『원소 이야기 : 물·불·흙·공기부터 우리의 몸과 문명까지 세상을 만들고 바꾼 118개 원소의 특별한 연대기』

우리가 먹는 것이 곧 우리 자신!
생명을 구성하는 모든 것이 주기율표에 있다

임신한 여성이 9개월 동안 먹은 음식은 원자로 분해되어 태아를 형성한다. 우유 속의 칼슘(원자번호 20번)은 뼈를 만들고, 감자 성분인 질소(원자번호 7번)는 피부를 구성하며, 소금에 함유된 소듐(원자번호 11번)은 뇌를 이룬다. 한마디로 ‘우리가 먹는 것이 곧 우리 자신’인 것이다.

이는 동물만의 이야기가 아니다. 식물은 주기율표상 12번 원자인 마그네슘으로 햇빛을 흡수하고, 23번 바나듐과 42번 몰리브데넘을 이용해 성장에 중요한 영양분인 질소를 토양에서 얻는다. 우리가 먹지 않으면 생명을 유지할 수 없는 물과 소금도 마찬가지다. 모두가 알다시피 물은 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있으며, 소금은 염소와 소듐(나트륨)으로 결합된 화합물이다. 생물학적 체계가 어떠한지에 상관없이 생명을 이루는 모든 원소가 주기율표에 있으며, 이 신비로운 구성의 비밀 또한 주기율표 속에 있다.
그렇다면 원소는 어떻게 발견되었고, 원소 하나하나가 정렬된 주기율표는 어떻게 완성되었을까?

원소 사냥에 나섰던 천재들의 고군분투사
데모크리토스부터 멘델레예프와 글렌 시보그까지

기원전 5세기에 살았던 고대 그리스 철학자 데모크리토스. 그는 만물은 더 이상 쪼개지지 않는 작은 단위로 만들어졌으며 그것들이 결합해 우리가 사는 세계를 구성한다고 믿었다. 그리스어로 ‘쪼개지지 않는’이란 의미의 단어는 우리가 이미 아는 원자(atom)다. 하지만 인류가 이 원자론을 과학적으로 규명한 것은 2,000년이 훌쩍 지나서였다.

17세기 후반 독일의 헤니히 브란트가 소변을 가열, 정제하여 원자번호 15번 ‘인’을 발견했다. 이어서 프랑스의 앙투안 라부아지에가 공기는 질소와 산소의 혼합물이며 물은 수소와 산소의 화합물이라는 사실을 발견했다. 그 뒤 과학자들은 고대의 4원소설(물, 불, 공기, 흙)을 폐기하고 진짜 원소를 얻기 위해 닥치는 대로 태우거나 녹이기 시작했다고 한다. 브란트의 발견은 화학계에 기념할 만한 순간으로 남았는데, 원소가 어딘가 멀리 있는 상상의 물질이 아니라 바로 우리 주변에 있다는 것을 알게 되었기 때문이다. 또한 이때 비로소 연금술이라 치부되며 미신으로 외면당했던 화학이 이성적인 과학의 영역으로 들어오게 되었다.

이같이 발견된 원소들이 차곡차곡 쌓이면서 원소들마다 주기적 특성이 있다는 사실이 드러났다. 원소 주기율표의 역사는 독일 화학자 요한 되베라이너의 세쌍원소설에서 시작된다. 이어서 존 뉴랜즈의 옥타브설을 거쳐, 러시아의 천재 화학자 드미트리 멘델레예프에 이르러 정립된다. 멘델레예프가 주기율표의 아버지로 불리는 것은 그가 현대 주기율표의 기준인 원자량 순서대로 원소를 나열했기 때문이며, 게다가 빈자리를 두어 언젠가는 빈칸을 채울 원소가 발견될 것이라고 주장했다.

그리고 미국의 글렌 시보그를 비롯한 현대 화학자들이 그 빈칸을 채움으로써 멘델레예프의 예언은 고스란히 적중했다. 이 밖에도 조지프 톰슨, 어니스트 러더퍼드, 에르빈 슈뢰딩거 등 원자의 비밀을 밝히기 위해 고군분투했던 과학자들의 이야기를 읽다 보면 화학의 역사가 곧 인류 문명의 발전사와 궤를 같이함을 알 수 있다.

어떤 원소가 세상을 바꾸었을까?
주기율표에 담긴 118가지 이야기

인류의 문화, 정치, 기술에 가장 핵심 역할을 한 원소는 무엇일까? 어떤 원소가 인류 문명 발전에 결정적 역할을 했을까? 어떤 원소가 세상의 외형을 바꾸었고, 어떤 원소가 암암리에 우리 일상을 바꾸어놓았을까? 또 어떤 원소가 지구 환경을 파괴했고, 어떤 원소가 인류의 실험에 가장 막강한 영향을 끼쳤을까?

