게르마늄의 Electron Band Structure 논란

독일산 전자의 밴드 구조

• 초록: 독일산 전자의 저항률이 온도에 따라 지수적으로 변화한다는 주장은 거짓임. 이론적 모델링과 실험을 통해 장비와 관련 문서들이 부실하다는 것을 발견함.

소개

• 독일산 전자는 명확한 에너지 밴드에 갇혀 있으며, 이 밴드 사이에는 전하 운반자가 없는 "금지 영역"이 존재함. 온도가 상승하면 전자가 비전도성 에너지 밴드에서 전도성 밴드로 이동하여 저항률에 변화를 일으킴. 이 관계는 특정 온도 범위에서 지수적으로 나타남.

실험 절차

• 독일산 결정 중 가장 손상되지 않은 것을 선택하고, 결정에 전선을 납땜함. 납땜이 매우 어려웠으며, 실험실의 장비는 제대로 작동하지 않았음. 결국 연구실에서 더 나은 장비를 가져와 사용함. 온도를 제어하기 위해 구리 막대에 결정을 부착하고, 막대의 한쪽 끝은 가열 코일에, 다른 쪽 끝은 액체 질소가 담긴 보온병에 담갔음. 중간에 보온병이 새기 시작함.

결과

• 2주 동안 직접 수집한 데이터임. 데이터에서 지수적 의존성을 찾을 수 없었음. 데이터에 지수 곡선을 그려 넣었으며, 복잡한 컴퓨터 프로그램을 사용하여 적합성을 높였음.

결론

• 물리학을 전공한 것은 인생 최대의 실수였음. 컴퓨터 과학을 전공했어야 했음.

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 과학 교육에서 가장 강하게 남은 기억 중 하나가 고등학교 물리 시간의 중력가속도 측정 실험임
  교실 책상에서 공을 굴려 떨어뜨리고, 1990년대 손목시계 스톱워치로 공이 떨어지는 순간 시작해서 바닥에 닿는 순간 멈추는 방식이었는데, 그런 시계 버튼으로는 초 단위 이하 정밀도를 기대하기 어려웠음
  당연히 데이터는 엉망이었고, 오차막대를 제대로 잡으면 0이나 음수까지 들어갈 정도였지만, 계산 결과 6.8m/s^2쯤이 나와 그대로 제출했다가 낙제점을 받음
  결국 초등학교 때부터 “최선을 다해 관찰한 것을 정직하게 보고했는가”가 아니라 채점자가 원하는 결과를 냈는가로 평가받는다는 걸 배우게 되고, 이 구조는 교수직에 이르기까지 잘 사라지지 않는다고 봄
  물론 정직한 오답을 높이 평가해 주는 훌륭한 교사도 있지만, 그 이상주의가 이후 몇 년 동안 얼마나 버티는지는 별개라고 느낌

  • 대학의 Electronics I에서도 거의 같은 일이 있었음
    실험 하나를 끝내야 다음으로 넘어갈 수 있고, 실험을 통과하지 못하면 성적과 무관하게 과목을 낙제하는 구조였음
    두세 번째 실험에서 지급된 DIP-8 패키지 트랜지스터의 응답을 측정해야 했는데, 아무리 해도 선형 출력이 나오지 않았고 실험 조교는 배선이나 회로도 문제일 뿐 장비 문제일 리 없다고만 했음
    10주 수업 중 8주가 지나서야 그 DIP가 트랜지스터가 아니라 섞여 들어간 555 타이머였다는 걸 발견했고, 새 부품을 받았지만 남은 2주 안에 8주치 실험을 끝내는 건 거의 불가능했음
    교수는 수강 철회 후 재수강을 권했고, 졸업 일정에 영향이 가기 때문에 결국 끔찍하지만 통과 가능한 실험 점수로 C-를 받고 없는 일처럼 넘겼음
  • 고등학교 과학 시험에서 교과서 정의를 그대로 쓰고 페이지 번호까지 적은 뒤, 그 정의가 불완전한 이유를 외부 과학 자료로 덧붙였음
    답안 공간이 부족해 여백으로 이어 썼는데, 교사는 처음엔 오답, 다시 정답, 다시 오답으로 바꿨고 학부모 상담 때는 정의 자체는 정확했지만 추가 설명 때문에 자신이 “화가 나서” 오답 처리했다고 인정했음
  • “교수직까지도 과학은 그렇게 돌아간다”는 말은 Feynman의 Cargo Cult Science 에세이를 떠올리게 함
    Millikan의 기름방울 실험 이후 전자 전하 측정값들이 처음엔 Millikan 값 근처에 머물다가 점점 실제 값으로 올라간 사례가 나오는데, Millikan보다 너무 큰 값이 나오면 뭔가 잘못됐다고 보고 원인을 찾았고, 가까운 값이 나오면 덜 의심했기 때문이라는 내용임
    Feynman은 이제 그런 요령을 배워서 그런 병은 없다고 했지만, 그 마지막 문장에는 100% 동의하기 어렵다 봄
    https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
  • 초등학교 과학 시간에 제시된 해법 대신 자기 방법을 고안해도 된다는 실험을 받았고, 반에서 유일하게 직접 방법을 짰지만 집과 교실의 환경 차이를 고려하지 못해 실패했고 낙제점을 받음
    그 일로 오랫동안 물리에 대한 흥미가 꺾였고 대학까지 생물학 쪽에 집중하게 됨
    문제는 평가 기준이 실험 방법이나 정밀도가 아니라 정확도뿐이라는 점을 교사가 명확히 하지 않았다는 데 있었고, 내 방법은 정밀했지만 부정확했으며 표준 방법은 정확하지만 부정밀했음
    전학 첫해라 그 학교 문화가 창의성을 내가 익숙한 방식으로 평가하지 않는다는 것도 몰랐던 듯함
  • 물리 교수에게 들은 학생 시절 실험 이야기가 있음
    공기의 단열 기체 상수를 측정하는 실험이었는데, 당시 과제가 너무 많아서 많은 학생이 그냥 보고서를 쓰고 교과서 값을 제출했다가 틀렸다고 처리됐음
    알고 보니 조교가 어두운 유리 측정병 바닥에 알코올을 넣어 실험을 망쳐 두었고, 실제로 실험하면 “알코올 증기가 꽤 섞인 공기”의 상수가 나와 교과서와 다른 값이 됨
    그 “틀린” 값이야말로 실험을 제대로 했다는 유일한 증거였음

