인류의 100대 과학 사건(41-60)

41. 종두법 시행

천연두는 고대부터 많은 사람들의 생명을 앗아간 무서운 질병이었다. 살아남은 사람들도 얼굴에 천연두 감염의 영구적인 흔적인 곰보자국을 지니고 살아가야 했다.

하지만 일찍부터 한 번 천연두에 걸린 사람은 다시 걸리지 않는다는 사실은 널리 알려져 있었다. 중국, 인도, 중동에서는 천연두 환자의 딱지를 코로 들이쉬거나 부스럼에서 나온 고름을 미감염된 사람의 팔에 낸 상처에 대는 방법으로 천연두를 예방했는데 이를 인두접종(人痘接種)이라 한다. 인두접종은 1717년 터키 주재 영국 대사의 아내가 영국에 처음 도입하여 서구의 천연두 사망률을 크게 낮추었으나, 인두접종에 의해 오히려 천연두에 걸리거나 전염될 위험부담이 있었다.

안전한 천연두 예방법을 처음으로 발견한 것은 영국의 의사 제너(Edward Jenner, 1749-1823)였다. 그는 자신의 환자 중에 우두에 감염된 소에게 전염된 후 천연두에 걸리지 않는 사례가 있음을 발견하고, 관찰 끝에 우두가 천연두를 예방할 수 있음을 깨닫게 되었다. 그는 1796년 우두에 걸린 소의 부스럼에서 약간의 액을 채취하여 건강한 소년에게 옮겨 천연두를 예방하는데 성공했다. 이 소년은 인간의 천연두를 사용하지 않고 천연두에 대한 예방접종을 받은 첫 번째 사례가 되었고, 우두접종은 인두접종보다 높은 안전성과 예방효과를 나타냈다. 제너의 백신 덕분에 1977년 세계보건기구(WHO)는 천연두가 지구상에서 마침내 근절되었다고 발표했다.

 

42. 볼타전지의 발명

18세기는 초기의 전기현상 연구에서 많은 발견과 발명이 이어진 시기였다. 1745년에 무셴브뢰크가 라이든 병을 발명함으로써 정전기현상에 대한 연구가 활발해졌고, 18세기 중엽 프랭클린이 천둥을 전기방전현상으로 설명하였으며, 1780년대에는 쿨롱에 의해 쿨롱의 법칙이 증명되었다.

18세기 말 경 볼타(Alessandro Volta, 1745-1827)에 의해 처음으로 전지가 만들어짐으로써 전기현상에 대한 연구는 더욱 활성화되었다. 파비아 대학의 물리학 교수였던 볼타는 갈바니가 실험·보고한 개구리 다리의 전기 현상을 갈바니와는 달리 물리적 전기 현상으로 파악했다. 그는 개구리의 다리는 종류가 다른 두 가지 금속의 접합에 의해 발생하는 전기의 민감한 검출기에 불과할 것이라고 생각하고, 여러 종류의 금속을 조합하여 비교하는 실험을 통해 금속의 종류에 따라 전기현상의 효과가 달라진다는 사실을 보임으로써 자신의 생각이 옳음을 확인했다. 이어 1799년에 금속 쌍을 산성 용액에 담그고, 잠기지 않은 두 끝을 연결하면 회로가 생겨 전기가 계속 흐르는 것을 발견하고, 그 원리를 이용해 최초의 화학전지를 발명했다.

볼타가 만든 '전지'는 단발적인 전기 방전을 만드는 데 그치던 당시의 라이든 병과는 달리 전기가 계속적으로 흐르게 하는 장치였다. 그것은 당시 조금씩 생기고 있던 '전류'라는 개념으로 성큼 다가선 것이었다. 전지의 발명에 힘입어 19세기에는 전기에 관한 획기적인 과학적, 기술적 성과들이 쏟아져 나올 수 있었다.

 

43. 기체팽창법칙 발견

기체의 성질에 관한 연구는 근대 과학이 탄생한 이래 과학자들에 의해 꾸준히 탐구되어 왔다. 그 결과 기체의 압력, 온도, 부피 사이의 관계가 각각 보일, 샤를에 의해 발견되어 그들의 이름을 따라 보일의 법칙, 샤를의 법칙이라 불리게 되었다. 보일의 법칙이란 일정한 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다라는 것이고 샤를의 법칙이란 일정한 압력 하에서 기체의 부피는 온도에 비례한다는 것이다.