지금 자신의 방을 둘러보라. 눈에 띄는 사물의 90퍼센트는 탄소로 구성되었을 것이다. 탄소는 인간에게 금속을 제련할 능력을 주었으며, 19세기에 이르서는 탄소를 연료로 태우는 연소기관을 발명하게 했다. 하지만 아이러니하게도 지금은 지구 기후의 평형을 깨뜨리는 주범이 되고 있다. 긍정적이든 부정적이든 인류 역사의 흐름을 가장 크게 바꾼 원소는 탄소다.

주기율표에는 탄소와 마찬가지로 다채로운 사연을 가진 원소들의 이야기가 가득하다. 주석은 우리가 음식을 오래 보존할 수 있는 통조림을 만들게 해주었으며, 지구에 고작 17톤가량 매장된 금은 인류사 내내 정복과 쟁탈전을 유발시켰다. 총알의 재료로 쓰인 납은 인류를 고통으로 몰아넣은가 하면, 구텐베르크의 금속활자술에 쓰여 수많은 사람들을 문맹에서 탈출시켜 주었다. 염소 역시 어떻게 쓰느냐에 따라 질병을 막는 소독제가 되기도 하고, 사람을 질식시키는 독가스가 되기도 한다. 천왕성(Uranus)의 이름에서 유래한 우라늄은 오늘날 세계 패권의 핵심으로 자리 잡았으며, 반도체의 대표 소재인 실리콘은 샌프란시스코 남부의 지명인 산타클라라밸리를 실리콘밸리로 바꾸어버렸다.

이처럼 원소에 얽힌 이야기는 곧 우리 자신의 이야기다. 이제 그동안 꺼려왔던 주기율표를 다시 펼쳐볼 시간이다. 거기에는 우리가 태어나기 이전의 헤아리기조차 힘든 오랜 시간의 역사, 그리고 우리가 죽고 난 이후에도 계속 펼쳐질 미래가 씨줄과 날줄로 촘촘히 새겨져 있을 것이다.

『양자역학 이야기 : 빛의 개념부터 시간여행까지, 세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서』

슈뢰딩거의 고양이는 어떻게 되었을까?
그래서 빛은 입자라는 거야, 파동이라는 거야?
배울수록 어렵고 알쏭달쏭하게만 느껴지는 이들을 위한 양자역학 입문서

양자역학 개념을 알게 된 이래, 복잡하기만 한 양자역학 이론을 완전히 이해하는 것은 무척 수고스럽고 또 동시에 불가능한 일인 것처럼 보인다. 노벨상 수상자인 리처드 파인먼조차 “양자물리학을 이해하는 사람은 아무도 없다”라고 이야기했다고 하니, 우리와 같은 평범한 사람들이 양자물리학을 파악하게 될 가능성은 조금도 없는 듯하다. 하지만 다행스럽게도 파인먼이 이해하지 못한다고 말한 이유는 양자물리학이 너무 어렵기 때문은 아니었다. 파인먼은 양자역학이 짜증이 날 정도로 이상하기 때문이라고 그 이유를 설명했다. 양자역학은 일반적인 규칙을 따르지 않는 네 변을 가진 삼각형이나, 10보다 작지만 10억보다 큰 숫자와 같이 터무니없는 존재와 같다. 그렇다면 이처럼 알면 알수록 알쏭달쏭하고 이해할 수 없는 새로운 이야기가 끊임없이 등장하는 양자역학의 기본 개념은 도대체 무엇이며, 이렇게 ‘짜증 나는’ 대상을 이해하려 평생을 바쳐 연구하는 괴짜 과학자들은 어떤 사람들일까?

빛의 개념부터 시간여행까지, 아인슈타인부터 파인먼까지
인기 과학 교사가 어려운 공식도, 복잡한 숫자도 없이
유쾌하게 설명하는 세상에 둘도 없는 양자역학 이야기

《양자역학 이야기》는 빛을 이해하려는 인류의 첫 노력에서부터 이야기를 시작한다. 기원전 5세기경 빛에 관한 이론을 세운 그리스 철학자 엠페도클레스를 시작으로, 처음 빛의 파동설을 주장한 르네 데카르트의 등장, 그리고 이에 반하며 미립자 이론을 제시한 심술궂은 아이작 뉴턴, 하지만 뉴턴이 죽고 70년이 지난 뒤 그토록 유명한 이중 슬릿 실험을 통해 빛 이론을 정리한 토머스 영에 이르기까지 저자는 마치 그 시대에 직접 살고 있는 듯 현장감 있고 흥미로운 방식으로 빛과 얽힌 다양한 이야기를 전한다. 그의 이야기를 따라 읽다 보면 우리는 어느새 복잡하기만 한 양자역학 정복을 위한 첫발을 떼었음을 깨닫게 될 것이다.

