원자

제가 처음 원자를 본 순간은 기억나지 않지만, 과학 수업에서 원자를 처음 배웠던 순간은 기억납니다. 그리고 그때 저는 원자에 매료되었습니다. 수업에서 보여준 그림 속의 복잡함, 그리고 원자들이 결합해 물질을 이루는 방식은 더 알고 싶다는 마음을 불러일으켰습니다. 저는 원자에 대해, 주기율표에서의 위치에 대해, 원자를 이루는 입자들에 대해, 심지어 원자가 우리 집의 전기를 만드는 데 어떻게 쓰이는지에 대해서까지 많은 것을 읽었습니다.

훨씬 나중에 프로그래밍을 배우게 되었고, 수업과 책에서 배운 것을 직접 구현해 보고 싶어졌습니다. 원자를 만들어서 움직이는 모습을 보고, 각 부분이 실제처럼 느껴지도록 만들고, 그것들을 결합해서 어쩌면 시뮬레이터 안에서 더 큰 무언가를 만들어 보고 싶었습니다. 그런데 예상치 못한 일이 일어났습니다: 저는 더 이상 호기심 많은 어린 학생이 아니라, 다른 방식으로 생각하는 어른이 되어 있었습니다. 그래서 처음부터 다시 조사를 시작했습니다. 그리고 그 결과는 놀라웠습니다: 이 주제에 관한 책을 수년간 읽은 뒤에도, 단 몇 시간의 비판적 사고만으로 예전에는 보지 못했던 세부 사항들이 드러났습니다.

여러 이야기가 있지만, 그 대부분은 고대로 거슬러 올라가며 대략 다음과 같은 모습을 하고 있습니다:

"가장 초기의 원자 연구는 고대로 거슬러 올라간다고 전해진다. 당시 가장 학구적인 이들은 모든 것을 몇 개의 부분으로 나눌 수 있는지 궁금해했다. 오랜 연구 끝에 그들은 사물은 오직 한계까지만 나눌 수 있으며, 결국에는 너무 작아 알아챌 수 없는 조각들이 남는다는 결론에 이르렀고, 이를 원자라고 불렀다."

이 개념을 이해하려면, 여러분이 몹시 지루해서 나눌 수 있는 아무거나 —이쑤시개, 나뭇잎, 과일 조각— 을 집어 들고 반으로 자른다고 상상해 보세요. 그리고 또 한 번. 또 한 번… 더 이상 자를 수 없을 때까지요. 그러면 완성입니다: 원자를 얻은 거죠! …라는 것이 적어도 당시의 생각이었습니다.

만약 시간을 멈추고 이 이야기에 머무를 수 있다면, 저는 제 시뮬레이터를 문제없이 만들 수 있었을 것입니다: 사과 하나를 둘로, 셋으로 나누게 하고, 한계를 정하면 끝이니까요. 하지만 이것은 이야기의 시작에 불과했습니다.

이제부터 이어지는 내용은 오늘날 우리가 원자라고 부르는 것을 서서히 형성해 온 역사적 사실과 발견들을 깊이 연구한 결과물입니다.

19세기 초, 존 돌턴이라는 영국의 화학자는 주기율표도, 화학 원소를 나타낼 기호도 없던 시절에 자신만의 도식 체계를 만들었습니다. 기본적으로 그는 금, 은, 탄소, 산소 등 당시 알려진 원소들의 목록을 만들고, 각 원소 옆에 서로 구분할 수 있도록 저마다 다른 도안이 들어간 원을 그렸습니다.

돌턴은 원자를 작고 단단하며 나눌 수 없는 구체로 여겼고, 흔히 이를 "궁극의 입자"라고 불렀습니다. 이는 더 이상 나눌 수 없는 물질의 한계와도 같은 것이었습니다. 그의 연구는 원자라는 추상적 개념을 화학 실험과 확고히 결합시켰고, 이 때문에 그는 역사적으로 원자론의 아버지로 인정받습니다.

거의 한 세기가 지난 후, 조지프 존 톰슨이라는 또 다른 영국 과학자는 음극선의 본질을 설명하려다가, 음극선이 전기를 운반하는 작은 미립자들로 이루어져 있다고 주장했습니다. 이 입자들이 어디서 왔는지 설명하기 위해, 그는 이들이 마치 푸딩 속 건포도처럼 원자 안에 존재한다고 주장했고, 이 '자두 푸딩' 모형을 바탕으로 원자론을 세우기까지 했습니다.

주목할 점은, 톰슨은 그 미립자들 중 단 하나도 세상에 실제로 보여준 적이 없다는 것입니다: 그는 실험을 통해 그것들을 추론했을 뿐, 직접 본 것은 아니었습니다. 그럼에도 이 아이디어는 1906년 노벨상을 받았고 하나의 사실로 굳어졌습니다. 그때부터 원자는 더 이상 소박한 가설이 아니라 아무도 감히 의문을 제기하지 못하는 것이 되었습니다. 이 사건들은 당시 과학자들에게 게임의 규칙을 완전히 바꾸어 놓았고, 원자와 그 이론들을 성공으로 가는 확실한 발판으로 만들었습니다.

