벨 연구소는 어떻게 첫 노벨상을 받았나

벨 연구소(Bell Labs)는 이전에 언급했듯이 오랫동안 미국 최고의 산업 연구소였다. 벨 연구소는 트랜지스터, 태양광(PV) 전지, 최초의 통신 위성 등 현대 세계를 움직이는 기술의 상당 부분을 발명했을 뿐 아니라 수많은 과학적 돌파구를 만들어냈고, 어떤 다른 산업 연구소보다도 많은 노벨상을 축적했다.

나는 “현대판 벨 연구소”를 만들려는 시도에 대체로 회의적이다. 벨 연구소가 성공할 수 있었던 많은 요소는 역사적 우연(당시의 제도·시장·기술적 조건)에 크게 의존했다고 보기 때문이다. 그럼에도 벨 연구소가 정확히 무엇 때문에 그렇게 뛰어났는지, 그리고 그 교훈을 현대 조직에 어떻게 적용할 수 있을지 이해하는 데에는 가치가 있다고 생각한다.

벨 연구소의 ‘작동 원리’를 이해하는 한 가지 방법은, 미국 최고의 산업 연구소가 되기 전—즉 벨 연구소가 정식 조직으로 존재하기 이전—초기 역사를 들여다보는 것이다. 그런 맥락에서, 벨 연구소가 첫 노벨상을 어떻게 받았는지 살펴보자.

이 상은 1937년 물리학자 클린턴 데이비슨(Clinton Davisson)에게 수여되었는데, 그는 전자 회절(electron diffraction)—특정 조건에서 전자가 입자라기보다 파동처럼 행동한다는 사실—의 존재를 실험으로 입증했다. 이 발견은 데이비슨이 1920년에 시작한 연구에 기반해 이루어졌으며, 이는 시어도어 베일(Theodore Vail, AT&T의 초대 총괄매니저)이 회사로 복귀해 기술 중심의 궤도로 회사를 돌려세운 지 몇 년 되지 않은 시점이자, 벨 연구소라는 조직이 아직 공식적으로 존재하기 전의 일이었다.

클린턴 데이비슨은 1881년 일리노이에서 태어났다. 그는 일찍부터 수학과 과학에 재능을 보였지만, 물리학자가 되기까지의 과정은 순탄치 않았다. 데이비슨이 1902년 고등학교를 졸업했을 때 그는 시카고 대학교(University of Chicago)에 진학했지만, 1년 만에 경제적 사정으로 중퇴해야 했다. 그의 교수 중 한 명인 로버트 밀리컨(Robert Millikan, 훗날 기름방울 실험으로 전자의 전하를 측정해 노벨상을 받음)이 데이비슨이 퍼듀 대학교(Purdue University)에서 물리학 조교 강사로 일할 수 있도록 주선했다. 데이비슨은 그해 다시 시카고 대학교로 돌아왔지만, 곧 프린스턴에서 시간강사로 일하기 위해 또 떠났다. 그는 마침내 1908년 시카고 대학교에서 학사 학위를 받고, 1911년 프린스턴에서 박사 학위를 받았다.

프린스턴을 졸업한 뒤 데이비슨은 카네기 공과대학(Carnegie Institute of Technology, 오늘날의 카네기멜런)에서 물리학 강사로 일하게 되었다. 카네기에서 데이비슨의 대부분 시간은 강의에 쓰였다. 이후 6년 동안 그는 몇 가지 실험(텅스텐에서 반사되는 X선, 수소 스펙트럼 선에서 방출되는 에너지 등)을 시도했지만, 출판할 만한 결과는 얻지 못했다. 카네기 재직 중 데이비슨의 출판물은 이론 논문 1편(닐스 보어의 새로 제안된 원자 모형 관련)과 짧은 이론 노트 2편(중력과 전기 작용, 그리고 전자에 대한 이론 모형)뿐이었다. 프린스턴에서의 연구까지 포함해도 1917년까지 데이비슨이 발표한 논문은 6편에 불과했다.

