리처드 파인만 양자전기역학, 낙서 한 장으로 읽어낸 원자 속 세상

원자 속 세상은 너무 복잡해서 천재들도 계산하다 포기했다

여러분, 수학 시험에서 풀다가 '아 모르겠다' 하고 연필 놓아본 적 있죠? 1940년대 물리학자들이 딱 그 상태였어요. 원자보다 작은 세계에서 전자와 빛이 어떻게 움직이는지 계산하려면, 칠판 하나로는 어림도 없었거든요.

그때 물리학자들이 풀려던 문제는 '양자전기역학'이라는 건데요, 쉽게 말하면 "빛 알갱이와 전자가 만나면 무슨 일이 벌어지는가"를 수학으로 설명하는 거예요. 마치 게임에서 캐릭터 두 명이 부딪힐 때 데미지가 얼마나 들어가는지 공식으로 짜는 것과 비슷해요.

문제는 이 공식이 끔찍하게 길었다는 거예요. 전자 하나가 빛을 하나 주고받는 상황만 계산해도 수백 줄짜리 수식이 필요했어요. 게다가 계산할 때마다 답이 '무한대'로 튀어버려서 말이 안 됐죠. 세계 최고의 천재들이 몇 년을 매달려도 깔끔한 답을 못 구했어요. 칠판 위의 분필은 부러지고, 논문은 쌓이는데, 답은 나오지 않는 막막한 시대였죠. 바로 그때 뉴욕 출신의 장난기 가득한 청년 하나가 완전히 다른 방향에서 이 문제를 바라보기 시작했어요.

수백 줄 수식 대신 화살표와 꼬불꼬불 선으로 된 '낙서'를 발명했다

그 청년의 이름은 리처드 파인만이에요. 파인만은 어릴 때부터 라디오를 뜯어 고치고, 동네 금고 자물쇠를 따는 걸 취미로 삼을 만큼 호기심 덩어리였어요. 그런 사람답게, 수백 줄 수식을 보고 이렇게 생각했죠. "이걸 그림으로 그리면 안 돼?"

파인만은 노트에 낙서 같은 그림을 그리기 시작했어요. 전자는 직선 화살표로, 빛 알갱이(광자)는 꼬불꼬불한 물결선으로, 둘이 만나는 순간은 점 하나로 표시한 거예요. 마치 유튜브 마인크래프트 공략 영상에서 루트를 화살표로 표시하는 것처럼요. 이게 바로 '파인만 다이어그램'이에요.

처음에 다른 물리학자들은 "이게 무슨 진지한 물리학이야, 낙서지"라며 비웃었어요. 그런데 막상 이 그림으로 계산해 보니 놀라운 일이 벌어졌어요. 수백 줄 수식을 끙끙대며 쓸 필요 없이, 그림 몇 개를 조합하면 같은 답이 뚝딱 나왔거든요. 게다가 파인만은 '경로적분'이라는 아이디어도 함께 만들었는데, 이건 전자가 A에서 B로 갈 때 가능한 모든 길을 다 고려한다는 발상이에요. 마치 학교에서 집까지 갈 수 있는 모든 골목길을 전부 합쳐서 "가장 가능성 높은 길"을 찾는 거죠. 이 두 가지 무기 덕분에, 아무도 못 풀던 무한대 문제가 드디어 풀리기 시작했어요.

그 낙서 덕분에 빛과 전자의 비밀이 한 장의 그림 안에 풀렸다

파인만 다이어그램이 퍼지자, 물리학의 풍경이 완전히 달라졌어요. 예전에는 한 가지 현상을 설명하려면 천재 한 명이 몇 달을 계산해야 했는데, 이제는 대학원생도 그림 몇 장으로 같은 답을 구할 수 있게 된 거예요. 급식 시간에 복잡한 레시피 대신 그림 레시피를 보고 요리하는 것과 비슷하달까요.

이 공로로 파인만은 1965년 노벨 물리학상을 받았어요. 하지만 진짜 대단한 건 상 자체가 아니에요. 파인만의 다이어그램은 양자전기역학을 넘어서 핵물질의 비밀(강력), 입자가 붕괴하는 원리(약력)까지 설명하는 데 쓰이기 시작했거든요. 물리학 교과서를 펼치면 거의 모든 페이지에 그 꼬불꼬불 선과 화살표가 등장해요.

혼돈처럼 보이던 원자 속 세상이, 깔끔한 그림 한 장으로 정리된 거예요. 빛 알갱이가 전자를 만나고, 튕기고, 새 빛을 만들어내는 복잡한 춤이 한눈에 보이게 됐죠. 과학자들은 이 그림을 무기 삼아 물질의 가장 깊은 비밀까지 파고들었어요. 그리고 그 비밀은 놀랍게도, 여러분이 매일 손에 쥐고 있는 물건과 직접 연결돼 있어요.

네 스마트폰 화면이 빛나는 이유도 그 낙서에서 시작됐다

지금 스마트폰 화면을 한번 보세요. 밝게 빛나는 그 화면, 어떻게 빛이 나오는 걸까요? 화면 속 LED나 OLED는 전자가 에너지를 받아 빛 알갱이를 쏘아내는 원리로 작동해요. 바로 파인만이 낙서로 설명한 그 현상, 전자와 빛의 만남이 여러분 손가락 아래에서 초당 수조 번 일어나고 있는 거예요.

반도체 칩도 마찬가지예요. 스마트폰 안에서 게임을 돌리고, 영상을 재생하는 그 작은 칩은 전자의 움직임을 정밀하게 제어하는 장치인데, 그 설계의 바탕에 양자전기역학이 깔려 있어요. 파인만의 그림이 없었다면 과학자들이 이 원리를 이렇게 정확하게 이해하기까지 훨씬 더 오래 걸렸을 거예요.

파인만은 이런 말을 남겼어요. "이해 못 하면 충분히 단순하게 만들지 못한 거다." 수백 줄짜리 수식을 낙서 한 장으로 바꿔버린 그의 이야기가 알려주는 건 하나예요. 복잡한 문제 앞에서 "이걸 더 쉽게 볼 수는 없을까?"라고 질문하는 사람이 세상을 바꾼다는 것. 여러분도 다음에 어려운 문제를 만나면, 일단 낙서부터 시작해 보는 건 어떨까요?