몇 년 후, 어니스트 러더퍼드라는 뉴질랜드 과학자는 방사능에 관한 자신의 연구를 원자와 연결지었고, 원자가 톰슨의 푸딩처럼 정적인 것이 아니라 축소판 태양계와 매우 흡사한 무언가라고 주장했습니다. 그는 또한 새로운 요소 —거의 모든 질량이 집중된 아주 작은 핵— 를 더해 그 위에 새로운 원자론을 세웠습니다.

새로운 행성 모형의 원자는 양전하를 띤 아주 작은 핵 주위를 음전하를 띤 입자(전자)들이 도는, 일종의 궤도 체계와 같은 형태였습니다. 세 번째 조각인 중성자는 아직 등장하지 않았습니다: 그것은 1932년이 되어서야 나타났습니다. 방사성 물질에 관한 연구로 러더퍼드는 1908년 노벨상을 받았습니다.

러더퍼드의 성공과 거의 동시에, 닐스 보어라는 젊은 덴마크인은 행성 모형의 오류를 바로잡으려 하면서 궤도 준위, 에너지 준위, 궤도 간 도약, 그리고 그가 전자기파라고 가정한 빛의 방출과 흡수까지 덧붙였습니다. 그의 연구를 통해 보어는 특정 현상을 설명하기 위한 이론적 지도에 불과했던 것을, 이해하려면 칠판을 가득 채워야 하는 것으로 바꾸어 놓았습니다. 원자 구조에 대한 기여의 결과로 닐스 보어는 1922년 노벨상을 받았습니다.

보어 이후에는 거의 끝없는 명석한 두뇌들의 행렬이 이어졌습니다. 이들 모두 원자에 관해 —한 번도 본 적 없는— 점점 더 대담한 이론들을 더해가며 수학적 체계를 천문학적인 수준으로 키워갔습니다. 솔직히 말하면, 이 주제에 관해 여러 시간 읽고 나니, 각각의 원자 모형을 들여다보는 일은 마치 산타클로스의 썰매를 들여다보는 것 같았습니다: 요란하게 알려졌지만 아무도 실제로 본 적은 없는 무언가 말이죠.

원자 모형이 상상 속 지도라는 점을 감안하면, 더 정직한 질문이 떠오릅니다: 원자와 비슷한 무언가를 실제로 본 적이 있을까요? 짧은 답은 불편합니다: 그것은 우리가 '본다'는 말을 무엇으로 정의하느냐에 달려 있습니다.

좀 더 잘 설명하기 위해, 사과를 바라본다고 상상해 봅시다: 빛이 사과 표면에서 반사되어 우리에게 도달하고, 우리 눈 속에 그 이미지를 형성합니다. 하지만 약 200나노미터 이하로 내려가면 그 트릭은 더 이상 통하지 않습니다: 일반적인 빛은 더 이상 존재하는 것의 초상을 되돌려 주지 못하고, 그것을 그리지 않은 채 주위를 그냥 지나쳐 가는 것처럼 보입니다. 마치 그 대상이 투명한 것처럼요. 오직 아주 특별한 빛 —거대 입자 가속기에서 만들어지는 것처럼 극도로 강렬한 빛— 만이 그 규모에 가까이 다가갈 수 있었으며, 그렇게 얻어지는 것도 사진이 아니라 패턴입니다: 실루엣과 그림자죠.

과학은 가용한 모든 기술을 동원해 놀라운 지점까지 도달했습니다: 흐릿한 실루엣을 찾아내고, 세고, 하나씩 배열하고, 믿을 수 없을 만큼 작은 규모에서 전기장을 측정할 수 있습니다. 하지만 이러한 업적들은 하나같이 이미지의 옷을 입은 측정치일 뿐, 직접 본 것은 아닙니다. 오늘날 우리가 "원자의 사진"이라고 부르는 것도 여전히 지도입니다 —톰슨이나 보어의 것보다는 훨씬 낫지만, 결국은 지도인 것이죠—. 그리고 이 점은 담담하게, 과장 없이 말해야 합니다: 우리는 그 흔적을 놀라운 정밀도로 측정해 왔습니다. 하지만 사과를 보듯 있는 그대로 원자를 보는 일은, 아직입니다. 그리고 이는 아주 작거나 아주 먼 거의 모든 것에도 마찬가지로 해당됩니다.

