하루가 모여 인생이 된다

세상은 무엇으로 이루어져 있는가?

문명이 시작될 때부터 인류가 가장 알고 싶었던 문제입니다.

이번 이야기는 물질을 구성하는 가장 작은 입자인 ‘원자’에 대한 이야기입니다.

1803년 돌턴은 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 입자인 원자로 구성되어 있다는 가설을 발표합니다.

이것으로 세상은 설명되는 것 같았습니다. 그러나 그것이 끝이 아니었습니다.

빌헬름 뢴트겐은 금속이 원자에 부딪칠 때 나오는 짧은 파장(X선)이 손을 투시할 수 있다는 것을 발견합니다.

퀴리 부인은 라듐의 원자 안에서 엄청난 에너지가 끊임없이 나오는 것을 발견합니다.

원자 내부를 알아내려고 노력한 사람들도 있었습니다.

J.J 톰슨은 음극선을 실험을 통해 음극선이 바람개비를 돌릴 수 있다는 것을 알아냅니다. 이것은 음극선이 질량을 가지고 있다는 것을 의미합니다. 또한, 자기장을 걸어주면 특정 방향으로 휘어지는 것을 알아냅니다. 

위 실험들을 통해 톰슨은 원자 안에 있는 전자의 존재를 알아냅니다.

또한 원자는 전기적으로 중성이므로 전자와 반대인 양성자도 존재한다는 것을 예측합니다.

어니스트 러더퍼드의 제자들은 2년 동안 알파 입자가 얇은 금박지를 통과하는 실험을 하고 있었습니다.

얇은 금박지에는 원자 400개가 들어 있지만 알파 입자는 전자보다 7,500배 무거운 입자입니다.

따라서, 알파 입자를 금박지에 쏘면 그냥 뚫고 나갑니다.

러더퍼드는 이 실험을 통해 통과하지 못하고 조금이라도 휘어지는 알파 입자를 찾아내려고 했습니다.

결국 금박지에서 튕겨 나오는 알파 입자를 발견합니다. 이 현상은 1/8,000의 확률이었습니다.

이것은 알파 입자가 뚫지 못하는 단단한 입자가 있다는 것을 의미하며 러더퍼드는 양의 성질을 가진 원자핵이라고 생각합니다.

이로써 태양계의 운동과 닮은 원자 모형을 생각해 냅니다.

그러나, 러더퍼드의 원자 모형에는 큰 문제점이 있었습니다.

원자핵과 전자는 전기적으로 서로 반대 성질을 가지고 있으므로 원자핵이 더 가벼운 전자를 끌어당길 것입니다.

닐스 보어는 동료들이 원자 안에서 무언가를 찾으려 할 때 어떻게 전자가 원자핵으로 끌려 들어가지 않고 회전하고  있는지에 대해 의문을 가지고 원자가 붕괴되지 않는 이유를 찾으려고 노력합니다.

1913년 27살이 되던 해에 우연히 발머가 만들어 낸 수소의 선스펙트럼이 나와 있는 공식을 보게 됩니다.

스펙트럼이란 빛의 파장을 순서대로 나열한 것입니다.

태양의 경우 모든 진동수의 빛을 방출하기 때문에 연속 스펙트럼을 형성합니다.

반면 원자의 경우에는 선에 해당하는 에너지의 진동수만 방출하기 때문에 낱낱의 선으로 나타납니다.

보어는 이 공식과 에너지는 불연속적으로 나온다는 플랑크 이론을 통해 원자 구조에 대한 힌트를 얻습니다.

전자가 원자 안에서 불연속적으로 이동한다는 것을 토대로 수소 원자의 에너지 준위를 만들어 냅니다.

물론 이 원자 모델은 이후 다시 수정됩니다.

물질을 구성하는 가장 작은 입자에 대한 여정은 다음 이야기로 이어집니다.

이번 이야기는 빛은 우리를 축복하기 위해 먼 곳에서부터 오는 것이라 믿었을 때부터 20세기 초 아인슈타인이 나타나기 전까지 빛을 쫓았던 사람들에 대한 것입니다.

물의 도시 베네치아에서 대학 교수로 일했던 갈릴레오부터 시작합니다.

갈릴레오는 이미 네덜란드에서 만들어진 망원경을 모방하여 1609년에 9배의 배율을 가진 망원경을 만들어 냅니다.

이 망원경은 배율이 약한 볼록렌즈와 배율이 강한 오목렌즈를 이용하여 높은 배율과 선명한 색상을 가진 정립상을 볼 수 있습니다.

그 당시 많은 사람들은 망원경을 이용하여 땅에서 나온 빛을 보는 것에만 만족했지만 갈릴레오는 하늘에서 오는 빛을 관찰했습니다.