기체에 대한 연구는 그 후로도 계속 진행되어 왔지만 기체의 상태에 대한 더욱 체계적인 접근을 할 수 있게 된 것은 19세기 기체 분자 운동론이 발달하면서부터이다. 이 이론은 기체를 분자나 입자의 형태로 단순화시켜 기술하는 이론으로서 볼츠만과 맥스웰이 그 기초를 쌓았다. 이에 따른 기체 운동 모형은 다음과 같다. 첫째 기체는 무질서하게 운동하는 많은 동일한 분자들로 이루어져 있으며, 분자들은 분자의 크기에 비해 상대적으로 멀리 떨어져 있다. 둘째, 분자 상호간의 충돌이나 용기 벽과의 충돌은 에너지 결손이 없는 완전탄성충돌일 뿐이고 분자들은 서로 상호작용을 하지 않는다. 셋째, 분자간의 운동 에너지의 변환된 형태가 열이다. 이런 단순화된 가설을 이용함으로서 앞의 두 가지 기체 법칙들을 수학적으로 유도할 수 있게 되었다.

 

44. 기차의 등장

철도의 기원은 광산업에서 찾을 수 있는데 처음에 철도는 탄광 내부에서 사용되다가 점차 탄전 지방과 공업 지역을 잇는 운송 수단으로 자리잡았다. 19세기에 접어들면서 영국의 많은 기술자들은 매끄러운 레일과 차륜을 직접 접촉시켜 그 마찰로 기차를 움직일 수 있는 방법을 강구하기 시작하였다.

1804년 트레비틱(Richard Trevithick)은 시속 4마일의 증기기관차를 세계 최초로 제작하였다. 증기 기관차의 아버지로 불리는 스티븐슨(George Stevenson)은 1814년에 상업적으로 활용할 수 있는 시속 12마일의 증기 기관차를 개발하였다. 세계 최초의 철도라 할 수 있는 리버풀-멘체스터 철도는 1830년에 개통되었는데 스티븐슨이 개량한 로켓(Rocket)호가 시속 14마일로 달림으로써 철도에 대한 붐을 일으켰다.

1850년대와 1860년대를 거치는 동안 세계 각국은 경쟁적으로 철도를 건설하였고 이에 따라 마차와 운하는 기차에게 지배적인 운송 수단의 자리를 넘겨주게 되었다. 철도의 발달을 계기로 국내 시장의 단일화가 이루어져 지방 경제는 국민 경제의 차원으로 승화되었다. 또한, 철도 건설은 금속, 연료, 기계 등을 대량으로 요구했기 때문에 다른 산업 부문에도 엄청난 파급 효과를 낳았다. 그리고, 철도 건설과 운영에는 엄청난 자본과 체계적인 관리가 필요했기 때문에 철도를 매개로 근대적 대기업이 형성되었다.

철도의 원활한 운영을 위하여 표준화 작업도 전개되었는데, 미국의 경우에는 궤간의 크기가 4피트 8.5인치로 통일되었고 전국을 4개의 구역으로 나누어 표준 시각이 정해졌다. 이러한 점에 비추어 볼 때 19세기는 철도의 시대라고 해도 과언이 아니다.

 

45. 돌턴의 원자설 등장

모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자로 구성되어 있다는 생각은 아득한 고대부터 존재했다.

돌턴은 오랫동안 기체의 여러 가지 성질을 연구하던 중, 여러 가지 기체의 물에 대한 용해도를 설명하기 위해서 각종 기체들이 무수한 입자들로 이루어져 있을 것이라는 생각을 하게 되었다. 즉 모든 기체는 각기 고유한 작은 입자들로 되어 있어서 이 입자의 크기에 따라 물에 대한 용해도가 달라지는 것이라고 생각했던 것이다. 이것이 단서가 되어 그의 최대의 공적인 원자설이 탄생하게 되었다.

돌턴은 1803년 원자설의 대체적인 구상을 끝내고 1808년에 원자설을 세상에 공포했다. 돌턴은 모든 원소의 원자는 공과 같이 둥근 모양이라고 상상하고 이것들의 모형을 만들어 화합물의 구조를 원자 개념으로 모형적으로 표시하기도 했다. 이와 같은 돌턴의 원자설은 옛날 그리스의 철학자들의 원자설과 거의 비슷하지만, 원자의 질량을 특히 강조한 것은 돌턴의 학설의 특이한 장점이다.

