산당화 그늘 (벤투의스케치북 서재)

산과 염기라는 화학의 기본을 설명하는 책 - [루이스가 들려주는 산, 염기 이야기]

벤투의스케치북 — Sat, 04 Apr 2026 20:07:00 +0900

루이스가 들려주는 산, 염기 이야기
전화영 지음 / 자음과모음 / 2010년 09월

책의 제목은 [루이스가 들려주는 산, 염기 이야기]다. 루이스는 길버트 뉴턴 루이스(Gilbert Newton Lewis; 1875 – 1946)를 말한다. 산(酸)에 대해 처음으로 연구한 사람은 라부아지에다. 질량보존의 법칙을 발견하여 연금술을 근대 화학으로 바꾸어 놓은 근대 화학의 아버지다. 그는 신맛이 나는 산들의 근본을 산소로 보았다. 그는 모든 산에는 반드시 산소 성분이 포함되어 있다고 보았다. 그런데 사실 산에서 산성을 드러내는 것은 산소가 아니라 수소다.
루이스는 수소 중심 이론을 벗어나 더 넓은 범위에서 산과 염기를 정의했다. 본문에는 아레니우스라는 이름이 등장한다. 설탕물은 전기가 통하지 않고 소금물은 전기가 통한다는 사실을 설명한 인물이다. 아레니우스는 원자도 더 이상 쪼갤 수 없는 최후의 알갱이가 아니라는 주장을 했다. 1897년 톰슨에 의해 전자가 발견되었다. 원자 내부에 전하를 띠는 알갱이가 있다는 사실로 인해 이온이 만들어질 수 있는 중요한 기초가 되었다.
이온이란 말은 간다는 의미의 그리스어 ionai에서 유래한 이름이다. 전기분해로 유명한 패러데이가 전기분해를 할 때 +극과 –극으로 이동하는 입자가 있음을 알고 양이온, 음이온이라는 이름을 지었다. 이온은 자신의 전하에 따라 두 극 중 한 곳으로 이동한다. 원자나 분자, 원자단이 전자를 잃거나 얻어서 전하를 띠는 상태를 이온이라 한다. 양이온은 전자를 잃어버린 상태의 알갱이이다. 음이온은 전자를 얻은 상태의 알갱이이다. 물에 녹아 이온이 생기면 전기가 통하고 그렇지 않으면 전기가 통하지 않는다.
물에 녹았을 때 이온이 생겨서 전기를 통하는 소금과 같은 물질은 전해질, 그렇지 않은 설탕과 같은 물질은 비전해질이라 한다. 산과 염기는 물에 녹으면 이온이 나온다. 아레니우스는 산은 물에 녹아 수소이온을 내놓는 물질, 염기는 수산화이온을 내놓는 물질로 정의했다. 산의 세기는 이온화 정도에 따라 나뉜다. 이온화가 잘 되어서 이온이 많이 생기는 것은 강한산, 강한 염기이고 그렇지 않으면 약한산, 약한 염기라고 한다. 영어로 산은 acid, 염기는 base라 한다.
석회암, 대리암 등은 주성분이 탄산칼슘이기 때문에 산성 물질에 닿으면 녹는다. 탄산은 물에 이산화탄소 기체가 녹을 때 만들어진다. 염기의 대표 주자가 수산화나트륨이다. 일명 양잿물이다. 알칼리 금속 3총사인 리튬, 나트륨, 칼륨의 이온들이 수산화이온과 결합해서 만들어진 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨은 이산화탄소를 매우 효과적으로 흡수한다. 알칼리와 염기는 비슷하지만 완전히 같은 말이 아니다.
알칼리는 물에 잘 녹는 염기를 가리킨다. 수산화나트륨, 수산화칼륨은 알칼리이고 수산화칼슘은 물에 잘 안 녹기 때문에 알칼리가 아니고 염기다. 알칼리(alkali)의 알은 물질, 칼리는 재를 의미한다. 재로부터 추출된 물질과 비슷한 성질을 나타내는 물질을 모두 알칼리라 한다. 수소이온을 포함하는 산과 수산화이온을 포함하는 염기가 만나면 어떻게 될까? 물이 만들어진다. 이런 반응을 중화반응이라 한다. 브뢴스테드와 로우리의 이론에 의하면 산은 다른 물질에게 양성자를 주는 물질이고 염기는 양성자를 받아들이는 물질이다.
루이스는 이 이론이 양성자가 없는 물질의 반응에 대해사는 적용할 수 없다고 생각하고 전자쌍을 주고 받는 사례에 대해 연구했다. 루이스가 만든 이론에 의하면 산은 전자쌍을 받고 염기는 전자쌍을 준다. 암모니아와 메탄 분자에 있는 전자쌍은 각각 4개다. 루이스가 연구한 바에 따르면 원자 주위의 전자는 8개일 때 가장 안정되다. 이를 옥텟 규칙(octet rule)이라 한다. 대부분의 원자들은 이 규칙에 따라 중심 원자 주변의 전자가 여덟 개가 되도록 결합한다. 따라서 질소 원자 주변에 여덟 개의 전자가 있으려면 세 개의 수소 원자만 결합해야 한다.

허블을 지나 제임스 웹으로...낸시 그레이스 로먼, 거주 가능 행성 관측선까지... - [우주를 깨우다 - 제임스 웹 우주망원경은 어떻게 창조의 순간을 보았나]

벤투의스케치북 — Fri, 03 Apr 2026 18:04:00 +0900

우주를 깨우다 - 제임스 웹 우주망원경은 어떻게 창조의 순간을 보았나
리처드 파넥 지음, 강성주 옮김 / 워터베어프레스 / 2026년 01월

리처드 파넥의 [우주를 깨우다]는 허블 우주망원경의 뒤를 잇는 최신 우주망원경인 제임스 웹 우주망원경에 대한 책이다. 제임스 웹 우주망원경은 2026년 초 서울대 물리천문학부 이정은 교수팀이 혜성 속 규산염 결정을 규명한 도구로 알려진 망원경으로 유명하다. 이 책의 원제는 [창조의 기둥(Pillars of Creation)]이고 부제는 ‘제임스 웹 우주 망원경은 어떻게 우주의 비밀을 풀었는가’다. 창조의 기둥이란 1995년 허블 우주 망원경이 촬영한 사진을 2022년 제임스 웹 우주망원경이 새롭게 찍은 버전을 의미한다.(21 페이지)
처음 이 망원경은 차세대 망원경이라 불리다가 제임스 웹 우주 망원경이라 불리게 되었다.(73 페이지) 제임스 웹은 과학자가 아니라 우주 경쟁의 전성기인 1961년부터 1968년까지 NASA 국장을 지낸 행정관이다.(74 페이지) 망원경의 역사에서 빼놓을 수 없는 인물이 갈릴레오 갈릴레이다. 그는 망원경을 만든 사람은 아니지만 망원경으로 하늘을 관측한 첫 인물이다. 갈릴레오가 하늘을 관측한 이후 천문학에서 본다는 것은 눈으로 볼 수 있는 것뿐 아니라 망원경을 통해 볼 수 있는 것까지 포함되었다.
허블의 후속 망원경은 1) 우주가 태어난 직후 등장한 초기 은하들, 2) 우리 은하 안의 외계 행성들을 겨냥해야 했다. 이 두 가지를 이루려면 적외선 영역으로 나아가야 한다. 팽창하는 우주에서는 은하간의 거리나 물체가 아니라 공간 자체가 팽창한다. 이 때문에 은하에서 출발한 빛이 우주를 가로질러 오면서 파장이 점점 더 길어진다. 가시광선을 넘어 적외선 영역까지 파장이 늘어난다는 의미다. 이를 적색이동이라 한다.
우리 은하 안에서 별이 태어나는 지역 즉 별 탄생 지역은 두꺼운 먼지층으로 둘러싸여 있어 가시광선으로는 그 먼지를 뚫고 안쪽을 들여다볼 수 없다. 우주에서 적외선 망원경을 쓰려면 여러 기술적 난제가 따른다. 적외선은 열에 민감하기 때문에 검출기를 극도로 차갑게 유지해야 한다. 절대 영도에 가까울수록 좋다. 이를 위해서는 지구의 열기가 닿지 않는 곳에 있으면서 동시에 태양 직사광선도 완전히 차단해야 한다. 기내 냉각 시스템은 아예 불가능하다.
연료를 너무 많이 써서 임무 수명이 짧아지기 때문이다. 그러니 망원경은 스스로 냉각될 수 있어야 한다. 기계 전문가들이 자연 냉각(passive cooling)이라고 부르는 방식으로 우주 공간 자체를 냉각제로 써야 한다.(67 페이지) 차세대 우주망원경의 문제는 다르다. 태양 차폐막 한쪽에서는 영상 수백 도에서 작동하고 다른 쪽에서는 영하 수백 도에서 작동해야 하는 망원경을 어떻게 테스트할까? 항공기 격납고 만한 시험 시설에서 몇 미터 안에 수백 도씩 온도 차이가 나는 환경을 어떻게 만들까?
분석은 실제 성능 테스트와 완전히 달랐다. 분석도 물리적 테스트가 필요하긴 하지만 핵심은 수학이다. 망원경의 각 부분이 각자의 극한 조건에서 어떻게 작동할지 수학적 모델을 세우고 각 부분을 따로따로 해당 조건에서 테스트 한다. 프로젝트 한쪽 절반의 수학적 모델이 한 시험실 결과가 맞아떨어지고 다른 절반의 수학적 모델이 또 다른 시험실 결과와 맞아 떨어지면 두 절반을 합친 전체 모델이 최종 시험 무대인 우주에서도 제대로 작동하길 바라는 수밖에 없다.
예산초과, 관료주의의 무능함, 의회 감시, 검토 위원회 심사, 우주망원경을 밑바닥부터 다시 테스트하는 과정까지 제임스 웹 우주망원경은 이 모든 시련을 버텨냈다.(85 페이지) 하지만 2010년대 내내 예산과 발사 일정을 계속 망쳐놓은 또 다른 요인이 있었다. 한 전문가가 말도 안 되는 실수들이라고 한 문제들이었다. 그런 실수 중 하나가 잘못된 배선 연결로 시제품의 전자 부품들을 태워먹은 사건이었다. 말도 안 되는 실수라는 말은 모르는 것도 모르는 것들이라는 말에서 나온 말이다. 이는 미국 국방장관 도널드 럼스펠드가 한 말(There are unknown unknowns.)이다.
적도에 가까울수록 지구 자전에 의해 로켓의 추진력이 더해지는 효과가 크다. 프랑스령 기아나 크루의 유럽 우주기지 발사대는 적도에서 480km 떨어진 곳이다.(88 페이지) 제임스 웹 우주망원경은 반사 망원경이다. 반사 망원경은 천체에서 들어온 빛이 망원경의 주경(主鏡)에 닿은 다음 더 작은 부경(副鏡)으로 반사된다. 그러면 부경이 그 빛을 모아 다시 반사시켜 관측장비로 보낸다. 부경을 펼쳤다고 해서 모든 것이 다 준비된 것은 아니다. 주경까지 펼쳐져야 비로소 진짜 망원경이 완성되는 것이다.
반사망원경의 원리는 간단하다. 같은 지름이라면 거울이 렌즈보다 빛을 더 많이 모은다. 그리고 거울이 클수록 모이는 빛이 많아진다. 빛이 많이 모일수록 당연히 우주 저 멀리 깊은 곳까지 볼 수 있다. 거울이 커질수록 연마 과정이 훨씬 어려워지고 비용도 치솟는다. 거울을 떠받치는 구조물도 점점 더 무거워지고 비싸진다. 주경의 직경이 6~8m 정도가 되자 기술적으로 막다른 길에 다다랐다. 설령 기술적으로 만들 수 있어도 비용이 천문학적으로 증가했다.
그래서 나온 해결책이 분할 거울이다. 작은 육각형 거울들을 별집 모양으로 배치해서 모자이크처럼 만드는 방식이다. 제임스 웹 우주망원경의 주경을 모두 합치면 지름이 6.5m나 된다. 허블 우주망원경 거울의 지름인 2.4m의 거의 세 배에 가까운 크기다. 이는 로켓의 페어링 즉 탑재물을 담는 앞쪽 덮개에 들어가기엔 너무 컸다. 그래서 엔지니어들이 기발한 해결책을 생각해 냈다. 벌집 구조를 여러 부분으로 나누어서 지구에서는 접어 넣고 우주에서는 종이접기처럼 펼치는 방식이었다.
마지막 궤도 수정을 마친 후 제임스 웹 우주망원경은 최종 목적지에 도착했다. 천문학자들이라 라그랑주점이라고 부르는 우주 공간이었다. 라그랑주점은 태양과 지구처럼 두 천체 사이에서 중력과 관성력이 균형을 이루는 지점으로 이곳에 우주선이나 물체를 배치하면 연료를 거의 쓰지 않고도 안정적인 위치를 유지하며 지구와 함께 태양을 공전할 수 있다. 즉 라그랑주점은 인공위성이나 우주망원경이 적은 에너지로 안정적인 위치를 유지할 수 있는 특별한 공간이다.적외선 망원경에는 특별한 장점이 하나 더 있다. 항상 지구 그림자 속에 있어서 언제나 일식 상태라는 점이다. 게다가 태양 반대편 지구 뒤에 자리 잡고 있기 때문에 빛과 열 모두에 노출되지 않는다. 열은 적외선 관측에 치명적이다. 저자는 허블이 천문학을 ‘물러서는 지평선의 역사’라고 말한 순간 이미 제임스 웹 우주망원경이 들여다보게 될 우주의 여러 영역들을 미리 내다보고 있었는지도 모른다고 말한다.(111 페이지)
우주는 텅 빈 공간이라고 하지만 사실은 전혀 비어 있지 않다. 지구에서 150만 광년 떨어진 은하 NGC 6822를 찍은 사진을 보면 우주 곳곳이 먼지와 온갖 찌꺼기들로 빽빽하다는 사실을 알 수 있다. 이런 물질들이 언젠가는 별이 되고 행성이 되고 심지어 생명체까지 될 수 있는 재료들이다. 허블 우주망원경은 그냥 뭐가 보이나 싶어서 보던 단계에서 가설을 세우고 분석하고 의미를 찾는 단계로 넘어갔다.
명왕성 이야기가 흥미롭다. 행성에서 왜소행성으로 조정된 천체다. 수성, 금성, 지구, 화성은 바위 행성이고 목성, 토성은 가스 행성이고 천왕성, 해왕성은 얼음 행성이다. 그런데 그 너머 명왕성은 작은 돌이다. 이상한 일이었다. 처음에는 왜소행성, 다음에는 카이퍼 벨트 천체, 지금은 해왕성 바깥 천체로 분류된다.
애초 제임스 웹 우주망원경의 핵심 기능은 분광분석이다. 전자기파를 잘게 쪼개서 분석하는 분광학 덕분에 이제는 연구실에 앉아서도 수천, 수백만 아니 수십억 광년 떨어진 천체가 무엇으로 만들어졌는지 알 수 있게 되었다.(138 페이지) 혜성에 꼬리가 생기는 이유는 태양에 가까워질수록 표면 얼음이 기체로 바뀌기 때문이다. 이를 승화라 한다. 소행성은 행성이 되다 만 잔해들이다. 양옆의 중력 때문에 하나로 뭉치지 못한 것들이다.
안쪽엔 화성, 바깥쪽엔 중력이 훨씬 강력한 목성이 버티고 있었다. 천문학에서는 얼음은 우리가 아는 물의 얼음과는 개념이 다르다. 물론 물이 언 것도 얼음이지만 천문학자들은 더 넓은 의미로 사용한다. 수소, 산소, 탄소, 질소, 황 같은 원소들이 고체 상태가 되면 모두 얼음이라고 부른다. 이들이 결합해서 만든 화합물이 굳은 것도 마찬가지다. 우주에서는 이 모든 것 즉 얼어서 고체 형태로 된 모든 것이 얼음이다.
생명체가 생겨나려면 물이 필요하다는 생각 자체가 가정일 뿐이다. 타당한 가정이긴 하지만 어쨌든 추측은 추측이다. 정확히 말하면 우리가 아는 생명에는 물이 필요하다. 문제는 우리가 아는 생명체가 생명체의 전부라는 점이다. 제임스 웹 우주망원경으로 천문학자들이 별 하나만 있을 때 분광 관측을 한다. 그리고 외계행성이 별 앞을 지나갈 때 다시 분광 관측을 한다. 두 관측 결과를 비교한다. 행성이 없을 때, 별의 화학 성분과 별과 행성이 겹쳤을 때의 화학 성분의 차이를 분석하면 통과하는 행성의 대기가 무엇으로 이루어져 있는지 알 수 있다.(174 페이지)
우리는 0.4~0.7 마이크론의 파장만 감지하지만 제임스 웹 우주망원경은 27.9 마이크론까지 본다. 사람 눈의 90배가 넘는 범위다. 제임스 웹 우주망원경은 적외선으로 본다. 천문학계에는 색상 표준이 없다. 어떤 사람은 온도가 높을수록 빨간색을 진하게 칠한다. 어떤 사람은 똑같은 온도를 파란색으로 진하게 칠한다.(180, 181 페이지) 우주에는 먼지가 너무 많다. 제임스 웹으로 태양계와 우리은하를 연구하는 천문학자들이 물의 흔적을 좇았듯 은하 진화를 연구하는 전문가들은 먼지를 좇았다. 물이 별과 행성 탄생의 비밀을, 그리고 생명의 가능성을 알려준다면 먼지는 은하 진화의 열쇠를 알려준다.
먼지가 충분히 모이면 어떻게 될까? 중력의 작용에 덩어리가 만들어진다. 시간이 흐르면 이 덩어리들끼리 또 중력으로 끌어당긴다. 점점 커지고 점점 빽빽해진다. 마침내 단단한 천체로 압축된다. 아주 작은 미소(微小) 운석부터 거대한 은하까지 모든 규모에서 이런 일이 일어난다. 천체를 다 만들고 남은 먼지는 어떻게 될까? 우주 공간을 떠돈다. 은하 안에서 별들 사이를 떠돌기도 하고 은하와 은하 사이의 텅 빈 공간을 떠돌기도 한다.(197, 198 페이지)
이렇게 엄청나게 많은 먼지는 초신성에서부터 비롯되었다. 별의 핵이 자체 중력을 이기지 못하고 안으로 무너져 내리면서 극도의 핵반응을 일으킴에 따라 그 충격이 바깥으로 폭발하는 현상을 말한다. 문제는 증거를 잡을 수 없다는 것이었다. 제임스 웹이 등장하기 전까지는 그 어떤 망원경도 초신성의 먼지를 제대로 볼 수 없었다. 관측에 필요한 적외선 파장을 포착할 수 없었기 때문이다. 성간 물질에서 분자 구름으로, 구름의 충돌에서 별의 탄생으로, 별의 죽음에서 다시 성간 물질로, 그리고 별 중 일부는 죽음의 최후를 초신성으로 맞이하며 우주에 새로운 씨앗을 뿌린다.(204 페이지)
분리법칙에 따르면 초신성 폭발의 결과 반드시 중성자 별이 남는다. 물과 먼지를 찾는 것은 결국 우리의 기원을 찾는 일이기도 하다. 최종 목적지에 도달하기 위해서는 제임스 웹 우주망원경에 넘어야 할 지평선이 하나 있었다. 별과 초신성과 은하가 처음으로 빛을 발하는 시대, 언젠가 우리를 만든 원소들이 막 태어나던 그 새벽의 순간이 그것이다. 허블과 르메트르가 발견한 팽창하는 우주 덕분에 이젠 뉴턴의 신도, 아인슈타인의 람다도 필요 없게 되었다.
존재하지 않는다는 건 아니지만 적어도 우주가 붕괴하지 않는 이유를 설명하는 데는 필요 없어진 것이다. 하지만 당연한 질문이 바로 떠올랐다. 대체 무엇으로부터 팽창한다는 말인가? 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물체는 우주의 4차원 시공간을 휘어지게 만든다. 질량이 클수록 더 많이 휜다. 앞쪽에 있는 은하가 충분히 무거우면 우리가 보는 시선에서 은하 뒤에 있는 천체의 빛을 휘어지게 만든다. 빛이 휘어져서 우리 눈에 보이게 되는 것이다. 게다가 빛을 확대시키기도 하고 하나의 광원을 여러 개의 이미지로 만들기도 한다.(223 페이지)
우주에는 수소, 수소, 온통 수소 뿐이다. 정확하게는 단일 양성자를 말한다. 무엇인가를 원소라 부르기 위한 최소 조건을 말한다. 빅뱅 직후에는 전자도 존재했었다. 광자가 전자와 계속 부딪히지만 않았다면 양성자와 결합했을 것이다. 그래서 수소 원자는 이온화 상태로 남아 있었다. 양성자와 전자의 수가 불균형해서 전하를 띤 상태가 바로 이온화 상태다. 하지만 우주 나이가 37만 9천만 년쯤 되자 상황이 바뀌었다. 공간이 팽창하면서 더는 전자를 방해할 수 없을 정도로 광자의 에너지가 약해진 것이다.
그 순간 전자들이 양성자에 달라붙기 시작했다. 불균형이 해소되고 중성이 됐다. 광자들은 시공간을 마음껏 날아 다녔다. 지금도 날아 다니고 있다. 그때의 흔적을 간직한 채로. 1960년대에 벨 연구소의 천문학자들이 검출한 우주 마이크로파 배경복사가 바로 이때 만들어진 광자의 흔적이다.(227 페이지) 그 후 우주는 우주론자들이 암흑의 시대라고 부르는 시기로 접어들었다.
사실 광자는 넘쳐났지만 비출 것이 없었다. 그래서 계속 어두울 수밖에 없었다. 빅뱅 후 1억 년에서 2억 년 정도가 지나서야 중성 수소가 뭉쳐 최초의 별과 은하를 만들기 시작했다. 이 과정에서 새로 태어난 별들의 강렬한 빛이 주변 수소를 다시 이온화시켰다. 중성이었던 수소가 다시 전하를 띠게 된 것이다. 그렇게 제임스 웹 우주망원경의 네 번째이자 마지막 목표의 공식 명칭이 다음과 같이 정해졌다. "암흑 시대의 종말 그리고 최초의 빛과 재이온화."
빅뱅 후 겨우 4억 4000만 년 뒤 은하에서 질소가 발견되었다. 이것은 누구도 예상하지 못한 일이었다.(229 페이지) 우리가 볼 수 있는 물질, 보이지 않는 암흑 물질, 그리고 새로 발견된 암흑 에너지까지 모두 더하자 마침내 우주의 총질량 에너지 밀도가 붕괴를 막는 데 필요한 임계 밀도와 정확히 같아졌다.(235 페이지) 이렇게 아인슈타인의 람다는 화려하게 부활했고 그 귀환과 함께 우주론의 표준 모형은 마침내 완성되었다. 하지만 동시에 이 표준 모형은 의문투성이였다. 암흑 물질이란 무엇인가? 암흑에너지는 또 무엇인가?
우주 마이크로파 배경이란 우주 나이가 고작 37.9만 살이었을 때 온 하늘에 남겨진 태초의 빛 즉 고대 유물과 같은 복사선이다. 저자는 제임스 웹 우주망원경이라는 전례 없는 망원경과 함께 탐험하는 시대야말로 일생 일대의 행운이라 말한다. 2027년 5월 낸시 그레이스 로만(Nancy Grace Roman) 우주 망원경이 발사를 앞두고 있고, 2040년대 초 거주 가능 행성 관측선(habitable worlds observatory)이 발사를 앞두고 있다. 내년에 어떤 선물이 주어질지, 2040년대 초에는 어떤 놀라운 결과물이 우리에게 알려질지? 꾸준히 공부하며 건강에도 주의해야 하리라.

연천 중심으로 알아보는 2020년 세계지질공원으로 인증된 한탄강 지질공원 - [한탄강 세계지질공원으로 떠나는 여행 - 유네스코가 인증한 한탄강 지질명소 톺아보기]

벤투의스케치북 — Wed, 01 Apr 2026 00:25:00 +0900

한탄강 세계지질공원으로 떠나는 여행 - 유네스코가 인증한 한탄강 지질명소 톺아보기
권홍진 외 지음 / 동아시아 / 2021년 06월

2020년 7월 우리나라에서 처음으로 강을 중심으로 형성된 화산 지형인 한탄강 일대가 유네스코 세계지질공원으로 공식 인증받았다. 약 50만 년 전 화산 활동으로 형성된 주상절리와 현무암 절벽 등 독특한 지질학적 가치를 국제적으로 인정받은 결과다. 영역은 철원, 포천, 연천 등 세 지자체에 걸쳐 있는 한탄강 일대다. 강 주변에서 형성된 화산 지형은 전 세계적으로 드문 편이다. 일반적으로 독특한 형태로 분류되는 ‘용암과 강물이 만나 급격히 식어 만들어진 지형’은 독특한 경관을 제공하지만 자연적인 침식 작용과 인위적인 요인으로 인해 훼손되기 쉬워 보존이 어렵다고 알려져 있다.
한탄강은 용암으로 물줄기가 바뀐 강이다. 물줄기가 바뀌는 것을 유로변경이라 한다. 오늘날의 지구 표면은 해양 지각이 전체의 약 3분의 2를 차지한다. 해양 지각은 중생대 이후 분출한 용암이 식어 만들어진 현무암으로 구성 되어 있다. 대륙 위에도 중생대 이후에 분출한 현무암질 용암이 여러 곳에 넓게 분포하고 있다. 따라서 지구 표면에서 가장 넓은 면적을 차지하는 암석은 중생대 이후에 생겨난 현무암이다. 한탄강 유역에는 신생대 제 4기에 북한 강원도의 평강 부근 화산을 통해 맨틀에서 나온 마그마가 식은 현무암이 넓게 분포한다. 한탄강 유역의 현무암은 지구 내부의 깊은 곳인 맨틀의 물질이다. 일본 열도 아래로 태평양판이 밀려 들어감에 따라 일본 열도 아래에서 마그마가 생성되어 일본에서 많은 화산활동과 지진이 일어나고 있다.
백두산을 만든 용암이나 한탄강 대지(臺地)를 만든 용암은 맨틀 깊은 곳에 남아 있는 태평양판 조각이 부분적으로 녹아 위로 올라와 지구 내부 약 100km 깊이에 큰 마그마 방을 만든 후 지표로 분출하는 것으로 설명할 수 있다. 일본 열도에서 화산활동이 많은 것은 태평양판이 열도 아래로 섭입할 때 이 해양판에서 공급된 물이 섭입대 위에서 마그마를 만드는 데 작용했기 때문이다. 물은 암석의 녹는점을 낮춘다.
한탄강 용암을 분출한 활동은 현무암질 용암이 지각 틈 사이로 나오는 열하분출로 시작하여 후반부에는 중심분출 양식으로 바뀐 특징을 보인다.(36 페이지) 지하 깊은 곳에서 상승한 마그마가 지각의 약한 틈(열극)을 따라 올라오면 긴 선을 따라 분출하는 '열하분출'이 발생하다가 시간이 지남에 따라 지속적으로 마그마가 공급되면 틈 전체에서 고르게 나오기보다는 마그마 공급이 더 원활하고 구조적으로 약한 특정 지점으로 마그마 흐름이 집중되고 이에 따라 마그마 흐름은 주변 지반을 녹이거나 틈을 넓혀 파이프 형태의 '관상 통로'를 형성하여 중심분출로 바뀐다.
680 고지를 만든 용암은 분출형 화산 활동을 보이다가 중심분출로 바뀌어 순상화산을 만들었지만 점성이 높지 않아 높은 화산체를 만들지는 못했다. 한탄강 용암은 현무암질이며 온도가 1000℃ 이상으로 점성이 매우 낮아 유동성이 컸다. 한탄강 용암은 현무암에서 볼 수 있는 감람석, 휘석, 사장석 등의 반정(斑晶)이 거의 없는 것이 특징이다. 이는 용암이 빠르게 식었기 때문에 생긴 현상이다.(용암의 두께가 매우 두꺼우면 표면은 빨리 식지만 내부 용암은 단열 효과로 인해 천천히 식는다.) 반정 광물은 점성을 높게 해 용암의 흐름을 방해한다. 한탄강 유역은 평균 0.15° 정도의 기울기로 경사져 용암이 잘 흘렀다.
두꺼운 용암층이 지표에 흐를 때 열이 전도되면서 식는 까닭에 공기와 접하는 표면과 내부는 각각 식는 속도가 다르다. 그래서 용암층에서 등온선이 그리는 폭은 표면에서 내부로 가면서 매우 달라진다. 용암이 식을 때 부피가 줄어드는 정도는 온도에 따라 다르다. 하나의 용암층 내에서는 각 수축점을 중심으로 부피가 줄어들며 대체로 수직 방향으로 틈이 생긴다. 용암층 전체가 완전히 식은 후에 용암층은 기둥 모양으로 분리되는데 이를 주상절리라 한다.(49 페이지) 기반암 위를 덮은 용암층의 두께는 기반암의 지형에 따라 달랐다. 기반암의 높이가 낮은 곳을 덮은 용암층은 두께가 상대적으로 두꺼웠을 것이다. 즉 한탄강 유역에서 수십 미터의 두꺼운 현무암 절벽을 보이는 곳은 기반암의 원래 지형이 상대적으로 낮은 곳이었다.(59 페이지)
기반암의 지형에 따라 다양한 두께로 덮고 있는 현무암층 위에는 새로운 하천이 흐르기 시작했다. 현무암층의 절리를 따라 침식작용이 활발하게 일어나면서 한탄강은 더 넓어지고 깊어졌다. 새로 태어난 한탄강의 물줄기는 흐르는 지면의 지질에 따라 크게 두 곳으로 나뉜다. 하나는 용암대지 위를 흐르는 곳이다. 다른 하나는 현무암층과 기반암이 만나는 지질 경계를 따라 흐르는 곳이다.(60 페이지) 이때 넓은 용암대지 위를 흐르는 물줄기가 있는 곳에서는 현무암층이 절리를 따라 큰 덩어리로 떨어져 나가면서 수직 절벽의 계곡이 형성된다. 현무암층과 기반암이 접하는 곳에서는 지하수가 현무암층의 절리를 따라 더 잘 스며들어 현무암층이 먼저 떨어져 나가면서 다른 형태의 계곡을 만들게 된다.
기반암의 원래 지형으로 인하여 현무암층이 두껍게 형성되었던 곳과 그렇지 않고 얇게 형성되어 있던 곳에는 서로 다른 계곡 지형이 만들어진다. 한탄강의 계곡 지형을 바라볼 때 현무암층이 두꺼웠던 지역에서는 양쪽 벽이 수직인 현무암 절벽이 형성된다. 기반암의 지형이 높아 용암이 얇게 덮인 곳에서는 기반암이 하상에 노출되어 한쪽 벽만 수직인 현무암 절벽을 이루거나 계곡 전체가 기반암으로 이루어진 지형을 만든다.
주상절리가 발달한 한탄강 계곡에서는 하식동굴을 쉽게 찾을 수 있다. 이들 대부분은 수직으로 된 현무암 절벽이 강물과 접하는 곳에 발달해 있다. 이러한 하식 동굴은 강물의 침식작용으로 형성된 것이며 특히 물줄기의 흐름 방향이 심하게 바뀌는 곳에서 잘 만들어진다. 폭포에서 만들어지는 포트홀을 폭호(瀑湖)라 한다.
임진강 유역은 중국 대륙의 남중 지괴와 한중 지괴가 충돌한 다비 - 칠링 - 수루 충돌대가 지나는 곳으로 한반도 북부와 남부 사이의 두 판이 충돌한 증거가 되는 지층이 분포하는 소위 임진강 충돌대가 있는 곳이다. 임진강 유역 연천층군의 하부층인 미산층은 이곳이 대륙 충돌대였음을 지시하는 특징을 보이는 지층이다. 연천층군은 고생대 중기 ~ 후기 데본기 지층으로 각섬암이 관입하기도 했다. 미산층(대리암 협재), 대광리층 등 임진강 및 한탄강 유역에 넓게 분포한다. 그 중 미산층은 고생대 데본기에 임진강 충돌대 사이의 분지에 형성되었던 퇴적암이, 한반도 북부와 남부의 두 판이 충돌하면서 생긴 변성 작용에 의하여 만들어진 변성암이다.
따라서 미산층은 퇴적 기원의 변성암이다. 미산층은 연천군 신서면 와초리, 미산면 동이리, 군남면 황지리, 연천읍 통현리, 연천읍 고문리, 청산면 장탄리, 청산면 궁평리, 청산면 백의리, 포천시 창수면 신흥리, 운산리, 관인면 중리 등에 넓게 분포하고 퇴적 시기도 적어도 약 3억 9천만 년 전 이후인 것으로 밝혀지고 있다. 미산층은 암상에 따라 크게 석회암질 규산염암, 석회질 사암 및 변성이질암으로 분류된다. 이들의 지층대 내에는 각섬암, 대리암, 규암, 천매암, 흑운모 편암 등이 협재하며 각 층의 두께와 반복되는 빈도는 일정하지 않다. 미산층에 변성암인 각섬암과 변성광물인 석류석이 분포하는 것은 한탄강 유역이 두 판이 충돌할 때 생긴 큰 압력을 받았던 지역임을 암시하는 매우 중요한 지질학적 증거가 된다.
지구 내부는 깊은 곳으로 들어갈수록 온도와 압력이 증가하며 지하 10km 정도에서는 온도가 약 300°C 이며 3000에서 4000기압이 된다. 그런데 미산층이 분포하는 각섬암과 석류석은 훨씬 더 높은 온도와 압력이 작용하는 환경에서 만들어질 수 있다. 즉 각섬암과 석류석의 존재는 미산층이 매우 높은 온도와 압력이 작용하는 환경에서 만들어진 지층임을 알려준다. 연천층군을 이루는 미산층은 남과 북이 충돌한 증거가 되는 지층임이 밝혀졌다.(73 페이지)
한탄강과 임진강은 도감포에서 만나 서남쪽으로 흘러 한강과 합류하여 서해로 흘러간다.(125 페이지) 아우라지 베개용암은 천연기념물 542호다. 아우라지는 한탄강과 영평천이 만나는 곳이다. 이곳에는 15미터 정도 두께의 현무암 절벽이 있다. 하부에 고생대 미산층이 있고 그 위를 두꺼운 현무암층이 부정합으로 덮고 있다. 베개용암은 아우라지에서 한탄강 상류 방향으로 약 100미터 정도 연장되며 영평천에도 노두가 있다. 두꺼운 현무암층과 기반암인 미산층이 접하는 부위에는 얇은 클링커층과 약 2~3미터 정도의 베개용암이 있다.
베개용암이 끝나면서 절벽의 중앙 부위에는 가는 수직기둥형 주상절리가 보이는 엔터블러쳐이고 상부는 콜로네이드 층이다. 가장 위에는 기공이 많은 현무암층이 있다. 아우라지 베개용암은 지름이 약 30~100미터이며 방사상의 균열을 보인다. 표면은 용암이 급랭할 때 만들어지는 두께 수 센티미터의 유리질 껍질로 둘러싸여 있다.(127 페이지) 이런 검은 유리질을 사이드로멜레인(Sideromelane)이라 한다. 이곳 현무암 절벽에서 베개용암이 분포하는 위치는 이 용암이 한탄강을 메우며 흐르던 당시의 한탄강 수위를 짐작하게 한다. 베개용암의 표면이 붉은 색인 것은 용암을 이루는 철 성분이 물과 만나 산화되었기 때문이다.
베개용암 내부는 절리가 방사상으로 발달해서 사람의 어금니 같은 모양을 하고 있다. 용암층 높이가 한탄강 수위를 넘게 되자 베개용암의 생성은 멈췄다. 지장산 주변에는 동막골 응회암, 지장봉 응회암 등 여러 종류의 화산암과 신서 각력암이 분포한다. 첫 번째 화산 폭발에 의해 동막골 응회암이 화구 주변에 넓게 쌓였다. 그 후 동막골 응회암이 화구로 무너져 내리며 굳어 신서각력암이 만들어졌다. 칼데라호가 만들어졌다. 칼데라호 주변의 응회암 일부분이 무너져 칼데라호에 쌓이게 되었다. 이렇게 만들어진 암석이 신서각력암이다. 다시 화산폭발이 일어나 마지막으로 지장봉 응회암이 만들어졌다.(135 페이지)
지장산은 약 8000만년 전 중생대 백악기에 연천-철원 분지 내에서 활동한 화산 때문에 만들어졌다. 지하 깊은 곳 마그마에서 광물이 결정(結晶)화할 때 유색광물은 감람석(고온)-휘석-각섬석-흑운모(저온) 순으로, 무색광물은 사장석(고온)-정장석-백운모-석영(저온) 순서를 보인다.(149 페이지) 대체로 고온에서 만들어진 광물은 저온에서 만들어진 광물에 비해 상대적으로 풍화에 약한 경향이 있다. 화강암은 조암 광물 중 장석이 60% 이상으로 가장 많고 그 다음은 석영이다. 화강암이 풍화된 토양을 보면 석영(굵은 모래)이 남아 있는 것을 볼 수 있다. 그것은 화강암을 이루는 광물 중 흑운모나 장석류가 석영보다 풍화에 약하기 때문이다.
이같이 석영은 조암 광물 중에서 풍화에 가장 강하다. 반면 장석류는 자연 상태에서 탄산수 등에 녹으면서 화학적 풍화가 잘 일어난다. 그 결과 도자기의 원료인 순백색의 고령토가 만들어진다. 고령토는 물 분자와 화합하는 수화 작용을 거쳐 알루미늄의 원료 광석인 보크 사이트로 바뀐다. 고온에서 형성된 광물(예: 감람석, 휘석)이 저온에서 형성된 광물(예: 석영, 백운모)보다 풍화에 더 취약한 이유는 이들이 지표 환경과 구조적, 화학적으로 가장 멀리 떨어져 있기 때문이다. 이렇게 암석은 풍화 과정을 거치면서 토양으로 변하고 이 과정에서 여러 가지 원료 물질로 쓰이는 새로운 광물도 만들어진다. 암석이 풍화되어 토양으로 변하는 과정에서 알루미늄은 칼륨, 나트륨, 칼슘 등과 같은 원소에 비해 광물에서 잘 빠져나가지 않는다. 따라서 오래된 토양에는 알루미늄 성분이 상대적으로 많아지고 이러한 토양으로 구성된 퇴적암이 지각변동을 받아 지하 깊은 곳으로 내려가 녹아서 마그마가 된다면 그 마그마는 알루미늄 성분을 많이 포함하게 된다.
화강암을 만든 마그마는 기원에 따라 크게 두 가지로 구분된다. 하나는 맨틀에서 만들어진 현무암질 마그마가 정출, 분화하면서 최종 단계에서 화강암질 마그마가 생성되는 것이다. 이런 과정으로 만들어진 화강암을 I(Igneous)형 화강암이라고 부른다. 다른 하나는 퇴적암이 지각변동을 받아 지각 내로 깊게 들어가 변성암이 되고 끝내는 지각 내에서 화강암질 마그마가 되는 경우다. 이런 과정으로 만들어진 화강암을 S(Sedimentary)형 화강암이라 부른다.
한편 현무암은 석영 입자가 거의 없기 때문에 풍화되면 주로 진흙을 이루고 비가 오면 물이 토양 내에 스며들지 못하여 표층은 완전히 젖어 질퍽거린다. 반면 가문 날씨가 되면 지하수가 올라오지 못하므로 표층이 딱딱하게 굳는다. 따라서 농업에 불리한 지형이어서 오랫동안 많은 이용이 이루어지지 않았다.([추가령 구조곡의 지형] 7 페이지) 찰흙(점토)이 물을 만나면 진흙이 된다.
재인 폭포가 위치한 계곡이 한탄강 본류와 만나는 부근에는 바닥에 고생대의 변성암이 노출되어 있고 응회암, 화강 반암 등의 전석(轉石)이 쌓여 있다. 전석이란 암반(巖盤)에서 떨어져 물 등의 작용에 따라 원위치에서 밀려 나간 돌을 말한다. 멀리 떨어져 나갈수록 마모에 의하여 모가 없이 둥그런 상태가 된다. 이러한 암석 덩어리는 폭포 주변을 이루는 중생대 지층의 암석이 떨어져 나온 것이다. 이들 중 중생대 백악기 화산에서 분출한 동막골 응회암도 있다.(207, 208 페이지) 좌상 바위 주변에는 고생대 미산층, 중생대 궁평층 및 신생대 현무암 등 여러 시대의 지층이 접해서 분포하고 있다. 좌상 바위는 중생대 백악기에 연천 - 철원 분지에 있던 화산의 흔적이다.
한탄강 옆에 60m 높이로 우뚝 솟아 있는 좌상바위는 당시 화산의 분화구였으며 이곳을 찾는데 좋은 길잡이가 되기도 한다. 이 화산에서 분출한 현무암질 용암이 한탄강 하상에 분포하며 이 현무암의 표면에서는 기공이 방해석으로 채워진 행인상 구조를 볼 수 있다. 좌상바위 표면에는 세로 방향의 검은색 띠가 보인다. 이는 빗물에 녹은 물질이 침전한 흔적이다. 좌상바위 주변에 한탄강 하상에서는 고생대 미산층, 중생대 화산암 및 신생대 제4기 현무암, 하안 단구 등 여러 지질 시대의 지층과 암석을 한탄강 계곡의 한쪽 벽에서 관찰할 수 있다. 좌상바위는 여러 화산의 분화구 중 하나로 분출물로 메워진 암경(巖頸)으로 추정된다. 암경이란 화산 활동이 멈춘 후 화도 내의 마그마가 식어 굳은 다음 오랜 기간 차별 침식을 받아 주변 암석은 깎여나가고 단단한 중심부만 남은 것을 말한다.
왕림교 부근과 풍천관광농원 앞쪽에 있는 두꺼운 절벽은 하부부터 고생대 미산층, 미고결 퇴적층인 백의리층, 그 위를 부정합으로 덮은 한탄강 현무암층이 지질 단면까지 관찰할 수 있는 중요한 장소다. 미산층은 한탄강 유역이 임진강 유역과 함께 남과 북의 두 지괴가 충돌한 지대임을 뒷받침하는 주요한 지층이다. 이 지층의 표면에는 규질 성분이 많은 곳이 석회질이 있는 부분보다 풍화에 강해서 돌출된 것을 볼 수 있다. 규질 성분은 석회질이나 점토질 성분에 비해 물리적으로 단단하다. 그렇기 때문에 석회질 또는 점토질 성분은 외부 힘을 받게 되면 심하게 휜 습곡 구조를 보이나 규질 성분이 많은 부분은 휘지 않고 끊어지면서 마치 작은 소시지 모양의 부딘 구조가 만들어진다.
은대리 고생대 미산층에는 고압변성 광물인 석류석이 들어 있다. 이것은 이곳 한탄강 유역에서 임진강 충돌대를 형성했던 당시 두 개의 판 즉 한반도의 남부와 북부판이 충돌하면서 큰 압력이 작용했음을 알려주는 증거이기도 하다. 한탄강 현무암층을 덮고 있는 두꺼운 충적층은 빙하기와 간빙기가 반복되는 동안 주변의 하천이 범람하면서 운반된 모래, 자갈, 진흙 등이 쌓인 것이다. 이 충적층에서 전곡리인의 생활상을 보여주는 여러 종류의 유물과 유적이 발달되어 이 층을 전국민 문화층 또는 전곡리 유적토층이라 부른다. 전곡리 문화층이 분포하는 지역은 한탄강 용암이 만든 대지와 강 양편으로 거의 수직에 가까운 현무암 절벽을 이루는 곳이다. 이곳은 한탄강이 현무암 절벽을 휘돌면서 흐르고 있다.
한탄강 현무암 절벽 지형은 한탄강 유수에 의한 퇴적 및 침식 작용으로 형성되었는데 한탄강은 마치 성벽을 둘러싸고 있는 해자와 같은 역할을 하고 있다. 이러한 지형적인 특징은 임진강 한탄강 유역의 구석기 유적을 형성하고 보존하는 데 중요한 역할을 해왔다. 전곡리 토층의 하부층은 하천에 퇴적된 세립질 모래층과 실트 퇴적물이다. 상부층은 바람에 의해 퇴적된 점토 입자로 이루어진 풍성 퇴적층이다. 특히 이 토양층에서는 토양쐐기라고 불리는 토양 균열면의 구조 및 배열 등을 볼 수 있다. 이러한 구조는 주로 빙하기 동안에 만들어진 것으로 플라이스토세의 후반에 계속해서 쌓인 토층 단면에서 볼 수 있다. 이는 신생대 제 4기 동아시아 지역의 기후 변동을 이해하는 데 도움을 주고 있다.
전곡리인들은 어떤 돌로 주먹도끼를 만들었을까? 전곡리 선사유적지를 감고 도는 한탄강 바닥에는 여러 종류의 자갈이 수도 없이 널려 있다. 이 자갈들은 암석의 종류에 따라 그 굳기나 쪼개짐, 깨짐 등의 형태나 강도가 다르다. 이 암석 중에서 전곡리인들이 도구로 이용한 암석은 주로 규암 자갈이다. 규암은 퇴적암인 사암(주로 석영 성분의 모래자갈)이 지각 깊은 곳에서 오랜 세월 열과 압력을 받으면서 변성되어 만들어진 암석으로 매우 단단하다. 이 암석은 물리적인 힘을 가하여 타격하면 날카로운 면으로 깨진다. 전곡리인들은 이러한 암석의 특성을 잘 찾아 물건을 찌르거나 자르는 데 필요한 도구를 만들었다. 임진강과 한탄강 주변에는 규암이 넓게 분포하는데 이곳에 규암이 풍화 침식 운반되어 한탄강으로 유입된 것이다.
차탄천은 지질학적으로 매우 흥미롭다. 이는 한탄강 용암이 전곡리 은대리 왕림교 부근에서 북쪽으로 약 5km 정도 떨어진 연천읍 차탄리에도 분포하기 때문이다. 한탄강 용암은 차탄천을 따라 북쪽으로 연천읍 차탄리까지 역류했다. 3회 정도 분출한 한탄강 용암 중에서 이곳 상부층에 분포하는 가장 젊은 용암을 가리켜 차탄리 현무암이라고 한다.
동이리 임진강 주상절리 지점은 선곡리로 역류한 용암의 일부로서 그 길이가 1km 정도 된다.병풍처럼 펼쳐진 현무암 절벽에는 여러 형태의 절리가 발달해 있어 주상절리의 전시장이라 할 수 있다. 특히 가을에는 검은색 현무암 절벽과 빨갛게 단풍든 담쟁이 덩굴이 이르는 아름다운 풍광에 감탄사가 절로 나온다. 그래서 이곳을 임진 적벽이라 부르기도 한다. 또한 [세종실록지리지]에는 송도팔경 중 장단석벽이라 기록되어 있다.
연천읍내에서 동북쪽으로 아미천을 따라 올라가면 바로 동막골이다. 이곳은 조선초부터 요업(窯業)이 번창했던 곳이다. 도기(독)를 만드는 곳이라는 의미로 도막 또는 독막 등으로 불려오다 동막으로 굳어졌다는 이야기가 있다. 왜 이곳에서 도기(옹기)를 만들었을까? 연천 지역의 충적층에는 황토가 널리 분포하여 질그릇의 재료인 점토질 흙을 구하기 쉽다. 한편 지장산 자락에 있는 동막골은 땔감과 물이 풍부해 옹기나 벽돌을 만들고 구워내는 장소로 최적의 조건을 갖춘 곳이다. 지금도 전곡리, 궁평리, 장탄리 일대에서는 구운 벽돌을 생산하고 있다.
동막골 하천 주위에서는 밝은색의 화산재와 눈썹처럼 휘어진 줄무늬가 발달한 응회암이 분포한다. 응회암의 줄무늬는 마치 용암이 흐르면서 만들어진 것처럼 보인다. 그러나 이런 구조는 뜨거운 화산재와 화산력이 섞여 두껍게 쌓일 때 위에서 누르는 압력과 높은 열로 인해 화산력이 납작하게 눌리면서 길쭉하게 늘어나 만들어진 것이다. 이런 구조를 피아메라 하며 이런 줄무늬를 보이는 응회암을 용결 응회암이라 한다. 폭발형 화산에서 분출하는 화산재가 화산체의 경사를 따라 흐르다가 굳으면 회류 응회암이 된다. 화산재가 하늘로 올라간 후 떨어져 쌓이면 강하 응회암이 된다.
이곳 동막골 응회암층 노두에서는 강화 응회암과 회류 응회암을 모두 볼 수 있다. 이러한 사실은 이곳에서 화산 폭발이 여러 번 반복해서 있었음을 말해준다. 주상절리는 한탄강 유역에 넓게 분포하는 현무암에서 흔히 볼 수 있는 지질 구조다. 그런데 동막골 유원지 하천 주변에 응회암은 중생대 지층이며 산성암류로 분류된 암석이다. 그러나 이곳 응회암에서도 수직으로 발달한 주상절리를 관찰할 수 있다. 수 백도 이상의 높은 온도인 화산재가 두껍게 쌓여 식을 때 마치 현무암질 용암층에서처럼 그 부피가 줄어들면서 응회암의 주상절리가 만들어진 것이다.
일반적으로 폭포는 물줄기도 많지 않고 폭이 좁다. 그런데 직탕폭포는 넓은 용암 대지 위에 발달한 것으로 물이 80m가 넘는 강폭을 가득 메운 채로 마치 넓은 물 커튼을 친 듯 일직선으로 떨어지고 있다. 이런 광경은 세계적으로 드물다. 이러한 폭포가 형성될 수 있는 지질조건은 용암 대지에 강이 흐를 때 뿐이다. 그래서 직탕폭포는 자랑할 만한 가치가 있는 명소다. 한탄강 용암이 넓은 철원 용암대지를 만들 수 있었던 것은 한탄강 용암의 물성 때문이다. 즉 용암의 점성이 낮아 유동성이 크기 때문에 용암이 넓게 그리고 멀리까지 흐르면서 평평한 대지를 만들 수 있었다. 그리고 그곳에 한탄강이 흐르면서 현무암의 절리를 따라 침식작용이 활발하게 일어나 직탕폭포와 같은 수직 폭포가 만들어졌다.
고석정 주위에서 한탄강은 화강암과 현무암이 접하는 지질 경계를 따라 흐르며 물줄기가 심하게 곡류한다. 이곳의 한탄강 계곡에서는 강 양쪽 벽이 모두 현무암이고 바닥도 현무암인 곳, 하천 바닥은 화강암이고 계곡 양쪽 벽이 현무암인 곳, 강의 한쪽 벽만 현무암이고 바작과 다른 벽은 화강암인 곳, 강의 양쪽 벽과 바닥이 모두 화강암인 곳 등 네 가지 유형의 계곡 단면을 볼 수 있다. 고석정 유원지가 있는 계곡에서는 한쪽 벽은 현무암이 화강암을 덮고 있고 건너편 계곡 벽은 화강암만 분포한다. 고석정 아래 하상에서는 이 현무암에서 떨어져 나온 전석들을 볼 수 있다.
삼부연 폭포는 중생대 화강암으로 이루어진 명성산 중턱에 있으며 계곡물의 침식 작용으로 만들어진 폭포다. 높이는 약 20m이고 계곡물은 가마솥 모양의 세 개의 돌개구멍을 지나 아래로 떨어진다. 폭포의 벽에는 폭포수가 오랜 시간 암석 벽을 깎아낸 흔적들이 남아 있다. 병풍처럼 둘러싸고 있는 암벽에는 마치 조각가가 예리한 칼로 깎아낸 것 같이 매끈한 면, 움푹 파인 면이 여러 군데 보인다. 또한 폭포 아래 암벽에서는 오랜 시간 물이 휘돌면서 웅덩이의 모양이 변화한 흔적도 찾을 수 있다.

