루트비히 볼츠만: 원자를 믿은 과학자

통계 역학을 믿으려면 분자를 믿어야 한다.

(윌리엄 크로퍼, 《위대한 물리학자 3》에서, 105쪽)

“내게 천사를 보여 달라. 그러면 천사를 그릴 것이다.” 이 말을 남긴 프랑스의 화가 쿠르베(Courbet)는 대상을 사실 그대로 표현하는 것을 회화의 중요 덕목이라고 생각했다. 그는 그리스 로마 신화에 나오는 신 또는 성서에 묘사된 성인과 천사들의 모습을 그리는 것에 관심이 없었다. 오로지 자신의 눈에 비친 현실을 그렸다.

오스트리아의 물리학자이자 철학자인 에른스트 마흐(Ernst Mach)는 원자의 존재를 받아들이지 않았다. 그 이유는 간명했다. 원자가 우리 눈에 보이지 않아서다. 마흐는 어떤 현상의 원인을 설명하게 해주는 관찰과 실험을 중요하게 여겼다. 원자론자들은 마흐의 견해에 반박할 수 없었다. 그 당시에 원자의 존재를 입증할만한 증거가 발견되지 않았기 때문이다. 기세등등한 마흐는 원자론자들을 향해 이렇게 일갈했으리라. “내게 원자를 보여 달라. 그러면 원자론을 믿을 것이다.”

* 데이비드 린들리, 이덕환 옮김 《볼츠만의 원자: 물리학에 혁명을 일으킨 위대한 논쟁》 (승산, 2003)

* [절판] 윌리엄 크로퍼 《위대한 물리학자 3:　패러데이의 전자기학과 볼츠만의 통계 역학》 (사이언스북스, 2007)

마흐를 필두로 한 실증주의자들의 공세에 원자론자들은 수세에 몰렸다. 하지만 마흐와 같은 출신의 물리학자 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)은 원자론을 부정하는 학자들을 설득하기 위해 그들과의 토론에 적극적으로 참여했다. 그는 수학자들의 전유물이었던 통계와 확률을 이용해서 운동하는 원자의 이동 방향과 상태를 알아내려고 했다. 볼츠만의 견해에 따르면 기체는 다수의 분자로 이루어졌다. 그는 통계적인 방식을 이용해 기체 속 분자의 성질을 설명하는 ‘기체운동론’을 주장했다. 스코틀랜드의 물리학자 맥스웰(Maxwell)을 포함한 선대의 과학자들이 기체운동론을 논의한 적이 있었지만, 이를 체계적으로 정립한 사람은 볼츠만이었다. 기체운동론은 ‘통계역학’이라는 새로운 물리학의 등장을 알리는 중요한 이론이 되었다. 물론 통계의 중요성을 주목한 볼츠만의 획기적인 발상 역시 원자와 분자의 세계를 믿지 못한 동료 과학자들을 납득시키지 못했다. 마흐도 그렇고, 당시 과학자들은 관찰과 실험을 거쳐 원자론이 명백한 이론인지 아닌지 검증하고 싶어 했다.

볼츠만은 실증주의자들의 공격에 대비하기 위해 원자론과 기체운동론과 관련된 연구에 매진했다. 하지만 진전이 없었다. 젊은 시절부터 그를 괴롭히던 우울증이 더 심해졌다. 우울증을 견디지 못한 볼츠만은 1906년에 가족과 함께 휴가를 보내다가 호텔 방에서 목을 매고 자살했다. 

볼츠만이 자살하기 일 년 전인 1905년에 스위스 특허청 직원이 총 다섯 편의 논문을 연이어 발표했다. 그 논문 중에 물 위에 떠 있는 꽃가루가 불규칙하게 움직이는 현상에서 나나타는 ‘브라운 운동(Brownian Motion)’을 다룬 것이 있었다. 브라운 운동을 현미경으로 관찰한 스위스 특허청 직원은 분자의 움직임을 실험으로 검증할 수 있다고 주장했다. 그의 논문은 볼츠만의 원자론에 힘을 실어주는 중요한 문헌이었다. 안타깝게도 볼츠만은 이 논문을 알지 못했다. 

