[과학] 세상은 무엇으로 이루어졌을까?

-세상을 구성하는 단 하나의 물질을 찾아서
-세상을 이루고 있는 4가지 원소 ‘물, 불, 공기, 흙’
-자비르, 황과 수은이 금속을 만든다고 주장하다
-원소 종류가 수십 가지나 된다고?
-과학자들, 물질을 계속해서 쪼개다

신이 최초로 도형과 수로 형태를 만들어 내기 시작했다. - 플라톤 -

세상을 구성하는 단 하나의 물질을 찾아서
고대 그리스에서 신은 인간의 일에 수시로 개입하는 것으로 여겨졌고, 자연 현상도 신이 개입한 결과로 해석됐다. 하지만 기원전 6세기경, 오늘날 터키 남서부 지방에 해당하는 이오니아 지역의 도시 밀레투스를 중심으로, 이전 세대와는 다른 방식으로 세계의 본성에 대해 사색하는 일련의 철학자들이 등장한다.

자연 현상을 보다 합리적으로 설명하고자 했던 철학자들은 세계를 구성하는 근본 물질이나 물질 변화의 원인에 대해 질문을 던졌다. 이들은 더 나아가 지진이나 일식, 번개 등과 같은 자연 현상을 보편적이고 합리적인 방식으로 설명하고자 했고, 그 과정에서 점차 신을 배제해 나갔다.

밀레투스 지역에서 활동했던 대표적인 자연철학자로 탈레스(Thales, 기원전 585년경 활동)를 꼽을 수 있다. 탈레스를 비롯해 아낙시만드로스(Anaximander, 기원전 555년경 활동), 아낙시메네스(Anaximenes, 기원전 535년경 활동) 등 ‘밀레투스학파’는 모두 비슷한 시기에 같은 지역에서 활동하면서, 만물의 근본이 되는 물질을 찾기 위해 노력했다.

이들은 만물의 기원과 자연 현상을 신적인 요소로 설명하던 이전 세대의 방식을 거부하고, 보다 합리적이고 일반화된 설명 방식을 도입하고자 했다.

탈레스는 만물의 근본 물질이 ‘물’이라고 주장했다. 물은 모든 생명체 속에 들어 있고, 어떤 생물도 물 없이는 살 수 없으며, 모든 생물의 몸에 가장 많이 들어 있기 때문이었다. 그는 물이 굳으면 진흙이 되고, 물이 희박해지면 공기가 된다고 생각했다. 탈레스의 제자였던 아낙시만드로스는 만물의 근원은 물처럼 실체가 있는 물질이 아니라, 보다 추상적이면서 정해진 형태가 없는 ‘무한자’라고 생각했다.

이 무한자는 생기거나 없어지지 않으며, 그 자체가 가진 소용돌이 때문에 찬 것과 뜨거운 것을 만들어 낸다. 아낙시만드로스의 제자이자 친구였던 아낙시메네스는 무한자라는 개념이 지나치게 추상적이라고 생각했다.

그는 대신 ‘공기’가 만물의 근원인 물질이라고 생각했다. 공기가 농축되면 물과 흙이 되고, 공기가 희박해지면 불이 된다고 생각했다. 이들처럼 만물의 근본 물질이 1가지라고 보는 학설을 1원소설 혹은 일원론이라고 한다.

이오니아 지역의 도시 에페소스에서 활동했던 헤라클레이토스(Heraclitus, 기원전 500년경 활동)는 밀레투스학파와는 달리 만물의 근원이 ‘불’이라고 믿었다. “불의 죽음이 공기에게는 생겨남이고, 공기의 죽음이 물에게는 생겨남”이라고 생각했던 그에게 불이야말로 자연에서 일어나는 변화의 원인이자 상징이었다.

밀레투스학파나 헤라클레이토스와 비슷한 시기에 살았지만 이들과는 매우 다른 성격의 학파도 형성되었다. 이오니아의 사모스섬에서 태어나 이후 남부 이탈리아로 건너가 활동했던 피타고라스(Pythagoras, 기원전 580년경~500년경)가 그 주인공이다.

만물의 근원을 특정 물질에서 찾았던 다른 자연철학자들과는 달리 피타고라스학파는 만물의 근원이자 변화의 요인이 ‘수’라고 생각했다. 자연 현상을 연구할 때 수학을 중요하게 여긴 피타고라스학파의 사상은 17세기 이후에 유럽 과학에 큰 영향을 끼쳤다.

