제임스 프랑크: 가장 먼저 경고한 물리학자

1945년 6월 11일, 미국 원자폭탄 개발에 참여하던 과학자 그룹이 자국 정부에 경고 없이 폭탄을 사용하지 말 것을 간청하는 문서에 서명했습니다. 그들은 "미국이 인류에게 이러한 무차별적 파괴의 새로운 수단을 가장 먼저 사용하는 국가가 된다면, 전 세계의 지지를 잃고 군비 경쟁을 촉발할 것"이라고 썼습니다. 이 보고서에는 위원회 의장을 맡았던 사람의 이름이 올라가 있습니다. 그는 12년 전 원칙을 위해 교수직을 사임했던 노벨상 수상자였으며, 원자가 오직 정확한 양의 에너지만을 받아들인다는 것을 입증하는 데 평생을 바친 인물이었습니다.

함부르크, 하이델베르크, 베를린

프랑크는 1882년 8월 26일 함부르크에서 태어났습니다. 빌헬름 김나지움(Wilhelm Gymnasium)을 다녔고, 하이델베르크에서 화학을 공부한 뒤 베를린으로 옮겨 에밀 바르부르크(Emil Warburg)와 파울 드루데(Paul Drude) 밑에서 물리학을 전공했습니다. 1906년 베를린에서 박사 학위를 취득했고, 프랑크푸르트에서 잠시 조수로 일한 뒤 베를린으로 돌아와 하인리히 루벤스(Heinrich Rubens)와 함께 일했습니다. 1911년경에는 베를린 대학교에서 물리학 강사로 재직했고, 이후 부교수로 승진하여 제1차 세계 대전 중 군 복무로 인한 중단 기간을 제외하고 1918년까지 재직했습니다.

전자와 원자

프랑크의 핵심 연구는 전자가 원자와 충돌할 때 일어나는 현상에 관한 것이었습니다. 그는 구스타프 헤르츠(Gustav Hertz)와 함께 이러한 교환을 정밀하게 측정하는 실험을 고안했으며, 원자가 임의의 에너지를 받아들이지 않는다는 사실을 발견했습니다. 원자는 오직 특정한 양의 에너지만을 받아들였고 그 사이의 값은 받아들이지 않았습니다. 이는 양자 이론이 제안했던 양자화된 에너지 준위를 실험적으로 직접 증명한 첫 번째 사례였으며, 추상적인 가설을 측정 가능한 실험실 사실로 바꾸어 놓았습니다. 1925년 노벨 물리학상은 "전자와 원자의 충돌을 지배하는 법칙을 발견한" 공로로 두 사람에게 공동 수여되었습니다.

전쟁 후 프랑크는 프리츠 하버(Fritz Haber)가 이끄는 카이저 빌헬름 연구소(Kaiser Wilhelm Institute)의 물리학 부서를 이끌며, 전자 동역학과 기체 내 원자의 거동을 계속 연구했습니다.

괴팅겐

1920년 그는 괴팅겐 대학교의 실험물리학 교수가 되었으며, 13년 동안 막스 보른(Max Born)과 긴밀히 협력하며 괴팅겐을 세계 이론 물리학의 수도로 만든 주역이었습니다. 그를 거쳐 간 학생 중에는 J. 로버트 오펜하이머(J. Robert Oppenheimer)도 있었습니다. 괴팅겐에서 프랑크는 현재 자신과 에드워드 콘돈(Edward Condon)의 이름을 딴 원리를 발전시켰는데, 이는 광화학적 해리, 즉 분자가 빛을 흡수할 때 어떻게 분해되는지를 설명합니다.

사임, 1933년

나치 정권이 집권하자 프랑크는 인종차별법에 공개적으로 반대하며 나치 아래에서 봉사하기보다는 교수직을 포기했습니다. 이는 면제 대상이 될 수도 있었던 훈장을 받은 참전 용사가 내린 매우 이르고 눈에 띄는 거부 의사였습니다. 그는 먼저 존스 홉킨스 대학교의 스페이어 교수(Speyer Professor)로 부임했고, 코펜하겐에서 잠시 지낸 뒤 1938년 시카고 대학교 물리학과에 합류했습니다.

시카고와 원자폭탄

제2차 세계 대전 중 프랑크는 맨해튼 프로젝트의 시카고 대학교 부서인 야금 연구소(Metallurgical Laboratory)의 화학 부서를 이끌었습니다. 무기 완성이 가까워지자, 그는 1945년 6월 '프랑크 보고서'를 작성한 위원회의 의장을 맡았으며, 레오 실라르드(Leo Szilard), 글렌 시보그(Glenn Seaborg), 도널드 J. 휴즈(Donald J. Hughes), J. J. 닉슨(J. J. Nickson), 유진 라비노비치(Eugene Rabinowitch), J. C. 스턴스(J. C. Stearns)와 함께 서명했습니다.

