과학사도 이젠 미시사적 관점으로 읽는다

수소 원자를 이해하는 것은 물리학 전부를 이해하는 것이다. _빅터 바이스코프
안정된 상태에 있는 원자들 중 가장 간단한 구조를 갖고 있는 수소 원자는 이론과 실험을 대면시키는 가장 훌륭한 매개체다. _테오도어 헨슈 (2005년 노벨상 수상)

‘과학사’ 하면 흔히 특정 이론의 역사, 주요 사건들로 이루어진 통사, 유명하고 뛰어난 과학자들의 계보를 떠올린다. 모두가 입문서나 개론서 같다. 두 권쯤 읽고 나면 왠지 다 안 것 같다. 그렇다고 이론서를 펼쳐들자니 부담스럽다. 쉬우면서 뭔가 다른 새로운 과학책은 없을까? 여기 기존의 이야기 방식을 살짝 틀어서 현대 과학을 이야기하는 책이 있다.


역사학의 미시사적 방법론을 빌려온 이 책은 구체적인 물질, 수소에 대해 거의 모든 것을 이야기한다. 수소의 탄생에서 시작해 과학자들이 수소를 발견하고 그 생김을 연구하고 그러다 수소 속에 담긴 우주의 규칙까지 알게 되는 이야기인데 다 읽고 나면 현대 과학사의 주요 이론과 사건, 과학자 들까지 머릿속에 남아 있다. 수소의 탄생을 이야기하자니 빅뱅 이론을 언급해야 하고, 수소의 생김새를 설명하려니 보어의 원자 모형을 그냥 지나칠 수 없다. 양자역학이 탄생하는 순간의 수소가 활약한 이야기를 빼놓으면 그건 또 앙꼬 없는 찐빵 같다. 그래서 수소라는 창을 통해 현대 과학의 빛나는 에피소드들을 들여다보는 과학사 책이 나올 수 있었다.

그리고 이 책은 과학사를 다룬 책에선 거의 보기 힘든 실험실 이야기들이 생생하게 살아 있다. 과학 이론의 운명을 좌우했던 실험 현장에 밀착하여 과학 활동의 참 모습을 보여준다. 예를 들어 1952년 노벨상을 수상한 퍼셀과 블로흐는 큰 물질 속에서 핵자기공명이 일어나는 현상을 실험으로 증명했는데, 2차 대전 직후라 재정과 실험 장비가 절대적으로 부족했다. 둘은 사방에 굴러다니는 낡은 부품을 긁어모아 장비를 만들어야만 했다. 그러고도 원하는 결과가 나오지 않아 몇 번이고 다시 시도하면서 실험 방법을 조금씩 수정해 결국 역사적인 발견을 이루었다. 이 책에는 그 같은 풍경들이 거의 모든 장마다 펼쳐진다. 이론을 펼쳐가는 과학자들의 천재성도 놀랍지만 실험실에서 이론 값과 관측 값의 오차를 줄이기 위해 끊임없이 실험 장비를 개선하고, 실험 방법을 바꿔가는 과학자들의 열정적인 모습 또한 감동적이고 매력적이다.

수소는 어떻게 현대 과학의 운명을 바꿔왔는가?

만일 신이 하나의 단어로 세상을 창조했다면 그 단어는 분명 ‘수소’였을 것이다. _할로 섀플리
가장 단순한 구조로 모든 원자를 대표하는 수소 원자는 과학사에 길이 빛날 무용담을 우리에게 남겨주었다. _다니엘 클레프너

세상은 무엇으로 만들어져 있을까? 눈에 보이는 물질을 쪼개고 또 쪼개고 그러다 더는 쪼갤 수 없는 상태가 되었을 때 그 물질은 무엇일까? 기원전 6세기 탈레스는 만물의 근원이 물이라 했다. 그후 백여 년 뒤 데모크리토스는 세계가 물과 불, 땅, 공기로 이루어져 있다고 믿었다. 그러나 지금 우리는 정밀한 실험 장비 덕분에 물질을 이루는 최소 단위가 전자와 쿼크 같은 소립자라는 것을 알게 되었다.

자연의 비밀에 이만큼 다가서기까지 과학자들에게 힌트를 주고 등대가 되어준 것은 ‘수소 원자’였다. 주기율표의 그 많은 원소들을 제치고 과학자들의 사랑을 독차지할 수 있었던 건 우선 구조의 단순함 때문이었다. 양성자 하나, 전자 하나라는 수소의 심플함에 과학자들은 아름다움까지 느끼곤 했다. 수학자들이 쉽고 간결한 공식에 매혹되는 것과 마찬가지였다. 게다가 구성 성분과 구조가 단순하면 실험 과정에서 변수가 나타날 가능성도 적었다. 또 한 가지 수소의 장점은 우주를 구성하는 전체 원소의 90%를 차지하고 있다는 것이다. 지금도 우주 곳곳에서 복사에너지를 방출하는 수소 덕분에 천체물리학자들은 새로운 천체의 정체를 규명할 수 있다. 빅뱅 이론의 검증은 우주 초기에 획득한 성질을 그대로 간직해온 중수소(수소의 동위원소)가 있었기에 가능했다. 수소가 없었다면 인간은 존재할 수도, 자연의 비밀을 알아낼 수도 없었을 것이다.