그림 1. La Ricerca Scientifica에 실린 페르미의 첫 중성자 실험 논문.

1934년 3월부터 약 15개월에 걸쳐 이 저널에 일련번호가 붙은 10편의 시리즈 논문이 발표되었다. 처음 두 논문은 저자가 한 사람이었고, 5번째 논문까지는 5인 저자, 그 후에는 저자가 6인이 된다. 저자 이름은 알파벳 순서로 기재되었다. 오늘날 입자물리학과 핵물리학 등의 분야에서 저자 이름을 알파벳 순서로 기재하는 전통은 상당히 멀리까지 거슬러 올라간다는 걸 알 수 있다. 첫 논문의 제목은 “중성자 타격으로 유도된 방사성 Radioattività indotta da bombardamento di neutroni”이고1) 두 번째 논문의 제목은 “중성자 타격에 의한 방사성 Radioattività provocata da bombardamento di neutroni”이다.2) 그 뒤의 논문은 같은 제목에 뒤에 III‒X까지 일련번호가 붙는다. 저자 이름은 알파벳순으로 적혀 있는데, 6인 논문일 때는 아말디(E. Amaldi), 다고스티노(O. D’Agostino), 페르미(E. Fermi), 폰테코르보(B. Pontecorvo), 라제티(F. Rasetti), 세그레(E. Segrè)고 5인 저자일 때는 여기서 폰테코르보가 빠진다. 단독 논문인 처음 두 논문의 저자는 물론 엔리코 페르미다.

당시에는 알지 못했지만 이 논문들은 세상을 바꾸는 인간 문명의 한 분야를 여는 첫 신호였다. 물론 근대 과학의 역사에서 세상을 바꾼 논문이라고 할 만한 논문들은 여럿 있다. 하지만 이 논문들처럼 그 의미가 직접적으로 다가오는 경우는 흔치 않을 것이다. 이 논문에서 시작된 새로운 분야는 인류를 구원할 수도 있고, 비유나 상징적인 의미로서가 아닌, 말 그대로 인류를 실제로 멸망시킬 수도 있는 힘을 가졌기 때문이다.

이 논문들에 담긴 내용은 간단히 말하자면, 느리게 움직이는 중성자를 이용해서 인공방사능을 만들고 그 결과를 탐색한 것이었다. 이러한 아이디어는 1934년 1월 파리의 졸리오-퀴리 부부가 최초로 인공방사능을 만드는데 성공했다는 소식으로부터 시작되었다. 졸리오-퀴리 부부는 세계에서 가장 많은 폴로늄을 보유한 연구소답게 풍부한 알파 입자를 가지고 여러 원소를 때려서 방사성 원소들을 만들어냈다. 예를 들어 알루미늄에 알파선을 쏘아서 인의 방사성 동위원소를 얻었고, 붕소에서는 질소의 방사성 동위원소를 만들어냈다. 핵물리학이 정립되어 있지 않았던 당시로서는 방사성이 없는 원소에서 방사성 원소를 만들어 냈다는 결과는 놀라운 일이었다. 이 업적은 졸리오-퀴리 부부의 최대 업적이 되었고, 부부는 이 업적으로 1935년 노벨 화학상을 수상한다.

졸리오-퀴리 부부의 논문을 읽고 엔리코 페르미의 직관이 번득였다. 페르미의 직관이란 대체로 교묘하고 복잡하기보다 단순하면서 핵심을 찌르는 스타일이다. 이 문제에 대해서 페르미가 생각한 바는 이러했다. 알파 입자는 핵과 같이 양전하를 가지고 있으므로 핵과 서로 전기적으로 밀쳐낸다. 따라서 원자핵에 가까이 다가가기 어려우므로 원자핵을 때려서 반응을 일으키기에는 효율이 좋지 않다. 하지만 중성자라면 원자핵에 가까이 가도 반발력을 받지 않으므로 쉽게 원자핵을 때릴 수 있을 것이다. 대신 중성자는 알파 입자보다 다루기가 어렵다. 중성자를 만들기도 어렵고, 전기적으로 중성이므로 조종하기도, 안개상자 등을 통해 중성자 빔을 관찰하기도 어렵다. 이는 오늘날에도 여전히 마찬가지다. 마침 페르미는 동료인 라제띠와 감마선 산란 실험을 하느라 중성자 발생장치를 개발한 적이 있었다.

