한스 베테: 태양의 빛을 설명한 사람

1938년, 코넬 대학교에서 근무하던 32세의 난민 한 사람이 별빛이 어디서 오는지 밝혀냈습니다. 탄소-질소-산소 순환(CNO cycle) 즉, 탄소가 촉매가 되어 수소를 헬륨으로 융합하는 과정은 주계열성에서 더 무거운 별들의 일차적인 에너지원을 확정 지었으며, 결국 그에게 노벨상을 안겨주었습니다. 4년 후, 같은 사람이 뉴멕시코 사막에서 원자폭탄이 도시를 얼마나 파괴할지 계산하는 부서를 운영하고 있었습니다. 한스 베테(Hans Bethe)는 매우 긴 생애의 나머지 기간 동안 두 번째 발견을 통제 범위 안으로 되돌리려 노력했습니다.

스트라스부르에서 조머펠트까지

그는 1906년 7월 2일 당시 독일령 알자스-로렌의 일부였던 스트라스부르에서 생리학 교수 알브레히트 베테(Albrecht Bethe)와 안나 쿤(Anna Kuhn) 사이에서 태어났습니다. 1924년 프랑크푸르트 대학교에 입학하여 1928년 뮌헨 대학교에서 당대 최고의 이론 물리학 지도자인 아르놀트 조머펠트(Arnold Sommerfeld) 밑에서 결정 내 전자 회절 이론에 관한 논문으로 박사 학위를 받았습니다. 그의 생산성은 즉시 시작되어 결코 멈추지 않았습니다. 1930년 물질을 통과하는 하전 입자의 에너지 손실에 대한 베테 공식과 1931년 양자 다체 모델의 정확한 해를 구하는 방법이자 수리 물리학의 핵심으로 남은 베테 안자츠(Bethe ansatz)가 그 예입니다.

1933년 그는 유대인 혈통이라는 이유로 튀빙겐 대학교에서 해고되었습니다. 그는 영국으로 건너갔다가 1935년 뉴욕주 이타카에 있는 코넬 대학교로 자리를 옮겨 3,000달러의 연봉을 받았습니다. 그는 70년 동안 그곳에 머물렀습니다. 1939년 9월 13일 로즈 에발트(Rose Ewald)와 결혼했고 1941년 미국 시민권자가 되었으며, 이후 조머펠트에게 다음과 같이 적었습니다. "저는 독일에서보다 미국에서 훨씬 더 집에 온 것 같은 편안함을 느낍니다. 마치 제가 독일에서 태어난 것이 실수였고, 28세가 되어서야 비로소 진정한 고국에 온 것 같습니다."

별들이 빛나는 이유

항성 핵합성은 그 시대의 숙제였고, 베테는 그 어려운 부분을 해결했습니다. 탄소-질소-산소 순환에 대한 그의 설명은 거대한 별들이 어떻게 질량을 복사 에너지로 변환하는지, 그리고 왜 하늘이 잿더미가 아닌 빛으로 가득 차 있는지를 설명했습니다. 이 업적은 연구 발표 후 거의 30년이 지난 1967년 노벨 물리학상으로 인정받았습니다.

로스앨러모스

1942년부터 1945년까지 베테는 로스앨러모스 연구소 이론부를 이끌며 물리학을 병기로 바꾸는 작업을 담당했습니다. 그의 팀은 우라늄-235의 임계 질량을 계산하고, 내폭형 폭탄 이론을 개발했으며, 중성자 발생기와 복사 전파에 관한 연구를 수행했습니다. 그는 리처드 파인만(Richard Feynman)과 함께 핵분열 무기의 폭발 위력을 추정하는 베테-파인만 공식을 고안했습니다. 그의 정당화 논리는 동료 대부분이 사용하던 것이었으며, 그는 이를 결코 포장하지 않았습니다. "독일인들이 아마도 그것을 만들고 있었기 때문에 핵분열 폭탄은 만들어져야 했습니다."

수소폭탄은 달랐고, 그는 그것에 대해 결코 편안함을 느끼지 못했습니다. 1968년 그는 드문 솔직함으로 자신의 논리를 설명했습니다. "제가 폭탄을 만들지 않았더라도 누군가는 했을 것입니다. 그리고 저는 로스앨러모스에 남아 있다면 여전히 군축을 위한 힘이 될 수 있을지도 모른다고 생각했습니다." 누가 수소폭탄의 아버지냐는 질문에 그는 결정적인 답을 내놓았습니다. "씨앗을 제공했기에 울람(Ulam)이 아버지이고, 아이와 함께 남았기에 텔러(Teller)가 어머니입니다. 저로서는 아마도 제가 산파(midwife)인 것 같군요."

