제임스 채드윅이 중성자를 믿은 이유

채드윅은 독일 포로수용소에서 물리학을 놓지 않았다

중성자를 발견한 남자는 한때 원자보다 먼저 감옥의 벽을 배워야 했다.

제임스 채드윅은 제1차 세계대전 중 독일에 갇힌다.
그곳은 루흘레벤 수용소다.
베를린 근처에 있던 민간인 억류 수용소로, 군인이 아닌 외국 민간인들을 붙잡아 두던 곳이다.

오늘로 치면 노트북도 없고 인터넷도 없는데, 시험공부는 계속해야 하는 상황에 가깝다.
그런데 더 심하다.
책상도 마음대로 못 쓰고, 도구도 마음대로 못 구한다.

하지만 채드윅은 거기서 물리학을 놓지 않는다.
실험실 대신 막사 안에서, 정식 장비 대신 제한된 도구로 실험을 이어간다.
철조망 안에서 원자의 세계를 붙잡고 있었던 셈이다.

이 장면이 이상하게 오래 남는다.
훗날 원자핵 속에 숨어 있던 입자를 찾아낼 사람이, 먼저 세상 바깥으로부터 잘려 나간 사람이었기 때문이다.
보이지 않는 것을 추적하는 훈련은 어쩌면 그곳에서 시작됐는지도 모른다.

수용소는 사람을 작게 만든다.
하루의 동선도, 만나는 사람도, 만질 수 있는 물건도 줄어든다.
그런데 채드윅의 질문은 줄어들지 않는다.

그는 거대한 장비가 없다고 질문을 버리지 않는다.
그래서 물리학은 이때부터 이미 그의 직업이 아니라 습관이 된다.
갇혀 있어도 계속 묻는 사람만이, 나중에 보이지 않는 입자에게도 끝까지 묻는다.

러더퍼드의 연구실은 전기 없는 입자를 기다렸다

원자핵의 문제는 무언가가 너무 강해서가 아니라, 아무 전하도 남기지 않아서 풀리지 않았다.

전하는 아주 쉽게 말하면 전기의 이름표다.
양성자는 플러스 이름표를 달고 있다.
그래서 다른 입자와 부딪히면 흔적을 남긴다.

하지만 원자핵은 양성자만으로 설명하기엔 이상했다.
가족사진을 보는데 사람 수는 맞지 않는다.
그런데 이름표 하나가 통째로 빠져 있는 느낌이다.

채드윅은 케임브리지의 캐번디시 연구소에서 일한다.
캐번디시 연구소는 영국의 대표적인 물리학 연구소다.
당시 원자의 속살을 보려는 사람들이 몰려 있던 곳이다.

그곳에는 어니스트 러더퍼드가 있었다.
러더퍼드는 원자핵 연구의 중심에 있던 물리학자다.
그는 원자핵 안에 양성자만으로는 설명되지 않는 무언가가 있을 수 있다고 본다.

그 무언가는 전기를 띠지 않는 입자여야 했다.
플러스도 아니고, 마이너스도 아니다.
그래서 더 찾기 어렵다.

전기를 띠는 입자는 시끄러운 손님 같다.
문을 열고 들어오면서 발자국도 남기고 소리도 낸다.
하지만 전기 없는 입자는 조용히 지나간다.

그래서 캐번디시 연구소의 퍼즐은 이상했다.
더 밝은 빛이 필요한 문제가 아니었다.
더 센 전기가 필요한 문제도 아니었다.

문제는 정반대였다.
아무 신호도 남기지 않는 존재가 원자핵 안에 숨어 있을지도 모른다는 점이었다.
채드윅은 바로 그 조용한 빈칸 앞에 서 있었다.

1932년 채드윅은 베릴륨에서 중성자의 흔적을 잡았다

채드윅은 중성자를 본 적이 없었다.
대신 중성자가 밀어낸 흔적을 보았다.

이건 어두운 방에서 사람을 직접 보지 못하는 상황과 비슷하다.
그런데 갑자기 의자가 밀려난다.
그러면 누군가 지나갔다는 사실은 알 수 있다.