재미있는 점은 스위스 특허청 직원이 좋아한 철학자가 마흐였다. 그 직원의 이름은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이다. 아인슈타인은 1915년 12월에 논리실증주의의 발전을 주도한 독일의 철학자 모리츠 슐릭(Moritz Schlick)에게 보낸 편지에 자신이 공부한 데이비드 흄(David Hume)과 마흐의 인식론이 특수상대성이론의 탄생에 큰 영향을 주었다고 밝혔다. 

* 김현철 《강력의 탄생: 하늘에서 찾은 입자로 원자핵의 비밀을 풀다》 (계단, 2021)

원자핵 속에 있는 입자들을 결합시키는 힘인 강력이 발견되기까지 나온 과학자들의 업적을 보여준 《강력의 탄생》에 볼츠만이 잠깐 나온다.

 볼츠만은 시대를 한참이나 앞선 과학자였다. 그는 당시 사람들이 상상도 하지 않던 원자론을 주장했다. 그 이듬해에 눈으로 볼 수 있는 것만이 실재한다고 주장하던 에른스트 마흐가 빈 대학에 왔다. 볼츠만의 원자론을 따르는 사람들과 마흐를 추종하는 실증주의자들 사이에 전쟁이 시작되었다. (23쪽)

나는 《강력의 탄생》 서평에서 볼츠만을 ‘시대를 앞선 과학자’로 평가한 저자의 견해를 비판했다. 하지만 지금은 저자의 견해가 옳다고 생각한다. 볼츠만은 ‘시대를 앞선 과학자’였다. 물론 볼츠만이 원자론을 주장했다고 해서 시대를 앞선 과학자로 평가하는 건 아니다. 볼츠만이 위대한 과학자인 이유는 통계와 확률을 동원해 미시적인 원자의 세계를 설명하려고 했다는 사실이다. 미시 세계에 접근하기 위해 수학을 이용한 볼츠만의 발상은 당대 물리학자들이 생각하지 못할 정도로 희한한 것이었다(《볼츠만의 원자》 80쪽).

《볼츠만의 원자》와 《위대한 물리학자 3:　패러데이의 전자기학과 볼츠만의 통계 역학》은 볼츠만의 삶과 업적, 그리고 통계 역학을 소개한 책이다. 그런데 《볼츠만의 원자》에 오자가 있다. 정오표를 남긴다.

* 27쪽: 19세기 영국의 철학자 케인스

[주] 케임브리지 대학생 시절에 케인스(Keynes)는 철학 수업을 청강한 적이 있다. 케인스 전기(두 권으로 된 번역본이 있는데, 이 책의 부제는 ‘경제학자 · 철학자 · 정치가’다)를 집필한 경제사학자 로버트 스키델스키(Robert Skidelsky)는 철학자로서의 케인스의 면모를 주목했다. 케인스는 마르크스(Marx)가 세상을 떠난 해이기도 한 1883년에 태어났고, 1902년에 케임브리지대학에 입학했기 때문에 그는 20세기에 활동한 인물이다.

* 53쪽: 부루크너 → 브루크너(Anton Bruckner)

* 100쪽: 호이겐스 → 하위헌스(Huygens)

* 114쪽: 헨리 캐빈디쉬 → 헨리 캐번디쉬(Henry Cavendish)

* 134쪽: 내장암 → 대장암

원자핵 속에 있는 힘을 밝혀낸 과학자들의 여정

강력의 탄생 - 하늘에서 찾은 입자로 원자핵의 비밀을 풀다
김현철 지음 / 계단 / 2021년 7월

평점

3.5점  ★★★☆  B+

이 세상의 모든 물질을 구성하는 데 반드시 존재해야 하는 네 가지 힘이 있다. 그 네 가지 힘이 바로 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이다. 중력은 중량(무게)이 있는 모든 물질을 서로 끌어당기는 힘이다. 중력은 네 가지 힘 중에 가장 약하다. 하지만 중력이 약한 힘이라고 해서 절대로 가볍게 봐선 안 된다. 이 세상 모든 물질의 중량이 0이 되는 것을 ‘무중량 상태(Weightlessness state)’라고 한다. 무중량 상태가 된 물질은 공중에 뜨게 되는데, 우주선에 탑승한 우주비행사의 모습을 생각하면 된다. 용어가 생소하게 보일지 모르겠으나 그동안 우리는 무중량 상태를 ‘무중력 상태’로 잘못 알고 있었다. 중력의 상태가 0에 근접할 수 있어도 완전한 0이 되는 세계, 즉 중력이 없는 세계는 없다.