돌턴은 수소 원자를 표준으로 하고, 그 원자량을 1로 정한 다음 다른 원자의 원자량을 결정하려고 했다. 지금의 관점에서 보면 틀린 부분도 많지만 그 당시의 정량 분석 방법이 아직도 유치했고 돌턴의 실험 기술도 그리 뛰어나지 못했기 때문에 그렇게 문제가 되지 않았다. 돌턴의 원자량의 결함은 가장 잘 알려져 있는 화합물의 식을 가장 간단한 식으로 표시하려는데 있는 것인데, 여기에는 어떤 필연성도 없고 합리적인 기초도 없었다. 그러나 화학 변화가 일어날 때 여기에 관여하는 물질의 무게 변화에 규칙적인 어떤 관계가 있다고 하는 것을 원자설에 의해 간단 명료하게 설명할 수 있게 된 것은 돌턴의 원자설의 하나의 장점이라고 할 수 있다.

 

46. 아보가드로 가설

돌턴의 원자설, 즉 원자는 더 이상 쪼갤 수 없다는 설과 게이 뤼삭의 기체 반응 법칙을 동시에 모두 성립시키는데는 아보가드로의 분자설이 필요하다. 1811년 아보가드로는 "같은 부피 속에 들어있는 기체의 분자 수는 기체의 종류에 관계없이 모두 같다"는 분자설을 발표했다. 게이 뤼삭이 기체 반응의 법칙을 증명하기 위해 이용한 산화 질소 반응을 돌턴의 원자설과 결합시켜 합리적으로 이 두 가설을 성립시키려면 필연적으로 아보가드로의 법칙에 도달하게 된다.

이 아보가드로의 법칙이 곧 학계에서 채택이 되었던들, 그 후에 원자량의 혼란 등 여러 가지 문제가 없었을 것이다. 그런데 이 법칙은 1858년에 그의 제자인 칸니자로에 의해 인정될 때까지 약 50여 년을 암흑 속에서 빛을 보지 못하고 파묻혀 있었고, 자신의 학설이 세상에서 인정되어 빛을 보기 몇 해 전에 아보가드로는 80세의 긴 일생의 막을 내렸다.

당시에 이 법칙은 아보가드로의 가설이라고 불렸다. 이 가설은 현대 화학의 이론 체계를 세우는 근본을 확고히 하였다고 할만큼 중요한 것이었고 돌턴의 원자설의 결함을 충분히 설명해 주고 있음에도 불구하고, 그 당시에는 가치를 인정받지 못하였던 것이다. 1860년 칼스루에에서 열린 만국 화학 회의에서 화학 기호의 통일 문제를 협의하였을 때, 아보가드로의 제자인 칸니자로가 그의 업적을 소개하여 비로소 아보가드로의 위대함이 인정받았다. 그의 가설은 오늘날 아보가드로의 '법칙'이라 바꾸어 일컬어지고 있다.

 

47. 뵐러의 요소유기합성 성공

19세기가 시작될 무렵의 유럽에서는 무기화학은 광물분석을 중심으로 상당히 발전해 있었던 데 비해, 유기화학분야는 상대적으로 매우 낙후되어 있었다. 그 주된 걸림돌 중의 하나는 생기론의 영향이었다.

당시의 대부분의 화학자들은 유기물이 만들어지기 위해서는 살아있는 유기체에만 있는 이른바 '생명력'의 작용이 반드시 필요하며, 따라서 유기물은 살아있는 유기체의 몸에서만 만들어질 수 있을 뿐 무기물로부터 인공적으로 합성하는 일은 불가능하다고 생각했다. 나아가 특별한 현상인 생명과 관계되는 유기물은 무기화학에서 일반적으로 인정되는 기본적인 화학법칙에 반드시 따르지는 않는다고도 생각했다.

유기물질에 대한 화학적인 접근을 크게 위축시키고 있던 이런 생각들은 1820년대에 독일의 화학자 뵐러(Friedrich Wöhler, 1800-1882)가 무기물인 시안산과 암모니아로부터 대표적인 유기물인 요소를 합성해냄으로써 흔들리기 시작했다. 물론 뵐러 당시의 실정으로는 시안산의 염류는 동물의 뿔이나 혈액 등으로부터 만들 수 있는 것이었으므로 생명력과 전혀 관계가 없다고는 할 수 없었다.

생기론에 대한 결정적인 타격은 10여년 후 콜베와 베르텔로가 탄소, 수소 등의 원소로부터 직접 유기화합물을 합성해냄으로써 비로소 가능해졌다. 그러나 뵐러의 요소합성은 생기론에서 벗어나 곳곳에서 유기합성을 시도하도록 방향선회를 시켰다는 점에서 초창기 유기화학에 하나의 이정표가 되었다.

