막스 보른: 현실을 확률로 만든 물리학자

1926년 12월 4일, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 괴팅겐에서 나오는 이상한 새 물리학에 대해 친구에게 편지를 썼습니다. 그는 "양자역학은 확실히 인상적이다"라고 인정했습니다. "하지만 내면의 목소리가 그것이 아직 실체는 아니라고 말한다... 어쨌든 나는 그가 주사위 놀이를 하고 있지 않다고 확신한다." 나중에 아인슈타인이 쓴 가장 유명한 문장으로 압축된 이 말은 바로 그 주사위를 도입한 사람을 겨냥한 것이었습니다. 그의 이름은 막스 보른(Max Born)이었으며, 5개월 전 그는 파동 함수가 입자가 어디에 있는지 알려주는 것이 아니라, 입자가 발견될 확률이 얼마나 되는지만을 알려준다는 아이디어를 발표했습니다.

브레슬라우와 괴팅겐의 수학자들

보른은 1882년 12월 11일, 당시 독일 제국이었던(현재는 폴란드의 브로츠와프) 브레슬라우에서 과학적 성향이 강한 유대인 가정에서 태어났습니다. 그의 아버지 구스타프 야코프 보른(Gustav Jacob Born)은 해부학자이자 브레슬라우 대학교의 발생학 교수였습니다. 그의 어머니 마르가레테 카우프만(Margarethe Kauffmann)은 실레시아의 산업가 집안 출신이었으며 그가 4살 때 사망했습니다.

쾨니히 빌헬름 김나지움(König-Wilhelm-Gymnasium)을 졸업한 후, 그는 1901년 브레슬라우 대학교에 진학했고, 1902년 여름은 하이델베르크에서, 1903년 여름은 취리히에서 보낸 뒤 1904년 4월 괴팅겐으로 이주했습니다. 그 이주가 모든 것을 결정했습니다. 괴팅겐에서 그는 펠릭스 클라인(Felix Klein), 다비트 힐베르트(David Hilbert), 헤르만 민코프스키(Hermann Minkowski) 밑에서 공부했는데, 이는 당시 세계에서 가장 강력한 수학 교수진이었습니다. 그는 동시대 대부분의 물리학자가 갖추지 못했던 추상 대수학의 유창함을 흡수했습니다. 탄성선의 안정성에 관한 그의 1906년 박사 학위 논문은 철학부 상을 받았으며, '마그나 쿰 라우데(magna cum laude, 우등)' 성적을 거두었습니다.

연구소

그는 1909년 괴팅겐에서 이론물리학 교수 자격을 취득했고, 1914년 베를린에서 부교수(professor extraordinarius)가 되었으며, 1919년 프랑크푸르트에서 정교수가 되었고, 1921년 괴팅겐으로 돌아와 이론물리학 연구소 소장이 되었습니다. 이후 12년 동안 그 연구소는 세계 물리학의 중력이 중심이었습니다.

돌이켜보면 당시 명단은 거의 희극적일 정도입니다. 보른의 박사 과정 제자들 중에는 로버트 오펜하이머(Robert Oppenheimer, 1927), 막스 델브뤼크(Max Delbrück, 1930), 마리아 괴퍼트 메이어(Maria Goeppert Mayer, 1931), 빅토르 바이스코프(Victor Weisskopf, 1931)가 있었습니다. 그중 두 명은 노벨상을 받았고 한 명은 로스앨러모스를 이끌었습니다. 그의 조교들 중에는 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg), 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli), 엔리코 페르미(Enrico Fermi), 에드워드 텔러(Edward Teller), 유진 위그너(Eugene Wigner), 파스쿠알 요르단(Pascual Jordan), 프리드리히 훈트(Friedrich Hund), 게르하르트 헤르츠베르크(Gerhard Herzberg), 레옹 로젠펠트(Léon Rosenfeld)가 있었습니다. 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)와 금속이 할로겐과 반응할 때 일어나는 현상에 대한 대화는 1918년 보른-하버 주기(Born–Haber cycle)를 낳았습니다. 나중에 오펜하이머와의 연구는 분자를 다루는 표준 도구인 보른-오펜하이머 근사(Born–Oppenheimer approximation)를 탄생시켰고, 보른 근사(Born approximation)는 여전히 산란 이론의 주력 도구로 남아 있습니다.

행렬 역학

1925년 7월 9일, 하이젠베르크는 보른에게 곱셈이 수행 순서에 따라 달라지는 독특한 숫자 배열로 가득 찬 논문을 건넸습니다. 보른은 자신이 보고 있는 것이 무엇인지 알아차렸습니다. 그것은 20년 전 괴팅겐에서 통달했던 수학 언어인 행렬이었는데, 당시 대부분의 물리 학자들은 이를 모호한 전문 분야로 여겼습니다. 그는 파스쿠알 요르단과, 이어서 하이젠베르크와 함께 그 이론을 양자역학의 첫 번째 완전한 공식화로 기록하고 확장하여 pq − qp = ih/2π라는 교환 관계에 도달했습니다. 이는 위치와 운동량을 모두 선명하게 할 수 없다는 방정식으로, 아무도 그 의미를 알기 전에 작성되었습니다.