전자기력은 간단하게 말하면 전기력과 자기력의 성질을 모두 가진 힘이다. 전자기력은 강한 핵력 다음으로 힘의 세기가 강하다(강한 핵력>전자기력>약한 핵력>중력). 강한 핵력과 약한 핵력은 ‘강력과 약력’ 또는 ‘강한 상호작용과 약한 상호작용’이라고 부르기도 한다. 원자 속에 있는 이 두 가지 힘은 20세기에 이르러서야 증명되었다. 원자는 물질의 기본 입자다. 고대 그리스의 철학자 데모크리토스(Democritos)는 이 세상의 모든 것이 더 이상 쪼갤 수 없는 원자(atomos)로 이루어져 있다고 주장했다. 하지만 눈에 보이지 않은 원자의 실체가 완전히 밝혀지기까지 몇 세기를 지나야 했다. 데모크리토스의 원자론은 한동안 잊혔고, 관찰이나 실험으로 검증 가능한 지식을 옹호한 실증주의자들은 원자론을 주장한 과학자들을 공격했다. 원자의 존재가 증명되자 과학자들은 원자 속이 어떻게 생겼는지 알고 싶어 했다. 원자 속을 들여다본 과학자들은 원자의 중심 부분인 핵(원자핵) 주변에 공전하는 전자를 발견했고, 핵 속에 있는 양성자와 중성자까지 확인했다. 강력은 양성자와 중성자를 결합하는 힘이다. 약력은 양성자를 중성자로 변환시키는 힘이다. 양성자가 중성자로 변하는 현상을 ‘베타 붕괴’라고 한다. 유물이나 화석의 연대를 측정할 때 사용하는 방사성 탄소연대측정법은 베타 붕괴 현상을 응용한 기술이다.

강력과 약력은 이들보다 먼저 발견된 중력과 전자기력 못지않게 아주 중요한 힘이다. 하지만 강력과 약력의 인지도는 중력과 전자기력보다 낮은 편이다. 강력과 약력을 이해하려면 핵물리학을 공부해야 하는데, 이 학문은 과학 비전공자들이 선뜻 다가서지 못하게 할 정도로 상당히 어렵다. 강력은 네 가지 힘 중에 가장 크면서도 제일 약한 중력의 인지도에 밀려 주목을 크게 받지 못했다. 《강력의 탄생》은 이 세상에서 가장 큰 힘을 향해 스포트라이트를 비춘 책이다. 

이 책은 뢴트겐(Röntgen)이 X선을 발견한 해인 1895년부터 시작한다. 과학자들이 X선에 주목하고 있을 때 베크렐(Becquerel)은 처음으로 방사선을 발견했다. 그는 방사선에 우라늄의 앞 글자를 딴 ‘U-선(uranic ray)’이라는 이름을 붙였지만, 당대 과학자들의 주목을 크게 받지 못했다. 하지만 방사선 연구는 미시 세계를 규명하려는 물리학자들이 활동하기 좋은 ‘블루 오션’이었다. 특히 마리 퀴리(Marie Curie)는 남편 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 함께 방사선이 폴로늄(polonium)과 라듐(radium)에서도 나온다는 사실을 발견했다.