파노라마 같은 세상의 질서와 규칙을 알려 주는 화학 책 - [세상을 이해하기 위한 최소한의 화학 - 100개의 물질로 읽는 생명과 우주, 인류의 미래]

벤투의스케치북 — Mon, 30 Mar 2026 19:58:00 +0900

세상을 이해하기 위한 최소한의 화학 - 100개의 물질로 읽는 생명과 우주, 인류의 미래
김성수 지음 / 지상의책(갈매나무) / 2026년 01월

김성수의 [세상을 이해하기 위한 최소한의 화학]은 '100개의 물질로 읽는 생명과 우주, 인류의 미래'라는 부제를 가진 책이다. 이 책에는 두 사람의 인상적인 말이 인용되어 있다. 하나는 영국의 화학자 피터 앳킨스(Peter Atkins)가 한 "화학은 별에서 시작된다"란 말이다. 다른 하나는 미국 시인 랠프 왈도 에머슨(Ralph Waldo Emerson)이 한 "지질학이라는 것은 화학에 시간이라는 요소를 더한 것일 뿐이다." 라는 말이다. 이 책을 통해 피터 앳킨스와 랠프 왈도 에머슨이 말한 삼자(별, 별에서 시작된 화학, 화학에 시간이라는 요소가 더해진 지질학) 간 관계를 깊이 헤아릴 수 있다.
저자가 말했듯 다른 물질과 아무런 소통과 연결 없이 홀로 존재하는 물질은 없다. 이 책은 그런 점을 음미할 수 있는 의미 있는 책이다. 관심을 갖게 되는 물질은 철 ,석영, 백운모, 현무암, 황동석, 자철석, 석회암, 물, 리그닌, 엽록소, 탄산, 강철, 고령토, 시멘트, 석탄, 메테인, 폴리에틸렌, 우라늄 235, 이산화황, 오존, 규소, 리튬 등이다. 빅뱅 때 생성된 쿼크와 이들을 강력하게 묶어준 글루온이 서로 뭉치면서 원자를 구성하는 주요 입자 중 하나인 양성자를 형성하였다. 전자는 이미 빅뱅 이후 세상에 태어나 갓 태어난 우주 속을 활발히 떠돌고 있었다.
빅뱅으로 생성된 기본 입자들이 모이면서 화학물질을 구성하는 기본 단위인 원자가 만들어졌다. 초기 우주의 온도는 무지막지하게 뜨거웠기 때문에 양성자와 전자는 정신없이 개별 활동을 하기에 여념이 없었으나 대략 38만 년이 지난 이후 우주가 충분히 식고 나자 더 이상 홀로 돌아다닐 수 없을 만큼 불안정해진 양성자의 양전하와 전자의 음전하 사이에 정전기적 인력이 적용하면서 양성자 하나와 전자 하나가 함께 어우러지게 되었다. 이러한 재결합 반응의 결과 전기적 중성의 원자가 만들어졌으니 곧 수소 원자의 탄생이었다.
빅뱅 이후 우주에 흩뿌려진 중수소들도 가만히 있을 수 없었다. 아직 우주가 차갑게 식기 전이었으니 중수소는 더 안정해지기 위해 강한 핵력을 통해서 또 다른 양성자 혹은 중성자를 더부살이 회원으로 받아들일 준비가 되어 있는 상태였다. 중수소 핵이 고른 동반자는 양성자였다. 이로써 양성자 두 개를 가진 원자핵이 우주 최초로 만들어졌다. 두 개의 가벼운 원자핵이 반응하여 더 무거운 원자핵 하나가 만들어지는 현상을 핵융합이라고 한다. 질량 수만 늘어났던 중수소 핵의 융합과는 달리 원자번호까지 늘어나는 핵융합이 빅뱅 직후에 일어난 것이다.
빅뱅이 일어난 지 20분 정도 후에 팽창하던 우주의 온도는 급격히 내려갔고 핵융합이 수월히 이루어지던 초고온 환경은 사라지고 말았다. 결국 헬륨보다 무거운 원자핵은 미량의 리튬과 베릴륨을 제외하면 별로 만들어지지도 못한 채 빅뱅을 통한 핵합성 무대는 대단원의 막을 내렸다. 물론 우리 몸은 주로 탄소로 구성되어 있고 지구 핵에는 철과 니켈이 존재하고 광산에서는 금과 은이 산출된다는 사실을 생각해보면 핵융합 이야기가 여기서 끝나지 않았을 것이라는 추측이 가능하다.
우주에 충만하게 퍼져 있던 수소 기체와 헬륨 기체는 특정 지역에 두텁게 모여 구름을 형성했다.모종의 이유로 인해 구름의 중심에서 중력이 발생했고 이 힘 때문에 구름이 수축했다. 구름의 수축은 구름 중심의 온도를 서서히 끌어올렸고 중심부의 온도는 천천히 핵융합을 일으킬 수 있는 정도로 높아졌다. 중심부에서 핵융합을 안정적으로 진행할 수 있게 된 구름을 별 또는 항성이라고 한다. 빅뱅 당시 초고온의 우주 공간에서 무작위적으로 일어나던 핵융합은 이제 충분히 온도가 높아진 별 중심부에서 일어났다.
동위원소의 원자핵은 태생적으로 불안정할 수밖에 없었다. 그래서 이런 원자핵들은 불안정성을 해소하기 위해 에너지를 가진 입자를 방출함으로써 핵을 구성하는 양성자와 중성자 개수의 변화를 꾀했다. 이를 방사성 붕괴라고 부른다. 태양이 자신의 수소를 전부 헬륨으로 바꿔버리면 어떤 일이 벌어질까? 학자들은 약 50억 년 뒤 태양이 모든 수소를 소모하고 적색 거성으로 전환되어 지구를 위협할 정도로 크게 부풀 것이라고 예상한다. 이는 지구의 종말이다. 그런데 그 와중에 태양의 중심 핵은 스스로의 중력에 의해 붕괴하고 이 수축으로 인해 온도는 급상승하여 평소 수소를 핵융합 하던 시절인 1500만 도보다 훨씬 높은 온도인 1억도를 달성한다.
이 조건에서는 수소가 아닌 헬륨이 핵융합한다. 학자들은 외부에 존재하던 중성자들이 고온고압의 환경 아래 핵으로 끌려 들어간 뒤 양성자로 전환되는 과정에 주목한다. 소위 중성자 포획이라고 불리는 과정이 진행된 덕분에 철보다 무거운 원소들이 만들어질 수 있었다. 국제천문연맹의 정의에 따르면 태양계를 도는 행성은 총 8개다. 이중 수성, 금성, 지구, 화성은 금속과 암석으로, 목성과 토성은 수소 기체와 헬륨으로, 천왕성과 해왕성은 물과 암모니아, 메테인이 얼어붙은 얼음으로 이루어져 있다.
이렇게 구성물질에 차이가 생기는 가장 큰 원인은 태양과 행성 간 거리가 다르기 때문이다. 태양 가까이 있는 행성에서는 끓는점이 낮은 물질들이 행성의 중력을 극복하고 외부로 이탈한다. 그래서 수성부터 화성까지의 행성을 구성하는 주요 물질들은 그 정도 온도에서는 기화하지 않는 금속과 암석이다. 한편 밀도가 높은 금속은 중심부에 더 가까이 가라앉아 핵을 형성하고 금속보다 밀도가 낮은 암석은 핵 주변에서 맨틀을 형성한다. 이때 지구의 핵을 구성하는 주요 금속 원소는 철과 니켈이다. 우주에서 가장 많이 찾아볼 수 있는 안정적인 금속이 중심부를 선점한 탓이다.
지구는 태양을 중심으로 돌고 있지만 자신도 중심축을 따라 자전한다. 모든 자전하는 물체에는 전향력이라는 일종의 관성이 작용한다. 이 힘에 따라 액체 상태의 철, 니켈은 지구 내부의 외핵에서 대류한다. 석영은 지각에서 가장 풍부한 광물이다. 미국의 화학자 라이너스 폴링은 공유 결합을 이룬 원소들이 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는 정도를 전기 음성도라고 정의했다. 지구를 구성하는 주요 원소들 중 전기 음성도가 높은 것은 산소였다. 그래서 다른 지구 구성원소들은 산소와 결합하는 것을 피할 수 없었고 그 결과 다양한 산화물이 만들어졌다.
이들은 핵으로부터 분리되어 맨틀과 지각을 구성하는 암석의 주요 구성물로 자리매김했다. 핵과 분리되었다는 사실을 달리 말하자면 암석을 구성하는 원소들은 철, 니켈과는 잘 어울리지 않는다는 것을 의미한다. 스위스 광물학자 빅토르 골트슈미트는 산소와 잘 화합하여 암석을 만드는 원소를 친석(親石) 원소라고 분류했다. 이들 중에서 지구의 가장자리인 지각에 많이 분포하는 원소를 질량 비율 순서로 나열하면 다음과 같다. 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등이다.
이들이 만든 산화물 중에서 양도 제일 많고 밀도는 낮아 지각에서 가장 흔하게 볼 수 있는 물질은 단연 질량 비율이 가장 높은 원소와 두 번째로 높은 원소가 결합된 이산화규소다. 이산화규소로 조성된 결정 광물을 석영이라고 한다. 석영은 중심에 규소 원자를 두고 네 개의 정사면체 꼭지점 위에 위치해 산소 원자가 존재하는 결합이 주기적으로 반복되는 구조를 가지며 외부 충격을 잘 견딜 수 있는 단단한 광물에 속한다. 석영은 다양한 형태로 존재하는데 사막에서 한가득 퍼 담을 수 있는 모래, 부싯돌로 사용되는 차돌, 독특한 무늬로 유명한 마노, 투명한 수정 등이 모두 석영이 주성분이다.
간혹 수정의 이선화규소 결정 구조에 철이온이 불순물로 포함되어 있으면 매력적인 보라색을 띠는 자수정이 된다. 광물은 아니지만 인류가 인위적으로 만들어낸 이산화규소 물질도 있으니 바로 유리다. 지각에서 발견되는 광물들의 90% 이상은 지각에 흔히 존재하는 산소 및 규소가 결합해 있는데 이런 광물들을 규산염광물이라고 한다. 지각에서 세 번째로 많이 찾아볼 수 있는 원소인 알루미늄이 포함된 규산염광물 중 사람들의 시선을 사로잡는 것은 다름 아닌 운모다.
같은 규산염 광물임에도 불구하고 현무암의 색깔은 석영, 백운모에 비해 한참 어둡다. 이는 현무암을 이루는 조암 광물 중 어두운 색을 띠는 휘석과 감람석의 비율이 높기 때문이다. 이들 광물은 마그네슘과 철함량이 높은 고철질 광물이다. 규산염 광물은 규소-산소 사면체를 기본 구조로 한다. 현무암을 이루는 주요 광물인 사장석, 감람석, 휘석이 모두 실리콘 원자 하나를 네 개의 산소 원자가 사면체 형태로 둘러싼 구조를 갖기 때문이다.
가장 대표적인 철광석은 자철석과 적철석이다. 석회암을 구성하는 탄산칼슘은 물과 이산화탄소와 함께 있으면 아래와 같은 화학반응을 일으킨다. 위 반응을 통해 만들어지는 탄산수소 칼슘은 물에 잘 녹는다. 그래서 석회암 지대는 오랜 시간이 지나면 공기 중의 물과 이산화탄소에 의해 빠르게 풍화되어 카르스트 지형이 된다. 우리나라 강원도 남부 및 충청북도 북부에 넓게 분포해 있다. 강이 석회암 지대를 뚫어 만든 석회동굴도 카르스트 지형에 포함된다. 영월의 고씨동굴, 단양의 고수동굴이 유명하다.
양방향을 가리키는 화살표는 오른쪽으로 향하는 정 반응과 왼쪽으로 향하는 역반응이 모두 일어나는 것을 의미한다. 이를 화학 평형이라고 부른다. 밖에서 봤을 때는 전혀 반응이 일어나지 않는 것처럼 보이지만 실은 끊임없이 정반응과 역반응이 같은 속도로 진행되고 있는 것이다. 바다 생물들도 목숨을 다하면 해저에 쌓인다. 유기물이 아닌 탄산칼슘 껍질은 부패되지 않은 채 그대로 차곡차곡 쌓이고 오랜 시간 동안 쌓인 껍질은 높은 압력 아래 하나의 암석이 된다. 그렇게 해서 만들어진 퇴적암이 석회암이다.
셀룰로스는 식물 세포벽을 구성하는 주요 고분자이다. 리그닌은 식물을 지탱하는 단단한 고분자이다. 엽록소는 광합성의 필수 색소이다. 엽록소는 어떻게 해서 붉은 빛을 흡수하는 것일까? 그 비밀은 엽록소 분자의 전자 에너지 구조에 숨어 있다. 각 집마다 아파트 층수로 표현되는 높이 차이가 있는 것처럼 전자들이 자리잡는 분자 오비탈에는 에너지 높이 차이가 존재한다. 한편 우리가 전망대가 위치한 높은 빌딩 위로 올라가기 위해 입장료를 내고 엘리베이터를 타듯 전자가 A라는 오비탈에서 그보다 에너지 수준이 높은 B라는 오비탈로 이동하기 위해서는 A와 B 사이 간격만큼의 에너지를 지불해야만 한다. 세상에는 공짜가 없으니 그 에너지는 외부로부터 벌어와야 하는데 가시광선이 바로 좋은 지불 수단이 된다.
전자가 외부의 가시광선을 흡수함으로써 더 높은 오비탈로 이사하는 비용을 마련하는 것이다. 그러니 우리 주변에서 스스로 빛나는 물질이 아닌 이상 색깔을 띠고 있는 모든 물질은 외부의 가시광선을 흡수한다. 검은색은 파장 영역대의 모든 가시광선을 흡수하고 흰색은 반대로 모든 영역대의 가시광선을 반사한다. 분자가 특정한 색깔의 빛만 흡수하면 그 색깔이 아닌 빛들은 반사되어 사람의 눈으로 들어오게 된다. 시신경을 통해 시각 정보를 전달받은 대뇌는 이 분자를 흡수한 색깔의 보색으로 인식한다. 식물은 가장 높은 광합성 효율을 확보하기 위해 그저 붉은 빛을 잘 흡수하는 분자를 나뭇잎에 도입했을 따름이지만 그 결과 인간에게는 나뭇잎이 붉은색의 보색의 녹색으로 보이는 것이다.
마찬가지 이유로 노란색 분자는 남색을, 빨간색 분자는 초록색을 주로 흡수한다. 미술관에서 볼 수 있는 형형색색의 물감들이 사실은 정확하게 그 색깔의 보색을 흡수하기 때문에 그와 같은 아름다운 색깔을 내고 있었던 것이다. 엽록소가 지상에 도달하는 붉은 빛을 잘 흡수하기 때문에 광합성에 유리한 것은 사실이다. 하지만 식물이 광합성 효율을 더 끌어올리려면 다른 가시광선 영역의 빛도 흡수할 수 있는 보조 색소들도 함께 가지고 있는 편이 좋다. 바로 카로틴 계열의 분자들이 대표적인 보조 색소다.
세로토닌은 도파민과 같은 신경전달물질이다. 도파민이 중독을 불러일으킬 것만 같은 강렬한 행복감과 연관되어 있다면 세로토닌은 그보다는 좀 부드러운 행복감 이를테면 소소한 일상이나 정서적 공감에서 비롯되는 긍정적인 감정과 연결되어 있다. 세로토닌 부족 역시 우울증과 관계가 깊다. 몸속 세로토닌의 대부분은 뇌가 아닌 소화기관에서 생성된다. 생성된 세로토닌은 소화기관의 운동을 촉진시켜 섭취한 음식물 덩어리가 위장을 통과하는 데 도움을 준다. 또한 소화효소와 위장액의 분비에도 관여하여 장에서 감지한 소화와 관련한 다양한 신호를 뇌까지 전달하는 역할도 한다. 이처럼 세로토닌이 장내 소화에 깊이 관여하다 보니 과민성 대장증후군과 같은 소화기관 질환을 치료하기 위해 세로토닌의 분비와 관련된 처방이 고려되곤 한다.
철의 녹는점은 구리나 주석의 녹는점보다 높다. 따라서 철을 제련하는 데에는 진보한 기술이 필요했다. 철은 지각을 구성하는 8대 원소 중 하나다. 철은 마그마가 식을 때 빨리 결정화되고 녹는점도 높다. 지구상의 철광석은 대부분 산화철 형태로 존재한다. 철광석으로부터 철을 얻어내려면 산소를 제거하는 환원 과정이 필수다. 고대로부터 지금까지 애용되는 환원제는 일산화탄소이다. 현대에는 코크스와 같은 탄소 소재를 뜨거운 바람을 통해 산화하여 얻을 수 있다.
탄소는 고체 상태의 원소이고 이산화탄소가 물에 녹아 만들어진 탄산은 액체이다. 모래알은 계속 풍화되어 진흙이 되고 진흙은 더 잘게 부서져 점토가 된다. 점토에 대한 사전적 정의는 작은 알갱이로 이루어진 부드럽고 차진 흙이다. 지구과학적으로 점토는 직경이 대략 4 마이크로미터보다 작은 알루미늄 규산염 광물을 의미한다. 입자 크기가 작은 광물들은 물이 일정량 포함되면 끈끈해지면서 압력을 가한 대로 모양이 변하는 소성(塑性)을 갖는다. 그래서 끈끈할 점(粘)자를 써서 점토라 불렀고 사람들은 이런 성질을 이용해 점토 반죽을 다양한 형태로 빚어냈다.
화강암을 구성하는 장석이 분해되어 고령석이 만들어진다. 고령석은 순수 광물이고 고령토는 고령석을 주성분으로 하는 흙이다. 탄산칼슘이 주성분인 석회암을 가열하면 이산화탄소가 빠져나가면서 산화칼슘으로 구성된 생석회가 만들어진다. 생석회를 물에 개면 수산화 칼슘이 주성분인 소석회(消石灰)가 만들어진다. 소석회는 공기 중의 이산화탄소와 결합한 뒤 건조되면 석회가 된다. 소석회가 완전히 굳기 전에 그 위에 그림을 그리는 것을 프레스코화라고 한다.
기원전 800년경 페니키아 사람들이 생석회와 화산재를 섞은 뒤 물에 개어 굳히면 굉장히 단단해지는 것을 알게 되었다. 이것이 바로 물에 의해 경화(硬化)되는 규산칼슘 화합물 즉 수경성(水硬性) 시멘트의 발견이었다. 로마 사람들은 시멘트에 잘 부순 돌조각을 적절히 섞으면 더 뛰어난 건축재료가 되는 것을 알게 되었고 이를 적극적으로 활용하여 거대한 건축물들을 세웠는데 이것이 바로 콘크리트의 시작이었다. 현재 전 세계적으로 널리 사용되는 포틀랜드 시멘트는 대개 생석회에 이산화규소, 산화알루미늄, 산화철 등을 잘게 분쇄한 뒤 고온에서 구워 만든다. 시멘트 1톤을 생산하는 데 0.8~1톤의 이산화탄소가 발생한다. 이는 전세계 이산화탄소 배출량의 7-8%를 차지한다.
지금으로부터 3억 5000만년 전부터 2억 8000만년 전까지 지구에는 거대한 양치식물 숲이 있었다. 무성하게 자란 식물들이 광합성을 하면서 막대한 양의 산소를 내뿜은 결과 대기 중 산소 비율은 30%를 넘겼다.(현재 대기 중 산소 비율은 21% 수준이다.) 활발한 광합성 결과 이산화탄소가 대량으로 감소해 온실효과가 사라져 짧고 강력한 빙하기가 도래해 양치식물들이 일거에 모두 쓰러졌다. 식물들의 사체 위로 지층이 쌓였고 지층이 가한 거대한 압력과 열이 양치 식물들을 암석으로 바꿔 놓았다.
시간이 지나면서 식물을 구성하는 원소 중 산소와 수소가 지속적으로 빠져나가 탄소의 함량이 높아졌는데 이 과정을 탄화(carbonization)라 한다. 그 결과 만들어진 검은색의 물질을 석탄이라 부른다. 석탄은 탄화된 정도가 높아질수록 물질 내 탄소 비율이 높아지는데 그 비율이 90% 이상이면 연기를 많이 내지 않아 무연탄이라는 이름이 붙었다. 반대로 탄소 비율이 90% 이하인 유연탄은 탈 때 연기를 자욱하게 내는데 이때 발생하는 연기는 온갖 휘발성 탄화 수소류다. 문제는 산업혁명으로 석탄 수요가 높았던 유럽에서 주로 생산한 석탄이 대부분 유연탄이었다는 점이다.
석탄이 만들어질 수 있었던 데에는 리그닌을 분해할 수 있는 미생물이 없었던 이유가 있다. 리그닌 분해 미생물은 석탄기 이후인 페름기에 나타난 것으로 추정된다. 펄프 공정은 나무로부터 리그닌을 제거하는 과정이다.(113 페이지) 석탄이 고생대 육상 식물들이 남겨놓은 유산이라면 석유는 해양생물들이 남겨놓은 유산이다. 세상에서 가장 간단한 탄화수소는 메테인이다. 메테인을 끓는점 아래로 냉각시켜 액체로 만든 뒤 높은 압력을 견디는 용기에 담아 수송 및 저장에 활용하는데 이것이 바로 액화 천연가스 즉 LNG다.
우라늄 235에 대해 알려면 중성자에 대해 알 필요가 있다. 중성자는 1932년 영국 물리학자 제임스 채드윅에 의해 발견되었다. 그 이듬해인 1933년 헝가리계 미국인 물리학자 실라르드 레오는 중성자 매개 핵분열 연쇄반응 개념을 제안했다. 중성자가 불안정한 핵종과 충돌할 때 일어나는 핵분열이 더 많은 수의 중성자를 발생시키고 이것이 핵종의 연쇄적 핵분열을 유도함으로써 결과적으로 어마어마한 에너지를 폭발적으로 발생시킬 것이라 생각했다. 지구상에 존재하는 우라늄의 대부분은 연쇄 핵분열을 일으키지 못하는 우라늄 238이고 0.72% 정도만이 연쇄 핵분열이 가능한 우라늄 235다. 농축 과정을 통해 순도 높은 우라늄 235를 대량으로 얻어낼 필요가 있다.
석탄뿐 아니라 석유에도 일정량의 황이 들어 있다. 양치식물이 고온과 고압에 의해 석탄으로 변형되는 석탄의 경우 황철석, 황산소듐, 황산칼슘 등의 광물도 섞여 들어가기 때문이다. 석탄 연소 과정 중 이산화황도 만들어진다. 이산화황은 한 번 더 연소되어 삼산화황이 된다. 이는 대기 중 물방울에 쉽게 녹아 황산이 된다. 석유의 경우 근원인 바다 생물을 구성하는 단백질에 황을 포함하는 아미노산이 존재한다. 규소는 현대 반도체 문명의 기반이다. 저자는 책을 통해 다룬 100 가지 물질을 이해하는 것은 세상을 이해하기 위한 최소한의 화학이라고 했다. 책을 다 읽고 나니 파노라마 같은 세상의 질서와 규칙을 안 느낌이 든다. 화학에 더 친해진 계기가 된 책이 [세상을 이해하기 위한 최소한의 화학]이다.

클라우스 테벨라이트의 [남성 판타지]를 앞에 두고

벤투의스케치북 — Sat, 28 Mar 2026 22:25:00 +0900

내 서재에 ‘어찌 어찌 해서 꽂혀 있는‘이라고 하면 온당하지 못할 것이다. 김혜순 시인의 [여성이 글을 쓴다는 것은] 이야기다. 필요하기에 산 책이다. 당연히. 2002년 출간작이다. 아마도 알라딘 중고 서점에서 구입했을 것이다. 이 책의 챕터 가운데 ’여성의 몸’이란 챕터가 있다. 거기에 이런 구절이 있다.
클라우스 테베라이트는 아우슈비츠의 군인들이 유태인을 표현할 때 더러운, 흐르는, 점액질의, 붉은, 집어삼키는, 몰려드는, 내뱉는 같은 수식어 내지는 동사들을 사용하여 피억압자들의 몸을 여성의 몸처럼 흐르고 물렁물렁한 것으로 밝힌 바 있다는 문장이다.
여성의 몸은 물리적 영역, 자연과 동일시되어왔고 남성은 인간적인 정신과 관계되어 왔다. 그래서 정신이 물질을 억압하고 소유하는 것이 정당성을 가졌다....
그 필자(클라우스 테벨라이트)의 [남성 판타지]가 번역, 출간되었다. 제1차 세계대전 직후 독일 민병대 자유군단의 군인 남성들의 목소리와 언어를 분석 대상으로 삼아 애국적 열망과 신념으로 살해, 폭력에 가담했던 극우 남성성을 들여다본 책이라고 한다.
독보적인 최고의 걸작이라고 하는데 1464 페이지나 된다. 저자는 1942년생으로 현존하는 인물이다. ‘지금 당장은 아니지만...언젠가 읽어야 할’이란 단서를 붙여야 할 책이다.
오랜만에 [페미니스트 정신분석이론가들]을 펴보게 된다. 필자들을 대신하여 글을 쓴 임옥희는 “정상에 자리했던 맑시즘은 낮은 골짜기가 되고 바다에서부터 포스트 프로이트 학파인 라캉의 정신분석학이 융기(隆起)했다. 뿐만 아니라 온갖 종언 이론, 해체론, 유령학, 퀴어 이론에 이르기까지 다양한 이론들이 저지대의 잔주름을 형성하게 되었다.“는 말을 한다.
이런 견실한 지질학적 은유의 글은 철학자 김상환의 같은 차원의 지질학적 은유의 글을 떠올리게 한다. 그런데 ”제1차 세계대전 직후 독일 민병대 자유군단의 군인 남성들의 목소리와 언어를 분석 대상으로 삼아..“란 말이 있지만 저자는 다른 말을 한다. ”나는 임상 현장으로부터 괴리된 정신분석학적 문학 및 이론 적용의 관행을 따르지 않을 것이다. 이들은 겉으로 그럴싸한 정신분석적 개념을 프로이트학파의 맥락과 역사를 무시한 채 끌어온다. 구체적인 병증과 어떤 관계가 있는지 고려하지 않고, 또한 프로이트 이론 전반에서 어떤 기능을 수행하는지 고려하지 않는다. 개념을 이런 식으로 쓰면 독단적 추상성에 빠지기 쉽다.“는 것이다. 자신의 책이 정신분석의 산물이 아니라는 의미다.
[페미니스트 정신분석이론가들]에서 김남이는 ”가장 적나라한 가부장제의 반영으로서의 정신분석학은 우리가 그 가부장적 실체를 더욱 잘 이해할 수 있게 할 뿐만 아니라 그것의 전복을 상상할 수 있는 힘“을 준다는 말을 한다.
어떻든 다음의 평을 읽을 만하다. ”테벨라이트의 이 거대한 저작은 기존의 심리학적 관습을 완전히 무시한다. 그는 독자를 파시스트적 환상의 소용돌이 속으로 밀어넣으며 우리가 ‘정상적’이라고 믿었던 남성성이 사실은 얼마나 연약한지 그리고 그 연약함을 감추기 위해 얼마나 잔혹해질 수 있는지를 보여준다.“는 말이다. 연약한 것은 남성들이란 말이다. 이를 무엇이라 표현해야 할까? 여성에 대해 양가적이라고 해야 할까?
테벨라이트의 아버지는 좋은 사람이었으며 무척 훌륭한 파시스트였다. 재단사의 딸이었던 어머니는 자식이 맞아 싸다고 여기시면서도 어쨌든 달래시는 등 양가적이었다. 저자에 의하면 그것이 파시즘 교육의 두 번째 단계였다. 이 책에는 자서전적 삽화들이 끼어들고 부모를 통해 경험한 파시즘의 역사가 서술된다.
이 부분을 읽으며 한스 요하임 마즈의 [사이코의 섬]을 생각하게 된다. 테벨라이트와 한 살 차이의 저자는 옛 동독 지역의 신경정신과 의사다. 이 책에서 저자는 ”나 또한 나의 내면에서 마치 권력 소유자처럼 행동하고 대체보상을 구하려는 경향을 발견“했다고 말하는가 하면 ”자신의 무력함을 권력 행세를 통해 감추고자 하는 유혹을 나는 잘 알고 있다.“는 말을 한다.
저술에는 자전(自傳)적 요소가 반영되지 않을 수 없다. 이런 점은 불편할 수 있다. ‘1000 페이지가 넘는 심연을 응시하면 그 심연도 당신을 응시한다‘는 소개 글이 눈에 띈다.
이런 점 때문에 소설, 시, 정신분석을 떠나 있었다. 최근 읽은 카밀라 팡의 [궤도 너머]는 나에게 출구를 보여준 책이다. 카밀라 팡에 의하면 과학은 호기심을 자극하고 새로운 시각으로 세상을 바라보게 하며 유연한 사고를 기르되 규율과 틀을 함께 제시하는 탐구 방법이다. 이런 유연한 시각으로 읽을 책이 [남성 판타지]다. 굴곡져 눈쌀을 찌푸리게 하고 절벽 아래로 떨어지는 듯한 감정을 갖게 하는 숱한 장면들을 흔들리지 않고 읽어낼 수 있기를...물론 후련함은 기본일 것이다.

음악과 천문학이 만나는 아름답고 의미 있는 순간을 찾아서... - [천문대에 피아노가 떨어졌다 - 시공간을 공명한 천문학자×음악가의 우주적 평행이론]

벤투의스케치북 — Sat, 28 Mar 2026 14:49:00 +0900

천문대에 피아노가 떨어졌다 - 시공간을 공명한 천문학자×음악가의 우주적 평행이론
지웅배.김록운.천윤수 지음 / 롤러코스터 / 2026년 01월

지웅배(천문학자), 김록운(피아니스트, 공연기획자), 천윤수(미학자) 공저의 [천문대에 피아노가 떨어졌다]란 책이다. '행성의 궤도에서 찾아낸 바흐의 화음부터 무조음악과 공명한 양자역학까지 과학과 예술이 맞닿은 4가지 평행우주'란 설명이 눈길을 끄는 책이다. 4가지 평행우주란 1. 조율(케플러 x 바흐), 2. 변주(갈릴레이 x 드뷔시), 3. 불협화음(하이젠베르크 x 쇤베르크), 4. 공명(호킹 x 베토벤)이다. 정리하면 케플러, 갈릴레이, 하이젠베르크, 호킹이 과학자이고 바흐, 드뷔시, 쇤베르크, 베토벤이 음악가다.
본문에 이런 내용이 있다. 물리학, 화학, 생물학, 지질학 가운데 천문학이 가장 음악과 가깝다는 말이다. 아인슈타인은 케플러가 고정된 화성(火星)을 사용한 것은 진정한 천재의 아이디어였다고 말했다. 인상적인 대목은 “오랫동안 인류는 완벽한 원으로만 된 이상젹인 우주를 상상했지만 현실은 그렇지 않았다. 우주도 조금씩 어긋나고 삐걱거리는 세계였다.”(47 페이지)는 말이다.
평균율을 만든 빈센초 갈릴레이 이야기도 나온다. 이 사람은 갈릴레오 갈릴레이의 아버지다. 우주가 드러내는 삐걱대고 어긋나는 면모를 오류로 바라보지 않고 우주 본연의 모습으로 받아들이게 되었을 때 비로소 천문학자와 음악가가 모두 평화를 찾았다.(55 페이지) 바흐는 자신이 할 수 있는 한 오늘날 서양음악에서 사용하는 모든 조성을 시도하고 탐구했다. 인간의 기쁨과 눈물, 탄식과 웃음, 온갖 감정과 이야기를 건반 위에 올려놓았다. 조성에 따라 곡 분위기가 어떻게 달라지고 또 어떤 스타일로 작곡해야 하는지를 책 한 권으로 정리했다. [평균을 클라비어 곡집]이다.
평균율 클라비어 곡집은 단순한 음악 모음집이 아니다. 24가지 조성으로 호모 사피엔스의 희로애락을 담은 감정의 타임 캡슐이다. 특히 이 곡집에서 절반을 차지하는 푸가는 다양한 감정이 복합적으로 발현되고 뒤섞이는 인간 감정의 입체적 특성을 투영한다. 그래서 흥미롭다. 하나의 선율로 된 성부의 뒤를 따라 비슷하게 조금 다른 성부가 뒤섞인다. 계속 새로운 성부가 하나하나 추가되면서 다층적인 곡이 완성되는 다성음악이다. 일종의 돌림 노래라고 할 수 있다. 조화롭되 그렇지 않은 약간의 어긋남이 곡을 더욱 풍성하게 만든다. 인류도 언젠가 사라질 수밖에 없는 운명이라면 지구 그 바깥에 존재할 또 다른 생명체에게 남기는 추억으로 바흐의 평균을 클라비어 곡집을 보이저 탐사선에 포함하기로 선택한 것은 탁월한 결정이었다.
바흐의 평균율이 조화롭되 그렇지 않은 약간의 어긋남이 존재하는 곡이듯 칼 세이건은 외계는 지구와 비슷하되 미세하게 다르다고 생각했다. 케플러는 각 행성 주기를 두 번 곱한 수치는 궤도 반지름을 세 번 곱한 수치와 같다는 사실을 발견했다.(73 페이지) 태양계 모든 행성의 공전주기를 제곱한 수치와 궤도 반지름을 세제곱한 수치가 정확히 같은 것은 모두 동일한 태양 중력의 지배를 받고 있기 때문이다. 그는 바로 이것이 조물주가 우주를 창조한 수학적 조화라고 생각했고 이 관계를 조화의 법칙이라 부르며 찬양했다.
우주의 무게 만큼이나 바흐 음악은 묵직하게 느껴진다. 바흐가 장엄하고 신성한 분위기를 요구하는 궁정 교회에서 대부분의 음악 활동을 했기 때문일 것이다. 그의 작품은 깊은 신앙적 메시지를 담고 있다. 또한 경건하되 환희에 찬 분위기의 곡이 많다. 갈릴레오 갈릴레이는 달을 바라보던 늑대인간이라 불렸다.(90 페이지) 망원경은 원래 땅을 보는 도구였다. 전쟁터에서 적진을 살피거나 항해사가 육지를 둘러볼 때 사용하는 매우 일상적인 도구였다. 다만 그들과 갈릴레이 사이에 차이가 있다면 망원경으로 땅이 아닌 밤하늘의 별을 겨냥했다는 점이다. 갈릴레이는 처음으로 망원경의 고개를 들어올린 인물이다.(93 페이지)
갈릴레이는 절대 보름달을 그리지 않았다. 태양빛이 비스듬하게 비추는 반달과 초승달만을 그렸다. 달의 거친 면모를 드러내기 위해서였다. 갈릴레이는 목성의 위성을 발견하고 하늘의 모든 존재가 지구만을 중심으로 돈다는 아리스토텔레스의 우주관이 잘못된 것임을 알았다. 본문을 통해 moon이 달 외에 위성을 의미하기도 한다는 사실을 알게 된다.
자연은 우리에게 감상의 방향을 강요하지 않는다. 자유를 허락한다. 하지만 자연을 노래하는 음악은 명확한 감상의 방향을 제시한다. 그리고 관객의 감상을 그 틀 안에 가두려고 한다. 드뷔시는 건반 위에서 중력을 사라지게 만들고 싶었다.(119 페이지) 드뷔시는 중력에 방향성을 입히는 반음을 과감하게 지워버렸다. 드뷔시는 '달빛'에서 특정구간에서만 온음 음계를 활용했다.
갈릴레이는 지구 자체의 움직임 때문에 밀물과 썰물이 반복된다고 주장했다. 당시 그는 이것이 지구 공전의 확실한 증거라고 생각했다. 잘못된 생각이지만 결과적으로는 지구가 움직인다는 올바른 결론으로 이어진 흥미로운 사례다.(126 페이지) 목성의 네 위성(이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토)은 얼음과 암석으로 뒤덮인 얼음 위성이다. 모두 아래에 두꺼운 지하 바다가 있다. 이는 목성의 강한 중력 때문이다. 목성이 가하는 압도적으로 강한 중력이 위성들에게 스트레스를 안기게 된다. 그 결과 위성들은 조금씩 양옆으로 찌그러지고 내부 스트레스가 누적되면서 높은 온도가 유지된다. 그래서 내부에 얼음이 얼지 않은 채로 액체 바다가 존재할 수 있는 것이다. 이는 지구 바닷물이 달의 중력에 붙잡힌 채 달과 같이 움직이면서 주기적인 밀물과 썰물을 발생시키는 것과 정확히 원리가 같다.
별 내부는 온도와 압력이 극단적으로 높은 플라스마 상태다. 원자핵과 전자가 분리된 상태여서 입자들이 빚에 가까운 속도로 부딪혀 충돌하며 더 무거운 원자핵으로 뭉친다. 쇤베르크는 세상 풍경이 바뀐다면 음악이 향하는 대상도 달라져야 한다고 생각했다. 그는 알렉산더 폰 쳄린스키에게 잠깐 과외를 받은 것 말고는 평생 독학으로 음악을 익혔다.(144 페이지) 조성 자체를 소멸시킨 쇤베르크의 음악은 입자와 파동의 경계를 허문 물리학자들과 통한다. 쇤베르크는 자신의 음악이 조성을 부정하는 무조음악이 아니라 조성을 확장하는 범조성 음악이라 주장했다.
하이젠베르크는 자연의 가장 작은 숨결인 원자의 움직임 속에서 보이지 않는 선율을 들으려 했다. 물리학은 물체의 움직임을 이야기하는 학문이다. 파장이 짧은 빛은 에너지가 크다. 그래서 빛을 원자에 비추는 순간 원자 자체의 움직임에 변화를 준다. 빛이 닿기 전에 원자가 얼마나 빠르게 움직이고 있었는지를 알 수 없게 되는 것이다.(156 페이지) 하이젠베르크는 철저한 수학적 체계로 점철되어 있던 물리학을 음악으로 승화시켰다.
나치 과학자들은 아인슈타인의 이론을 토대로 삼는 상대성이론과 양자역학을 유대 물리학(Jewish Physics)이라고 하며 공격했다. 우라늄 원자핵에 중성자가 부딪히면 거대한 질량을 가진 우라늄 원자핵이 작은 조각들로 분열한다. 이때 새로운 중성자 두 개와 함께 엄청난 에너지가 방출된다. 방출된 중성자가 주변의 다른 우라늄 원자핵과 부딪히면서 다시 분열을 일으킨다. 이 과정이 무한 반복된다. 이를 연쇄반응이라 한다. 칼 세이건은 인류가 스스로 문명을 파괴할 수 있는 기술적 수단과 능력을 갖추었지만 그런 파국이 일어나지 않도록 하기 위해 무엇을 해야 할지 지혜를 충분히 얻지 못한 단계라고 평가했다.(165 페이지)
우주의 열기는 지난 138억 년 동안 우주의 팽창과 함께 식었다. 탄생 초기의 그 뜨겁던 기운은 이제 절대영도 가까이 희석되었다. 물론 아무리 식었다 해도 흔적은 깨끗하게 사라지지 않는다. 아주 민감한 온도계로 잰다면 미미하게나마 잔열(殘熱)을 포착할 수 있다. 우주 초기 빅뱅의 잔재로 남은 열복사의 흔적을 우주배경복사라 한다. 빅뱅에서 시작된 우주 탄생과 팽창의 역사는 예상치 못한 극적인 전개를 맞았다. 우주의 열기가 지나치게 고르게 식은 것이 미스테리로 등장한 것이다. 마치 태초의 우주가 섬세하게 조율된 피아노처럼 미세조정을 거친 듯 했다.
원자핵보다 크기가 작던 태초의 우주가 수십 광년 이상으로 확장한 극단적 팽창을 우주론적 인플레이션이라 한다. 오늘날 우리가 바라보는 은하와 우주 거대 구조는 인플레이션을 거쳐 작은 요동(搖動; fluctuation)이 증폭된 결과다. 하이젠베르크의 불확정성원리는 이렇게 이야기한다. 우리가 이 광활한 우주의 한 자리에 존재하는 이유는 태초의 인플레이션이 일어난 순간에 우리가 지금 있는 곳의 밀도가 주변보다 아주 살짝 높았기 때문이다. 지금의 우주는 양자(量子) 요동에서 태어났다. 우주는 불확정성과 불협화음으로 시작되었지만 그 혼돈 속에서 지금의 별과 은하가 탄생했다. 불확정성과 불협화음은 결코 단순한 무질서가 아니다. 그것은 우리가 알지 못하는 아름다움과 가능성의 전조다.(181 페이지)
얼핏 생각하면 빛은 질량이 없기 때문에 중력의 영향을 전혀 받지 않아야 할 것 같지만 아인슈타인에 의해 질량이 없어도 중력의 영향으로부터 자유로울 수 없다는 점이 밝혀졌다. 우주의 시간과 공간 자체가 휘고 왜곡될 수 있다는 의미다. 빛은 언제나 직진한다. 하지만 빛이 나아가는 무대는 왜곡될 수 있다. 무거운 별처럼 질량이 큰 물체는 주변 시공간을 움푹하게 왜곡한다. 빛은 여전히 직진하지만 시공간 자체가 왜곡되었기에 나아가는 경로가 휘어 보이는 것이다.(203 페이지)
블랙홀은 부피가 0이다. 무한히 작은 부피 안으로 붕괴해버린 그 지점을 특이점이라 한다. 호킹은 우주는 블랙홀에서 탄생했고 블랙홀은 우주를 품고 있다고 말했다. 블랙홀은 우주에서 아인슈타인의 상대성 이론을 입증하기에 가장 좋은 실험 무대다. 베토벤 음악은 블랙홀을 닮았다. 시간을 왜곡하기 때문이다. 베토벤은 남들과는 다른 시간 흐름 속에서 살았다. 비현실적으로 빠른 템포를 남겼다.(216 페이지)
블랙홀은 정의 자체부터 빛나지 않는 천체다. 그래서 빛을 담는 그릇인 망원경은 그 앞에서 무력하다. 블랙홀은 보는 것이 아니라 느껴야 한다. 베토벤도 단순히 음악을 듣지 않았다. 청각의 부재 속에서 시각과 촉각과 감각을 동원해 음악을 진정으로 느꼈다. 호킹은 블랙홀이 빛을 낸다고 예측했다. 블랙홀의 강력한 중력이 불확정성 원리에 의해 수없이 나타났다가 사라지는 에너지가 극(極)이 달라 쌍소멸하는 것을 막을 때(떨어지게 할 때) 마이너스의 에너지는 블랙홀에 흡수되고 짝을 잃은 플러스 에너지는 소멸되지 못한 채 에너지를 발산하는 것이다.
호킹은 거대한 질량이 한 점에 붕괴되는 순간을 이해하려면 중력과 시공간을 설명하는 일반상대성이론뿐 아니라 미시 세계를 이해하는 양자역학이 결합해야 한다는 통찰을 제시했다. 베토벤은 하루 아침에 청력을 잃은 것이 아니라 젊은 시절부터 세상을 떠나는 순간까지 점차적으로 진행되었다. 시기에 따라 베토벤에게 허락된 음역대가 계속 바뀌었다. 그 변화가 베토벤 음악 인생에 고스란히 반영되었다. 베토벤은 청력을 완전히 잃은 후에는 음악을 듣지 않고 상상했다.

전설적인 탐조가를 다시 생각하며 전하는 자연, 새, 인간 이야기 - [모든 새를 보았다고 믿은 남자]

벤투의스케치북 — Sat, 21 Mar 2026 18:22:00 +0900

모든 새를 보았다고 믿은 남자
켄 코프먼 지음, 조주희 옮김 / 일레븐 / 2026년 03월

전설적인 자연주의자이자 탐조가인 켄 코프먼(Ken Kaufman; 1954 - )의 [모든 새를 보았다고 믿은 남자]는 새와 자연에 관한 넓은 지식, 합리적인 생각을 만날 수 있는 탐조 역사의 고전이라 할 책이다. 모든 새를 보았다고 믿은 남자란 제임스 오듀본(1785-1851)을 이르는 말이다. 오듀본은 현대 조류학/ 생태학의 아버지로 불리는 사람이다. 몇 가지 면에서 윌리엄 스미스(1769 -1839)와 비슷한 사람이다. 선구자라는 점, 빚 때문에 감옥에 갇히기도 했다는 점 등이다. 윌리엄 스미스는 영국 최초의 지질도를 만든 사람이다.
저자는 우리 모두 탐험가로 이 세상에 태어난다고 말한다.(37 페이지) 저자 켄 코프먼은 존 제임스 오듀본의 기록이 손녀 등에 의해 가필, 수정되었다고 주장한다. 사실과 다른 부분이 많다는 의미다. 저자는 오듀본의 삶을 깊이 들여다보면 마치 희미한 조명이 비치는 거울의 방에 들어선 듯한 기분이 든다고 말한다. 수많은 이야기와 일화가 우리를 둘러싸지만 그 중 상당수는 서로 모순되며 검증 가능한 사실은 래브라도의 참새처럼 좀처럼 찾아내기 힘들다는 것이다.
자신의 세대가 (존 제임스 오듀본 이후) 200년에 걸쳐 축적된 지식의 혜택을 톡톡히 누리고 있다고 말하는 저자는 인간 문명의 경계를 벗어난 풍요로운 자연과 생명에 매료된 사람들은 이름에 대한 열정을 오래도록 품는다고 말한다.(38 페이지) 저자는 200년에 걸친 세심한 관찰과 연구 덕분에 오늘날 우리는 철새의 경로에 관해 많은 사실을 알게 되었다고 말한다. 우리가 새를 관찰할 때 보이는 것은 단편일 뿐이지만 그동안 축적되어 온 지식의 틀에 내가 관찰한 것을 끼워 적용하면서 지금 보고 있는 현상이 무엇인지 파악할 수 있다는 것이다.(118 페이지)
곁가지 즐거움 거리 중 하나가 린네와 뷔풍의 대결이다. 지질학에 관한 책을 통해 우주의 나이가 성경적 분석으로 제시된 약 6000년이라는 주장이 틀렸으며 지구의 나이가 당시 받아들여지던 인식보다 훨씬 더 오래 되었을 것이라고 주장한 뷔퐁은 린네를 겨냥해 "다른 사람을 따르기 위해 스스로를 굴복시키고 싶지 않으며 자연의 섭리에 대하여 그들 멋대로 지어낸 생각과 구조를 표현하는 하찮은 표 따위로 서로 어울리지도 않는 존재들을 우스꽝스럽게 연관 짓는 명명론자들의 어설픈 현학을 모방하고 싶지도 않았다"고 말했다.
뷔퐁은 새의 외모만으로는 종 사이의 진정한 관계를 판단할 수 없다고 보고 행동을 조류를 분류하는 중요한 기준으로 삼았다. 1890년대 플로렌스 머리엄이 birding이란 단어를 탐조의 의미로 썼다. 1600년대 셰익스피어는 birding을 새 사냥의 의미로 썼다. 저자는 알렉산더 윌슨, 존 제임스 오듀본 등이 훨씬 더 많은 조류 종을 정교하게 묘사한 것을 일러 이 정도의 정밀한 묘사는 새를 산 채로 포획하거나 사냥하여 죽은 새를 눈앞에 두고 자세히 관찰하지 않았다면 불가능했을 것이라고 말한다.
당시는 쌍안경이나 카메라가 없던 시대였다. 저자는 오듀본이 노예를 사고 팔았다는 사실은 외면한 채 새를 사냥했다는 사실에만 분노하는 사람들도 이해할 수 없다고 말한다. 오듀본은 갓 죽은 새를 눈앞에 두고 깃털 하나하나를 사진보다 훨씬 더 직접적으로 살펴볼 수 있었다.이는 큰 장점이었지만 갓 죽은 새 표본을 오래 보관할 수 없기 때문에 아주 빠르게 작업해야 했다. 특히 더운 날씨에는 더욱 그랬을 것이다.(141 페이지)
오듀본은 역사상 가장 유명한 새 화가였다. 저자는 살아 있는 새를 관찰하며 스케치 하는 일이 자신에게 가장 큰 만족을 주는 일이라 말한다.(107 페이지) 새를 그린다는 것은 여러 곳을 다녀야 한다는 뜻이기도 하다. 저자 역시 자신의 나라인 미국의 50 개주를 모두 방문했다. 저자는 매번 낯선 길로 들어설 때마다 새로운 발견이 숨어 있을지도 모르는 미지의 세계로 발을 디디는 것 같아 낭만과 설렘을 느낀다고 말한다.(267 페이지)
저자는 토머스 제퍼슨이 오하이오 강을 지구상에서 가장 아름다운 강이라고 표현한 것에 대해 이야기한다. 설명인즉 제퍼슨은 이 강을 직접 본 적이 없었기에 그의 말은 강의 시각적 매력에 대한 찬사라기보다 교통과 무역에 대한 강의 가치를 높이 평가한 표현일 것이다.(115 페이지) 미국의 제 3대 대통령 제퍼슨은 유명 조류학자이기도 했다.(76 페이지) 오듀본 역시 미국의 여러 곳을 다녔다. 1800년대 초의 자연주의자들은 새들이 이동에 대해 거의 이해하지 못했다.
계절과 새들의 이동 방향의 관계성을 조금씩 알아채기 시작했지만 철새의 규모나 이동거리는 알 방법이 없었다. 책의 원재는 [The Birds That Audubon Missed]다. 오듀본이 놓친 새들이라는 뜻이다. 가령 저자는 오늘날의 탐조가들이 그 옛날 오클리 농장에서 오듀본이 기록한 새들을 보면 그의 분류 방식에 의아함을 느낄 것이라 말한다. 그는 그곳에서 붉은눈비레오를 보았지만 붉은눈은딱새라고 불렀고 학명에는 솔새라고 이름 붙였다.
루비상모솔새는 루비상모굴뚝새라고 불렀고 학명에는 역시 솔새라고 이름 붙였다. 한편 솔새의 일종인 휘파람새, 북방흉내지빠귀새, 회색개똥지빠귀를 모두 지빠귀 종으로 분류했다.(160 페이지) 이에는 시대적 차이도 관계한다. 존 오듀본은 잃어버린 도팽이라는 신화의 주인공이기도 하기도 하다. 도팽(dauphin)은 프랑스 군주제에서 왕위 계승자 즉 황태자를 지칭하는 말이다.
저자는 자신의 동네(오하이오 북서부의 이리호 주변)를 세계 솔새의 수도라고 부른다. 저자에 의하면 미국의 솔새는 열렬한 조류 애호가와 일반인을 구분하는 리트머스 시험지 역할을 한다.(219, 220 페이지) 저자는 솔새가 지나갈 때, 주변에 나무와 덤불이 경이로운 생명체를 품고 있을 때 우리는 희귀성에서만 만족감을 찾을 필요는 없다고 말한다. 탐조 입문자에게는 솔새 한 마리 한 마리가 마치 수수께끼처럼 신비롭게 느껴질 것이고 노련한 탐조가에게는 이번 시즌에 처음 또는 오늘 처음 마주치는 솔새 종 하나가 큰 기쁨을 줄 수 있다는 것이다.
본문에는 지리학 이야기도 나온다. 본토보다 반도 끝에서 종의 다양성이 감소하는 현상에 대한 것이다. 이 현상은 전 세계 여러 지역의 다양한 동식물 집단에서 관찰된다고 한다. 이러한 현상을 일괄적으로 설명하는 이론은 없다. 하지만 섬 또는 섬처럼 고립된 곳에 서식하는 생물의 지리적 패턴을 탐구하는 섬생물 지리학의 일반적인 원칙과 관련이 있는 것으로 보인다. 섬은 본토보다 종의 이주와 소멸이 더 빈번하다. 기존 생물 종은 사라지고 이상하게도 우연히 섬에 도착한 새로운 생물 종이 자리를 잡을 가능성이 높다.
저자는 개척가적인 탐험 정신도 중요하지만 전 세계에 걸쳐 수십 년 또는 수백 년의 연구로 방대한 데이터가 축적된 분야에 뛰어드는 것도 장점이 있다고 생각한다고 말한다. 그래야만 비로소 뚜렷하게 드러나는 미세한 패턴이 있기 때문이다.(267 페이지) 쉽게 왔다가 쉽게 떠나는 것이 반도와 섬으로 이루어진 역동적인 플로리다 생태계의 특징이다.(281 페이지) 저자는 도요물떼새를 가장 좋아하는 생물 중 하나라고 말한다.
그는 도요물떼새들의 열렬한 팬이다. 하지만 처음부터 그랬던 것은 아니었다. 탐조를 시작할 당시 매년 도요물떼새의 종을 파악하고 식별하는 것이 어렵기만 했다. 알아낸 것 같다가도 다시 보면 또 의심스러웠다. 혼란은 끝나지 않았다. 어쨌든 그건 오래 전의 일이고 이제는 자신 있게 자신이 보는 모든 도요물떼새의 이름을 댈 수 있다고 말한다.(294 페이지)
저자는 오듀본과 자신을 비교하기도 한다. 즉 자신은 오듀본처럼 능숙하게 다양한 도구와 자료를 활용하는 것이 익숙하지 않았다고 말한다.(322 페이지) 저자는 오듀본의 생각을 추측하기도 한다. "미국 청둥오리가 텍사스에서 둥지를 튼다는 사실이 오듀본에게는 이상하게 느껴질 것이다"라는 식으로. 텍사스는 저자가 탐조 역사에서 각별히 여기는 거대한 존재다. 미국 전역의 탐조가들에게 가장 좋아하거나 가장 가고 싶은 여행지를 뽑으라고 물으면 늘 텍사스가 손꼽힌다.(329 페이지)
북미 오리 종 대부분은 북쪽 지역에서 번식한다. 겨울 동안 걸프 연안 근처의 습지로 방대한 무리가 몰려들지만 대부분 겨울이 끝나기 전에 북쪽 대초원의 연못, 북극 숲의 호수, 심지어 북극 툰드라로 향한다. 봄이 절반쯤 지나면 남쪽 바다는 겨울에 북적거리던 모습과는 사뭇 다르게 지친 낙오자만 드문드문 흩어져 으스스할 정도로 텅 비어 있다. 따라서 추운 북동부 해안의 상징인 미국 청둥오리가 텍사스 걸프 연안에 둥지를 틀었다는 것이 당연히 이상하게 보였을 것이다.(337, 338 페이지)
새로운 발견을 위해 자연주의자들이 아무리 만반의 준비를 하고 현장으로 나가도 바로 눈앞에서 새로운 것을 놓칠 수 있다는 사실은 씁쓸하다. 대부분의 경우 우리는 우리가 무엇을 놓쳤는지조차 알지 못한다. 인간의 일생은 너무 짧아서 생물의 다양성과 자연의 풍요로움을 전부 이해하기엔 턱없이 부족하다. 하지만 작은 시도도 우리의 일상을 기쁨으로 가득 채울 수 있다.

책의 후반부에 사냥 이야기가 또 나온다. 에스키모 쇠부리도요새와 관련해서다. 1963년 봄에는 갤버스턴섬에서 한 마리도 발견되지 않았지만 그해 가을 9월 초 카리브해 동부의 바베이도스 섬에서 한 사냥꾼이 에스키모 쇠부리도요를 사냥했다. 이 새가 아직 존재한다는 가장 확실한 증거였다. 그는 이 표본을 보관하다 나중에 박물관으로 보냈다. 저자는 60년이 지난 지금도 여전히 에스키모 쇠부리도요새를 기다린다고 말한다.(352 페이지)
저자는 나그네 비둘기나 에스키모 쇠부리도요와 같은 종에 대해 우리는 그저 다양성의 한 조각 즉 하나의 개체군만이 아니라 이 대륙이 자랑하던 풍요로움을 잃었다고 말한다.(353 페이지) 프랑스의 자연주의자 조르주 퀴비에는 멸종이라는 개념이 낯선 1800년대 초에 멸종은 자연스러운 과정이라는 주장을 폈다. 조르주 퀴비에는 지질학에서 격변론을 주장한 인물이다. 저자는 예전의 풍요로움은 어디로 사라졌을까?라고 묻는다. 글쎄, 이들 대신 우리가 나타났다. 인간들 말이다.
특히 유럽에서 온 정착민들이 북미 대륙의 모습을 바꾸어 놓았고 이 대륙은 예전만큼 많은 야생동물을 지탱할 수 없게 되었다. 저자는 대부분의 조류 종 개체수를 과거 수준으로 되돌릴 수는 없다고 말한다. 아무리 헌신적으로 노력해도 토지의 수용 능력이라는 현실의 벽에 부딪히고 말 것이라는 뜻이다.(362 페이지) 이런 말을 들어보라. "야생 비둘기와 마도요 등을 학살했던 파괴적 인간들은 그들이 없앤 자연의 풍요로움처럼 오래전 이미 이 세상에서 사라졌지만 그 탐욕과 어리석음은 여전히 살아남아 더 교활하고 이기적인 방식으로 지구상의 모든 생명을 위협하고 있다. 여기서 더 잃으지도 모를 경이로운 자연을 생각하면 분노 하며 당면한 문제에 집중하는 것은 당연하며 올바른 일이다."(363, 364 페이지) 백번 공감한다.
저자는 오듀본이 연구 내용을 표절하고 내용을 지어내는 등 부정을 저지른 것은 틀림없지만 지식 추구에 엄청난 노력을 기울인 점 역시 분명하다고 말한다. 저자는 오듀본은 노예제 찬성론자, 백인 우월주의자, 과학 사기꾼 등으로 여러모로 끔찍한 사람이었지만 그의 내면에는 더 다양한 종류의 새를 그려 경쟁자들을 이기기 위해 끊임없이 노력하는 와중에도 진정한 예술 작품을 만들어 낼 수 있는 아름다운 면이 존재했다고 말한다.
저자는 오듀본의 예술적 스타일을 모방하려는 시도는 이제 영원히 내려놓으려고 한다고 말한다. 흥미로운 실험이긴 했지만 이제는 끝이다. 진정한 예술을 창조하고 싶다면 다른 사람의 것을 훔치려 하지 말고 내면의 비전을 끌어내야 한다는 사실을 깨달은 결과다.(421, 422 페이지) 오듀본의 작품처럼 예술적이지는 않을 것이고 그만큼 유명해지지는 않겠지만 적어도 틀림없는 나만의 작품으로 영원히 남을 것이라는 뜻이다.
오늘날 발견은 공동의 경험이며 이 경험이 공유되는 범위는 점점 더 넓어지고 있다. 미국이나 캐나다에서 새로운 조류 종을 정의하려면 유전자 데이터가 필요하고 이러한 DNA 분석은 실험실의 전문가들만이 실시할 수 있다. 저자는 거의 모든 지식 추구 과정과 마찬가지로 조류 연구에서도 발견한 많은 이들이 함께한 모험과 공유된 경험, 공동 노력의 산물이었다고 말한다.(454 페이지)
이 부분에서 생각할 책이 있다. 카밀라 팡의 [궤도 너머] 라는 책이다. 생화학자 카밀라 팡 역시 이 책에서 같은 논조를 선보였다. 카밀라 팡은 “과학은 혼자서 개척하고 씨름하는 일이 아니다. 더 많은 발견을 위해 함께 비옥한 토양을 파헤치는 일에 더 가깝다. 공동연구는 거의 언제나 바퀴를 부드럽게 널리는 윤활유이자 발전을 가져오는 촉매다.”라고 말했다. 수렴하는 부분이 충분하다. 450 페이지가 넘는 [모든 새를 보았다고 믿은 남자]는 그 만큼 압도적인 탐조 즉 지적 탐험의 소산이다. 흥미 있게 읽은 책이다.