1917년, 데이비슨은 1차 세계대전 중 군용 진공관 제조를 돕기 위해 AT&T의 제조 부문인 웨스턴 일렉트릭(Western Electric)에서 여름 일자리를 맡았다. 당시 진공관은 백금 산화물로 코팅된 필라멘트를 사용했는데, 전쟁으로 백금이 부족해졌다. 데이비슨은 니켈 산화물 코팅 필라멘트를 개발하는 일을 도왔다. 과학적 탐구에 더 관심이 있었던 데이비슨은 개발 업무에는 크게 흥미가 없었던 듯하다. 벨 연구소 전 사장 머빈 켈리(Mervin Kelly)는 데이비슨 전기에서 “상황의 필요가 그에게 별다른 흥미가 없던 공학적 역할을 어느 정도 강요했다”고 적었다. 하지만 그는 그 일을 훌륭히 해냈다. 이 임시 배치는 곧 정규 업무가 되었고, 1918년까지 데이비슨은 웨스턴 일렉트릭에서 네 개의 엔지니어 그룹을 이끌며 새 니켈 산화물 필라멘트 개발의 모든 측면을 관리하게 되었다.

전쟁이 끝난 뒤 데이비슨은 조교수 승진 제안을 받은 카네기로 돌아갈 계획이었다. 그러나 그의 상사 해럴드 아널드(Harold Arnold, 훗날 벨 연구소의 초대 연구 책임자가 됨)는 그에게 웨스턴 일렉트릭에 남아달라고 요청했다. 데이비슨은 관리 업무나 공학적 업무에 거의 관심이 없었고, 필요할 때만 그런 일을 수행했을 뿐이었다. 그의 압도적인 관심사는 “연구 대상 물리 현상에 대한 완전하고 정확한 지식”을 얻기 위한 과학적 탐구였다. 아널드는 당시 산업 연구소에서는 드물게, 웨스턴 일렉트릭에서 기초 과학 연구를 수행할 기회를 제시함으로써 데이비슨을 설득한 것으로 보인다. 실제로 데이비슨은 AT&T에 있는 대부분의 기간 동안 소규모 물리학자 및 실험 보조 인력의 도움을 받으며, 자신의 연구 관심사를 비교적 자유롭게 추구하는 ‘호사’를 누렸다.

전후 데이비슨에게 주어진 첫 과제는, 진공관 필라멘트에 양이온을 충돌시켜 전자 방출이 어떻게 변하는지 살펴보는 것이었다. 이 연구 과제는 웨스턴 일렉트릭과 제너럴 일렉트릭(GE) 사이의 진공관 특허 분쟁에서 비롯됐다. 분쟁은 1915년 해럴드 아널드가 개선된 진공관에 대한 특허를 출원하면서 시작되었는데, 웨스턴 일렉트릭은 GE의 기존 특허가 부당하다고 믿었고, 간섭심사(interference)를 유발하려 했다. 이 분쟁은 해결까지 16년이 걸렸고(결국 1931년 대법원이 웨스턴 일렉트릭의 손을 들어줌), 진공관 동작의 극도로 기술적인 세부—특정 개선이 특허로서 충분히 ‘새로운지’—에 달려 있었다. 다양한 특허 주장들이 고도로 기술적 근거를 갖고 있었기에, 아널드는 진공관이 구체적으로 어떻게 동작하는지 더 깊은 물리적 이해를 얻는 것이 가치 있다고 보았다. 이 과제에 데이비슨을 돕기 위해 젊은 물리학자 레스터 거머(Lester Germer)가 합류했다.

초기의 진공관. 전류는 필라멘트(음극)와 플레이트(양극) 사이로 흐른다. 둘 사이의 그리드 전압을 바꾸면 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 출처: 위키피디아.

결국 데이비슨과 거머는 이온 충돌이 진공관 필라멘트의 전자 방출 특성에 사실상 아무 영향도 미치지 않는다는 것을 알아냈다. 이온 충돌 실험이 끝난 뒤, 거머는 계속해서 필라멘트의 열전자 방출 연구를 진행했고, 새 물리학자 C.H. 쿤스만(CH Kunsman, 1920년 6월 합류)이 데이비슨의 주 협력자가 되었다. 이후 데이비슨과 쿤스만은 실험 장치를 이용해 양이온 대신 전자를 진공관의 그리드와 플레이트에 충돌시키기 시작했다. 이 실험에서 그들은 예상치 못한 현상을 발견했다. 일부 전자가 표적에서 “탄성적으로”(충돌 전과 거의 같은 에너지를 유지한 채) 튕겨 나오는 것이었다.