 

48. 콘크리트 제조

건축 기술은 19세기에 시멘트와 강철이 사용됨으로써 현격히 발전하였다. 시멘트에 대한 특허는 1824년에 아스프딘(Joseph Aspdin)이 취득했으며, 대규모 시멘트 공업은 1850년대에 포틀런드(Potland) 시멘트가 개발되면서 시작되었다. 시멘트에 모래와 자갈을 섞고 물을 가하면 단단한 콘크리트가 된다. 한편, 1850년대부터 각종 제강법이 개발되면서 강철이 건축물에도 활용되기 시작하였다. 1899년 파리 만국 박람회의 인기를 독차지한 에펠탑은 강철이 수직 건물에도 사용될 수 있다는 것을 보여준 상징적인 건축물이었다.

이러한 두 가지 기술적 전통은 철근 콘크리트(reinforced concrete)를 통해 결합되었다. 즉, 철근으로 망을 먼저 세운 다음 그 주위에 콘크리트를 부어 그 철근이 콘크리트를 강화시켜 주는 것이다. 철근 콘크리트는 1867년에 모니에르(Joseph Monier)가 개발한 후에 지속적인 개량을 거쳐왔다. 그 중 대표적인 것은 콘크리트를 주형하는 과정에서 철근을 잡아들이는 압축 콘크리트를 들 수 있는데, 이것은 외벽이 얇거나 하중이 큰 건축물에 널리 사용되고 있다.

콘크리트의 사용으로 가능해진 빌딩은 오늘날 대도시에서 흔히 볼 수 있는 건축물이 되었다. 또한, 콘크리트는 거대한 굴착 장비의 발전과 결합되어 도로나 댐과 같은 대규모 건설공사를 가능하게 하였다.

 

49. 비유클리드 기하학의 탄생

1820년대에는 기하학에 있어서 대혁명이 발생하였다. 1826년 2월 로바체프스키는 유클리드의 평행성의 공리를 부정하고, 〈평행상의 직선 l 밖의 한 점을 지나서 이 평행선의 주어진 직선 l과 만나지 않는 무수히 많은 직선을 그을 수 있다〉라는 공리를 설정한 새로운 기하학이 성립한다는 것을 발표하였다. 이것이 소위 비유클리드 기하학이다. 헝가리의 볼야이도 로바체프스키와는 전혀 독립적으로 같은 기하학을 만들었다. 가우스도 같은 생각에 도달하여 있었지만 공표하지 않았다고 한다.

한편 폰슬렛(Poncelet)은 〈도형의 사영적 성질에 대하여〉라는 논문을 1822년에 발표했다. 그는 이 논문에서 사영기하학에 있어서의 쌍대의 원리를 밝혔고, 이 논문은 오늘날 사영기하학의 한 기초를 이루었다. 몽제(Monge), 카르노(Carnot) 등의 프랑스 수학자들에 의하여 고안된 사영기하학의 연구는 비유클리드 기하학을 비약적으로 발전시켰다.

 

50. 패러데이의 전자기 유도법칙

1831년 영국의 과학자 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)는 전자기 유도 현상을 발견했다. 1820년 덴마크의 물리학자 외르스테드는 전류가 나침반, 즉 자기장을 움직이게 한다는 사실을 발견했고, 패러데이는 여기서 한 걸음 더 나아가 자석을 움직여 주면 전류가 흐른다는 사실을 알아낸 것이다. 전자는 전동기의 원리이고 후자는 전기 에너지를 얻을 수 있는 원천인 발전기의 원리이다.

전자기 유도법칙이 중요한 이유는 그것이 발전기의 발명을 가능하게 했다는 것에 머물지 않는다. 이것은 전기와 자기가 본질적으로 연결되어 있다는 것을 보여주었고, 전자기장(electromagnetic field)이라는 독특하고 중요한 물리 개념을 가져오는 데 큰 역할을 했다. 이 개념과 전자기 법칙에 대한 수학적 정식화는 패러데이의 후배 물리학자 맥스웰에 의해 이루어졌다.

한편 패러데이는 1834년 전기분해 실험을 통해 '패러데이 법칙'을 발견했는데, 이것은 전기화학의 가장 기본적인 법칙이다. 전해질 용액에 전류를 흘려줄 때 전극에서 생성되는 물질의 양은 화학 당량의 정수배가 되는데 1당량은 흘려준 전기량과 관련있다는 것이다. 우리는 그를 기념하여 '패럿(farat)'이라는 단위로 전기분해할 때의 전기량을 표시하고 있다.

 

51. 전동기 발명

1796년 볼타가 전지를 발명함으로써 전기를 실제로 사용할 수 있게 된 이래, 1820년에 외르스테드가 전류의 자기작용을 발견하고 1831년에 패러데이가 전자기 유도 현상을 발견하는 등, 19세기 전반에는 전기학상의 많은 발견이 이루어졌다. 이러한 발견과 함께 전기의 힘으로 기계적인 작업을 하는 장치인 전동기의 개발도 다각도로 시도되었다.

