03. 원자의 존재를 증명하기는 쉽지 않다.

<물리학은 처음인데요>

물질의 정체란

고대 그리스 시절부터 물질은 더는 쪼갤 수 없는 최소한의 단위로 이루어져 있다는 원자설이 존재했지만, 확인할 수 없는 가설일 뿐이었다. 그 후로 원자설에 관한 논쟁이 계속 이어졌다. 하지만 언제나 결론은 나지 않았다.

물체의 운동 법칙이 밝혀졌던 갈릴레오와 뉴턴의 시대에도, 물질의 정체가 무엇이냐는 기본적인 질문에는 아무도 답하지 못했다. 뉴턴 등은 연금술 연구에 엄청난 열정을 쏟기도 했을 정도다.


연금술과 뉴턴

연금술이란 귀금속이 아닌 물질로 귀금속을 만들어 내려는 시도였다. 만약 성공하면 큰돈을 들이며 금과 은을 캘 필요가 없다. 만약 연금술에 성공한 사람이 있었다면 엄청난 부자가 됐을 것이다. 다만 그 비법이 세상에 퍼지면 금값이 폭락할 것이므로 누구보다도 먼저 방법을 찾아내야만 했다. 그래서 사람들은 연금술 연구 내용을 아무도 보지 못하게 숨기곤 했다. 뉴턴도 자신의 방대한 연금술 연구 내용을 공개하지 않았다.

현대에는 연금술이 불가능하다는 사실이 밝혀졌다. 귀금속은 원소로 이루어져 있으므로, 화학 반응을 통해 만들어 낼 수 없다. 그러나 물질의 정체를 몰랐던 옛날에는 연금술도 과학기술 연구의 한 종류였으며 꿈과 같은 기술이었다. 뉴턴은 연금술에서 사용하는 수은에 중독됐다고 전해지며, 그의 유발에서는 수은이 검출됐다고 한다. 또, 뉴턴이 정신적으로 불안정했던 이유는 수은 때문이라는 주장도 있다.


원자는 너무나 작아서 직접 볼 수 없었다.

20세기가 되어서야 과학자들은 원자의 존재를 인정했다. 인류의 긴 역사 속에서 고작 100년 정도밖에 지나지 않은 일이다. 이는 모두 원자가 너무 작아서 직접 볼 수 없었기 때문이다.

독자 여러분도 학교에서 배운 지식 덕분에 원자가 있다는 사실을 알고는 있지만, 정말로 원자가 있다고 확신한 적은 없을 것이다. 원자는 너무나 작아서 배율이 높은 현미경으로도 보이지 않는다. 그래서 어쩔 수 없이 배운 데로 믿는 수밖에 없다.


무한히 잘게 쪼개기

물질이 원자로 이루어져 있다는 지식을 일단 잊어버리고 자신의 경험만으로 생각해 보면, 물질은 얼마든지 작게 쪼갤 수 있을 것처럼 보인다. 부드러운 물체라면 손으로 쉽게 나눌 수 있다. 철이나 돌처럼 단단한 물체는 높은 곳에서 떨어뜨리는 등 강한 충격을 주면 깨진다.

하지만 그렇다고 물질을 영원히 쪼갤 수 있다는 것도 영 석연치 않은 생각이다. 심리적으로도 무한이라는 말은 부담스럽다. 상상하기 어렵기 때문이다. 따라서 무한을 피하려면 더는 쪼갤 수 없는 최소 단위가 존재한다는 결론에 이를 수밖에 없다. 이처럼 비록 원자를 보는 방법이 전혀 없다 해도, 원자가 존재한다는 추측에는 이를 수 있다.

문제는 그것이 사실이라고 객관적인 증거를 대며 설명할 수 있느냐다. 물질을 무한히 나눌 수는 없을 테니 더는 쪼갤 수 없는 원자가 존재할 것이라는 말은 그저 희망사항일 뿐이다. 단지 상상하기 어렵다는 이유만으로 무한히 쪼개는 일이 불가능하다고 단정하는 것은 과학적인 태도가 아니다.