제6권 · Chapter 1 · 1절 (계속)
1-3. 원자의 안정성 문제 — 보어 모형
원자는 존재할 수 없다 — 적어도 고전물리학에 따르면
지금 이 순간, 당신의 몸을 이루고 있는 수조 개의 원자는 안정하게 존재하고 있다. 이 교재를 들고 있는 손, 글자를 읽고 있는 눈, 그것을 해석하는 뇌 — 모두 원자로 이루어져 있고, 그 원자들은 수십억 년 동안 멀쩡히 버텨 왔다.
그런데 19세기 말에 확립된 고전물리학에 따르면, 원자는 초 — 즉 100억 분의 1초 — 만에 붕괴해야 한다.
전자가 원자핵 주위를 돌면, 맥스웰의 전자기학에 의해 끊임없이 전자기파를 방출해야 한다. 전자기파를 방출하면 에너지를 잃고, 에너지를 잃으면 궤도가 줄어들며, 결국 전자는 나선을 그리며 원자핵으로 추락해야 한다. 계산해 보면, 이 과정은 초면 끝난다.
원자가 존재할 수 없다면, 분자도 없고, 물질도 없고, 별도 없고, 우리도 없다. 우리가 존재한다는 사실 자체가 고전물리학의 반증이다.
흑체복사(1-1절)는 "이론이 무한대를 예측한다"는 위기였다. 광전효과(1-2절)는 "이론이 실험과 정반대"라는 위기였다. 그런데 이번 위기는 차원이 다르다 — 물질의 존재 자체를 설명하지 못한다. 이것은 고전물리학에 대한 가장 근본적인 도전이었다.
1913년, 덴마크 코펜하겐의 28세 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr)가 이 위기에 대담한 답을 내놓았다. 그의 답은 논리적이기보다는 직관적이었고, 엄밀하기보다는 파격적이었다. 하지만 놀랍도록 정확한 예측을 내놓았고, 양자역학의 탄생을 향한 결정적 발걸음이 되었다.
핵심 질문: "전자가 원자핵 주위를 돌면서 왜 에너지를 잃지 않고 안정할 수 있는가? 그리고 원자가 내는 빛은 왜 특정한 색깔만 가능한가?"