찰스 윌슨(Charles Wilson)이 만든 ‘안개상자’는 과학 역사상 획기적인 실험 장치로 평가받지만, 과학 비전공자들에게는 생소하다. 안개상자가 왜 중요한가? 이 실험 장치가 나오면서 과학자들은 눈에 보이지 않던 방사선을 볼 수 있게 되었기 때문이다. 모든 과학자는 논리실증주의자가 아니다. 하지만 과학은 새로운 이론이 나오면 여러 번의 실험을 통해 반드시 검증해야 하는 학문이다. 그러므로 원자, 방사선, 강력의 존재가 밝혀지는 데 오랜 시간이 지나야 했다. 이 길고 긴 과학적 여정에 수많은 과학자가 나섰다. 그중에 라듐과 폴로늄을 발견한 마리 퀴리, 방사선이 두 가지 형태로 이루어졌다는 사실을 확인한 러더퍼드(Rutherford), 강력의 존재를 예측한 유카와 히데키(湯川秀樹) 등은 노벨상을 받았고, 과학사에 길이 남을 위대한 학자로 기억되고 있다. 반면에 이들보다 한발 늦게 실험 결과를 보고한 과학자들은 잊혀졌다. 위대한 성과를 남겼지만, 모종의 이유로 주목받지 못한 과학자들도 있다. 이탈리아의 물리학자 도메니코 파치니(Domenico Pacini)는 우주에서 지구로 들어오는 방사선인 우주선(宇宙線)의 실체를 밝히는 데 성공했다. 그는 우주선 연구의 선구자로 알려진 빅터 헤스(Victor Hess)보다 먼저 우주선을 측정했지만, 영미와 독불(독일과 프랑스) 중심의 과학사는 파치니의 업적을 외면했다. 명성을 얻고 싶은 과학자는 자신의 연구 성과를 정리한 논문을 쓸 때 자기보다 앞선 연구 결과를 언급하지 않는 실례를 범한다. 《강력의 탄생》은 철저한 검증을 거친 뒤에야 인정받은 과학자들의 노력과 성과뿐만 아니라 잘 알려지지 않은 과학자들의 비윤리적인 모습도 보여준다.

이 책을 쓴 저자는 물리학과 교수다. 학술논문을 제외하면 《강력의 탄생》은 저자의 첫 번째 과학 교양서다. 저자는 핵물리학 발전에 기여한 과학 실험을 도판과 함께 설명했는데, 실험에 참여한 과학자들이 대화하는 장면도 넣었다. 저자가 상상해서 쓴 것이지만, 과학자들의 대화 장면을 보고 있으면 실험실 내부를 코앞에서 보는 듯한 기분이 든다. 

저자의 첫 책이라서 아쉬운 점도 있다. 과학 비전공자에게 생소한 과학 용어의 뜻을 설명한 저자의 주석이 많지 않다. 본 책 244쪽의 ‘보스-아인슈타인 통계(Bose-Einstein statistatics)’, 266쪽의 ‘코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)’, 355쪽의 ‘쿨롱 힘(Coulomb’s power)’에 대한 주석이 없다. 책에 나온 과학 용어의 의미를 간단하게 정리한 부록이 필요해 보인다. 과학 비전공자를 위한 과학 교양서라면 이런 부록이 반드시 있어야 한다.

저자는 원자론을 주장한 오스트리아의 물리학자 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)을 ‘시대를 한참이나 앞선 과학자’로 소개했다.

* 23쪽

 볼츠만은 시대를 한참이나 앞선 과학자였다. 그는 당시 사람들이 상상도 하지 않던 원자론을 주장했다. 그 이듬해에 눈으로 볼 수 있는 것만이 실재한다고 주장하던 에른스트 마흐가 빈 대학에 왔다. 볼츠만의 원자론을 따르는 사람들과 마흐를 추종하는 실증주의자들 사이에 전쟁이 시작되었다. 

이는 사실과 다르다. 데모크리토스 이후부터 잊힌 원자론을 주장한 최초의 과학자는 존 돌턴(John Dalton)이다. 돌턴이 살았던 당시에 원자의 실체를 확인할 방법이 없었고, 원자의 존재를 받아들이지 않는 과학자들이 많았다. 돌턴의 근대적 원자론이 알려지게 되면서 원자의 존재 여부를 둘러싼 과학자들의 논쟁이 시작되었고, 원자론자 볼츠만과 이에 맞선 실증주의자 마흐(Ernst Mach)가 활동한 20세기 초에도 이어졌다. 따라서 볼츠만이 원자론을 주장했다고 해서 ‘시대를 한참이나 앞선 과학자’로 보기 어렵다.

* 53쪽

 영국에서 1만 8000천 킬로미터나 떨어진 뉴질랜드, 그곳에서도 한참 더 들어가면 남쪽 섬의 북부 한 귀퉁이에 넬슨이라는 자그마한 항구도시가 있다. 트라팔가르 해전에서 스페인 함대를 무찌른 넬슨 제독의 이름을 따왔다.