밀레투스학파, 헤라클레이토스, 피타고라스의 뒤를 이어 고대 그리스에는 이후 유럽의 과학에 오랫동안 영향을 끼칠 아주 중요한 두 가지 물질 이론이 등장했다. 원자론과 4원소설이다.

원소설을 주장한 사람들

탈레스 : 물
아낙시만드로스 : 무한자
아낙시메네스 : 공기
헤라클레이토스 : 불
피타고라스 : 수
데모크리토스 : 원자

원자론은 레우키포스(Leoucippus, 기원전 450년경 활동)와 그의 제자 데모크리토스(Democirtos, 기원전 420년경 활동)가 주장했다. 이들은 물질이 무한정으로 쪼개질 수 있을지 물었고, 물질을 계속 쪼개면 더 이상 쪼갤 수 없는 상태에 도달한다고 생각했다.

그렇게 더 이상 쪼개지지 않는 이 작은 입자를 ‘원자’라고 불렀으며, 세상의 모든 물질이 원자로 구성된다고 주장했다. 원자(atom)라는 말 자체가 ‘쪼갤 수 없다’는 그리스어 atomos에서 유래했다.

데모크리토스는 이 세상에서의 물질 변화는 모양과 크기가 다른 수많은 종류의 원자들이 재배열되어 나타나는 현상이라고 설명했다. 또한 그는 “있지 않은 것은 있는 것 못지않게 존재한다.”라고 주장했는데, 이것은 이 세상이 원자로만 이루어져서는 안 되고 원자들이 운동하기 위한 ‘빈 공간(진공)’도 있어야 한다는 것을 의미했다.

데모크리토스의 원자론은 오랫동안 주목받지 못했다. 고대 그리스 최고의 자연철학자 아리스토텔레스가 원자론을 수용하지 않았기 때문이다. 또 신이 세상의 모든 것을 창조했다고 믿었던 사람들이 신이 진공이라는 쓸데없는 빈 공간을 창조했다는 생각을 수용하기란 쉽지 않았기 때문이기도 했다. 원자론이 과학의 전면에 등장하기까지는 긴 시간이 필요했다.

세상을 이루고 있는 4가지 원소 ‘물, 불, 공기, 흙’
밀레투스학파나 헤라클레이토스, 피타고라스, 데모크리토스 모두 이 세계의 근원이 되는 물질이 1종류라고 생각했던 것과는 달리 엠페도클레스(Empedocles, 기원전 493년경~기원전 430년경)는 이전 세대의 논의를 조금 더 확장해 근본 물질을 4종류로 늘렸다. 그는 이미 존재하고 있으며 또한 언제나 존재해 왔던 흙, 물, 공기, 불을 ‘네 뿌리’라고 불렀다. 그리고 이들의 혼합과 분리로 물질 변화를 설명하고자 했다.

4가지 뿌리는 새로 생겨나지도 않고, 한 번 생겨난 이후에는 영원히 존재한다. 또 다른 것들이 뿌리로 분해될 수는 있지만 뿌리는 다른 것으로 더 이상 분해되지 않는다. 네 뿌리를 더는 나눌 수 없는 근본 물질인 원소로 본 것이다. 그래서 엠페도클레스의 이론을 ‘네 뿌리 이론’이라고도 하고, ‘4원소설’이라고도 한다.

흙, 물, 공기, 불을 원소로 보았다고 해서 엠페도클레스가 말한 뿌리가 화학적으로 순수한 물질이라고 생각해서는 곤란하다. 엠페도클레스가 말한 흙은 넓은 범위의 고체를 일컫는 용어이며, 물은 다양한 액체뿐만 아니라 금속을 지칭하는 데도 사용되었고, 공기는 모든 기체를 가리켰기 때문이다. 즉 흙, 물, 공기는 각각 순수한 물질을 의미하는 것이 아니라, 고체 상태, 액체 상태, 기체 상태의 물질을 대표했다.

엠페도클레스는 이 네 뿌리가 사랑과 투쟁이라는 힘에 의해 서로 섞이거나 분리되며 변화를 일으킨다고 주장했다. 오늘날의 방식으로 생각해 보면 물질들 사이의 화학적 친화력을 바탕으로 물질 변화를 설명했다고 할 수 있다.