1932년, 채드윅은 베릴륨을 때려 본다.
베릴륨은 가벼운 금속 원소다.
그는 알파 입자로 베릴륨을 때렸을 때 나오는 강한 방사선을 살핀다.

알파 입자는 아주 작은 탄환처럼 생각하면 된다.
원자보다 훨씬 작은 세계에서 무언가를 때려 반응을 보는 도구다.
채드윅은 그 탄환으로 베릴륨을 건드린다.

그러자 이상한 일이 벌어진다.
나온 방사선이 양성자를 밀어낸다.
마치 보이지 않는 공이 당구공을 쳐서 굴러가게 만든 것처럼 보인다.

처음에는 이것이 감마선일 수 있다고 생각할 수 있었다.
감마선은 아주 강한 빛의 한 종류다.
하지만 빛이라고 보기엔 양성자를 밀어내는 방식이 너무 묵직했다.

채드윅은 질문을 바꾼다.
“이게 빛이 아니라 입자라면?”
그제야 퍼즐 조각이 맞기 시작한다.

그 입자는 전기를 띠지 않는다.
그래서 보이지 않는다.
하지만 질량이 있어서 다른 입자를 밀어낼 수 있다.

이것이 중성자다.
중성자는 플러스도 마이너스도 아닌 입자다.
전기 이름표는 없지만, 원자핵 안에서 무게와 힘을 가진다.

채드윅의 대단함은 여기 있다.
그는 범인의 얼굴을 본 게 아니다.
범인이 지나가며 밀어낸 물건들을 보고, “여기 뭔가 있다”라고 결론에 닿는다.

과학은 가끔 탐정 일과 닮아 있다.
눈앞에 없는 것을, 남은 흔적으로 따라간다.
1932년의 채드윅은 바로 그렇게 원자핵의 숨은 방 하나를 열었다.

채드윅의 중성자는 노벨상 뒤에 원자폭탄으로 이어졌다

채드윅의 중성자는 과학의 빈칸을 채웠지만, 전쟁은 그 빈칸을 폭탄의 설계도로 바꾸었다.

1935년, 채드윅은 노벨 물리학상을 받는다.
노벨 물리학상은 물리학에서 가장 큰 상으로 여겨진다.
그가 발견한 중성자가 원자핵을 이해하는 열쇠였기 때문이다.

여기까지라면 이야기는 아름답게 끝날 수 있다.
감옥에서도 질문을 놓지 않은 사람이, 마침내 자연의 비밀을 풀었다.
하지만 역사는 그렇게 얌전하게 끝나지 않는다.

제2차 세계대전이 다가오자 중성자의 의미가 바뀐다.
전기를 띠지 않는다는 점은 연구실에서만 중요한 특징이 아니었다.
원자핵 가까이 들어가 반응을 일으키기 좋은 성질이기도 했다.

병을 고치려고 만든 칼이 전쟁터의 무기가 되는 순간이 있다.
채드윅의 발견도 그런 길로 끌려간다.
원자핵을 이해하려던 지식이, 도시를 파괴할 힘을 계산하는 데 쓰이기 시작한다.

채드윅은 영국에서 원자폭탄 가능성을 검토하는 일에 깊이 관여한다.
이후 맨해튼 계획에도 연결된다.
맨해튼 계획은 미국이 중심이 되어 원자폭탄을 개발한 거대한 전시 연구 계획이다.

이 대목에서 채드윅은 단순한 발견자가 아니다.
그는 자신이 연 문이 어디로 이어지는지 보게 된 사람이다.
수용소의 막사에서 붙잡았던 질문이, 전쟁의 회의실 위에 놓인다.

그래서 그의 이야기는 한 줄짜리 업적 소개로 끝나지 않는다.
“중성자를 발견한 과학자”라고만 쓰면 가장 무서운 부분이 빠진다.
그 발견이 인간의 손에 들어갔을 때, 얼마나 다른 얼굴을 할 수 있는지가 사라진다.

채드윅은 보이지 않는 입자를 찾았다.
하지만 그 입자가 만든 시대의 그림자는 너무나 잘 보였다.
과학의 질문은 원자핵 안으로 들어갔는데, 답은 왜 전쟁의 한복판에서 돌아왔을까?