놀랍도록 명철하고 넓고 포괄적인 시야와 지식을 가진 점은 생물화학 박사의 과학과 삶에 관한 깨달음 - [궤도 너머 - 불확실한 세계를 돌파하는 과학의 태도]

벤투의스케치북 — Thu, 19 Mar 2026 22:07:00 +0900

궤도 너머 - 불확실한 세계를 돌파하는 과학의 태도
카밀라 팡 지음, 조은영 옮김 / 푸른숲 / 2026년 02월

저자는 여덟 살에 자폐 스펙트럼 장애를, 스물여섯 살에 ADHD 진단을 받은 생물화학자인 카밀라 팡이다. 카밀라 팡은 “자폐성 뇌로는 도무지 납득할 수 없는 세상“이란 말을 한다. 카밀라 팡은 ADHD 뇌를 장착했다는 것은 삶에서 가장 어려운 일이 집중하기라는 의미라고 말한다.(77 페이지) 카밀라 팡은 다른 생각들을 멈추고 한 곳을 명확하게 보는 일이 참 힘들지만 그것은 과학자로 생각하고 일하는 데 근본이 되는 요소라고 말한다. 카밀라 팡은 자신에게 과학은 영원한 안식처라 말한다. 카밀라 팡은 과학 이론과 법칙이 주는 확실성 속에서 달콤한 위안을 찾곤 했다. 나는 카밀라 팡의 태도에서 나의 모습을 발견한다.
카밀라 팡이 과학과 맺은 관계는 진화했다. 세상에는 과학의 규칙으로는 설명 불가능한 변칙, 예외, 이례가 수두룩하다는 생각을 갖게 된 것이다. 카밀라 팡은 과학에 내재한 불확실성을 받아들이면서 더 많은 발견을 탐하게 되었고 그럴수록 더 넓게 그물을 던졌다고 말한다. 그러나 그물을 너무 넓게 던지면 자신이 무엇을 끌어당기는지 보이지 않는다고 말한다.(77 페이지) 카밀라 팡은 모든 것이 연결된 이 세상에 대해 말한다. 카밀라 팡은 과학은 혼돈 그 자체여서 더 흥미롭다고, 물론 과학에는 범접하기 어려운 수준의 엄밀함과 지식, 기술이 요구된다고 말한다. 카밀라 팡은 실패에 쉽게 좌절하지 말고 자기의 아이디어와 지나치게 사랑에 빠지지 말라고 말한다.
카밀라 팡에 의하면 과학은 호기심을 자극하고 새로운 시각으로 세상을 바라보게 하며 유연한 사고를 기르되 규율과 틀을 함께 제시하는 탐구 방법이다. 카밀라 팡은 자신을 신경 다양인이라 표현한다. 자신과 같은 뇌를 가진다는 것은 입력된 데이터와 세부 사항이 머릿속에서 영원히 회전하는 가운데 매일매일 자기가 본 바를 이해하려 애쓰며 살아야 한다는 뜻이라 말한다. 카밀라 팡은 관찰의 중요성에 대해 이렇게 말한다. ”예상에 기반해 가정하는 대신 실제로 일어난 일을 관찰한다는 과학의 기본 원리는 여전히 유효하다.“ 잉게 골드스타인, 마틴 골드스타인은 ”이 세상에 존재 가능한 사실은 그 수가 무한하므로 무엇은 중요하고 무엇은 중요하지 않을 듯하다는 개인의 느낌에서 시작할 수밖에 없다. 이것이 진실이다.“란 말을 했다.
과학자들이 관찰에 투영하는 선입견은 연구를 효과적으로 돕는 만큼이나 연구에 방해가 되기도 한다. 지나치게 개방적인 자세와 선입견에 휘둘리는 자세 사이에서 적절한 균형을 유지하는 것이 필요하다. 전자라면 갈피를 잃을 가능성이 높고, 후자라면 선입견에 휘둘릴 가능성이 높다. 카밀라 팡은 ”수학 법칙은 현실을 설명하기엔 확실하지 않고, 확실한 수학 법칙은 현실과 관련이 없다.“는 아인슈타인의 말을 가장 좋아하는 과학 명언으로 꼽는다. 카밀라 팡은 어떤 종류든 암은 세포 구조, 분자, 화학 신호 물질이 이루는 복합물이라 말한다. 나는 이 말을 들으며 프랑스의 진화 생물학자 프랑수아 자콥의 말을 떠올렸다. 즉 인간은 핵산과 기억, 욕망과 단백질의 가공할 혼합물이라는 말이다.
한 과학자는 연구란 불이 꺼진 방에서 문을 찾기 위해 벽을 더듬는 과정과 같다고 말한다. 마침내 문을 찾아내 열고 나가면 더 크고 더 어두운 방이 나타난다. 과학은 선입견들을 없애지 말고 조정하라고 말한다.(46 페이지) 카밀라 팡은 훌륭한 연구자는 고정성과 유연성 사이에서 기꺼이 외줄 타기를 할 준비가 되어 있어야 한다고 말한다. 결국 모든 것에 열려 있을 때 수반되는 광범위한 가능성에 압도되지 않는 동시에 어떤 결정에 얼마만큼의 주의를 기울일지 유념해야만 비로소 관찰의 힘을 제대로 만끽할 수 있다. 과학자는 관찰과 배움, 그들이 발견한 것에 대해 계속해서 의문을 품지만 첫 관찰의 씨앗을 수확해 더 크게 키울 시점을 미루지도 않는다. 다음 단계로 넘어가야 하기 때문이다.
카밀라 팡은 논리와 이성만이 과학의 전부는 아니라고 말한다. 연구란 과거에 저지른 잘못, 시간을 낭비했다는 증거, 아직도 이해하지 못했다는 암시 등으로 자신을 매질하는 시도다. 과학은 찬란하게도 불확실한 세계다. 카밀라 팡은 종양(암)에 대해 이야기한다. 종양은 오래된 세포가 동일한 새 세포로 대체되는 선형적 패턴을 따르지 않고 조상 세포가 여러 갈래로 갈라져 각기 다른 경로로 진화해 자기만의 특성을 지닌 파생물이 된다. 이런 가지치기식 진화는 동일한 치료에 내성을 보이는 과정을 설명한다. 과학자들은 이론에 도전하고 기존 합의점이 제시하는 논리에 생긴 아주 작은 균열까지도 찾아내 설명하려 하는 사람들이다. 이는 자기 충족을 위한 일이고 중독 증상까지 일으키는 강박이다.
카밀라 팡은 종양처럼 과학 연구 과정도 선형이 아니라 가지가 갈라지며 사방으로 뻗어나간다고 말한다. 가지치기식 진화설을 규명한 발단이 된 것은 실패한 예측이었다. 카밀라 팡은 눈앞의 증거들이 자신의 아이디어가 틀렸음을 증명하다고 해서 서운해 하면 안 된다고 하며 ”증거가 가리키는 방향이 아니라 과학자가 원하는 방향으로 가는 일을 과학이라고 할 수 있을까?“라고 묻는다. 카밀라 팡은 과학에는 법칙과 확실성이 존재하지만 자유로운 사고 역시 필수라고 말한다. 카밀라 팡은 겸손은 당신이 틀렸다고 말하는 증거 앞에서 기꺼이 방향을 바꿀 줄 아는 태도라 말한다. 카밀라 팡에 의하면 가설은 길잡이지만 완성되지 않은 지도다.
카밀라 팡은 해결하려는 문제를 최대한 크게 부풀려 사방을 구석구석 뒤지고 난 뒤에야 어디에서 시작할지를 결정할 수 있다고 말한다. 카밀라 팡이 주문하는 균형에 주의를 기울일 필요가 있다. 지나치게 개방적인 자세와 선입견에 휘둘리는 자세 사이에서 적절한 균형을 유지하는 것이 필요하다고 말한 카밀라 팡은 과학자들은 널리 적용할 만큼 일반적이면서도 본연의 의미를 잃지 않을 만큼 구체적인 해답 사이에서 균형을 이루어야 한다고 말한다.(82 페이지) 그 끝이 시작점으로 연결되어야 한다. 카밀라 팡은 데이터 랭글링(Data Wrangling)이란 말을 한다. 이는 분석에 부적합한 원시 데이터(raw data)를 수집, 정제, 결합, 변환하여 구조화된 형식으로 바꾸는 전처리 과정을 의미한다.
최적 멈춤이란 의도한 결과를 달성할 기회를 최대화하는 동시에 일이 잘못될 가능성을 최소화 하는 순간을 계산하는 방식이다. 카밀라 팡은 자신과 같은 사람은 발견한 바를 요약하거나 단순화하라는 요청을 받으면 뇌가 심각한 수준으로 정지 한다고 말한다. 과학자의 현실은 훨씬 엉망진창이라고 말한다. 그들은 단서를 찾아 이리저리 헤맨다. 자신이 가는 방향을 확신하지 못한 채 계속해서 의심하다가 제자리로 돌아오기를 반복한다. 가설을 세웠다고 해서 이내 어디를 집중해서 파헤칠지 알 수 있는 것도 아니다. 프로젝트의 적절한 출발선에 도달하기까지도 많은 시행착오를 거쳐야 한다. 카밀라 팡은 가시적인 성취라는 보상이 즉각 주어지지 않아도 묵묵히 매진하는 이들이 과학의 돌파구를 만들어낸다고 말한다. 돌파구란 영어로 breakthrough다. 책의 원제가 [Breakthrough]다.
카밀라 팡은 과학은 이성적인 추구인 동시에 감정적인 추구라는 사실이라고 말한다. 연구자들은 차갑고 딱딱한 데이터와 분투하는 동시에 자기 기분 상태도 스스로 관리해야 한다. 카밀라 팡은 연구 과정의 속성상 마지막에 발견된 사실이 논문의 시작을 얼마든지 바꿔버릴 수 있다고 말한다. 과학은 게걸음 같은 이상한 춤이다. 어떠한 과학연구도 결코 홀로 존재하지 않는다. 모든 가설, 발견, 이론은 인간이 오래전부터 세계를 탐험하고 이해하려고 애써온 연속체의 일부다. 카밀라 팡은 과적합이란 말을 사용한다. 이는 특정한 한 곳에 집중된 아이디어는 다른 영역에 유용할 가능성이 제한된다는 사실을 떠올려보면 알 수 있다. 특수한 아이디어, 문제, 데이터 집합에 과도하게 집중한 나머지 지나치게 세분화되면 다른 곳에는 전혀 적용할 수 없게 된다. 그런 과학은 누구도 들을 수 없고 듣고 싶어 하지도 않는 라디오 주파수와 다를 바 없다.
과학자는 나무를 베어 길을 내야 하지만 자신이 중요한 나무를 베어낼지도 모른다는 사실을 역시 알아야 한다. 또 결론이 너무 모호해서 쓸모없어지지 않도록 충분히 구체적이고 주목받을 만한 내용으로 다듬어야 한다. 카밀라 팡은 물론 과소적합도 경계한다. 과학이란 결국 데이터 수집이 아니라 데이터를 해석하는 과정이라는 것이다. 과학의 역사는 처음에는 중요해 보였지만 결국 의미 없는 것으로 판명난 이상체, 탐구 될 가치는 있었으나 결국에는 어떤 결과도 끌어내지 못한 기이한 데이터, 대단한 결과가 탄생할 줄 알았지만 결국 용두사미가 되어버린 발견들로 가득 차 있다. 카밀라 팡은 사람들은 자기가 듣고 싶어 하는 말을 들을 때까지 무의식적으로 증거를 잘못 해석한다고 말한다. 자신의 야심찬 가설에 힘을 싣기 위해 증거를 다분히 의도적으로 잘 못 해석하는 일만이 연구자가 쉽게 빠지는 유일한 함정은 아니다.
이 스펙트럼의 반대쪽 끝에는 실제로 대단한 사실을 가리키는, 특히 현재 통용되는 중요한 과학적 합의가 잘못되었다고 암시하는 데이터를 보고도 믿지 않는 경우가 있다. 위대한 과학의 돌파구는 있을 법하지 않은 것을 믿고 단단한 틀을 깨뜨리려는 충동과 똑같은 열망에서 시작된다. 우리는 자신이 보고 배운 것을 있는 그대로 받아들여서는 안 된다. 동시에 머릿속에서 모든 가능한 결과를 떠올려 그것을 꼬고 빗으로 빗느라 길을 잃거나 마비가 될 정도로 고민해서도 안 된다.(131 페이지) 이는 앞서 이야기한 상반되는 두 행태 사이에서의 균형을 의미한다. 과학 연구에서 실수, 실패한 실험, 기각된 가설은 또 다른 엔진의 연료가 된다. 무엇이, 그리고 왜 작동하지 않는지를 보여줌으로써 새로운 해결책이 작동하기까지 한 걸음 더 나아가게 한다.
누구나 잘못된 길을 갈 수 있다. 그러나 그 현실을 피하기보다 끌어안고 나아가는 쪽이 더 생산적인 태도라는 사실만이 유일하게 확실하다.(136 페이지) 삶에서 낯설고 어려운 일을 시도할 때 좋은 결정과 나쁜 결정 중 양자택일해야 하는 경우는 드물다. 대개는 그 사이에서 선택지가 연속되거나 경로가 여러 방향으로 다양하게 갈라진다. 이 모든 것을 하나로 묶는 한 가지 사실은 실패란 어느 시점에 필연적으로 일어나며 그 때는 이것을 기꺼이 마주해야 한다는 점이다.(149 페이지) 과학의 위대한 발견은 단일 사고로 이루어진 결과가 아니었다. 원래는 다른 목적으로 자아냈던 실타래를 수년 혹은 수십 년 뒤에 누군가 집어들어 다른 방향으로 풀어내며 일어나는 경우가 많다. 그러려면 실패한 원인을 밝혀 문제를 해결해야 한다. 그리고 성공했던 부분만 추려서 따로 살핀 다음 남은 과제를 다시 창의적으로 시도할 필요가 있다.
때로 연구자는 고립되어 실험하지만 실제로 과학자들이 혼자서 일하는 경우는 드물다. 현실에서 과학연구는 상호관계의 복잡한 그물로 발전한다. 과학자들은 함께 일하면서 서로 영향을 주고받는다. 혹은 동일한 주제를 두고 독립적으로 일하기도 한다. 또한 학회에 참가해 서로의 연구를 듣고 이바지한다. 자신의 연구에 박차를 가할 신선한 통찰을 찾아 새로 출판된 연구를 열심히 파헤칠 때도 있다. 현실 속 과학은 헝클어진 머리의 과학 교수가 바깥세상과 단절되어 자기 실험실에서 홀로 분투하는 모습과는 정반대다. 때로 연구자는 고립되어 일하지만 실제로 과학자들이 혼자 일하는 경우는 드물다.
카밀라 팡은 당신이 이 세상에서 무엇을 보고 그로부터 어떤 생각을 떠올리는지가 다른 사람들이 당신을 어떻게 보는지보다 훨씬 중요하다고 말한다.(166 페이지) 리제 마이트너와 오토 프리슈는 우라늄의 핵이 실은 단단한 고체가 아니라 흔들거리는 통통한 빗방울 같아서 아주아주 약한 힘으로도 분해될 수 있다고 가정했다. 닐스 보어는 핵은 액체 방울과 같다는 생각을 했다. 그때까지 물리학자들은 핵에 중성자를 충돌시키면 기껏해야 양성자와 중성자 몇 개가 분리된다고 생각했다. 중성자처럼 작고 연약한 발사체가 핵 전체를 동강내기란 전적으로 불가능해 보였다. 그것은 마치 수영장에 한 사람이 뛰어들면 수영장의 물 전체가 흘러 넘칠 수 있다고 보는 것과 같았다.(170 페이지)
카밀라 팡은 현실에서 약간의 마찰은 필요한 요소라고 말한다. 오히려 모두가 항상 같은 의견인 것이 최악의 상황일 수도 있다고 말한다. 과학은 혼자서 개척하고 씨름하는 일이 아니다. 더 많은 발견을 위해 함께 비옥한 토양을 파헤치는 일에 더 가깝다. 공동연구는 거의 언제나 바퀴를 부드럽게 널리는 윤활유이자 발전을 가져오는 촉매라고 말한다. 과학에서 협력은 서로 다른 유형의 과학자, 나아가 서로 전혀 다른 종류의 과학이 한데 모이는 상황이기도 하다. 지구에서 단일 경작으로 황폐해진 땅을 복원시켜야 하듯이 삶의 모든 영역에서 생물 다양성이 필요하다. 카밀라 팡은 수개월이 지나고 또 수년이 지나서 돌아보면 자신을 신선한 질문과 사고방식으로 이끌었던 강연은 자기의 전공 분야에서 완전히 벗어난 주제였던 경우가 많았다고 말하는 신경과학자 로히어르 키비트의 말을 인용한다.
카밀라 팡은 과학은 우리에게 자기가 몸담은 분야의 한계를 알려준다고 말한다, 진정한 팀워크는 비판할 줄 아는 친구들로 구성된다고 말한다. 그것은 진실을 위해 사랑의 채찍을 드는 셈이다.(193 페이지) 과학은 근본 개념을 증명하기 위해 길고 굴곡진 여정을 거친다.(197 페이지) 과학자는 기술의 지속적인 발전에 의존한다. 카밀랄 팡은 스스로 무엇을 성취하고자 하든지 인내는 우리가 가질 수 있는 최고의 도구라 말한다. 애초에 과학에서 무언가가 증명 가능하다는 생각 자체가 도전이라 말한다.(204 페이지) 카밀라 팡은 증명이라는 개념이 가지는 한 가지 문제는 그 속성상 끝이 없는 과정에서 최종을 암시한다는 데 있다고 말한다.
모든 것은 언젠가 반증되거나 대체된다. 또는 적어도 불완전하다고 밝혀진다. 보편, 법칙이라는 이름이 붙은 개념조차 적절한 때가 오면 그 어느 것도 아니었음이 밝혀진다. 과학자들은 아무리 덩치가 큰 이상체라도 예외 몇 개로 이론을 폐기하진 않는다. 과학자의 본능은 처음부터 모든 것을 팽개쳐버리지 않는다. 대개는 그 이례적인 발견을 정당화하고 특정 이론이나 법칙의 경계 안에서 이해되게끔 설명하려고 한다. 그러기 위해 연구자들은 먼저 그들이 놓치고 있을 무언가를 가정한다. 존재가 밝혀지면 그 이상 현상은 설명해 줄 새로운 힘이나 변수 같은 요소 말이다. 새로운 발견이라는 유혹은 훌륭한 과학자들도 길을 헤매게 한다. 발견의 열망이 너무 커지면 실재하지 않는 존재까지 보게 된다. 신기루를 좇는 것이다.
1964년 물리학자 리처드 파인만은 어느 강연에서 ”그 어떤 확실한 이론이라도 틀렸다고 증명할 수 있다. 그러나 결코 그 이론이 옳다고 증명할 수는 없다“고 말했다. 과학에서 통념이 원리, 이론, 법칙이라는 말로는 불려도 결코 증명이라고 불리지 않는 데는 이유가 있다. 원리는 바뀔 수 있다. 이론은 오류로 증명될 수 있다. 법칙은 수정되거나 갱신될 수 있다. 그러나 증명은 절대적이고 최종적이다. 그리고 이제는 모든 사람이 알겠지만 과학이란 절대적일 수도 최종적일 수도 없다.(215 페이지) 완벽하게 준비할 필요는 없다. 끝없는 준비로 행동을 정당화할 필요도 없다. 그렇게 하다가는 평생 시작조차 하지 못한다. 일단 시도해보기 전에는 그 어떤 것도 확신할 수 없다. 그러니 일단 시작하고 나서 그때그때 배우는 편이 더 낫지 않을까?
이러한 태도는 특히 소외되는 상황에서 중요하다. 자신에 속한 업계나 커뮤니티의 틀에 자신이 잘 맞지 않는다는 느낌이 들 때 자신의 존재를 정당하고 어떻게 행동해야 할지 생각만 하면서 세월을 흘려보낼 수도 있다. 당신 같은 사람도 그런 환경에서 성공할 수 있다고 보여지는 증거는 존재하지 않는다. 스스로 의심받는다는 기분이 들기도 한다. 그러나 성공하고 싶다면 언제까지고 초대만을 기다려서는 안 된다. 닥치고 뛰어드는 것만큼 최선의 준비는 없다.(216 페이지) 어떠한 과학 이론도 본질적으로는 판타지에 불과하며 우리는 그 사실을 인정해야 한다. 과학 이론이란 특정 시스템이 어떻게 작동하는지를 설명한 이상화된 판타지다. 과학자는 그 안에서 소설가가 등장인물과 줄거리로 그러하듯 요소들을 배열한다.
이러한 그림 대부분에는 설득력을 가진 증거가 있고 판타지는 명료함을 달성하는 유용한 방법임을 증명할 수도 있다. 그렇다고 해도 결국에는 그럴듯한 환상 그 이상도 이하도 아니다.(219 페이지) 증명을 향한 충동은 과학이라는 작업을 계속 유지시킨다. 그러나 그로 인해 연구자들은 막다른 골목으로 가게 된다. 혹은 증명을 과도하게 추구하면서 균형감을 잃는다. 이는 우리 모두가 귀 기울여야 하는 경고다. 우리는 문제에 대한 해답을 쥔 듯 반짝이는 물체 앞에서 주위가 흐트러진다. 그러나 차를 빠르게 몰고 다닌다고 해서 남성성이 증명되지는 않고 Instagram 팔로워 수가 진짜 인기를 증명하지 못한다. 우리가 추구하는 일이 우리를 의미 있는 목표로 이끌기보다 길을 잃게 할 때가 더 많다. 증명되지 않은 이론이라도 멋지고 유용할 수 있다.
인생도 우리가 성공과 연결 짓는 사회적 지위라는 상징 없이도 얼마든지 행복하고 충만할 수 있다. 과학은 너무 근시안적으로 집중하느라 진정으로 중요한 일을 잊으면 안 된다고 경고한다.(220 페이지) 증명이란 결정적이고 보편적이며 이론의 여지가 없는 진실을 암시한다. 이는 그 어떠한 과학의 원리도 감당할 수 없는 무거운 짐이다. 증명은 과학적 발견의 여정의 시작부터 끝까지 군더더기 없이 수월하게 진행된다는 뉘앙스를 풍긴다. 하지만 헛발질, 우회로, 막다른 길만 정신없이 이어지고 결국 새로운 세대에게 바통을 전해주는 일만이 유일한 결론일 뿐이다. 하룻밤 사이에 일어난 것 같은 성공에도 언제나 필수적인 고통의 서막이 있다. 우리는 과학 연구에 한계가 있다는 점을 인정해야 한다. 어떤 이론이 특정한 맥락에서 진실임은 증명할 수 있지만 그 이론이 교체하는 모든 맥락에서 사실임을 증명할 수는 없다.
증명은 단일체가 아니다. 오히려 어떤 부분에서는 강하고 어떤 부분에서는 약한 거미집에 가깝다.(222 페이지) 책을 읽으며 공감을 많이 하게 된다. 깊고 넓게 보는 성숙함이 돋보인다. 하지만 허무하기도 하다. ”결국 새로운 세대에게 바통을 전해주는 일만이 유일한 결론일 뿐이다.“ 같은 글을 통해 느끼는 바이다. 카밀라 팡은 나를 위로한다. 이런 글을 통해서다. ”그러나 증명이 가진 찾기 어렵고 환상에 가까운 속성이 과학자로 하여금 모든 도구를 내려놓고 자포자기하게 만들지는 않는다. 사실 증명은 과학에 존재하는 가장 크고 훌륭한 동기부여 중 하나다. 발견할 것, 해야 할 일이 항상 더 있다는 것 그리고 자신의 이름을 알릴 기회가 남았다는 사실 때문에 말이다. 발견은 언제나 열린 결말이다. 과학연구는 우리가 증명할 수 없는 것들, 어쩌면 영영 증명할 수 없는 것들 덕분에 계속해서 번성한다. 모든 답을 이미 다 알고 있다면 인생 그리고 과학이 얼마나 지루하겠는가?“(223 페이지)
과학은 편향의 완벽한 해독제여야 한다. 우리는 냉정하게 객관을 실행해야 한다. 그게 카밀라 팡이 항상 과학을 사랑했던 이유 중 하나였다. 도무지 이해할 수 없던 세계에 질서를 부여하는 방법이었다. 과학의 차가운 확실성은 인생을 살아가면서 수시로 느꼈던 가열된 혼돈에 대한 해독제였다.(225 페이지) 어느 분야와 마찬가지로 과학 역시 편향 없는 청정구역이 아니다. 파격적인 차트, 상세한 공식, 추상적인 언어에도 불구하고 과학은 축구 경기 관람만큼 속세와 가까운 활동이다. 과학자란 세상이 어떻게 돌아가는지 알아내고 싶어 세상에 질문을 던지는 사람을 부르는 호칭에 불과하다. 그들은 어떤 커다란 깨우침을 찾아내 중요한 발견을 하고, 논문을 쓰고, 승진하고, 상을 타고 어쩌면 세상을 조금 나은 곳으로 바꿀 수 있을 때까지 여기저기 쑤시고 다니는 사람이다. 또한 과학자는 연구비를 주는 개인이나 기관, 다음 논문을 투고할 학술지, 그 분야 내 다른 이들의 연구 등에 영향 받기 쉽다.(227 페이지)
카밀라 팡은 연구자는 분명 무언가를 염두에 두고 보거나 찾고 있기에 그들이 고려하지 않은 입력과 그들이 기대하지 않은 결과는 거부하는 성향을 보이게 된다고 말한다.(228 페이지) 아주 중요한 말이다. 인간인 우리는 자기가 보고 싶은 것을 찾는 경향이 있다. 과학 특유의 엄격함이 이를 막아 줘야 하지 않을까? 그러나 숙련된 전문가들조차 그 함정에 빠진다. 과학자들은 관찰의 오류와 의심스러운 해석, 의도적으로 편향된 설계로 왜곡된 실험까지 다양한 결과를 낳는다. 편향은 늘 우리 주위에 있으므로 삶의 다른 영역과 비교해서 과학이라고 특별히 더하거나 덜하지 않다. 개인으로서 우리는 각자 편향을 품고 있다.
카밀라 팡은 박사과정은 매일 자기 분야에 관해, 자기 자신의 존재에 관해 묻는 것이 임무인 시간이라고 말한다. 이 글을 읽으며 이론물리학자 김현철 교수가 말한 바를 생각했다. [우주의 중심으로 사는 법]에서 저자는 박사 학위 과정은 홀로 서는 기간이고 박사학위는 비로소 혼자서 연구할 수 있다고 인정해주는 자격증과 비슷하다고 말한다. 카밀라 팡은 BIAS란 말을 만들었다. behave in alternative scenario란 말의 이니셜이다. 대체 시나리오에서의 행동을 의미하는 말이다. 편향은 맥락을 제공하고 우리가 세계를 이해하는 방식을 형성한다. 그것은 곧 창의성과 독창성을 풍부하게 불러일으키는 힘이다. 아주 많은 위대한 과학자, 사업가, 발명가가 삶의 경험과 정신의 기질이 이끄는 방향을 따라가 성공했다.
그들은 다른 사람들이 잘 보지 못하는 것을 본다. 그게 바로 편향 때문이며 그 편향이 다른 사람과 공유할 수 없는 독특한 관점을 준다.(241 페이지) 카밀라 팡은 적어도 이론은 징검다리의 디딤돌이라고 말한다.(254 페이지) 물리학과 철학 사이의 변경에서 사람들은 정신을 뒤흔들고 이해하기 어려운 개념들과 싸운다. 이상하고 불안정한 공간에 들어가려면 먼저 우리가 만질 수 있는 편안한 담요를 걷어내야 한다. 과학의 상당 부분이 실험과 증거를 통해 그림을 완성하는 반면 이런 물리학의 이 분야는 현실을 갈갈이 찢는다. 그런 뒤 우리가 쌓아올린 우주를 설명하는 이론에서 느슨한 실타래를 잡아당긴다. 그리고 그림 전체가 흐트러지는 모습을 관찰한다. 여기에서 과학자들은 저 바깥에 있는 것을 설명하는 현재의 개념이 현실의 진정한 본질을 비슷하게라도 반영하는지 의문을 가지기 시작한다. 이는 과학이 다음과 같이 대답한 질문을 던지는 지점이기도 하다. 당신이 이 세상에 대해서 이미 안다고 믿는 모든 것이 사실은 틀렸다면?(256 페이지)
카밀라 팡은 파동 함수는 확률의 표현이라는 점을 기억하라고 말한다. 즉 그것은 입자가 존재할 수 있는 모든 위치를 말한다. 그것을 측정하면 그 확률은 확실성이 된다. 이는 양자 입자의 난해한 속성을 표현한다.(259 페이지) 숀 캐럴은 우리가 세상을 볼 때 보이는 것은 실재로 존재하는 것과는 근본적으로 다른 것 같다고 말했다. 다세계는 보편적 파동 함수라는 개념을 알기 쉽게 줄인 말이다.(265 페이지) 누구라고 상세하게 말하고 싶지 않지만 미국의 이론물리학자 브라이스 디윗(Bryce DeWitt)이란 이름을 기억하고 싶다. 마지막 장인 9장 ‘상상; 한계를 넘어 새로운 현실을 설계하기‘에서 카밀라 팡은 양자역학의 다세계, 파동함수(붕괴) 등에 대해 이야기한다. 난해하지만 상상과 흥미를 찾아 새 길을 가게 하는 장이 아닐 수 없다.
”상상력은 다른 아마도 더 나은 세상의 모습을 인식하는 데 그치지 않는다. 그것은 또한 미지를 개척하는 연구의 기본 신조어이기도 하다고 말한다. 양자역학의 원리를 보여주었듯이 때로 과학의 기본 기술은 이해에 방해가 된다. 합리적인 질서와 정제된 이론을 향한 갈망은 우리 우주에서 일어나는 규모의 일을 이해하기에 부족하다. 그것은 아름다움과 복잡성을 온전히 담아낼 수 없는 제한된 구조를 강요한다. 이 때문에 복잡한 현실을 이해하기가 어려워진다. 이 지점에서 과학자를 비롯해 우리 모두 구속복을 벗는 일에 익숙해져야 한다. 문제를 틀에 맞추려 하기보다 그 문제가 문제되지 않는 더 큰 세상을 만들어야 한다. 그리고 그 안에서 우리가 지금까지 상상한 모든 영광스러운 불확실성과 가능성을 편안하게 탐구해야 하지 않을까?“ 이는 본문의 마지막 문장이다.
카밀라 팡이 이야기한 이탈리아의 이론물리학자 카를로 로벨리의 책([시간은 흐르지 않는다]) 만큼 심오하다는 생각을 한다. 결론부에서 카밀라 팡은 이렇게 말한다. ”우리는 커털린 커리코가 메신저 RNA를 연구하며 그랬듯이 다른 이들이 포기하라고 말할 때에도 자신의 아이디어에 열정을 가져야 한다. 진심으로 확신한다면 대부분의 사람이 믿지 않는다고 해서 그게 포기할 이유는 되지 않는다. 그러나 반대로 세상에서 가장 큰 선의와 강력한 가설을 뒷받침할 좋은 증거가 있더라도 자신의 엄청난 아이디어가 쓸모없어질 수도 있다는 사실을 역시 받아들여야 한다.“ 그리 오래 산 사람이 아닌데(카밀라 팡이 밝혔듯 31세다) 생각도, 글 솜씨도 대단하다. 거장을 연상하게 한다.
카밀라 팡은 ”과학자는 끝없이 읽어야 하는 방대한 논문, 파헤쳐야 할 무한한 자료, 조율해야 할 수많은 인간관계에 둘러싸여 살아간다.”고 말한다.(277 페이지) 이 부분을 읽기 전까지 나는 책을 많이 읽고 특히 과학책 읽기에 정성을 기울이기에 과학자는 아니지만 그 구도적 자세는 통한다 생각했다. 나는 물론 과학자가 아니다. 카밀라 팡은 추구하던 일에서 성공하든 못하든 관계없이 과학은 혼자서는 그 어디에도 쉽게 도달할 수 없다고 말한다. 내가 과학자 성향이 아닌 결정적인 이유는 조율, 소통, 협업에 거의 제로에 가까운 점수의 사람이기 때문이다. 그래도 책 읽는 면에서 나는 과학자적 사람이라 생각한다.
카밀라 팡이 말한 여러 점에서의 균형을 내 읽기, 생각, 쓰기에 적용해야겠다고 다짐한다. 카밀라 팡은 빠르게 성공을 거두고자 하는 조급한 사람들은 노벨상이 대개 수상자가 학계에서 은퇴하고서도 한참 후에 수여된다는 사실을 고려해 보기를 바란다는 말을 한다. 카밀라 팡의 대단한 독서량에 경의를 표한다. “꿈을 추구하되 쉽게 이루어지리라 기대하지 말아라. 통념에 도전하되 먼저 자기가 깨부수려는 규칙을 완벽하게 이해하라.”(284 페이지)
카밀라 팡은 단순화는 과정의 시작이 아니라 끝이고 고된 작업에 대한 보상이라 말한다. 나는 글을 쉽게 쓰는 것도 단순화라 생각한다. 물론 어려운 과정을 이해하고 난 뒤 취하는 간결한 단순함이어야 한다. 이에 카밀라 팡은 편집자들이 저자들에게 책을 길게 쓴다고 무조건 잘 쓴 원고라 말하지 않을 것이라 말한다고 말한다. 단 벽돌책도 쓰고 짧은 책을 써야 할 것이다. 카밀라 팡은 기후변화 해결에도 단순화, 덜어내기가 필요하다고 말한다. 버지니아 대학교 공학 및 건축학 교수 레이디 클로츠는 학생들에게 “세상에는 타당한 질문이 무한히 존재하고 우리가 모르는 것들도 무한정 있지만 과학자와 연구자의 수는 무한하지 않다”고 말한다고 한다. 이를 나의 책읽기에 전용하고 싶다. 세상에는 매력적인 책이 무한히 존재하고 내가 모르는 것들도 무한정 있지만 내 시간과 체력은 무한하지 않다고.

진정한 팀워크는 비판할 줄 아는 친구들로 구성된다는 말로부터

벤투의스케치북 — Thu, 19 Mar 2026 18:47:00 +0900

카밀라 팡은 [궤도 너머]에서 진정한 팀워크는 비판할 줄 아는 친구들로 구성된다고 말한다. 그것은 진실을 위해 사랑의 채찍을 드는 셈이다. 이 문장을 접하며 자신의 단점을 인지하지 못하는 사람, 그리하여 반성하지 못하는 사람은 자신을 사랑하지 않는 사람이라는 생각을 하게 된다. 친구를 위해 비판하는 그 마음을 사랑이라고 한다면 자신에 대해 비판하지 않는 사람을 진정한 자기애를 가진 사람이라고 볼 수는 없는 것이다. 나는 [궤도 너머]라는 책의 원제가 마음에 든다. 원제는 [Breakthrough]다. 이는 돌파구(를 찾다)란 의미다. 물론 궤도 너머라는 말도 좋다.

여전히 시사적인 1990년대 말 환경 생물학 지구 변화학 교수의 실험실 지구 이야기 - [실험실 지구 - 스티븐 슈나이더가 들려주는 기후 변화의 과학]

벤투의스케치북 — Tue, 17 Mar 2026 22:19:00 +0900

실험실 지구 - 스티븐 슈나이더가 들려주는 기후 변화의 과학
스티븐 H.슈나이더 지음, 임태훈 옮김 / 사이언스북스 / 2006년 02월

자신의 책이 적어도 몇몇 독자들에게는 지구에 대한 지식을 더욱 추구하려는 동기를 유발하고, 거의 모든 이들에게는 지구 시스템 문제를 해결하는 데 동참하도록 해주지 않을까, 희망한다는 스티븐 슈나이더(Stephen Schneider; 1945-2010)의 책이다. 스탠퍼드 대학교의 환경 생물학 지구 변화(environmental biology and global change) 교수를 역임한 저자는 고체 지구가 공기와 물 그리고 생물과 어떻게 상호작용하는가는 지구를 하나의 시스템으로 이해하는 데 매우 중요하다고 말한다.
저자에 의하면 우리의 경험만으로는 자연계에서 일어나는 중요한 현상의 모든 범위를 샅샅이 조망할 수 없다. 우리의 개인적인 척도는 너무 제한적이다. 우리를 둘러싸고 있는 자연의 풍부한 다양성에 대해 지각의 창을 열어젖히기 위해서는 더욱 큰 공동체의 관찰과 추정을 필요로 한다. 세상은 분명 커다란 규모의 관점과 작은 규모의 관점을 모두 필요로 한다. 21세기 환경 문제는 단순히 어떤 지방이나 지역의 규모에 그치는 것이 아니라 실로 전 세계적인 규모로 나타난다는 특성이 있다. 또한 훨씬 더 심각하고 오래 지속되고 어떻게 되돌릴 수조차 없는 결과까지 나타날 수 있다. 시행착오를 통해 가르침을 얻는다는 식은 이제 더 이상 받아들일 수가 없다.
저자는 유기체와 무기체가 서로 연결되어 있듯 지구 화학과 생물학 지질학과 기후학은 연관을 맺고 있다고 말한다. 저자는 기후와 생명체의 그늘진 미래를 살피기 전에 우선 몸을 돌려 우리의 생물 지리학적인 뿌리로 여행을 떠나는 것이 필수적이리라고 말한다. 젊은 지구가 최초로 생명을 잉태했던 시대, 머나먼 과거의 시생대로 말이다. 저자는 반드시 방문하고 싶은 특별히 흥미를 끄는 시기를 생명 탄생의 시대 즉 약 35억 년 전의 시생대라고 말한다. 당시에는 산소가 있긴 했지만 그 양은 현재 약 10억분의 1에 불과하다고 말한다. 산소가 거의 없었다고 할 수 있다.
초기 지구에 가장 먼저 나타난 기체는 수소와 헬륨이다. 35억 년 전에는 태양이 지금보다 더 작았다. 태양은 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응을 거치며 점점 커지고 또 밝아졌음을 생각해보라. 희미한 원시 태양의 패러독스라는 것이 있다. 메탄과 암모니아라는 두 기체가 지구 대기의 하층부에서 적외선 복사를 차단하는 데 매우 탁월한 효과를 갖고 있으며 시생대에는 이 두 기체가 매우 많았기 때문에 부족한 태양열을 보충해서 온난한 기후를 유지했을 것이라는 뜻이다. 원시 지구에서 메테인은 주로 물과 철 및 마그네슘이 풍부한 암석이 반응하는 사문암화 작용과 같은 비생물학적 열수 과정을 통해 형성되었다. 사문암화 작용이란 지구 맨틀의 철·마그네슘이 풍부한 초염기성 암석(감람석 등)이 물과 반응하는 변성·열수 작용을 말한다. 이 과정에서 감람석, 휘석 같은 1차 광물이 사문암으로 변하며 열을 발생시키고 암석의 부피를 증가시키며 수소 및 메테인 가스를 방출한다.
태양이 커진 상태에서 이산화탄소 등의 온실 가스를 상쇄한 것은 무엇이었을까? 칼슘, 마그네슘, 규산염 같은 광물들이 대기의 탄소와 결합하여 이산화탄소 농도를 줄이고 칼슘의 탄산염인 석회암, 마그네슘의 탄산염인 돌로마이트 같은 퇴적암에 탄소를 붙잡아둔다. 생물학적 과정을 통해 태양 광도가 커짐에 따라 시생대의 대기 중에 있던 높은 수준의 이산화탄소가 제거되었다는 이론도 있다. 태양 에너지를 이용해서 이산화탄소와 물을 탄수화물과 산소로 바꾸는 과정을 광합성이라 한다. 탄수화물과 산소가 결합해서 열을 방출하고 이산화탄소와 수증기를 만들어내는 과정을 호흡이라 한다.
오늘날 우리는 석탄 덩어리를 태우면서 화석의 유기물 속에 붙들려 있는 공룡시대의 이산화탄소와 태양열을 소생시키고 있다. 지구과학자들은 바다에 있던 대부분의 환원되어 있는 광물이 소모된 약 20억 년 전부터 대기에 많은 양의 산소가 형성되기 시작했다고 생각한다. 그리고 이때부터 대사 작용을 진행시킬 에너지를 얻기 위해 산소를 필요로 하는 새롭게 진화한 생물체들의 생태학적 자리가 마련되기 시작했다. 지구의 대기는 산소가 충분히 만들어진 뒤에야 생물이 육지에 뿌리내리고 살 수 있도록 하는 오존을 만들 수 있었다. 대기 중에 산소와 오존이 존재한 지난 10억 년 정도의 기간 안에 원핵 생물에서 단세포의 진핵 생물로, 그리고 다시 다세포의 후생동물로의 빠른 진화가 일어났다는 사실이 결코 우연이 아니다.
전 세계적인 규모로 일어나는 변화 중에서도 가장 커다란 관심을 끄는 것은 탄소의 순환이다. 탄소는 현재 대기 속에 이산화탄소의 형태로 아주 적은 양(0.035 퍼센트)이 들어 있고 해양과 퇴적물, 암석들에는 이산화탄소나 다른 형태로 훨씬 더 많은 양이 존재한다. 이산화탄소는 지구 대기에 존재하는 미량 기체다. 이는 현재 이산화탄소의 양이 상대적으로 그리 많지 않다는 뜻이다. 그러나 이렇게 적은 부분을 차지하는 7500억 톤의 대기 탄소가 대기의 열 균형에 미치는 영향은 꽤 큰 편이다. 이산화탄소가 기후에 미치는 영향력은 이산화탄소가 대부분의 태양 복사 에너지는 통과시키는 반면 대부분의 적외선 복사 에너지는 흡수하는 경향이 있어서 지구에서 복사되는 열의 일부를 차단한다는 사실에서 나온다.
차단되지 않은 지구 복사열은 대기를 통해 우주로 탈출할 것이다. 다시 말해 이산화탄소는 온실 기체다. 대기 속에는 강력한 온실 효과를 내는 다른 미량 기체들이 있다. 대기 중에서 이들의 농도는 증가하였다. 그중에서도 메테인이 유명하다. 메테인의 양은 산업혁명 이후 약 150%나 증가했다. 메테인은 동물과 세균이 만들어내는데 채광이나 경작 같은 인간 활동에서 나온 오염물질 때문에 발생하기도 한다. 일산화이질소의 양도 증가하고 있는데 이는 질소 비료의 사용량이 급격히 늘어났기 때문이다.
기후학자, 진화 생태학자, 경제학자들이 가질 수 있는 가장 유용한 도구는 빠르고 정확한 모형이다. 이 일은 방정식을 풀고 지구관측 시스템 예를 들면 인공위성에서 들어온 자료를 처리하고 개념을 발전시키고 모형 작업을 시험하는 빠른 대형 컴퓨터의 발달이 있기까지는 결코 가능하지 않았다. 사실 현대의 슈퍼컴퓨터가 나오기까지는 1960년대의 대학과 대기업에서 사용한 그 당시로는 상당히 비싼 계산기계조차 너무 느려서 계산을 충분히 할 수 없었다. 대기의 역사가 현재 대기의 실제적인 모형으로 작용했는데 이는 지질학자들의 동일과정설이라는 견해와 견줄 수 있다.
루이스 프라이 리처드슨은 일기예보의 새로운 패러다임을 열어 놓았다. 그것은 바로 닮은 꼴 방식의 일기도 작성이 아닌 물리법칙에 기초한 수학적 모형이었다. 모형 제작의 이점은 현실 세계에서는 불가능하거나 실행할 수 없는 실험들을 수행할 수 있다는 데 있다. 기후의 시뮬레이션을 위해서 모형을 만드는 사람은 기후 시스템의 구성요소에 무엇을 포함시켜야 할지, 포함시킬 변수들은 무엇인지를 결정해야 할 것이다. 장기간에 걸친 일련의 빙기와 간빙기를 시뮬레이션하기로 했다면 지난 수백만 년 동안의 기후 시스템의 상호작용한 주요 요소들이 미친 영향을 분명하게 포함시켜야 할 것이다. 생물은 기후에 영향을 주므로 역시 포함시켜야 한다. 이렇게 상호 영향을 주고받는 하위 시스템은 모형의 내적 구성요소를 이룬다. 한편 일주일과 같이 매우 짧은 기간에 일어난 기상 현상만을 모형화하려 한다면 단기간에는 거의 변화가 없는 빙하, 심해, 지형. 숲과 같은 곳에서 일어나는 변화는 모두 무시할 수 있다. 이러한 요인들은 모형화한 기후 시스템의 외적 구성요소로 할 수 있다.
지질학의 역사를 통해 자연계에서 일어난 이런 행성 규모의 실험 중에서 그 어느 것도 현재 진행중인 인간이 이야기한 전 세계적인 변화의 실험과 정확하게 필적하는 것은 없다. 따라서 그 어느 것도 우리의 예측이 올바르다는 결정적인 증거를 제공할 수 없다. 하지만 그 사건들은 모두 현재의 예측이 최소한 상당히 그럴듯하다는 암시를 주는 많은 정황적인 증거를 보태고 있다. 저자는 이 점은 지구의 생태계와 우리의 운명을 이해하는 데 필요한 미래의 기후변화에 대한 엄밀한 예측을 위해서는 육지와 바다, 얼음 속으로 파고들어 될 수 있는 대로 많은 지질학적, 고기후학적, 고생태학적 기록을 들춰내야 한다는 자신의 주장을 다시 한 번 확인시켜준다고 말한다.
불행히도 일부의 근시안적인 정치적 이해관계가 이런 일을 정략적인 것으로 생각해서 난해한 것처럼 보이는 이런 작업을 위한 예산을 삭감하고 있다.(91 페이지) 우리가 이런 시험의 목적을 위해 갖고 있는 최고의 물리적 실험실은 유리와 강철로 세운 연구실이 아니라 지구 자체이며 그 중에서도 특히 지구의 오랜 옛 시절에 대한 우리의 지식이다.(94 페이지) 과학자들은 언제나 변화 뒤에 숨어 있는 원인을 찾는다. 원인이 확실하다면 변화와 요동을 구별할 수도 있다. 과거의 기후는 상당히 다양한 모습을 띠고 있었다. 빙기도 있었고 빙하가 없는 시기가 수천만 년 동안 지속되기도 했으며 심지어는 대기에 산소가 거의 없거나 전혀 없었던 시기도 10억 년 이상이나 된다. 오늘날과 비교할 때 대륙들은 다른 곳에 위치해 있었으며 태양에서 오는 에너지의 양도, 대기의 조성도 달랐다. 다시 말해서 과거에는 엄청나게 커다란 규모의 변화를 나타내는 자연의 실험이 있었다. 많은 경우 이런 변화는 향후 수십년 동안 인간이 어떤 일을 함으로써 대기의 화학조성에 영향을 미칠 수 있는 것보다 훨씬 큰 것이었다. 그러나 이런 자연적인 변화의 속도는 항상 그랬던 것은 아니지만 대부분 인간이 자연에 강제한 것에 비해 지극히 완만했다.
기후를 예측하기 위해 우리는 도구를 확인하는 데에서 한 걸음 더 나아갈 필요가 있다. 우리는 또한 기후변화를 강요하는 요인 즉 기후 강제 요인이 어떤 것들인지 확인하고 분석해야 할 것이다.(96, 97 페이지) 열을 가진 모든 물체는 복사 에너지를 방출한다. 지구는 절대온도 255K(- 18 ℃) 정도 되는 흑체의 총복사 에너지량에 필적하는 복사 에너지를 방출하고 있다. 지구 표면의 공기의 평균 온도는 287K(14 ℃)로 지구의 흑체 온도에 비해 32 ℃ 정도 따뜻하다. 따뜻한 표면 공기 온도와 지구의 복사 등가온도 간의 32 ℃ 차이가 바로 그 유명한 온실효과에 의한 것이다.(118 페이지)
대기는 온실 효과를 통해 태양 복사 에너지의 적지 않은 부분을 지구의 표면까지 투과시키고 그 뒤에는 지표면과 낮은 대기에서 나온 위를 향한 지구의 적외선 복사를 많은 부분 차단한다. 정확하게는 도중에서 가로 채 낮은 에너지로 재복사한다. 아래쪽을 향한 재복사는 지표면의 온난화를 더욱 강화시켜 32 °C의 자연적인 온실 효과를 일으키는 중요한 작용을 한다. 이는 사변적인 이론이 아니라 충분히 양해 되고 완전히 검증된 자연현상이다.(119 페이지)
자연계의 온실 효과는 분명히 과학적으로 의심의 여지없이 입증되었다. 지금까지 기후와 생물의 공진화를 진행시켜온 자연의 온난화를 설명해주고 있다. 인간이 자연계의 온실 효과를 확대하는 일이 어느 정도로 심각한가에 대해서는 지금도 논의가 진행되고 있다.(120 페이지)
저자는 정치가들은 자신의 선거구민들의 인식에 반응하는 데는 탁월한 재간을 보인다고 말한다. 우리가 우리의 의견을 전단할 때 특히 그렇다. 우리가 정치 지도자들을 다그쳐 창조성을 갖고 그 중에서 에너지의 효율적 이용을 북돋울 장기적 해결책을 마련하고 중국인들에게 대안을 제시해서 그들이 계획하고 있는 비효율적인 석탄 이용을 개선시키며, 인도네시아와 브라질 사람들의 급속한 삼림 벌채 계획을 바꾸어놓도록 조치할 수 있게 만든다면 정치가들은 우리가 그들에게 무엇을 원하는지 알게 될 것이다. 그들이 여러분의 관심사와 가치관을 알 수 있도록 하자. 우리가 침묵한다면 특수한 이해당사자들이 보낸 팩스만 통과될 것이다. 역시 이런 말을 할 수밖에 없다. 아니 최선이 이것이다.
지구 화학과 생물학 지질학과 기후학은 연관을 맺고 있다는 저자의 기후와 생물의 공진화란 말로 수렴하는지 궁금하다.

스티븐 슈나이더의[실험실 지구] 이야기

벤투의스케치북 — Tue, 17 Mar 2026 09:53:00 +0900

경상북도립 영양 공공도서관 인장이 찍힌 책 한 권이 내게 있다. 29년 전인 1997년 발간된 스티븐 슈나이더(Stephen H Schneider; 1945- 2010)의 [실험실 지구]란 책이다. 몇 단계 기증을 거쳐 나에게까지 온 책이다. 내가 이 책을 만난 것은 지난 해 여름 연천군 백학면 광장애서(廣場愛書) 서점의 기증 도서 가판대를 통해서였다. 소설, 시, 수필, 잡지, 역사서 등이 주를 이루는 가운데 하드 커버 서적이 눈에 띄었는데 놀랍게도 기후과학 책이었다. 저자는 2007년 정치인인 엘 고어와 함께 노벨 평화상을 수상한 분이다. 2021년 일본계 미국인 기후학자 마나베 슈쿠로, 독일의 해양학자 클라우스 하셀만, 이탈리아 물리학자 조르주 파리시 등이 기후 연구로 노벨 물리학상을 받았는데 같은 과학자인 스티븐 슈나이어는 평화상을 받은 이유가 궁금하다. 슈나이더는 유기체와 무기체가 서로 연결되어 있듯 지구 화학, 생물학, 지질학, 기후학은 연관을 맺고 있다고 말한다. 최근 독일 기후학자 프란츠 마울스하겐의 [꿰뚫는 기후의 역사], 마나베 슈쿠로, 앤서니 브로콜리의 [기후의 과학], 스티븐 포더의 [엘리멘탈]을 연이어 읽고 서평을 썼는데 곧 [실험실 지구]도 완독하고 서평까지 써야 할 것 같다.

[엘리멘탈] 이후 [궤도 너머]

벤투의스케치북 — Sun, 15 Mar 2026 21:33:00 +0900

스티븐 포더의 [엘리멘탈]을 읽고 다음 단계로 넘어가기 전에 카밀라 팡의 [궤도 너머]를 읽는다. [엘리멘탈]의 번역자는 물리학 전공자 김은영이고 [궤도 너머]의 번역자는 생물학 전공자 조은영이다. 다음 단계로 넘어가기 전에 읽는 책이지만 완독하고 서평을 쓸 수 있으면 좋겠다. 지은이는 여덟 살에 자폐 스펙트럼 장애를, 스물여섯 살에 ADHD 진단을 받은 생물화학자다. 이럴 줄 알았으면 자폐인 출신 과학자 템플 그랜딘의 [나는 그림으로 생각한다]를 읽어 두었다면 좋았을 것이다. 카밀라 팡은 이런 말을 한다. “여느 분야와 마찬가지로 과학 역시 편향 없는 청정구역이 아니다....과학자란 세상이 어떻게 돌아가는지 알아내고 싶어 세상에 질문을 던지는 사람을 부르는 호칭에 불과하다.... 연구자가 아무리 엄격하고 철저하게 연구에 임한다고 해도 과학은 주관적인 견해에서 벗어날 수 없다..” 가볍게 읽기가 쉽지 않을 것 같다.