열두 개의 방정식

1947년, 동료들이 여전히 경외심을 가지고 회고하는 계산이 나왔습니다. 실험가들은 수소 에너지 준위에서 기존 이론으로는 설명할 수 없는 작은 이상 현상인 램 이동(Lamb shift)을 발견했습니다. 베테는 3쪽짜리 논문과 12개의 수학적 방정식으로 이를 계산해 내어 양자 전기역학을 괴롭히던 무한대 문제를 처리할 수 있으며 이론이 근본적으로 건전함을 증명했습니다. 파인만은 이를 "양자 전기역학 역사상 가장 중요한 발견"이라고 불렀습니다. 폴 디랙(Paul Dirac)은 이를 "수십 년간 물리학에서 가장 중요한 계산"이라고 말했습니다. 과학에서 가장 정밀하게 검증된 이론인 현대 양자 전기역학은 여기서 시작됩니다.

긴 논쟁

무기 제작을 도운 후 베테는 50년 동안 반대 운동을 펼쳤습니다. 그는 '원자 과학자 긴급 위원회'를 통해 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)과 함께 핵실험 반대 캠페인을 벌였고, 역대 미국 행정부를 설득하여 1963년 부분적 핵실험 금지 조약과 1972년 탄도탄 요격 미사일 제한 조약을 성사시키는 데 기여했습니다. 그것은 기술적이고 인내심이 강하며 선언문보다는 위원회 문서와 위력 계산을 통해 이루어지는, 정확히 그 이유 때문에 효과적인 아주 베테다운 행동주의였습니다. 그는 90대까지 연구를 발표하며 코넬 대학교에서 존 웬델 앤더슨(John Wendell Anderson) 물리학 교수로 평생 남았습니다.

한스가 천재라 불리는 이유

여기서의 특정 자질은 산업 규모의 문제 해결 능력입니다. 아무도 수치화하지 못한 물리적 상황(별, 충격파, 비정상적인 스펙트럼 선)을 가져와 수치를 산출하는 능력입니다. 그의 박사 과정 학생 프리먼 다이슨(Freeman Dyson)은 그를 "20세기 최고의 문제 해결사"라고 불렀습니다. 램 이동 논문이 그 증거입니다. 3쪽, 12개의 방정식, 양자 전기역학의 구출, 그리고 현존하는 가장 저명한 물리학자 두 명이 이를 수십 년간 가장 중요한 계산이라고 부른 사실입니다. 고체 물리학, 핵반응 이론, 천 astrophysics, 무기 설계, 양자장론에서 최고 수준으로 기여한 사람은 극히 드뭅니다. 베테는 이 다섯 가지를 모두 해냈습니다.

정직한 반론은 베테가 혁명가는 아니었다는 것입니다. 그는 어떤 틀도 세우지 않았고 세계관을 뒤집지도 않았습니다. 그는 보른(Born)과 하이젠베르크(Heisenberg)가 남긴 양자 역학 내부에서, 디랙(Dirac)이 남긴 양자 전기역학 내부에서 작업했으며, 그의 대표적인 성취들은 아무리 뛰어나더라도 다른 사람들의 이론 내에서의 계산입니다. 다른 종류의 회의론자들은 도덕적 장부를 지적합니다. 그는 폭탄을 만들었고 그 결과를 반대하며 50년을 보냈으며, "누군가 어차피 했을 것이고 내부에서 군축을 위한 힘이 될 수 있었다"는 자신의 설명은 양쪽 모두를 원했던 모든 무기 과학자의 표준적인 방어 논리입니다. 베테는 그것을 알았습니다. 수소폭탄에 대한 부성을 거부하고 "산파"라는 단어를 고집한 것은 스스로 자신의 계좌를 정리하는 사람처럼 보입니다.

유산

60년에 걸쳐 훈장이 쌓였습니다. 1947년 헨리 드레이퍼 메달(Henry Draper Medal), 1957년 왕립학회 외국인 회원, 1959년 프랭클린 메달(Franklin Medal), 1961년 에딩턴 메달(Eddington Medal)과 엔리코 페르미 상(Enrico Fermi Award), 1963년 럼퍼드 상(Rumford Prize), 1967년 노벨상, 1975년 국가 과학 메달, 1989년 로모노소프 금메달(Lomonosov Gold Medal), 1993년 외르스테드 메달(Oersted Medal), 2001년 브루스 메달(Bruce Medal), 2005년 사후 벤자민 프랭클린 메달(Benjamin Franklin Medal)이 그것입니다. 그는 거의 모든 동료보다 오래 살았고 그 과정에서 왜 낮이 존재하는지 설명하며 2005년 3월 6일 98세를 일기로 이타카에서 세상을 떠났습니다.