자살한 과학자들 4 - 통계물리학의 창시자 볼츠만

통계물리학의 창시자 - 볼츠만(Boltzmann) 

  현대 물리학의 거장 중의 한사람인 파인만(Richard Feynman)은  많은 업적으로 노벨 물학학상을 수상한 바 있으며, 그가 쓴  물리학교재(Lectures on Physics) 및 명강연, 여러 재미있는 행적 등으로 잘 알려진 인물이다.  그가 강연 중에 다음과 같은 말을 한 적이 있다. 

"장기말이 한둘만 놓인 장기판의 한 귀퉁이만 보면, 당장 무엇이 어떻게 될까 판단할 수 있습니다. 그러나,  장기말 모두가 놓인 장기판 전체를 보면, 장기말이 너무 많아 무엇이 어떻게 될 것이라고 예측하지 못합니다. 마찬가지로 이 자리에서 내가 여러분에게 이야기하고 여러분은 고개를 끄덕이고 있는 이 행위도 따지고 보면 간단한 법칙을 따르는 하나하나의 원자가 엄청나게 많이 모여서 일어나고 있는 현상인데,  이것을 믿는 사람은 많지가 않습니다." 

  기존의 물리학의 주요 관심사는, 자연현상을 일으키는 기본법칙들을 밝혀 내는 것이었다. (중력, 전자기력 등  입자들간에 상호작 용하는 힘, 물체의 운동법칙 등등...) 즉, 장기에 비유한다면, 장기말 하나하나가 움직이는 규칙을 알아내려한 것이라고 볼 수 있겠다. 그러나, 장기말 각각의규칙을 안다고 해서, 장기 한판의 승부를 예측할 수 없는 것과 마찬가지로,  원자 등의 기본 입자에 작용하 는 힘과 법칙 등을 알아냈다고 해서  자연현상을 이해했다고 말할 수는 없는 일일 것이다. 입자의 수가 많은 대상에서 일어나는 현상은 엄청나게 다 양하고 복잡하며, (예를 들면, 기체 및 유체의 운동, 기상의  변화 등)  인간을 포함한 생명현상도 그 중의 하나이다.  이와 같이 복잡한 자연현상을 다립자의 집단적 시스템의  운동으로 설명하려는 것이 곧 통계 물리학이며,  극도의 복잡성에서 새로운  질서를 찾아내는 것이 그 목표이다. 

  통계물리학은 19세기 후반, 오스트리아의 대물리학자 볼츠만 (Ludwig Boltzmann; 1844-1906)에 의해서 창시되었다. 음악의 도시로 유명한 오스트리아의 빈에서 태어난 그는, 뮌헨대학, 빈대학 등에서 물리학을 강의하면서 기체의 운동, 열현상  등에 대해 깊이 연구하여 많은 업적을 쌓았고 , 열적 현상의 비가역과정(Irreversib-le process)은 원자, 분자 등의 운동 개념으로 설명되어야 한다고 역설하였다. 그러나, 그의  이러한 주장은 오스트발트, 마하 등의  원자론에 반대하는 당시의  학자들과 수 많은 논쟁을 불러 일으키곤 했다. 특히, 1895년 뤼벡에서 열린 독일 자연과학 자대회에서의 대논쟁은 매우 유명한데, 많은 학자들이 원자론자와 원자반대론자의 두 패로 갈리어 치열한 논쟁을 거듭하였다.  돌턴(Dalton)의 원자론이 나온지 거의 100년이 되었건만, "눈에 보이지  않는" 원자, 분자의 존재를 믿지 않는 과학자들도 매우  많았던 것이다. 그후, 원자론자들은  일정 부피에 들어있는 기체  원자의 수를 정밀하게 계산해 내고, 기체의 미립자 운동(=브라운 운동)을 분자운동의 이론으로 해석해 내는 등, 많은 증거들을 제시하고 명확한 근거를 설명하자 원자반대론자들은 결국  항복할 수 밖에 없었고, 원자, 분자론은 현대 과학의 수많은 분야에 적용되는 중요한 요소가 되었다. 그러나, 통계 물리학의  창시자이며, 원자론을 승리로 이끈 핵심인물이 었던 볼츠만은  1906년 9월6일, 어느 피서지의 호텔방에서 목 매달아 자살한 채로 발견되었다. 그가 자살한 원인에 대해서는,  그간 원자반대론자들과 반복된 격렬한 논쟁에 지쳤기 때문이라고 하며, 말년에는 극심한 신경쇠약 증세에 시달렸다고 한다. 한편으로는, 그가 제시한 통계물리학 이론에 비춰 본 우주의 미래를비관했기 때문이라고도 하는데, 우주를 닫힌 계(Closed system)로 보면,  우주 전체의 엔트로피(Entropy)는 계속 증가하여, 그것이 최고 에이르는 순간은 바로 우주의 열적 죽음,  즉 종말을 맞이할 수밖에 없다고 해석하였다는 것이다.  그의 죽음은 단순한 개인의 문제가 아닌, 당시 또다른 상태에 처하게 된 고전물리학의 위기를 반영하는 사건 으로 주목받기도 하였다. 비록  볼츠만은 스스로 세상을 떠났으나, 그가 제시한 통계물리학이라는 새로 운 방법론은 오늘 날 물리학 뿐만 아니라, 다른 여러 과학분야에도 널리  적용되는 중요한 것으로서 현대 과학사상의 한 축을  이루며, 최근에  각광받는 카오스이론(Chaos theory) 등의 "복잡성의 과학"에도 그 토대를 제공 했다고 말할 수 있다.