화석 연료의 막대한 체외 소비로 월드 체인저가 된 인간이 가야할 길을 제시한 환경과학자이자 환경보호론자의 책 - [엘리멘탈 - 5가지 원소로 보는 생명의 역사와 인류의 미래]

벤투의스케치북 — Sun, 15 Mar 2026 11:45:00 +0900

엘리멘탈 - 5가지 원소로 보는 생명의 역사와 인류의 미래
스티븐 포더 지음, 김은영 옮김 / 원더박스 / 2025년 11월

기후 변화를 넘어선 기후 위기의 시대다. 인류를 파멸로 치닫게 하는 온실가스를 배출하는 화석 연료 대량 소비 양태를 지양해야 한다는 경고는 더 이상 낯설지 않다. 생태학, 지질학 전공자 스티븐 포더(Stephen Porder)의 [엘리멘탈] 역시 같은 목소리를 내는 책이다. 원소(元素)를 뜻하는 엘리멘탈을 제목으로 삼은 [엘리멘탈]은 그러나 몇 가지 점에서 다른 책들과 구별되는 근본적인 책이다. 디테일한 차별점이란 1) 세상을 바꾼 월드 체인저란 개념으로 인간이 인간에 앞선 두 월드 체인저의 전철을 밟아서는 안됨을 언급한 것, 2) 탄소의 체내 소비와 체외 소비 개념의 대비로 현실을 설명했다는 점이다.
책이 다룬 원소는 탄소, 수소, 질소, 산소, 인(燐) 등 다섯 원소다. 저자는 자신을 환경과학자이자 환경보호론자라 소개한다. 환경과학자란 말은 과학적인 관찰 방법을 동원해 인간이 환경에 일으키는 변화와 그 변화의 결과를 이해하려고 노력하는 사람이라는 의미이다. 환경보호론자란 말은 자연 세계의 가치를 높이 평가하고 인간의 행동이 자연에 미치는 부정적인 영향을 최소화할 방법을 찾는 사람이라는 의미다.(220 페이지)
탄소, 산소, 수소도 중요하지만 결정적인 것은 질소와 인이다. 질소와 인은 광합성 여부와 관계 없이 살아 있는 모든 것의 생체분자의 핵심 요소들을 만드는 데 필수적인 구성요소다. 이 두 원소가 부족하면 해양은 사막이 되고 풍부하면 우림(雨林)이 된다. 저자는 인간을 마지막 월드 체인저로 본다. 저자가 말하는 첫 번째 월드 체인저는 시아노박테리이다. 남세균(藍細菌)이라고도 하는 시아노박테리아는 약 25억~30억 년 전 지구에 산소를 공급하여 산소 시대(대산화사건)를 연 광합성 원핵생물이다. 대산화사건이란 시아노박테리아의 광합성이, 광활한 무산소의 바다에 오직 단세포 유기체만 존재하고 대륙에는 아무것도 존재하지 않았던 지구 역사의 전반기를 끝낸 사건임을 의미한다.
책을 통해 처음 알게 된 사실이 여럿 있다. 그 가운데 하나가 시아노박테리아가 질소를 고정해 생존경쟁에서 절대 우위를 차지했었다는 사실이다. 대기 중에 거의 무제한으로 존재하며 해수에도 쉽게 녹는 질소는 생명을 지배하는 가장 변덕스러운 조절자다. 질소 기체는 공기의 80 퍼센트 정도를 차지하지만 대부분 불활성 기체다. 그래서 유기체들이 질소를 얻는 것은 어렵다. 사람 역시 늘 공기를 호흡하며 살지만 호흡으로는 질소를 우리 몸이 이용할 수 있는 형태로 흡수하지 못한다. 2개의 질소 원자가 결합한 질소 분자는 매우 강력한 삼중결합 구조로 이루어져 있다. 우리가 쓸 수 있는 유용한 질소는 두 질소 원자 사이의 강한 결합이 끊어져서 각각의 원자가 수소, 산소, 탄소 등의 다른 원소의 원자들과 결합한 형태로 존재하는 것이다. 번개는 초기 지구의 바다에서 이용 가능한 질소를 만드는 주요 요인이었을 것이다.
시아노박테리아는 공기 중 불활성 기체인 질소를 흡수해 자신이 쓸 수 있는 형태로 고정하는 능력을 갖추었다. 시아노박테리아는 탄소와 질소를 모아들이는 데 탁월했다. 그렇다면 시아노박테리아의 생장을 제약하는 것은 무엇이었을까? 질소 고정 능력이 있는 유기체들은 대개 다른 원자들에 대한 수요도 크다. 특히 인에 대한 요구가 크고 철과 몰리브덴도 많이 필요하다. 철과 몰리브덴은 질소 고정을 수행하는 생물학적 장치의 중요 성분이다. 인, 철, 몰리브덴은 질소와 달리 공기 중에는 거의 존재하지 않는다. 철, 몰리브덴은 질소 고정에 필요한 원소이고, 인은 질소 고정에 에너지를 되어주는 원소다. 이 원소들은 바위를 화학적으로 분해해야만 얻을 수 있기 때문에 암석 유래 원소라 불린다.
대산화사건은 오랜 시간에 걸쳐 질소를 고정해 광합성 장치를 만들어 햇빛을 화학 에너지로 바꾸어 성실하게 살아간 시아노박테리아로 인해 일어난 사건이다. 이로 인해 눈덩이 지구가 만들어졌다. 이는 광활한 무산소의 바다에 시아노박테리아의 광합성으로 배출된 폐기물격인 산소가 (이산화탄소보다 더 강력하게 열을 가두는) 메테인을 분해함에 따라 이산화탄소가 생성되어 지구에 온실효과가 빚어졌으나 왕성한 광합성으로 인해 온실효과가 약화되어 눈덩이 지구가 찾아온 것을 두고 이르는 말이다.
시아노박테리아 다음으로 세상을 바꾼 두 번째 월드 체인저는 식물이다. 바다 생명체들이 육지를 향해 갈 수 밖에 없었던 이유는 암석 유래 원소들을 찾아서였다. 수분을 유지하기 위해 끊임없는 투쟁을 해야 하는 단점이 있었지만 땅 위에서 사는 것은 다른 원소들에 쉽게 접근할 수 있다는 장점이 있다. 땅 위에도 햇빛은 충분하다. 햇빛은 공기 중에 이산화탄소를 얻는 데 필요한 연료를 공급해주는 에너지다. 그러나 광합성 장치를 만들기 위해서는 많은 양분이 필요하다. 질소 뿐만 아니라 인, 철 같은 암석 유래 양분들이 필요한 것이다. 땅 위에서는 이런 원소들이 강이나 바람 또는 해류에 실려서 자신에게 전달될 때까지 기다릴 필요가 없다. 육상 식물은 이런 양분을 스스로 찾아간다. 식물은 뿌리 아래 잠자고 있는 이 양분들을 찾아내기 위해 땅에 균열을 내기 시작했다.
식물 역시 역설적 상황의 희생자가 되었다. 지상으로 올라와 공기 중의 이산화탄소를 빨아들여 자신의 조직을 구성했던 식물이 죽음에 따라 탄소의 일부가 흙 속에 저장되었다. 식물은 지상에 있는 암석에서 미네랄의 용해를 가속화했고 이는 공기 중의 이산화탄소를 제거하고 해저에 석회암으로 저장하는 순효과를 냈다. 암석의 풍화작용이 가속화되어 죽은 식물이 그대로 땅속에 묻힘에 따라 공기 중에서 이산화탄소는 점점 제거되고 지구는 차갑게 식어갔다. 이런 상황은 식물에게도 불리한 일이었다. 이산화탄소가 감소해 광합성을 하기 어려워진 것이다. 식물의 진화가 공기 중으로부터 많은 양의 이산화탄소를 빼앗아가자 온실효과가 약해졌다. 빙하기가 닥친 것이다. 식물은 생존과 번식에 성공한 대가로 얼어 죽게 되었다.
세 번째 월드 체인저는 인간이다. 물론 우리가 감안해야 할 것은 인간 또는 인류라는 말의 추상성이다. 인간 또는 인류라는 말 속에는 불평등과 차이가 숨겨져 있다. 가령 세계 인구의 5퍼센트를 차지하는 미국은 온실가스의 18퍼센트를 배출하고, 세계 인구의 16퍼센트를 차지하는 아프리카 사람들은 온실가스의 4퍼센트를 배출할 뿐이다.(224 페이지) 어떻든 인간은 우리보다 앞서 세상을 바꾼 월드 체인저들에 의해 고정되어 오랜 세월 묶여 있던 탄소를 경악스러운 속도로 공기 중으로 풀어놓기 시작했다.
지구에 존재하는 거의 모든 원소가 그렇듯 세상의 거의 모든 탄소도 암석에 들어 있다. 산업혁명이 일어나기 전까지 지구의 역사를 통틀어 암석에 묻혀 있던 탄소가 그 암석으로부터 탈출할 수 있는 유일한 경로는 화산 분출뿐이었다. 순환 시스템 안에 들어 있는 탄소의 총량은 어느 해나 똑같다. 적어도 인간이 존재하기 전에는 그랬다. 인간이 화석연료를 발견했을 때 탄소 순환에서 빠른 변화는 전혀 다른 의미를 갖게 되었다. 계산에 따르면 인간은 식물이 광합성으로 400년 동안 축적한 에너지를 1년에 태우고 있다.(‘burning buried sunshine’ 참고) 화석 연료의 연소는 깊은 땅속에 파묻혀 느린 탄소 순환에 갇혀 있던 탄소를 꺼내 빠른 탄소 순환으로 몰아넣는다. 순환하는 탄소의 총량을 급격하게 증가시키는 것이다.(91 페이지)
지구 생명의 역사를 통틀어 인간은 느린 탄소 순환과 빠른 탄소 순환 사이에 다리를 놓은 최초의 유기체다. 지구상의 모든 곳에서 탄소는 점점 더 많이 발생하고 있다. 대기로 흘러 들어가는 탄소, 해수에 녹아드는 탄소, 땅속에 저장되는 탄소도 점점 증가한다. 산업혁명기인 1850년대부터 화석연료 연소의 직접적인 결과로 공기 중의 탄소량은 거의 40 퍼센트 가까이 증가했다. 우리가 화석연료의 연소를 중단하거나 공기 중의 이산화탄소를 포획하여 암석에 다시 집어넣는 방법 – 그것도 거의 상상할 수 없이 빠른 속도로 –을 발견하기 전까지 이 증가세는 멈추지 않을 것이다.
비록 똑같은 이산화탄소이지만 우리가 날숨으로 토해내는 이산화탄소와 자동차 배기구에서 배출되는 이산화탄소 사이에는 차이가 있다. 전자는 이미 순환하고 있던 탄소다. 언젠가 식물이 흡수했던 이산화탄소가 그 식물을 먹은 누군가의 몸에 들어갔다가 약간의 시간이 흐른 후 다시 공기 중으로 되돌아가기 때문이다. 화석 연료를 태우는 것은 다르다. 새로운 탄소를 등장시키는 것이다. 하루에도 최저 기온과 최고 기온 사이의 3.89도의 차이는 거의 매일 발생한다. 그런데 고작 그 정도의 차이로 어떻게 1만 년 전 남쪽의 뉴욕 시 위치까지 확장되었던 빙상이 지금은 다 녹아 북아메리카에서는 더 이상 볼 수 없게 되었을까? 기온의 일교차 또는 계절 간 차이가 3.89도라면 큰 차이가 아닌 것처럼 보일 수 있지만 장기간에 걸쳐서 지구의 평균기온이 그 정도의 차이를 보인다면 지구의 기후에 극적인 차이를 가져온다.
1815년 남태평양의 탐보라 화산이 폭발해서 햇빛을 가릴 정도로 많은 양의 화산재가 분출되었다. 이때 지구 전체적으로 농사가 망했고 기아 사태가 벌어졌다. 1816년은 여름이 없는 해로 기록되었다. 이 화산 폭발로 지구의 평균 기온은 얼마나 떨어졌을까? 고작 0.55도였다. 지구 평균기온에 아주 작은 변화만 생겨도 그 결과는 매우 크게 나타난다. 지구의 평균기온이 올라가려면 극지방에서 적도 지방까지 지구상 모든 장소에서 실질적으로 시스템 전체에 더 따뜻해지는 방향으로 동시적이고 심대한 변화가 있어야 한다. 수많은 구성원 또는 구성 요소가 있는 집단에서 어떤 평균 수치를 변화시키려면 한 방향으로 작용하는 매우 큰 추동력이 있어야만 한다. 평균적인 수치를 보면 아주 작은 변화가 지구 전체로는 매우 큰 변화를 일으키는 또 하나의 이유는 그 평균치가 극단적인 경우에 빈도수에 영향을 미친다는 것과 관련이 있다.
마지막 빙하기 이후 수천 년이나 걸리긴 했지만 지구 평균 기온이 3.8도 오른 영향은 매우 크다. 1만 년 전 캐나다와 미국 북부 대부분이 얼음으로 덮여 있었지만 오늘날 미국에는 영구 얼음층이 없다는 사실만 보아도 알 수 있다. 1856년 유니스 푸트(Eunice Foote; 1819 – 1888)가 처음 발견한 이래 우리는 온실가스가 열을 가둔다는 사실을 두 세기 전부터 알고 있었다. 푸트는 이산화탄소 기체가 열을 흡수하는 놀라운 능력 즉 지구 온난화의 주요 원인이라는 사실을 최초로 기술했다. 몇 년 후인 1861년 아일랜드 과학자 존 틴달은 이산화탄소의 열 흡수율을 측정했다. 그는 "빛에는 매우 투명한" 물질이 열을 그토록 강하게 흡수한다는 사실에 너무 놀라 이 단일 물질로 수백 번의 실험을 했다고 한다. 저자는 에너지를 쓰는 방법(화석 연료 일변도)을 바꾸기를 거부하면 앞선 두 유기체(시아노박테리아, 식물)가 맞았던 것과 비슷한 기후 절벽으로 떨어지지 않는다고 자신할 수 없다고 말한다.
컴퓨터로 기후 모델을 만들기 위해서는 기후와 중요한 관련이 있는 물리학, 화학, 수학을 이용하여 우리가 기술할 수 있는 모든 과정들을 포함해야 한다. 예를 들면 지구의 각 지점에 얼마나 많은 양의 햇빛이 떨어지는지, 시간이 지나면서 그 햇빛의 양이 어떻게 변하는지 알아야 할 필요가 있다. 대기 중의 온실가스 농도를 알아야 하고 그 농도가 시간에 따라 어떻게 변해왔는지도 알아야 한다. 지표면이 햇빛을 얼마나 잘 반사하는지에 대한 정보도 필요하다. 그 반사율에 따라 지구에 흡수되어 지표면을 달구는 햇빛의 양이 얼마나 되는지 알 수 있기 때문이다. 우리가 알아야 할 정보의 목록은 끝이 없을 것이다. 또한 우리가 알아야 할 각각의 정보에 대해서 다른 모든 것이 변할 때 그 정보가 어떻게 변할지를 방정식으로 기술할 수 있어야 한다.
어떤 모델이 인간이 배출한 온실가스가 기후 변화의 원인이라는 논리를 합리적인 의심을 뛰어넘을 정도로 증명하는 데 유용한지를 우리가 어떻게 알 수 있을까? 저자는 1990년대 모델은 지난 30년간 아주 훌륭하게 기후변화를 예측해왔다고 말한다. 지난 30년 동안 있었던 인간의 온실가스 배출을 놓고 보면 우리는 그 모델들이 예측했던 바로 그 상황에 처해 있다. 한 마디로 그 모델들은 미래를 예측하는 데 아주 유용하다고 아주 확실하게 믿을 수 있을 만큼 아주 훌륭하게 작동하고 있다.(133 페이지) 자연의 변수만으로는 지난 50년 동안 있었던 극적인 온난화 경향을 설명할 수 없다. 인간의 온실 가스 배출이라는 변수가 없이는 지구의 기후에 일어난 변화를 설명하는 신뢰할 방법은 없다.
인류는 1850년 이래 지금까지 약 2조 5천억 톤의 이산화탄소를 배출했다. 그 대부분이 지난 수십 년 사이에 배출되었고 지금은 매년 500억 톤 가량을 배출하고 있다. 기온 상승을 1.6 - 2.2도 수준에서 머무르게 하려면 앞으로 인류에게 허용된 이산화탄소 배출량은 약 5천억 톤에 불과하다. 현재 배출량으로 따지면 10년 밖에 시간이 없다.(이 책의 원서가 나온 것은 2023년이다.) 10년은 아주 짧은 시간이다. 인류는 세상을 바꾸는 속도에서는 그 어떤 생명체와도 비교할 수 없는 독특한 존재다.
저자는 기후변화와 탄소 순환의 변동은 그 속도를 크게 줄일 수 있고 정치적 의지만 있다면 완전히 멈출 수 있다고 말한다. 그런데 인류가 정말 그렇게 하지 말지는 두고 볼 일이지만 이미 행동할 시점이 너무 오래 지났다는 것은 분명하다.(187 페이지) 인간은 탄소화합물이 가득한 식물성 식량과 동물성 식량을 먹고 그 화합물을 분해해 에너지를 얻고 날숨으로 이산화탄소를 내뱉는다. 이 과정에는 변화도 다양성도 없다. 우리는 화학적으로 그렇게 만들어졌다. 지구의 탄소순환을 바꿔 놓은 것은 우리 몸 안에서 일어나는 화학반응이 아니다. 우리 몸 내부에서 일어나는 화학 반응이 지구의 탄소 순환에 남기는 흔적은 아주 제한적이다.
다른 월드 체인저들과 달리 인간은 체외에서 막대한 양의 탄소 기반 에너지를 소비한다. 화석연료를 태워 얻는 에너지로 우리는 난방을 하고, 차를 운전하고, 공장을 돌려 상품을 생산한다. 기후 변화의 주요 원인은 이렇게 인간 체외에서 일어나는 에너지 소비다. 체내 소비와 체외 소비의 비는 1; 25다. 1인당 2천 칼로리; 5만 칼로리다. 미국인들과 그 외 다른 나라 사람들의 평균적 에너지 소비량을 비교하면 거의 1; 100이다. 결론은 인간이 발생시키는 온실가스의 70퍼센트 정도를 배출하는 화석연료의 연소를 중단해야 한다는 점이다. 온실 가스를 배출시키고 않고 전기를 생산하는 다른 방법으로 핵융합이 있다. 핵융합은 고에너지 수소 원자를 서로 충돌시켜 헬륨을 생성하는 과정에서 방출된 에너지를 이용하는 방법이다. 태양이 바로 이 방법으로 막대한 열을 만들어낸다. 핵융합은 방사성 폐기물을 남기지 않고 온 우주에서 가장 흔한 원소인 수소를 이용한다는 점에서 한동안 발전의 성배로 떠받들어졌다.
문제는 핵융합 반응을 유도하기 위해서는 이 방법으로 생산되는 가용 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 투입해야 한다는 사실이다. 몇몇 물리학자들에 따르면 앞으로 10년 후면 핵융합도 이용 가능한 발전 기술이 될 것이라고 한다. 이런 예언은 과거에도 있었지만 정말로 그 예언이 현실이 된다면 핵융합 발전은 진정한 게임 체인저가 될 것이 분명하다.(245 페이지) 모든 부분에서 정부와 기업 그리고 민간 부분의 역할이 중요하다. 온실가스를 배출하지 않는 에너지 사용에 대한 커다란 사회적 요인이 형성되지 않는다면 우리는 기후변화를 늦추고 최종적으로는 멈추는 데 성공할 수 없다. 개인의 행동을 강조하다 보면 대규모의 정치적 사회적 변화를 이끌어내는 데 소홀해질 수 있다는 지적도 일리가 있다.
그러나 특히 주택과 승용차의 경우 더욱 깨끗한 에너지 생산을 위해 개인이 할 수 있는 일이 있고 정부가 엉금엉금 기여하는 동안에도 개인들의 행동이 온실가스 배출을 직접적으로 줄일 수 있다. 물론 각 개인이 화석연료를 태워 얻는 전기로부터 멀어지도록 하는 규제 행위도 필요하다. 획기적인 기술의 발달도 필요하다. 세상을 바꾸는 우리의 선조들과 우리 사이에 있는 아주 커다란 차이가 있다는 이야기로 돌아가지 않을 수 없다. 우리는 우리가 원치 않는 부산물이나 부작용 없이 우리가 원하는 에너지를 얻을 수 있다. 그 결정적인 차이를 충분히 활용할 의지가 우리에게 있는지 여부를 시간이, 얼마 남지 않은 시간이 곧 말해줄 것이다.

[엘리멘탈] 너무 재미 있다.

벤투의스케치북 — Fri, 13 Mar 2026 19:13:00 +0900

지질 글에서 다룬 적 있는 시아노박테리아(남세균)에 대해 새로운 사실을 알게 되었다. 질소 고정을 영어로 무엇이라 하는지 검색하자 Nitrogen Fxation이라 알려준다. 이어서 cyanobacteria라 치니 Fixation이 자동 완성된다. photosynthesis before chemical synthesis?라 치니 맞다고 한다.
너무 재미 있다. 화학합성이 너무 신선했는데 사실 대산화사건(Great Oxidation Event)으로 직격탄을 맞은 생명체들이 심해 열수분출구/ 화산 분출구로 피해간 것. 산소가 없었기에 이산화탄소도 없었지만 메테인이 있어 온실효과를 만들어 지구가 살만한 곳이 되었지만 산소가 메테인을 파괴해 빙하기가 온 것.
천체의 움직임은 계산할 수 있어도 인간의 광기는 계산할 수 없다는 뉴턴의 말이 이해된다. 사회의 불규칙, 일탈, 불합리 등을 보며 자연질서는 너무도 정연하고 비약이 없다는 사실을 새삼 실감한다. 물론 내 독서가 자연과학 일변도로 보이겠지만 지금은 과도기일뿐이다. 자연과학 이후 사회과학/ 역사/ 철학이 아니라 자연과학과 함께 사회과학/ 역사/ 철학이다.

2021년 노벨 물리학상 수상자 중 한 명인 마나베 슈쿠로가 제시하는 기후의 실상 - [기후의 과학 - 지구 온난화를 넘어설 기후 물리학의 정석]

벤투의스케치북 — Thu, 12 Mar 2026 22:58:00 +0900

기후의 과학 - 지구 온난화를 넘어설 기후 물리학의 정석
마나베 슈쿠로.앤서니 브로콜리 지음, 김희봉 옮김 / 사이언스북스 / 2025년 09월

지구 표면의 온도는 20세기가 시작된 이래 계속 올라갔다. 기온은 1년, 10년, 수십 년 주기로 요동치면서도 지난 100년 동안 점점 증가했고 지난 수십 년 동안 비교적 크게 증가했다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC; Intergovernmental Panel on Climate Change) 제5차 평가 보고서(2013년)에 “20세기 중반 이후에 관측된 온난화의 지배적인 원인은 인간의 영향이었을 가능성이 극단적으로 크다.”는 내용이 있다. 이 보고서는 관측된 온난화의 대부분이 인간의 활동에 따른 이산화탄소, 메테인, 아산화질소 같은 온실 기체의 농도 증가 때문일 수 있다고 결론지었다. 2007년 IPCC는 전 미국 부통령 엘 고어와 함께 노벨 평화상을 수상했다.
온실 기체는 대기에서 차지하는 함량이 매우 작지만 적외선을 강하게 흡수하고 방출해 지구 표면을 따뜻하고 거주 가능한 곳이 되게 하는 데 도움이 되는 온실효과를 일으킨다. 장기적으로 지구의 온도는 대기권 최상단으로 들어오는 알짜 태양 복사와 지구에서 빠져나가는 복사가 균형을 이루도록 유지된다. 복사 불균형은 지금 진행중인 지구 온난화와 일치하는 결과다. 지구 복사는 대부분 4 마이크로 미터보다 긴 파장에서 발생하고 태양 복사는 대부분 4 마이크로 미터보다 짧은 파장에 관련된다. 태양 복사는 단파(短波) 복사, 지구 복사는 장파(長波) 복사다.
지구의 장파 복사는 주로 수증기 때문에 스펙트럼의 많은 범위에 걸쳐 매우 강하게 흡수된다. 수증기를 통한 흡수가 비교적 적은 7~20 마이크로 미터 사이에 이른바 대기의 창이 있어서 이산화탄소, 오존, 메테인, 아산화질소가 매우 강하게 흡수된다. 온실 효과는 하늘을 덮는 구름 때문에 일어나기도 한다. 구름은 대기 전체에서 일어나는 온실 효과의 약 20%를 차지한다. 구름은 태양광을 반사하는 알베도 효과도 낸다. 구름이 일으키는 태양 복사의 반사가 온실 효과를 압도한다. 구름은 지구의 열 균형에서 알짜 냉각 효과를 일으킨다.
수증기는 강력한 온실 효과의 주요 원인이다. 이산화탄소는 대기 중에 오래 머물고 수증기는 짧게 머문다. 온실 효과는 지구 표면을 따뜻하고 거주 가능한 기후로 유지하는 데 있어서 필수적이다. 대기 중 이산화탄소 농도가 2배로 증가하면 지표면과 대류권에서는 온도가 상승하지만 성층권에서는 냉각이 일어난다.(67 페이지) 위성 마이크로파 즉정과 소형무선기상 장비 측정 결과 밝혀진 바로는 성층권의 지구 평균 온도는 지난 수십 년 동안 감소해 왔다.(68 페이지) 이는 지구 온난화를 간접 증거한다.
이산화탄소 증가는 대류권(하층 대기)의 온난화를 유발하는 한편 성층권 및 상층 대기의 냉각을 일으킨다. 이산화탄소 농도가 증가하면 지표 근처에서 방출되는 적외선 복사를 더 많이 가두어 온난화가 일어나지만 밀도가 낮은 상층 대기에서는 증가한 이산화탄소가 우주로 향하는 열을 증가시켜 수축과 냉각을 유발한다. 그 이유는 그곳에서는 공기가 너무 희박해서 분자들이 방출된 적외선 복사를 재흡수하지 못하기 때문이다.(대류권을 영어로 troposphere라 한다. 변한다는 의미의 어원을 갖는다. 성층권을 영어로 stratosphere라 한다. 층이 졌다는 의미의 어원을 갖는다.)
대류권에서는 고도가 높아질수록 기온이 점차 낮아진다. 성층권에서는 처음에는 일정하게 유지되다가 일정 고도를 넘으면 오히려 따뜻해진다. 이를 이렇게 풀어서 이야기할 수 있다.
<워싱턴 D.C.와 이후 뉴저지주 프린스턴에 있는 NOAA(미국해양대기청)의 GFDL(지구물리유체역학연구소)에서 근무한 마나베는 GFDL의 초대 소장인 조셉 스마고린스키와 함께 대기의 3차원 모델을 개발했다. 첫 단계로 마나베와 웨더럴드(1967)는 수증기의 양의 되먹임 효과를 고려한 복사-대류 평형 상태의 1차원 단일 열 대기 모델을 개발했다. 수증기 피드백 즉 따뜻한 공기가 더 많은 수증기를 함유할 수 있어 온실 효과를 증가시킨다는 사실을 나타낼 수 있게 해주도록 개선한 시스템을 바탕으로 기후 민감도를 재계산할 수 있었다. 대기 중 이산화탄소 농도가 두 배로 증가할 때 기온이 2.3°C 상승한다는 그들의 결과는 기후 과학의 역사는 물론 기후 모델링 역사에서도 중요한 결과로 생각할 수 있다. 그들은 이 모델을 사용하여 대기 중 이산화탄소 농도 변화에 따라 지표면과 대류권에서는 온도가 상승하는 반면 성층권에서는 온도가 하강한다는 것을 발견했다.>라고.
기후 과학의 가장 어려운 과제 중 하나는 기후 민감도를 신뢰성 있게 추정하는 것이다. 기후 민감도란 충분히 긴 시간에 걸쳐 특정한 열 강제력이 주어졌을 때 일어나는 지구 평균 표면 온도의 반응을 말한다. 1966년 11월 마나베 슈쿠로는 최초의 현대 기후 모델을 개발했다. 임페리얼 칼리지 런던의 명예 교수이자 대기 물리학자인 조안나 헤이그는 마나베의 모델에는 온실 효과를 추정할 때 다른 사람들이 간과했던 두 가지 핵심 요소가 포함되어 있었다고 말한다. 하나는 대류 조정으로 대기 중 기체가 들어오는 태양 복사열과 지면에서 반사되는 열에 반응하여 움직이는 방식을 설명한다.
마나베 모델의 또 다른 핵심 요소는 수증기다. 대기가 따뜻해지면 온실가스인 수증기를 더 많이 함유할 수 있게 된다. 이는 양의 피드백 루프를 발생시킨다. 대기가 따뜻해질수록 더 많은 수증기를 함유할 수 있게 되고 결과적으로 대기는 더욱 따뜻해진다. 따라서 건조한 계산(dry calculations)을 했던 과학자들은 이산화탄소의 온난화 효과를 과소평가했다고 헤이그는 말한다. 건조한 계산이란 수분(물)을 제외하고 고형분(固形分; dry matter)만을 기준으로 성분을 분석하는 방식이다. 고형분이란 액상 제품의 수분을 모두 증발시켰을 때 남는 유효성분의 함량(%)을 뜻한다.
2021년 마나베는 클라우스 하셀만, 조르주 파리시 등과 함께 노벨 물리학상을 수상했다. IPCC의 2007년 평화상 수상, 마나베 등의 2021년 노벨 물리학상 수상은 모두 기후와 관련된 업적을 인정받은 결과다. 기후 문제 해결은 평화와 직결되며 그 메커니즘 해명은 물리적 의미를 지닌다고 말할 수 있다. 그렇다면 마나베의 업적은 어느 정도의 지질학젹 의미를 지닐까? 그의 기후 분석은 지질 시대에 걸쳐 지구 표면, 해양, 대기가 어떻게 상호작용하는지 이해함으로써 지질학과 밀접하게 연결된다.
또한 그의 해양-대기 모델은 대륙 배치 및 대기 조성과 같은 경계 조건을 변경하여 과거의 지질 시대를 시뮬레이션할 수 있게 해준다. 노벨상에 지구과학 분야는 없다. 그러나 베틀슨(또는 베틀레센) 상이 있다. 1959년 뉴욕에 본부를 둔 G. 웅거 베틀레센 재단이 제정한 이 상은 "지구, 지구의 역사 또는 우주와의 관계에 대한 더 명확한 이해를 가져오는 과학적 업적"에 수여하는 상으로 지구과학 분야의 노벨상에 해당한다. 물론 이 상도 물리학자 또는 지구물리학자가 많이 수상했다. 해수면 상승 추이를 도표화하고 이를 기후 변화와 연관시킨 선구적인 연구를 한 지구물리학자 아니 카제나브(2020년), 지구 내부 작동 원리를 밝혀낸 심지구(深地球) 탐험가이자 물리학자 데이비드 콜스테트(2023년) 등이 대표적이다.
이는 물리학이 자연과학의 기본에 해당하는 학문이기 때문이다. 6,500만 년 전 대멸종이 단순히 느린 동일과정설적 과정이 아니라 거대한 소행성 충돌에 의해 발생했음을 증명하여 지구과학을 혁신적으로 바꾼 공로를 인정받은 월터 알바레즈(2008년)가 가장 유명한 지질학자다.
중요한 사실은 지구 표면의 온난화 규모가 두 반구에서 비대칭적이라는 점이다.(208 페이지) 북반구에서는 위도 증가에 따라 온난화가 증가해 북극해에서 최대가 된다. 남반구의 고위도에서는 온난화가 비교적 작다. 북반구 고위도에서 온난화가 큰 것은 지구로 들어오는 일사(日射)의 많은 부분을 반사하는 해빙(海氷)과 적설(積雪)이 북극에 몰려 있기 때문이다. 남반구의 고위도에서 온난화가 작은 것은 남극해 연안 근처뿐 아니라 남극해의 방대한 지역에서 일어나는 심층 대류 때문이다. 마나베는 물 순환에 미치는 영향을 평가하는 연구를 했다. 온도가 증가하면 포화 증기압이 커진다.
이에 따라 물이 더 많이 증발한다. 증발이 많아지면 강수도 많아지고 지구 전체의 물 순환이 빨라진다. 이에 따라 파괴적 폭우가 내리는 지역이 생긴다. 지구 전체의 물 양은 일정하기에 다른 지역은 가뭄에 시달릴 수 있다. 화석 연료 연소로 인한 기온 상승이 지구의 대기를 더 거대한 스펀지로 만들어 물 순환을 더 강력하고 불규칙하게 변화시킨 결과다. 독일의 기상학자 프란츠 마울스하겐의 말을 기억할 필요가 있다. “기후 변화 앞에서는 전세계가 궁극적으로 운명 공동체다.” [기후의 과학]의 원제는 [지구 온난화를 넘어서(Beyond Global Warming)]다. 기후 변화에 대해 경각심을 주기보다 관련 메커니즘을 밝히는 쪽의 서술 방향을 보였기 때문이라는 생각이 든다.좋아요

과학의 눈으로 해명, 분석 하는 놀라운 먼지 이야기 - [먼지 - 거실에서 우주까지, 먼지의 작은 역사]

벤투의스케치북 — Wed, 11 Mar 2026 06:58:00 +0900

먼지 - 거실에서 우주까지, 먼지의 작은 역사
요제프 셰파흐 지음, 장혜경 옮김 / 에코리브르 / 2024년 07월

인간을 별의 먼지라 부르는 사람들 사이에서 천체물리학자 마틴 리스는 인간은 핵 폐기물이라고 말했다. 그의 [여섯 개의 수]에 이런 구절이 나온다. “먼지 입자는 자주 충돌해서 서로 들러붙어 울퉁불퉁한 덩어리가 된다. 이 덩어리가 다시 합쳐져서 더 큰 덩어리가 되고 그것들이 병합해서 행성이 된다. 우리 태양계는 이런 과정을 거쳐 원시 태양 원반으로부터 형성되었다.”
요제프 셰파흐의 [먼지]의 주인공은 먼지다. 하지만 먼지 외에 다른 존재들도 중요하게 다루어졌다. 에어로졸, 플랑크톤 등이 그것들이다. 에어로졸은 러시아 물리학자 니콜라이 알베르토비치 푹스가 1955년에 처음 쓴 말로 부유(浮遊)하는 입자, 공기, 기체 혼합물을 의미한다. 책의 부제는 ‘거실에서 우주까지. 먼지의 작은 역사’다. 열 아홉 챕터로 이루어진 책의 18부는 ‘블랙홀; 거대한 먼지 괴물‘이고 19부는 ’먼지에서 먼지로‘다.
첫 문장은 아니지만 앞 부분의 주요 대목에서 저자는 “처음에는 먼지가 없었다. 원시 가스뿐이었다.... 우리의 은하수 같은 2세대 은하계에 이르러서야 그 열기를 데려갈 수 있는 먼지가 생겼다. 이 먼지는 우리 몸에서도 발견할 수 있는 무거운 원소들로 구성었다.”는 말을 한다. 인간은 별의 먼지라는 말, 나아가 핵 폐기물이라는 말은 이로부터 유래했다.
초기 우주의 먼지 대부분이 초신성에서 탄생했다. 이어지는 글에서 저자는 주기율표에 대해 충분한 앎을 제공한다. 저자는 초신성에 대해 “이제 별은 자신의 물질을 먼지 형태로 우주에 되돌려준다. 돌을 만드는 결정 물질인 규소 먼지, 대리석에 든 산화마그네슘 먼지, 지구에서 오염도에 따라 루비나 사파이어로 부르는 강옥(鋼玉) 즉 산화알루미늄 먼지다.”라고 설명한다.
먼지는 어떤 물질인가? 먼지 한 조각에서 유전자 조각을 수 조(兆)개 찾을 수 있다. 석기 시대 인간은 먼지를 이용할 줄 알면서 불을 피울 수 있었다. 부싯돌 두 개를 충돌시킨다고 불이 생기지는 않는다. 황철석(pyrite)이 있어야 한다. 이 두 가지를 충돌시켜야 먼지 조각에서 눈에 보이는 불꽃이 튄다. 가장 오래된 벽화는 네안데르탈인이 그린 것으로 적철석(hematite)의 비율이 높은 돌가루를 사용했다. 스페인 동굴 벽화는 구석기 시대 호모 사피엔스(현생 인류)의 작품으로 여겨지다가 최근 연구에 의하면 약 6만 4천 년 전 즉 현생 인류가 유럽에 출현하기 2만 년 전에 그려진 것으로 밝혀졌다.
돌가루를 다른 말로 먼지라 한다. 이런 내용들을 감안하며 헤아려야 할 먼지의 정의는 무엇일까? 먼지란 표면에 쌓이거나 공기 중에 떠다니는 흙, 꽃가루, 파편과 같은 미세하고 가루 같은 물질을 말한다. 가장 흥미로운 사실은 대양의 플랑크톤과 비슷하게 대기 중에도 미생물이 우글거린다는 점이다. 지표면에서 소용돌이쳐 오르는 에어로 플랑크톤이 그것이다.
본문에 인간 산화장(酸化場)이란 말이 나온다. 실내 오존이 피부의 기름기 및 지방과 반응할 때 호흡기 주변에 형성되는 눈에 보이지 않고 반응성이 높은 수산화 라디칼(OH)의 헤이즈(haze; 아지랑이)를 말한다. 이론(異論)이 있지만 꽃가루 즉 화분(花粉)도 먼지로 분류된다. 우리는 꽃가루가 자연의 가장 소중한 먼지라는 사실을 잘 안다는 것이 저자의 주장이다.
그와 관련된 찰스 다윈의 이야기도 흥미롭다. 그는 “꽃은 언제, 어떻게 진화했는가?”에 대한 답을 얻기 위해 평생 애썼다. ’꽃의 승전(勝戰)은 백악기에 시작되었다. 지질학의 잣대로 보면 그리 오래전은 아니다. 지구 역사를 1시간이라 가정하면 꽃은 이제 막 90초 전에 등장했으니 말이다.“
저자도 언급한 석면(石綿)은 어떤가. 석면을 영어로 aesbestos라 한다. 이 단어의 어원은 불멸(不滅)의, 꺼지지 않는 등의 말이다. 석면은 본질적으로 먼지가 아니라 자연적으로 발생하는 섬유상 규산염 광물 그룹이지만 이 물질이 손상되거나 구멍이 뚫리거나 부서지면 미세한 막대 모양의 섬유를 방출하여 아주 위험한 공기 중 먼지 역할을 한다.
먼지 해명에 물리학적 지식도 동원되었다. 독일의 물리학자 구스타프 미(Gustav Mie; 1868-1957)에 의하면 입자의 집합에서 작은 입자 옆에 큰 입자가 존재하면 빛은 언제나 파장과 관계없이 모든 방향으로 산란한다. 이런 산란을 구스타프 미의 이름을 따서 미(Mie) 산란이라 한다. 이 결과 먼지 입자는 회색으로 보인다. 먼지는 (증가하는) 엔트로피의 산물이다.
‘철과 함께 빙하기로?‘란 글도 흥미롭다. 해양학자 존 마틴은 ”나에게 유조선 절반을 채울 수 있는 철을 다오. 내 너희에게 빙하기를 선물할 것이다.“란 말을 했다. 식물성 플랑크톤이 먹는 것이 철분이다. 생존, 번식, 광합성을 위해서다. 이들은 광합성을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출해 지구 온난화를 완화하고 대기 온도를 낮추는 중요한 역할을 한다고 알려졌다. 이렇게 존 마틴의 말에는 일리가 있다. 이는 빙하기 먼지의 철 함량이 간빙기 먼지의 철 함량보다 15~20배 더 높은 데서 기인한다. 물론 철은 순수 금속 형태로 존재하는 경우는 극히 드물다. 철은 산소와 쉽게 반응해 다양한 산화철이 된다.
임페리얼 칼리지 런던의 매슈 겐지(Matthew Genge)는 화산 폭발이 이온권의 합선을 유발해 구름 형성을 자극함으로써 폭우가 쏟아지게 한다고 말했다. 이는 1815년 나폴레옹의 워털루 전투와 그 이듬해의 여름 없는 해로 연결되는 사건을 두고 한 말이다. 당시 여름이 없었던 것은 인도네시아 탐보라 화산 폭발로 발생한 먼지가 햇빛을 흡수해 지구로 유입되는 빛의 양을 줄였고 거대한 먼지 구름이 세상을 뒤덮었기 때문이다. 매슈는 화산재가 대기권 하층에 붙들려 있지 않고 정전기력이 추가되면 부력 하나만 있을 때보다 재가 훨씬 더 높이 뜰 수 있다고 말했다. 이온권은 지표면에서 100km 높이다. 탐보라 화산 폭발은 수천 km가 넘는 유럽에까지 영향을 미쳤다.
블랙홀 주변의 소용돌이에서 물질의 흐름은 거대한 먼지 공장이 된다. 맨체스터 대학교의 시스카 마그윅캠퍼(Ciska Markwick Kemper)는 수많은 물질이 먼지 알갱이로 갈려 블랙홀의 회오리바람에 달려간다고 말한다. 블랙홀 퀘이사 PG 2112+059 주변의 회오리바람을 연구한 그녀는 그곳에서 암석을 만드는 광물, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 지구에서 발견된 수많은 다른 물질들 – 지구 유기체의 몸에도 들어 있는 화학 원소 –을 대량 확인했다. 현재 제임스 웹 우주망원경이 이 초기 우주의 암석 형성 촉매를 찾고 있다. 어떤 것을 찾든 천문학의 새 시대가 열릴 것이다. 그렇게 되면 태초에 별과 은하가 있었던 게 아니기 때문이다. 태초에 블랙홀이 있었다.(205 페이지)
마지막 챕터에 나오는 빙장(氷葬)이 눈에 띈다. 시신을 영하 196도씨의 액화 질소에 담가 냉동 먼지로 만드는 방식이다. 저자의 스케일 또는 글솜씨를 느낄 수 있는 대목은 가장 마지막에 나온다. 최대한 오래오래 지상에 남고 싶어 하는 사람들에게 미라화 장례를 제공하는 것을 보며 저자는 제아무리 비싼 방법을 택한다 해도 인간이 지구의 종말을 넘어 살아남지는 못한다고 말한다.
이 구절만 읽으면 별것 아닌 말로 들린다. 하지만 이어지는 말은 다르다. 50억-60억 년 후면 태양의 내부 연료가 바닥을 드러낸다. 껍데기에는 아직 수소가 남아 있다. 그곳에서도 핵융합이 일어날 때까지 수소는 계속 가열된다. 그 과정에서 방출된 에너지로 인해 태양은 지금 크기보다 100~150배 팽창해 붉게 빛날 것이다. 아마 지금보다 약 40퍼센트 더 밝을 것이다. 그러면 대양이 증발해 지구는 먼지로 가득할 것이다.
언젠가 태양은 화장터가 될 테고 그 안에서 지구는 다시 없어질 것이다. 지구의 구성 성분 - 수정, 화강암, 철, 금, 마그네슘, 규소로 이루어진 먼지 – 은 태양풍에 휩쓸려 방황할 것이다. 태양이 단말마의 비명을 지르며 마지막 남은 연료를 껍질에서 펌프질하려면 먼지는 그 충격파로 인해 덩어리가 될 것이다. 약 10의 14 제곱 년이 지나면 지금 우리가 잘 아는 가장 오래된 별들도 불타 없어질 테고 우주는 암흑이 될 것이다. 10의 36 제곱 년이 지나면 모든 물질이 녹아 없어질 것이다.
물리학자들은 그때가 되면 양성자가 분해될 것이라 예상한다. 우주를 구성하는 물질 중에서는 전자, 양전자, 광자만 남을 것이다. 장엄한 시나리오가 아닐 수 없다. 일미진중함시방(一微塵中含十方)의 과학적 버전이라는 생각이 든다. 새삼 ”...너는 흙이니 흙으로 돌아갈 것이니라...“(창세기 3장 19절)란 성경 말씀이 맥락 있게 다가온다. 책의 분위기에 취해 일시적인 감상에 든 것인지 모르나 세상의 모든 분별이 허망하게 느껴진다.

요제프 셰파흐의 [먼지]를 다시 읽어야

벤투의스케치북 — Tue, 10 Mar 2026 19:20:00 +0900

요제프 세파흐의 [먼지]를 다시 읽을 필요를 느낀다. 이 책에 플랑크톤 이야기가 나온다. 플랑크톤도 두 종류로 나뉜다. 동물성 플랑크톤(zooplankton)과 식물성 플랑크톤(phytoplankton)이다. 미항공우주국에서 운영하는 PACE 사이트의 P가 바로 플랑크톤이다. A는 에어로졸(Aerosol)이다. 에어로졸의 일종이 미세먼지(fine dust)다. C는 Cloud다. E는 ocean Ecosystem이다. 플랑크톤, 에어로졸, 구름, 해양 에코시스템은 중요 키워드들이다. 어제 읽은 프란츠 마울스하겐의 [꿰뚫는 기후의 역사]에도 플랑크톤 이야기가 나온다. 해수 온도가 상승할 때 콜레라균이 동물성 플랑크톤에 서식한다고 한다. 해수 온도가 오르면 식물성 플랑크톤이 확산하고 그들을 먹고 사는 동물성 플랑크톤이 번성하게 됨에 따라 콜레라균이 많아져 동물성 플랑크톤에 서식하다가 특정 생태학적 조건이 갖추어지면 인간에게 전파된다는 것이다. 이는 플랑크톤이 지닌 진면목의 일부에 해당한다. 기본적으로 지질학과 관련이 큰 존재가 플랑크톤이다. 사실 플랑크톤이 수수께끼 같은 존재가 아니라 시스템이 수수께끼 같다고 할 수 있다.

기후 변화 앞에서는 전세계가 궁극적으로 운명 공동체임을 일깨우는 책 [꿰뚫는 기후의 역사] - [꿰뚫는 기후의 역사 - 1만 1700년 기후 변화의 방대한 역사를 단숨에 꿰뚫다]

벤투의스케치북 — Tue, 10 Mar 2026 07:57:00 +0900

꿰뚫는 기후의 역사 - 1만 1700년 기후 변화의 방대한 역사를 단숨에 꿰뚫다
프란츠 마울스하겐 지음, 김태수 옮김 / 빅퀘스천 / 2025년 05월