이미 1821년에 패러데이는 전기를 흐르게 한 철사 주위에 자석을 회전시키는 장치를 고안한 바 있으며, 전자기유도현상이 발견된 직후에 앙페르의 기계공이었던 픽시(H. Pixxi)는 최초로 회전하는 전기발생기를 제작하기도 했다. 그러나 이러한 시도들은 실험실 수준을 넘어서지 못했다.

1834년에 러시아의 기술자 야코비(M.H. von Jacobi)는 실제의 작업에 사용될 수 있는 최초의 전동기를 개발하였다. 그는 자신이 발명한 전동기 40대를 하나로 묶고 320개의 전지를 사용하여 선박을 가동시켰다. 1842년에는 영국의 기술자 데이비드슨(R. Davidson)도 전동기로 선반을 가동시키고 2인승 전차를 만들어 달리게 하기도 했다. 그러나 이상의 시도는 대체로 전지를 사용한 것이어서 경제성이 떨어졌고 따라서 산업계에서 적극적으로 활용되지 못했다. 전동기의 실용화를 위해서는 지속적으로 전기를 공급할 수 있는 발전기의 발달을 기다려야 했다.

 

52. 다윈의 진화론 등장

코페르니쿠스의 지동설과 함께 다윈의 진화론은 인류의 자존심을 추락시킨 2대 이론으로 불리곤 한다. 지동설이 지구와 인간을 우주의 중심으로부터 밀어낸 것처럼 다윈은 인간이 신의 형상을 본떠 만들어진 것이 아니라 원숭이를 닮은 조상으로부터 진화했다고 주장함으로써 격렬한 종교적, 윤리적 논쟁과 큰 반향을 불러 일으켰다. 다윈의 이론은 생물이 진화한다는 사실 자체를 처음으로 제시한 것은 아니었지만 '자연선택'이라는 메커니즘을 구체적이고 체계적으로 제시함으로써 인류 과학사에 큰 혁명을 가져왔던 것이다.

다윈은 1809년 영국 잉글랜드 서부 지방인 실즈베리의 부유한 의사 집안에서 태어났다. 아버지의 뜻에 따라 의학을 공부하기 위해 1825년 에딘버러 대학에 입학했으나 의학공부에 흥미를 느끼지 못하던 그는 채집과 표본 조사로 시간을 보내곤 했으며, 이후 아버지의 권유에 의해 목사가 되기 위해 케임브리지 대학으로 진학한 후 지질학과 생물학에 깊이 매료되었다.

다윈은 1831년 영국 해군의 조사선 비글호에 승선하여 이후 5년간 세계 각지를 탐험했다. 그는 특히 갈라파고스 군도에서 나타나는 독특한 군집과 한 종에서 나타나는 다양한 형태를 보고, 그처럼 형태가 조금씩 다른 것은 원래 그렇게 창조되었기 때문이 아니라 지리적인 환경의 차이에서 비롯되었다고 생각했다. 비글호 항해를 마치고 돌아온 1837년 무렵부터 다윈은 생물이 진화한다는 생각을 굳히고 있었으며, 진화의 메커니즘이 '경쟁'일 것이라고 보았다.

다윈의 진화론은 19세기말에 정립된 생물학의 출현에 큰 영향을 주었으며, 인간의 사고를 지배하는 거대 이론의 하나로서 지금도 논쟁이 끊이지 않는 과학 이론이다.

 

53. 사진술의 등장

1839년 프랑스의 한 화가가 세계 최초로 동판에 요오드화은을 칠한 감광판을 사용해서 사진을 찍은 이후, 1851년에는 면화약을 에테르에 녹인 코로디온을 칠한 습식 유리판이 발명되어 사진의 대중화가 시작되었다. 습판 사진술은 초상 사진과 보도 사진에 적합했으며, 미국의 남북전쟁을 계기로 널리 사용되기 시작하였다. 그러나, 습판 사진술은 감광성 물질이 빨리 부패되기 때문에 암실에서만 사진을 찍어야 했고, 습판을 만들어서 현상하는 과정이 매우 복잡하여 고도의 숙련이 요구되었다.

