물질이란 개념 정의의 변천에 따라 과학사가 달라지다
물질에 대한 개념과 정의는 몇 세기를 거치는 동안 근본적인 변화를 겪었다. 수많은 과학자들이 연구를 거듭한 결과 불분명하고 진부했던 개념은 과학적이고 엄밀한 개념으로 정리되었다. 물질이 무엇인지 밝히기 위해서는 많은 노력이 필요했다. 실체, 형상, 질량, 원자, 허공 같은 다분히 철학적인 용어들을 명확히 정의해야 했기 때문이다. 과학이 발전하면서 물질에 대한 인식에 몇 번의 혁명을 겪었지만 여전히 물질이 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았다. 우주공간의 대부분을 차지하고 있는 미지의 암흑물질의 정체가 밝혀지면 우리의 물질관은 또 한 차례 커다란 변화를 겪게 될 것이다.

기획의도
'과학과 사회' 시리즈의 네 번째 책으로 나온 이 책은 고대 그리스 자연철학자들의 화두였으며, 그 시대부터 지금까지 물리학의 근본 물음인 ‘물질의 속성’에 대해 탐구한다. 이 책의 지은이 세 사람은 파리 과학산업관의 주최로 열린 컨퍼런스에서 일반 청중을 대상으로 아홉 개의 강의를 진행했다. 강의를 통해 이들은 물질에 대한 사고와 관련해 각자의 방식으로, 물리학이 물질을 생각하는 방식에서 구축했던 중요한 개념적 수정을 도출함으로써 가능하다는 것을 보여주었다. 한마디로 말하자면 “물질이란 개념 정의의 변천에 따라서 과학사가 달라진다.”
물질에 대한 사고의 개념 수정을 말하자면 20세기는 경이로운 세기였다. 1905년 아이슈타인의 E=mc2가 등장하면서 갈릴레이 이후 물질을 ‘실체’로 다루었던 오랜 전통과 단절되었으며, 물질은 융합과 분열을 거쳐 발생했고, 우주에 역사가 있음을 가르쳐주었다. 아인슈타인의 방정식과 양자물리학의 출현은 물질과 물질의 구성 성분에 대한 우리의 인식 자체를 바꾸어놓았다. 또 천제물리학은 우리를 구성하는 원자들이 별들의 내부에서 생성되었다고 주장한다. 그러나 우주생성론에 따르면 우주 구성 물질의 본질이 무엇인지는 아직 알 수 없다. 앞으로 그것이 밝혀지면 과학의 역사는 또 다른 국면을 맞이할 것이다. 이처럼 물리학의 근본 물음이 바로 “물질이란 무엇인가” “물질을 어디에서 왔는가”다. 이것에 대한 이해 없이는 과학사와 과학적 인식 자체가 불가능해진다.

책 내용
물질이란 물리학적으로는 “물체의 본바탕으로서 질량을 갖고 공간의 일부를 차지하는 자연의 구성요소”쯤으로 정의할 수 있다. 17세기 뉴턴은 물질을 관성으로 이해했고, 19세기 페러데이는 장의 개념을 도입했으며, 아인슈타인에게 물질은 에너지였다. 그러나 20세기 초반에 만물이 원자로 이루어져 있다는 사실이 확인되었고 곧이어 양자역학이라는 새로운 물리학이 과학의 주무대에 등장하면서 현대의 물질관은 전대미문의 변화를 겪게 된다.
이 책을 구성하는 세 편의 논문은 물체의 내부에너지와 질량의 등가원리를 제기하는 아인슈타인의 방정식 E=mc2을 증명한다.