트라팔가르 해전(Battle of Trafalgar)은 영국 함대와 프랑스-스페인 연합 함대가 맞붙은 전투다.

강력을 발견하기 위한 과학자들의 여정은 쿼크(quark)와 강력이 작용하는 강입자인 파이온(Pion)이 처음 발견된 해인 1947년에 마무리된다. 물론 이 여정이 여기서 끝난 건 아니다. 1895년부터 1947년까지의 과학적 여정은 ‘강력의 탄생’을 알리는 서막이다. ‘강력의 실체’를 이해하기 위한 여정이 남았다. 《강력의 탄생》의 저자는 1947년 이후의 이야기를 담은 후속편을 예고했다. 후속편에서는 쿼크를 비중 있게 다룰 것으로 보인다. 아직 나오지 않은 책에 감히 제목을 정한다면, ‘쿼크의 탄생’이다.

※ 정오표

* 244쪽: 핵물학 → 핵물리학

* 288쪽: 194년 → 1949년

‘눈만 뜬 바보’로 만드는 맹점들

리얼리티 버블
지야 통 지음, 장호연 옮김 / 코쿤북스 / 2021년 1월

평점

3.5점  ★★★☆  B+

“아무리 눈을 부릅떠도 안 보이는 건 안 보이는구먼.”

(영화 <자토이치>의 마지막 대사)

우리는 심각한 상황을 보고도 제대로 알지 못한 채 살아가고 있다. 이런 심각한 상황이나 오류를 초기에 신속히 발견해서 대처하지 못하면 치명적인 피해를 주는 큰 문제로 번질 수 있다. 이와 관련해서 ‘하인리히 법칙(Heinrich’s Law)’이란 게 있다. 대형사고 1건이 일어나기 전에 작지만 비슷한 사고가 29건이나 일어나고 사소한 징후는 300건이 발생한다는 법칙이다. 불길한 조짐을 예의 주시하는 사람들도 있다. 하지만 그중 일부는 경미한 징후가 ‘찻잔 속의 태풍’으로 끝날 거라고 지레짐작한다.

캐나다의 과학 저널리스트 지야 통(Jiya Tong)은 대형사고의 결정적 원인이 되는 문제를 미처 보지 못하는 인간을 ‘현실 거품’, 즉 리얼리티 버블(reality bubble) 속에 갇힌 존재라고 말한다. 거품은 우리를 둘러싼 일상이다. 일상은 평화롭고 안정적이다. 거품 속 세계에 익숙한 우리는 일상 너머에 있는 심각한 상황을 보지 못한다. 거품이 터지면 대형사고가 일어나고, 발등에 불이 떨어지고 나서야 심각한 상황을 실감한다. 거품 속에 있는 우리는 세상을 정확하게 바라보고 있다고 믿지만, 실제로는 거품 밖에 일어난 파국의 징후를 제대로 보지 못하거나 종종 외면한다.

보이는 것만이 전부가 아니다. 우리가 눈으로 보면서 인식할 수 있는 범위가 제한되어 있어서 눈을 뜨고 있어도 나 자신에게 닥칠 수 있는 경미한 문제를 보지 못한다. 그래서 우리는 ‘맹점’이라는 약점을 가지고 있다. 맹점은 현실 거품을 터뜨리는 경고성 징후를 보지 못하게 만든다. 지야 통의 《리얼리티 버블》은 우리를 ‘눈만 뜬 바보’로 만드는 맹점들을 소개한다. 

우리는 아주 크거나 아주 작은 규모의 존재나 사건을 의식하지 못한다. 그것들을 눈으로 보지 못하기 때문이다. 그래서 기후 온난화 같은 현재 진행형인 전 지구적 문제의 심각성에 둔감하다. 또 우리에게 이로운 미생물과 그 역할에 대해 무지하다. 미생물이 질병을 일으키는 유해한 존재라고 생각한다. 지구의 유일한 주인이라고 믿는 우리는 주변 세상과 다른 존재와 상호 연결되어 살아가는 방식을 망각한다. 자신이 생물보다 한 단계 수준 높은 우월한 존재라고 본다. 인간만이 감각과 의식을 갖춘 유일한 존재라는 착각은 인간 중심주의의 한 예다. 인간 중심주의는 동물을 인간을 위해서 마음껏 이용할 수 있는 자원으로 대한다. 지금까지 언급한 것은 개인이 가지고 있는 맹점들이다. 맹점은 개인의 타고난 약점으로만 작용하는 게 아니다. 한 집단 전체나 사회 안에서 작용하는 맹점도 있다. 

