세상을 바꾼 위대한 과학실험 100

존 그리빈, 메리그리빈/오수원

예문아카이브/2017.10.16.

sanbaram

인류의 과학은 오랜 시간을 두고 발전했다. 인류가 발전시킨 여러 가지 과학 실험 중에서 가장 위대하고 영향력이 큰 과학살험을 골라 <세상을 바꾼 위대한 과학실험 100>이라는 책을 엮었다. 저자 존 그리빈은 영국의 과학 작가이자 천문학자. 서섹스대학교 천문학과에 있으면서 BBC를 비롯해 다양한 과학 프로그램 자문위원으로 활동하고 있다. 스티븐호킹, 리처드 파인만, 에르빈 슈뢰딩거, 등의 전기를 썼으며, 저서로 <슈뢰딩거의 고양이를 찾아서>, <우주 진화의 수수께끼>, <여기서 무한 우주까지> 등 100여권에 이른다. 공저자 메리 그리빈은 영국의 과학자이자 교사. 저서로는 존 그리빈과 함께 저술한 <필립 풀먼 ‘그의 암흑 물질’의 과학>, <나는 물리학을 가지고 놀았다>, 등과 <시간과 공간>, <영과 무한사이 거침없는 숫자 이야기>, <원자부터 무한까지> 등이 있다. 저자들은 일반인들이 알기 쉽게 과학적 실험의 의의와 방법, 그 실험이 미친 영향 등을 조목조목 설명하고 있다.

<세상을 바꾼 위대한 과학실험 100>의 내용은 모두 100가지 +1로 되어 있다. 널리 알려진 실험들이 많고 몇몇 개는 널리 알려지지 않았지만 과학발전에 상당히 큰 영향을 미치는 실험들도 포함되어 있다. 저자는 서문에서 ‘실험과 일치하지 않는 법칙은 틀린 것이다’라는 말이 과학의 본질을 가장 집약적으로 보여준다고 말하고 있다. 우리가 배운 일반상식과 달리, 과학은 아주 드문 경우를 제외하고는 혁명적으로 진보하지 않는다. 과학은 기존에 발전한 것 위에 새로운 것을 쌓아나가는 점증적인 성격을 갖고 있다. 아인슈타인의 이론은 뉴턴의 이론을 대체한 것이 아니라 그 위에 축적된 것이라고 과학의 발전에 대해 언급한다. 또한 추론과 가설은 ‘증명(실험)을 통해 권위’를 얻는다. 그리고 무엇보다 중요한 명제, ‘실험과 일치하지 않는 법칙’은 틀린 것이라고 단호하게 말한다.

“빛이 무지개 색으로 이루어져 있다는 통찰은 빛의 성질에 대한 뉴턴의 수많은 통찰 중 하나에 불과 했다. 뉴턴의 수많은 통찰은 그가 왕립학회장이 되고 1년 후인 1704년에 출간된 <광학>이라는 위대한 저서에 집약돼 있다. 그는 이 책에 과학적 방법론에 대한 견해를 요약해 놓았다. ‘분석이란 실험과 관찰을 시행하고, 귀납법을 통해 일반적 결론을 이끌어내는 것이며, 실험이나 다른 확실한 진리가 아닌 그 어떤 이의도 받아들이지 않는 것이다.’(p.58)”

아이작 뉴턴 하면 떠오르는 것이 중력이라는 단어지만 빛의 성질에 대한 연구업적도 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 허셜은 적외선이 태양만이 아니라 다른 곳에서도 온다는 것 또한 보여줬다. 불이나 뜨거운 라디에이터에서 느끼는 열 또한 적외선이다. 이후의 연구들은 자주색 너머에도 열 효과가 아닌 복사에너지(자외선)가 있다는 것을 보여줬다.

“찰스 다윈은 진화의 작동방식을 설명한 ‘자연선택설’로 널리 알려진 과학자다. 그러나 다윈은 진화에 관심을 기울이기 전부터 이미 지질학자였고, 그 유명한 비글호 항해 동안 남미에서 관찰했던 지질학 관련 지식을 알린 업적으로 과학계에서 명망을 얻고 있었다. 그가 관찰한 것 중 가장 극적인 것은 중요한 지진을 겪은 체험이었고, 그는 이를 관찰함으로써 안데스산맥과 다른 산맥의 기원에 대한 합당한 설명을 도출해냈다.(p.145)”

지구의 지각이 움직이는 원리를 설명하는 ‘얇은 얼음판에서 스케이트를 타는 것’에 대한 비유를 통해 다윈은 외견상 단단해 보이는 지각 아래 무엇이 놓여 있는가에 관해 고민했고 놀라울 만큼 세련된 결론에 도달했다. “개연성이 아주 놓은 가설은, 지하에 용암 호수가 펼쳐져 있다는 것이다 ….”라고 말한 그의 통찰력은 대단하다.