데이비슨은 이런 탄성 산란 전자가 연구 도구로서 유용할 수 있다고 생각했다. 불과 몇 년 전인 1911년, 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)가 이끄는 연구팀은 얇은 금박에 알파 입자(전자들을 떼어낸 헬륨 원자)를 쏘아 산란을 관찰함으로써 원자 물질이 중심의 작고 조밀한 “원자핵”에 집중되어 있음을 발견했다. 데이비슨은 알파 입자 대신 탄성 산란 전자를 사용한 유사한 실험이 원자의 전자 구조를 밝히는 데 도움이 될 수 있다고 생각했다. 당시에는 원자핵 주위에 전자들이 특정한 “껍질(shell)”—전자가 점유할 수 있는 특정 궤도—에 존재한다는 점은 대체로 받아들여졌지만, 그 껍질이 어떻게 배열되어 있는지는 거의 알려지지 않았다.

1921년, 데이비슨과 쿤스만은 탄성 산란 전자를 이용한 실험을 시작했다. 그들은 니켈에 전자를 쏘고, 튕겨 나온 각도를 기록해 니켈 원자를 둘러싼 전자 껍질의 구조를 알아내려 했다.

데이비슨과 쿤스만의 전자 실험 장치 배치. 출처: Gehrenbeck 1974.

초기에는 이 연구가 유망해 보였다. 데이비슨과 쿤스만은 산란각을 가정된 전자 껍질 구조와 연결하는 공식을 도출했고(다만 그 공식과 실험 결과를 정성적으로만 비교했다), 그해 말 짧은 논문을 발표했다. 이후 그들은 다른 금속에서도 이 연구를 이어가 구리, 알루미늄, 백금, 마그네슘의 산란 특성을 조사했고, 1922년과 1923년에 결과를 논문으로 발표했다. 하지만 이 탐구는 결국 별 성과를 내지 못했고, 원자 전자 껍질의 거동에 대해 거의 아무것도 알려주지 못했다.

이 실망스러운 결과는 팀의 전자 산란 연구에 대한 열의를 꺾은 듯하다. 쿤스만이 1923년 11월 웨스턴 일렉트릭을 떠나자 산란 실험은 중단되었다.

이 연구에서의 돌파구는 1년 조금 넘게 지난 뒤, 레스터 거머가 복귀하면서 찾아왔다. 거머는 건강 문제와 신경쇠약으로 1923년부터 휴직 중이었는데, 1924년 7월 복귀해 전자 산란 실험을 다시 시작했다.

이 실험은 고진공(high vacuum)에서 수행되어야 했고, 이를 위해 때때로 실험 장치가 들어 있는 큰 관(tube)에서 공기를 빼내야 했다. 1925년 초, 그런 재진공 작업 중 하나 이후 액체 공기 병이 깨지면서 관 내부의 진공을 유지하는 데 쓰이던 숯 “트랩(trap)”이 갈라졌고, 표적—매우 매끄럽게 연마된 니켈 조각—이 고체 산화물 층으로 덮였다. 표적을 단순히 교체하는 대신, 데이비슨과 거머는 이를 수리하기로 했다. 여러 차례 강한 가열을 거친 뒤 표면의 얇은 층을 제거했다.

처음에는 수리된 니켈에 전자를 쏘며 실험을 재개했을 때, 결과는 사고 이전과 비슷했다. 그러나 몇 주 후 데이비슨과 거머는 이전과는 매우 다른 전자 산란 거동을 관찰하기 시작했다.

사고 및 표적 수리 전후의 전자 산란 거동. 출처: Gehrenbeck 1974.

니켈 표적을 자세히 조사한 결과, 수리가 표면의 성격을 바꿔놓았음이 드러났다. 사고 이전의 니켈은 대부분의 금속 조각처럼, 원자들이 규칙적으로 배열된 수많은 작은 결정(crystal)들이 서로 교차하며 융합된 구조였다. 그러나 사고와 수리 이후 결정립(grain)의 수가 “몇 자릿수(order of magnitude)” 수준으로 줄어들어, 몇 개의 큰 결정 면(facet)만 남게 되었다. 데이비슨은 원래 표적의 원자 구조—전자 껍질의 배열—가 전자 산란에 영향을 준다고 이론화했지만, 이제는 전자 산란을 결정하는 것은 전자 껍질 배치가 아니라 결정 구조—개별 _원자_들이 어떻게 배열되어 있는가—인 것처럼 보였다. 결국 예상치 못한 산란 결과는 전자들이 니켈의 단결정(single crystal) 하나에서 튕겨 나왔기 때문이라는 사실을 알아냈다.