자비르, 황과 수은이 금속을 만든다고 주장하다
싼 금속을 귀금속으로 바꾸기 위해 여러 물질들을 연구했던 연금술은 오랫동안 신비주의나 비술 등과 연결지어졌다. 과학의 목표가 자연에 대한 합리적인 지식 체계를 찾는 것이었다면, 연금술의 목표는 금을 만들거나 영혼을 구원받거나 불로장생을 얻는 것이었다. 그래서 연금술은 상당히 오랫동안 근대 과학의 일부로 인정받지 못했다.

그러나 최근 들어 과학사학자들은 연금술의 이론과 실행에 다양한 측면들이 있었음에도 불구하고, 그동안 신비주의적인 면모만으로 연금술 전체를 규정했던 것은 아닌지 새롭게 돌아보기 시작했다. 연금술사들이 썼던 증류·승화 등의 숙련된 실험 기술들은 근대 이후의 화학자들에게로 그대로 계승됐다.

실제로 오늘날 많은 과학사학자들은 자연에 대한 연구에서 연금술이 이론적·실재적으로 중요한 역할을 했다는 점을 어느 정도 인정한다.

연금술은 고대 이집트에서 처음 시작되었다. 이후 서서히 연금술은 당시 사람들이 알고 있었던 금, 은, 구리, 철, 주석, 납, 수은, 이렇게 총 7가지 금속 원소를 다루는 방법으로 바뀌었다.

알렉산드리아를 중심으로 행해졌던 고대 그리스의 연금술은 380년에 기독교가 국교화된 이후 급격히 쇠퇴했다. 300년경 로마의 황제 디오클레티아누스가 제국 전체에 걸쳐 연금술을 금지하고 연금술이 기록된 문서를 태워 버린 이후 약 100년이 지난 후 알렉산드리아의 도서관까지 불에 타 버리면서 연금술은 제도권 밖으로 밀려났다.

하지만 연금술의 맥은 여기에서 끊기지 않았다. 7세기 이후에 이슬람을 중심으로 연금술이 다시 활발하게 실행됐기 때문이다. 이슬람의 연금술사로 가장 유명한 인물은 자비르 이븐 하이얀(Jabir ibn Hayyan, 721년경~815년경)이다. 그는 오늘날 이슬람 연금술의 아버지라고 불리기도 한다. 유럽에는 게베르라는 이름으로 더 잘 알려져 있다.

자비르의 연금술 이론은 기본적으로 아리스토텔레스의 4원소설을 바탕으로 한 금속의 변환 가능성에 기반을 둔다. 하지만 자비르는 여기에서 멈추지 않고 자신만의 독특한 이론을 만들었다. 바로 황과 수은으로 금속을 만들 수 있다는 생각이었다. 황-수은 이론에서 황은 불타는 돌을 의미한다. 황을 가진 물질은 잘 연소되는 특징이 있다는 이야기이다.

금속이 내부에 가연성 원소를 함유한다는 개념은 이후에도 오랫동안 지속됐고, 이후에 연소 개념을 설명하기 위해 등장하는 플로지스톤 이론에도 영감을 제공했다.

중세의 마지막에 이르면 연금술사들은 아세트산과 질산, 황산 등을 발견했고 알코올 증류에도 성공했다. 또한 이런 물질들을 이용해 다양한 화학 반응을 일으키기도 했고, 원소를 분리해 내기도 했다. 이 시기의 연금술은 분명 신비적인 측면이 강했지만, 물질에 관한 이해를 증진시켰다는 점에서는 과학의 특성도 지니고 있었다.

유럽이 중세라는 오랜 터널을 막 지난 15세기 중반에는 고대 그리스의 원전들이 대거 서유럽으로 유입되면서 르네상스가 시작된다. 르네상스 시기의 대표적인 의학자로는 파라셀수스(Paracelsus, 1493~1541)가 있다.

파라셀수스는 화학을 기반으로 병을 치료하려는 학문인 의화학이라는 분야를 개척한 것으로 유명하다. 파라셀수스는 체액의 균형을 회복해야만 병이 치료될 수 있다는 이전 세대의 믿음을 버렸다. 그는 적절한 약을 통해 질병을 치료하는 것이 중요하다고 믿었고, 치료 약을 만드는 데 연금술을 이용하고자 했다.