“틴들의 이론에 따르면 수증기는 적외선을 가장 강력히 흡수하지만 대기 중의 수증기량은 이산화탄소량에 영향을 받는다. 이산화탄소가 더 많을 경우 더 많은 열이 갇혀 지구는 더 더워지고 따라서 더 많은 수증기가 바다에서 증발하게 돼 온난화가 강화된다. 그의 말을 빌리면 대기 중에 이러한 기체들이 존재하지 않을 경우 지구는 ‘철옹성 같은 혹한의 손아귀에 단단히 붙잡혀 있게’ 될 것이다.(p.160)”

대기권이 없는 달 표면 1제곱미터당 받는 태양빛과 열의 양은 지구 표면이 받는 양과 같다. 하지만 달의 평균기온(달 전체의 밤과 낮 기온의 평균치)은 섭씨 영하 18도인 반면 지구의 평균 기온은 섭씨 15도다. 지구 내부에서 새어나오는 열이 약간 있긴 하지만 두 천체 간의 온도 차이가 33도에 달하는 것은 거의 전적으로 적외선을 가두는 대기의 온난화 효과, 오늘날의 ‘온실효과’라 불리는 과정 때문이다.

“스펙트럼 중 어떤 부분에는 좁은 흑선들이 한데 뭉쳐 있어, 바코드선 같은 모양이 나타나기도 한다. 흑선은 왜 생기는 것일까? 이 질문에 대한 답은 결국 태양과 다른 별들의 성분이 무엇인가를 밝혀줄 것이었고, 이를 밝혀낸 연구의 주인공은 1850∼1960년대 독일의 과학자 로버트 분젠과 구스타프 키르히호프였다.(p.168)”

스펙트럼의 선들이 검은색이었던 이유는 태양의 바깥층에 존재하는 원소들의 온도가 안층에 있는 원소들보다 낮기 때문이었다. 더 뜨거운 내부에서 나오는 빛이 온도가 낮은 층을 통과하면서 이 원소들이 빛을 흡수했기 때문에 특정 파장에서 밝은 선을 추가하는 대신 빛을 제거해버려 흑선이 나타난 것이다. 그러나 여기서 중요한 점은 이 흑선들이 가열한 원소가 만드는 밝은 선들과 동일한 지점에 있기 때문에 원소들의 정체를 확인할 수 있다는 것이다. 키르히호프의 발견은 1859년 10월 27일 베를린의 프러시아 과학아카데미의 회의 때 발표됐다. 이날은 천체물리학이라는 학문이 탄생한 역사적인 날로 남았다.

“맥스웰은 전자기 파동을 기술하는 방정식을 통해 전자기파가 빛의 속도로 이동하는 것이 틀림없다는 사실을 발견함으로써 빛도 일종의 전자기파에 틀림없다는 결론을 내렸을 뿐 아니라, 다른 복사도 전자기 법칙에 따라 전자기장을 통해 전달되리라고 예측했다. 1880년대 중반 헤르츠가 발견한 것이 바로 ‘다른 복사’는 오늘날 전파(전자기파)라 불리는 복사였다.(p.206)”

이와 같이 이 책은 우리가 과학적인 사실로 받아들이고 활용하는 것들에 대한 실험을 ‘001 왕관이 순금인지 검증하라’부터 ‘100 우주에 대한 현재 지식의 표준’까지 100가지 실험에 대한 설명을 사진과 도표 및 여러 가지 자료를 활용하여 알기 쉽게 설명하고 있다. 마지막으로 보너스로 101번째 라이고 실험을 싣고 있다.

시간순서로 과학실험에 대해 설명하고 있어 누구나 쉽게 과학의 발달과정을 한 눈에 알 수 있도록 되어 있다. 각 분야별로 기술했더라면 해당 분야의 발달과정까지 쉽게 이해할 수 있었으리라는 아쉬움이 있다. 하지만 과학 분야의 고전으로 남을 만한 책이라 생각되기에 과학에 관심을 가지고 있는 많은 사람들이 읽었으면 좋겠다는 생각을 한다. 아울러 중요한 실험 몇 가지 내용을 더 첨부해 본다.

*지진파 연구로 찾은 지구의 핵

오늘날의 측정치에 따르면 맨틀층과 외핵 경계면 부분은 지표면에서 2,890킬로미터 깊이에 있고, 외핵과 내핵의 경계면은 5,159킬로미터 깊이에 있다. 지구의 반지름은 6,360킬로미터다. 부피는 반지름의 세제곱 이므로, 핵 전체가 차지하는 부피는 지구의 16퍼센트라는 의미다. (핵의 반지름은 지구 반지름의 약 절반이고 2의 세제곱은 8 이므로 핵의 부피는 지구 부피의 8분의 1이다) 그중 내핵은 지구 부피의 1프로 미만이라는 것을 알 수 있다. 외핵의 경우 밀도는 1세제곱센티미터 당 9.9그램에서 12.2그램, 내핵은 1세제곱센티미터 당 13그램 가량이다. 검증하기는 힘들지만 내핵은 결정질일 가능성이 있다. 액체로 이루어진 외핵의 소용돌이는 아마도 지구 자기장 발생의 원인일 것이다. P.235