이야기는 시간의 흐름에 따라 계속된다. 알베르트 아인슈타인이 플랑크에게 빛의 구성 성분이 입자라고 주장하는 논문을 제출한 순간, 보어의 양자론, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거가 방정식으로 파동함수를 계산하고 전자에 관한 완벽한 설명을 이루었을 때, 또 그의 고양이(!)가 상자에 담겨 양자역학에 등장한 순간, 순간이동 및 일반 상대성 이론과 같은 다양한 양자역학 이론의 발견과 이를 증명하기 위한 실험들이 등장하며 이야기는 끊임없이 나아간다.

그저 이들의 이름을 들었을 뿐인데 머리가 복잡해졌는가? 걱정할 것 없다. 낯선 개념에 흥미를 잃을 새도 없이 저자 팀 제임스는 특유의 입담과 독특한 유머 감각으로 끊임없이 분위기를 환기한다. 그가 직접 손으로 그린 삽화는 또 어떤가! 복잡한 수식이나 머리 아픈 숫자 없이도 복잡하기 짝이 없는 양자역학의 이론을 단번에 이해할 수 있도록 돕는다. 저자의 친절과 다정함은 여기서 그치지 않는다. 책의 말미 양자물리학과 입자물리학의 발전을 한눈에 파악할 수 있는 연대기를 함께 실었다. 본문에서 정신없이 독서의 즐거움에 빠져있던 독자라면 이 페이지를 통해 양자역학의 개념을 한 번 더 정리할 수 있을 것이다.

《양자역학 이야기》는 접근조차 어려웠던 양자역학의 세계를 쉽고 재미있게 소개하는 탁월한 입문서다. 지금까지 겁에 질려 양자역학과 가까워질 기회를 얻지 못했던 독자라면 《양자역학 이야기》과 함께 즐거운 물리학 여행을 시작해보자.

▶ 《양자역학 이야기》를 먼저 만난 독자들이 건넨 찬사!

-복잡한 수식 없이 양자역학을 이해하고 싶다면 당장 이 책을 집어들라!
-유머가 가득한 매력적인 책.
-자녀가 양자역학과 물리학에 관심을 갖길 바란다면 바로 이 책이 정답이다.
-지금까지 읽은 양자역학 도서 중 가장 쉽고 재미있다.
-양자역학이라는 복잡하기 짝이 없는 주제를 이토록 쉽게 설명하다니!
-양자역학 이론의 발전과 여러 과학자들에 대한 통찰력 있으면서도 현실적인 설명을 제공한다.

『천문학 이야기』

인간이 가진 어휘로는 결코 표현할 수 없는,
천문학적인 시공간의 이야기

우주로 떠나기 전에 우리가 지금 발 딛고 있는 지구부터 알아보자. 현재 우리는 어제와 같은 시간에 있었던 곳에서 250만 킬로미터 떨어져 있다는 사실을 아는가? 바로 지구의 공전 때문이다. 지구는 총알보다 50배나 더 빠른 속도로 태양 주위를 돌고 있는데, 이 속도는 1초에 에베레스트산을 세 번 오를 수 있을 정도다. 하지만 이 엄청난 속도로도 태양을 한 바퀴 공전하는 데 1년이 걸린다. 그런가 하면 태양 속에는 지구를 100만 개나 넣을 수 있으며, 이렇게 질량이 큰 태양은 초음속 비행기로 150년이 걸리는 태양계의 끝자락 해왕성까지 강력한 중력으로 끌어당긴다.

태양계를 넘어 우리 은하로 가면 우리의 뇌가 당최 수치화할 수 없는 영역이 된다. 우리 은하는 질량이 태양 질량의 1조 5,000억 배이며 항성을 2,000억 개 포함하고 있다. 이 항성 숫자는 구름 속에 존재하는 물방울 숫자와 같다. 우리는 말 그대로 별구름 속에 산다. 모래 한 알을 집어 밤하늘에 갖다 대면 가려지는 면적의 우주에는 항성 수십억 개로 가득 찬 은하가 적어도 1만 개 있다고 한다.

시간은 또 어떠한가. 칼 세이건이 제안한 대로, 우주의 일생을 1년짜리 달력으로 요약하면 인간은 12월 31일 자정이 되기 고작 4분 전에 등장한다. 이에 대해 저자 팀 제임스는 우주의 공간과 시간은 우리 인간이 가진 언어로는 결코 표현할 길이 없을 만큼 ‘천문학적(astronomical)’이라고 말한다. 그렇다면 이토록 천문학적인 우주에 비해 너무나도 시시한 인간은 그 세계를 어떻게 파헤쳤을까.

