같은 자리에 두 명이 앉을 수 없다 — 원자 세계의 절대 규칙을 발견한 물리학자 - 볼프강 파울리

과학자들은 원소가 왜 그 순서로 나열되는지 도무지 설명할 수 없었다

여러분, 주기율표 본 적 있죠? 수소, 헬륨, 리튬… 원소들이 일정한 순서로 쭉 나열되어 있는 그 표요. 그런데 1920년대 과학자들에게는 엄청난 고민이 하나 있었어요. "원소들이 왜 하필 이 순서일까?" 하는 거였어요.

당시 과학자들은 원자 안에 전자라는 아주 작은 알갱이가 돌고 있다는 건 알고 있었어요. 그런데 전자가 원자 안에서 어떻게 자리를 잡는지, 왜 어떤 원소는 성격이 비슷하고 어떤 원소는 완전히 다른지 설명할 수가 없었죠. 마치 교실에 학생들이 앉아 있는데, 왜 그 자리에 앉았는지 아무도 규칙을 모르는 것과 같았어요.

더 답답한 건, 계산을 해보면 전자들이 전부 가장 편한 자리—에너지가 가장 낮은 자리—로 몰려야 한다는 거였어요. 만약 그게 사실이라면 모든 원소가 거의 똑같은 성질을 가져야 해요. 그런데 현실은 전혀 그렇지 않잖아요? 금은 반짝이고, 산소는 우리가 숨 쉬는 데 필요하고, 헬륨은 풍선을 띄우죠. 뭔가 숨겨진 규칙이 분명히 있었어요. 그 규칙을 찾아낸 사람이 바로 오스트리아 출신의 젊은 물리학자, 볼프강 파울리였어요.

전자도 버스 좌석처럼 — 이미 누가 앉아 있으면 절대 같은 자리에 못 앉는다

볼프강 파울리는 어릴 때부터 천재로 유명했어요. 열여덟 살에 이미 아인슈타인의 상대성이론을 정리한 책을 써서 교수들을 깜짝 놀라게 했을 정도예요. 그런 파울리가 전자의 수수께끼에 매달렸어요.

파울리가 발견한 규칙은 놀랍도록 간단해요. "같은 원자 안에서 두 전자는 절대로 똑같은 상태에 있을 수 없다." 이게 전부예요. 이걸 '배타원리'라고 불러요. 배타는 '밀어낸다'는 뜻이에요. 쉽게 말하면 이런 거예요. 버스에 좌석이 있잖아요? 1번 좌석에 누가 이미 앉아 있으면, 다음 사람은 절대로 그 위에 겹쳐서 앉을 수 없어요. 무조건 2번 좌석으로 가야 해요. 2번도 차면 3번, 3번도 차면 4번… 이렇게요.

전자도 마찬가지예요. 원자 안에는 전자가 앉을 수 있는 자리가 에너지 층별로 정해져 있는데, 각 자리에는 딱 정해진 수만큼만 앉을 수 있어요. 자리가 다 차면 다음 층으로 올라가야 하죠. 이 단순한 규칙 하나가, 아무도 풀지 못했던 원자 세계의 비밀을 한 번에 열어버렸어요.

이 규칙 하나로 주기율표의 모든 패턴이 퍼즐 맞추듯 딱 들어맞았다

배타원리가 등장하자, 주기율표의 미스터리가 퍼즐 맞추듯 풀리기 시작했어요. 왜 첫 번째 줄에는 원소가 2개뿐이고, 두 번째 줄에는 8개인지, 왜 같은 세로줄에 있는 원소들은 성격이 비슷한지—전부 설명이 됐어요.

원리는 이래요. 원자의 첫 번째 에너지 층에는 전자가 최대 2개만 앉을 수 있어요. 그래서 수소(전자 1개)와 헬륨(전자 2개), 딱 2개의 원소만 첫 줄에 들어가요. 두 번째 층에는 8개까지 앉을 수 있으니까 리튬부터 네온까지 8개가 쭉 채워지죠. 마치 학교 급식줄에서 한 테이블에 앉을 수 있는 인원이 정해져 있는 것과 같아요. 테이블이 다 차면 다음 테이블로 가야 하잖아요.

이 발견 덕분에 과학자들은 원소의 화학적 성질을 예측할 수 있게 되었어요. 파울리는 1945년에 노벨 물리학상을 받았고, 동료 과학자들 사이에서 "물리학의 양심"이라는 별명을 얻었어요. 틀린 이론을 보면 가차 없이 "그건 틀렸을 뿐 아니라, 틀렸다고 말하기에도 모자랄 만큼 엉터리다!"라고 쏘아붙이는 성격이었거든요. 그런데 이 엄격한 사람이 만든 규칙은, 단순히 원자 안에서만 통하는 게 아니었어요.

네 스마트폰 반도체 칩 속 전자들도 지금 이 규칙을 따르고 있다

지금 이 글을 읽고 있는 스마트폰이나 컴퓨터 안에는 반도체 칩이 들어 있어요. 그 칩 속 실리콘 결정 안에서 수십억 개의 전자가 움직이고 있는데, 이 전자들 하나하나가 전부 파울리의 배타원리를 따르고 있어요. 같은 자리에 두 전자가 겹치지 않으니까, 전자들은 정해진 에너지 층에 질서 있게 배치되죠. 이 질서 덕분에 반도체가 전류를 조절할 수 있고, 그래야 게임도 돌아가고 유튜브 영상도 재생되는 거예요.

사실 배타원리가 없었다면, 모든 전자가 가장 낮은 자리로 쭉 내려앉아버릴 거예요. 그러면 원자의 크기가 지금보다 훨씬 작아지고, 물질의 성질이 완전히 달라져요. 우리 몸을 이루는 탄소도, 숨 쉬는 산소도, 물을 만드는 수소도 지금과 같은 모습일 수 없어요. 결국 배타원리가 없으면 여러분도, 이 지구도 존재할 수 없다는 뜻이에요.

다음에 주기율표를 볼 때, 그냥 시험용 표라고 생각하지 마세요. 거기엔 "같은 자리에 두 명은 절대 안 돼!"라는 우주의 절대 규칙이 숨어 있어요. 그리고 그 규칙을 처음 알아낸 사람이 바로, 스물다섯 살의 까칠한 천재 파울리였답니다.