1장에서는 프랑스의 좌파 철학자 에티엔 발리바르의 딸 프랑수아즈 발리바르가 고대 자연철학자부터 갈릴레이, 뉴턴, 라이프니츠까지, 아인슈타인 나타나기 전, 물질을 ‘실체’로 다루었던 오랜 전통을 설명한다.
이론의 여지가 있지만 과학은 그리스 아르카이크 시대에서 출발해 고전 그리스, 로마제국, 바그다드, 예루살렘, 중세, 르네상스를 거쳐 현대과학에 도달했다.
탈레스나 아낙시만드로스, 파르메니데스. 원자론자들 그리고 아리스토텔레스까지. 이 최초의 ‘철학자’들은 ‘자연철학자’들로 불리는데, 이들은 사물이나 현상의 다양한 이면에 공통의 자연이 존재한다고 믿었다. 그런 의미에서 이들의 자연 인식 밑바탕에는 ‘물질’을 바라보는 현대적 싹이 트고 있었다고 본다. 자연을 조사하는 물리학자의 임무는 성장의 원칙을 포함하는 바로 이 공통의 근원적 ‘자연’에서 출발해 어떻게 사물이, 살아 있는 것을 포함하는 만물이 생성되었는지를 밝히는 것이다.
아리스토텔레스 이후 그의 이론에 따라서 물질을 물질 자체가 아니라 물질과 형상의 결합으로 간주하는 인식이 지배적이었다. 그러다가 갈릴레이 이후로 ‘실체적 형상’의 형이상학에서 ‘실체적 물질’의 사고로 이행하게 되었다. 갈릴레이의 물질에 대한 실체적 개념은 필연적으로 허공에서 운동하는 입자라는 사고로 귀결되고, 여기서 허공은 물질의 허공, 따라서 실체의 허공이라는 의미로 이해된다. 원자와 허공, 그리고 운동 개념을 더욱 발전시킨 것은 뉴턴이다. 그는 물질의 속성에 질량과 힘이라는 개념을 도입해 그전 사람들이 풀어내지 못한 문제인, 물체의 응집력을 설명해낸다. 뉴턴의 동시대인이었던 라이프니츠는 뉴턴 시스템을 비판하면서 ‘힘’ 개념을 등장시킨다. 여기서 힘은 능동적이고 실체에 내재하고 실체를 구성하는 ‘작용력’을 의미한다. 또 힘은 실체에 적용되는 것이 아니라 실체를 정의한다. 라이프니츠 체계의 궁극적 요소는 모나드(단자)다. 분해할 수 없는 단위인 모나드는 물이 샘에서 솟아나는 것처럼 힘이 분출하는 곳이다.

2장에서는 20세기 초 아인슈타인의 상대성이론과 양자이론이 등장하면서 겪은 물리학의 이중의 대전환을 소개한다. 이 혁명으로 물질과 물질의 구성요소에 대한 인식 자체가 근본적으로 바뀌게 되었다. 현대물리학에서는 물질을 무엇이라 규정하고 어떻게 인식하는가?
1905년 아인슈타인이 제시한 유명한 방정식 에너지 E는 광속의 제곱인 상수 c2을 통해 질량 m으로 환원가능하다는 E=mc2이 250년이 넘는 시간 동안 실체라는 형이상학적 개념을 흡수하려고 시도했던, 그러나 실체로는 성공하지 못했던 두 개의 물리학 개념을 단 하나의 동일 개념으로 통합하는 과정을 살펴본다. 실체는 물질이 아니다. 또한 물질도, 에너지도 실체가 아니다. 실체는 사실 물리학과는 아무 관련이 없다. 물론 그렇다고 해서 실체 개념의 형이상학적 중요성이 사라진 것은 전혀 아니다.
아인슈타인의 상대성이론은 물리학에서 단순히 시공간, 즉 물질현상이 일어나는 장에 대한 인식만을 변화시킨 것이 아니다. 상대성이론은 물리학적 탐구 대상 자체의 성격 부여에 미묘하지만 심오한 변화를 초래했다.

3장에서는 상대성이론과 양자이론으로 우주 역사를 발견하고, 원자와 우리 몸을 구성한 원자들이 존재하지 않던 시절. 즉 물질이 탄생하던 최초의 3분 동안에 대한 추적을 한다. 그때를 추적해 물질이 어디에서 왔으며 어떻게 생겨났는지를 가정해본다. 그를 바탕으로 우주공간 속에 존재하는 지구의 탄생의 비밀을 간직한 물질과 물질의 속성을 밝혀줄 또 다른 물질들을 소개하고 전망한다. 과학의 발달로 우리는 우주에는 ‘물질’의 실체를 밝혀줄 비밀을 간직하고 있으며, 아직 그 정체를 드러내지 않은 미지의 암흑물질이 있음이 밝혀졌다. 이 암흑물질의 정체가 드러나게 되면 우리의 물질관은 또 한 차례 커다란 변화를 겪게 될 것이다. 보통 물질의 기원을 탐색하는 과정에서 마침내 천체물리학자들은 우주를 이색적인 물질로 채웠다. 이 물질을 탐색하는 것이야말로 21세기의 과학의 위대한 모험 가운데 하나가 될 것이다.