• 1999년에 대학에 들어가며 이 글을 읽었는데, 세계적으로 유명한 기관의 학부 생활이 실제 현장에서는 어떤지 학생이 보여주는 느낌이라 신선했음
  마지막 문장도 예언처럼 맞아떨어졌고, 저자는 결국 컴퓨터과학으로 전향해 University of Wisconsin at Madison에서 박사까지 마쳤음
  https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/

  • LinkedIn에는 Google의 Staff Software Engineer로 나옴: https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/
  • 비슷한 시기에 읽었고, 물리를 전공으로 선언했다가 대부분 졸업 전에 다른 전공으로 옮긴 친구들과 눈물 흘리며 웃었음
    당시 읽은 것 중 가장 웃겼고, 지금 잘 지내는 것 같아 다행임
  • 이제 전체 페이지가 사라진 것 같음

• 20여 년 전 반도체 제작 실험 수업 조교를 했음
  주로 학생들에게 HF를 다룰 때 절대 방심하면 안 된다는 공포를 심어 주는 일이었지만, 끝부분에는 실제로 전압을 훑어 트랜지스터 특성을 측정하는 과정도 있었음
  물론 트랜지스터를 만든 경우에만 그렇고, 사실상 쓸데없이 복잡한 저항을 만든 경우도 있었음
  다른 조교들과 이 글을 돌려 보며 정말 웃겼다고 느꼈음

  • 그러는 한편 Etsy 엄마들은 서리 낀 샷잔을 만들고 있음

• “복잡한 컴퓨터 프로그램으로 피팅했기 때문에 겉보기 정당성이 올라간다. 톱 쿼크도 같은 과정으로 발견됐다고 이해한다”는 대목은 웃기면서도 생각보다 흔함
  내 분야인 초고속 응집물질 물리에서도 노이즈투성이 데이터를 “곡선 피팅”으로 합리화하는 일이 많았고, 잔차나 적합도 검정은 보여주지 않는 경우가 많았음

• 연구 관심사를 컴퓨터 비전에서 양자화학의 DFT 계산으로 바꾸려고 꽤 노력했는데, 지금은 이 분야에 비공개 작업이 너무 많아 답답함
  논문은 최소 노력으로 재현하는 방법만 빼고 다 알려주는 식이라 뭔가 숨기는 것처럼 보임
  그래프는 Origin으로 그리고 논문은 MS Word로 쓰는 경우도 많은데, 둘 다 자유 라이선스가 아니라 협업과 재현성을 더 어렵게 만듦