금속 조각의 결정립 경계. 서로 다른 방향성을 가진 개별 결정들이 융합되어 있다. 출처: 위키피디아.

이 예상 밖 현상을 추적하며, 데이비슨과 거머는 (벨 연구소 직원이 성장시킨) 큰 니켈 단결정을 표적으로 확보해 1926년에 서로 다른 각도에서 전자를 쏘기 시작했다. 그러나 결과는 실망스러워 보였다. 데이비슨은 훗날 이렇게 회고했다.

우리는 그것이 보통의 다결정 니켈 표적을 썼을 때 관찰되었을 것과 구별되지 않는다는 사실에 놀라고 실망했다. 끝에서 끝까지 단순한 곡선일 뿐, 어디에도 작은 돌기나 급변이 없었다. Br 및 C-방위(azimuth)도 같은 결과였다.

새 표적에 다양한 각도로 전자를 충돌시킨 결과. 출처: Gehrenbeck 1974.

1년간의 실험 노력이 아무것도 남기지 못한 것처럼 보였다.

이 실험들이 진행되는 동안 또 하나의 중요한 사건이 있었다. 1925년 AT&T의 연구 활동이 재편되어 한 지붕 아래로 통합되었고, ‘벨 전화 연구소(Bell Telephone Laboratories)’가 탄생했다.

데이비슨, 쿤스만, 거머가 여러 물질에 전자를 쏘아 튕겨내고 있던 동안, 물리학 분야에서는 혁명이 일어나고 있었다. 1905년 알베르트 아인슈타인은 특정 실험 결과—빛을 금속 표면에 비추면 전자가 튀어나오는 광전 효과—를 설명하기 위해, 빛이 연속적인 파동이 아니라 불연속적인 에너지 묶음, 즉 “양자(quanta)”로 에너지를 전달할 수 있다고 제안했다. 오랫동안 파동으로 여겨졌던 빛이 어떤 경우에는 입자처럼 행동할 수도 있다는 가설이었다. 이 가설은 1922년 미국 물리학자 아서 콤프턴(Arthur Compton)의 실험으로 강화되었다. 그는 여러 원소에 X선을 쏘아 산란을 관찰했는데, 산란된 X선의 파장이 증가함을 발견했다. 이는 X선이 일련의 입자 충돌 형태로 에너지를 전달한다는 의미였다.

콤프턴이 “빛의 파동이 때로 입자처럼 행동한다”는 것을 보여주던 무렵, 프랑스 물리학자 루이 드브로이(Louis de Broglie)는 반대로 물질 입자도 때로 파동처럼 행동할 수 있다고 가정했다. 드브로이는 1924년 박사 논문에서 이 이론을 전개했고, 결정에 의해 전자가 산란되는 거동을 연구하면 이를 실험적으로 검증할 수 있다고 제안했다. 음전하를 띤 원자 입자인 전자가 파동처럼 행동한다면, 결정의 규칙적 구조는 촘촘히 배열된 거울들의 연속처럼 작용하여 전자를 반사하고, 그 결과 간섭무늬( 브래그 회절 )라는 특징적인 패턴이 나타나야 한다.

결정에서의 X선 브래그 회절. 특정 파장에서 파동은 원자열에서 반사되며, 파동의 마루가 서로 보강되도록 겹친다. 출처: Davisson 1927.

대부분의 물리학자들은 드브로이의 이론을 대수롭지 않게 여겼지만, 아인슈타인을 포함한 일부는 설득력 있다고 보았다. 지지자 중 한 명인 독일 물리학자 막스 보른(Max Born)은 동료들과 드브로이의 아이디어를 논의했는데, 그중에는 젊은 독일인 대학원생 발터 엘자서(Walter Elsasser)도 있었다. 엘자서는 데이비슨과 쿤스만의 1923년 전자 산란 논문을 본 적이 있었고, 그 결과가 드브로이의 물질 파동 이론을 뒷받침하는 증거가 될 수 있다고 생각해 1925년 짧은 논문을 발표했다.