독일의 저명한 기후역사학자인 저자는 우리 모두 지역, 인종, 문화적 차이에도 불구하고 기후 변화 문제 앞에서는 궁극적으로 운명 공동체라고 진단한다. 저자는 17세기 소빙하기 이론에 대해 전 지구적으로 적용 가능한 개념을 사용하기보다 각 지역에서 발생한 정치적, 경제적, 사회적 상황을 그 지역 고유의 맥락에서 상세히 살펴보는 것이 더 적절하다고 말한다. 저자는 친환경적이라고 알려진 전기차에 대해서도 전기가 친환경적으로 생산되어야 의미 있다고 말한다. 저자는 전기차가 궁극의 해결책은 아니라고 생각한다. 저자는 지정학적 측면에서라도 원자력 발전은 기후 문제를 해결하는 보편적 해결책이 되지 못한다고 말한다.
저자는 화석연료 사용과 같은 인간 활동이 지구 온난화를 촉진하기 때문에 기후 변화를 제한하는 문제는 전적으로 정치적 결정의 영향권에 있다고 말한다. 기후 역사에서 첫 번째 전환점은 신석기 시대 이후로 확산된 농업의 도입이다. 저자가 취하는 입장은 사회적, 문화적, 경제적 발전이 기후 및 환경과 얽혀 있다는 것이다. 저자는 기후가 단순히 역사를 만들지는 않지만 지구적 차원에서, 지역마다 고도로 구분되는 환경적 요인으로서 인간이 자연환경과 맺는 모든 관계에 작용한다고 말한다. 1억 4,000만 년 전부터 6,500만 년 전까지의 백악기의 극지방까지 빙하에서 완전히 해방된 시기를 지나 지금으로부터 300만 년 전 지구는 새 빙하기에 돌입했다.
빙하기란 극지방이 영구적인 얼음으로 덮인 시기를 말한다. 탄소 순환의 변화 및 변동이 빙하기와 간빙기의 교차를 일으킨 가장 중요한 원인은 아니다. 궤도 동인 또는 밀란코비치 동인이라는 천문학적 요인이 더 중요한 영향을 끼쳤다. 천문학적 요인의 첫 번째는 태양과 달의 인력에 의해 생기는 지구 자전축의 흔들림(세차운동)이다. 지구 자전축은 26,000년 주기로 황도면에 대해 서서히 회전함으로써 자전축의 방향이 바뀐다. 두 번째는 지구 자전축의 기울기가 약 41,000년 주기로 22.1도에서 24.5도 사이를 오가는 것이다. 세 번째는 405,000년 주기로 거의 원형에서 약간의 타원형 사이를 오가는 지구 공전 궤도의 변화다.
세 요인 모두 지구에 도달하는 태양 복사량의 변화를 초래한다. 태양으로부터의 거리는 복사 밀도에 영향을 미친다. 자전축의 기울기와 흔들림은 지역에 따른 태양 복사의 분포에 영향을 미친다. 이에 따라 북반구와 남반구의 계절 변화에도 영향을 미친다. 지구 기후는 이런 변화에 지역에 따라 다르게 반응한다. 16,000년 전부터 기온이 상승했고 11,700년 전부터 헌재까지는 홀로세라 불린다. 홀로세는 11,700년 전부터 현재까지 지속되는 지질 시대다. 상대적으로 안정된 기후로 인해 농경 및 정착이 가능해진 시대다. 호르무즈 서쪽의 페르시아만과 시베리아와 알래스카 사이의 베링 육교가 이때 녹은 빙하로 침수되었다.
베링 육교의 침수로 아메리카 최초의 원주민들이 수천 년 동안 유라시아로부터 단절되었다. 이 시기에 이산화탄소 농도도 상승했다. 홀로세의 온난기는 지속 기간이 예외적으로 길다. 저자는 홀로세 중기 이후 시작된 기온 하강 추세의 끝부분이 갑작스러운 기온 상승으로 이어지는 것을 인류가 초래한 것으로 설명한다. 인류가 초래한 온실효과는 주기적인 변화와 반대되는 방향으로 작용하고 있으며 홀로세와 함께 시작된 온난기의 끝을 예측할 수 없게 한다. 저자는 신석기 혁명이라는 개념이 농업이 인류의 역사에서 전환점으로 작용한 것은 맞지만 농업으로의 전환은 급작스럽게 일어나지 않았다고 말한다.
저자는 호주의 고고학자 비어 고든 차일드(Vere Gordon Childe: 1,892-1,957)가 쓴 신석기 혁명이라는 말에 대해 논한다. 차일드는 농업의 여러 기원지 중 한 곳인 비옥한 초승달 지역만을 다루었다고 한다. 하지만 현재는 지리적으로 서로 멀리 떨어진 최소 11개의 기원지가 있었던 것으로 널리 받아들여지고 있다. 현재로부터 약 4,200년 전에 발생한 급격한 기온 하강은 홀로세 중기에서 후기로의 전환점이다. 지질학자들은 홀로세 후기로 넘어가는 기준을 보여주는 것으로 인도 메갈라야 주의 마움루 동굴의 석순을 꼽았다. 이로부터 메갈라야기라는 명칭이 생겼다.
기후학자들로 구성된 PAGES 2K Network라는 그룹이 있다. 이들은 지난 2,019년 2,000년 동안의 지구 기온을 재구성한 자료를 발표했다. 이에 따르면 수십 년간의 더 추운 시기는 일련의 화산 폭발과 시기적으로 일치한다. 이는 산업화 이전의 역사적 시간 척도에서는 화산이 가장 중요한 기후 변화의 동인이었음을 나타낸다. 태양 활동의 변화는 상대적으로 덜 중요한 역할을 했다. 20세기의 온난화는 모든 면에서 예외적이다. 20세기의 온난화는 지난 2,000년 동안 수십 년에 걸쳐 일어났던 다른 어떤 온난화들보다 약 3배 강력했다. 여기에는 온실가스의 인위적 방출이 결정적 역할을 했다. 다른 자연적 요인들은 뒤로 밀려났다.
화산 폭발이 기온 하강을 초래하는 것은 이산화황이 물과 반응해 만들어지는 황산 에어로졸이 태양 빛을 반사하기 때문이다. 저자는 개별적인 사실들은 역사적 맥락 속에서, 그리고 다른 사실들과의 비교 속에서 고려되어야 하며 그럴 때라야 비로소 기후사적 의미를 파악할 수 있다고 말한다.(96 페이지) 가령 15세기 들어 잉글랜드의 포도 생산이 갑자기 감소한 것은 당시 여름의 서늘하고 습한 기후 조건보다는 중세 흑사병이 노동력과 임금에 끼친 영향과 더욱 밀접한 관련이 있다고 말한다. 저자는 이전에 자연적인 원인으로 인한 온난화가 있었다고 해서 지금의 기후 온난화 역시 자연적인 것이 아니라 지적한다.
아일랜드를 떠나온 노르웨이인들이 척박한 그린란드에 정착한 이유는 무엇일까? 저자에 의하면 바다 코끼리 상아 무역 때문이다. 트론헤임, 베르겐, 오슬로, 더블린, 런던, 슐레스, 비히, 시그투나 같은 중세의 무역 중심지에서 발견된 900년에서 1,400년 사이 것으로 알려진 상아의 DNA를 분석한 결과에 따르면 1,100년경 유럽의 시장 전역에 그린란드와 캐나다에서 온 바다 코끼리 상아가 공급되었다.
소빙하기라는 용어는 암스테르담에서 태어난 북미 지질학자 프랑수아 마테스에 의해 1,939년 고안되었다. 1,450년에서 1,850년 사이 시기를 소빙하기로 보는 것은 기후변화에 관한 정부간 협의체의 최근 보고서에서 선호되는 시기 설정이기도 하다. 근대 초기 유럽에서 발생한 마녀사냥 역시 넓은 범위에서 기후 변화로 인한 사회적 갈등에 속한다. 갖가지 형태로 발생한 불행의 책임자를 밝혀내기 위해 도시와 시골을 막론하고 여러 가지 극심한 사회적 충돌이 나타났다. 소빙하기가 유럽에서 절정에 달했던 1,560년에서 1,630년 사이 마녀사냥의 중심지들에서 대사냥이 더 빈번하게 일어났고 가장 중요한 시기였던 1,580년에서 1,630년 사이에 이런 경향이 강했다는 사실은 특기할 만하다.
저자는 17세기 초 인구가 감소한 것은 많은 지역에서 농업 생산이 인구 증가로 인해 늘어난 수요를 따라가지 못하면서 인구 증가가 일시적으로 한계에 부딪힌 결과 발생한 현상으로 분석한다. 식량 가격이 상승하면서 서유럽과 중부 유럽의 가정들은 경제적 어려움을 겪었고 사람들은 출산을 제한하는 전통적 방법으로 이에 대처했다. 성관계와 자녀 출산의 정당성이 교회의 승인과 밀접하게 연결되어 있는 사회에서 결혼 시기를 늦추는 것은 효율적인 방법임이 입증되었다.
저자는 소빙하기가 인구 성장에 남긴 흔적은 16세기의 인구 증가 결과 생성된 다른 요인과 조건들이 기후와 맺은 상호 작용 속에서 파악해야 하며 오롯이 기후적 영향으로 환원해서 이해할 수는 없다고 말한다. 해수 온도가 상승할 때 콜레라균이 동물성 플랑크톤에 서식한다는 사실이 눈에 띈다. 콜레라균은 플랑크톤 안에 있다가 특정 생태학적 조건이 갖춰지면 인간에게 전파된다. 역사상 기후에 영향을 미친 주요 원인은 19세기 산업화의 등장이다. 인류가 초래한 기후변화에 관한 대부분의 과학사는 19세기에 온실 효과가 발견되면서 시작되었다. 그러나 인간에 의해 촉발된 기후변화에 관한 최초의 논쟁은 이보다 최소 한 세기 전에 이미 이루어졌다.
이 논쟁은 유럽의 식민지에서 토지를 이용하는 것이 기후에 끼치는 영향에 관한 것이었다. 유럽인이 아메리카, 카리브해, 일부 동아시아 그리고 나중에는 아프리카에서 행하는 농업식민지의 활동을 두고 벌어졌다. 온실효과를 처음 제안한 사람은 프랑스의 수학자, 물리학자 장 밥티스트 푸리에(1,766–1,830)다. 1,824년의 일이었다. 최초로 대기 전체의 온실효과를 정밀하게 측정한 사람은 스반테 아레니우스다. 현대 지질학은 지구사 연대기를 처음에는 수백만 년, 20세기에는 마침내 수십억 년이라는 상상할 수 없을 정도의 긴 시간대로 확장했다.
지난 12,000년 동안 기후 변화는 토지 이용, 특히 농업에 의한 영향을 받았다. 식생과 토양에는 일정량의 탄소와 메탄 등 온실가스가 저장되어 있다. 식생의 변화는 그것이 자연적으로 이루어졌는지 인간에 의해 초래되었는지에 관계없이 더 많은 양의 탄소가 저장되거나 탄소가 오히려 더 많이 방출되거나 간에 하나다. 토지 이용이 지구의 대기 중 온실가스 농도에 미친 영향을 평가하기 위해 과학자들은 복잡한 기후 모델 분석과 계산에 의존해야 한다. 저자는 농업에 의한 온실효과가 인위적으로 강화되었다고 해도 그 영향은 현대에 인류가 초래한 온실효과의 1/3 미만일 것이며 훨씬 더 긴 기간에 걸쳐 나타났을 것이라 말한다.
기후학자들은 적어도 대기 중 온실가스 농도의 변화가 산업화 이전의 어느 시점에서도 기후 변화의 자연적인 동인들을 압도하지 않았다는 점에 동의하고 있다. 저자는 인류가 초래한 기후 변화가 자연적 동인을 압도한 것은 산업화 이후의 온실효과에서 비로소 이루어졌으며 지난 200년 동안의 산업화에 따른 토지 이용이 이에 본질적으로 기여했다고 말한다. 산업화된 농업에 있어서 결정적인 것은 화석 연료 에너지 체제와 기술 혁신이며 이런 혁신에는 농업 기계뿐 아니라 비료 생산을 위한 하버 보슈 공정과 같은 화학적 처리 과정의 통제도 포함되었다.
저자는 노예제 종말은 단순히 정치적 저항에 의한 것만은 아니라 말한다. 산업화된 농업의 경제성이 노예제에 기반한 농업의 경제성보다 크지 않았다면 노예제는 아주 더디게 폐지되었거나 아예 폐지되지 않았을지도 모른다.(181 페이지) 인간 노동력의 농업에서의 해방이 산업화를 이끌었다. 비록 식량이 매우 불균등하지만 산업화의 결과 오늘날 80억 명의 인구를 먹여 살릴 수 있는 식량 풍요 시대가 찾아왔다. 인간과 가축을 농사일에서 해방시킨 농기계는 거의 모두 휘발유나 디젤에 의해 작동하며 이에 따라 상당 량의 이산화탄소를 배출한다.(187 페이지) 인공 비료의 생산 역시 화석 연료에 의존한다. 인공 비료를 통해 향상된 농업 생산성으로 인해 확대된 동물 사육으로 이산화탄소와 메테인 배출량이 급격히 증가했다.
1,850년 기온 측정이 시작된 이후로 전 세계 평균 기온이 약 1.3도 C 상승했다. 폭염과 가뭄의 빈도도 증가했다. 지금까지 인류가 초래한 온실효과만으로 다음 빙하기를 최소한 10만년 이상 늦추기에 충분하다고 한다. 인류가 초래한 기후변화 요인과 더불어 기후 체계 내부의 변동성이 중요한 역할을 했다. 특히 처음에는 태평양이 따뜻해졌다가 그 이후에는 대서양까지 따뜻해진 것이 주요했다. 에어로졸은 온실가스와는 다른 인위적인 요인으로서 태양복사의 일부를 차단하여 지표 근처의 기온을 낮추는 역할을 한다.
저자는 기후에 서로 반대되는 영향을 미치는 인위적 온실효과와 에어로졸의 관계에 대해 논한다. 1970년대에 등 지구가 다음 빙하기로 접어들 것이라는 지구 한랭화 이론은 더 이상 유효하지 않게 되었다. 현재까지 에어로졸은 온난화 효과의 약 0.73도 C를 상쇄한다. 에어로졸은 강수량을 강화한다. 인위적으로 미세 먼지를 줄이면 이 지역의 강수량이 감소하여 많은 사람들이 물과 식량 문제에 처할 가능성이 커진다. 에어로졸(미세먼지, 염화칼슘/염화나트륨 등)은 구름 응결핵 역할을 하여 수증기를 뭉치게 함으로써 구름 형성을 촉진하고, 일정 수준 이상 농도가 높아지면 강수 입자를 성장시켜 강수량을 증가시키는 효과(인공 증우 등)가 있다. 지나치게 높은 농도는 강수 시기를 지연시키거나 구름 입자를 작게 만들어 오히려 강수를 억제할 수도 있다. 미세먼지는 에어로졸의 일종이다.
지구 온난화의 가장 심각한 영향은 빙하 해빙, 그로 인한 해수면 상승이다. 대륙 및 극지방의 빙하가 녹는 것은 해수면의 절대적 상승을 초래한다. 더욱이 해양 수온의 상승에 따른 물의 열팽창과 침식 과정으로 많은 해안선이 상대적으로 가라앉는 현상이 일어나 해수면 상승을 가속화한다. 태평양 지역의 투발루, 바누아투, 키리바시 같은 섬나라들은 국가 주권과 영토적 통합성이 위협을 받고 있다. 투발루, 바누아투, 키리바시 등은 불의 고리의 중심 및 주변 지역이다. 물론 이들 나라들을 더 위협하는 것은 화산 폭발보다 해수면 상승과 해안선의 가라앉음이다. 현재 남태평양의 22개 섬나라에는 약 700만 명의 인구가 거주하고 있다.
오늘날 인류가 초래한 기후변화는 기후의 역사에 있어서 극적인 단절을 의미하며 이러한 단절의 성격은 신석기시대 농업혁명의 도입보다도 급진적이다. 지구의 역사에서 그 어느 때보다도 어느 한 종의 활동이 이처럼 단기간에 지구 기후를 변화시키는 주요 동인이 된 적은 없었다. 과학적으로 인정받는 설명은 우리가 막대한 양의 화석연료를 연소하여 이산화탄소를 비롯한 기타 온실가스를 대기 중에 방출함으로써 자연적인 온실 효과가 강화되었다는 것이다. 온실가스 배출량을 역사적으로 계산한 결과는 기후 변화에 대한 책임이 시간과 공간에 따라 매우 불균등하게 분포되어 있음을 말해준다.
오늘날 기후변화는 멸종 위기, 해양 산성화, 산업적 환경 재앙, 화학적 오염, 물 부족, 질소 및 인 순환의 변화 같은 주요 환경문제와 결합하여 유한한 자원을 가진 지구라는 행성에서 이루어지는 성장과 번영의 한계를 여실히 보여준다. 지속 가능성을 연구하는 스웨덴의 환경학자 요한 록스트룀(Johan Rockström; 1,965- )은 이를 설명하기 위해 행성적 한계(planetary boundaries)라는 개념을 고안했다. 1) 기후 변화 2) 성층권의 오존층 파괴 3) 대기 중 에어로졸 농도 4) 해양 산성화 5) 생물권과 해양에 질소(N)와 인(P)의 과잉 공급 6) 담수 사용량 7) 토지 이용의 변화 8) 생물 다양성 파괴 9) 인간이 만들어 낸 신물질(화학 물질) 등이 지구 위험 한계선 9가지 항목이다.
지구 위험 한계선의 3가지 기준은 안전 영역, 위험 증가 영역, 고위험 영역의 세 영역으로 나뉜다. 지구 위험 한계선은 그 개념이 제시되었던 2, 009년에 이미 9개 중 2개 영역(생물다양성, 질소 과잉공급)에서 한계선을 넘어섰다. 2,022년 4월 네이처지가 발표한 바에 따르면 개념 제시 후 14년이 지난 현재 6개 영역이 위험 수준으로 상승했다. 1) 기후, 2) 생물 다양성, 3) 토지, 4) 해양 산성화, 5) 생물권과 해양에 질소(N)와 인(P)의 과잉 공급, 6) 인간이 만들어 낸 신물질 등이다.
산업화의 역사는 전반적으로 불균등한 발전을 보여준다. 기후 체계에 있어 중요한 것은 산업화의 시간적 길이가 아니라 배출량의 총합이다. 인구가 많은 국가가 화석 연료 기반의 산업화 과정을 거칠 때 이산화탄소 배출량은 매우 빠르게 누적된다. 오직 풍력, 태양광, 수력 에너지의 비중을 빠르게 확대하는 것만이 현재의 추세를 멈출 수 있는 유일한 해결책이다. 화석 자원은 수백만 년에서 수억 년에 걸친 지질학적 과정을 통해 형성되며 지구상에 불균등하게 분포해 있다. 기후변화가 뒤늦게 정치적 쟁점이 된 데에는 여러 이유가 있다. 우선 많은 과학자들이 오랫동안 인위적인 온실효과 강화가 위험이 아니라 오히려 긍정적인 효과를 가져오리라 믿었다. 예컨대 가이 스튜어트 캘린더는 1938년 화석연료 연소가 열과 에너지 공급을 넘어 여러 방면에서 인류에게 유익함을 가져다 줄 것이라고 보았다. 그는 기후 온난화 덕분에 작물 재배의 북방한계선이 북쪽으로 이동할 수 있을 뿐만 아니라 다음 빙하기가 지연될 것이라고 예측했다.
캘리포니아 공과대학에서 대기 중 이산화탄소를 측정하는 새로운 방법을 개발한 찰스 데이비드 킬링의 킬링 곡선은 대기 중 이산화탄소 농도의 지속적인 증가세를 보여주었다. 인류가 초래한 기후 변화는 전 세계가 에너지 공급 방식을 화석 연료 연소로부터 벗어나는 방법으로만 억제되고 멈출 수 있다. 이전의 두 전환 즉 농업으로의 전환, 산업혁명은 경제 방식을 뛰어 넘어 기존 사회 질서의 완전한 재편을 초래했다. 그러나 이 두 대 전환 중 어느 것도 사전에 미리 계획된 마스터플랜에 따라 이루어지지 않았다.
이 때문에 에너지 전환의 역사를 연구한 몇몇 역사학자들은 화석 연료 체제를 계획적으로, 그리고 정치적, 인위적으로 이끌면서 전환하는 작업이 성공할 수 있을지에 대해 의문을 제기한다. 저자는 그러나 항상 과거에 있었던 일이 반복되기만 한다면 역사는 새로운 소식이 없는 신문에 불과할 것이라 말한다. 서구의 물질적 풍요 기준을 단지 다른 지역으로 확장하는 데 골몰하는 미래 개발 정책은 이미 지구적 한계에 부딪쳤다. 체제 전환은 너무도 어려워 보인다. 이는 핵무기 확보를 둘러싼 패권적 대립만 보아도 알 수 있는 바이다. [꿰뚫는 기후의 역사]는 좋은 책이다. 적극 추천한다.

재미와 깊이, 기후와 관련한 문제의식 등을 두루 느끼게 하는 바다 이야기 - [바다에 미래가 있다 - 10대를 위한 해양과학 이야기]

벤투의스케치북 — Sun, 08 Mar 2026 09:06:00 +0900

바다에 미래가 있다 - 10대를 위한 해양과학 이야기
이고은 외 지음 / 창비 / 2025년 10월

바다에 관한 책을 꼽으라면 레이첼 카슨의 [우리를 둘러싼 바다]라는 고전을 들 수 있고 최근 번역되어 나온 [바다의 천재들], [블루 머신], [언더 월드] 등도 들 수 있다. 갈라파고스 답사기인 후쿠오카 신이치의 [생명 해류]도 바다에 대한 책이라 할 수 있다. 다만 매트 스트래슬러의 [불가능한 바다의 파도]는 난해한 양자물리학 책임을 알리고 싶다. 한국해양과학기술원이 기획한 [바다에 미래가 있다]는 우리나라 책이고, 네 명의 해양과학자를 인터뷰한 책이라는 점에서 전기한 책들과 다르다. 인터뷰한 책이라는 점에서 [어떻게 과학을 사랑하지 않을 수 있겠어]와 비교할 만하다. 차이는 있다. [어떻게 과학을 사랑하지 않을 수 있겠어]가 지질학자, 우주물리학자, 실험물리학자, 고생물학자 등을 인터뷰한 책이라면 [바다에 미래가 있다]는 해양과학자들만을 인터뷰한 책이다. 망가니즈 단괴(團塊) 이야기가 눈을 끈다. 이는 해저 퇴적물 위에 망가니즈, 철, 니켈, 코발트 같은 광물질이 아주 오랜 세월 동안 조금씩 침전되며 자란 덩어리다. 검은 돌덩어리인 이 단괴에는 망가니즈, 니켈, 코발트, 구리 같은 귀한 금속들이 들어 있다. 이 퇴적물들이 쌓이는 속도는 너무도 느려 100 만 년에 6mm에 지나지 않는다. 이 단괴를 분석하면 과거 바닷물의 화학 성분, 퇴적물 속 광물 비율, 해양 환경의 변화를 읽을 수 있다. 심해는 아직 5 % 정도만 아는 미지의 영역이다. 2004년 프랑스 심해 유인 잠수함인 노틸(Nautile)호에 올라 해저 5,000 m까지 내려간 김웅서는 심해에는 빛이 전혀 없어 눈이 필요 없기에 눈이 퇴화한 물고기가 있고 아예 눈의 흔적조차 없는 경우도 있다고 말한다. 물론 오래 전에 깨졌지만 심해 무생물 가설이 오류임을 알게 할 뿐 아니라 신비함 또는 기이함을 느낄 단서가 아닐 수 없다. 우리는 2016년 자체 개발한 무인 잠수정 해미래를 이용해 태평양 마리아나 해저 분지에서 탐사를 진행했다. 빛이 없는 심해에는 스스로 빛을 내는 생물이 아주 많다. 이 빛은 루시페린이라는 물질이 루시페레이스라는 효소와 만나 산소와 반응할 때 만들어진다. 바다라는 하나의 분야에 물리학, 화학, 생명과학, 지질학, 공학, 사회과학 등이 두루 관계한다. 김웅서는 과학자에게는 호기심과 상상력, 탐험가 정신이 필요하다고 말한다. 특히 해양과학은 물리학, 생물학, 화학, 지질학 같은 여러 분야가 얽힌 융합 학문이어서 하나의 틀에 갇히지 않는 열린 마음과 다양한 시각이 필요하다. 열수분출공 주변에 사막의 오아시스처럼 유난히 동물이 많다. 이들은 지하에서 뿜어져 나오는 황화수소 같은 화학물질을 에너지로 써서 유기물을 만드는 화학합성(광합성이 아닌)을 한다. 열수분출공은 화학 물질을 내뿜는 곳이다. 해저 지각판이 갈라진 틈으로 스며든 바닷물이 지하 깊은 곳에서 뜨거운 마그마와 만나 가열되는 물에 황화수소 같은 기체와 철, 구리 황화물 같은 광물질이 함유되어 있다. 물은 생명체의 화학 반응이 일어나는 무대 즉 용매 역할을 한다. 1) 물속에서는 단백질, 핵산, 당(糖) 같은 생명의 기본 분자들이 잘 녹고 서로 만나 결합하고 분해되는 일이 자유롭게 일어난다. 2) 물은 전하를 띤 분자들은 잘 풀어주기 때문에 세포 안에서 에너지를 전달하거나 신호를 주고받는 데도 탁월한 매개체가 된다. 3) 물은 플러스극, 마이너스극을 같이 가지고 있어서 다른 분자들과 다양한 방식으로 결합하거나 배열을 만들 수 있다. 4) 물은 열을 천천히 흡수하고 천천히 배출하는 성질이 있어서 생명체가 살아가는 데 필요한 안정적인 온도 환경이 된다.
그 물속에 사는 것들을 모두 어류로 분류하지만 진화적으로 서로 다른 갈래에서 나온 존재들이다. 이는 어류생태학자 박주면을 통해 듣는 내용이다. 진화의 관점에서 보면 양서류, 파충류, 조류, 포유류도 결국 고대 물고기의 후손이다. 조상도 다르고 사는 방식도 다르지만 비슷한 환경에 적응하면서 외형이나 기능이 비슷하게 진화하는 것을 수렴 진화라 한다. 상어나 참치는 물고기라서 꼬리를 좌우로 흔들고, 돌고래는 포유류라서 꼬리를 위, 아래로 흔든다. 돌고래의 지느러미는 앞다리에서 진화한 것이고 뒷다리는 진화 과정에서 점점 작아져서 몸 안으로 사라졌다. 물고기들은 그저 유유히 헤엄치는 생명체처럼 보이지만 매 순간 소금으로 인해 바닷물과 치열한 싸움을 벌인다. 바닷 물고기들은 바닷물을 마시고 그 중 필요한 양만 흡수하고 염분은 아가미나 짙은 소변으로 배출한다. 민물에는 염분이 거의 없어서 그 물고기들 몸으로 물이 자꾸 들어오려 한다. 그래서 민물고기들은 끊임없이 소변을 배출하면서 수분을 조절한다. 연어는 이 두 환경을 자유자재로 오간다.(바닷물고기는 몸 밖으로 물이 빠져나가는 것에 대처하느라 고투하고, 민물고기들은 몸 안으로 물이 들어오는 것에 대처하느라 고투한다.) 식물성 플랑크톤이 수행하는 광합성으로 만드는 산소 양은 지구 전체 산소의 반 이상을 차지한다. 깊은 바닷속에는 눈이 내린다. 바다 눈(marine snow)이다. 식물성 플랑크톤이 죽어 만들어지는 찌꺼기, 배설물, 미세 유기물들이 뭉쳐 무거워짐에 따라 바닷속 깊이 가라 앉는다. 이들을 바다 눈이라 한다. 이들은 생물들에게 먹잇감이 된다. 바다가 이산화탄소를 묻어두며 지구의 온실가스를 줄이는 데 도움을 주는 과정을 생물학적 탄소 펌프라고 한다. 고래 낙하(whale fall)는 아주 큰 눈송이가 내리는 것이다. 조류(藻類)의 대량 번식을 부추기는 것이 영양염이다. 영양염이란 플랑크톤이 자라는 데 필요한 질소, 인 같은 영양분을 말한다. 인간이 사용한 비료나 생활 하수가 강이나 바다로 흘러 들어가면 바닷속 영양염 농도가 높아져 플랑크톤이 폭발적으로 늘어난다. 낮에는 광합성을 하는 조류가 폭발적으로 늘어 밤에 산소를 대량 소비함에 따라 물고기, 조개 등이 질식사하게 된다. 물고기가 많은 곳은 따뜻한 바다가 아니라 차가운 바다다. 차가운 바다에는 영양염이 풍부하기 때문이다. 영양염은 식물성 플랑크톤에게 반드시 필요한 비료 같은 물질이다. 차가운 바다는 생물의 양이 많고 따뜻한 바다는 생물의 종류는 많지만 양은 작다. 지구 온난화는 단지 바다를 덥게 하는 것이 아니라 바다 생물들의 밥상을 치워버리는 일이다. 온난화로 따뜻해진 바닷물이 뚜껑처럼 떠 있어서 깊은 바다에서 올라오는 영양염 공급이 막힌다. 이를 뚜껑효과라 한다. 약학 박사 출신으로 한국해양과학기술원 해양생명자원연구부 연구원으로 일하는 이연주는 바다는 미지의 자원 창고라 말한다. 이연주에 의하면 천연물은 인간의 개입 없이 동식물이나 미생물 같은 생명체가 스스로 만들어내는 화학 물질이다. 천연물이란 생물이 살아가면서 특정한 목적이 있어 만들어내는 독, 향기, 색소, 약효 성분 같은 특별한 물질이다. 이연주는 과학자는 실패 속에서도 호기심을 끝까지 놓지 않는 사람들일 것이라 말한다. 물론 그것은 조직된 호기심이어야 한다. 물리해양학자 장찬주는 지구 기후를 흔드는 바다의 변화를 추적하는 사람이다. 장찬주는 물리학이나 화학의 시각으로는 이 행성은 오히려 물의 행성이라고 해야 맞다고 말한다. 과학적으로 보면 지구의 열, 물, 탄소를 가장 많이 담고 있는 것은 대기가 아니라 바다다. 바다는 여름에는 열을 흡수하여 기온이 지나치게 오르는 것을 막고, 겨울에는 열을 대기로 공급하여 기온이 지나치게 내려가는 것을 막는다. 바다는 거대한 완충장치라 할 수 있다. 대기과학자 김정우 교수는 “대기가 해양을 움직이는 것이 아니라 해양이 스스로 변하기 위해 대기를 이용하는 것일 수 있다.”는 말을 한 바 있다. 대기보다 밀도가 1,000 배나 큰 해양이 대기에 수동적일 수 없다는 의미다. 장찬주는 평균의 함정을 말한다. 지구 표면의 71%가 바다이다. 평균 온도 1.5℃ 상승에는 실제 변화보다 훨씬 덜 뜨겁게 보이는 착시가 숨어 있다는 것이다. 육지에 주로 거주하는 인간에게는 지구 평균 온도가 아니라 지표 기온이 훨씬 더 큰 영향을 주기 때문에 평균값만 보고 기후 변화를 판단하면 우리가 실제로 겪게 될 위험과 충격을 제대로 가늠하지 못한다. 만약 우리가 1.5 ℃라는 숫자에만 집중하고 그 안에 숨은 지역별, 환경별 차이를 놓치면 기후 변화의 실질적 위험을 과소평가할 수밖에 없다. 과학자들은 바다가 아예 없었다면 지구 평균 기온은 약 50 ℃까지 치솟았을 것이라고 말한다. 바다는 겉에서만 열을 흡수하는 것이 아니라 표면에서 받아들인 열을 깊은 순환을 통해 해저 깊숙한 곳까지 밀어넣는다. 바다는 이제 한계에 이르렀다. 2025년 4월 대기 이산화탄소 농도는 약 430 ppm이다. 지난 200 만 년 중 최고치다. 해수면 상승 속도는 지난 3,000 년 중 가장 빠르고 바다 산성화 속도는 최근 200 만 년 중 최고다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change; 정부간 기후 변화 협의회)는 우리나라는 기후 변화가 전례 없이 빠르게 일어나는 것이라고 밝혔다. 해양 고수온 현상은 1) 평균 수온 상승, 2) 극단적 수온 변화의 빈번함 등으로 나타난다. 장찬주가 각별히 주목하는 것은 해양열파(marine heatwave)다. 이는 평소보다 바닷물 온도가 비정상적으로 높아져 생태계와 인간 활동에 큰 영향을 미치는 현상을 말한다. 높은 수온이 며칠에서 몇 개월, 길게는 몇 년까지 이어지며 바다 생태계에 심각한 충격을 주는 극한 기후 현상을 말한다. 폭염이라는 말은 여름 더위를 떠올리게 하지만 바다에서는 계절을 가리지 않는다. 과학자들은 덩어리 혹은 뭉치라는 의미의 블롭(blob)이란 이름을 붙였다. 고수온 덩어리라는 의미다. 바닷물은 따뜻해질수록 대기 이산화탄소를 붙잡아두는 능력을 잃는다. 따뜻해진 바닷물은 팽창함에 따라 해빙과 무관하게 해수면이 오르게 한다. 바다 얼음은 이미 물에 떠 있어서 녹아도 해수면을 올리지 않지만 육지에 쌓여 있던 빙하가 녹아 들어오면 그 만큼 바닷물 양이 늘어난다. 김웅서가 그랬듯 장찬주도 과학의 핵심으로 호기심을 꼽는다. 인류세(anthropocene)보다 더 무서운 말이 아쿠아세(aquacene) 즉 물의 시대 다른 말로 홍수의 시대라는 말이다. 장찬주는 바다 산성화라는 말은 바다가 강한 산성 물질로 변한다고 오해하게 하지만 바다는 원래 약한 염기성을 띠었는데 인간이 배출한 이산화탄소가 바다로 흡수되면서 수소 이온이 많아지고 점점 염기성이 약해져 중성 쪽으로 가까워지는 것이 그 정확한 의미라 설명한다. 대기 이산화탄소가 바다 표면에 녹아들면 물과 결합해 탄산을 만들고 이 탄산은 수소 이온과 중탄산염으로 나뉜다. 중탄산염은 수소 이온과 탄산염으로 분해된다. 바다로 들어오는 이산화탄소가 많아질수록 수소 이온도 늘어나고 이를 중화시키는 과정에서 탄산염이 점점 소모된다. 탄산염은 조개, 산호의 껍데기나 골격을 만드는 필수 재료다. 장찬주는 과학의 대중화는 과학자와 대중이 함께 노력해야 이루어진다고 말한다. [바다에 미래가 있다]는 흥미진진하게 읽히는 책이다. 시의성도 충분하고 재미까지 있으니 완성도가 높다고 할 수 있다. 열수분출공이 화학 물질을 내뿜는다는 사실에서부터 광합성이 아닌 화학합성이란 말, 해양 산성화의 정확한 의미까지 두루 많이 배웠다. 가장 충격적인 것은 해양 열파가 해빙 이상으로 해수면 상승의 원인이라는 점이다. 우리가 유의미한 이을 해야 한다. 무겁게 외친다.

우주는 항상 존재해왔고 끊임없이 팽창해왔다고 말하는 인도의 천체물리학자의 별의 일생 이야기 - [별의 일생]

벤투의스케치북 — Sat, 07 Mar 2026 07:47:00 +0900

별의 일생
자이안트 V. 날리카 지음, 강동호 옮김 / 푸른미디어(푸른산) / 2000년 10월

[별의 일생]을 쓴 저자 자이언트 날리카(Jayant Narlikar)는 1938년에 태어나 2025년에 작고한 인도의 천체물리학자다. 날리카는 빅뱅이론에 대한 대안을 제시한 인물로 유명하다. 우주는 항상 존재해 왔고 무한대로 끊임 없이 팽창해 왔다는 것이다. 수학자 아버지와 산스크리트 학자 어머니 사이에서 태어났다. 별을 알려면 우선 빛에 대해 알아야 한다. 빛 가운데 태양빛을 먼저 알아볼 필요가 있다. 태양빛은 서로 다른 파장들을 가진 파동들로 이루어져 있다. 붉은색 빛이 가장 적게 휘어지고 보라색이 가장 많이 휘어진다. 가시광선으로부터 우주를 이해하는 데 필요한 모든 지식을 얻을 수 없다는 것은 분명하다. 빛은 파동처럼 분포할 뿐만 아니라 광자(光子)라고 불리는 작은 에너지 덩어리로 이루어진 것처럼 보일 수도 있다.
양자 이론이 나오기 전까지 전자가 중앙의 양성자 주위를 도는 이러한 운동은 하나의 수수께끼였다. 맥스웰 방정식에 의하면 주위를 돌고 있는 전자는 반드시 전자기파를 복사해야 하기 때문이다. 이 전자기파에 의해 운반되는 에너지는 어딘가에서 나와야만 하는데 그렇다면 그것은 전자 자체의 운동 에너지로부터라야만 한다. 이러한 에너지 손실 때문에 전자의 궤도는 점차 줄어들고 마침내 중앙의 양성자 쪽으로 휘감겨 들어간다. 그리고 이 결론에서 가장 혼란스러운 것은 이 모든 상황이 10의 마이너스 23 제곱 초 정도의 극히 짧은 시간 동안에 일어나야 한다는 것이다. 양자 이론에 따르면 전자는 그 에너지 값들 중 단지 불연속적인 하나의 값만을 가지며 결과적으로 그 에너지에 적합한 불연속 궤도들 중 하나를 선택하게 된다.
이 궤도들 중 가장 작은 궤도의 전자는 가장 적은 에너지를 가진다. 전자는 이 궤도보다 더 작은 궤도를 가질 수 없다. 따라서 전자는 양성자와 합쳐지지 않는다. 만약 에너지가 외부로부터 공급되면 즉 적당한 양의 에너지가 공급되면 전자는 더 큰 궤도로 뛰어오를 것이다. 프라운호퍼 선들은 태양 대기에서 수소, 나트륨, 칼슘 원자가 복사 에너지를 흡수하기 때문에 생기는 선이다. 밝은 선 즉 방출선은 반대 과정 때문에 생겨난다. 뛰어내리는 것은 뛰어오르는 것과 달리 복사 에너지가 없어도 자발적으로 일어날 수 있다. 복사에 의한 방출(또는 흡수)을 자극에 의한 방출(또는 흡수)이라고 한다. 도움을 받지 않고 아래로 뛰어 내려가는 것을 자발적 방출이라고 한다.
이상적인 오븐이 바로 흑체다. 복사 에너지를 내보내지 않으면 그 물체는 외부의 관찰자에게는 검게 보인다. 별의 광도가 1등급 차이나는 것은 2.512배 차이가 나는 것이다. 2.512를 다섯 번 곱하면 100이 된다. 1등성은 6등성보다 100배 밝다. 절대 등급과 구별하기 위해 게시된 것이 겉보기 등급(apparaent magnitude)이다. 왜성들은 거성들보다 훨씬 더 뜨겁다. 거성은 붉은색이 지배적이기 때문에 적색 거성이라 불리고 왜성은 통상 백색 왜성이라 불린다. 별이란 뜨겁고 밀도가 높은 기체로 이루어진 하나의 공이다. 별이 만들어지기 위해서는 분자 구름의 영역이 별이 될 수 있을 만큼 밀도가 높고 뜨거워질 때까지 충분히 단단하게 압축되어야 한다.
별의 일생에서 중요한 역할을 하는 것은 중력이다. 기체가 압축되면 온도가 올라간다. 충분히 뜨거워지면 열과 빛을 복사하기 시작한다. 기체 분자와 원자들의 무질서 운동이 증가할 뿐 아니라 이러한 복사는 분자 구름을 수축하게 만들었던 중력에 저항하는 압력을 만들어낸다. 온도와 압력은 중심부에서 가장 높고 주변부에서 가장 낮다. 저자는 두 개의 틈을 이야기한다. 하나는 시작이고 다른 하나는 끝이다. 이 부분에서 제기되는 질문이 있다. '거대 분자 구름에 수축하는 부분들이 있고 그 부분들이 구름 속에서 확산되는 나머지 물질보다 밀도가 높다는 가정에서 출발했는데 어떻게 해서 그것이 가장 먼저 일어나게 되는가?'란 질문이다.
최초의 확산 상태에서 구름 자체의 중력은 너무 약해 수축을 일어나게 할 수 없다. 그러므로 거대 분자 구름의 부분들을 수축하게 만들려면 초기에 외부에서 힘이 가해져야만 한다. 일단 한 부분만이라도 수축하기 시작하면 중력이 이어받아 그 과정을 가속화시킬 것이다. 중력이 안으로 끌어당기는 힘과 정확히 균형을 이루려는, 압력에 의해 생겨나는 반대되는 힘이 있다.(106 페이지) 만약 약간의 불균형이라도 있다면 별은 밖으로 폭발하든지 안으로 수축할 것이다. 빛은 에너지를 나르는 광자(光子)라는 입자들로 구성되어 있다. 높은 밀도와 에너지를 지닌 그런 광자들의 무리가 표면과 충돌하면 표면에 엄청난 압력을 가할 것이다. 그런 복사압은 많은 별들에서 중요한 역할을 한다.
태양과 별의 에너지가 수소 핵융합 반응에서 나온다는 가설을 최초로 제안한 과학자 중 한 명이 프랑스의 물리화학자 장 바티스트 페랭(Jean Baptiste Perrin; 1870–1942)이다. 핵력은 핵의 크기인 10의 마이너스 15 제곱 너머로까지 확장되지 않는다. 그러므로 우리가 네 개의 양성자로 헬륨 핵을 만들고자 한다면 양성자들 간의 전기적 척력에 대응할 수 있을 만큼 충분히 가까운 거리로 이 입자들을 가져와야 한다. 온도가 충분히 높다면 무질서하게 움직이는 양성자들이 가까워져 융합하게 되는 것도 가능하다. 이런 현상이 일어날 수 있는 임계 온도는 얼마 정도인가?
4개의 수소 핵을 함께 가져온다 해도 곧바로 헬륨 핵이 되지는 않는다. 두 개의 양성자는 중성자들로 대체되어야 한다. 원래의 수소 핵에서 4개의 전하 단위들 중 둘은 헬륨 핵이 되고, 두 개는 양전자를 내놓으면서 반응에 관계된 4개의 양성자 중에서 두 개는 중성자로 바뀐다. 질량 결손분은 7/ 1,000(0.7%)이다. 핵 융합로와 폭탄의 차이는 비록 그것들이 동일한 융합 반응을 만들어 내지만 후자는 그것을 폭발적으로 만들어낸다는 점에서 엄청나게 큰 것이다. 별들은 중심부의 중력에 의해 유도된 고압 때문에 통제 가능한 핵 융합을 하고 있다. 인간은 기술 발전을 통해 통제할 수 있는 핵융합을 이룰 수 있는 다른 수단들을 찾아내야만 한다. 인간의 기술이 별의 시나리오를 모방할 수는 없기 때문이다.
인간은 별에서처럼 이용 가능한 거대한 중력의 힘을 가지고 있지 않기 때문이다. 별은 일생의 대부분을 헬륨을 만들면서 보낼 것이다. 헬륨의 경우도 충분히 높은 온도로 가열된다면 다른 융합 과정을 일으킬 수 있는 활성 연료가 될 가능성이 있는가? 프레드 호일은 헬륨 핵 두 개가 결합하는 대신 세 개가 결합해 들뜬 상태에 있는 탄소 핵 하나를 형성한다고 제안했다. 세 개의 헬륨 핵이 하나의 탄소 핵으로 융합하는 온도는 1~2억도 범위에 놓여 있다. 그러므로 이 융합 과정은 수축하는 중심핵이 이 온도에 도달했을 때 시작된다. 융합에 의해 에너지가 생성되면 높은 온도의 압력이 발생하고 그러한 온도와 압력에 의해 중심핵은 더 이상 수축하지 않는다.
이미 형성된 탄소 핵에 α 입자가 추가된다. 헬륨 핵은 α 입자라 불린다. 산소 핵이 만들어지는 반응은 2억도 이상의 고온에서 가능하다. 이보다 더 높은 온도에서 헬륨 핵이 연속적으로 추가된다면 더 무거운 핵도 생성될 수 있다. 따라서 우리는 원자의 질량이 4씩 증가(양성자 2+ 중성자 2)하는 일련의 핵을 만들 수 있다. 산소(16; 양성자 8+중성자 8)-네온(20; 양성자 10+중성자 10)-마그네슘(24; 양성자 12+중성자 12)-규소(28; 양성자 14+중성자 14)-황(32; 양성자 16+중성자 16) 등이다. 궁극적으로 35억도까지 온도가 오르면 두 개의 실리콘 핵이 융합하여 니켈 핵 하나를 생성한다.
융합 과정은 여기서 끝난다. 철의 핵 너머 즉 코발트, 니켈 이후로는 별의 융합 반응이 일어나지 않는다. 이때쯤이면 별은 엄청나게 거대한 형태가 된다. 특정 연료를 다 소진할 때마다 중심핵은 새로운 융합 반응을 촉발할 수 있을 때까지 수축하고 외층이 팽창한다. 중심부에 가장 무거운 원소들(철 계열)이 있고, 바깥쪽의 차가운 부분으로 갈수록 가벼운 원소들이 존재한다. 가장 바깥 부분은 여전히 수소 성분이 우세하다. 그 부분은 핵융합이 일어나기에는 너무 차갑기 때문이다. 먼 거리에서는 핵의 결합력은 효과적으로 작동하지 않는다. 많은 수의 양성자들을 가지고 있어서 전기적 척력도 상당할 것이다. 어떤 질량의 한계를 넘어서면 그 핵은 그보다 가벼운 핵들에 비해 느슨하게 묶여 있다. 철 계열의 핵들은 가장 단단하게 묶여 있다.
양성자나 중성자를 추가해 새로운 핵들을 만든다면 그것들은 철 계열의 원소들보다 덜 단단하게 결합될 것이다. 핵자는 양성자와 중성자이며 그 결합 에너지는 핵으로부터 핵자를 떼어내는 데 작용해야 할 에너지의 양이다. 융합 에너지의 대부분은 사다리의 첫 단계 즉 수소가 헬륨으로 전환될 때 방출된다. 나머지 반응에서 방출되는 에너지는 훨씬 더 적을 것이기 때문이다. 이후에 융합 과정이 일어난다 해도 적색 거성으로서의 별의 활동적 일생을 연장하지는 못한다. 별은 언제 초신성이 되는가? 이 단계는 핵융합 과정을 지났을 때 즉 그 중심부의 중심핵에서 철 계열의 핵이 만들어졌을 때 그렇게 된다.
철 계열의 핵이 만들어지면서 융합 과정은 멈추고 별의 중심핵은 수축하기 시작한다. 중심핵이 수축하고 온도가 더 상승해도 다른 핵융합 과정은 일어나지 않는다. 오히려 역의 과정이 일어난다. 철 계열의 핵들은 중심핵에서 에너지 손실을 초래하면서 알파 입자들로 쪼개진다. 이것이 외층의 붕괴를 초래한다. 별의 중심핵은 처음에는 그 중력의 힘에 의해 수축하고 그리고 나서 되튀어 나온다. 그리고 그 과정에서 그것은 외층이 있는 바깥쪽으로 엄청난 압력을 가한다. 외층이 갑작스럽게 느슨해지고 튕겨져 나가는 현상을 초신성 폭발이라고 한다.
폭발하는 별들은 엄청난 양의 빛을 방출할 뿐만 아니라 매우 높은 에너지를 가진 물질 입자들도 방출한다. 그 입자들은 별의 내부에서 만들어진 전자, 중성미자, 원자들의 핵이다. 그러므로 주위 성간 공간에는 초신성들이 방출된 이 입자들이 섞이게 된다. 우주에서 발견되는 무거운 원자핵들은 따라서 뜨거운 별의 중심에 의해서 가공되어 별이 폭발할 때 방출된다. 따라서 지구를 구성하고 있는 물질들(우리를 구성하고 있는 성분들도 마찬가지)은 사실상 격동의 역사를 가지고 있다. 초신성은 외계 공간에서 지구 대기로 유입된 고에너지 입자들의 원천이다. 우주선(cosmic ray)으로 알려진 이 입자들의 세례는 지상의 탐지기뿐 아니라 고층 대기를 조사하는 기구에도 탐지된다.
태양 질량의 6배 이상의 별만이 초신성이 된다. 무게가 덜 나가는 별들은 단지 소규모의 폭발만 경험한다. 밀도가 높은 물질들이 뭉쳐 있을 때 뭔가 이상한 일이 일어난다. 즉 그것은 축퇴(縮退)한다. 원자에는 핵뿐만 아니라 전자들도 있다. 가장 낮은 에너지 상태에서부터 시작해서 더 높은 특정 에너지 주위로 상승했을 때 이용 가능한 전자 상태들의 수는 파울리의 원리에 의해 제한된다. 중심핵이 수축할 때 그것은 가열되기 시작한다. 열에너지가 공급되면서 철 계열의 단단하게 결합된 핵들은 깨지기 시작한다. 이 과정은 융합과정의 역과정이다. 지금까지는 가벼운 핵들이 무거운 핵으로 변환되면서 에너지가 공급되었다. 이제 가열된 중심핵에 의해 제공되는 에너지를 흡수함으로써 그 무거운 핵들은 깨져 분리된다.
분열된 핵들은 자유로운 양성자와 중성자들을 방출한다. 실험실에서 중성자는 긴 시간 동안 안정된 상태로 있지 못한다. 어떤 주어진 시간에 일군의 자유로운 중성자들이 있다면 약 12분 동안에 그것들 중 반이 양성자, 전자, 반중성미자들로 붕괴한다. 핵 안의 양성자들은 느슨한 자유전자들과 결합하여 더 많은 중성자들을 생성한다. 이 과정을 물질의 중성화라고 한다. 이것은 지구상의 실험실에서는 정상적으로 일어나지 않는다. 그러나 수축하고 있는 중심핵에서 아주 높은 밀도의 물질 상태에서는 흔하게 일어난다. 따라서 중심핵은 아주 빠른 시간 안에 중성자들로 이루어지게 된다.
별은 탄생부터 줄곧 그 내부의 균형을 유지하기 위한 투쟁의 연속인 시간을 보낸다. 물론 그것은 별 자체의 무게–중력에 의한 수축-에 의해 초래되는 것이다. 핵융합 때문이든 축퇴압 때문이든 별은 필요한 경우 내부의 구성과 전체 크기를 변화시키면서 이 힘에 대응하기 위해 최선을 다한다. 별이 너무 무거워서 백색 왜성이나 중성자 별들로 존재할 수 없는 경우 어떤 일이 일어날까? 블랙홀이 만들어진다.
별이 블랙홀이 되는 것은 중력의 승리를 인정하는 것이 된다. 뉴턴은 '왜 중력이 있느냐?'는 질문을 받고 나는 가설을 만들지 않는다는 답을 했다. 중력의 증가 경향이 너무나 우세하여 수축 과정을 막을 수 없을 때 중력붕괴 한다. 정의상 볼 수 없는 물체는 자연히 위치를 확인하기 어렵다. 천문학자들은 어떻게 블랙홀을 찾으려고 하는가? 블랙홀은 전파 망원경부터 감마선 탐사기까지 천문학자가 이용 가능한 어떤 망원경으로도 볼 수 없는 것이 사실이다. 그럼에도 간접적인 방법은 이용 가능하다. 주변 물질에 미치는 블랙홀의 중력 효과에 의존하는 것이다. 별의 오딧세이의 끝은 어디인가? 하지만 탐구는 계속 된다.

[시간은 흐르지 않는다] 리뷰 이야기

벤투의스케치북 — Fri, 06 Mar 2026 19:35:00 +0900

올해 2월 카를로 로벨리의 책을 두 권 읽고 서평을 썼다. [보이는 세상은 실재가 아니다]와 [시간은 흐르지 않는다]다. 두 권 모두 빌려 읽었다. 나는 서평이라기보다 공부를 위한 정리의 의미를 띠는 글을 쓴다고 해도 지나치지 않다. 공부용이기에 글자수도 상당하다. [시간은 흐르지 않는다] 리뷰가 알라딘 2월 리뷰 30편 중 하나로 선정되었다. 리뷰 제목도 신경 써서 '양자물리학적, 철학적, 실존적 의미에서 빛나는 시간론'이라 정했고 선정을 위해서가 아니라 책의 분량이 작아서 글자수도 줄바꿈, 띄어쓰기도 한 글자로 계산하는 기준으로 비교적 짧은 5900 여 글자로 마무리한 덕이라 생각한다. [시간은 흐르지 않는다] 전체 리뷰를 확인하다가 10년 전 쯤 내게 "왜 신춘문예에 응모하지 않고 블로그 놀이만을 하느냐?"고 했던 사람이 2019년 쓴 리뷰도 포함되었다는 사실을 알았다. 그가 말한 신춘문예는 문학평론 분야였던 것으로 기억한다. 그가 그렇게 말한 것은 내가 쓴 소설 리뷰를 보고 문학평론으로 신춘문예에 당선될 수 있으리라 보았기 때문이라 생각한다. 물론 그것은 그 사람의 당시 나는 물리학 책을 읽기는 했으나 카를로 로벨리의 어려운 양자물리학적 시간론인 [시간은 흐르지 않는다]의 출간 소식 자체를 알지도 못했다. 2019년부터 월 1회 서울 해설을 하던 역사책방에서 그 다음 해에 살까 말까 하다 그만 둔 책이 [시간은 흐르지 않는다]다. 리뷰 제목이 말하는 것처럼 이 책은 매력적인 물리학 책이다. 물리학 책이지만 철학 책을 읽고 싶게 하는 책이다. 그의 다른 책인 [모든 순간의 물리학]은 소장도 하고 있고 리뷰도 썼다. [나 없이는 존재하지 않는 세상]과 [무엇도 홀로 존재하지 않는다]를 읽게 되면 로벨리의 책은 얼추 다 읽는 셈이 된다. 두 제목은 얼핏 상위(相違)적으로 보인다. 공통점은 철학적 분위기가 난다는 점이다. 이럴 때 필요한 것은 직접 읽는 것이다. 2월에 쓴 리뷰 가운데 이론물리학자 짐 알칼릴리의 [어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까]도 포함되었다. 이 리뷰에 더 기대를 했었으나 어긋나 아쉽지만 어떤 것이든 선정 자체가 감사한 일이다. 알라딘은 나에게 서툴고 사적이고 공부를 위한 정리용 글이나마 계속 쓸 수 있게 해준 매체다. 감사하다.

[원소들의 놀라운 이야기]의 저자 아니아 뢰위네 이야기

벤투의스케치북 — Wed, 04 Mar 2026 23:55:00 +0900

주 1회 정도 가는 **의 광산교회 목사님께 광산은 한자로 어떤 구성인가요?(무슨 광, 무슨 산인가요?)라고 물었다. 빛 광, 뫼 산이라는 답에 약간 실망했다. ‘光山이 아니라 鑛山이 아닐까?’ 생각했었기 때문이다. 광산이란 단어가 있지만 이는 김씨의 한 본관인 광주, 담양을 아우르는 그 본향인 광산일뿐 다른 의미로 쓰이는 예는 없다. 물론 빛의 산이라는 의미로 단어를 만들 수 있다.
나는 광물을 캐듯 역경 속에서도 무언가를 얻기 위해 애쓰는 모습을 상상했다. 광산을 검색하니 광물을 캐내는 곳으로 캐내는 것에 따라 금산(金山), 은산(銀山), 동산(銅山), 철산(鐵山), 탄산(炭山) 등으로 나뉜다고 되어 있다. 사마키 다케오의 [한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서]에 금속을 이용한 역사에 대한 이야기가 나온다. 금속의 역사는 그 금속을 광석에서 추출해내는 난이도와 크게 관련이 있다는 것이다. 자연 금, 자연 은, 자연 구리, 자연 철처럼 홑원소 물질이 그대로 산출되기도 하지만 금속은 대부분 산화물, 황화물 형태로 산출되는 바 화합물이 강하게 결합되어 있을수록 광물에서 금속을 추출하는 것은 어려워진다. 금, 은, 수은, 구리, 철이 오래 전부터 알려져 있었고 이어서 납, 주석 그리고 이후에 아연이 추출된 이유는 결합력의 차이 때문이다.
탄소나 탄소 포함 화합물을 공기 중에서 연소시키면 이산화탄소가 생겨난다는 말을 통해서는 화합물이 어떤 것인지 알 수 있다. 탄소는 불에 타면 이산화탄소가 되고 수소는 물로 변화한다. 이런 이유 때문에 물을 생성한다는 의미를 갖는 수소(hydrogen)란 단어가 생겼다. 금속인 철, 마그네슘도 불에 탄다. 철, 마그네슘이 불에 타면 이전보다 질량이 늘어난다. 연소 후 철은 산화철이 되고 마그네슘은 산화 마그네슘이 된다. 질량이 늘어난 이유는 그만큼 산소가 결합했기 때문이다. 이 산소는 공기 중에서 유래하므로 공기에서는 그만큼 산소가 줄어들 것이다. 질량 보존 법칙이 도출되는 것이다.
산화(酸化)란 결국 산소와 결합했다는 의미다. 그레이엄 실즈는 [얼음과 불의 탄생]에서 1990년대 이후 화학, 물리학, 생물학이 줄곧 새로운 데이터를 내놓으면서 지질학은 점점 더 협력적이고 종합적인 학문이 되었다는 말을 했다. 지질학과 관계를 갖는 학문 중 내가 가장 많이 읽은 분야는 물리학이고 그 다음은 화학이고 그 다음은 생물학이다. 내가 읽은 얼마 되지 않는 화학 책들 중 가장 기억에 남는 것은 아니아 뢰위네의 [원소들의 놀라운 이야기]다.
책에 의하면 오늘날 세계 여러 곳에서 채굴된 광석에 존재하는 금의 평균 농도는 암석 1톤당 1~3그램이다. 그래서 만약 내 반지 속의 금이 최근에 채굴된 것이라면 그것은 1톤 이상의 암석에서 나온 것임을 의미한다. 뢰위네의 책에 의하면 불타는 석탄 속의 탄소가 철광석과 반응하여 전자를 방출하고 산소를 가져와 금속 형태의 철이 남는다. 인간이 철을 생산하기 시작하자 목재 수요가 증가했지만 오늘날 우리는 땅에서 채굴한 석탄을 사용하며 철을 생산하기 때문에 나무를 자를 필요가 없다. 석탄광이 숲을 지키게 해주지만 석탄을 태울 때 대기 중으로 방출되는 탄소가 우리 행성의 온도를 높이고 있다.
[한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서]가 화학에 초점을 맞춘 순수(?) 책이라면 [원소들의 놀라운 이야기]는 역사, 지질학 등과 결합된 응용 서적이라 할 수 있다. [한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서]에서 만난 반가운 내용은 물처럼 밀도가 고체보다 액체가 높은 물질로 들 수 있는 것이 규소, 갈륨, 저마늄, 비스무트 등 한정적이라는 사실이다.
찰스 코겔의 [생명의 물리학]에 관련 이야기가 나온다. 이 책은 얼었을 때 물에 뜨는 것으로 규소를 들었다. 코겔은 대다수 액체는 고체가 되면 자신의 액체 속에 뜬다는 말을 했다. 코겔에 의하면 규소는 20기가 파스칼의 압력에서 비슷한 행동을 나타낸다.
정리하면 [한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서]는 넓게 썼고 [생명의 물리학]은 넓고 깊게 썼다. 초점이 다르기 때문인지 모르나 [한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서]는 좋고 [원소들의 놀라운 이야기]는 더욱 좋다. 물론 이는 내 관심사와 더 맞고 내 문제의식에 수렴하는 정도가 더 크기 때문이다. 아쉬운 점은 [원소들의 놀라운 이야기] 외에 그의 다른 책이 우리나라에 번역, 출간되지 않았다는 점이다. 아니 원서로도 [원소들의 놀라운 이야기]가 아직까지 유일한 출간작인지도 모른다. 기다려야 한다는 의미다. 원서는 여러 권 나왔지만 번역된 것이 달리 없다면 그 책들이 번역되기를 기다려야 하고 원서 자체가 아직 단 한 권 나온 것이라면 후속작이 나오기를 기다려야 한다.

