’을 이룬 사건이었고, 하늘과 땅, 인간과 우주의 경계가 허물어진 순간이었다.

4. 결정론의 철학: 미래는 이미 정해져 있다
키워드: 라플라스의 악마, 결정론, 예측할 수 있는 세계
뉴턴역학은 너무나 정교했기 때문에, 과학자들은 세상이 완벽하게 예측할 수 있는 구조라고 믿게 되었다.
프랑스의 수학자 라플라스는 이런 사고를 철학적으로 확장했다.
그는 “어떤 존재가 현재 우주의 모든 입자의 위치와 속도를 안다면, 과거와 미래를 완전히 예측할 수 있다”고 주장했다.
이 존재는 후에 **‘라플라스의 악마’**라고 불리며, 결정론적 세계관의 상징이 되었다.
이러한 믿음은 “우주는 하나의 거대한 시계와 같다”는 철학으로 이어졌다.
모든 사건은 원인과 결과로 연결되며, 인간의 자유의지조차도 착각일 뿐이라는 과학적 환원주의가 퍼졌다.
자연뿐 아니라 인간의 생각, 감정, 행동까지도 물리 법칙의 결과로 설명하려는 시도가 본격화되었다.

5. 과학이 신을 대체하다: 기계론적 세계관의 도래
키워드: 기계론, 신 없는 물리학, 자연의 자동성

뉴턴의 세계관은 처음에는 신의 설계를 찬양하는 수단이었지만, 곧 신을 필요 없는 존재로 밀어냈다.
만약 자연이 스스로 정확한 법칙에 따라 움직인다면, 굳이 신이 개입할 필요가 없기 때문이다.
이런 생각은 곧 기계론적 세계관(Mechanistic worldview)으로 발전했다.
우주는 외부 개입 없이 움직이는 완벽한 기계이며, 인간은 그 기계를 해석하는 기술자일 뿐이라는 생각이었다.
과학은 신의 역할을 대체하게 되었고, 인간은 자연의 주인이라는 착각에 빠졌다.
이 세계관은 산업혁명, 자본주의, 합리주의, 실증주의 등 수많은 현대 문명의 기반이 되었지만, 한편으로는 인간의 오만과 착각을 낳는 씨앗이기도 했다.

6. 깨지기 시작한 완벽함: 작은 예외들이 보이기 시작하다
키워드: 고전역학의 한계, 실험 결과의 오차, 양자역학의 시작
19세기 말, 고전역학은 거의 종교처럼 받아들여지고 있었다.
하지만 몇몇 과학자들은 설명되지 않는 현상들을 목격하기 시작했다.
예를 들어, 열복사 실험에서는 뉴턴역학으로 도저히 설명할 수 없는 결과가 나왔다.
광전효과, 흑체복사, 수소 스펙트럼의 불연속적 패턴 등은 뉴턴의 법칙과 어긋나고 있었다.
대부분의 물리학자는 이를 무시하거나, 계산 실수로 치부했지만, 몇몇 과학자들은 이 현상들에 주목했다.
그들은 기존 이론으로 설명되지 않는다는 사실이, 단순한 예외가 아니라 새로운 물리학이 필요하다는 증거임을 감지했다.
그리고 그 문제에 도전한 이들이 바로 플랑크, 아인슈타인, 보어, 슈뢰딩거 같은 인물들이었다.
이 작은 틈들이 결국 거대한 물리학의 지각변동으로 이어진다.

마무리 – 완벽한 시스템의 몰락, 양자 세계의 서막
뉴턴은 우주의 법칙을 수학으로 설명할 수 있다고 믿었고, 그의 이론은 실제로 수백 년 동안 유용하게 사용되었다.
그러나 완벽해 보였던 이론도 현실의 미세한 영역에서 틀어지기 시작했고,
그 미세한 틈은 결국 완전히 새로운 과학의 문을 열게 되었다.
다음 편에서는 결정론이라는 철학이 얼마나 깊게 과학을 지배했는지, 그리고 그것이 어떻게 양자 세계에 의해 뒤집히게 되었는지를 본격적으로 탐구할 거야.