엘자서는 직접 전자 산란 실험으로 이 이론을 검증하려 했지만, 이런 실험은 고진공 조건을 만들어야 해서 장비를 갖춘 연구실이 거의 없었다. 몇 달 시도한 끝에 엘자서는 포기했다(아인슈타인은 그에게 “금광 위에 앉아 있다”고 말했음에도). 다른 물리학자들의 전자 회절 시도도 기술적 난관으로 중단되거나, 결론이 모호한 결과로 끝났다.

1926년 7월, 단결정 산란 실험을 시작한 지 몇 달 뒤 데이비슨은 아내와 영국으로 휴가를 떠났다. 그는 벨 연구소로부터 비용을 환급받기 위해 여행을 “업무 관련”으로 분류할 수 있었기 때문에, 영국 과학 진흥 협회(British Association for the Advancement of Science) 회의에 참석했을 가능성이 있다. 회의에서 데이비슨은 막스 보른이 (이제는 에르빈 슈뢰딩거가 더 발전시킨) 물질 파동 이론을 발표하는 것을 보았다. 당시 데이비슨은 이 이론에 익숙하지 않았고, 자신이 과거에 했던 전자 산란 연구가 이 이론을 지지하는 근거로 사용되고 있다는 사실에 놀랐다. 데이비슨은 보른 및 다른 사람들과 자신의 연구를 논의했고, 최근 단결정 실험에서 얻은 미공개 데이터를 가져와 보여주었다. 그 데이터는 별다른 것을 보여주지 않는 듯했지만, 유럽 물리학자들은 그럼에도 데이비슨이 올바른 방향에 있을 수 있다고 설득했다. 미국으로 돌아오는 여정에서 데이비슨은 슈뢰딩거의 논문을 이해하기 위해 공부하기 시작했다.

미국으로 돌아온 데이비슨과 거머는 먼저 기존 실험 데이터에서 예측된 전자 회절 패턴을 자세히 찾았으나, 발견하지 못했다. 포기하지 않고 그들은 더 “철저한 탐색”이 필요하다고 판단했다. 우선 실험 장치를 면밀히 점검했다. 점검 결과 결정 표적이 약간 회전해 있었고, 산란 전자를 모으는 패러데이 상자(Faraday box)의 구멍도 생각했던 위치에서 벗어나 있었다. 이를 보정해 과거 데이터를 수정하자, 데이터와 물질 파동 이론의 예측 사이에 “매우 훌륭한” 일치가 나타났다.

그 뒤 데이비슨과 거머는 단결정 전자 산란 실험을 새로 수행하며, 이론이 예측하는 방향으로 산란 전자 빔이 나타나는지 확인하기 시작했다. 1927년 1월 6일, 그들은 특정 속도에서 수집되는 전자 수가 급증하는 ‘봉우리(peak)’를 관찰했고, 이는 (드브로이 파장 공식에 따라) 특정 파장에 해당했다. 이 봉우리는 이론이 예측한 위치(78볼트)와 정확히 일치하진 않았고, 다소 우연히 65볼트에서 발견되었지만, 회절된 전자 빔의 증거였다. 이후 실험에서는 이론이 예측한 더 많은 봉우리가 확인되었다.

데이비슨과 거머는 1927년 4월 네이처(Nature)에 결과를 담은 논문을 발표했다. 논문에는 전자 산란 데이터와 더불어, (파장이 알려져 있고 결정에서 회절한다는 사실이 알려진) X선을 단결정 표적에 쏘아 얻은 산란 데이터도 포함되어 있었다. 전자의 파장을 계산한 뒤 (당시에는 설명되지 않았던) 0.7 보정 계수를 적용하면, 전자 피크가 X선 데이터에서 관찰된 피크와 대응한다는 것을 확인했다. 논문은 이 결과가 “파동역학(wave mechanics) 이론의 기반이 되는 아이디어를 강하게 시사한다”고 결론지었다.

여러 파장에서의 반사 X선 세기(위)와 여러 속도에서의 반사 전자 세기(아래). 출처: Davisson 1927.