*표준 촛불과 표준 자

1920년대 들어 세페이드 변광성을 이용해 우리 은하의 지름과 규모를 최초로 확정짓게 됐다. 그 이후 세페이드 변광성은 우리 은하 너머 다른 은하계까지의 거리를 측정하는 데도 활용됐다. 이를 통해 우리 은하가 우주에 유일하게 존재하는 세계가 아니라 우주의 평범한 섬 하나, 관찰 가능한 우주의 수천억 개 섬 중 하나에 불과하다는 것을 알게 됐다. P.242

*일반 상대성 이론의 검증

일반 상대성 이론을 실용화한 것들도 있다. 지구상에서 물체의 위치를 알아내기 위해 위치 추적 GPS 위성에 의해 사용되는 도구들은 정밀성이 크기 때문에 지구의 중력장 안에서 움직일 때 일반 상대성 이론이 기술하는 효과를 고려해야 한다.(특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론이 기술하는 효과들이 결합된 결과 인공위성 시계의 속도는 지상보다 더 빠르다. 여기서 발생하는 시간의 오차를 조절해야 한다.) 내비게이션 장치나 스마트폰의 ‘위치추적’ 장치를 사용할 때마다 우리는 일반 상대성 이론을 이용하거나 어떤 의미로는 검증하고 있는 셈이다. p.257

*플레밍의 페니실린

푸른곰팡이가 만들어내는 페니실린이라는 물질에 항생제 성질이 있다는 것을 발견해 이를 응용한 일은 생화학의 역사에서 가장 중요하면서도 가장 혼란스러운 발견 중 하나다. 그렇다 해도 항생제 발견의 역사에서 가장 결정적 ‘실험’을 꼽는다면, 그것은 1928년 알렉산더 플레밍이 런던 성 메리 병원의 실험실에 있던 지저분한 페트리접시에서 뭔가 이상한 것을 알아차렸던 바로 그 순간이다. p.266

*유전정보의 전달자, DNA

바이러스는 세균보다 훨씬 작으면서 유전물질로 가득 찬 단백질 덩어리다. 세포를 공격하는 바이러스는 자신의 유전물질을 다른 세포로 주입해 그 세포시스템을 장악함으로써 자신이 공격한 세포 내의 화학물질을 이용해 자신을 복제한다. 바이러스의 공격을 받아 파열된 열린 세포는 바이러스 복제물을 만드는 과정을 되풀이하게 된다. 1950년대 초, 콜드 스프링 하버 연구소에서 연구하던 앨프리드 허시와 마사 체이스는 이러한 복제 명령(유전자 정보)을 세포로 전달하는 것이 DNA라는 것을 깔끔하게 입증하는 확실한 실험을 개발했다. p.309

*킬링의 우연의 발견

북반구의 여름에는 초목이 자라는 동안 대기 중에서 이산화탄소를 흡수한다. 겨울에는 초목이 죽어서 분해되면서 이산화탄소를 방출한다. 이로서 매년 약5PPM 정도의 주기적 변화가 나타난다. 그러나 계절 효과를 고려했다고 하더라도 대기 속 이산화탄소의 평균 농도는 1958년보다 1959년에, 1959년보다 1960년에 더 높았다. 킬링은 이를 보고하는 논문을 발표했고, ‘킬링곡선’을 만들어 정기적으로 정보를 갱신했다. p.338

2015년 무렵 대기 중의 이산화탄소 농도는 400PPM 이상으로 상승했다. 1958년 수치보다 약 28퍼센트 증가한 수치다. 전세계에서 사용되는 화석 연료의 양과 이 수치를 비교해보면, 대기 중으로 산출된 이산화탄소의 57퍼센트가 대기 중에 그대로 남아 있는 반면, 나머지는 대양을 비롯한 자연의 배수로에 의해 흡수되고 있음을 알 수 있다. p.339

*우주의 가속팽창

빅뱅 직후 우주는 팽창하고 있었지만 중력은 이 팽창속도를 둔화시켰다. 빅뱅 당시에는 밖으로 미는 암흑에너지의 힘이 지극히 미미했기 때문에 큰 효과가 없었다. 그러나 우주가 팽창을 거듭하면서 부피가 더 늘어나자 암흑에너지도 늘어났다. 반면 은하가 서로에게 미치는 중역은 우주 팽창으로 서로의 거리가 멀어지면서 점차 약해졌다. 따라서 암흑에너지가 우주를 밖으로 밀어대는 힘이 안으로 수축시키는 중력의 힘을 능가하는 시기가 도래했고 팽창이 가속화되기 시작한 것이다. p.365

*인간 유전체 지도의 완성

DNA속 문자 서열은 인간의 생명에 필요한 정보를 담을 만큼 길다. 인간 유전체는 약 30억 개의 글자를 포함하고 있다. 컴퓨터 메모리로 환산하면 1기가바이트 정도에 해당하는 양이다. (p.369) 유전자 지도 덕분에 우리는 2만 개에서 2만 5,000개 사이의 인간 유전자가 있으며, 이것들이 22개의 쌍을 이룬 염색체와 성을 결정하는 X 및 Y염색체로 배열돼 있다는 것을 알게 됐다. p.370

(이 리뷰는 예문아카이브에서 도서를 제공받아 작성되었습니다.)