거의 터무니없어 보이지만 중요한 가설이 하나 있습니다: 만약 그 개연성 부족을 이유로 우리가 단번에 원자를 없애버리기로, 즉 교실에서, 그리고 지식의 모든 분야에서 원자에 관한 모든 모형을 지워버리기로 한다면 어떤 일이 벌어질까요?

가장 먼저 일어날 일은 교실과 교육 현장의 완전한 혼란일 것입니다. 교과서는 200년이 넘는 역사를 지워가며 다시 써야 할 것입니다. 수백만 페이지가 개념적 "구멍", 지워진 단어, 금지된 용어들로 가득 차 텍스트를 완전히 읽을 수 없게 만들 것입니다. 슈뢰딩거의 방정식, 루이스 구조식, 분자 결합 도식은 기본 전제를 잃고 의미 없는 낙서로 전락할 것입니다. 나노기술, 핵물리학, 생화학에 헌정된 논문들 전체가 단숨에 무효화될 것입니다.

반면 과학은 멈추지 않을 것입니다: 원자가 설명해 주던 것을 설명하기 위해 다른 길들 —수학적, 철학적인 길들— 을 찾아 나설 것입니다. 왜냐하면 세상은 여전히 같은 것으로 이루어져 있을 것이기 때문입니다. 우리는 단지 지도를 지운 것일 뿐, 영토를 지운 것은 아닙니다.

아무리 있을 법하지 않아 보여도, 이 모든 노력 —그리고 원자를 더 잘 그려내는 데 평생을 바친 수천 명의 사람들— 뒤에는 하나의 도박이 있습니다: 물질이 더 깊은 수준에서 무엇으로 이루어져 있는지 탐구하는 것은 가능성으로 가득 찬 우주를 약속합니다.

화학 원소의 변환이 실현 가능해질 수도 있습니다. 이미 원자로는 우라늄 같은 원소를 플루토늄과 세슘으로 바꾸고 있습니다. 더 가벼운 원소에 입자를 충돌시켜 더 무거운 원소로 바꾸는 것도 마찬가지로 가능합니다. 하지만 이러한 변환은 하나같이 극도로 비용이 많이 들고 비실용적이며, 그마저도 극히 적은 양만을 만들어냅니다. 우리가 그 과정을 더 잘 이해하고 더 낮은 수준에서 그것을 제어할 수 있게 된다면, 이 모든 것이 바뀔 수 있습니다.

농담 삼아 말하자면, 우리는 돌을 금이나 다이아몬드로 바꾸어 은행을 가득 채운 다음 다시 돌로 되돌릴 수도 있을 것이고, 더 나아가 새로운 성질을 가진 새로운 화학 원소를 만들어낼 수도 있을 것입니다: 중력을 거스르는 물질, 고온에서 작동하는 초전도체… 끝없는 이야기죠.

두 번째 상은 이미 켜져 있습니다. 실험실이 아니라 여러분의 집에서요: 세계 전기의 상당 부분은 우리 모두가 그것을 누릴 수 있게 해주는 거대한 노력에서 나옵니다. 물질을 더 잘 이해한다면 오늘날보다 훨씬 낫고 효율적인, 아직 우리가 모르는 에너지 생성 방식을 열어줄 수도 있습니다. 물론 비평화적 목적으로 사용될 가능성도 배제할 수 없으며, 이는 역사적으로 비극적인 결과를 가져오기도 했습니다.

하지만 모든 것이 비극을 가져오지는 않을 것입니다. 이러한 연구 뒤에는 질병 진단에 필수적인 핵자기공명영상 같은 기술을 개선하려는 희망, 또는 미래의 컴퓨터를 상상하지 못한 한계까지 이끌 수 있는 새로운 정보 처리 방식을 찾으려는 희망이 있습니다. 그리고 의심할 여지 없이 가장 야심 차고 상상력 넘치는 목표로, 오래된 하나의 과제가 떠오릅니다: 시간이 무엇인지 이해하고, 어쩌면 그것을 제어하는 것입니다.

이 모든 것이 왜 그토록 많은 사람들이 연필을 내려놓지 않고 계속 연구하는지를 설명해 줍니다. 원자처럼 흐릿하고 상상에 불과한 지도만으로도 우리가 이만큼 멀리 왔다면, 물질을 가장 낮은 수준에서 이해하고 제어할 수 있게 된다면 우리는 얼마나 더 멀리 갈 수 있을까요?

결국 제 시뮬레이터는 하나의 시도로만 남았습니다. 짐작하셨겠지만, 컴퓨터로 원자를 시뮬레이션하는 것은 눈을 가린 채 나비를 잡으려는 것과 같았습니다. 그럼에도 이 모든 과정은 저를 원자와 그 상상 속 모형들에 흥미를 갖게 했을 뿐 아니라, 한때 우리 모두를 매료시켰지만 정작 깊이 아는 사람은 거의 없는 지식의 세계 전체를 마주하게 만들었습니다.