데이비슨과 거머는 더 많은 예측된 전자 피크를 찾고, 이론이 예측하지 못했는데 관찰되는 피크 또는 예측했지만 관찰되지 않는 피크를 설명하기 위해 후속 실험을 진행했다. 이런 이상(anomalous) 결과의 상당수는 결정 표면에 흡착된 가스나 내부에 갇힌 가스 때문에 생긴 것으로 밝혀졌다. 다른 일부(예: 0.7 보정 계수)는 전자가 결정에 들어갈 때 굴절되어 결정 내부에서의 경로 각도가 바뀌기 때문으로 설명될 수 있었다. 8월에 Physical Review에 제출된 후속 논문에는 더 많은 예측 피크와 일부 이상 피크의 설명이 포함되었지만, 이론과 데이터 사이의 몇몇 불일치는 여전히 남아 있었다. 이후 다른 물리학자들의 실험이 데이비슨과 거머의 결과—전자가 물질 파동 이론에 따라 결정에서 회절한다—를 확인해 주었다.

데이비슨과 거머는 1928년부터 1932년까지 전자가 굴절, 반사, 편광 등 다른 파동적 거동을 보이는지 조사하는 연구를 이어가며 16편의 논문을 발표했고, 전자가 파동처럼 행동한다는 이론을 더욱 강화했다. 거머는 1940년대까지 전자 회절 연구를 계속한 반면, 데이비슨은 “전자 광학(electron optics)”—서로 다른 모양의 개구가 전자에 대해 렌즈처럼 작용하는 방식—으로 연구를 옮겼다. 1937년 클린턴 데이비슨은 전자의 파동성을 입증한 1927년 실험으로 노벨 물리학상을 받았다. (그는 금속의 얇은 박막을 통과시키는 방식으로 독립적으로 전자 파동성을 입증한 G.P. 톰슨(G.P. Thomson)과 공동 수상했다.)

전체적으로 이 과학적 발견에서 가장 인상적인 것은 모든 것이 얼마나 난장판(messy) 이었는가 하는 점이다. 높은 수준에서 보면, 이 발견은 우리가 과학 과정에서 기대하는 전형적 그림처럼 보인다. 설명되지 않는 관찰(수리된 니켈에서의 놀라운 산란 결과)이 있고, 이를 설명할 수 있는 가설(드브로이의 독립적인 물질 파동 이론)이 있으며, 그 가설을 입증하는 실험(1927년 데이비슨과 거머의 산란 실험)이 이어진다. 하지만 세부로 들어가면 경로는 믿을 수 없을 만큼 우회적이며, 거짓 출발, 실망스러운 결과, 이론과 실험의 불일치로 가득하다. 데이비슨의 연구는 탄성 산란 전자의 예상치 못한 발견으로 시작되지만, 원자 전자 구조를 탐구하려던 후속 연구는 실망스럽고—실제로 거의 1년간 중단될 정도로—성과가 없었다. 재개된 뒤에는, 표적 니켈을 크게 변형시킨 실험실 사고라는 또 다른 예상치 못한 사건이 결정 구조가 전자 산란에 미치는 영향을 연구하는 새 방향을 낳았다. 하지만 이 연구도 처음에는 별로 유망해 보이지 않았고, 초기에 실망스러운 결과를 냈다. 세 번째로 계획되지 않은 사건—유럽 물리학자들을 통해 물질 파동 이론을 접하게 된 것, 그리고 그가 완전히 다른 이유로 수행했던 초기 산란 실험이 이 이론의 약한 증거가 될 수 있었던 것—이 데이비슨과 거머를 마침내 올바른 길로 올려놓았다.

이 새로운 이론을 무기로, 데이비슨과 거머는 결국 실험 장치로 데이터가 이론의 예측(결정에서 전자가 회절함)에 맞는다는 것을 보여주었지만, 그 과정 역시 혼란스러웠다. 수집된 데이터는 이론의 예측과 곧바로 일치하지 않았다. 초기 전자 피크는 예측된 78볼트가 아니라 65볼트에서 발견되었고, 같은 실험에서 30볼트에서 훨씬 더 큰 피크가 나타났는데 이는 전략적으로 무시해야 했다. 다른 불일치도 많았다. 있어서는 안 되는 곳에서 나타나는 전자 빔, 적용해야만 했던 0.7 “보정” 계수 등. 이런 불일치를 해소하는 데에는 시간과 노력이 필요했다.