파라셀수스는 아리스토텔레스의 4원소설과 자비르 이븐 하이얀의 황-수은설을 모두 받아들였다. 파라셀수스는 물질이 황, 염, 수은의 3원질, 그리고 3원질과 결합된 4원소로 이루어진다고 주장했다. 물질이 황과 수은의 결합이라고 보았던 이전의 물질관을 계승하면서, 여기에 제3의 원질로 염을 추가한 것이다.

원소 종류가 수십 가지나 된다고?
16~17세기를 거치면서 물질의 본질을 새로운 방식으로 설명하는 철학사조가 등장했다. 바로 기계적 철학이다. 16~17세기 과학 혁명 시기에 유행했던 기계적 철학을 받아들인 자연철학자들은 우주가 톱니바퀴와 같은 거대한 시계처럼 작동하고, 인체도 하나의 기계와 같이 작동한다고 생각했다.

이들은 작은 입자들의 운동과 충돌로 모든 자연 현상을 설명함으로써 자연에 대한 이해 가능성을 높이고자 했다. 로버트 보일(Robert Boyl, 1627~1691)과 같은 자연철학자들은 화학 현상을 설명하는 데 있어서도 기계적 철학을 택함으로써 그 이전까지 연금술을 벗어나지 못하고 있던 화학을 자연철학의 일부로 만들고자 했다.

많은 기계적 철학자들은 이 시기에 고대 그리스의 원자론을 다시 받아들였다. 가장 대표적인 기계적 철학자인 데카르트는 끝내 원자론을 받아들이지 않았지만, 갈릴레오, 피에르 가상디(Pierre Gassendi, 1592~1655), 보일 등은 원자론을 수용했다.

이들 중 최초의 근대 화학자이자 근대 실험과학의 창시자로 알려져 있는 보일은 원자론을 이용해 화학 현상에 대한 기계론적 설명을 하는 과정에서 입자철학(corpuscular philosophy)이라는 철학을 발달시켰다.

보일은 1661년에 출간된 자신의 저서 《회의적 화학자》 에서 모든 물질이 서너 가지 원소로 이루어져 있다는 생각을 비판했다. 대신 그는 모든 물질은 작은 입자로 구성되며, 원소들은 이런 입자의 결합으로 만들어진다고 주장했다.

보일에 따르면 원소의 성질은 그것을 구성하는 입자의 크기와 모양, 운동의 차이로 설명할 수 있으며, 화학 반응은 이런 입자들의 재배열 과정이다. 그리고 한 번 만들어진 화합물이 다시 원래의 입자들로 돌아가기는 매우 어렵다. 보일은 아리스토텔레스의 4원소설에 대항할 만한 대안을 제시하지는 못했다. 하지만 화학 반응을 입자들의 재배열 과정으로 설명함으로써 화학 반응에 대한 이해 가능성을 높였다.

보일 이후에도 많은 초기 화학자들이 근본 물질에 대한 생각들을 주장했지만, 근본 물질에 대한 생각을 근대적으로 바꾸어 놓은 사람은 프랑스의 화학자 앙투안 로랑 드 라부아지에(Antonie Laurent de Lavoisier, 1743~1794)였다.

라부아지에는 1789년에 출판한 《화학원론》 이라는 책에서 4원소설에 종지부를 찍었다. 그는 원소를 ‘더 이상 분해되지 않는 물질’이라고 정의함으로써 근대적인 원소 개념을 확립했다. 또 그는 당시까지 알려진 모든 원소를 표로 만들어 정리했다.

라부아지에의 원소표는 33개의 원소로 구성됐다. 제1그룹은 빛, 열, 산소, 질소, 수소와 같은 기체로 구성된다. 제2그룹은 산화돼 산을 만드는 원소로 황, 인, 탄소, 염소, 플루오린(플루오르), 붕소와 같은 비금속 물질이다. 제3그룹은 산화돼 염기를 만드는 원소로 금속에 해당한다. 안티모니(안티몬), 은, 비소, 비스무트, 코발트, 구리, 주석, 철, 망가니즈(망간), 수은, 몰리브데넘(몰리브덴), 니켈, 금, 백금, 납, 텅스텐, 아연이 3그룹에 속한다.

