'빵'에서 원자 개념을 잡아낸 고대 천재 데모크리토스

[서울신문 나우뉴스]

17세기 네덜란드 화가 헨드릭 테르 브루겐의 데모크리토스

‘세계는 원자로 이루어져 있다’

아인슈타인 이후 최고의 천재로 일컬어지는 미국의 물리학자 리처드 파인만은 원자에 대해 이렇게 한 마디로 규정했다. “다음 세대에 물려줄 과학지식을 한 문장으로 요약한다면, ‘모든 물질은 원자로 이루어져 있다’는 것이다.”

이처럼 원자는 물질세계의 가장 기본적인 질료이자 현대 물리학의 화두이다. 현대문명의 총화인 컴퓨터, TV, 휴대폰 등 모든 전자기기들은 원자의 과학인 양자론 위에 서 있는 것들이다. 물리는 원자에서 시작하여 원자로 끝난다고 할 수 있다. 그런데 원자의 크기는 대체 얼마나 될까? 전형적인 원자의 크기는 10^-10m다. 1억분의 1㎝란 얘기다. 상상이 안 가는 크기다. 중국 인구와 맞먹는 10억 개를 한 줄로 늘어놓아야 가운데 손가락 길이만한 10㎝가 된다. 각설탕만한 1㎝^3의 고체 속에는 이런 원자가 10^23개쯤이 들어 있다. 얼마만한 숫자인가? 지구의 모든 바다에 있는 모래알 수와 맞먹는 숫자이다.

원자의 속고갱이인 원자핵의 크기는 얼마나 될까? 약 10^-15m다. 원자의 10만분의 1 정도다. 그렇다면 원자의 크기는 무엇으로 결정되는가? 원자핵을 중심으로 돌고 있는 전자 궤도가 결정한다. 결론적으로 말하면, 원자는 그 부피의 10^-15(부피는 세제곱), 곧 1천조 분의 1을 원자핵이 차지하고, 그 나머지는 모두 빈 공간이라는 말이다.

이게 대체 얼마만한 공간일까? 원자가 잠실야구장만 하다면 원자핵은 그 한가운데 있는 콩알보다도 더 작다. 지구상의 모든 물질을 원자핵과 전자의 빈틈없는 덩어리로 압축한다면 지름 200m의 공을 얻을 수 있다. 자연은 원자를 제조하는 데 너무나 많은 공간을 남용했다고 해도 할 말이 없을 것 같다.

물질을 세분해 가면 분자 -> 원자 -> 원자핵...으로 세분화되고, 마지막에 더이상 나눌 수 없는 가장 작은 알갱이에 이르게 되는데, 이를 소립자라고 한다. 소립자는 현재까지 발견된 물질을 구성하는 가장 작은 단위의 입자이다. 이러한 물질의 최소단위를 연구하는 학문을 소립자 물리학이라 하는데, 우주의 기본 입자 물체를 연구하는 물리학의 한 분야이다. 가장 먼저 발견된 소립자는 1897년 영국의 물리학자 존 톰슨에 의해 발견된 전자이다.

20세기에 접어들어 원자를 비롯한 소립자에 대한 연구가 본격적으로 시작되었는데, 이 소립자 물리학의 역사는 기원전 4세기까지 거슬러올라간다. 무려 2400년의 역사를 갖고 있다는 말이다.

최초로 ‘원자 개념’은 갓 구운 빵에서 나왔다. 고대 그리스 철학자 중 “물질의 최소 단위를 모르고서는 결코 우주를 이해할 수 없다”고 말한 사람은 바로 플라톤(BC 427~347)이었다. 그는 또 ‘우주는 왜 텅 비어 있지 않고 무언가가 존재하는가?’하고 물었다. 물질의 기원에 관한 가장 원초적인 질문이었다. 물론 그러한 질문에 제대로 답할 만한 과학이 당시엔 없었다.