물과 전기가 없는 일상을 상상하기 싫다. 우리는 물과 전기의 소중함을 잘 알면서도 물과 전기가 어디서 오는지 제대로 설명하지 못한다. 우리가 버린 쓰레기가 어디서, 어떻게 처리되고 있는지도 모른다. 그래서 물과 전기를 낭비하고, 환경오염의 주범 중 하나인 플라스틱을 무분별하게 쓰고 버린다.

맹점을 명확하게 인식하지 못한 삶이 지속할수록 지구의 수명은 줄어든다. 지구의 수명이 줄어들면 인류 최후의 날이 앞당겨진다. 맹점을 외면하면서 현실 거품을 안정적으로 유지하는 일에만 매달릴 수 없다. 터진 거품을 또 만드는 일은 거품 밖의 문제들을 소극적으로 보게 만드는 미봉책에 불과하다. 저자는 맹점의 오류에서 벗어나 현실을 제대로 볼 수 있는 도구를 제시한다. 그 도구는 바로 ‘과학’이라는 이름의 렌즈다. 과학 렌즈는 우리의 현실 인식 범위를 좁게 만든 낡은 세계관에 의문을 품게 만들며 맹점을 보게 만든다. 

하지만 과학이 모든 문제를 해결할 거라는 막연한 기대를 하지 말자. 객관적이고 가치중립적인 과학은 이 세상에 있을 수 없다. 과학도 이데올로기에 영향을 받기 때문이다. 자본과 권력과 결탁한 과학은 정확한 사실을 왜곡하고 은폐한다. 따라서 과학 렌즈를 최대한 깨끗한 상태로 유지하면서 사용하려면 계속 연마해야 한다. 그러려면 지식을 의심하고 비판할 줄 아는 자세와 회의적인 사고를 늘 유지해야 한다. 과학 렌즈 연마를 꾸준히 하지 않으면 가까이 있는 문제를 잘 볼 수 없는 원시(遠視)를 교정할 수 없다.

※ Mini 미주(尾註)알 고주(考註)알

[주1]

* 86쪽

 주기율표에 나오는 118개의 원소 가운데 26개가 인간이 인위적으로 만든 것이다.

[주1] 가속기나 원자로를 이용해 인위적으로 핵반응을 일으켜 만들어진 방사선 원소를 인공 원소(artificial element)라고 한다. 자연에 아주 적은 양으로 존재하거나 특정 조건에서만 생기는 원소는 수명이 짧다. 인위적으로 만들 수 있는 미량의 천연 원소 역시 인공 원소로 분류하기도 한다. 따라서 인공 원소를 명확히 정의하기 어렵다. 인공 원소의 정의를 어떻게 보느냐에 따라 인간이 인위적으로 만든 원소의 개수가 달라질 수 있다.

[주2]

* 87쪽

트리니티는 인류 최초의 핵무기였다.

[원문]

Trinity was the world’s first nuclear weapon.

[주2] 인류 최초의 핵무기는 1945년 8월 6일, 9일에 각각 일본의 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄이다.

[주3]

* 413쪽

발렌타인데이 → 밸런타인데이

[주4]

* 441쪽

 g[중력 상수]가 지금보다 작았다면 빅뱅의 먼지는 그냥 계속해서 팽창하여 은하, 항성, 행성 그리고 우리로 결코 뭉쳐지지 않았을 것이다. 중력 상수의 값은 생명이 존재하기에 딱 적당하다.

[주4] 중력 상수(gravitational constant)는 대문자 G로 표시한다. 소문자 g는 중력가속도(gravitational acceleration)를 뜻한다.