탈레스부터 갈릴레이를 거쳐 아인슈타인과 호킹까지
우주의 신비를 파헤친 천재들의 이야기

고대 바빌로니아인들의 점성술에서 시작된 인류의 천문학은 기원전 6세기 밀레투스 출신의 학자 탈레스에 이르러 과학의 형태로 태동한다. 인류 최초의 천문학자로 불리는 탈레스는 세심한 기록을 통해 일식을 예측해냈고, 한 달을 30일, 1년을 365일로 나누기까지 했다. 그 이후로 플라톤과 아리스토텔레스를 비롯한 고대 그리스 학자들은 별의 위상과 운동 주기를 관찰하고 태양계의 다섯 행성에 헤르메스(수성), 아프로디테(금성), 아레스(화성), 제우스(목성), 크로노스(토성)라는 이름도 지어주었다. 이들을 통틀어 ‘방랑자’를 뜻하는 ‘플라네테스(planetes)’라 불렀는데, 행성(planet)에 관한 아이디어도 이 시기에 등장한 것이다. 그러나 모두가 알다시피 천문학은 그 후 암흑기에 빠졌고, 우리에게 익숙한 과학 천재들의 이름은 천 년 이상의 세월이 지나서야 등장한다.

르네상스 시대에 이르러 우리는 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레이 등 지동설의 개척자들을 만나는데, 저자 팀 제임스는 단순히 그들의 업적을 소개하는 데 그치지 않는다. 지동설을 담은 자신의 책을 죽기 직전에 발표한 코페르니쿠스, 애완 사슴을 계단에서 굴러 떨어뜨려 죽여버린 괴짜 천재 티코 브라헤, 브라헤의 자료를 빼내 코페르니쿠스 모델을 완벽하게 증명한 케플러, 교황을 비꼰 소설을 써서 은유적으로 교회에 맞선 갈릴레이 등등, 우주의 진실을 밝히기 위해 고군분투했던 당시 학자들의 고난과 이를 극복해내는 그들의 재치를 다양한 에피소드로 들려준다.

이어서 등장하는 근현대 과학자들의 이론들, 이를테면 아인슈타인의 일반상대성이론, 양자역학, 사건의 지평선, 중력렌즈, 우주 상수, 호킹 복사 이론, 끈 이론 등등 궁금하긴 했지만 섣불리 이해하기 어려웠던 물리학이나 우주과학 이론들도 팀 제임스만의 쉽고도 유머러스한 설명으로 어렵지 않게 이해할 수 있다. 그의 연대기적 설명을 따라가다 보면, 알베르트 아인슈타인과 스티븐 호킹이 얼마나 대단한 인물인지를 확실히 알게 될 것이다. 특히 아인슈타인의 일반상대성이론이 발표된 1915년 이래, 지난 100여 년이 상대성이론의 예측을 후대 과학자들이 실제로 증명해낸 시간임을 깨닫는 순간, 위대한 천재의 존재에 절로 감탄할 것이다.

블랙홀, 홀로그램 우주, 외계 생명체, 쿼크 별, UFO 등등
우주의 미스터리가 슬며시 풀리는 지식 여행

SNS, 방송, 신문 등 매체를 가리지 않고 과학 대중화에 힘쓰는 과학 전도사 팀 제임스. 그는 빅뱅, 블랙홀과 화이트홀, 홀로그램 우주, 외계 생명체, UFO 등등 우리가 늘 궁금했던 우주의 수수께끼를 그만의 재치 넘치는 스토리텔링으로 설명해준다. 그가 툭툭 던지는 유머를 읽다 보면 마치 스탠드업 코미스 쇼에 참석한 듯한 착각에 빠진다. 도대체 우주는 왜 자꾸 팽창하는지, 빅뱅은 정말 신의 존재를 증명하는지, 지구 너머에 생명체가 사는 행성은 과연 있는지, 명왕성은 어쩌다 행성의 지위를 잃었는지 등등 쉴 새 없이 떠드는 팀 제임스의 이야기를 듣다 보면 당신의 궁금증이 슬며시 지식으로 바뀔 것이다.

천문학사에서 빼놓을 수 없는 인물이자 허블 우주 망원경의 주인공인 에드윈 허블은 “인간은 오감을 발휘하여 자신을 둘러싼 우주를 탐험한다. 우리는 이 모험을 과학이라 부른다”라고 말했다. 오감을 발휘해 밤하늘을 보라. 1,000년 전 우주 어디선가 쏘아올린 별빛이 당신의 눈에 들어올 것이다. 그 빛을 발견했다면 이제 우주로의 지식 여행을 떠날 시간이다. 팀 제임스의 『천문학 이야기』와 함께!