이러한 한계를 돌파해 낸 사람은 아마츄어 사진가에서 기업체의 사장으로 변신한 이스트먼(George Eastman)이다. 유리판에 유제를 칠하지 않는 건판 사진술은 1871년에 발명되었는데, 이스트먼은 이것을 개량하여 1880년에 상업화하였다. 또한, 그는 유리판을 계속해서 젤라틴 감광유제로 코팅시켜 주는 기계도 발명하였다. 이러한 혁신을 통하여 전문 사진사나 고급 아마추어의 작업은 매우 간편화되었지만, 여전히 카메라는 크고 다루기 힘든 것이었으며 건식판은 과거의 습식판만큼 깨지기 쉽고 무거웠다.

이스트먼은 1885년에 롤 필름을 개발하고 두루마리 필름걸이 시스템을 발명함으로써 유리판을 사용하던 기존의 시스템을 대체하였다. 그는 1888년 롤 필름을 사용하는 코닥이라는 간단하고 값싼 카메라를 개발하여 대중 시장에 접근하였다. "당신은 버튼만 누르세요 ― 나머지는 저희가 하겠습니다" 코닥 카메라는 엄청난 부피의 사진기 세트에서 사람들을 해방시켜 손쉬운 사진 촬영의 길을 터놓았다. 1888년에 이스트먼은 올해의 사진왕으로 뽑혔고, 그 해는 진정한 사진술이 발명된 해로 기록되었다.

 

54. 탄소14연대측정법 등장

아주 오래된 것으로 보이는 유적지가 하나 새로 발굴되었다. 언제적 유적인지 어떻게 하면 알아낼 수 있을까? 만약 그 유적지에서 타다만 곡식 한 알이나 무덤 속 머리카락 한 올이라도 발견된다면 연대 추정은 그리 어려운 일이 아니다. 이른바 탄소14 연대 측정법을 쓰면 지금으로부터 수백년에서 4-5만년 전 사이에 살았던 유기체나 그런 유기체를 가공해 만든 물체의 원래의 유기체의 사망시기를 비교적 정확하게 측정할 수 있기 때문이다.

연대 추정의 중요성이 지대한 고고학, 지질학, 지구물리학 등의 분야의 연구에 날개를 달아 준 이 탄소14 연대 측정법은 20세기 중엽인 1940년대에 방사화학의 성과에 힘입어 개발되었다. 그것은 미국의 방사화학자 리비(William F. Libby, 1908-1980)와 그의 학생들의, 탄소의 방사성 동위원소인 탄소14(¹⁴C)의 성질과 그것의 생성과정에 대한 일련의 연구에 의해 개발되었다.

탄소14 연대측정법은, 대기 중의 이산화탄소 속의 탄소의 조성, 즉 탄소 중의 탄소14의 농도와 살아 있는 유기체의 세포 중의 탄소의 조성은 시기와 지역에 관계없이 일정한 반면, 죽은 유기체는 죽는 순간부터 몸 속의 탄소 중의 탄소14의 농도가 일정한 반감기에 따라 감소한다는 원리에 바탕을 둔 연대 측정법이다.

 

55. 외과수술의 시행

외과수술은 1800년에 이르기까지 크게 발전하지 못했으나 19세기를 지나면서 중요한 문제들이 해결되어 눈부신 진보를 이루었다.

우선 마취술의 개발과 발전으로 수술할 때 통증을 제거하거나 줄일 수 있게 되었다. 안전하고 효과적인 마취술이 없었던 시절에는 큰 수술을 한다는 것은 상상도 할 수 없는 일이었으나, 1840년대부터 에테르와 클로로포름의 효과를 발견하여 마취제로 사용하면서 외과수술은 발전하기 시작했다.

마취제를 사용하면 그전까지는 불가능했던 수술을 할 수는 있었지만, 수술 부위에 심한 염증이 생겨 크게 고생하거나 심지어 죽는 일이 수없이 생겨났다. 그러던 19세기 후반 파스퇴르와 코흐와 같은 생리학자들이 병원균이 감염을 일으킨다는 사실을 밝혀낸 이래, 리스터의 무균처리법을 비롯하여 소독과 멸균기술이 발전하게 됨으로써 염증 문제도 해결의 길이 열렸다.

외과수술이 해결해야했던 또 하나의 문제는 출혈이었다. 외과수술시에 출혈은 거의 필연적인 일이었는데, 출혈이 심해지면 환자는 쇼크에 빠지는 등 부작용이 생기고 생명까지 위협을 받았다. 이 문제는 란트슈타이너가 ABO식 혈액형을 발견한 후 안전한 수혈이 가능해지면서 해결되었다. 이러한 과정을 통해 외과수술은 비약적인 발전을 거두어 수많은 생명을 구해냈다.

 

56. 절대온도 개념 성립

온도라는 개념은 역학에서 세 가지 기본적인 양인 질량, 길이, 시간과 마찬가지로 하나의 기본적인 개념이다.