그림으로 만들어진 과학의 정원

뷰티풀 사이언스 - 한눈으로 보는 과학의 실체, 그리고 그 아름다움과 경이
아이리스 고틀립 지음, 김아림 옮김 / 까치 / 2019년 3월

평점

2.5점  ★★☆  B-

솔직하게 말하면 과학의 법칙을 구구절절 설명한 형식으로 이루어진 과학 교과서는 재미없다. 과학 교과서에 사진과 그림이 많이 있어야 한다. 그런 교과서로 공부한다면 지루하지 않을 거고, 외워야 할 과학 용어의 의미나 법칙을 이해하기 더 쉽다. 하지만 아기자기한 시각 정보로 과학을 설명하는 방식에도 단점이 있다. 눈으로 보는 내용만이 과학의 전부가 아니다. 시각 정보로 풀어 쓰지 못한 과학은 중요한 내용임에도 불구하고 사람들의 관심을 받지 못한다. 추상적이고 복잡한 개념을 억지로 간단명료하게 설명하려고 시도하다가 개념의 핵심이 와전될 수 있다. 이러면 사실과는 다른 잘못된 과학 상식이 널리 퍼지게 된다.

《뷰티풀 사이언스》는 ‘눈으로 보는 과학 교과서’의 예시로 들 수 있는 책이다. 이 책을 쓴 저자 아이리스 고틀립(Iris Gottlieb)은 과학에 관심이 많은 일러스트레이터다. 그는 또 과학관과 박물관에 일한 적이 있는 아마추어 과학자이기도 하다. 저자는 어렸을 때부터 자연을 조사하고 기록하는 것을 좋아했다. 그래서 과학 상식들을 모아서 그림으로 그린 자신의 작업을 나뭇잎으로 화려한 둥지를 짓는 바우어 새(bower bird)로 비유한다. 바우어 새의 별명은 ‘정원사 새’다. 《뷰티풀 사이언스》를 한마디로 표현하면 ‘과학의 정원’이다. 이 과학의 정원은 세 가지 테마로 구성되었다. 세 가지 테마는 생명과학, 지구과학, 물리 과학이다. 이해하기 쉬운 과학은 아름답고 매혹적이다. 그런 과학을 이해하면 느낄 수 있는 경이로움을 사람들에게 공유하는 것은 아주 유익한 일이다. 

빙하의 구조를 초코바로 비유해서 설명한 점이 인상적이다(84~85쪽). 빙하는 초코바 속에 채워진 캐러멜이라면 흙은 쿠키, 바위는 캐러멜에 박힌 땅콩 가루이다. 《뷰티풀 사이언스》는 과학 교과서에 나오지 않은 과학 상식도 다룬다. 우주 탐사 실험에 투입된 동물의 목록(44~45쪽)은 경이롭고 아름다운 과학의 이면이다. 과학의 역사는 과학의 발전에 기여한 과학자의 이름만 새길 뿐, 익명의 피실험자를 지운다.

그런데 ‘그림으로 만들어진 과학의 정원’을 거닐다가 의아한 사실을 발견했다. 과학의 정원 안에 아인슈타인(Einstein)의 특수상대성이론과 일반상대성이론이 없다. 시간과 공간에 대한 정의를 뒤집은 가장 중요한 과학적 발견이 언급되지 않다니. 저자가 상대성이론에 대한 그림을 그리지 않은 이유가 궁금하다.

우주의 별빛은 원래 노랗지 않다

100개의 별, 우주를 말하다 - 불가해한 우주의 실체, 인류의 열망에 대하여
플로리안 프라이슈테터 지음, 유영미 옮김, 이희원 감수 / 갈매나무 / 2021년 1월

평점

3.5점  ★★★☆  B+

바나나는 노랗다. 그러나 껍질을 벗긴 바나나의 부드러운 과실은 하얗다. 2006년에 모 유제품 업체가 ‘바나나는 원래 하얗다’라는 파격적인 이름을 내건 흰색 바나나 우유를 출시했다. ‘바나나는 원래 하얗다’는 오랜 기간 동안 소비자들로부터 사랑을 받아온 노란색 바나나 우유의 아성을 깨기 위해 나왔다. 하지만 새로운 제품을 홍보하는 것만으로 오랫동안 사람들의 머릿속에 깊게 박힌 인식을 확 빼내기가 쉽지 않다. 우리는 어렸을 때부터 바나나를 그리면 무조건 노란색으로 칠했다. 밤하늘에 빛나는 별빛도 마찬가지다. 별을 노란색으로 그리라고 처음으로 알려준 사람이 누구인지 기억하지 못해도 별을 그렇게 그리는 것을 당연하게 여겼다.

