알마에서 발행하는 과학과 사회 시리즈가 지금까지 총9권이 출간되었다. 그 9권의 시리즈 가운데에서 가장 이해하기 힘들었던 책이 4번째 책, 바로 이책 [물질이란 무엇인가] 이었다. 물리학을 전공하지 않은 비전공자가 보았을 때 한번 읽고 이해하기란 거의 불가능한것 같다. 지금까지 3번을 읽었고, 그러고 나니 책내용을 간단하게 나마 정리할수 있게된 것 같다.

물질이란 물리학적으로 정의할 때“물체의 본 바탕으로서 질량을 갖고 공간의 일부를 차지하는 자연의 구성요소”라고 할수가 있단다. 이러한 물질을 17세기의 뉴턴은 관성으로 이해하였고, 19세기의 페러데이는 장의 개념으로, 그리고 아인슈타인은 에너지로 이해 하였다고 한다. 아인슈타인의 방정식 E=mc2은 물체의 내부에너지와 질량의 등가원리를 말하는 것으로(2장), 이는 갈릴레이 이후 물질을 실체로 다루었던 전통과는 단절되며(1장), 물질이 융합과 분열을 거쳐 발생하였으며 우주에 역사가 있음을 가르쳐 준다(3장)고‘롤랑 셰어’프랑스 과학산업관 과학과사회 학회장은 서문에서 말하고있다. 책은 총3장으로 구성되어 있으며, 2500년에 걸쳐 진화해온 물질관의 변천사를 철학과 과학적 관점에서 정리하였다고 한다.

1장에서는 실체와 물질에 관하여 아인슈타인이 나타나기 전까지의 전통을 설명하고 있다. 현대과학은 그리스 과학과 연결되어 있다고 한다. 이는 현대과학의 많은 학자들과 다양한 이론들이 수많은 논쟁을 통해 그리스 과학을 계승하였기 때문이라고 한다. 기원전 7세기 밀레토스 학파에의해 우주와 만물의 근원을 바라보는 자연탐구라는 새로운 방법이 등장했을 때에는 과학자, 즉 물리학자란 철학자와 같은 개념이었다고 한다. 이렇게 탄생한 물리학은 기원전 5세기 파르메니데스와 그의학파가 제기한, [있는것과 없는것(즉, 존재와 무)]에서 있지않는 것에 대해선 말할 필요가 없다는 비판에따라 물리학자들의 물질에 대한 담론은 단순한 의견으로 치부되어 버렸다고 한다. 이후 물리학자들은 파르메니데스의 비판을 비켜가기 위해 노력하였고, 이러한 노력이 물리학을 현대적용어로 물질의 과학이 되게 만들었다고 한다. 아리스토텔레스는 이모든 것을‘형상’이라는 형이상학적 개념으로 파악하려 했고, 갈릴레이는 이 물질들을 허공에서 운동을 하고있는 실체가 있는 것으로 인식하였다고 한다. 이러한 인식위에 뉴턴의 질량과 힘의 개념이 더하여져 물질의 응집력을 설명하게 되었다고 한다. 그러나 실체는 물질이 아니며, 또한 물질은 실체가 아니라고 저자는 말한다. 실체는 사실 물리학과 아무런 관련이 없다는것이 1905년 아인슈타인에 의해서 밝혀졌다고 한다.

2장에서는 현대물리학에서 말하는 물질에 대하여 설명하고 있다. 고전물리학에서 형상과 실체로 나타나는 물질은 입자와 장이라는 두개념에 전적으로 그 기초를 두고 있다고 한다. 물질의 구조를 입자개념으로 본 것은 구체적 사물을 관찰하여 추상의 단계를 거쳐 도달한 이론적 대상으로 본것이며 19세기 천체물리학의 기초가 되기도 하였으나, 입자간 상호작용이라는 문제에 봉착하였다고 한다. 이에 대한 해답으로 제시된 것이 물질을 파동 혹은 장개념으로 본것이며, 이는 입자가 물질을 구성하는 기본요소를 나타낸다면 장은 이 기본요소들 사이의 상호작용의 매개체 노릇을 하는 것으로 보았다고 한다. 그러나 양이나 공간성으로 보았을 때 입자는 불연속적이나, 파동은 연속적이어서 고전물리학은 입자와 파동이라는 이원구조를 가질수 밖에 없었다고 한다. 그에 반하여 양자물리학에서의 물질은 광양자로 설명되며 이것은 공간적으로는 연속성을 가져 파동과 비슷하나, 양의 차원으로는 입자와 비슷한 불연속성을 가진다고 한다. 즉, 고전물리학에서의 이원구조를 양자물리학에서는 일원론으로 대체해 버린 것이다. 이후 1905년 아인슈타인이 제시한 방정식, 에너지 E는 광속의 제곱인 상수c2을 통해 질량 m으로 환원 가능하다는 E=mc2은 고전물리학에서 물질을 규정하기 위해 사용한 질량과 에너지라는 형상과 실체를, 전환계수 즉, 한계속도의 제곱(c2)을 사용하여 한개의 개념으로 만들었다고 한다. 이러한 아인슈타인의 상대성이론의 등장은 물리학에 이중의 대전환을 가져왔는데, 이는 물질현상이 일어나는 장에대한 인식만을 변화시킨것이 아니라, 물리학적 탐구대상 자체의 성격부여에도 변화를 초래 하였다고 한다. 즉, 물질과 물질의 구성요소에 대한 인식 자체가 근본적으로 바뀌는 계기가 되었다고 저자는 말한다.