1780년에 샤를은 모든 기체는 온도가 증가하면 부피가 같이 증가한다는 사실을 밝혀냈다. 기체의 부피 팽창 계수는 거의 비슷하기 때문에, 두 개의 고정점 대신에 하나의 고정점을 갖는 온도 스케일을 만드는 것이 가능하다. 이 아이디어로 인해 이제까지 액체를 넣어 제작해 왔던 온도계에 다시 기체가 사용되게 되었다. 기체 온도계에 대한 실험에서는 기체의 종류가 변하더라도 그에 따른 온도 스케일의 변화가 거의 미미하다는 사실이 드러났다. 따라서 낮은 압력의 기체를 사용한다면, 온도계에 사용되는 물질의 종류에 의존하지 않는 온도 스케일을 만드는 것이 가능하다. 이 경우 모든 기체는 이상기체처럼 행동하고 온도(T)와 압력(P), 부피(V)간에 아주 간단한 관계식이 성립한다.

PV=nRT      (n : 상수)

이 때의 온도를 열역학적 온도라고 하고 지금은 온도의 근본적인 측정으로 받아들이고 있다. 이 스케일에서 0도가 자연스럽게 정의된다는 것을 주목하자. 온도가 0도가 되려면 이상기체의 압력이 0이 되어야 한다.

1933년에 국제무게질량위원회에서 이 고정점을 물의 3중점으로 받아들였다. 물의 3중점이란 물, 얼음, 수증기가 평형으로 함께 존재하는 점이다. 그 값은 273.16으로 정해진다. 이 온도의 단위는 켈빈경의 이름을 따서 켈빈이라고 하고 K로 나타낸다.

 

57. 엔트로피 법칙의 발견

19세기의 에너지 문제는 열과 일의 합이 보존되어야 한다는 주울의 결론을 받아들이면 열의 칼로릭 이론을 포기해야 한다는 문제에 부딪혀 있었다. 1850년 클라우지우스라는 과학자는 그럼에도 불구하고 카르노의 원리는 그대로 유지되어 열기관의 열효율이 두 온도에만 관계한다는 것을 증명하였다. 만약 그렇지 않다면 열은 다른 아무런 변화 없이 낮은 온도에서 높은 온도로 흐를 수도 있으며, 이것이 불가능하기 때문에 카르노의 원리가 증명된 것이다.

이듬해에 톰슨도 카르노의 원리를 증명했는데, 그는 그 증명을 다른 아무런 변화 없이 주위로부터 열을 흡수하는 일을 하는 것이 불가능함에 바탕했다. 이런 증명들에서 클라우지우스와 톰슨이 사용한 경험적 사실들, 또는 사실들의 경험적 불가능성이 바로 열역학 제 2 법칙의 내용이었다. 열은 높은 온도에서 낮은 온도로 흐를 수는 있지만 낮은 온도로부터 높은 온도로는 저절로 흐르지 않으며, 일은 열로 바뀔 수가 있지만 열은 일로 바뀔 수가 없다는 것이다. 클라우지우스는 1850년 이후 오랫동안 열역학 제 2 법칙의 더 일반적이고 완전한, 그리고 수학적으로 정리된 표현을 얻어내려고 노력했다.

'엔트로피'라는 개념은 그 후 15년에 걸친 이 같은 클라우지우스의 노력의 결과로 얻어졌다. 클라우지우스는 한 가지 방향으로만 변화하는 물리적 양을 수학적으로 정의하는 일에 집중했고, 15년의 끈질긴 노력 끝에야 비로소 그는 그처럼 항상 증가하는 양을 정의할 수 있었다. 이 양에 엔트로피라는 이름이 붙게 된 것은, '에너지'라는 단어와 되도록 유사하게 만들려는 의도에서 비롯되었다고 한다.

 

58. 베세머 제강법 등장

19세기 중반에 산업 혁명이 진행되면서 철을 대량으로 생산할 필요가 발생했다. 이 문제는 1856년에 영국의 발명가 베세머가 해결했다. 그는 전로에 녹은 무쇠를 주입하고 공기를 불어넣어 용융강을 만드는 방법을 제안했다. 이 방법을 따르게 되면 선철 속에 포함되어 있는 규소, 망간, 탄소가 산화되면서 선철이 강으로 바뀌게 된다. 그 과정에서 발생하는 산화열이 강을 용융 상태로 유지할 수 있도록 하였다.