물질의 변화를 연구하는 화학의 위상 - [한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서]

벤투의스케치북 — Wed, 04 Mar 2026 18:06:00 +0900

한 번 읽으면 절대 잊을 수 없는 화학 교과서
사마키 다케오 지음, 곽범신 옮김 / 시그마북스 / 2023년 09월

화학은 물질의 변화를 연구하는 학문이다. 물리처럼 추상적인 내용이 많고 계산 문제도 무척 많고 생물처럼 외워야만 하는 내용이 한 가득인 분야다. 다른 말로 화학이란 친숙한 물질의 변화를 원자나 분자의 화학 변화라는 미시적 관점에서 이해하는 학문이다. 화학의 세계에서 물질이 변화하는 현상을 화학 변화라고 한다. 방대한 종류의 물질을 구성하는 요소는 약 30종의 인공 원소를 제외하면 겨우 90종의 원소에 지나지 않는다. 90종의 원자에 주목하면 물질이 어떻게 변화하는지를 알게 되면서 화학에 대한 이해도 깊어진다. 90 종류 중에서 80% 이상이 금속 원소다. 금속 원소로만 이루어진 물질을 금속이라 부른다. 주기율표의 세로줄 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17, 18족의 원소를 전형원소(典型元素)라 부른다. 같은 족의 원자는 가장 바깥 껍질에 전자수가 같으므로 화학적 성질이 비슷하다.
전헝원소가 아닌 나머지 원수를 전이원소(轉移元素)라 한다. 저자는 화학식과 화학반응 식에 등장하는 원소 기호를 10개로 한정한다. 수소, 탄소, 산소, 질소, 염소, 나트륨, 마그네슘, 아연, 철, 구리다. 물질은 아무리 작아도 질량과 부피를 지닌다. 반대로 이야기하면 질량과 부피가 있으면 물질이라고 한다. 물질의 질량은 형태가 변하든 상태가 변하든, 운동하든 정지해 있든, 지구상에 있든 달에 있든 변하지 않는 실질적인 양이다. 화학에서는 흔히 물질이라는 말을 쓴다. 물리학에서는 물체라는 말을 쓴다. 형태나 크기 등의 형상에 주목했을 경우 물체라 부른다. 물체의 재료를 물질이라 부른다.
모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 수많은 원자가 모여서 만들어진 것이 물질이다. 원자가 연결되어 분자라는 입자를 형성하고 그 분자가 모여서 만들어진 것이 물질이다. 이온이라 불리는 '전기를 띤 원자나 전자의 집합으로 이루어진 입자'를 물질이라 한다. 물질을 거시적으로 바라봄과 동시에 물질을 구성하는 원자의 모습을 머릿속에 그리는 것이야말로 화학을 한층 더 잘 이해하기 위한 핵심이다. 원자는 더 이상 나눌 수 없다. 물론 그것은 화학적인 수단으로라는 조건하에서다. 원자는 종류에 따라 질량이나 크기가 정해져 있다. 화학 변화에서 다른 종류의 원자로 변하거나 없어지거나 새로 생겨나는 경우는 없다.
현재 원소는 원자의 종류를 나타내는 것으로 인공적으로 만든 원소를 포함해 118종이 주기율표에 정리되어 있다. 인간의 몸을 구성하는 원자의 무게는 순서대로 산소, 탄소, 수소, 질소, 칼슘, 인이다. 우리가 먹는 음식물의 근본으로 거슬러 올라가보면 공기 중의 이산화탄소라고 할 수 있다. 이산화탄소 속의 탄소는 이처럼 소멸되지 않고 지구상을 빙글빙글 순환하는 셈이다. 현재 우리의 몸을 구성하는 탄소 원자 대부분은 원래 식물이 흡수한 이산화탄소다. 이는 식물이 빨아들이기 전에 어떤 동물이 호흡을 통해 내뱉은 이산화탄소일 수도 있다. 아니면 그 동물의 시체가 미생물에게 분해되면서 공기 중으로 배출된 이산화탄소였을 수도 있다. 우리 몸을 구성하는 원소의 원자 일부는 과거 어떤 동물의 몸을 구성했던 원자였을지도 모른다. 어쩌면 역사상 절세의 미녀였다던 클레오파트의 몸을 구성했던 원자였을지도 모른다.
화학 변화를 거치기 전이나 거친 후나 물질 전체의 질량은 변하지 않는다. 질량이 보존된다는 뜻이다. 질량 보존 법칙은 반응하는 장소에서 어떤 물질이 빠져나가면 그만큼 가벼워지고 뭔가가 들어와서 결합하면 그만큼 무거워진다는 뜻이다. 금속인 철이나 마그네슘도 불에 탄다. 이것들을 불에 태우고 나면 그 전보다 질량이 늘어난다. 연소 후에는 산화철과 산화 마그네슘이 생성된다. 질량이 늘어난 이유는 그만큼 산소가 결합했기 때문이다. 이 산소는 공기 중에서 유래하므로 공기에서는 그만큼 산소가 줄어들 것이다. 나무, 종이, 양초, 등유 등이 연소하면 가벼워지는 이유는 생성된 물질이 공기적으로 달아나버리기 때문이다. 질량이 감소한 것처럼 보이기 마련이다.
나무나 종이, 양초, 등유 등은 탄소, 수소, 산소로 이루어져 있으며 불에 타면 탄소는 이산화탄소로, 수소는 물로 변화한다. 생성된 물질을 모두 모으면 본래의 가연물에서 반응한 산소의 양만큼 질량이 늘어나게 된다. 원자를 기준으로 생각해보자. 화학 변화를 거친다 하더라도 원자는 파괴되거나 사라지지 않는다. 어떤 화학 변화가 일어난다 해도 전이나 후의 원자의 개수, 종류는 변하지 않는다. 원자가 결합하는 상태가 달라질 뿐이다. 반응 전후로 질량이 변하지 않는다는 사실은 당연하다. 원소는 아직까지 애매모호하게 사용되고 있다. 산소라는 단어는 원소인 산소를 말하는지 오존과 구별되는 홑원소 물질을 말하는지 산소 분자를 말하는지 산소 원자를 가리키는지는 문장을 통해 추측할 수밖에 없다.
화학 변화와 화학 반응은 같은 뜻이지만 화학 변화는 변화의 결과, 화학 반응은 변화의 과정을 중시하는 경우가 많다. 질량 보존의 법칙은 물리 변화와 화학 변화에서 모두 성립한다. 예외는 핵분열이나 핵융합처럼 질량과 에너지의 상호 교환을 무시할 수 없는 경우다. 미시적으로 보면 원자는 사라지지 않고 새로 태어나지도 않는다. 화학 변화가 일어나더라도 원자의 재구성이 일어날 뿐 원자 전체의 종류와 개수는 달라지지 않는다. 물질을 형성하는 원자, 분자, 이온이라는 아주 작은 입자가 뿔뿔이 흩어지면 온도가 낮아진다. 서로 끌어당기고 있던 것을 억지로 떼어 놓으려면 에너지가 필요하다. 이때 사용하는 에너지는 다른 곳에서 받아올 수 없다. 그러므로 자신의 온도를 낮추는 방식으로 작용한다.
탄소는 유기물의 중심 원자다. 탄소를 중심으로 산소나 수소 등과 결합하면 수많은 물질이 만들어진다. 금속 원자로는 나트륨, 마그네슘, 아연, 철, 구리 등 다섯 개다. 이들은 상온에서 고체 형태를 띤다. 구리만 붉고 나머지는 모두 은색이다. 하나 같이 전기, 열을 잘 전달한다. 같은 원소로 이루어져 있지만 원자의 결합 방식이 달라서 성질이 다른 물질을 동소체(同素體)라 한다. 물, 암석, 금속처럼 생물의 작용을 빌리지 않고 만들어진 물질을 무기물이라 한다. 현재 유기물은 탄소를 중심으로 한 물질이라는 의미로 쓰인다. 2억 종이 넘는다고 하는 물질의 90% 이상이 유기물이다. 다만 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산칼슘 등의 탄산염은 탄소가 원소로 포함되어 있지만 유기물이 아니다.
탄소가 연소되면서 생겨나는 이산화탄소는 산소 원자 두 개와 탄소 원자 한 개가 결합한 이산화탄소 분자로 이루어져 있다. 가장 간단한 유기물은 메테인이다. 메테인 분자는 산소 원자 한 개에 수소 원 자 네 개가 결합해 있다. 분자의 형태는 완전한 정사면체로 중심에 탄소 원자, 꼭지점 네 곳에 수소 원자가 있음을 알 수 있다. 메테인이 연소되면 산소와 반응해 메테인의 C 원자는 이산화탄소, H 원자는 물이 된다. 과학의 역사를 거슬러 올라가보면 원시시대의 인류가 불을 이용한 시간까지 거슬러 올라가게 된다. 불을 이용하면서 가열을 통해 금이나 청동, 철 등의 금속을 얻는 기술까지 손에 넣게 되었다.
아리스토텔레스가 사원소설을 주장한 것은 데모크리토스의 원자론에 대한 비판 차원이었다. 인류의 문명사를 크게 석기 시대, 청동기 시대, 철기시대로 분류한 사람은 19세기에 활약했던 덴마크의 고고학자 크리스티안 톰센이다. 고대사회에서 처음으로 이용된 금속은 자연 상태에서 금속의 형태로도 산출되었던 금과 굴이었다. 또한 철질운석(철과 니켈의 합금)도 이용되었다. 금은 아름답지만 도구로 사용하기에는 너무 물렀다. 자연 구리나 철질 운석은 양이 많지 않았다. 지구상의 금속 대부분은 산소나 황 등의 화합물인 광석의 형태로 존재하고 있다. 따라서 인류는 광석의 목탄 등과 섞어 함께 가열해서 금속을 얻는 기술을 손에 넣게 된다. 이는 생산 기술에 본격적으로 화학반응을 응용한 사례였다.
광석에서 금속을 추출하거나 추출한 금속을 정렬하거나 합금을 만드는 기술을 야금이라고 한다. 야금으로 광석에서 금속을 뽑아내는 것은 몹시 어려운 작업이었다. 가령 구리는 자연 구리로도 존재하지만 보통은 구리 광석에서 뽑아낸다. 구리 광석의 경우는 구리가 산소나 황과 결합해 있기 때문에 광석에서 산소나 황을 제거하지 않으면 금속 형태의 구리는 얻을 수 없다. 구리 자체는 무르지만 주석과의 합금인 청동으로 변화시키면 주석 함유 비율에 따라 경도를 조절할 수 있다. 철광석의 경우 철과 산소 등은 구리와 산소에 비해 훨씬 강하게 결합되어 있어서 철광석에서 철을 얻는 것은 몹시 어려운 일이었다. 그래서 인류는 목탄을 사용해 광석에서 철을 정렬하는 기술을 손에 넣게 된다.
현대 화학의 근본 원리는 원자론이다. 방사성 원자가 존재하기 때문에 원자는 부서지지 않는다는 사고방식은 틀린 셈이지만 고대 그리스 시대에 원자론을 떠올린 자연 철학자가 존재했다는 사실은 실로 놀라운 일이었다. 아리스토텔레스는 원자론을 두고 '어떠한 물질이든 때려서 부수면 작은 알갱이가 되지 않는가. 부서지지 않는 알갱이 따위는 존재하지 않는다. 진공 역시 존재할 리 없다. 눈으로 보았을 때 텅 빈 공간 같아도 뭔가가 채워져 있다'고 비판했다. 당시 사람들은 아리스토텔레스의 생각을 자연은 진공을 싫어한다는 말로 표현했다.
판 헬몬트는 62kg의 나무를 태우는 실험을 했다. 실험이 끝나자 1.1kg의 재가 남았다. 발생한 증기는 얼핏 공기와 닮았지만 모아서 양초를 넣어보니 불이 꺼졌다. 즉 나무에는 공기와 비슷한 것이 포함되어 있다고 생각한 그는 이것을 나무의 스피릿이라고 불렀다. 이 나무의 스피릿은 와인이나 맥주를 발효시키거나 알코올을 연소시킬 때 생겨나는 공기 비슷한 것과 동일한 물질이라 생각했다. 거듭된 실험 끝에 공기 이외에도 공기와 비슷한 것이 무척 많다는 사실을 깨달았다. 연금술사이기도 했던 헬몬트는 최초의 우주는 무질서한 카오스였다는 고대 그리스 신화에 따라 이 공기와 비슷한 것을 카오스라 부르기로 했다. 헬몬트가 거주하던 지역에서는 자음을 목청소리로 강하게 발음하기 때문에 카오스는 가오스라고 들렸고 이후 가스라는 말로 변했다.
원자는 중심에 자리한 원자핵과 그 주변의 전자로 이루어져 있다는 사실이 밝혀졌다. 원자 속의 전자는 원자핵 주변에서 몇 개의 층(전자 껍질)으로 나뉘어 운동하고 있다. K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질 등이 원자핵과 가까운 안쪽부터 순서대로 배치되어 있다. 가장 바깥쪽 전자 껍질의 전자는 원자와 원자가 결합할 때 중요한 작용을 한다. 화학 변화에서는 원자의 재구성이 일어나는데 이때 변화하는 것은 원자핵이 아닌 전자들이다. 특히 가장 바깥쪽 전자 껍질의 전자를 주고 받거나 공유하기도 한다. 이때 원자와 원자의 결합은 화학 결합이라고 한다. 화학 결합으로는 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합의 세 가지가 있다. 비활성 기체를 제외한 대부분의 모든 물질은 원자와 원자의 화학 결합을 통해 형성된다.
원자핵을 구성하는 양성자의 개수와 중성자의 개수를 더한 값을 그 원자의 질량수라 한다. 원자핵의 양성자와 그 주변의 전자는 개수가 동일하기 때문에 원자는 전체적으로 전하를 띠지 않는다. 원자 속 전자는 원자핵 주변에서 몇 개의 층으로 나뉘어 운동하고 있다. 이러한 층을 전자 껍질이라고 한다. 원자핵과 가까운 안쪽부터 K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질의 순서로 배치되어 있다. 각각의 전자 껍질에 들어갈 수 있는 전자의 최대수는 정해져 있다. K, L, M, N 껍질 순으로 2, 8, 18, 32이다. 원자는 원자번호와 동일한 수의 전자를 가지며 안쪽의 전자 껍질부터 순서대로 전자가 채워진다. 가장 바깥 껍질의 원자는 원자와 전자가 결합할 때 중요한 작용을 하기 때문에 원자가 전자라 부른다.
가장 바깥 껍질의 전자가 여덟 개인 상태는 매우 안정적이므로 다른 원자들은 비활성 기체의 전자 배치와 동일해지려는 경향이 있다. 주기율표의 가로줄은 주기, 세로줄은 족이라 부른다. 1, 2, 13~18족을 전형원소라 한다. 나머지는 전이 원소라 한다. 원자는 비활성 기체의 전자배치에 가까워지려 한다. 주기율표의 18족인 비활성 기체는 화학적으로 아주 안정적이어서 화합물을 형성하기 어려운 물질이다. 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn), 오가네손(Og)이 18족에 속한다. 가장 바깥쪽 전자 껍질이 모두 채워져(2개 또는 8개) 매우 안정되어 다른 원소와 화학 반응을 거의 하지 않고 단원자 분자 기체로 존재한다.
헬륨의 경우 2개, 네온, 아르곤, 크립톤 등은 8개이다. 아르곤은 K 껍질(정원 2개), L 껍질(정원 8개)에 채워진 후 M 껍질(정원 18개)로 들어가는 데 전자껍질이 몇 개로 나뉘어 있어서 안정성이 서로 다르다. 전형원소 중에서 1족과 2족은 가장 바깥 껍질 전자의 개수가 각각의 족 번호와 동일하다. 13~18족 원소의 가장 바깥 껍질 원자는 각 족 번호 1의 자릿수와 개수가 동일하다. 전형원소의 경우 같은 족 원자들은 가장 바깥 껍질의 전자의 수가 같다. 이 점 때문에 동일한 족의 원소들은 무척 유사한 화학적 성질을 보인다. 1족, 2족의 경우 주기율표 아래쪽에 자리한 원자일수록 원자핵의 영향권에서 멀어져가는 까닭에 가장 바깥 껍질의 전자가 원자로부터 벗어나기도 쉬워진다.
따라서 아래쪽 원자일수록 전자를 잃는 반응이 현저하게 나타난다.(107, 108 페이지) 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 등 수소를 제외한 1족은 알칼리 금속이라 부른다. 알칼리 금속은 반응성이 뛰어난 가벼운 금속으로 1가 양이온이 된다. 족에서 아래의 원소 일수록 가장 바깥 껍질에 전자가 원자핵에게서 벗어나기 쉽다. 이는 전자를 내보내기 쉬운 만큼 반응성도 높아진다는 뜻이다. 물에 넣으면 리튬은 조용히 수소를 발생시키면서 반응해 수산화리튬이 된다. 소듐은 쌀알 크기의 경우 수소를 발생시키며 수면을 이리저리 휘젓다 수산화소듐으로 변한다. 젖은 여과지 위에 올려두면 수소에 불이 붙어 노란색 불꽃과 함께 타오른다. 큰 덩어리를 물에 넣으면 폭발해 물기둥을 일으킨다.
소듐보다 아래에 있는 포타슘은 쌀알 만한 알갱이를 물에 넣으면 보라색 불꽃을 피어 올리며 수면을 휘젓다가 수산화포타 슘으로 변한다. 원자핵에서 가장 바깥 껍질이 멀수록 가장 바깥 껍질의 전자를 내보내기 쉬워지고 원자핵에서 가장 바깥 껍질에 가까울수록 가장 바깥 껍질로 전자를 받아들이기 쉬워진다. 주기율표의 중앙에 자리한 제 3 주기에서는 알루미늄을 기준으로 크게 금속 원소와 비금속 원소의 두 가지로 나뉜다. 금속 원소와 비금속 원소가 반응하면 대부분의 경우 이온성 화합물이 형성된다. 양이온과 음이온이 전기적으로 균형을 이루며 생겨나는 결정이 이온 결정이다. 이온성 화합물을 염이라고 부른다.
물은 각종 물질을 용해하는 능력이 매우 뛰어난 액체다. 바닷물에는 60 종 이상의 원소가 녹아 있다. 유성 물질은 물에 거의 녹지 않는다. 염화 소듐 같은 이온성 화합물은 음과 양의 두 이온이 서로를 끌어당기고 있다. 이처럼 이온이 서로를 끌어당기는 힘이 물속에서는 결정 내부의 약 80분의 1로 낮아진다. 그만큼 물속에서는 음양의 두 이온이 흩어지기 쉬워진다는 뜻이다. 기본적으로 이온성 화합물은 물에 녹아 양이온과 음이온으로 뿔뿔이 흩어진다. 염기는 화학적으로는 산과 반대되는 물질이다. 산과 중화되어 염과 물을 만들어낸다. 물을 만들어내지 않는 경우도 있다. 염기는 염의 기본이라는 뜻으로 산과 중화되어 염을 형성하는 물질이라는 의미이다.
알칼리의 칼리란 재를 뜻한다. 금속을 이용한 역사는 그 금속을 광석에서 추출해내는 난이도와 크게 관련이 있다. 자연 금, 자연 은, 자연 구리처럼 홑원소 물질이 그대로 산출되기도 하지만 금속은 대부분 산화물, 황화물 형태로 산출된다. 이들 화합물이 강하게 결합되어 있을수록 광물에서 금속을 추출하기 어려워진다. 금, 은, 수은, 구리, 철이 오래 전부터 알려져 있었고 이어서 납, 주석 그리고 이후에 아연이 추출된 이유는 결합력의 차이 때문이다. 세상의 물질을 아주 대략적으로 분류하자면 이온성 화합물, 분자성 화합물, 금속 등의 3대 물질로 나뉜다. 이온성 화합물은 금속 원소와 비금속 원소의 결합으로 생겨난다. 금속 원자가 양이온으로 변하고 비금속 원자가 음이온으로 변해서 결합한다. 분자성 화합물은 비금속 원소간의 결합으로 생겨난다.
금속은 금속 원소의 원자가 금속 결합으로 결합하면서 생겨난다. 암석과 모래는 이산화규소로 이루어져 있다. 지구의 지각을 형성하는 암석의 주성분이 규소와 산소다. 이산화규소로 이루어진 대표적인 광물이 석영이다. 그 중에서도 아름다운 결정형을 띤 석영은 수정이라는 이름으로 불린다. 다이아몬드나 이산화 규소 등의 고체는 공유 결합 결정이다. 공유 결합은 무척 강한 결합이므로 그 결정은 녹는점이 대단히 높다. 대부분의 물질은 고체 쪽이 더 밀도가 크므로 같은 부피라면 고체가 더 무겁다. 하지만 물의 경우 빈틈이 많은 구조인 얼음이 녹아서 물로 변하면 부분적으로는 얼음의 구조가 남아 있지만 다른 물 분자가 빈틈을 메워주기 때문에 액체임에도 밀도가 더 커진다.
물처럼 밀도가 고체보다 액체가 높은 물질은 규소, 갈륨, 저마늄, 비스무트 등 한정적이다. 지구상에서 수소는 분자의 형태로 존재하지만 지구의 중력으로는 수소를 대기권에 잡아둘 수 없으므로 대기 중에는 거의 존재하지 않는다. 수소 기체는 기체 중에서 가장 가볍다. 수소는 불에 타면 물이 된다. 탄소나 탄소를 포함하는 화합물을 공기 중에서 연소시키면 이산화탄소가 생겨난다. 탄소나 탄소를 포함하는 화합물이 불완전 연소를 일으키면 일산화탄소가 생긴다. 산소는 지각에서 가장 많은 원소다. 불에 잘 타는 물질이다. 불을 붙이면 푸른 불꽃과 함께 타올라 이산화황으로 변한다. 이산화황은 아황산가스라는 별명도 있다. 무색의 자극적인 냄새의 유독가스다.
마그네슘 성분이 많이 함유된 물은 설사를 유발하기도 한다. 마그네슘 화합물은 변비약으로 사용된다. 탄산칼슘은 물에 녹지 않는다. 탄산칼슘으로 이루어진 석회석은 시멘트의 원료로 사용된다. 달걀껍질이나 조개껍질의 주성분 역시 탄산칼슘이다. 석회석을 고온으로 가열하면 이산화탄소를 배출하고 생석회(산화칼슘)가 된다. 석회암으로 이루어진 지역에서 생겨난 동굴을 종유동이라고 한다. 석회암은 물에 녹지 않지만 이산화탄소가 지나치게 많으면 탄산수소 칼슘으로 변해서 용해된다. 녹은 부분이 커지면서 동굴로 변하게 된다.
철과 탄소가 결합된 강철은 물이나 청동보다 단단하고 강해서 도구나 무기, 건축자재로 쓰였다. 우주에서 지구로 날아온 운석 중에서 주성분이 철인 운석 을 철질운석이라고 부른다. 대부분의 철질 운석에는 5- 15%의 니켈이 포함되어 있다. 인류가 처음으로 접한 철은 운철이었을 것이다. 다양한 고체의 1 cm³당 질량을 구하려면 어떻게 해야 할까? 물론 1 cm³ 크기의 물체를 만들어서 질량을 측정하면 되겠지만 매번 그렇게 하기는 어렵다. 물체를 부수지 않고 1 cm³ 질량을 구하려면 질량과 부피를 측정해서 단위 부피당 질량을 계산하면 된다. 자연에 존재하는 동위원소의 비율은 거의 일정하다. 수소 원소에는 안정 동위원소인 수소와 중수소, 방사성 동위원소인 삼중수소가 있다.
모든 분자는 항상 격렬하고 복잡하게 운동하고 있다. 이 운동을 열 운동이라고 한다. 고체의 경우 부들부들 떨리는 진동이라는 운동을 한다. 온도란 미시적 관점에서 보자면 분자가 얼마나 운동을 열심히 하는지를 나타내는 정도이다. 열심히 운동하면 고온, 얌전하면 저온인 셈이다. 온도가 낮아진다는 말은 분자의 운동이 점점 완만해진다는 뜻이다. 그러다 결국 분자도 운동을 멈추게 된다. 분자의 운동이 멎었을 때의 온도가 바로 - 273.15°C로 이보다 낮은 온도는 존재하지 않는다. 그렇다면 높은 온도는 어떨까? 분자가 계속해서 운동하면 온도는 높아진다. 몇 만 도, 몇 억 도, 몇 조 도도 가능하다. 이때 분자는 파괴되어 플라스마 상태가 된다.
어떤 물질이 산소와 결합했을 때 물질이 산화되었다고 표현한다. 이 화학반응을 산화라고 부른다. 산화물이 산소를 잃으면 물질은 환원되었다고 표현하며 이 화학반응을 환원이라고 한다. 19세기 초까지 화학자들 사이에서는 유기물을 인공적으로 만들 수 없다는 사고방식이 팽배했다. 그런데 1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러가 무기물인 사이안산암모늄을 가열하는 과정에서 유기물인 요소를 인공적으로 만들어내고 말았다. 뵐러가 인공적으로 요소를 만든 후 무기물에서 다양한 유기물이 인공적으로 만들어진다는 사실이 밝혀지기 시작했다. 그리고 유기물은 유기체라는 생명력을 지닌 생물이 만든 물질이 아니라 탄소 골격에 수소가 결합한 탄화수소를 기본으로 산소 원자나 질소 원자 등이 포함된 물질이라 여겨지게 되었다. 수소와 산소를 섞고 그냥 내버려두기만 해서는 반응이 일어나지 않는다. 적절한 비율로 섞은 후 불을 붙이거나 전기 불꽃을 튀기면 격렬한 반응을 일으키며 물이 생겨난다. 수소와 산소는 물보다 에너지가 많음에도 섞어도 자연스럽게 반응이 일어나지 않는 이유가 대체 뭘까?
우리가 산을 넘어갈 때 산의 높이에 따라 오르기 어렵거나 쉬울 때가 있듯이 화학반응 역시 에너지의 산이 높을수록 반응이 진행되기 어렵다. 불을 붙이거나 전기 불꽃을 튀기는 것은 이 산을 넘어갈 수 있게끔 돕는 작업이다. 이 에너지의 산만 넘는다면 비로소 수소 화합물 그리고 생성된 물의 에너지 차이 만큼 에너지를 방출하면서 반응이 진행된다. 반응이 더 쉽게 일어나도록 에너지의 산을 낮추는 데 쓰이는 물질이 바로 촉매이다. 촉매를 사용하면 반응에 필요한 활성화 에너지의 산을 낮춰주므로 반응 속도를 높일 수 있다. 촉매는 고체, 기체, 액체 어떠한 상태라도 상관없으며 작용하는 동안 자신은 계속해서 변화하지만 작용을 마치면 본래대로 돌아가기 때문에 반응 전후로 질량은 변화하지 않는다.

단단한 고고학, 재미 있는 고고학 - [단단한 고고학 - 돌과 뼈로 읽는 인간의 역사]

벤투의스케치북 — Sat, 28 Feb 2026 21:46:00 +0900

단단한 고고학 - 돌과 뼈로 읽는 인간의 역사
김상태 지음 / 사계절 / 2023년 04월

인간이 이 땅에 발을 디딘 시기는 언제일까? 300만 년 전이라 했다가 500만 년 전이라 했다가 지금은 700만 년 전이라 말하고 있다. 처음 두 발 걷기를 한 시점을 말한다. 700만 년 전은 사헬란트로푸스 차덴시스가 등장한 시기를 말한다. 저자는 주먹보다 조금 큰 돌멩이 하나만 있으면 죽은 동물이 사체에서 고기로 변한다고 말한다. 처음으로 도구를 만든 인류는 약 300만 년 전 등장한 오스트랄로피테쿠스로 추정된다. 그들이 사용한 것은 찍개다. 찍개란 석기의 날이 찍는 용도에 적합한 각도와 모양을 가지고 있다는 의미다.(86 페이지)
저자는 구석기 고고학 연구의 궁극은 구석기인의 삶 전체를 이해하고 복원하는 것이라 말한다.(88 페이지) 한 생태 전문가가 새의 세밀한 부분을 찍은 사진을 보고 한 말이 생각난다. 생명체인 새와 하늘, 땅, 강 등 자연이 어우러진 전체적인 모습으로서의 아름다움이 아니라는 것이다. 주먹도끼를 만들어 사용한 인류는 180만 년 전에 등장한 호모 에렉투스다. 주먹도끼를 만들 때 적어도 두 개의 망치돌이 필요하다. 망치돌은 주먹도끼를 만드는 도구다. 주먹도끼 제작 과정은 찍개에 비해 월등히 어렵다.
주먹도끼는 석재(石材)를 선별하는 단계부터 지식이 필요하다. 주먹도끼는 찍고(송곳) 찌르고(칼) 자르고(가위) 부수기(망치)가 가능한 도구다. 스페인 아타푸에르카 유적에서 시신과 함께 매장된 주먹도끼가 나왔다. 이를 망자를 추모하는 부장품으로 해석한다. 스페인 아타푸에르카 축제 관련자들이 전곡리 구석기 축제를 벤치마킹 하기 위해 온 적이 있다. 망치돌로 주먹도끼를 만들면 충격 지점이 으스러지면서 두껍고 둥글거나 길쭉하고 모난 조각이 떨어진다. 사슴뿔로 만든 망치를 사용하면 돌이 거의 으스러지지 않고 얇고 폭이 넓은 조각이 떨어진다. 도구를 정교하고 미세하게 다듬기 위해 정이나 끌 같은 누름 도구가 발명되었다. 1991년 알프스 빙하가 녹으면서 발견된 얼음 인간인 외치의 소지품에도 누름 도구로 추정되는 물건이 있었다.
구석기인들은 돌을 불로 가열하면 유리질화하면서 더욱 섬세하고 얇은 조각을 떼어낼 수 있다는 물리 및 화학 원리도 알았다. 구석기 시대 말엽인 15,000년 전 활도 등장했다. 오스트랄로피테쿠스와 호모 하빌리스는 찍개를 사용했다. 호모 에렉투스는 주먹도끼를 사용했다. 호모 네안데르탈렌시는 창을 사용했다. 네안데르탈인은 호모 에렉투스가 나무로 창을 만든 뒤 창 끝에 날카로운 돌을 장착했다. 호모 사피엔스는 창을 멀리서 목표물을 향해 던지는 무기로 사용했다. 호모 사피엔스는 활과 화살을 사용했다.
네안데르탈렌인은 호모 에렉투스 중 일부가 갈라져 나온 새로운 인류다. 약 50만 년 전 등장해서 그들보다 후에 출현한 호모 사피엔스와 공존하다가 약 3만 년 전에 멸종했다. 멸종 이유로 생식, 언어 구사 능력 부족, 사피엔스와의 경쟁에서 패배 등을 든다. 스티븐 미슨은 그들이 언어 지능, 사회적 지능, 기술 지능, 자연 지능, 일반 지능을 연결짓지 못했기 때문이라는 주장을 했다. 네안데르탈인의 유전자가 호모 사피엔스에게 전해졌다. 네안데르탈인이 만든 석기 제작 방식이 르발루아 기법이다. 예비 단계와 본 단계가 분리된 르발루아 기법은 석기의 모양을 잡는 예비 단계에서 격지를 생산하고 본 단계에서 단 한 번의 타격으로 석기를 만드는 기법이다. 본 단계의 최종 결과물인 석기를 아주 살짝만 잔손질을 하거나 아예 잔손질을 하지 않아도 창으로 사용할 수 있는 정도였다.
르발루아 등장 이전은 전기 구석기, 그 이후는 중기 구석기로 불린다. 호모 사피엔스가 고안한 돌날은 르발루아 기술을 고도화한 석기 대량 생산 체계의 산물이다. 네안데르탈인은 석기 제작의 부산물인 격지에 새로운 가치를 부여했다.(210 페이지) 석기 1세대는 올도완 문화, 2세대를 아슐리안 문화, 3세대를 르발루아 문화라 한다. 올도완이란 탄자니아의 올두바이 협곡에서 유래한 말이다. 주먹도끼는 이름 때문에 주먹으로 쥐고 도끼처럼 내려찍는 도구라 생각하기 쉽지만 한쪽 끝만 뾰족하고 전체 형태는 타원에 가깝고 좌우는 대칭이고 둘레를 모두 날카롭게 다듬은 다기능 도구다.
구석기 유적들은 가공하기 좋은 돌이 풍부한 지역에 몰려 있다. 한반도에서 석기를 만들 때 가장 흔하게 사용한 돌은 석영과 규암이다. 석영은 그 자체로 결정질 광물이어서 깨지지 않고 제멋대로 부서진다. 규암은 사암이 변성작용을 받아 만들어진 것이어서 결정이 뚜렷하지 않아 석기를 만들기 쉬웠다. 물론 아프리카나 유럽에 비해 한반도의 규암 주먹도끼는 선이 굵고 투박하다. OSL 연대 측정에 석영이 유용하다. 우리나라는 석영이 풍부하다. OSL은 Optically Stimulated Luminescence의 약자다. 광여기(光勵起) 루미네슨스라는 의미다.
태양빛에 노출되지 않도록 토양을 채취한 후 석영 입자들을 골라 원자 속의 전자가 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 옮겨갈 때 에너지의 차이 만큼 방출하는 빛인 루미네슨스를 측정한다. 루미네슨스는 석영 결정이 완전히 파묻힌 순간부터 축적된다. 이 원리를 이용하면 석영 입자가 포함된 지층이 언제 흙에 덮였는지 아주 정확하게 알 수 있다. 수십 만 년 이상을 측정할 수 있다.(206 페이지)
호모 에렉투스가 등장하기 전까지 고인류는 나무 위 생활을 병행했다.(93 페이지) 호모 에렉투스는 불을 다루는 지식을 습득한 최초의 인류다. 호모 에렉투스는 첫 번째 사냥꾼이었다. 호모 에렉투스는 처음으로 아프리카를 벗어난 인류다.(121 페이지) 유럽, 인도네시아, 중국까지 진출했다. 호모 에렉투스는 불과 함께 아프리카 바깥으로 활동 영역을 넓힐 수 있었고 그 덕에 더 많은 자원을 확보할 수 있었다. 독일 쇠닝엔 유적에서 호모 에렉투스가 불로 그을린 것으로 추정되는 나무 창이 발견되었다.(121 페이지)
유럽의 후기 구석기 시대에 해당하는 약 2만 2000년 전 무렵에 솔루트리안 문화가 등장한다. 이 시기를 대표하는 석기는 길고 양끝을 날카롭게 다듬은 아름다운 창끝이다. 규질 암석을 재료로 한 석기다. 정교하게 눌러 떼기 위해 사전에 열처리를 한 것이다. 약 250-350도 이상의 온도로 가열해야 돌의 성질이 변한다. 평범한 화덕에서도 낼 수 있는 온도다. 돌을 불에 달구면 열에 약한 성분이 녹으면서 돌의 성질이 유리질로 변한다. 유리질로 변한 돌은 일반 돌보다 더 섬세하게 가공할 수 있다.
우크라이나 중부 메지리치 유적에서는 거의 100 마리에 가까운 매머드 뼈로 만든 집이 발견되었다. 우크라이나 몰로도바 마을 유적에서는 집 바깥에 작은 화덕 여러 개가 배치된 흔적이 발견되었다. 프랑스의 루피낙 동굴에 줄 지어 걸어가는 매머드 무리가 그려져 있다.(113 페이지) 매머드는 초식동물이다. 매머드의 최후 생존지역이었던 시베리아 툰드라에는 엄청난 양의 상아가 묻혀 있다.
아득한 구석기 시대에 풍수라는 개념이 있을 리 만무하지만 발굴 현장을 다녀 보면 대부분의 유적이 기막히게 풍수 좋은 곳에 있다.(106 페이지) 발굴 과정에서 층위 조사를 해보면 거의 대부분 모래층 또는 자갈층이 발견된다. 과거 한때 하천이 흘렀다는 의미다.(107 페이지) 강은 늘 같은 자리를 흐를 것 같지만 땅을 침식시키고 퇴적하기를 반복하며 천천히 그러나 쉼 없이 물길을 바꾼다. 화식으로 인한 영양 섭취 증가는 뇌가 커지는 데에 크게 기여했다.(124 페이지) 인간은 자연계의 모든 동물들이 두려워하던 불을 과감히 취해서 안전과 안위를 확보할 수 있었고 기술을 발전시킬 수 있었다.
함경북도 종성군 동관진 유적에서 한반도가 무척 추웠던 시기에 살던 매머드, 털 코뿔소(wooly rhinoceros), 메가케로스(대형 사슴) 등의 뼈가 발견되었다. 우리나라 산과 들에 매머드가 살았다니 상상만 해도 가슴이 두근거린다. 충청북도 청주시 인근의 두루봉 동굴에서도 다량의 동물 뼈가 발굴되었다. 짧은 꼬리 원숭이, 하이에나, 코뿔소(rhinoceros) 뼈도 있다. 지금은 동물원에 가야 볼 수 있는 동물로 적도 가까운 아열대 지역에 주로 서식한다. 한반도가 지금보다 훨씬 더웠던 시기를 보여주는 흥미로운 증거다. 빙하기와 빙하기 사이 간빙기에 한반도의 기온이 아열대 지역만큼 뜨거워지면서 이 동물들이 북상했던 흔적이 화석으로 남은 것이다.(126, 127 페이지)
기후 변화는 산소 동위원소인 O 16과 O 18의 비교를 통해 연구한다. O 16은 O 18보다 가벼워서 온도가 상승하면 더 빨리 상승한다. 이러면 공기 중 O 16의 양이 많아진다. 온도가 낮아지면 O 16의 양이 줄어든다. 온도가 1도 변할 때마다 두 원소의 비율은 0.7 퍼센트 차이난다. 과학자들은 깊은 바다의 퇴적층을 채굴하여 이런 방법으로 시기별 산소 동위 원소 비율 변화를 계산한다. 기후 변화의 추이를 통하여 전반적 환경 변화를 유추한다.(128, 129 페이지)
연구자들은 약 300만 년에 걸친 구석기 시대를 크게 전기, 중기, 후기로 나눈다. 시기를 나누는 기준은 뗀석기 제작 기술 발달 정도다. 처음으로 석기를 만들었다고(혹은 사용했다고) 추정하는 인류는 오스트랄로피테쿠스, 호모 하빌리스다. 시작은 어땠을까? 여러 가지 중 하나는 길을 가던 고인류가 날카로운 돌조각을 밟고 피를 흘렸고 그 모습을 지켜본 동료가 돌조각으로 죽은 동물의 살점을 잘랐을 것이라는 이야기다.(132 페이지) 시작이야 어떻든 어느 시점부터 인류는 의도를 가지고 돌을 깨기 시작했다.
좋은 돌이란 결정 구조가 없고, 구성 입자가 곱고, 입자의 결합력이 적당한 돌이다.(133 페이지) 결정이 있으면 충격을 가했을 때 원하는 모양이 아니라 원래의 결정을 따라서 돌이 깨진다. 입자가 크고 거칠수록 예리하고 정교하게 다듬기 어렵다. 돌이 너무 단단해도 도구로 가공하기 어렵다. 시간이 더 지나서 네안데르탈인의 르발루아 기술과 호모 사피엔스의 돌날 기술 단계로 접어들면 돌을 고르는 기준이 더욱 까다로워진다.
아프리카나 유럽의 주요 유적 주변에는 석기 만들기에 아주 좋은 처트나 플린트 석재가 풍부하다. 한반도는 흑요석이 풍부한 백두산 주변과 혼펠스와 셰일이 있는 일부 남부지역을 제외하면 화강암, 화강 편마암, 규암, 천매암, 석회암, 점판암이 우세하다. 이 돌들은 하나같이 석기로 가공하기에 그리 좋은 편이 아니다. 한반도의 구석기인들은 흔한 석영이나 규암 중에서 쓸 만한 석재를 선별하고 거기에 맞는 기술과 도구를 발달시켰다.
호모 에렉투스는 다기능 도구이자 예술의 맹아를 품고 있다고 평가되는 주먹도끼의 창시자다. 뿐만 아니라 불을 자유자재로 다루었고 고인류의 요람인 아프리카를 벗어난 첫 인류라는 수식어가 그들을 따라다닌다. 진화의 측면에서는 털이 거의 사라졌고 점점 길어지는 성장의 양육 부담을 공동육아로 대처하기로 했다. 뇌의 용적의 증가와 불의 사용, 음식 분배, 창을 이용한 집단 사냥 등은 모두 인류의 사회성이 강화되었음을 암시한다.
돌과 석기의 구별법은 이렇다. 1단계; 반드시 깨진 부분이 있어야 한다. 2단계; 여기저기가 조금씩 깨져 있는지 한 부분이 집중적으로 깨져 있는지 확인한다. 한 부분이 집중적으로 깨져 있다면 다음 단계로 넘어간다. 3단계; 집중적으로 깨진 부분이 가지런한지 규칙적인지 살펴본다. 그런데 때로 우연히 깨진 돌도 규칙적일 수 있다. 자연의 힘은 언제나 우리의 상상을 뛰어넘는다. 4단계; 아직 당신 손에 돌이 들려 있다면 즉시 주변을 더 확인한다. 비슷한 생김새와 특징을 가진 돌을 서너 개 더 찾았다면 그것들은 구석기 유물일지도 모른다.
우리나라에는 화석이 별로 없다. 뼈나 나무 같은 유기물이 땅속에서 보존되려면 건조한 알칼리성 토양이어야 하는데 우리나라의 토양은 대체로 습도가 높은 산성이다. 주먹도끼의 길이와 너비의 비율은 1; 0.7 정도다. 주먹도끼는 이전 시기에 도구들에 비해 훨씬 만들기 어려운 도구다. 이것을 만들려면 머릿속에 계획을 빈틈없이 실행할 수 있는 기술력이 필요하다. 그러기 위해서는 두 손을 자유자재로 사용할 수 있어야 한다. 주먹도끼를 만든 사람들은 누구였는가? 완전히 직립했다는 뜻의 학명을 가진 호모 에렉투스다.
인간의 조상은 700만 년 전부터 두 발로 걷기 했다고 하는데 180만 년 전에 등장한 호모 에렉투스 이름에 직립이란 이름을 붙인 이유는 무엇일까? 결론부터 말하면 이전의 직립은 과정이자 불완전한 단계였고 호모 에렉투스에 이르러서야 비로소 완벽한 두 발 걷기가 가능해졌다. 이 판단은 호모 에렉투스의 골격 구조가 현대인과 거의 동일하다는 점을 근거로 한다. 호모 에렉투스 단계에 이르면 인간의 앞발이 진정한 의미의 손으로 바뀐 것이다. 이렇게 진화한 손은 망치질을 비롯한 정교한 작업을 할 수 있었고 그로부터 인간은 주먹도끼를 발명했다.(198 페이지)

쉬우면서도 깊이 있는 파동(波動) 이야기 - [하위헌스가 들려주는 파동 이야기]

벤투의스케치북 — Fri, 27 Feb 2026 17:38:00 +0900

하위헌스가 들려주는 파동 이야기
정완상 지음 / 자음과모음 / 2010년 09월

파동(波動)이란 어느 한 지점의 진동(振動)이 옆으로 퍼지는 현상을 의미한다. 한 점을 중심으로 방향을 바꾸어 왔다 갔다 하는 운동을 진동이라 한다. 파동에서 진동을 전달하는 물질을 매질(媒質)이라 한다. 줄에 생긴 파동의 모양일 경우 줄이 가장 높이 올라간 지점을 마루라 하고 가장 아래로 내려간 지점을 골이라고 한다. 마루와 마루 사이의 거리를 파장(波長)이라 한다. 원래 위치에서 마루까지의 거리를 파동의 진폭(振幅)이라 한다. 파동의 진행 방향과 매질의 진행 방향이 수직인 파동을 횡파(橫波)라고 한다.
벽에 줄을 매달고 살살 흔들면 파장이 긴 파동이 만들어진다. 반대로 벽에 줄을 매달고 세게 흔들면 파장이 짧은 파동이 만들어진다. 줄을 살살 흔들 때보다는 세게 흔들 때 더 많은 에너지가 필요하다. 그리고 이 에너지는 파동에 전달되어 파동의 에너지가 된다. 그러므로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. 파장이 짧을수록 파동의 에너지는 크다. 파장과 진동수는 반비례 이므로 다음과 같이 말할 수도 있다. 진동수가 클수록 파장의 에너지는 크다.
소리는 공기 분자의 진동이 옆으로 전달되는 파동이다. 그래서 소리를 음파(音波)라고 한다. 그런데 소리는 줄을 흔들 때 생기는 파동과 다른 모양이다. 사람은 모든 진동수의 소리를 들을 수 없다. 사람이 들을 수 있는 소리의 진동수는 20hz에서 2만hz 사이다. 그러므로 진동수가 20hz보다 작은 소리는 들을 수 없는데 이것을 초저파라고 한다. 하지만 코끼리는 이런 소리를 낼 수 있고 들을 수 있다. 2만 헤르츠보다 큰 진동수를 가진 소리는 사람이 들을 수 없다. 이를 초음파라고 한다.
초음파를 들을 수 있는 동물로는 박쥐나 돌고래 등이 있다. 소리의 매질이 공기 분자이므로 공기 분자의 진동이 옆으로 전달되는 속도가 바로 소리의 속도다. 그러므로 분자들이 빠를수록 전달이 빨리 이루어지므로 소리의 속도가 크다. 공기 분자는 온도가 높을수록 빨리 움직인다. 그러므로 소리도 온도가 낮을 때보다 높을 때가 빠르다. 겨울보다 여름에 소리가 빨리 전달된다. 온도가 0도일 때 소리의 속도는 331.5m/s이고 1도씩 올라갈 때마다 소리의 속도는 0.6m/s씩 빨라진다.
공기가 없으면 소리가 들리지 않는다. 소리를 전달할 매질이 없기 때문이다. 그러므로 달에서는 아무리 크게 떠들어도 소리가 전달되지 않는다. 수리의 매질은 공기뿐일까? 그렇지 않다. 소리는 기체, 액체, 고체 모두를 지나갈 수 있다. 고체는 액체나 기체보다 단단하다. 파동은 단단한 매질에서 빠르게 진행하므로 공기는 고체를 통과할 때 빨라진다. 예를 들어 소리의 속도는 물속에서는 1500m/s가 되고 철 속에서는 6천m/s가 된다.
호이겐스 원리를 정리하면 다음과 같다. 파동이 전파될 때 파면(波面) 위에 모든 점에서 각각의 점을 새로운 파면으로 하는 이차적인 구면파가 나타나고 이와 같은 구면파에 공통으로 접하는 면이 다음 순간에 새로운 파면을 이룬다. 파동은 장애물을 만나면 반사되어 새로운 파면을 만든다. 이때 파동의 속도나 파장은 달라지지 않는다. 파동은 장애물에 부딪힌 각도와 같은 각도로 반사되어 나아가는 성질이 있다.
소리의 반사를 메아리라고 한다. 우리가 산에 올라가서 반대쪽 산을 향해 소리를 지르면 우리가 지른 소리가 산에 반사되어 우리의 귀로 들어오는 것이 메아리다. 단단한 벽과 부딪힌 소리는 세기가 많이 줄어들지 않지만 부드러운 벽과 부딪힌 소리는 벽에 소리가 많이 흡수되어 반사된 소리의 세기가 크게 줄어든다.
파동이 다른 매질을 지나갈 때 꺾이는 현상을 파동의 굴절(屈折)이라고 한다. 이것은 매질이 달라질 때 파동의 속도가 달라지기 때문에 일어나는 현상이다. 파동은 매질이 단단할수록 빠르다고 했다. 그러므로 매질이 부드러운 곳에서 단단한 곳으로 지나가는 파동은 다음과 같이 꺾이게 된다. 이때 파장의 진동수는 변하지 않지만 파장은 달라진다. 소리도 굴절할까? 물론이다.
소리의 굴절은 온도와 관계있다. 낮에는 지면의 공기가 뜨겁고 위쪽 공기는 차가워지므로 지면에서 소리의 속도는 빠르고 위쪽에서 느리다. 그러면 위로 굴절된다. 낮에는 소리가 위로 올라간다. 밤에는 지면에 있는 공기가 차갑고 위쪽이 더우므로 소리가 아래쪽은 느리고 위쪽은 빨라져 아래로 굴절된다. 그러므로 낮 말은 위에 떠 있는 새가 잘 듣고 밤 말은 땅바닥을 기어 다니는 쥐가 잘 듣는다는 속담이 나온 것이다.
소리도 파동이므로 간섭을 일으킨다. 그러므로 두 개의 스피커에서 나오는 소리가 보강 간섭을 일으켜 더 크게 들릴 수도 있고 소멸 간섭을 일으켜 잘 안 들릴 수도 있다. 담 너머에서 이야기하는 사람은 보이지 않아도 말소리는 들린다. 두 개의 틈이 생기면 틈을 통해 들어온 물이 독 뒤쪽으로도 전달된다. 이렇게 파동이 진행 도중 장애물을 만나거나 좁은 틈을 지날 때 장애물의 윗 뒷부분까지 전달되는 현상을 파동의 회절(回折)이라고 한다.
정상파(定常波)는 무엇인가. 서 있는 파동이라는 뜻이다. 즉 정상파는 움직이지 않고 제자리에 서서 진동하는 파동이다. 파동이 양쪽 끝 사이를 계속 왕복하면서 줄을 묶은 양쪽 고정점에서 입사파와 반사파가 간섭을 일으키기 때문이다. 우리를 향해 다가오는 차에서 내는 사이렌 소리는 정지에 있는 차에서 내는 소리보다 높은 음으로 들린다. 그러니까 진동수가 더 크게 우리 귀에 들리는 거다.
반대로 우리로부터 멀어지는 차에서 나는 사이렌 소리는 정지해 있는 차에서 나는 사이렌 소리보다 더 낮은 음으로 들린다. 즉 진동수가 낮은 음으로 들리는 것이다. 이렇게 움직이는 물체에서 나오는 소리가 다르게 들리는 현상을 도플러 현상이 일어난다. 고유한 호수 중앙에서 파동이 만들어졌다고 가정하자. 이 파동의 주기가 10초라고 하자. 물속에 정지해 있는 관찰자는 마루가 오고 10초 후에 다음 마루가 오는 것을 느끼게 된다.
그런데 이 관측자가 첫 번째 마루를 경험하자마자 타원 쪽으로 헤엄쳐간다고 해보자. 그럼 이 관측자가 두 번째 마루를 경험하는 시간은 10초보다 적게 걸린다. 그러므로 이 관찰자에게는 파도의 주기가 짧아진 것으로 관측된다. 그러므로 진동수가 커진 것으로 관측된다. 관측자가 파동의 파원(波源) 쪽으로 가까이 가면 파동의 진동수가 커지게 된다. 이 파동의 소리가 높은 음으로 들리는 것이다. 그러므로 어떤 소리가 나는 곳으로 아주 빠르게 뛰어가면 원래 소리보다 더 높은 음의 소리를 들을 수 있다.
옛날 어느 방앗간에 밀가루 부대를 나르는 늙은 나 귀가 있었다. 늙은 나귀는 오랫동안 참을성 있게 힘든 일을 열심히 해왔다. 하지만 요즘은 몸이 말을 듣지 않아 일을 하는 날보다는 아파 쉬는 날이 더 많다. 늙은 나귀는 음악을 아주 좋아해서 주변의 모든 사물을 악기로 만들어 연주하곤 했다. 방앗간의 다른 동물들은 늙은 나귀의 연기를 돕는 것을 좋아했다. 단 한 사람을 제외하고. 그 사람은 바로 방앗간 주인이었다.
그는 늙을 나귀가 일보다 연주를 좋아하여 다른 동물들에게 악기 연주를 가르쳐주는 것을 오래 전부터 마음에 들어가지 않았다. 어느 날 방앗간 주인이 늙은 나귀를 불렀다. 무슨 일이시죠? 주인님? 늙은 나귀가 물었다. 이 쓸모없는 나귀 녀석, 일은 안하고 만날 북이나 두들기고 이젠 내 가죽을 벗겨 북이나 만들어야겠다. 주인은 매우 화를 내며 말했다. 주인은 곧장 늙은 나귀를 창고에 가두었다.
그날 이후 늙은 나귀는 아무것도 먹을 수 없었다. 늙은 나귀는 시름시름 앓기 시작했다. 늙은 나귀는 창고 안에서 소리쳐 보았지만 아무도 그 소리를 듣지 못했다. 그러던 어느 날 밤 스르륵 소리를 내면서 창고 문이 열렸다. 나귀에게 악기 연주를 배우고 있던 젊은 나귀였다. 어서 도망치세요. 주인이 내일 당신을 도살장에 팔아넘긴대요. 젊은 나귀는 작은 소리로 말했다. 젊은 나귀의 도움으로 늙은 나귀는 창고에서 빠져나올 수 있었다.
어디로 가야 하지? 벌써 겨울이 되려고 들판에는 으스스 찬바람이 불었지만 나귀는 갈 곳이 없었다. 태어나면서부터 방앗간에서 살았기 때문이다. 나귀는 길을 따라 터벅터벅 걸어갔다. 이젠 좀 쉬었다 가야지. 나귀는 느티나무 아래에서 잠시 쉬어가기로 했다. 저건 뭐지? 여기는 느티나무에 붙어 있는 종이 쪽지를 발견했다. 그것은 브레멘에서 동물 음악회가 열린다는 것이었다.
그래, 내 꿈은 원래 음악가였어. 밴드를 만들어 저 대회에 참가하는 거야. 나귀는 두 손을 불끈 쥐었다. 그리고 신이 나서 걸어갔다. 브레멘 음악대회에 참가한다는 생각을 하니까 갑자기 힘이 솟아나는 것 같았다. 언덕을 몇 고비 넘었을 때 나귀는 길가에 쭈그리고 앉은 늙은 원숭이를 만났다. 이봐, 어째서 이런 곳에 혼자 앉아 있는 거야. 나귀는 걱정스러운 눈빛으로 물었다. 나이 많은 원숭이는 울먹이며 이야기를 시작했다.
나를 기르던 주인에게 쫓겨난 신세가 되고 말았다네. 무슨 잘못을 했는데? 나는 줄을 만드는 공장에서 일하고 있었어. 야, 그거 재미있겠는걸. 나귀는 흥미롭다는 듯이 귀를 기울였다. 플라스틱으로 만든 줄이야. 하루 종일 기계에서 나오는 줄을 뽑아 적당한 크기로 잘라 포장하는 일이었어. 줄은 두꺼운 것도 있고 가느다란 것도 있는데 늙으니까 눈이 침침해져서 가느다란 줄이 잘 보이질 않는 거야. 그래서 규격보다 길거나 짧게 줄을 자르게 되니까 주인이 필요 없다고 내쫓더군.
원숭이가 울먹거렸다. 나귀는 원숭이가 불쌍해서 그만 눈물을 흘리고 말았다. 그거 참 안됐군. 그럼, 나와 함께 브레멘에 가서 동물 밴드를 만들어 보는 건 어때? 그런데 나는 악기를 다룰 줄 몰라. 공장에서 가지고 온 줄이 있지? 나귀는 원숭이의 주머니를 흘깃 바라보면서 말했다. 물론이지. 원숭이는 주머니에서 굵기가 서로 다른 여섯 개의 줄을 꺼냈다. 줄의 길이는 모두 같았다. 좋아, 악기를 만들어 줄게. 나귀는 자신 있는 표정으로 말했다. 나귀는 속이 뻥 뚫린 나무통에 여섯 개의 줄을 차례대로 묶었다.
이게 바로 기타라는 악기야. 너는 이 악기를 연주하면 돼. 나귀가 원숭이에게 기타를 건네며 말했다. 어떻게 연주하지? 원숭이는 생전 처음 보는 악기가 신기해 물었다. 줄을 퉁기면 돼. 나귀는 웃으며 말했다. 원숭이는 맨 윗줄을 퉁겼다. 낮은 음이 울려 퍼졌다. 정말 소리가 나는군. 신기해. 줄에서 정상파(定常波)가 만들어지기 때문이야. 그 정상파의 진동수와 같은 진동수를 공기가 진동을 하여 그 진동수의 음이 나오는 거야.
나귀가 친절하게 설명해 주었다. 원숭이는 갑자기 다른 다섯 개의 줄을 보더니 이렇게 말했다. 나머지 줄은 왜 매달아 놨지? 맨 윗줄부터 아래로 내려갈수록 줄의 굵기가 가늘어지지. 줄의 굵기에 따라 음이 달라지거든. 어떻게 달라지지? 줄이 가늘수록 높은 음이 만들어져. 원숭이는 6개의 줄을 차례로 튕겼다. 점점 높은 음이 울려 퍼졌다. 원숭이는 무척 신기해하는 표정이었다.
한참 여섯 줄을 퉁기던 원숭이가 말했다. 그런데 나오는 음이 미, 라, 레, 솔, 시, 미뿐이야. 그럼 도, 파는 어떻게 만들지? 같은 굵기의 줄이라도 길이가 짧아지면 더 높은 음이 만들어져. 맨 윗줄의 세 번째 칸을 왼손으로 꽉 누르고 퉁겨봐. 원숭이는 나귀가 시키는 대로 했다. 파 음이 울려 퍼졌다. 파가 나왔어. 원숭이는 신이 났다. 그리고 다른 줄도 왼손으로 눌러 줄의 길이를 짧게 만들었다.
점점 높은 음이 만들어졌다. 이젠 됐어. 너는 이제부터 이 악기를 다루면 돼. 나귀가 말했다. 그럼, 나도 동물 밴드가 된 거야? 원숭이는 뛸 듯이 기뻐했다. 이렇게 하여 나귀와 원숭이는 함께 브레멘을 향해 길을 떠났다.
이윽고 작은 다리에 이르렀을 때 나귀와 원숭이는 한 나이 많은 타조를 만났다. 타조는 오른쪽 다리를 절룩거리며 걷고 있었다. 타조야, 어째서 이런 외딴곳에 혼자 있는 거니? 원숭이는 걱정스러운 눈빛으로 물었다. (중간 생략) 나귀, 원숭이, 타조 등은 애니 뮤즈라는 그룹 이름을 만들었다. 애니멀의 애니와 뮤즈를 합한 말이다. 애니 뮤즈는 브레맨 음악제에서 대상을 받았다.
정완상의 ‘하위언스가 들려주는 파동 이야기’는 쉬운 설명으로 소리와 파동의 신비함을 전달한 책이다. 최근 저자는 ‘세상에서 가장 쉬운 과학’ 시리즈(전 20권)를 냈다. 과학자가 들려주는 과학 이야기보다 본격적인 책이다. 저자의 약진이 눈부시다. 계속 읽어야 할 저자다.