화가를 포함한 대다수 사람은 별빛이 노란색으로 보인다. 하지만 흰색 바나나 우유의 이름에 빗대어 말하자면 우주의 별빛은 원래 노랗지 않다. 물론 노란 별은 분명히 존재한다. 하지만 셀 수 없을 정도로 엄청나게 많은 별이 모두 노랗지 않다. 만약에 당신의 아이가 붉은 별, 파란 별을 그렸다면 칭찬해주시라. 실제로 붉은 빛과 파란빛을 내는 별이 있다. 별은 다양한 색깔의 빛을 낸다. 그렇지만 실제로 우리 눈에 보이는 건 하얀 빛이다. 우리 눈은 완벽한 시각 능력을 지니고 있지 않다. 우리 눈은 여러 가지 색이 혼합된 별빛을 감지하면, 각각의 색을 구분해서 보지 못한다.

《100개의 별, 우주를 말하다》에는 별에 대한 우리의 고정관념을 깨뜨리는 흥미진진한 과학적 사실이 담겨 있다. 그 내용 중 하나가 바로 앞서 언급한 별빛의 색깔에 관한 것이다. 이 책에 소개된 첫 번째 별은 태양이다. 태양은 낮에만 뜨는 별이다. 우주에 짠맛이 날 것 같은 별이 있다. 오리온자리의 Orion Source Ⅰ의 주변에 소금의 주성분인 염화소듐(역자는 ‘염화나트륨’으로 표기했다. 대한화학회는 나트륨 대신에 ‘소듐’을 쓰도록 권장하고 있다. 하지만 ‘나트륨’으로 써도 문제 될 게 없다)이 있다. 염화소듐은 별이 만들어지면서 생긴 원소 중 하나다. 우주에 가장 많이 있는 원소는 수소와 헬륨이다.

책은 100개의 별에 관한 이야기를 보여주지만, 지금까지 발견된 별의 정보가 담긴 최신 목록에 따르면 우주에 존재하는 별의 개수는 16억 9,291만 9,135개이다. 무한한 우주를 생각하면 이 별의 개수는 미미한 수치다. 우주에 우리 은하 외에도 수천억 개의 은하(외부 은하)가 있는데, 그 은하들 속에 수천억 개의 별이 있을 것으로 추산된다. 무엇을 얻거나 성취하기가 매우 어려운 상황을 ‘하늘의 별 따기’라고 표현한다. 인류의 능력으로는 불가능해 보이는 일을 ‘우주에 있는 별 세어 보기’라고 표현해야 할 것 같다.

※ Mini 미주(尾註)알 고주(考註)알

[주1]

* 104쪽

[주1] 소제목(‘까닭을 알 수 없는 불길함’)이 중복되어 나왔다.

[주2]

* 119쪽

[주2] 운석 충돌이 공룡 멸종의 원인이라고 주장한 학자는 루이스 월터 앨버레즈(Luis Walter Alvarez)와 월터 앨버레즈(Walter Alvarez)다. 두 사람은 부자(父子) 관계다. 책에 ‘지질학자 월터 앨버레즈(Luis Walter Alvarez)’라고 잘못 적혀 있다. 루이스 월터 앨버레즈는 1968년에 노벨 물리학상을 받은 실험물리학자다. 그의 아들 월터 앨버레즈가 지질학자다.

[주3]

* 280쪽

[주3] ‘캐롤라인’의 오자. ‘캐롤린’의 철자는 ‘Carolyn’다.

[주4]

* 287~288쪽

 고양이 애호가들은 ‘사자자리’, ‘작은사자자리’, ‘살쾡이자리’로 만족해야 할 것이다. 한 가지 기쁜 소식은 2018년 국제천문연맹은 별 목록상 HD 85951이었던 별에 공식적으로 ‘펠리스(Felis, 라틴어로 고양이라는 뜻)’라는 명칭을 부여했다는 것이다(‘펠리스’는 고양이를 뜻하는 라틴어다).

[주4] 중복된 문장이 있다.