가장 먼저 하늘에 있는 달을 관측하여 달이 평평한 원이 아니라 구멍과 돌기로 덮힌 울퉁불퉁한 구형이라는 것을 알아내고 1610년에 ‘별들의 소식’이라는 책을 출간하여 대중들에게 공개합니다.

또한, 목성을 관측하여 목성 주변의 작은 별들을 보며 그들의 운동을 기록합니다.

처음에는 목성이 움직이는 것인 줄 알았으나 지속적인 관측을 통해 알 수 없는 별들의 움직임은 목성을 돌고 있는 네 개의 달이었다는 것을 알게 됩니다.

갈릴레오는 자신이 하늘을 관측한 자료를 토대로 달이 지구를 따라서 태양 주위를 돌고 있다는 것을 보여주고 싶었고 목성의 달들이 그 증거가 되었습니다.

한편 갈릴레오는 빛의 속도를 알아보기 위해 조수와 함께 산꼭대기에서 실험을 합니다.

빛의 속도는 너무 빠르기 때문에 이 실험을 통해 알아내지는 못했으나 빛은 순식간에 오는 것이 아니라 어떤 속도를 가지고 있음을 알아냅니다.

갈릴레오 이전에 빛은 천상에 있고, 땅에 가득 차 어두운 곳을 밝혀주는 곳이었지만 조금씩 빛에 대한 신비감이 사라집니다.

아이작 뉴튼은 빛을 연구하다가 거울을 이용하여 만든 40배 배율을 가진 망원경을 계기로 왕립학회 회원으로 선출될 정도로 빛에 대해 알려고 많은 노력을 합니다.

심지어 색이 나타나는 것을 알기 위해 뜨개바늘을 눈과 뼈 사이로 집어넣어 최대한 눈 뒤쪽까지 집어넣는 위험한 짓도 합니다.

이 색을 연구한 역사는 그리스 시대부터 시작됩니다.

엠페도클레스는 눈에서 빛이 나오기 때문에 우리가 사물을 볼 수 있다고 생각했습니다.

아리스토텔레스는 사물 안에 색이 들어 있어 빛이 없어도 존재하는 것이라고 생각했습니다.

유클리드는 빛이 직선으로 진행한다는 것을 알아냈습니다.

알하첸은 물체가 빛을 반사한다는 사실을 알아냅니다.

데카르트는 색이란 빛이 물체에 닿았을 때 변형되어 생긴 것이라고 한 것처럼 시대에 따라 색에 대한 생각이 달랐습니다.

뉴튼은 한 가지 실험을 통해 모든 사람들이 빛에 기본 성질을 잘 못 이해하고 있다는 것을 알아냅니다. 이 실험은 1665년 로버트 훅은 빛을 이용한 현미경을 통해 눈에 보이지 않는 작은 것들의 세계를 보여준 책에서부터 시작됩니다.

그러나 뉴튼은 데카르트의 빛 실험에 관심을 가지게 됩니다.

프리즘에 빛줄기를 통과시켜 5센티미터 떨어진 종이 위에서 빨간색 점과 파란색 점 두 개가 나타나 있었습니다.

뉴튼은 데카르트보다 먼 6.6미터 떨어진 벽에 빛을 쏘아 나타난 스펙트럼의 길쭉한 모양에 더 큰 관심을 가지게 됩니다.

또한, 색이 프리즘을 통과해서 생기는 것인지 프리즘을 통과하기 전 빛 자체에 있는 것인지에 대해 의문을 가지게 됩니다.

그래서, 뉴튼 스스로 ‘결정적 실험’이라고 이름을 붙인 두 개의 프리즘을 이용한 실험을 합니다. 빛 한 줄기는 첫 번째 프리즘에서의 굴절률이나 두 번째 프리즘에서의 굴절률이 같습니다. 프리즘 때문이라면 두 번 프리즘을 통과한 색은 굴절률이 달라야 합니다.

하지만 첫 번째 프리즘에서 굴절한 파란색의 각도는 두 번째 프리즘에서도 똑같았습니다.

결국 색은 바로 빛 속에 있다는 것을 알게 됩니다.

빛의 본질에 더 가까이 다가가기 위해 전기와 자기에 대해 알아야 됩니다.

1825년 마이클 패러데이는 전자기 유도 현상에 대한 강연을 합니다.

이 강연을 통해 제임스 클럭 맥스웰은 전기와 자기의 관계인 전자기파를 알아냅니다.

이 당시 맥스웰이 계산한 전자기파의 속도는 빛의 속도와 같은 결과가 나왔습니다.

결국, 빛과 전자기파는 같은 것이라는 것을 알게 됩니다.

뉴튼이 연구한 스펙트럼은 빛의 색에 따라 파장이 다르기 때문에 나타난 현상이었습니다.