게다가 실험 자체가 매우 수행하기 어려웠다. 데이비슨과 거머가 다른 이들이 실패한 전자 회절 입증에 성공한 이유는, 다른 많은 연구실과 달리 그들의 연구실은 매우 높은 진공을 만들 수 있는 설비를 갖추고 있었기 때문이다. 그러나 그 조건을 만드는 일은 어려웠다. 장치는 자주 고장 났고, 장비의 미세한 정렬 오차가 데이터에 왜곡을 일으킬 수 있었고 실제로도 그랬다.

이 발견에서 얻을 수 있는 다른 교훈들:

• 과학적 발견에서 기술, 특히 새로운 관측 도구의 중요성. 고진공을 만들 수 있는 능력 없이는 이 발견이 불가능했을 것이고, 데이비슨의 연구는 탄성 산란 전자라는 발견으로 촉발되었는데, 그는 이를 연구 도구로 사용할 수 있으리라고 의심했다.

• 과학적 발견에서 우연성과 예상 밖 사건의 중요성. 탄성 산란 전자의 뜻밖 발견, 니켈 표적의 우발적 변형, 물질 파동 이론에 대한 데이비슨의 우연한 노출, 65볼트 전자 피크의 우연한 발견 모두가 전자 회절 입증에 기여했다.

• 연구의 진화 방향을 예측하기 어렵다는 점. 데이비슨은 진공관 필라멘트의 거동을 연구하다가 탄성 산란 전자 실험으로, 다시 결정 구조가 전자 산란에 미치는 영향 연구로, 그리고 (결국) 전자 회절로 이어졌다. 초기 진공관 필라멘트 연구를 제외하면, 이 연구 방향들은 어느 것도 계획된 것이 아니었고, 데이비슨이 비교적 자유롭게 자신이 하고 싶은 연구를 할 수 있었기 때문에 가능했다.

• 기업 환경에서 이런 연구가 드문 이유를 이해할 수 있다는 점. 데이비슨의 발견은 수년에 걸친 연구의 산물이며, 아마 비용도 적지 않았을 것이다. (인력은 많지 않았던 듯하지만 장비는 거의 확실히 비쌌다. 이를 갖춘 연구실이 드물었다는 사실이 그 방증이다.) 이 연구는 AT&T에 새로운 제품이나 서비스를 가져다주지 않았다. 노벨상이라는 명성은 궁극적으로 AT&T에 가치가 있었을 수 있지만, 상은 연구 시작 후 17년이나 지나서야 수여되었다(물론 대부분의 연구는 노벨상으로 이어지지 않는다). 이윤을 내야 하는 조직 입장에서, 이런 작업에 자금을 대는 것이 왜 ‘나쁜 내기’처럼 보이는지 이해하기 어렵지 않다.

그렇다면 데이비슨의 발견은 벨 연구소에 대해 무엇을 말해줄까? 데이비슨의 연구는 애초에 진공관과 전자 장치가 어떻게 동작하는지에 대한 깊은 물리적 이해가 가치 있다고 믿었기 때문에 시작되었다. 그리고 웨스턴 일렉트릭은 이런 과학적 탐구가 실용적 응용으로 이어질지 걱정하지 않고도 데이비슨이 이를 추구하도록 허용했다. 이는 기업 환경에서 (당시에도 지금도) 드문 일이다.

이 발견을 트랜지스터의 발명과 대비해보는 것도 흥미롭다. 어떤 면에서는 둘이 비슷하다. 둘 다 전자 부품에 대한 깊은 이해에 뿌리를 둔 연구 프로그램이었고, 둘 다 노벨 물리학상을 낳았다. 하지만 데이비슨의 연구는 특정한 실용적 응용과 무관하게 추진되었고(적어도 AT&T에는 어떤 실용적 결과도 가져오지 않았다), 트랜지스터 연구는 고체 증폭기(solid state amplifier)를 만들기 위한 구체적 프로그램의 일부였다. 벨 연구소가 이후 수행한 ‘기초’ 연구는 1920년대보다 훨씬 규모가 컸지만, 동시에 연구자들이 실용적으로 중요한 문제에 더 많이 집중하도록 유도하는 데에도 더 큰 노력을 기울였던 것으로 보인다.