보고서는 일본에 대한 예고 없는 원자폭탄 공격에 반대하며 대신 사람이 없는 지역에서 시연할 것을 제안했습니다. 그 이유는 도덕적일 뿐만 아니라 전략적이었습니다. 과학자들은 비밀이 유지될 수 없다고 주장하며 10년 이내에 다른 국가들도 도시를 파괴할 수 있는 폭탄을 갖게 될 것이라 예견했고, 군비 경쟁이 멈출 수 없게 되기 전에 "핵폭발물에 대한 효과적인 국제 통제"를 구축할 것을 촉구했습니다. 그들의 제안은 받아들여지지 않았습니다. 하지만 시간표에 관한 예측은 옳았습니다.

광합성

전쟁 후 프랑크는 1956년까지 시카고의 광합성 연구 그룹을 이끌며, 물리화학의 도구를 사용하여 식물이 어떻게 빛을 화학 에너지로 전환하는지에 대한 질문을 탐구했습니다. 이는 프랑크-콘돈 원리와 본질적으로 같은 문제를 생명 물질에 적용한 것이었습니다. 1951년 막스 플랑크 메달, 1953년 괴팅겐 명예 시민, 1955년 럼퍼드 메달 수상, 1964년 왕립학회 회원 선출 등 영예가 이어졌습니다. 그는 1964년 5월 21일 31년 전 떠났던 도시인 괴팅겐을 방문하던 중 세상을 떠났습니다.

제임스가 천재라 불리는 이유

여기서 말하는 능력은 실험적 상상력, 즉 자연이 회피해 온 질문에 답하도록 강요하는 장치를 설계하는 능력입니다. 불연속적인 에너지 상태를 가진 보어의 원자는 많은 물리학자가 편리한 허구로 간주했던 이론적 제안이었습니다. 프랑크와 헤르츠는 그 제안이 전류 속에서 반복되는 패턴으로 가시화되는 장치를 만들었는데, 이는 누구나 기기에서 읽을 수 있는 증거였습니다. 논쟁 중인 추상적 개념을 반박 불가능한 측정값으로 바꾸는 것은 물리학자가 할 수 있는 가장 어려운 일 중 하나이며, "전자와 원자의 충돌을 지배하는 법칙"이라는 노벨 위원회의 평가가 바로 그 점을 인정한 것입니다. 프랑크-콘돈 원리는 분자와 빛에 적용된 동일한 사고방식을 보여줍니다.

반대 의견도 들을 가치가 있습니다. 그 결과를 의미 있게 만든 이론은 그의 것이 아니었습니다. 그것은 보어의 것이었고, 뒤따른 양자 역학은 보른, 하이젠베르크(Heisenberg) 및 프랑크가 일했던 기관의 다른 학자들의 것이었습니다. 그는 이론가들이 주도하는 혁명 속의 뛰어난 측정가였습니다. 상은 공유되었고, 원리는 공동의 이름으로 불리며, 그의 전후 광합성 연구는 그에 상응하는 비중의 성과를 내지 못했습니다. 프랑크의 현대적 명성 중 상당 부분이 물리학보다는 양심, 즉 1933년의 사임과 1945년의 보고서에 근거하고 있다는 점도 공정하게 관찰할 필요가 있습니다. 이는 실로 독보적인 특성이며 어쩌면 더 희귀한 것이지만, 이는 지적 탁월함이 아닌 도덕적 명확성이며 두 가지를 조용히 섞어서는 안 됩니다.

유산

프랑크-헤르츠 실험은 이제 학부 물리 실험의 표준이 되었으며, 이는 물리학이 바칠 수 있는 최고의 찬사입니다. 즉, 학생들이 재현하도록 요구할 만큼 확실한 결과라는 뜻입니다. 프랑크 보고서는 더 기묘한 사후 운명을 맞이했습니다. 1945년에는 무시당했지만, 나중에 과학자들의 군비 통제 운동의 창립 문서가 되었고, 오늘날 읽어보면 항의라기보다는 예보에 가깝습니다. 무기를 만든 사람들이 정부에게 향후 50년이 정확히 어떻게 될지를 말했으나 믿음을 얻지 못했던 순간의 기록입니다.