페르미의 연구는 1934년 3월부터 시작되었다. 라제띠가 개발한 폴로늄-베릴륨 혼합 시료는 나오는 중성자가 너무 약해서 적합하지 않았다. 페르미는 라듐에서 나오는 라돈 기체를 응축해서 베릴륨을 섞으면 충분히 강력한 중성자원이 된다는 아이디어를 내고 곧 이를 실험적으로 확인했다. 페르미는 이 중성자원을 가지고 체계적으로 원소들을 중성자에 노출시킨 뒤 가이거 카운터로 방사능을 측정했다. 3월 25일에 첫 논문이 나왔다. 페르미는 이 논문에서 플루오린과 알루미늄을 중성자로 때려서 방사선이 나오도록 유도했다고 보고했다. 페르미는 이 연구가 중요하고 매우 시급하다는 걸 직감적으로 깨닫고 동료와 제자들을 소집했다. 바로 위의 저자 목록에 있는 이름들이다. 라제티는 고등사범학교의 동창이자 오랜 동료고, 아말디와 세그레는 첫 제자, 그리고 다고스티노와 폰테코르보는 새로 들어온 제자들이다. 드디어 역사적인 연구가 시작된 것이다.

그림 2. 1938년 노벨상 시상식에서 페르미와 펄 벅.

이 논문들은 아래에 보인 다른 사람들의 반응에서도 알 수 있듯이, 단숨에 커다란 관심을 끌었다. 1934년쯤에는 이미 엔리코 페르미가 국제적으로 최정상의 물리학자로 인정을 받고 있기도 했다. 결국 이 업적으로 페르미는 1938년 노벨 물리학상을 받는다. 수상 이유는 “중성자를 쏘아서 만들어진 새로운 방사성 원소의 존재를 증명하고 느린 중성자에 의해 일어난 관련 핵반응을 발견한 업적”이었다. 1938년의 노벨상 시상식은 조금 특별했다. 수상자로 물리학상의 페르미, 그리고 문학상의 펄 벅 두 사람만 선정되었기 때문이다. 화학상과 생리의학상은 그 해에는 수상자를 정하지 못했고, 노벨상을 한 해 유보할 수 있다는 규정에 따라 다음 해인 1939년에 1938년 수상자로 화학상의 리하르트 쿤과 생리의학상의 장 프랑수아 에이먼을 선정해서 시상했다.7) 그래서 1938년 시상식을 보면 페르미와 펄 벅만 있어서 좀 단출하다. 이 시상식 영상은 노벨상 홈페이지에서 볼 수 있다.5)

페르미의 첫 논문이 발표되었을 때 영국의 러더퍼드는 페르미에게 편지를 보내 이렇게 말했다고 한다.

“이론물리학의 굴레를 성공적으로 벗어난 데 대해 축하 인사를 전합니다.”

그리고 미국의 젊은 물리학자 이시도어 라비는 이렇게 말했다.

“이제 우리 모두 이탈리아어를 공부해야 되겠어.”

페르미의 발견 소식에 고무된 이탈리아의 한 언론은 초 우라늄 원소의 이름을 무솔리늄으로 불러야 한다고 주장했고, 어떤 기사에는 페르미가 초 우라늄 원소를 유리병에 담아 왕비에게 바쳤다는 내용도 있었다고 한다. 물론 사실이 아니다. 시대와 국가를 막론하고 신문의 과학 기사를 읽을 때는 늘 조심해야 한다.