깊은 시간이란 말을 처음 쓴 존 맥피의 지질 횡단기 - [이전 세계의 연대기]

벤투의스케치북 — Fri, 27 Feb 2026 00:13:00 +0900

이전 세계의 연대기
존 맥피 지음, 김정은 옮김 / 글항아리 / 2021년 09월

헬렌 고든의 [깊은 시간으로부터]에 이런 내용이 나온다. 영국을 남동에서 북서로 여행하는 것은 시간을 거슬러 여행을 하는 것이라는 표현이다. 이에 대해 한 지구과학자에게 문의하자 그 분은 고든의 글은 당신이 20년 전 대학원 시절에 영어로 시험을 본 내용이라 말한다. 고든의 책 제목인 깊은 시간(deep time)은 영문학자 존 맥피(John Mcphee)가 처음 쓴 말로 가늠할 수 없이 긴 지질학적 시간을 뜻한다. 이른 다른 말로 지질현상은 반복된다(geology repeats itself)라고 한다.
맥피는 영문학을 전공한 사람이 암석에 관한 글을 쓰게 된 것은 분지(盆地)와 산맥(山脈)의 한 단락이 답이 될 것이라 말했다. 1931년생인 맥피는 1978년 지질학자들과 미국 횡단 여행을 했다. 맥피의 책에 이런 구절이 있다. “지질학자들은 겉으로 드러난 지형적 특성을 의미할 때는 terrain(지형)이라 하고 수 킬로미터 깊이의 땅덩어리를 가리킬 때는 terrane(‘암층; 巖層’)이라 한다.” 두 단어는 내가 영어 네이티브 스피커가 아니어서인지 모르나 구별하기 쉽지 않다. 이는 지질에 대한 실질적인 어려움은 아니다. 그럼에도 험난함을 상징적으로 보여주는 것 같다. 나처럼 두 철자 사이의 애매함만 곱씹었다는 맥피는 terrain은 지형이고 terrane은 3차원의 거대한 땅덩어리라 말한다.
이런 내용도 있다. 달에 반응하는 것은 바다만이 아니다. 하루 두 번, 단단한 땅도 무려 30센티미터나 위아래로 움직인다. 놀랍다. 지구에는 탄소 말고도 대량으로 산화될 수 있는 것이 또 있다. 바로 철이다. 연한 녹색을 띠는 산화제 1철은 어디에나 흔하며 지각을 구성하는 암석의 무려 5%를 차지한다. 그리고 산화제 1철이 산소를 받아들이면 붉은색을 띠는 산화제 2철이 된다. 맥피는 피아노 줄이 지구 맨틀과 정확히 같은 점성을 가졌다고 말한다.(73 페이지) 인간과 암석에 두루 관계하는 카슘, 마그네슘에 대해 최근 이야기한 바 있는 나에게 이런 서술이 눈에 띈다. "석회암(limestone)은 탄산칼슘이다. 백운암(dolomite)은 탄산칼슘의 마그네슘이 추가된 것이다. 둘 다 탄산염 암석으로 알려져 있다."
맥피는 지질학자들도 그림을 전체적으로 보지 못한다고 말한다.(94 페이지) 본문에 제임스 허턴 이야기가 나온다. 그림을 전체적으로 본 사람이라 할 수 있다. 허턴은 버릭쇼에 있는 그의 농장에서 보리를 키우다가 강물이 흙을 바다로 운반하는 것을 보고 서서히 일어나는 파괴를 감지했다. 문득 그는 만약 강물이 충분히 오랫동안 저런 작용을 했다면 농사를 지을 땅은 없었을 것이라 생각했다. 그렇다면 세상에는 새로운 흙의 공급원이 분명히 있어야 했다. 그 새로운 흙은 고지대에서 내려왔을 것이고 비와 서리에 산이 조금씩 줄어들면서 만들어졌을 것이다. 그리고 거력, 큰 자갈, 잔 자갈, 모래, 실트, 진흙으로 크기가 점점 작아지면서 산마루에서 바다까지 나뭇가지 모양으로 펼쳐진 수계를 따라 내려갔을 것이다..
강 특히 홍수가 난 강은 계속 그것들을 실어 나르고 결국 깊고 고요한 물속에 내려놓았을 것이다. 그런 깊은 물에 켜켜이 쌓인 실트와 모래와 자갈은 어느 정도의 두께가 되면 열과 압력에 의해 단단히 다져지고 서로 엉기고 경화되고 석화된다. 암석이 되는 것이다. 허턴은 오래된 대륙들은 다 없어져 가고 있고 바다 밑바닥에서는 새로운 대륙들이 형성되고 있다는 결론을 내렸다. 고지대에는 해양생물이 화석이 있었다. 그런 생물은 홍수로 그곳에 올라가게 된 것이 아니었다. 뭔가가 암석을 바다 밑바닥에서 밀어 올렸고 우그러뜨려 산맥을 만들었다.
제임스 허턴은 지질학의 아버지라 불리는 인물이다. 맥피의 책은 900여 페이지의 이른바 벽돌 책이다. 체계가 없고 산만하지만 문학인 특유의 수사적 표현이 빛나는 자유분방한 책이다. 그는 자신의 책은 지질학을 주제별로 분류한 목록이 아니라 서서히 풀어나가는 이야기를 하고자 쓴 ‘방대하고 포괄적인’ 책이라 말한다.(11 페이지) “여행, 짧은 주제 글, 회상, 간단한 전기, 인간과 암석에 관한 이야기들로 구성“된 책이다.
움직이는 것은 판이다. 판은 모두 움직인다. 방향이 다 다르고 속도도 제각각이다. 판이 분리되는 곳에는 대양이 형성된다. 판이 충돌하는 곳에는 산맥이 만들어진다. 바다가 넓어지고 두 판이 서로 멀어지면 그 가운데에는 새로운 해저가 나타난다. 새로운 해저는 이동하는 판의 뒷자락 끝을 따라 계속 형성된다. 움직이는 판의 앞쪽에 위치한 오래된 해저는 깊숙한 해구 속으로 밀려들어간다. 저자는 지질학자 1/8이 판구조론을 받아들이지 않는다는 [지질학] 기사를 인용한다.
주어진 어느 순간에 두 지질학자가 머릿속에 맴도는 모든 가설과 학설을 정확히 똑같은 수준으로 받아들이는 경우는 없다는 말도 본문에 있다. 늘 다양한 단계로 받아들이고 있는 여러 생각이 있다. 그것이 과학의 작동 방식이다. 생각이 받아들여지는 범위도 다양하다. 확고하게 받아들여지는 것도 있고 형성 과정에 있거나 뜬금없이 한밤중에 떠오르는 생각처럼 말 그대로 설익은 단계의 생각도 있다. 모든 과학이 추측과 관련이 있지만 지질학만큼 추측이 많은 과학도 별로 없을 것이다.(192 페이지)
전체를 꿰뚫는 이런 서술도 있다. ”땅의 생김새는 기본적으로 물의 영향을 받는다. 물은 경관을 따라 흐르고 계곡을 파내고 빙하처럼 제멋대로 땅을 밀고 지나간다. 이런 물의 작용은 외적인 것이다. 그러나 땅의 생김새는 내부에 있는 암석 자체의 영향을 받고 심지어 암석에 의해 조절되기도 한다. 용해도는 말할 것도 없고 연속적인 지층의 상대적인 강도, 습곡과 단층 같은 주어진 암석의 구조에도 영향을 받는다.“(261 페이지)
지구의 역사가 암석에 쓰여 있을 수 있지만 그 역사가 지질도와 일치하지는 않는다. 지질도는 현재 그 지역의 최상층을 보여주지만 훨씬 더 아래에는 무엇이 있고 그 위로는 무엇이 사라졌는지 잘 나타나지 않는다. 광물 이야기도 빼놓을 수 없다. 플린트, 처트, 벽옥은 모두 옥수에서 만들어진다. 옥수는 석영의 변종이다.(267 페이지) 침식과 퇴적은 구불구불하게 흐르는 강에서 일어나는 전형적인 현상이다. 이런 강은 한쪽 면이 깎여나가는 동안 그 반대쪽 면에서는 퇴적이 일어난다. 사암 속에 이암 덩어리가 들어 있는 곳은 침식이 심하게 일어나면서 강둑 위에 있는 진흙 모양이 무너져 내린 것이다.
이런 말을 들어보라. ”(판구조론자들은) 거기에 약간 갇혀 있는 것 같아요. 뭔가 판구조론에 잘 들어맞지 않으면 그들은 어떤 이유를 찾겠죠. 뭔가 놓치고 있는 것이 있다거나 뭔가 섭입되었거나 지표 아래에 아직 발견되지 않은 뭔가가 있다고 말할 거예요. 그렇게 끼워 맞추는 거죠... 내가 이의를 제기하는 것은 판구조론이 절대적인 복음으로 받아들여진다는 점이예요... 너무 과하게 적용되고 있어요. 지질학적으로 세세한 것에는 주의를 기울이지 않아요. 지질학적으로 세세한 것에는 주의를 기울이지 않아요. 끔찍할 정도로 잘못 활용되고 있어요. 사실을 왜곡하고 세상을 지나치게 단순화하고 있어요... 판구조론은 실용적인 과학이 아니예요. 대단히 흥미롭고 재미있지만 석유를 찾는 방법은 아니예요. 일종의 도피처 같은 거예요. 생각하고 싶지 않을 때 하는 일인 거죠.“(312 페이지)
이런 구절도 있다. ”판구조론 혁명이 일어나기 전부터 있었던 지질학의 오랜 난문제들 가운데 일부는 판구조론이 나온 이후에도 그대로 남아 있었다.“(554 페이지) 가령 콜로라도 고원을 융기시켜서 강물에 깊게 파인 협곡이 되게 만든 것은 무엇이었을까? 범람 현무암은 무엇으로 설명될 수 있을까?...참고할 거리다. 맥피는 지질학자를 피부과 의사와 비슷하다고 생각했다고 말한다. 지질학자는 대체로 지구의 가장 바깥쪽 2퍼센트를 연구하기 때문이다. 그러나 맥피와 동행한 지질학자 엘드리지 무어스는 지구 전체가 판구조와 관련이 있다고 말한다. 섭입하는 판에서 일어나는 지진을 무려 650km 지하 범위까지 판독할 수 있고 이제 지진파의 자료는 차가운 해양지각판의 조각이 핵과 맨틀 사이의 경계까지 내려갈지 모른다는 것을 암시하고 있기 때문이다.(643 페이지)
나는 판구조론을 인정한다. 그러나 큰 그림과 별개로 원소, 광물, 암석, 지층 등에 관심이 많이 간다. 우리나라의 한 대학 연구팀이 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 이용해 아기별 주변 원반에서 규산염(silicate)이 결정화되는 과정을 세계 최초로 관측, 혜성 등 태양계 구성 물질의 탄생 비밀을 풀어낸 것도 그 중 하나다. 이 내용을 풀어 쓰고 싶다. 인간과 자연의 공진화 내지 순환도 관심거리다. 암석과 식물의 관계도 그렇다. 나는 지질학이 원소에서 광물, 암석, 지층, 판구조론 등까지 작은 것에서 큰 것까지 두루 다루는 학문이라 생각한다.
[우주는 어디에서 왔을까]의 저자 크릭스 페리, 게라인트 루이스가 자신들의 책을 인간 지식의 양극단인 양자(量子)와 우주를 다루는 책으로 소개한 것이 기억난다. 지질학이 다루는 가장 작은 것인 원소와 가장 큰 것인 지구 자체는 물리학의 작은 단위인 양자와 가장 큰 단위인 우주 사이에 있다. 어쩌면 지질도 양자적 개념과 연관이 있을지도 모른다.
지층이 어긋나거나 뒤틀린 다른 지역과 달리 오롯히 수평층인 그랜드 캐니언에 대한 맥피의 언급도 새겨들을 만하다. 맥피는 와이오밍에 대해 이야기한다. 그곳에서 자란 지질학자는 모든 시대의 세세한 이야기를 무시할 수 없을 것이라는 것이다. 이유는 그곳에는 지구 역사의 모든 시대가 다 나타나 있기 때문이다. 와이오밍의 지질학적 특성은 무엇보다 다방면으로 박식한 사람을 만들어내는 경향이 있을 것이다.
”100년이 넘는 세월 동안 와이오밍주는 석유, 가스, 광물 자원을 찾는 지질학자들과 복잡한 지질 구조에 매료된 연구 지질학자들을 끌어들여 왔다. 화석부터 광물, 산맥부터 분지, 습곡과 단층, 화성암부터 퇴적암, 광산부터 유전, 지열 지대부터 빙하 지형, 그리고 무엇보다 풍부한 노두까지, 지질학 분야에서 경력을 쌓고자 하는 사람들이 필요로 하는 모든 것을 갖추고 있다... 와이오밍은 지질학자에게는 지상 낙원과도 같은 곳이다.”
산들은 항상 허물어진다. 솟아오르고 있는 동안에도 당연히 허물어지고 있다. 침식과 조산운동이 경쟁을 벌일 때 침식은 결코 지는 법이 없다. 그러나 비교적 짧게, 산이 솟아오르는 속도가 파괴되는 속도보다 훨씬 우세한 시기가 있다.(443 페이지)
흥미로운 표현이 있다. 사무실 지질학자, 실험실 지질학자라 불리는 블랙박스 지질학자들이 있다는 것이다. 그들은 진지한 학문을 피하려는 동료들의 도피 수단이 야외조사라고 믿는다고 한다. 맥피는 블랙박스 지질학자들이 야외지질학자들보다 표를 더 많이 얻는 경향을 우려한다. 이런 구절이 있다. “산맥 하나하나의 구조를 알기 위해서는 퇴적층의 역사를 자세히 알아야 해요. 퇴적층의 역사를 자세히 알려면 층서학을 알아야 해요. 나는 층서학이 죽었다는 것을 최근에 알았어요. 많은 학교에서 이제 더는 층서학을 가르치지 않아요. 내가 보기에 이것은 알파벳도 모르면서 소설을 쓰는 거예요. 이제 지질학 논문들은 층서학에 대한 지식 없이 산맥의 구조들을 연구하는 해골들의 무덤이예요.”(549 페이지)
앞서 언급한 헬렌 고든의 책에는 층서학이 지루한 학문이라는 말이 나온다. 맥피는 가장 잘 확인된 경로에서조차 모든 것이 순조롭게 맞아떨어지는 것은 아니라고 말한다.(565 페이지) 클링커 이야기를 들어보자. 석탄 덩어리가 번개나 자연 발화에 의해 연소되면 그 위에 놓인 암석이 붉게 변하는데 그것을 클링커라 한다. 클링커가 있다는 것은 석탄이 있다는 의미다.(577 페이지) 참고거리다. 용암이 얕은 물과 만나 급히 식을 때 생성되는 것도 클링커라고 알고 있어도 좋다. 공통점은 거칠고 시커멓다는 점이다.
최근 한 지질 전문가가 탄성 반발에 대해 알아보라는 조언을 했다. 나는 이것을 별이 연료를 다 소진해 중력에 굴복해 수축하다가 더 이상 압축되지 않는 핵에 의해 튕겨져 나오는 현상(초신성)과 비교하고 싶다. 탄성 반발은 1906년 샌프란시스코 지진 후 H. F 라이드가 제안한 지진 발생 원리다. 지진 공백 구간(seismic gap)이란 말이 있다. 일본의 지진학자 이마무라 아키쓰네가 샌프란시스코 대지진이 일어난 1906년 만든 말이다.(833 페이지)
순조롭지 않은 이런 문장도 있다. “산을 이루고 있는 것은 그 산을 만든 것이 아니다. 화산은 예외로 하고. 산이 지구의 어떤 힘에 의해 솟아오를 때 그 산을 이루고 있는 것은 마침 우연히 그곳에 있는 것들이다. 만약 천매암 지대와 습곡된 변성퇴적암이 우연히 그곳에 있었다면 산의 일부가 될 것이다.”(626 페이지) 저반(底盤) 이야기도 나온다. 저반(batholith)은 지질학자들이 거대한 마그마가 만드는 화성을 가리키기 위해 고안해낸 용어다.(637 페이지) 표면의 넓이가 100제곱킬로미터 이상인 암체(巖體)를 저반이라 한다.([성경, 바위, 시간]에는 이상하게도 102제곱킬로미터 이상이라 나온다.)
이전 단편적으로 접한 오피올라이트에 대한 글도 있다. 오피올라이트는 대양의 암석권이 형성되는 과정을 자세히 설명할 뿐 아니라 다른 곳에서는 오래전에 사라진 판의 충돌에 대한 기록을 간직하고 있는 것처럼 보였다. 오피올라이트는 대륙이 해체되었다가 재건되는 동안 사라진 바다를 소환했고 사라진 판을 짐작하게 했다. 오늘날 대서양의 자리에 있던 대양 또는 대양들이 캄브리아기 - 데본기에 북쪽에서부터 사라지고 오늘날 우랄산맥 자리에 있던 바다가 페름기에 사라지면서 판게아가 완성되었다.(711 페이지) 오피올라이트는 격렬한 기원 논쟁의 대상이다.(719 페이지)
1971년 미국 지질자원연구소의 R. G 콜먼은 해양지각이 해구(海溝)로 밀려들어가거나 대륙 아래로 파고드는 곳에서 잘려나간 해양지각의 윗부분이 대륙의 가장자리에 올라온 것을 오피올라이트라 제안했다. 그는 이것을 압등(押登; obduction)이라 불렀다.(720 페이지) 반론도 있다. 1976년 존스 홉킨스대학교의 데이비드 엘리엇은 콜먼이 제안한 구조 변화가 너무 과격해 암석이 견디지 못할 것이라고 생각했다. 그는 오피올라이트가 산산조각이 나서 지상에 올라오지도 못할 것이라 판단했다.
오만의 무스카트는 감람암 절벽 위에 놓여 있다. 지구에서 유일하게 맨틀 암석으로 만들어진 수도다.(801 페이지) 무지진 이동(aseismic slip)이란 개념도 있다.(863 페이지) 느린 구조적 포행(匍行)을 말한다. 맥피와 동행한 엘드리지 무어스는 단층은 우물이 생기기 좋은 곳이란 말을 했다. 각력(角礫)질이고 구멍이 아주 많은 곳이다. 대수(帶水)층의 양쪽 끝이 잘리면 물이 단층으로 흘러들어온다. 이 사람은 판구조론, 오피올라이트 전문가였다.
지구 물리학자들은 시생대 초기에 우라늄, 칼륨, 토륨이 붕괴되면서 생산된 열량을 계산했다. 그들에 의하면 오늘날 지구가 만들어내는 것보다 서너 배 더 많은 열이 발생했을 것이다. 가장 오래된 암석들은 시생대 지각의 부스러기들이고 고립되어 있기 때문에 지구 전체의 맥락에서 고려할 수 없다. 지각을 구성하는 암석의 역사와 맨틀의 기원을 추적할 때 특별히 유용한 동위원소는 사마륨, 네오디뮴이다. 사마륨은 방사성 붕괴를 일으켜서 정해진 비율로 네오디뮴이 되기 때문에 두 원소는 루비듐과 스트론튬, 우라늄과 납처럼 정밀한 시계와 같은 역할을 한다.
사마륨, 네오디뮴 연대는 정확(accuracy)하긴 하지만 정밀(precision)하지는 않다. 정확성과 정밀성은 다르다. 처음에는 이 차이가 갈라진 머리카락 한 올보다 작아 보일 수도 있다. 이를테면 조지 워싱턴이 47세를 전후로 20년 사이에 마지막 지출 내역서를 제출했다고 말한다면 정확하긴 하지만 전혀 정밀하지 않다. 만약 산타클로스가 할로윈 새벽 12시 26분 9초에 굴뚝을 내려왔다고 말한다면 정밀하긴 하지만 정확성은 거의 없는 이야기일 것이다.
정밀하다는 것은 실험 기술이 좋다는 의미라고 말하는 사람도 있다. 아주 정밀하면서 전혀 정확하지 않을 수도 있다. 정확도(accuracy)는 측정값이 참값이나 허용된 값에 얼마나 가까운지를 의미하며, 정밀도(precision)는 반복된 측정값들이 서로 얼마나 가까운지(일관성)를 의미한다. 측정값은 정확하지 않으면서 정밀할 수 있고(일관되지만 틀림), 정밀하지 않으면서 정확할 수도 있다(평균적으로 맞지만 일관성 없음). 이상적인 것은 정확성의 범위를 좁히고 동시에 정밀한 것이다.

문학인이 쓴 지질 탐사기의 모범작 - [깊은 시간으로부터 - 발아래에 새겨진 수백만 년에 대하여]

벤투의스케치북 — Mon, 23 Feb 2026 20:45:00 +0900

깊은 시간으로부터 - 발아래에 새겨진 수백만 년에 대하여
헬렌 고든 지음, 김정은 옮김 / 까치 / 2023년 11월

작가 헬렌 고든의 책이다. 저자는 지나치게 많은 시간을 언어에 대해서 생각하며 보내는 사람들이 주로 모이는 문학 출판계에 종사하는 자신에게 지질학은 한눈에 봐도 매력적인 분야였다고 말한다. 책 제목인 [깊은 시간으로부터]란 말은 지질학자들의 시간에서 온 말이다. 이 말을 처음 쓴 사람은 작가 존 맥피다. 맥피는 지질학에는 정말로 인문학적인 면이 적지 않은 것 같았다고 말했다. 영국 국립 자연사 박물관의 한 보고서에 의하면 깊은 시간은 생명의 기원과 다양화를 온전히 이해하기 위한 토대이며 지질학, 물리학, 천체물리학을 이해하기 위한 결정적 개념이다. 저자에 의하면 깊은 시간이란 더 거대하고 더 이상한 규모의 시간을 의미한다. 인간의 시간이 초, 분, 시, 년으로 측정된다면 깊은 시간은 수만 년, 수백만 년, 수억 년의 시간을 다룬다.
저자는 깊은 시간 속에서 산다는 것은 조금 다른 곳을 장기적인 시각으로 보아야 한다는 것을 의미한다고 말한다. 깊은 시간 속에서는 지난주, 작년, 지난 10년 동안 일어난 일만이 아니라 100만 년 전, 5천만 년 전, 5억 년 전에 일어난 일도 중요하다. 우리가 바로 지금 이 특별한 순간에 특별한 장소에 있는 이유는 그런 오랜 시간에 걸쳐 일어난 사건들의 연속으로 설명된다고 말할 수 있다는 것이다. 저자는 당신이 만약 백악 위에 서 있다면 한때 바다였던 곳에서 있는 셈이라 말한다. 저자는 지질학 입문서들을 읽었고, 퇴적 학자 층서학자, 고생물학자들과 이야기를 나누었고, 발굴지와 노출된 절벽면을 조사하는 답사에 참여했고 주변과 발 아래에 있는 암석에 쓰여 있는 깊은 시간의 역사를 배웠다고 말한다. 그러니 [깊은 시간으로부터]는 배움과 대화, 탐사를 거쳐나온 책이다.
지질학자들은 암석층을 읽는 법을 배우고 그것을 통해서 과거의 이야기를 재구성하는 법을 익힌다. 각각의 층은 이전에 있었던 하나의 세계를 나타낸다. 그 세계는 수천 년 또는 수백만 년 동안 이어지다가 사라지고 그 위로 다른 암석층이 덮인다. 저자에 의하면 퇴적암은 암석의 작은 조각이나 생물의 잔해가 주로 물속에서 쌓이거나 바닷물의 증발과 같은 화학적 과정을 거쳐서 형성되는 암석이다. 17세기 덴마크의 의사 스테노는 새로운 퇴적물의 층이 점점 두껍게 쌓이려면 그것이 쌓일 수 있는 단단한 층이 이미 존재해야 한다는 사실을 간파했다. 더 오래된 퇴적암층일수록 더 새로운 층의 아래에 놓인다는 것이다.
고생물학자 스티븐 제이 굴드는 지질학이 인간 사고의 가장 독특하고 변혁적인 기여를 한다고 말했다. 본문에 흥미로운 내용이 있다. 지질학은 물리학에서 파생된 부정확한 학문에 불과하다고 간주되었다는 내용이다. 과학의 텃세 서열에 따르면 이론 물리학자는 실험물리학자를 무시하고, 실험물리학자는 지질학자를 무시하고, 지질학자는 지리학자를 무시한다. 하지만 지질학은 본질적으로 역사적 차원이 있다는 면에서 순수 물리학이나 화학, 생물학과 구분된다. 지질학적 기록은 필연적으로 복잡하고 불완전해서 그 기록을 해독하기 위해서는 인간의 역사에 적용되는 것과 비슷한 해석학적 추론이 필요하다.
지질학은 회색 자료를 해석할 재주가 필요한 학문이다. 불완전하거나 사라졌거나 단편적인 자료의 조각들을 맞춰서 한 편의 이야기를 자아내는 능력, 상상력을 발휘해서 반쯤 있는 그림을 완성하는 능력이 필요하다. 다른 누군가의 말처럼 지질학자는 기본적으로 셜록홈즈 같다. 깊은 시간에서는 모든 것이 일시적이다. 뼈는 바위가 되고, 모래는 산이 되고, 대양은 도시가 된다. 현재 우리는 간빙기에 살고 있고 그린란드의 빙상은 지표면의 상당 부분을 하얗게 덮고 있던 지난 빙기의 잔존물이다. 당시 북반구에는 두께가 킬로미터 단위에 달하는 빙하가 넓게 펼쳐져 있었다. 불과 1만 년 전까지만 해도 얼음으로 덮여 있던 캐나다, 스코틀랜드, 스칸디나비아를 포함한 대부분의 지역에서는 이제 얼음이 녹아서 사라졌지만 그린란드에는 아직 남아 있다.
얼음 코어는 과거의 대기와 직접 접촉할 수 있는 흔치 않은 기회를 제공한다. 공기, 물처럼 덧없어 보이는 것들이 그렇게 오랫동안 보존된다는 것이 어딘가 환상적이라고 저자는 말한다. 만일 그 얼음 코어가 녹으면 50만 년 전에 내린 눈이 녹은 물을 마실 수도 있고 그 얼음 속 기포에서 방금 방출된 50만 년 된 공기를 들이킬 수도 있다.
지질학자들에게 메카가 있다면 단연 시카 포인트일 것이다. 바위 투성이의 작은 곶인 시카 포인트는 에든버러에서 동쪽으로 63km쯤 떨어진 스코틀랜드 동부 해안을 따라 넓게 자리 잡은 베릭셔 카운티의 한 절벽 아래에 있다. 1788년 제임스 허턴이 밝힌 부정합과 관련된 곳이다. 허턴은 지구의 계속적인 형성에 대한 설명은 없고 파괴에 대한 설명만 있는 과학적 통설을 접했다. 창조가 단 한 번 뿐이라는 성경의 가르침도 접했다. 만일 성경이 옳다면 모든 산은 닳아 없어져야 하고 결국에는 땅도 모두 사라져야 맞다. 그러나 허턴은 회복 과정이 있음을 확신하기 시작했다. 허턴은 도대체 어떤 힘이 풍화된 자갈과 모래알갱이들을 새로운 바위로 변모시킬 수 있었을까? 물속에서 형성된 그 암석들은 어떻게 솟아올라서 새로운 땅이 될 수 있었을까? 궁리했다.
허턴은 열(熱)에서 답을 찾았다. 허턴은 침식과 퇴적 과정이 매우 느린 과정이라는 사실을 알아냈다. 제임스 허턴은 인간의 사고를 얕은 시간의 세계에서 깊은 시간의 세계로 넘어가도록 도왔다. 그의 연구는 태양계의 중심에 지구가 아니라 태양이 있다고 주장한 니콜라우스 코페르니쿠스, 갈릴레오 갈릴레이, 요하네스 케플러의 연구 만큼이나 근본적이고 중대했다. 그러나 그의 위대한 학설은 그의 생전에는 전혀 널리 읽히지도 않았고 이해되지도 않았다. 그 이유는 그의 난해하고 산만한 문체 탓으로 여겨지기도 한다. 누구보다도 더 허턴을 열렬히 추종하는 플레이페어조차 허턴의 글의 장황함과 모호함을 못내 안타까워했다.
현재 지구에 작동하는 과정들이 지구의 역사를 설명할 수 있다는 허턴의 생각은 라이엘을 통해서 동일과정설이라고 알려지게 되었고 지질학도들 사이에서는 현재는 과거의 열쇠라는 말로 요약되어 대대로 전해져왔다. 현재 동일과정설과 격변설 모두 어느 정도 옳은 것으로 밝혀졌다. 오늘날 대부분의 지질학자들은 두 학설을 결합하여 깊은 시간의 세계를 보여주는 그림을 내놓는다. 그 그림에서는 천천히 꾸준하게 일어나는 연속적인 변화 과정 속에 한 지역이나 지구 전체의 재앙을 일으키는 대이변들이 간간이 한 번씩 끼어든다.
저자는 우리의 손바닥 아래에는 약 3천만 년의 시간이 사라져 있었다고 말한다. 실루리아기에서 데본기로 세상이 바뀌던 그 시기에는 어떤 바위도 놓이지 않았을 것이다. 아니면 그곳에 놓여 있던 바위가 풍화되어 사라졌을지도 모른다. 깊은 시간이라는 장부에는 보존되어 있는 것보다 소실된 것이 더 많다. 저자는 흥미로운 이야기를 한다. 다이아몬드 업계에 4C가 것이 있다면 운석 경매인에게는 4S가 있다는 것이다. 4C는 cut(연마), color(색깔), clarity(투명도), carat(중량)이다. 4S는 size(크기), shape(형태), science(과학), story(이야기)다. 저자는 암석은 시간이 만든 기록이라 말한다. 연대를 결정하기 위해서 방사성 붕괴를 활용할 수는 있지만 시간의 경과를 보여주는 유형의 증거는 암석뿐이라는 말을 인용한다.
저자는 암석 1cm는 1, 000년의 시간을 나타낸다고 말한다. 암석은 지구의 역사책이다. 하지만 그 책은 많은 페이지들이 사라지고, 훼손되고, 뒤집히고 순서가 바뀌어 있다. 만약 그 책을 읽는 법을 배울 수 있다면 다시 말해 암석 유형의 변화를 고대의 기후 사건과 연결할 수 있다면 지구의 역사를 재구성하여 궁극적으로 지질 연대표를 만들 수 있을 것이다. 지질 시대의 단위는 지구 전체에서 동시에 일어난 사건을 토대로 구분된다. 그런 사건들은 세상의 변화를 일으키고 암석과 얼음에 기록을 남긴다. 플라이스토세와 홀로세가 나뉘던 시기에 일어난 지구 온난화 사건은 그린란드의 얼음 코어 속에, 공기 조성에 갑작스러운 변화로 기록되어 있다.
페름기와 트라이아스기가 나뉘던 시기는 기온이 상승하고 정체된 대양이 산성화되고 재앙 수준의 화산활동이 일어난 시기였다. 이 시기에 이르러 대멸종 사건으로 인해서 해양에서는 10종 중 무려 9종의 생물이 멸종했고, 육상에서는 10종 중 7종이 사라졌다. 지구상에서 생명이 종말을 맞을 뻔 했다. 이 사건은 탄소 동위원소 비율의 변화, 화산재층, 화석 기록의 급격한 감소를 통해서 입증된다. 각각의 단위에는 고유 색깔이 있다. 지질 연대표의 맨 아래에서 오른쪽에 있는 명왕누대는 지구 표면이 액체 상태의 암석으로 덮여있던 신비스러운 시대로 색깔은 청보라색이 도는 붉은색이다. 이 표의 초기 부분, 생명이 주로 대양에 존재하던 시절인 캄브리아기, 오르도비스기, 실루리아기는 회녹색과 연한 청록색 계열이다. 현재 우리가 살고 있는 홀로세를 위해서 지질학자들이 고른 색은 별 특색 없는 분홍색과 갈색이 도는 베이지색이다.
지질 연대표의 맨 꼭대기에는 떨어진 반창고의 색깔, 칼라민 로션의 색깔, 씹다 뱉은 풍선껌의 색깔이 반듯하게 놓여 있다. 플라톤, 아리스토텔레스, 마리 퀴리, 아인슈타인, 모차르트, 버지니아 울프, 코페르니쿠스, 붓다가 모두 거기에 있다. 그리고 그 얇은 띠 아래에 있는 다른 모든 세계는 우리가 결코 직접 겪을 수 없고 오로지 흔적을 통해서만 단편적으로 경험할 수 있다. 그 세계는 우리가 나타나기 전에 있었던 사라진 세계들이다.
판구조론이 확립되자 지질학은 꽤 그럴듯한 과학이 되었다. 당시까지 지질학은 관찰 위주였고 본질적으로 별개로 보이는 사실들을 수집하는 활동이었다. 판구조론은 지질학의 거대 이론이 되었다. 생물학의 다윈주의, 물리학의 양자역학과 마찬가지였다. 오늘날 지구에 대한 우리의 이해는 판구조론의 발판 위에 확립되었다. 판구조론에 따르면 지구의 표면에는 맨틀의 최상부와 지각으로 이루어진 두께 125km의 거대한 판들이 모자이크처럼 맞물려서 움직이고 있다. 이 판들은 약 7개의 큰 판과 약 8개의 더 작은 판으로 구성된다. 판들은 마치 컨베이어 벨트 위에 있는 것처럼 뜨겁고 무른 암석 위를 미끄러지듯이 움직여서 지구 전체를 돌아다니고 그 위에 얹힌 대륙과 해양도 함께 운반한다. 판의 경계가 만나는 곳에서는 두 판이 서로 벌어지기도 하고 한판이 다른 판 아래로 파고들기도 하고 슬로 모션으로 일어나는 자동차 사고처럼 두 판이 충돌하기도 한다.
판이 부딪히면 땅이 구겨진 보닛처럼 휘어지면서 높고 낮은 산맥이 만들어진다. 때로는 한 판이 다른 판의 아래를 파고들어 빨갛고 뜨거운 맨틀로 내려가고 맨 틀에서는 암석이 녹아서 재활용된다. 판과 판 사이의 이런 상호작용은 땅의 형태에서부터 시간의 흐름에 따라 땅이 변하는 방식, 화산이 폭발하고 지진이 일어나는 이유, 지구상의 동식물 분포에 이르기까지 우리 세계가 왜 이런지를 설명해준다. 많은 판의 경계는 물속에 있고 지표면에서 뚜렷한 흔적을 볼 수 있는 장소는 매우 드물다. 그런 장소 중 한 곳이 북아메리카판과 태평양판이 만나는 샌앤드레이어스 단층이다. 밤낮 없이, 천천히 깊은 시간에 걸쳐서 일어나는 판의 움직임은 단층을 통해서 슬며시 그 모습을 드러낸다.
단층은 땅속 깊은 곳에 있는 암석에 응력과 변형이 축적될 때 만들어진다. 암석은 움직이는 판으로부터 엄청난 압력을 받아 휘어지기 시작하다가 어느 날 단층 파열이 일어나면 격렬하게 부서진다. 우리는 이것을 지진이라고 부른다. 샌앤드레이어스 단층에 항상 지진의 위험이 도사리고 있다는 점은 이 특별한 판의 경계 근처에서 살아가면서 감수해야 하는 결과 중 하나다. GPS 덕분에 우리는 이제 판의 경계에서뿐 아니라 판의 내부에서도 암석의 변형이 실제로 일어난다는 사실을 안다. 일부 과학자들은 판의 충돌로 인해 암석들이 부서지면서 방출된 중요한 영양소들이 캄브리아기 대폭발 같은 생물 진화의 주요 순간에 결정적인 역할을 했을 것이라고 추측했다.
약 5억 4천만 년 전 캄브리아기 대폭발이 일어났을 때에는 오늘날과 같은 생명체의 조상들이 처음으로 등장했다. 세인트루이스 대학교의 오브리 저클은 생명을 유지하기 위해서는 판 구조가 필요하다는 점이 더 분명해지고 있다고 말했다. 만약 맨틀과 지각 사이에서 물질을 재활용할 방법이 없다면 탄소, 질소, 인, 산소처럼 생명의 중요한 원소들이 암석에 갇힌 채로 그대로 있었을 것이다. 그리고 결정적으로 판구조라는 컨베이어 벨트는 탄소를 많이 포함한 암석을 맨틀 속으로 끌어당겨 녹임으로써 해로운 이산화탄소가 대기 중에 쌓이는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 판 구조의 도움으로 우리가 숨을 쉬는 셈이다.(111 페이지)
1800년대 초 윌리엄 스미스는 최초의 지질도를 만들었다. 암석의 연대와 쌓인 방식 등을 기록했다.(135 페이지) 스미스의 지도는 산업혁명 동안 영국의 과학과 경제 발전에 도움을 주었다. 그 지도는 공장의 동력이 될 석탄을 어디에서 찾을 수 있는지, 암석과 점토를 어디에서 캐낼 수 있는지를 알려주었다. 또한 납과 주석, 구리 광산이 있을 만한 곳, 수로와 철도를 가장 쉽게 놓을 수 있는 자리는 어디인지도 나와 있었다. 사암, 석회암 등은 연암(軟巖)이고 화강암, 현무암 등은 경암(硬巖)이다. 방해석은 변성암인 대리암 만큼 단단하지만 연암 지질학에 속한다. 오늘날 백악(白堊)이 발견되는 지역의 물에는 코콜리스(cocolith)라고 하는 '현미경으로만 볼 수 있는 크기의 유기체 잔해'가 가득하다.
백악은 영국 남부 해안에서 영국 해협 아래로 내려갔다가 또다른 해안 절벽으로 다시 나타난다. 프랑스인들은 코트달바르트(설화석고 해안)라고 하고 영국인들은 별로 입에 올리지 않는 이 하얀 절벽은 모네, 피카소, 르누아르의 그림 속에 많이 남아 있다.(142 페이지) 본문에 나오는 여러 암석 가운데 백악과 플린트에 대해 더 알고 싶다. 캄피 플레그레이(Campi Flegrei)는 불타는 들판이란 의미의 말로 칼데라를 지칭한다. 화산이 분화한 뒤 분화구가 무너져 내리면서 만들어진 거대 그릇 형태의 지형이다. 복합 화산이 분출이 일어나는 위치가 화산 꼭대기인지 옆면인지를 알 수 있다면 칼데라에서는 대단히 다양한 위치에서 분출이 일어날 수 있다.(156 페이지)
화산이란 지표면 아래의 끊임없는 교란이 격렬한 방식으로 지표에 표출되는 것이다. 이런 판구조의 움직임이 캄피 플레그레이를 만들었다. 깊은 시간의 판구조 운동 과정이 인간의 시간 속에서 폭발하고 있는 것이다.(157 페이지) 화산 연구는 크게 두 가지 범주로 나뉜다. 하나는 오늘날 지표면에서 활동하고 분출하는 현대의 화산을 연구하는 것이다. 이 화산들은 관찰과 측정이 가능하다. 다른 하나는 과거의 깊은 시간 동안 지구의 어디에서 어떻게 화산이 폭발했는지 알기 위해서 암석 기록을 조사하는 것이다. 1980년대에 들어서면서 화산학 더 일반적으로는 지질학에 변화가 일어났다. 거의 순수하게 관찰 위주의 과학이었던 지질학은 그 무렵 수학적 규칙을 찾고 모형을 만드는 더 정량적인 학문으로 바뀌어가고 있었다.
분출은 지구의 지각이 늘어나고 파열될 때 일어난다. 마그마는 지표 쪽으로 이동하고 마그마가 들어갈 공간이 생기려면 지각은 팽창해야 한다. 고무줄을 상상해보자. 고무줄은 어느 정도까지는 잡아당길 수 있지만 어떤 한도를 넘으면 끊어진다. 지각에서도 비슷한 일이 일어난다. 지각이 끊어지면 분출이 발생할 것이다.(168 페이지) 화산재는 보기에는 밀가루 같지만 기본적으로 암석이기 때문에 잘 털어지지 않는다. 게다가 기계나 전기 장치 속으로도 들어가고 화산재가 많을 때에는 마스크를 쓰지 않으면 숨도 쉴 수 없다. 용암은 일반적으로 느리게 움직인다. 물론 예외는 있다. 따라서 우리는 뛰어서 도망갈 수 있고 심지어 걸어서도 용암을 피할 수 있다.
아이슬란드에서는 지역사회의 노력으로 용암류가 마을과 항구를 피해서 흐르도록 유도할 수 있었다. 반면 화산쇄설류가 특정 방향으로 흐르도록 유도할 수 있는 사람은 없다. 화산쇄설류는 섭씨 200~700도의 뜨거운 기체와 암석 입자가 시속 96km에 달하는 속도로 움직이는 그야말로 매우 위험한 흐름이다. 이보다 암석이 조금 더 적고 기체가 조금 더 많으면 화쇄난류라고 부른다. 무르고 짙은 색을 띠는 라임 레지스의 절벽은 쥐라기에 형성된 블루 리아스라는 지층의 일부이다. 연한 회색의 갈비뼈 같은 석회암층과 두툼한 청회색 셰일 덩어리가 번갈아가며 쌓여 있는 절벽은 조악한 화질의 초음파 영상처럼 보였다. 서로 다른 두 층이 쌓였다는 것은 이 쥐라기의 바다가 탁한 진흙탕(셰일층)에서 맑고 따뜻한 얕은 바다(석회암층)로 바뀌었음을 보여준다.
생물체가 죽으면 그 몸은 해체되고 다른 생명체나 부패 과정에 의해 분해된다. 그러나 아주 드물게는 화석화가 일어나고 몸의 일부분인 껍데기나 뼈 같은 단단한 부위가 광물로 치환된다.유기물은 무기물로 바뀌고 뼈는 암석이 된다. 극히 일부의 생명체만이 화석이 된다. 그 확률은 엄청나게 희박하다. 한 종이 대략 200-500만 년 동안 지속된다고 가정하면 현생누대 5억 년간 나타났다가 사라진 후생동물은 약 10억 종에 달한다. 그 중에서 기재되고 명명된 것은 30만 종에 불과하다. 1000분의 1이 안 되는 것이다. 대부분의 동물은 몸이 연해서 화석화될 가능성이 낮고 어떤 동물은 단순히 수 자체가 적었다. 육상의 고지대에서는 침식이 잘 일어나기 때문에 한때 그곳에 살았던 동식물의 흔적이 잘 남지 않는다.
심해저에 기록된 것은 섭입에 의해서 지워진다. 하나의 생물이 화석이 되고 그 화석이 인간의 눈에 띄기 위해서는 통계적으로 있음직하지 않은 사건들이 연달아 일어나야 한다. 우선 몸이 온전한 상태로 죽어야 한다. 유난히 강한 폭풍처럼 특별한 사건이 일어나서 충분히 두꺼운 퇴적층에 그 온전한 몸이 빨리 덮여야 하고 그 퇴적층이 암석이 되어야 한다. 그렇게 만들어진 퇴적암에 지하 깊은 곳의 열과 압력이 가해져서 심한 변형이 일어나서도 안 된다. 그런 다음 지표로 올라와서 그 생물이 죽고 수백만 년쯤 흐른 뒤에 다시 빛을 보아야 한다. 이 마지막 단계는 화석 채집가들이 자주 출몰할 가능성이 있는 곳에서 일어나야 하고 깊은 시간에서 인간이 차지하는 좁디좁은 구간 동안에 벌어져야 한다.(194, 195 페이지) 화석은 깊은 시간 속에 살았던 과거의 생물에 대한 가장 직접적인 증거, 과거의 정경을 가장 잘 떠오르게 하는 증거이다.
과거의 풍경을 암석을 통해서 추론해야 하는 곳에서 화석은 즉각적으로 만지고 조사하고 경험할 수 있는 실체이다. 저자는 화석 기록이 예전에 우리 행성에 살았던 생물의 세세한 모습을 극히 일부만 보여주듯이 역사적 기록도 극히 불완전하다고 말한다.(200 페이지) 캄브리아기 대폭발을 공부하던 한 연구자는 "나는 데본기를 보면서 이 시기에 식물에서 또 다른 대폭발이 진행되고 있었다는 것을 깨달았다. 그리고 그 세상이 어떤 모습이었는지에 대해서 우리에게 아무런 개념도 없다는 것도 깨달았다. 그 시기에 세상은 매우 단순한 식물이 있던 곳에서 거대한 숲이 있는 곳으로 바뀌고 있었다."고 말했다.
지구 역사에서 데본기는 이 세상이 처음으로 오늘날 우리가 사는 세계와 비슷한 모습으로 보이기 시작한 시기다. 이 시기에는 처음에는 식물이, 그다음에는 동물이 물에서 뭍으로 대규모 이동을 하기 시작했다. 그때까지 헐벗은 채였던 바위에는 초록이 드넓게 덧입혀졌고 오래전에 사라진 늪과 해안의 부드러운 진흙에는 최초의 발자국들이 찍혔다. 공룡 뼈와 달리 식물 화석은 3차원적으로 보존되는 경우가 드물다. 대개 탄소로 이루어진 섬세한 검은색 선으로 된 식물 화석은 암석 속에 납작하게 눌려 있어서 암석에서 분리하기가 불가능하다.
공룡 멸망에 대한 가설 중 공룡이 운석 충돌 이전부터 쇠퇴하고 있었다는 내용도 있다. 과학자들의 지적에 따르면 백악기 말에 해수면의 높이가 낮아지면서 생긴 서식지의 변화 때문에 공룡 집단 사이에 다양성이 부족해졌을 가능성이 있다. 동물 집단은 다양성이 낮을수록 열정이 더 취약해진다.(241, 242 페이지) 대리암 석판과 기둥을 통해서 우리는 수만 년의 시간 여행을 할 수 있다. 밝은 색의 광맥은 원래는 석회암이었던 암석의 틈새로 특이한 광물을 잔뜩 머금은 뜨거운 열수가 스며든 자리이다. 대리암의 기질 속에 들어 있는 각양각색의 결정들은 그 암석의 어두운 지하의 열과 압력 속에서 서서히 형성되고 변성되면서 수천 년을 보냈다는 증거이다. 암석에 새겨진 깊은 시간 내 친필 서명인 셈이다.(270 페이지)
존 에릭 로빈슨(John Eric Robinson; 1929- 2025)는 도시지질학(Urban Geology)의 개척자이다. 화성암인 화강암의 조리에 들어가는 기본 재료는 장석, 석영, 운모이다. 런던의 도로 연석(緣石)은 대부분 화강암으로 만들어진다. 그러나 장식용으로 쓰기 위해 광을 내면 화강암은 갖가지 색을 띤다. 워털루 옆 바닥의 콘월(Cornwall) 화강암은 오트밀 색이, 블랙 프라이어스 다리 북단에 있는 빅토리아 여왕의 동상 좌대를 이루는 에버딘셔의 피터헤드(Peterhead) 화강암은 1970년대 요리 책에 실린 아스픽처럼 짙은 빨간색과 연어 색이 돈다.
캄피 플레이그레이 칼데라를 만든 화산분출 사건인 캄파니아절 응회암 대분출로 인해서 세계 어디에서도 볼 수 없는 이 지역 고유의 암석인 피페르노가 만들어졌다. 밝은 회색의 화산재가 압축되어 형성된 피페르노 속에는 스코리아(화산에서 튀어나온 현무암질 용암) 또는 피아메라고 알려진 검고 납작한 조각들이 섞여 있다. 단단하고 무거운 피페르노는 가끔은 건물의 외장재로 쓰여서 나폴리의 제수누오보 성당의 으스스하고 요새 같은 분위기를 연출하기도 하지만 대개는 웅장한 정문이나 장식용으로 이용된다. 이 돌은 때로 어떤 방향으로 잘렸는지에 따라서 작고 검은 불꽃들처럼 건물 표면에서 깜빡이는 것처럼 보이기도 한다.
유기체에 의한 지층의 교란을 의미하는 생물 교란(bioturbation)이라는 말은 흥미롭다. 생물이라는 단어와 섭동(攝動)의 영어 표현인 퍼터베이션(perturbation)을 통합한 단어로 보인다. 저자는 인류세 개념은 인간을 다시 세상의 중심에 가져다 놓는 것이라 말한다. 수백 년 동안 우리의 자리라고 믿은 바로 그 자리로 말이다. 그리고 그 대가가 비록 환경 재앙이라고 해도 우리는 어느 정도는 그런 생각에 끌릴 수밖에 없다는 것이다.(297 페이지) 그러나 나는 중심이 뭐 그렇게 대단한가? 묻고 싶다. 더욱 부정적인 중심임에랴.
본문에 나오는 생명의 대폭발로 유명한 캄브리아기는 생명이 보이는 시기를 의미하는 현생누대(顯生累代)의 첫 시기다. 물론 이는 화석이 남았기에 가능한 것이었다. 저자는 영국을 남동에서 북서로 잇는 즉 이스트앵글리아에서 하일랜드 서부로 이어지는 대각선을 따라서 이동한다면 쌓인 지 얼마 안 되는 이스트앵글리아의 제4기 퇴적층에서부터 시간을 거슬러 올라가기 시작해서 런던 분지의 고제3기 점토, 노스다운스의 백악기 상부 백악, 코츠월드의 쥐라기 어란석, 페나인 산맥을 둘러싸고 있는 트라이아스기의 사암, 레이크 지방의 오르도비스기와 실루리아기 암석들, 그램피언스 산맥의 캄브리아기 노두를 거쳐서 하일랜드 북서부와 헤브리디스 제도에 있는 가장 오래된 암석들에 이른다고 말한다.(327 페이지)
[깊은 시간으로부터]는 문학인인 저자가 여러 “대단히 박식하고 너그러운” 전문가들이 시간을 내어 유익한 안내를 해주어서 나온 책이지만 지질학 비전공자가 쓴 책임을 감안하면 놀랍다. 다만 마지막 문장에 언급한 영국을 남동에서 북서로 잇는 대각선 경로에 대해 더 상세하게 풀어주었다면 더 좋았을 것이란 생각이 든다.