  • 정말 숨기고 있는 게 맞음
    인접 분야에서 일했는데 다들 대놓고 그랬고, 연구비를 두고 경쟁하다 보니 비법을 공개하면 다른 그룹이 더 빨리 앞서갈까 봐 걱정했음
    DFT 계산을 했다고 쓰는 건 쉽지만, 이런 시뮬레이션이나 계산을 해 본 사람이라면 구현이 매우 까다롭고 코딩과 수치적 요령이 많이 들어간다는 걸 앎
    알고리즘에 대한 자세한 접근 없이는 재현하기가 극도로 어렵다 봄
  • 비단열 분자동역학 시뮬레이션 파이프라인을 완성하려고 다른 사람들의 코드를 이어 붙이는 코드를 작성한 적이 있음
    연구실 사람들에게 가르치기 위한 문서도 맡았지만, 다른 그룹이 그 방법을 가져가 더 많은 돈과 계산 자원으로 더 빨리 나아갈 수 있으니 공개하지 말라는 지시를 받았음
  • 이 문제도 한동안 신경 쓰였음
    문화적 문제에 가깝고, 내 경험상 오래된 연구 그룹일수록 연구 소프트웨어를 공개할 가능성이 낮았음
    딥러닝 기반 시뮬레이션 쪽에서는 netket이 공개 소프트웨어의 좋은 예이고, 그 연구자는 GitHub/GitLab/Hugging Face 생태계에서도 꽤 활발함
  • 학부 때 캠퍼스 라이선스로 쓰던 OriginPro가 그립고, 데이터 시각화를 matplotlib로 옮긴 뒤에는 특히 출판 품질 그림을 만들 때 실망스러움
    최근에도 물리과학에서 기본적인 필요 중 하나인 끊어진 x축 그래프를 그리려 했는데, matplotlib에서는 상당한 해킹이 필요했음
    오픈소스 도구인지 아닌지는 과학이 맞게 나오기만 한다면 전혀 신경 쓰지 않음
    샘플 다루는 것만으로도 충분히 피곤하니, 그래프 그리는 소프트웨어에서는 스트레스를 최소화하고 싶음

• 이 짧은 글을 허구가 아니라 진실이자 물리학 전반에 대한 날카로운 농담으로 받아들이려면 꽤 특수한 감각이 필요함

  • 비슷한 농담은 https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html와 https://pages.cs.wisc.edu/~kovar 전반에 더 있음
  • 왜 물리를 찌르는 농담인지 모르겠음
    솔직하고 아름답고, 실험 최전선의 경험이 실제로 딱 이럴 것 같음
    최신 장비로 오래된 발견을 재현하는 건 쉽지만, 게르마늄의 이 성질을 처음 발견한 사람들에게는 어땠을지 상상해 봐야 함
    도구와 탐침은 관련 분야에 대한 이해보다 훨씬 빨리 발전할 수 없고, 우리는 계속 최첨단 과학 지식을 이용해 도구를 발명하고 즉흥적으로 만들어 가고 있음
  • 산업계 물리학자로서 이 글을 보고 웃었고, 실제로 허구가 아님
    이런 시기를 반드시 겪게 됨
    최근 몇 주 동안 성질 나쁜 실험과 씨름 중인데, 재현 가능한 결과는 나오지만 말이 되지 않고, 우연히 새로운 물리를 발견할 만한 분야도 아님
  • 이해했고 재미있게 봤지만, 내가 특별한 건 아님
  • HN과 XKCD를 충분히 읽은 것만으로도 즐길 수 있었음

• 재미있는 사실로, 그는 결국 컴퓨터과학으로 전향했음
  CV에 따르면 2004년 11월 University of Wisconsin, Madison에서 컴퓨터과학 박사, 2001년 5월 석사, 1999년 6월 Stanford University 물리학 학사를 받았음
  https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
  이후 IL&M에서 5년 일했고 Google에서 14년째 일하는 것으로 보임
  결국 정말로 돈을 많이 벌게 된 셈임: https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/

• 이 글은 2000년 글로 보임
  적어도 Wayback Machine에는 https://web.archive.org/web/20001031193257/http://www.cs.wisc.edu/~kovar/hall.html에 남아 있음

  • https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
    결국 컴퓨터과학 박사를 받고 지금은 LinkedIn 기준 Google의 Staff SWE인 듯함
    결국 돈방석에 앉긴 했나 봄
  • 실제 작성 시점은 1999년 6월 이전일 가능성이 큼
    저자가 그때 Stanford에서 물리학 학사를 받았기 때문임: https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
    이 글의 뒷이야기가 궁금함
    어떤 성적을 받았는지, 아니면 강의에서 완전히 벗어난 뒤 개인적으로 분풀이한 글을 웹페이지에 올린 건지 궁금하고, 실제로 이 프로젝트가 컴퓨터과학으로 옮기게 된 결정적 계기였는지도 궁금함
    https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html

• 중요하진 않지만, 페이지의 HTTP 헤더에 꽤 인상적인 Last-Modified 값이 있었음
  Sun, 26 May 2002 22:33:04 GMT
  HTML 코드 구조도 그 시대와 완벽히 맞아떨어짐

  • 이제는 아닌 듯함

• 글은 재미있지만 누군가는 말해야 함
  띠 구조와 고체 이론은 물리학에서 가장 아름다운 분야 중 하나이고, 우리가 아는 사회를 완전히 바꿔 놓았다는 사실은 오히려 부차적인 일임 :)