3장에서는 물질이 탄생하던 최초 3분동안 일어난 일들을 추적하여 우주의 역사를 밝히고 있다. 두개의 가벼운 핵종들이 결합하여 하나의 무거운 핵종이 만들어지는 과정(핵융합)이나, 반대의 경우인 핵분열의 과정에서는 질량의 차이에 의한 에너지가 발생한다. 우주에 존재하는 모든 핵종들은, 핵화석이라 불리는 단 세개의 핵종을 제외하고는, 별들의 핵합성 모델(핵융합과 핵분열등)에 들어 맞는다고 한다. 여기에서 예외인 핵화석들이 우리에게 우주 생성의 초기 비밀을 알려주고 있다고 저자는 말한다. 듀테륨(중수소), 헬륨-4, 리튬-7이 바로 그것들로, 이 핵화석들은 거의 모든별에 일정량 존재하고 있고, 이것은 핵종의 발생과정에서 볼 때 별들이 활동을 하기전 이미 존재했음을 나타낸다고 한다. 먼옛날, 우주의 온도가 100억도 보다 높았던 시절, 핵들이 분해되고, 팽창하기 시작한 우주는 가열과 냉각을 반복하다가 어느 한순간 급속히 냉각되었다고 한다. 이 냉각과 함께 원시 핵합성은 종료되었고 그것은 단지 3분 동안에 일어난일 이라고 한다. 이렇게 생성된 핵종들이 수소와 헬륨, 그리고 핵화석 이라고 한다. 핵은 별의 활동에서 생성되며, 가장 단순한 핵종들인 수소와 헬륨이 우주 보통물질 질량의 98%를 차지하고 있다고 한다. 이들은 핵융합반응으로 탄소, 질소, 산소들을 출현시키고, 은하내 우주복사의 빠른 입자들과 충돌하면서 핵분열을 일의켜 또 다른 핵종들을 생성시킨다고 한다. 이렇게 물질의 운명이 대부분 결정되었다고 한다.

우주를 구성하는 물질 대부분은 빛을 내지 않는다고 한다. 현대의 과학은 은하원반과 은하와 은하성단에 암흑물질이 존재하고 있음을 알려주고 있다고 한다. 아직 그 정체를 드러내지 않은 미지의 암흑물질이 밝혀진다면, 우리의 물질에 대한 인식은 또 한차례 대변혁을 겪게 될것이라고 한다. 저자는 보통 물질의 기원을 탐색하는 과정에서 천체물리학자들이 우주를 이색적인 물질로 채워 넣었다고 말한다. 그러면서 이 물질을 탐색하는 것이야말로 21세기 과학의 위대한 모험이 될것이라고 전망하고 있다.

책을 읽으면서 학교다니던 시절로 돌아간듯한 착각을 하였다. 핵종들의 반응은 그것이 핵융합이든, 핵분열이든 그렇다고 치더라도, 철학과 결부된 고대과학은 머리속에 쉽게 들어오지를 않는다. 그것이 물질이라는 추상성에 대한것이라 더 그랬는지도 모른다. 그러나 과학에 대한 인문학자들의 관념과, 또 인문학을 바라보는 과학자들의 그것을 알수있는 좋은 경험을 하고 있는것 같아, 책을 읽으면서 머리가 아픈 와중에도 그나마 책읽는 기쁨을 느껴본다.