무질서와 질서, 무질서한 유리, 아인슈타인과 도장공, 물의 삼중점, 출발은 알지만 종말은 모르는 아이디어 - [무질서와 질서 사이에서 - 한 복잡계 물리학자의 이야기]

벤투의스케치북 — Thu, 19 Feb 2026 22:24:00 +0900

무질서와 질서 사이에서 - 한 복잡계 물리학자의 이야기
조르조 파리시 지음, 김현주 옮김, 김범준 감수 / 사이언스북스 / 2023년 11월

이론 물리학자 조르주 파리시의 책이다. 저자는 2021년 노벨 물리학상 수상자다.(마나베 슈쿠로, 클라우스 하셀만과 공동 수상이다.) 1948년생이니 68세대라 할 수 있다. 책 제목은 ‘질서와 무질서 사이에서‘다. 부제는 ’한 복잡계 물리학자의 이야기‘다. 저자는 지금껏 아무도 답을 찾지 못했다는 사실이 두려움을 주지는 않으며 결국 이전에 아무도 하지 않은 과업을 상상하거나 해결하려 직접 뛰어드는 것이 우리 일이 될 것이라 말한다. 물론 잠긴 문을 여느라 평생을 보낼 수는 없다. 저자의 연구는 다수의 행위자가 상호 작용하는 계의 특성을 파악하는 것이다. 때로 그 대상은 전자, 원자, 스핀, 분자가 될 수 있다.
많아지면 달라진다(more is different)란 말이 있다. 관건은 미시적 규칙과 거시적 행동 사이의 관계를 파악하는 것이다. 저자는 찌르레기들이 멀리서도 잘 보이는 저녁 시간에 공중 군무를 추는 것은 밤을 보낼 적당한 잠자리가 있다는 그들만의 신호일 가능성이 매우 크다고 말한다. 찌르레기들은 겨울을 날 장소에 11월 초에 도착해 이듬해 3월 초에 떠난다.(16 페이지) 찌르레기의 행동에 관한 연구는 분명 생물학자의 영역이지만 개체의 3차원 움직임을 정량적으로 연구하는 것은 물리학자들만 할 수 있는 분석을 필요로 한다. 놀라운 점은 새 떼 가장자리의 밀도가 중심부보다 30 퍼센트 이상 높다는 사실이다. 고립을 피하기 위한 조치일 수 있다. 그래야 사냥당할 위험이 작아진다. 중심의 새들은 가장자리의 새들로부터 이미 보호를 받고 있기에 굳이 가까이 있을 필요가 없다.
저자는 시(詩)에서도 그렇지만 과학에서도 마찬가지로 완성된 결과물에는 창작 과정에서의 노고와 의혹, 망설임은 흔적도 남지 않는다고 말한다. 저자는 가장 가까이 있는 새들 간의 간격은 무리에 따라 매우 다를 수 있다고 말한다. 생물학은 현재 대변혁의 시기를 맞고 있다. 데이터의 양이 계속 증가함에 따라 정량적 방법의 사용이 가능해졌을 뿐만 아니라 꼭 필요한 요소가 되었다. 이러한 방법은 의도적이든 의도적이지 않든 사용될 수 있으며 어떤 내용인지에 따라 상당히 다른 방법이 이용된다. 특히 동물행동학에서 동물의 행태를 연구할 때 수학의 비중이 과도하게 높으면 부정적인 반응이 일어나기 쉽다. 실제로 동물행동학자들은 어떤 행태의 원인을 찾을 때 정량적 방식을 활용하기도 하지만 그것은 여러 설명 중 하나일 뿐 동물행동 연구의 핵심을 건드리지는 못한다고 생각할지도 모른다. 그러나 수많은 과학 분야의 기본 정신이 세월이 흐르면서 변화했다. 이러한 변화는 어떤 방법론이 과학적이고 중요하며 어떤 방법론이 실제 질문에 답할 수 없으므로 거부되어야 하는지에 대한 열띤 토론에서 발생한다.
관련해서 양자역학의 창시자 막스 플랑크의 냉소적인 발언을 곱씹어볼 만하다. 그는 과학에서 새로운 진실은 반대 자들을 설득하고 계몽해 승리하는 것이 아니라 결국 그들이 죽고 새로운 개념에 친숙해지는 신세대가 형성되면서 승리하는 것이라고 말했다. 저자는 자신은 플랑크보다는 낙관적이라 말한다. 선의가 있고 인내심만 있다면 대부분 공통된 결론에 도달하거나 적어도 일치하지 않는 지점을 밝힐 수는 있다고 생각한다. 저자는 자신이 어린 학생이던 시절 이론물리학은 논 풀루스 울트라(무상의 존재)로 여겨졌다고 말한다. 저자는 우리는 이제 모두 쿼크가 존재한다는 사실을 안다고 말한다. 쿼크는 접착제 역할을 하는 글루온을 통해 결합되어 있고 양성자와 중성자의 구성 요소이며 쿼크의 특성을 계산하는 양자 색역학이란 이론도 있다.
저자는 아이디어는 가끔은 부메랑 같아서 처음에는 한 방향으로 시작했지만 나중에는 다른 곳으로 향할 때가 많다고 말한다. 흥미롭고 비범한 결과를 얻으려면 전혀 예상하지 못한 영역에서 응용될 수 있다. 상태를 변화시키기 위해 우리가 계에 공급해야 하는 열의 양을 잠열(潛熱)이라 한다. 실온에서 자기(磁氣)를 띠는 계인 자석은 온도가 증가하면 자성을 잃는다. 전문적으로 표현하면 자석이 강자성(强磁性)에서 상자성(常磁性)으로 전이되는 것이다. 강자성은 외부 자기장이 없는 상태에서도 물질이 자기를 띠는 것을 말하고 상자성은 외부 자기장이 있을 때에는 자기를 띠지만 없을 때에는 자기를 잃는 물질의 성질이다. 거시적 자기장은 계의 입자 하나 하나에 존재하는 스핀이라는 수많은 자기장이 종합되어 나온 것이다. 자석 내 스핀들 사이에 존재하는 상호 작용으로 인해 스핀들이 동일한 방향을 향하게 된다. 작은 화살표들은 수가 아무리 많아도 일제히 같은 방향을 향한다. 자성체에서도 온도 상승으로 상전이가 일어난다. 실제로 자석에 공급되는 열이 스핀의 운동을 증가시키고 그에 따라 스핀이 방향을 바꿀 수 있게 된다. 이때 스핀들은 무질서해지고 정렬 상태를 잃는 성향을 보인다. 거시적 자기장을 생성하는 스핀의 정렬 상태는 온도 상승으로 계속 혼란스러워지다가 결국 완전히 무질서해진다.
보통 물리계는 하나의 상태에만 놓인다. 예를 들어 특정 온도와 압력에서 물은 액체이거나 고체 혹은 기체다. 특별한 경우에는 계가 두 가지 상태 또는 상에 놓일 수 있다. 섭씨 백도에서 물은 액체상과 기체상에 동시에 놓일 수 있다. 또한 물이 동시에 고체, 액체, 기체 상태의 압력과 온도 값도 하나 존재한다. 그 유명한 물의 3중점(triple point)으로 괜히 유명한 게 아니다. 일반적으로 계는 하나의 상에 놓인다. 반면 낮은 온도의 무질서계는 동시에 매우 다양한 상에 놓일 수 있다. 이것이 바로 질서 맺음 변수가 함수가 된다는 즉 무한한 값의 집합이 된다는 뜻이다. 이를 파악한 것은 물리학에서 진정한 일보 전진이었다.
합성 모형의 구축과 그 해 덕분에 우리는 존재하는지조차 몰랐던 현상을 알아낼 수 있었다. 우리는 무질서의 세계로 향하는 문을 활짝 열었다. 물리학적 해석에서 시작해 수학으로 해석하는 데 성공한 것이다. 이렇게 수학으로 증명하기까지 20년 넘는 세월이 흘렀고 프란체스코 게라를 비롯한 협력자들의 연구가 문제의 열쇠를 찾는 핵심이 되었다. 증명에 사용된 문구가 단순하다는 점이 정말 놀라웠는데 돌이켜보면 모든 길이 명확했던 것 같다. 스핀 유리와 마찬가지로 실제 유리도 무질서계다. 무질서한 이유는 유리가 규소만으로 만들어진 것이 아니라 다양한 크기와 유형을 지닌 수많은 분자로 이루어진 불순물을 포함하고 있기 때문이다. 결정이 되려면 규칙적인 구조가 필요하므로 불순물을 많이 함유한 유리는 결정이 아니다. 앞에서 본 것처럼 스핀 유리라고 하는 금속 합금의 무질서는 합금 내부에 있는 철 원자들의 배치가 무작위적이기 때문이다. 금속이 액체 상태일 때 철 원자들은 합금속에서 자유롭게 이동할 수 있지만 냉각될수록 점점 움직일 수 없게 되고 임의의 위치에 갇히게 된다.
우리가 실제 과정을 구체적으로 파악해보려 노력중인 지금으로서는 이 전부가 지독하게 복잡하게 보인다. 하지만 언젠가 연구가 끝나면 간단한 것으로 밝혀질 수 있다. 책으로 물리학 이론이나 수학 정리를 공부할 때에는 모든 것이 명확해 보인다. 결과를 얻기 위해 필요했던 복잡한 작업과 고군분투는 깨끗이 생략되고 결과만 보여주기 때문이다. 우리가 해결해야 또 다른 흥미로운 문제는 스핀 유리 모형 같은 도식적 모형을 더 현실적인 모형으로 전환하는 것이다. 예컨대 스핀 사이에 작용하는 힘을 스핀 사이의 거리를 염두에 두며 최대한 상세하게 설명하는 모형을 만드는 것이다. 상전이는 분명한 공간적 위치가 주어진 많은 구성요소 사이의 상호작용을 통해 일어난다. 이전에 논의된 간략화한 모형에서는 고려되지 않는 내용이다.
유리나 왁스와 같은 무질서계의 경우 평형 상태에 도달하기까지 소요되는 시간이 대체로 아주 길다. 수년 혹은 수세기가 걸릴 수도 있다. 평형 상태에 도달하는 시간이 아주 긴 것은 강도를 높이기 위해 산업기술이 사용된 우리 집 창문 유리도 마찬가지다. 실제 세상은 무질서하고 현실에서 일어나는 많은 현상들은 서로 상호작용하는 수많은 구성요소를 통해 설명할 수 있다. 구성요소 사이의 상호작용은 간단한 규칙의 형태로 표시할 수 있지만 상호작용을 통해 만들어지는 전체가 보여주는 집단행동의 결과는 정말 예측하기 어렵다. 기본적 행위자는 스핀이나 원자, 분자, 신경세포, 일반 세포이지만 웹사이트나 주식 중개인, 주식과 채권, 사람, 동물, 생태계 구성요소 등도 포함된다.
모든 기본적 행위자 간의 상호작용에서 무질서계가 만들어지는 것은 아니다. 무질서는 어떤 기본적 행위자가 다른 행위자들과 다른 방식으로 행동한다는 사실에서 온다. 역방향으로 정렬하는 스핀도 있고 대다수의 원자와 다르게 움직이는 원자도 있으며 다른 사람이 사는 주식을 파는 금융투자자도 있고 저녁 식사에 초대받았지만 누군가 다른 손님에게 반감을 품고 멀리 떨어져 있고 싶어 하는 사람이 있을 수도 있다. 자연을 조사하는 아주 강력한 수단 즉 현상을 단순화하는 방법을 처음으로 찾은 사람은 갈릴레오 갈릴레이였다. 그는 마찰을 완전히 무시하는 이론을 세웠는데 마찰이 없는 세상에서 우리는 걸을 수도 먹을 수도 없다. 현대 물리학을 열어젖힌 갈릴레오의 세상은 현실 세계와는 완전히 다르다. 이후 수 세기가 지나면서 현실을 더욱 충실하게 설명하기 위해 다른 요소들이 추가되었고 지금은 현실과 매우 근접한 수준에 이르렀다.
인간은 물리 현상을 본질적인 것으로 전환시키는 능력에서 출발해 지난 수세기 동안 물리학을 발전시켰다. 이제 물리학은 갈릴레오가 제외할 수밖에 없었던 복잡성과 무질서를 다시 모형에 도입할 수 있을 정도로 강력하고 풍요로워졌다. 예술이나 다른 많은 인간 활동과 마찬가지로 과학에서도 처음에는 직관으로 시작하고 확실성은 나중에 얻게 된다. 직관은 상당히 중요하다. 우리가 사용하는 직관이라는 도구는 형식 논리보다 훨씬 뛰어나고 과학적 진보의 기초가 된 직관적 추론을 조사하는 일은 정말 흥미롭다. 동일한 역사적 시기에 서로 다른 학문 사이에서 이미지나 개념을 전달하는 데 결정적인 역할을 하는 은유가 그러하다.
통계학(statistics)은 국가(state)의 상태를 파악하기 위해 시작된 과학이다. 19세기의 여러 경제학자와 사회학자 특히 벨기에의 아돌프 케틀레 같은 학자들이 통계학과 확률 계산에 매우 중요한 공헌을 했다. 한편 19세기 후반에는 제임스 클라크 맥스웰과 루트비히 볼츠만이 집단행동을 파악하기 위한 목적으로 완전히 독립된 방식으로 물리학에 확률과 통계학을 도입했다. 비슷한 시기에 찰스 다윈의 자연선택 메커니즘이 공식화되었는데 유전 형질이 무작위로 변화하고 그 형질이 선택되면 후손에게 전달된다는 식으로 요약할 수 있다. 다윈에게 진화론의 핵심은 서로 다른 다양한 가능성 중에 선택이라는 개념이었다. 저자는 문화가 DNA로 전달된다는 생각은 진화 이론의 기본 원리와 충돌한다고 지적한다.
참이 아닌 가정으로 출발하면 참이 아닌 결론에 도달하는 것은 당연하다. 문제는 가정이 잘못되었으나 잘 감춰져 있어 구분하기 쉽지않고 그 결과 역시 거짓이나 정리의 귀결인지라 참인 것처럼 과시된다는 것이다. 저자는 누구나 아이디어가 어디에서 출발했는지는 알지만 어디에 도착할지는 모를 때가 있다는 말을 한다. 저자는 아이디어라는 것은 예상할 수 없어 놀랍고 절대로 사소하지 않은 생각이라고 생각한다. 말을 통해 생각을 형식화하는 일은 매우 중요하다. 말은 강한 힘을 지니고 있고 단어들은 서로 연결되어 서로를 끌어당긴다. 기본적으로 수학의 알고리듬과 같은 기능을 갖는 것이다. 알고리듬이 거의 혼자서 수학 추론을 이끌어가는 것처럼 말에도 생명력이 있어 다른 말을 끌어내 우리로 하여금 추론을 하고 형식적 논리를 사용하게 해준다. 아마 생각을 의식적으로 언어로 형식화하는 작업은 우리가 생각하는 것을 기억하는데도 유용할 것이다. 우리가 말을 통해 생각을 형식화하지 않는다면 기억하기 훨씬 어려울 수 있다. 그러나 비언어적 사고가 언어적 사고보다 선행되어야 한다. 생각이 역사적으로 언어보다 훨씬 더 오래된 것이라는 점을 생각해 보면 이상할 것도 없다. 인간의 언어는 수만 년의 역사가 있는데 인간이 언어가 생기기 전에 생각하지 않았으리라 믿기는 어렵기 때문이다.
나는 이 부분에서 저자의 견해에 반대한다. 언어가 없으면 생각할 수 없다고 생각한다. 물리학에도 직관이 있다. 갈릴레오가 대표 사례다. 그는 천상계와 지상계가 유사하며 양쪽에 같은 법칙을 사용할 수 있다는 위대한 직관이 있었다. 물리적 직관은 이후에도 근본적인 역할을 했고 특히 20세기 초 양자역학이 탄생하는 시기에도 중요한 역할을 했다. 양자역학은 물리학의 대모험 중 하나였고 충분히 1930년까지 플랑크나 아인슈타인, 보어, 베르너 하이젠베르크, 폴 디랙, 파울리, 페르미 등 저명한 과학자들이 참가했다. 당시 물리학자들이 설명할 수 없는 현상이 상당히 많이 관찰되었다. 누가 봐도 이상하고 모순되는 현상이었다. 예를 들어 흑체복사가 그렇다. 과학자들이 무능해서가 아니라 당시까지 발견되지 않았던 양자역학을 통해서만 설명 가능한 현상들이었기 때문이다.
이것의 논리적 귀결은 무엇이었을까? 양자역학을 발명하고 그에 대한 타당한 설명을 제시하는 것이었다. 그런데 역사는 완전히 다른 길을 따라 갔다. 아직 밝혀내지 못한 부분이 존재하나 다음 논문에서 밝혀내겠다는 전형적인 방식을 따라 잘 알려지지 않은 구성요소 중 일부가 실제로는 고전 역학과 양립할 수 없는 기괴한 방식으로 작동한다고 가정함으로써 고전 모형에서 양자 현상을 설명하려는 시도가 다양하게 이루어졌다. 1900년 플랑크의 논문 이후 모순된 기여가 많이 있었고 그 중 일부는 솔직히 말해 잘못된 것이었다. 아무튼 그 연구들은 고전 역학에서 양자 현상을 정당화하려는 불가능한 시도였기 때문이다.
플랑크는 흑체복사를 설명하기 위해 빛이 고전 물리학의 일반 원리와 전혀 양립되지 않는 정확히 양자적 특성을 가진 진동자와 상호작용한다고 가정했다. 그러나 그는 고전 물리학과의 호환성이 존재하지 않는 자신만의 길을 향해 가고 있다는 사실을 알지 못했다. 인상적인 점은 플랑크가 제시한 설명 가운데 일부가 어떻게 정확할 수 있었는지였다. 그의 물리적 직관은 매우 강력했다. 고전역학의 관습에 머물러 있으면서 양자 현상을 어느 정도 설명했고 고전 역학과 실제 관찰된 현상간의 모순은 점점 더 커져갔다. 결국 모순이 너무 많아지면서 새로운 양자역학의 여러 측면을 예감하게 했다. 예를 들어 1913년에 나온 보어의 이론에서는 수소 원자 주위를 도는 단 하나의 전자가 특정 조건을 충족하는 한정된 궤도에만 있다고 가정하면 수소가 방출하는 빛의 스펙트럼 선을 간단하게 계산할 수 있었다.
이 가설은 고전역학의 지지를 받지는 못했지만 10년 후 새로운 역학의 출현이 시급하다는 인식이 부상했을 때 양자역학 구축에 중요한 단서를 제공했다. 엄청나게 고민한 분야에서 주목할 만한 진전을 이루는 데 사소한 정보만으로도 충분할 때가 있다. 가령 아인슈타인은 1907년 중력을 가지고 이 궁리, 저 궁리를 하다가 어느 날 갑자기 인생에서 가장 행복한 직관이 떠올랐다고 한다. 자유낙하를 할 때 중력이 느껴지지 않는 것은 우리 주위의 중력이 사라지기 때문이라는 생각을 하게 된 것이다. 중력은 기준 좌표계에 따라 달라지고 기준 좌표계를 적절하게 선택하면 적어도 국소적으로라도 중력을 없앨 수 있다고 말이다. 아인슈타인은 아마도 이러한 관찰에서 출발해 당대의 가장 심오하고 가장 앞선 물리학 이론인 일반 상대성 이론을 구축할 수 있었다.
아인슈타인이 이러한 직관을 갖게 된 것은 이상한 일화 때문이었다고 전해진다. 진짜인지는 확실치 않지만 사실이 아니라 해도 적절한 일화인 것 같다. 한 도장공이 아인슈타인의 집을 칠하다가 3층 발판 위에 의자를 놓고 앉아서 작업을 했다. 어느 날 도장공이 몸을 너무 많이 내밀었다가 균형을 잃고 의자에 앉은 채로 떨어졌는데 다행히 뼈만 조금 부러졌다. 며칠 후 아인슈타인이 이웃과 이야기하다가 이런 의문이 들었다. 불쌍한 도장공이 떨어지면서 무슨 생각을 했을까요? 이웃은 제가 이야기를 해봤는데 떨어지는 동안 의자에 기대고 있다는 느낌이 들지 않았고 중력이 없어진 것 같았대요라고 대답했다. 이때 아인슈타인은 도장공의 느낌을 포착했고 곧바로 일반 상대성 이론을 형식화하러 달려갔다. 중력 이론의 기원이 항상 추락하는 그 무엇 즉 뉴턴에게는 사과, 아인슈타인에게는 도장공과 관련이 있었다는 사실이 놀라울 뿐이다.
저자의 친구인 아우렐리오 그릴로는 물리학자가 되기란 고되고 힘들지만 일하는 것보다야 훨씬 낫지라는 말을 입에 달고 산다고 한다. 그러나 보통 과학자는 항상 먹고사는 문제를 안고 있고 과학도 기본적으로 그런 문제를 해결하기 위해 적용된다.(153 페이지) 저자는 수학을 잘 모르고 과학 공부를 하지 않은 사람도 어려운 과학의 아름다움을 이해하게 할 수 있다고 말한다.(160 페이지) 이 책에서 내 수준에서 흥미롭게 다가온 것은 물의 삼중점 이야기, 유리 이야기, 아인슈타인과 도장공 이야기 등이다. 수학을 잘 모르고 과학 공부를 하지 않은 사람도 어려운 과학의 아름다움을 이해하게 할 수 있다는 말이 힘을 준다. 동시에 부담도 된다. 공부를 해야 한다. 지나친 앞서감인지 모르나 물의 삼중점 즉 고체, 액체, 기체가 공존하는 상태와 기독교의 삼위일체를 같은 맥락으로 볼 여지도 있을까?란 생각을 한다. 러셀 스테나드가 파동-입자 이중성을 논하며 신이며 인간인 예수를 설명한 것이 생각난다.

현대 물리학의 매력적인 핵심을 새롭고 진지하게 설명하는 한 이론물리학자의 아름다운 책 - [어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까? - 이 세상을 이해하는 가장 정확한 관점]

벤투의스케치북 — Sat, 14 Feb 2026 22:06:00 +0900

어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까? - 이 세상을 이해하는 가장 정확한 관점
짐 알칼릴리 지음, 김성훈 옮김 / 윌북 / 2022년 05월

짐 알칼릴리의 ‘어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까’는 제한된 경험이지만 내가 읽은 어떤 물리학 책들보다 인상적인 책으로 꼽을 만하다. 저자는 이라크인 아버지와 영국인 어머니 사이에서 태어난 이론물리학자다. 저자는 물리학 만큼 광범위한 척도를 다루는 과학은 없다고 말한다. 가령 물리학은 전자현미경을 통해 직경이 수천만 분의 1mm에 지나지 않는 개별 원자도 볼 수 있고, 거대한 망원경을 통해 465억년 광년 떨어진 관측 가능한 우주의 가장 먼 가장자리까지 볼 수 있다. 물론 길이의 척도만이 아니라 물리학이 다루는 찰나의 순간에서 영겁의 시간에 이르는 시간의 척도 또한 광범위하기 그지 없다.
이해가 안 된다고 포기할 필요는 없다, 어떤 주제에 대해 심오한 지식을 가지고 있는 사람은 헌신적으로 시간과 노력을 투자해서 그 지식을 얻은 것임을 잊지 말아야 한다는 말을 한('과학의 기쁨' 참고) 바 있는 저자는 이번 책을 통해 모든 물질을 이루는 세 가지 소립자와 현대 물리학의 세 가지 기둥을 논했다. 세 가지 소립자란 업 쿼크, 다운 쿼크, 전자를 말한다.(나머지는 모두 세부 사항이다.) 현대 물리학의 세 가지 기둥이란 상대성이론, 양자역학, 열역학이다. 저자에 의하면 시간과 공간은 캔버스이고, 물질과 에너지는 우주를 구성하는 재료다.
저자는 지구과학과 관련해서도 상당히 흥미로운 물리학 내용을 논한다. 중력장 이야기이다. 중력장이 강할수록 시간이 느리게 흐른다. 이 때문에 지구의 핵 즉 지구의 중력 우물(gravitational well) 깊은 곳에서는 지구 표면보다 시간이 살짝 느리게 흐르는 이상한 현상이 생긴다. 우리 지구가 존재한 후로 45억년의 세월 동안 이런 시간 차이가 축적되어 왔다. 그래서 지구의 핵은 지각보다 2년 반 정도 더 젊다. 지구의 역사가 60년 지날 때마다 지구의 핵은 지각보다 나이를 1초씩 덜 먹는다. 이 수치는 일반상대성이론에서 나온 공식을 이용해 계산한 것이다.(54 페이지) 이것을 실험적으로 확인할 방법은 딱히 떠오르지 않는다. 하지만 이 공식에 대한 믿음이 워낙 두텁기 때문에 물리학자 중 그 진실성을 의심하는 사람은 없다. 지구에 구멍을 뚫고 들어가 그 중심부에 도달하면 더 이상 중력의 영향을 느낄 수 없다. 그곳에서는 지구가 모든 방향에서 동일한 힘으로 끌어당겨서 자신의 무게를 느낄 수 없다.
하지만 중력이 시간에 미치는 영향은 지구 중심의 중력 때문이 아니라(그곳에서는 중력이 0이다.) 그곳의 중력 퍼텐셜 때문에 생긴다. 중력 퍼텐셜이란 그 장소로부터 한 물체를 지구의 중력에서 완전히 벗어난 곳으로 끌어내는 데 필요한 에너지의 양을 말한다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 의하면 물질과 에너지가 중력장을 만든다. 시공간이란 이 중력장의 구조적 특성에 지나지 않는다. 시공간 안에 무엇인가가 들어 있지 않으면 중력장이 존재하지 않고 따라서 시간이나 공간도 존재하지 않는다. 물질의 존재만으로 창조되는 중력장은 시간과 공간 안에서 중력이 영향을 미치는 영역 이상의 존재다. 시공간 자체다.
아인슈타인에 의하면 시공간은 장의 구조적 특성이다. 중력장은 휘어지고 늘어나고 물결칠 수 있다. 장(field)이란 어떤 형태의 에너지나 영향력을 담은 공간이다. 자기장은 공간이 있어야 존재할 수 있다. 느슨하게 말해 에너지는 둘로 나뉜다. 쓸모 있는 에너지와 쓸모 없는 에너지다. 아인슈타인의 질량 에너지 등가 이론에 의하면 질량은 얼어 있는 에너지라 할 수 있다. 광속의 제곱은 대단히 큰 수이기 때문에 아주 작은 질량이라도 막대한 양의 에너지로의 변환이 가능하고 역으로 막대한 양의 에너지를 투입해도 아주 작은 질량만을 얻을 수 있다. 이런 시각도 새롭다. 역으로 말하는 것을 처음 접한다.
물리학의 개념을 관계적으로 보는 법을 배울 수 있다는 점이 이 책의 장점이다. 우선 음파(音波) 이야기를 보자. 음파의 속도는 진동하는 공기 분자가 음파를 얼마나 빨리 전송할 수 있느냐에 달려 있다. 차가 속도를 올려본들 음파가 더 빨리 도달하지는 않는다. 대신 음파가 압축되면서 파장이 짧아져 음높이가 올라간다. 이것이 도플러 효과로 잘 알려진 현상이다. 차가 멀어질 때는 음파가 점점 더 먼 곳에서 방출되기 때문에 우리(관찰자)에게 도달하는 음파의 길이도 늘어나서 음높이가 낮아진다. 차가 속도를 올려본들 음파가 더 빨리 도달하지는 않는 대신 음파가 압축되면서 파장이 짧아져 음높이가 올라간다는 설명은 어디에서도 듣기 어려운 설명이다.
이런 예는 또 있다. 빛의 파장 이야기다. 빅뱅 이후 37만 8000년 후에 마이크로파 우주배경복사가 기원했다. 공간이 팽창하면서 충분히 냉각된 덕분에 양전하를 띤 양성자(수소 원자핵)와 알파입자(헬륨 원자핵)가 전자를 포획해서 수소와 헬륨 원자를 이룰 수 있었다. 그 전에는 전자의 에너지가 너무 넘쳐서 양성자와 알파입자에 달라붙지 못했다. 그래서 중성의 원자를 형성하지 못했다. 사정이 그렇다 보니 빛의 입자인 광자가 이런 전하를 띤 입자들과 부딪혀 상호작용하는 바람에 자유롭게 움직일 수 없었고 공간 전체가 안개 속에서 뿌옇게 빛나는 것 같았다.
우주가 충분히 냉각되어 원자가 형성되자 공간이 투명해지면서 광자가 자유롭게 움직일 수 있었다. 그 후 이 빛은 모든 방향으로 우주를 가로지르며 움직였다. 최초의 빛은 공간이 팽창하면서 에너지를 계속 잃어왔지만 속도는 느려지지 않았다. 빛은 언제나 일정 속도로 움직이기 때문이다. 대신 빛은 자신이 통과하는 공간이 팽창하는 바람에 파장이 늘어났다. 그래서 수십억 년이 지난 오늘날에는 더 이상 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역에 들어가지 못하고 마이크로파의 형태로 존재한다. 천문학자들은 이 마이크로파 복사를 측정해서 이것이 절대 영도(-273.15도씨)보다 약 3도씨 높은 우주 깊은 곳의 온도에 해당한다는 것을 알아냈다. 공간이 팽창하면 그 공간을 지나는 빛의 파장도 함께 늘어난다.
설명이 길었지만 빛이 에너지를 잃는다고 속도가 줄지는 않고 대신 공간이 팽창함에 따라 파장이 길어진다는 내용이 도출(설명)된 점이 획기적이라 할 만하다. 그 이전에 마이크로파 우주배경복사 이야기가 배치된 것을 알 수 있다. 정리하면 차가 속도를 올려본들 음파가 더 빨리 도달하지는 않는 대신 음파가 압축되면서 파장이 짧아져 음높이가 올라가고, 빛이 에너지를 잃는다고 속도가 줄지는 않고 대신 공간이 팽창함에 따라 파장이 길어진다.
마이크로파 우주배경복사는 빅뱅 이후 37만 8000만년이 지난 시점에 생긴 것이다. 정리하면 전자의 에너지가 너무 넘쳐서 양성자와 알파입자에 달라붙지 못해 중성의 원자를 형성하지 못하는 바람에 빛의 입자인 광자가 이런 전하를 띤 입자들과 부딪혀 상호작용하게 됨으로써 자유롭게 움직일 수 없었고 공간 전체가 안개 속에서 뿌옇게 빛나는 것 같다가 우주가 충분히 냉각되어 원자가 형성되자 공간이 투명해지면서 광자가 자유롭게 움직일 수 있었던 것이다. 그 후 이 빛은 모든 방향으로 우주를 가로지르며 움직였다.
빅뱅이 있고 몇 분 후에는 양성자의 융합으로 헬륨과 소량의 리튬이 만들어질 수 있는 조건이 형성됐다. 우주가 거기서 더 냉각되자 가벼운 원소가 융합해서 더 무거운 원자핵을 만들 수 있는 문턱값 아래로 온도와 압력이 떨어졌다. 핵융합이 일어나려면 융합하는 원자핵이 양전하간의 반발력을 극복할 수 있을 정도로 에너지가 강해야 하는데 물질의 밀도와 온도가 어느 아래로 떨어지면 그런 강한 에너지가 나오지 않는다. 재결합의 시대가 지나고 잠시 후에 원자들이 중력의 영향으로 뭉치기 시작했다. 여기서는 암흑물질이 결정적인 역할을 했다. 그리하여 원시가스 구름 즉 원시 은하가 형성되기 시작했다. 그 안에 있던 밀도가 더 높은 가스 덩어리는 중력에 의해 훨씬 극적으로 뭉쳐졌다. 그 과정에서 핵융합 과정이 다시 시작될 수 있을 정도로 가스가 가열됐다.
이렇게 항성이 점화되었고 그 안에서 일어난 핵반응으로 탄소, 산소, 질소 외에 오늘날 지구에 존재하는 다른 많은 새로운 원소가 만들어졌다. 항성 내부의 조건이 뜨겁고 극단적일수록 핵합성 과정도 더 높은 단계까지 일어나 은, 금, 납, 우라늄 같이 더 무거운 원소가 형성될 수 있었다. 항성이 삶의 마지막 격렬한 순간에 가야만 그 내부가 더 무거운 원소를 만드는 데 필요한 온도와 밀도에 도달하기 때문이다. 마지막 단계에 가면 항성의 내부는 고밀도로 압축되고 그와 동시에 바깥층은 격하게 떨어져 나간다.
빛은 어떻고 전자는 어떤가. 빛은 파동과 입자의 성질을 모두 지니고 있다. 우리가 그것을 어떻게 보느냐에 따라 또 그것을 탐구하기 위해 어떤 실험을 하느냐에 따라 성질이 다르게 드러난다. 이중적 속성을 갖는 것은 빛뿐이 아니다. 전자 같은 물질의 입자도 파동의 속성을 나타낼 수 있다. 전자가 동시에 입자이면서 파동이라는 의미는 아니다. 입자 같은 속성을 검증하려는 실험을 하면 실제로 입자처럼 운동하고, 파동 같은 속성을 갖는지 검증하는 실험을 하면 파동처럼 운동하는 모습을 볼 수 있다는 의미다. 다만 전자의 파동 같은 속성과 입자 같은 속성을 동시에 보여줄 수 있는 실험은 불가능하다.
양자역학은 이런 실험의 결과를 올바르게 예측해 주지만 전자의 본질이 무엇인지는 말해주지 않는다. 그저 전자의 본질을 입증하기 위해 어떤 실험을 수행했을 때 무엇을 보게 될 것인지만 말해줄 뿐이다. 저자는 물리학 교과서에 나와 있는 바와 달리 양자역학의 형식주의는 전자가 동시에 정확한 위치와 정확한 속도를 가질 수 없다고 말하지 않는다고 말한다. 다만 우리가 양쪽 성질을 동시에 알 수 없다고만 말하고 있다. 흔히 오해하는 부분이 또 있다. 인간의 의식이 양자역학에서 분명 핵심적인 역할을 하고 있다는 것이다. 우리의 의식이 양자 세계에 영향을 미칠 수 있다거나 심지어 우리가 측정할 때 비로소 그 대상이 존재하게 된다는 등의 주장이다.
저자에 의하면 이것은 말도 안 되는 이야기다. 우리 우주에는 양자수준의 기본 구성요소에 이르는 모든 것이 지구의 생명이 탄생하기 전부터 존재해왔다. 인간이 등장해서 측정을 통해 실재하게 해줄 때까지 존재와 비존재 사이에 어중간한 상태 상태에서 기다리고 있지는 않았다는 말이다. 파동함수는 공간 속 하나 이상의 지점에서 값을 갖는다. 이러한 사실 때문에 우리가 전자를 측정하지 않을 때 전자 자체가 물리 공간에 퍼져 있다고 잘못 이해하는 경우가 많다. 하지만 양자역학은 우리가 바라보지 않았을 때 전자가 어떻게 운동하는지 말해주지 않는다. 우리가 바라보았을 때 무엇을 보게 될지만을 말해준다. 인상적인 말은 전자의 파동 같은 속성과 입자 같은 속성을 동시에 보여줄 수 있는 실험은 불가능하다는 말이다.
양자역학은 이런 실험의 결과를 올바르게 예측해 주지만 전자의 본질이 무엇인지는 말해주지 않는다. 그저 전자의 본질을 입증하기 위해 어떤 실험을 수행했을 때 무엇을 보게 될 것인지만 말해줄 뿐이다. 우리에게 연속적인 것으로 익숙한 많은 물리적 속성이 아원자 척도까지 들어가 보면 사실은 불연속적이다. 원자에 묶여 있는 전자들은 불연속적인 특정 에너지 값들만 가질 수 있다. 이 불연속적인 값 사이의 에너지는 절대 가질 수 없다는 점에서 양자화되어 있다. 이런 특성이 없었다면 전자가 핵 주변 궤도를 도는 동안 계속해서 에너지가 새어 나갔을 것이다. 그러면 원자가 불안정해져서 생명을 비롯한 복잡한 물질도 존재할 수 없었다. 양자역학 이전의 19세기 전자기론을 그대로 따른다면 음전하를 띤 전자는 양전하를 띤 원자핵을 향해 나선을 그리며 추락해야 한다. 하지만 전자의 에너지 상태가 양자화된 덕분에 그런 일은 일어나지 않는다.
어떤 양자 규칙은 전자가 어느 에너지 상태를 차지하고 원자 안에서 어떻게 배열될지도 정해준다. 이렇듯 양자역학 규칙들은 원자들이 어떻게 결합해서 분자를 이루는지도 규정하기 때문에 양자역학이야말로 모든 화학의 토대로 할 수 있다. 전자는 올바른 양의 에너지를 방출하거나 흡수함으로써 에너지 상태 사이를 뛰어넘을 수 있다. 두 상태 사이의 에너지 차이와 정확히 같은 값의 전자기 에너지 양자(광자)를 방출함으로써 더 낮은 상태로 뛰어 내려올 수 있다. 마찬가지로 적절한 에너지를 가진 광자를 흡수함으로써 높은 에너지 상태로 뛰어올라갈 수도 있다. 여기서 알게 되는 사실은 전자가 고전역학의 전자기론과 달리 양자역학적 의미에서 특정 궤도만을 가짐에 따라 우리의 오늘이 있게 되었다는 점이다.
이를 항성의 저(低) 엔트로피 관점으로도 설명할 수 있다. 항성은 열적평형에 도달한 계가 아니기 때문에 저(低) 엔트로피의 저장소이다. 그래서 그 안에서 일어나는 열핵융합(수소가 헬륨으로 변함) 반응이 열과 빛의 형태로 과잉 에너지를 분출하고 있다는 것이다. 저자는 물리학의 가장 중요한 목적은 실재를 가장 심오하고 완벽하게 이해하는 것이라 말한다.(192 페이지)
이제 앞에서 말한 암흑물질에 대해 이런 말을 할 수 있다. “지금까지 우리가 발견한 것을 모두 합쳐도 겨우 우주의 5%를 구성하는 데 그친다. 나머지 95%는 암흑물질과 암흑에너지가 차지한다. 전자기력 영향을 받지 않고 빛을 내지도 않고 중력을 통하지 않고는 보통 물질과 상호작용하지도 않는다.” 암흑물질이 없었다면 대부분의 은하가 애초에 형성될 수 없었다. 한편 중력을 거슬러 우주를 점점 더 빨리 늘어나게 하는 수수께끼의 척력을 암흑에너지라 한다.
저자는 물리학자와 공학자를 비교한다. 두 학문 사이의 경계는 희미하지만 차이는 명백하다. 물리학자는 자연의 작동 방식을 지배하는 밑바탕 원리를 드러내기 위해 “어째서”, “어떻게?”라는 질문을 던지는 반면 공학자는 대개 이런 데는 큰 관심이 없고 자신이 이해하고 있는 바를 실제로 활용해서 더 나은 세상을 만드는 일에 관심을 쏟는다. 가령 기초 물리학 분야에서 나온 지식이 없었다면 나올 수 없었다는 GPS는 어떤가. 위성에 탑재하는 원자시계는 대단히 정교한데도 중력의 효과로 매일 4/100,000초씩 빨라진다. 따라서 그보다 느린 지상의 시계와 맞추려면 일부러 시간을 늦춰주어야 한다. 그렇지 않으면 위성시계의 시간이 빨라지면서 우리의 GPS 위치가 매일 10km 넘게 어긋나게 된다.
이것이 제대로 작동하는 이유는 공학자들이 원자 진동의 양자적 속성을 고려하며 아인슈타인의 이론이 설명하는 시간 흐름의 속도에 맞추어 상대론적으로 보정(補正)하기 때문이다. 물리학과 공학이 만나 세상을 바꾸어놓은 기술적 사례는 셀 수 없이 많다. 저자는 판구조론에 대해서도 이야기한다. 물론 상대성이론, 양자역학, 빅뱅이론, 다윈의 진화론, 질병의 세균 유래설 등과 함께다. 즉 이들은 모두 엄격한 검증을 거쳐 최선의 설명으로 등장한 가장 성공적인 과학이론들이다.
저자에 의하면 성공적인 이론은 세상을 설명할 힘이 있고 뒷받침하는 증거가 있고 검증 가능한 예측을 내놓을 수 있지만 그럼에도 여전히 반증가능성에 열려 있다. 오늘날 기초물리학 분야에는 실험을 통하지 않고 머리로만 생각해낸 사변적인 이론들이 많다. 끈이론, 고리양자중력, 블랙홀 엔트로피, 다중우주이론 등이다. 이런 것들은 적어도 현재로서는 실험적 검증이 불가능하다. 하지만 전 세계 수천 명의 이론물리학자들이 이런 주제로 맹렬하게 연구를 진행하고 있다. 저자는 이런 어둠 속의 과학자들에게 너무 냉혹하게 구는 것은 과학이론 역사에 대한 몰이해와 상상력 결핍을 방증한다고 말한다.(286 페이지)
가령 아인슈타인은 상대성이론을 만들었을 때 그것이 후에 정교한 GPS를 만드는 데 사용될 줄 몰랐다. 맥스웰의 경우 전기장과 자기장에 관한 방정식들을 만들고 거기에서 빛의 파동 방정식을 이끌어내리라고는 다른 사람들은 물론이고 자신도 (꿈에도) 몰랐다. 스마트폰은 여러 경이로운 기술을 집약한 결정체로 양자역학의 선구자들이 내놓은 추상적인 추측이 없었다면 세상에 나오지 못했을 것이다.
저자는 물리학 지식은 아직 설명되지 않은 거대한 바다에 둘러싸인 섬과 같다고 말한다. 저자 개인의 두 가지 점이 반갑게 다가왔다는 점을 말하지 않을 수 없다. 하나는 실증주의에 대한 생각이다. 실증주의는 일부 현상을 더 잘 이해하고 새로운 기술을 발전시키는 데는 도움이 되지만 진정한 이해를 도와주지는 않기에 과학 발전을 저해할 수 있다는 것이다.
저자는 실재론의 관점을 갖는다. 이는 닐스 보어의 입장과 상반되는 부분이다. 실재론이란 인식 대상이 주관과 독립해서 객관적으로 존재한다고 믿는 견해를 말한다. 보어는 물리학은 자연의 본질이나 현상의 정수가 아닌 자연에 대한 우리의 견해 즉 경험 측면에만 관심을 가져야 한다고 주장했다. 다른 하나는 대중과학 서적에 매번 등장하는 흔한 비교나 비유는 피하고 싶었다는 것이다. 이는 글을 쓰는 사람이 두루 관심을 가져야 할 부분이다. 개인적인 이야기이지만 책을 빌려 읽던 중 반드시 소장하고 시간 날 때마다 펼쳐 보아야 할 책이라는 생각에 책을 주문했다. 저자에게 감사한다.

코페르니쿠스에서 케플러, 갈릴레오, 데카르트를 거쳐 뉴턴에 이르기까지의 점증하는 과학적 감동 - [세상의 방향을 바꾼 과학자들]

벤투의스케치북 — Wed, 11 Feb 2026 23:50:00 +0900

세상의 방향을 바꾼 과학자들
올리버 로지 지음, 권혁 옮김 / 돋을새김 / 2025년 08월

저자 올리버 로지(1841-1950)는 영국의 물리학자이자 전자기 이론과 전파통신의 선구자다. ‘세상의 방향을 바꾼 과학자들’에서 저자는 평범한 사람들과 비범한 사람들을 나눈다. 저자가 분석한 바에 따르면 전자는 자연현상에 대한 자신의 무지에 만족해 하고, 자신들의 이동 수단, 건강, 오락, 지갑에 직접적인 영향을 주지 않는 한 과학 연구나 과학적 성과에 대해 늘 어느 정도는 무관심하다. 후자는 세상의 소란과 조급한 활동을 보면서도 그에 물들지 않고 남들이 부와 쾌락이라는 목표를 향해 달려가는 모습을 지켜보면서도 흔들리지 않고 자신이 태어난 이 세계와 우주를 전혀 다른 시선으로 바라보며 세상을 깊게 생각하고 연구해야 하는 하나의 사실, 우연히 아주 조금은 이해하게 되는 중요하고 불가사의한 사실로 본다.
저자의 책은 과학의 개척자이자 세상에 큰 도움을 선사한 학자들을 다룬 책이다. 저자가 논의한 인물들은 코페르니쿠스, 티코 브라헤. 케플러, 갈릴레오, 데카르트, 뉴턴 등이다. 코페르니쿠스의 태양 중심체계론은 당시 사람들에게 쉽게 이해되지 않았다. 저자 역시 그랬다고 한다. 이유는 두 가지이다. 학술적인 논문이어서, 부분적으로는 성직자가 제시한 이론이어서다. 아리스토텔레스는 지구가 구체(球體)여야 한다고 주장했다. 물론 구체를 받아들인다 해도 대척지(對蹠地)를 생각하는 것은 엄청나게 어려웠을 것이다. 코페르니쿠스는 모든 이의 사고가 전통과 권위에 지배받고 의심하는 것 자체가 죄로 여겨지던 시대에 그런 체계를 의심하고 새로운, 더 나은 체계를 추구했다. 그것은 위대한 지성과 높은 인격 없이는 불가능한 일이라고 저자는 말한다.
수도사 코페르니쿠스는 “수학에 대해 아무것도 모르면서도 이 문제들을 판단하려 들고, 성경 구절 하나를 제멋대로 끌어다 붙여 내 작업을 비난하고 트집 잡으려는 잡담꾼들이 있다면 나는 그들을 개의치 않으며 그들의 판단을 거리낌 없이 경멸할 것”이라 말했다. 자정 무렵에는 태양의 위치가 항상 북쪽에 고정되어 있다. 그러나 그때 남쪽 하늘에 정중앙으로 떠 있는 별자리나 떠오르거나 지는 별자리는 계절에 따라 달라진다.(43, 44 페이지) 저자는 인류는 오랫동안 진리를 비웃고 저항하다가 결국 너무도 무비판적이고 상상력 없이 그것을 받아들이는 경향이 있다고 지적한다.
당시 지구가 엄청난 속도로 움직인다면 물체들이 뒤처질 것이라 생각하는 것도 무리가 아니었다. 코페르니쿠스는 대기가 물체를 앞으로 밀어줘서 지구와 함께 움직이게 해주는 것이 아닌가, 란 답을 했다. 지구의 운동이 성경에 어긋난다는 주장이 성직자들뿐 아니라 과학자들에게도 설득력을 가졌다. 흥미로운 사실이 금이 태양과 연결되었다는 점이다.(57 페이지) 금은 귀금속이다. 귀한 금속이란 의미가 귀족(noble) 금속이라는 의미다. 산화가 잘 일어나지 않는 금속이란 의미다. 금 외에, 백금, 이리듐 등도 귀금속이다.
티코 브라헤의 지도를 받은 사람 가운데 케플러가 있다. 브라헤는 부유한 귀족 출신으로 활기차고 열정적이고 기계적 창의력과 실험 능력이 뛰어났지만 이론적, 수학적 능력은 평범했다. 케플러는 가난하고 병약하며 실험적 재능이 거의 없고 정밀한 관측에도 적합하지 않았지만 추상적 사유의 정교함과 타고난 수학적 직관력에서는 누구와도 비교할 수 없을 만큼 뛰어났다. 케플러는 천문학 강사가 되었다. 당시 천문학은 오늘날의 광물학이나 기상학처럼 부차적인 학문으로 여겨졌다. 케플러는 본래부터 사유하고 추론하는 사람이었다. 케플러는 행성의 운동 원인에 대해 사색했다.
아리스토텔레스는 완전하고 자연스러운 운동은 원운동뿐이라고 가르쳤으며 따라서 하늘의 천체들도 반드시 원을 따라 움직인다고 생각했다.(84 페이지) 케플러가 발견한 사실은 원과 타원 사이의 최대 차이가 반지름의 429/ 100,000이라는 값을 가진다는 점이다. 그는 화성의 광학적 불균형도 이와 거의 같은 값 즉 반지름의 429/ 100,000이라는 값을 가진다는 것을 떠올렸다. 케플러는 태양이 타원의 한 초점에 위치한다면 면적이 일정하게 그려진다는 조건이 정확히 충족된다는 사실을 발견했다. 케플러에 의하면 S가 태양이고 어떤 행성 또는 혜성이 P에서 P1까지, P2에서 P3까지, P4에서 P5까지 이동하는 데 걸리는 시간이 같다면 빗금 친 면적들도 서로 같다는 것이다. SPP1, SP2P3, SP4P5는 삼각형이다.
케플러는 각각의 행성들이 태양에서 떨어져 있는 거리와 그 행성들이 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간을 비교하면 거리의 세제곱은 공전 주기의 제곱에 비례한다는 점도 알아냈다. 케플러는 “...너희가 나를 용서한다면 기쁘고, 분노한다 해도 나는 견딜 수 있다. 주사위는 던져졌고 책은 쓰였다. 지금 읽히든 후대에 읽히든 개의치 않는다. 신께서 관찰자를 6천년 동안 기다리셨듯이 독자를 100년 동안 기다릴 수도 있다.”고 썼다. 케플러의 상상력은 대부분의 사람들의 상상력보다 훨씬 풍부하고 자유롭게 펼쳐졌다. 그럼에도 불구하고 그는 언제나 엄격한 검증을 통해 자신의 가설과 사실을 비교하고 통제했다. 케플러가 치른 노동은 막막하고도 지루한 시간의 연속이었다. 계산, 가설, 또 계산, 또 가설.. 그리고 이론과 사실을 어떻게든 조화시키려는 절망적이고 어두운 탐색이란 말로 설명할 수 있을 것이다.
아리스토텔레스는 물체가 무게에 따라 서로 다른 속도로 떨어진다고 말한 바 있다. 갈릴레오는 무게는 전혀 상관이 없으며 모든 물체는 같은 속도로 떨어진다고 주장했다. 돌과 깃털조차도. 공기 저항만 없다면 동시에 떨어진다는 것이다. 모든 물체는 같은 시간에 땅에 도달한다고 했다. 갈릴레오가 망원경으로 가장 먼저 정밀하게 관찰한 대상은 당연히 달이었다. 그는 한눈에 보기에도 달의 모습이 지구와 매우 닮아 있다는 사실을 발견했다. 산과 계곡, 분화구와 평지, 바위 그리고 얼핏 보기에 바다처럼 보이는 부분까지 있었다. 이런 발표는 아리스토텔레스 철학자들 특히 갈릴레오가 떠나온 피사의 교수들 사이에서 큰 적대감을 불러일으켰다. 그들에게 달은 순수하고 매끄럽고 수정체의 하늘 즉 완전무결한 천상의 세계였기 때문이다.
그런데 갈릴레오는 그 고결하고 숭고한 천체의 얼굴을 거칠고 울퉁불퉁한 지구처럼 하찮고 천한 세계로 만들어버렸다. 저자는 갈릴레오와 동시대인인 조르다노 브루노가 이단 혐의로 화형에 처해진 것을 언급하며 그들의 잘못은 잔혹함에 있지 않고 자신들이 영원한 진리의 심판자라고 믿은 데 있었다고 말한다.(146 페이지) 갈릴레오는 태양 흑점에 대해서도 업적을 남겼다. 갈릴레오는 결코 회의주의자가 아니었다. 성경의 권위를 전적으로 인정했고 특히 신앙과 도덕에 관련된 문제에서는 그 권위를 의심하지 않았다. 다만 과학적 사실에 대한 성경의 진술에 대해서는 우리가 그 의미를 오해하기 쉬우므로 과학적 진실은 자연을 관찰함으로써 확인되는 것이 더 정확하다고 주장했다. 그리고 만약 직접적인 관찰 결과와 성경의 문구가 충돌할 경우 그것은 우리가 어느 쪽이든 혹은 양쪽 모두를 잘못 해석한 탓이라고 보았다. 다시 말해 그는 오늘날 우리가 말하는 조화론자였다.
갈릴레오는 여호수아의 기적도 문자 그대로 받아들였다. 그는 지구의 자전을 잠시 멈추는 것이 옛 프톨레마이오스 체계에서처럼 태양과 달은 물론 하늘의 모든 천체를 멈추는 것보다 훨씬 간단하다고 생각했다.(156 페이지) 우리가 아니 내가 알던 갈릴레오와 다른 부분이다. 그는 꽤 합리적이고 지혜로운 사람으로 보인다. 생각 이상으로. 저자는 다윈을 뉴턴과 비교하거나 함께 언급하는 말을 들으면 도저히 떨쳐낼 수 없는 거북함이 든다고 말한다.(185 페이지) 저자는 수학이 과학에 쓸모없다고 단정지은 로저 베이컨에 대해 논한다.(194 페이지)
갈릴레오의 죽음과 뉴턴의 전성기 사이의 과학사의 공백을 메운 인물로 저자가 든 사람은 르네 데카르트다. 그는 과학적 연구에만 몰두하고 인문학적, 문학적, 미적 학문에 대해서는 다소 경멸하는 듯한 태도를 보였다. 정치, 예술, 역사에 대해 아무 관심도 없었던 것으로 보인다. 데카르트는 훌륭한 정신을 위해서는 게으름이 팔수적이라고 생각했다. 데카르트는 동물들은 의식도 감각도 없는 자동기계라는 가설을 세웠다. 데카르트가 해석기하학을 발명하지 못했다면 뉴턴이 ‘프린키피아‘를 쓰지 못했을 것이라는 이야기가 저자의 주장이다. 물론 뉴턴이 창안했을 수도 있겠지만 그러기 위해 생애의 많은 시간을 소모했을 것이라고 말한다.
데카르트는 천문학에서 소용돌이 이론의 창시자다. 그는 공간을 온 우주를 가득 채운 유체 즉 빈틈없이 충만한 플레넘으로 보았다. 데카르트는 다른 사람들의 연구를 높이 평가하지 않았고 책도 거의 읽지 않았다. 생각하는 편이 낫다고 생각했기 때문이다. 오늘날에도 철학자들은 우주 공간이 완전히 유체로 가득 차 있다고 믿으며 이 유체는 확실히 소용돌이 운동을 할 수 있다. 물론 오늘날 상상되는 소용돌이는 데카르트가 말한 것 같은 행성 크기의 거대한 소용돌이가 아니라 원자보다 훨씬 작은 차원의 미세한 회전운동이다. 저자는 지식이 깊어질수록 가장 기묘하게 보이는 주장 속에서도 일말의 진심이 담겨 있음을 점점 더 자주 깨닫는다고 말한다.
데카르트는 공식적으로는 지구가 움직인다는 것을 부정하고 대신 지구는 물과 공기와 함께 하늘의 에테르가 만들어내는 더 큰 운동에 실려 다니는 것이라 주장했다. 데카르트의 연구 방식은 순수한 연역적 방법이다. 유클리드의 방식처럼 몇 가지 단순한 원리에서 출발하여 그것들로부터 일련의 추론을 통해 결과들을 도출하고 그렇게 해서 조금씩 연계된 지식의 구조를 쌓아올리려 한 것이다. 이 점에서 데카르트는 뉴턴의 선구자였다. 엄격하게 실행될 경우 가장 강력하고 만족스러운 방법이었다. 실험을 통해 이루어진 단편적인 정복들보다 훨씬 더 체계적인 과학 영역을 만들어낸다. 하지만 이 방법을 안전하고도 만족스럽게 다룰 수 있는 사람은 극히 드물며 누구도 실험을 통해 지속적으로 검증하지 않고 이 방법만으로 충분히 다룰 수 없다.(212 페이지)
데카르트의 중대한 업적은 자연이 수학적으로 탐구될 수 있다는 사실을 발견한 것이다. 모든 결론은 결국 언젠가는 실험이라는 시험대에 올려야 하며 실험과 일치하지 않으면 이론 자체를 다시 검토하여 오류를 찾아내거나 이론을 버려야 한다. 케플러, 데카르트, 갈릴레오 등은 광학과 천문학을 연구했고, 티코 브라헤를 비롯한 이전 학자들은 연금술과 천문학을 함께 연구했으며 뉴턴 역시 이 분야를 조금 다루었다. 케플러는 행성들이 어떻게 움직이는지 밝혔지만 그들이 왜 움직이고 무엇이 그들을 그렇게 움직이게 밀어내는지는 설명하지 못했다. 케플러는 행성들은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 움직이며 속도 자체가 아니라 면적을 그리는 속도가 일정하고 시간에 비례한다는 사실을 알았다.(224, 225 페이지)
케플러는 행성의 거리와 주기 사이에 일정한 관계가 있다는 사실도 알았다. 거리의 세제곱은 주기의 제곱에 비례하는 것이다. 갈릴레오가 불멸의 이름을 얻은 가장 큰 이유는 실험, 추론, 관찰에 근거하여 역학의 기초를 처음 확립했기 때문이다. 갈릴레오의 원고를 태운 것은 그의 아들이었다. 다만 토리첼리, 비비아니 덕에 역학에 관한 원고는 화를 면했다. 갈릴레오가 발견한 세 가지 운동 법칙 즉 공리가 있다. 관성, 가속도, 작용 반작용의 법칙이다. 뉴턴의 법칙으로 알려져 있지만 기초는 갈릴레오가 세웠다.
어떤 돌을 O 지점에서 OA 지점으로 던졌을 때 아무런 힘이 작용하지 않는다면 1운동 법칙에 따라 1초 후에는 A, 2초 후에는 B, 3초 후에는 C 지점에 도달하게 된다. 하지만 중력이 작용하면 1초 후에는 A 지점에 도달할 무렵까지 수직으로 16피트 떨어지게 되어 실제로는 P 지점에 있게 된다. 2초 후에는 수직으로 64피트를 떨어져 Q 지점에, 3초 후에는 C 지점보다 144피트 아래인 R 지점에 있게 된다. 이처럼 돌의 실제 경로는 곡선이 되며 이 경우 그 곡선은 포물선이다. 뉴턴은 레오나르도 다 빈치를 포함한 고대의 색 이론은 매우 잘못된 것이었으며 색은 물체에 있는 것이 아니라 빛에 있다는 사실을 알았다.(255 페이지)
세상은 핼리에게 커다란 신세를 지고 있다. 첫째 ’프린키피아‘를 발견한 공로, 둘째 그것을 인쇄하여 세상에 내놓도록 끝까지 책임진 것, 셋째 그 인쇄비를 넉넉지 않은 자신의 주머니에서 충당한 것 등이다. 저자는 ’프린키피아‘ 같은 책은 한 문장씩 곱씹으며 필사해보는 것이 가장 유익한 독서법이라 말한다.(270 페이지) 저자는 진정으로 위대한 사람은 스스로 얼마나 위대한지를 결코 자각하지 못하며 자신의 진정한 강점이 어디에 있는지도 잘 모르는 경우가 많다고 말한다. 뉴턴이 그런 경우라는 것이다. 뉴턴은 과학에 있어서 오직 영감을 받은, 초인적인이란 말로 표현할 수 있다.
뉴턴은 ’어떻게 그런 발견을 했습니까?‘란 물음에 “항상 그 생각만을 했기 때문입니다. 나는 그 주제를 끊임없이 내 앞에 두고 그것의 첫 희미한 윤곽이 조금씩 완전하고 명확한 빛으로 열릴 때까지 기다립니다.”란 말을 했다. 조용하고 꾸준하며 끊기지 않고 방해받지 않는 사색이 그의 방법이다. 그런 조건에서는 많은 것이 이루어질 수 있다. 그런 조건을 얻기 위해 많은 것을 희생해야만 한다. 세상의 모든 위대한 사유의 작업은 모두 이런 방식으로 이루어졌다. 뷔퐁은 “천재란 인내”란 말을 했다. 뉴턴은 “내가 이 방면에서 대중에게 어떤 봉사를 한 것이 있다면 그것은 오직 근면과 인내하는 사색 덕분이다.”라고 말했다.