보른 규칙

1926년 7월, 그는 자신의 이름을 딴 해석을 발표했습니다. 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 파동 방정식을 만들었지만, 아무도 그 파동이 무엇으로 만들어졌는지 말할 수 없었습니다. 보른은 ψ*ψ가 확률 밀도라고 제안했습니다. 즉, 양자역학은 결과가 아니라 결과의 확률을 예측한다는 것입니다. 그 순간 물리학은 결정론적인 것에서 벗어났습니다. 불확정성 원리의 의미에서 측정 문제, 그리고 뒤따른 한 세기의 논쟁에 이르기까지 모든 것이 그 논문 하나를 통과합니다. 아인슈타인은 그것을 결코 받아들이지 않았고, 1916년부터 1955년까지 이어진 그들의 서신 왕래는 현대 과학사에서 가장 유명한 불일치가 되었습니다.

보른 자신의 철학적 입장은 그의 물리학과 일관되었습니다. 그는 "절대적 확실성, 절대적 정확성, 궁극적 진리 등과 같은 관념은 과학의 어떤 분야에서도 허용되어서는 안 되는 상상의 산물이라고 나는 믿는다"라고 썼습니다.

무국적자

1933년 1월 나치가 정권을 잡았고, 1914년 동화의 일환으로 루터교 세례를 받았음에도 유대인 혈통이었던 보른은 괴팅겐 교수직에서 정직당했습니다. 그는 케임브리지 세인트 존스 칼리지(1933–35)로 갔다가, 방갈로르의 인도 과학 연구소(1935–36)를 거쳐 에든버러로 향했고, 그곳에서 1936년부터 1952년까지 테이트 교수직을 역임했습니다. 1935년 11월 독일은 그의 시민권을 박탈하여 그를 무국적자로 만들었고, 괴팅겐은 1906년 그에게 수여했던 박사 학위를 취소했습니다. 그는 독일이 폴란드를 침공하기 하루 전인 1939년 8월 31일에 영국 시민권자가 되었습니다.

막스가 천재라고 불리는 이유

보른의 독특한 능력은 아직 도입되지 않은 두 언어, 즉 순수 수학과 물리적 직관 사이의 번역이었습니다. 하이젠베르크가 낯선 배열 세트를 가져왔을 때, 보른은 그것이 행렬임을 알아보고, 비가환 곱셈이 당혹스러운 것이 아니라 물리학 그 자체임을 알아볼 수 있는 거의 유일한 사람이었습니다. 그다음은 기술보다는 해석의 담력이 필요한 더 어려운 작업이었습니다. 파동 함수의 제곱이 확률이라고 제안하는 것은 뉴턴 이후 깨지지 않았던, 시스템에 대한 완전한 설명이 미래를 결정한다는 가정을 버리는 것을 의미했습니다. 그는 그것을 논문 한 편으로 혼자 해냈습니다. 노벨 위원회는 결국 이를 인정하여 1954년 "양자역학에 대한 근본적인 연구, 특히 파동 함수에 대한 통계적 해석"을 이유로 그에게 상을 수여했습니다.

반론은 그 날짜에서 시작됩니다. 그는 28년을 기다렸는데, 그동안 하이젠베르크는 그들이 함께 구축한 행렬 역학으로 1932년 상을 독차지했고(하이젠베르크는 나중에 공을 나누지 않은 것에 대해 후회했습니다), 그의 제자들과 조교 세대가 먼저 영예를 얻었습니다. 회의론자들은 보른의 서명된 업적은 다른 사람의 방정식을 해석한 것일 뿐이며, 행렬 작업은 보른의 표기법으로 된 하이젠베르크의 통찰력이고, 그의 가장 지속적인 역할은 제도적이었다고 주장할 수 있습니다. 즉, 그는 양자역학이 일어난 방을 조직하고 운영했다는 것입니다. 하지만 이는 또한 희귀한 재능에 대한 설명이기도 합니다. 새로운 물리학에 어떤 수학이 필요한지 알고, 다른 모든 사람이 여전히 계산하고 있을 때 그 수학이 무엇을 의미하는지 기꺼이 말하는 것입니다.

유산

그는 또한 1948년 막스 플랑크 메달과 1950년 휴즈 메달을 수상했으며, 1937년 에든버러 왕립학회 회원, 1939년 3월 왕립학회 회원으로 선출되었고, 발터 보테(Walther Bothe)와 노벨상을 공동 수상했습니다. 1952년 그는 자신을 무국적자로 만든 나라로 돌아와 서독의 바트피르몬트에서 은퇴했으며, 1970년 1월 5일 괴팅겐에서 87세의 나이로 사망했습니다. 그의 후손들은 예상치 못한 뒷이야기를 남겼는데, 딸 이레네를 통한 그의 손녀가 가수이자 배우인 올리비아 뉴튼-존(Olivia Newton-John)입니다. 하지만 '규칙(보른 규칙)'이 바로 그의 기념비입니다. 현대 양자 이론의 모든 계산은 그것으로 끝납니다.