제4그룹은 염을 만드는 원소들로, 산소와 결합된 산화물이다.라부아지에는 생석회(산화 칼슘), 마그네시아(산화 마그네슘), 중정석(황산 바륨), 알루미나(산화 알루미늄), 실리카(이산화 규소)를 4그룹에 포함시켰는데, 이 물질들은 나중에 원소가 아니라 화합물임이 밝혀졌다.

라부아지에는 원소표의 1그룹에 빛과 칼로릭(열)도 포함시켰다. 이것은 당시에는 이상한 생각이 아니었다. 당시까지만 해도 에너지 개념이 전혀 정립되어 있지 않았으므로, 이것들을 원소라고 생각해도 이상하지 않았던 것이다.

또한 라부아지에는 산화 칼슘과 같은 일부 화합물도 원소라고 잘못 기재했는데, 당시에는 이 화합물들을 분리할 수 없었으므로 이 또한 이상한 일이 아니었다. 라부아지에는 원소의 개념을 명확히 했다는 점, 그리고 실험을 통해 원소의 수를 33개까지 확장시켰다는 점에서 원소 개념이 정립되는 데 큰 공헌을 했다고 평가할 수 있다.

근본 물질에 대한 생각은 존 돌턴(John Dalton, 1766~1844)이 ‘모든 원소는 더 이상 쪼갤 수 없는 원자들로 구성되어 있다’라는 생각을 이론화하면서 큰 전환기를 맞는다. 돌턴은 원소가 질량과 특성을 가진 입자인 원자로 이루어지며, 화합물은 이런 원자들의 결합으로 생성된다고 주장했다. 데모크리토스의 ‘쪼갤 수 없는 입자’에 대한 생각이 드디어 원자라는 이름으로 공식화된 것이다.

더 이상 분해되지 않는 물질을 원소라고 본 라부아지에의 생각과 돌턴의 원자론을 합쳐서 생각해 보면, 서로 다른 원소는 서로 다른 원자들로 구성된다고 할 수 있다. 이 이론에 따르면 납 조각을 계속 쪼개면 마지막에는 납 원자가 남는다.

마찬가지로 금 조각을 계속 쪼개면 마지막에는 금 원자가 남을 것이다. 납과 금이 진정한 원소라면 납 원자와 금 원자는 서로 달라야 한다. 이런 생각은 납 원소와 금 원소가 왜 서로 다른 성질을 갖는지를 잘 설명해 주었을 뿐만 아니라 연금술사들이 오랫동안 이루고자 했던 원소의 변환은 불가능하다는 결론을 이끌었다.

과학자들, 물질을 계속해서 쪼개다
오늘날 원소는 ‘더 이상 간단한 순물질로 분리할 수 없는 물질’을 의미한다. 원소들은 원자라는 입자들로 이루어진다. 라부아지에가 원소 개념을 정립하고 돌턴이 원자론을 내세우면서 근본 물질에 관한 긴 논쟁은 막을 내리는 듯했다. 하지만 그 원자조차도 다시 더 작은 미립자들로 쪼갤 수 있다는 것이 밝혀지는 데는 그리 오랜 시간이 걸리지 않았다.

물리학자들은 원자에서 먼저 전자를 찾아냈고, 다음에는 원자핵을 찾아냈으며, 원자핵이 양성자와 중성자로 이루어졌다는 것도 알아냈다. 과학자들은 핵 속의 양성자와 중성자를 결합시키고 있는 물질이 무엇인지 의문을 던졌다.

과학자들은 양성자는 모두 양전하를 띠고 있기 때문에 이들을 묶어 주기 위해서는 강력한 힘을 매개하는 입자가 필요할 것이라고 생각했고, 이 생각은 중간자(메손)에 대한 연구로 이어졌다. 다음에는 양성자와 중성자가 쿼크와 글루온으로 이루어졌다는 것을 알아냈다.

이런 방식으로 물리학자들은 자연계를 구성하는 가장 기본이 되는 입자 12개를 찾아냈다. 그것은 쿼크 6개와 렙톤 6개이다. 그리고 이들 사이의 상호 작용을 매개하는 4개의 매개 입자를 추가로 찾아냈다. 2013년에 이런 입자들에 질량을 부여한다는 힉스 입자까지 찾아냄으로써 과학자들은 물질을 구성하는 17개의 기본 입자를 모두 찾아냈다.