베세머법은 생산성이 높다는 점이 특징이었다. 10톤의 철을 정련하려면, 기존에 사용하던 정련로와 퍼들로로는 각각 3주와 3일이 걸리던 것을, 베세머법에서 사용하는 전로로는 10-20분 정도가 걸릴 뿐이었다. 그러나 베세머법은 종래의 연철 생산법보다 훨씬 우수했음에도 불구하고 이 방법이 실용화되는 데에는 상당한 시간이 필요했다. 베세머법이 광범위하게 사용되기 시작한 것은 1870년대에 이르러서였다.

이후 공학 분야에서 구조 재료는 강철이 목재를 완전히 대신하였고, 또한 레일이나 선박, 그리고 대포 제작용의 재료도 강철로 대체되었다. 값싼 강철은 19세기 후기의 제국주의의 대양 무역과 철도, 그리고 항구의 개발과 함께 열대 식민지의 개발에 큰 도움을 주었다.

 

59. 내연기관의 등장

내연기관이라는 개념은 17세기에도 존재했지만 그 실현을 위한 본격적인 모색이 시작된 것은 19세기 중반에 들어서이다. 프랑스의 르노와르(J.J. E'tienne Lenoir)는 1860년에 최초의 내연기관을 발명하였다. 그것은 가스와 공기의 혼합 기체가 전기 불꽃에 의해 점화되면 폭발하면서 동력을 내는 메카니즘을 가지고 있다. 그러나 르노와르 엔진은 구조가 복잡하고 연료 소모가 많아서 상업적으로는 성공하지 못했다.

르노와르 엔진 이야기를 들은 독일의 오토(Nikolaus A. Otto)는 상업적 가치가 있는 엔진을 탐색하기 시작하였다. 그는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4가지 행정으로 이루어진 오토 사이클이라는 개념을 정립하였고, 이에 입각한 내연기관을 개발하여 1867년 파리 박람회에 출품하였다. 그 후 1890년까지 내연기관의 제조를 독점한 오토 기관은 약 35,000대의 판매고를 올렸다.

그러나, 르노와르 엔진과 오토 엔진은 모두 석탄 가스를 원료로 사용하고 있다는 공통점을 가지고 있어서 수송용으로는 적합하지 않았다. 이러한 한계는 1883년에 다이믈러(Gottlieb W. Daimler)가 가솔린을 원료로 사용하는 내연기관을 개발함으로써 돌파되었다. 다이믈러의 엔진은 1885년에 각각 다이믈러의 오토바이와 벤츠(Karl Benz)의 자동차로 상업화되었다. 가솔린 엔진의 개발을 계기로 인류는 자동차와 석유에 의존하는 사회로 변모하기 시작하였다.

 

60. 멘델의 유전법칙 등장

멘델의 유전법칙은 아마추어 과학자의 끈질긴 노력에 의해 이룩된 인류의 큰 자산 중의 하나이다. 그의 유전법칙은 처음에는 무시되어 사람들에게서 잊혀졌지만 십 여년이 지난 후 그 가치가 공인되기에 이르렀고, 오늘날 유전학의 기본적인 토대를 제공하였다.

현재 체코 공화국의 영토인 슐레지엔에서 부유한 농부의 아들로 태어난 멘델은 수도사로서 은둔 생활을 하던 1865년 세 가지 유전법칙, 즉 분리의 법칙, 독립의 법칙, 우성의 법칙을 발견했다. 하지만 당시 그의 이론은 거부당했으며, 그가 죽은 후에야 비로소 받아들여지게 되었다.

1851년부터 3년 동안 빈 대학에서 수학과 자연과학을 공부한 멘델은 1854년부터 14년간 수도원에서 생활했다. 그의 유명한 완두콩 실험은 이 수도원에서 이루어졌다. 1856년부터 시작된 완두콩 교배를 통한 실험으로 그는 1865년 브륀 자연사 학회에 논문을 제출했으나 그의 연구는 거의 주목을 받지 못했고 낙담한 그는 더 이상의 연구를 단념했다.

멘델이 죽은 지 16년이 지난 1900년 세 사람의 식물학자 드 브리스(Hugo De Vries), 코렌스(Carl Correns), 자이제네크(Erich Tschermak von Seysenegg)가 그의 논문들을 재발견했다. 이들은 멘델의 논문에 기반해 자신들의 실험 결과를 이해하고 체계를 세울 수 있었다. 멘델에서 비롯된 이 분야의 학문은 이후 영국의 과학자 베이트슨(William Bateson)에 의해 '유전학'이란 용어로 정착되었다.

멘델에서 비롯된 유전학은 형질을 전달하는 '유전자'가 발견되고, 급기야 1953년 왓슨과 크릭이 DNA의 이중나선구조를 발견함으로써 새로운 도약을 하게 되었다.