그러나 물질에 대해 가장 독창적이고 놀라운 주장을 한 사람이 나타났다. 기원전 4세기 그리스의 데모크리토스(BC 460~380)였다. “지식은 두 가지 방법으로 얻을 수 있다. 지성에 의해 타당한 추론을 얻을 수 있고, 다른 방법은 모든 감각을 정교하게 동원해서 얻어낸 자료를 통해 추론하는 것이다”라고 말한 데모크리토스는 물질의 본성에 대해 다음과 같이 갈파했다.

“모든 물질이 더 이상 나눌 수 없는 작은 것, 곧 원자(atomos)로 이루어져 있으며, 이것이 바로 물질의 보이지 않는 가장 작은 구성요소로서, 세계는 무수한 원자와 공(空) 외에는 아무것도 존재하지 않는다.”

그렇다면 데모크리토스는 아무런 과학적 관측도구도 없었던 그 시대에 어떻게 만물이 원자로 이루어져 있다는 것을 알아냈을까? 데모크리토스가 ‘아토모스’를 착상하게 된것은 놀랍게도 ‘빵’ 때문이었다. 별다른 것이 아니라, 바로 우리가 먹는 빵이다.

우주 삼라만상은 모두 원자로 이루어져 있다. 허블 익스트림 딥 필드(Hubble eXtreme Deep Field)’에 보이는 은하들. 132억 광년 거리에 있는 우주의 풍경으로, 빅뱅 후 겨우 6억 년이 지났을 무렵의 아기 우주 모습이다.

길고 긴 단식 기간을 보낸 데모크리토스는 거의 단식이 끝나가던 어느 날, 뜻하지 않게 아토모스(‘더 이상 나누어지지 않는’이라는 뜻)라는 개념을 떠올리게 되었다. 그것은 친구가 그가 있던 방 안으로 갓 구운 빵을 들고 들어왔을 때였다. 데모크리토스는 고개를 들기도 전에 그것이 빵임을 단박에 알 수 있었다. 그는 생각했다. ‘눈에 보이지 않는 빵의 진수(essence)가 허공을 가로질러 내 코에 도달했다.’

그는 빵 냄새를 공책에 적어놓고는 ‘공간을 가로질러온 빵의 진수’에 대해 깊이 사색했다. 그러고는 그가 관찰했던 작은 물웅덩이를 떠올렸다. 물웅덩이는 점점 작아지다가 결국 말라붙어 사라진다. 왜 그럴까? 눈에 보이지 않는 물의 진수가 웅덩이에서 빠져나가 멀리 사라진 것이다. 빵의 진수가 내 코를 자극하고 사라진 것과 마찬가지로.

이 위대한 고대의 천재는 마침내 다음과 같은 결론에 도달하게 되었다. “모든 물질이 더 이상 나눌 수 없는 작은 것, 곧 원자(atomos)로 이루어져 있으며, 이것이 바로 물질의 보이지 않는 가장 작은 구성요소로서, 세계는 무수한 원자와 공(空) 외에는 아무것도 존재하지 않는다. 다른 것은 다 견해에 불과하다.”

그는 또 원자를 설명하면서, 원자는 영원불변하며, 절대적인 의미에서 새로 생겨나거나 사라지는 것은 아무것도 없으며, 사물들이 안정되어 있고 시간이 흘러도 변하지 않는 까닭은 모든 원자들이 똑같은 크기를 갖고 자기가 차지하고 있는 공간을 꽉 메우고 있기 때문이라고 했다.

물론 오늘날 우리는 원자가 더 작은 입자들로 이루어진 보따리 구조라는 사실을 알고 있다. 따라서 데모크리토스가 말한 원자는 입자로 바꿔 생각해야 할 것이다. 어쨌든 데모크리토스가 말한 대로 물질을 계속 쪼개나가다 보면, 그 이름이 무엇이든 간에 물질의 최소 단위에 이르게 된다. 왜냐하면 물질을 무한히 쪼개나갈 수는 없기 때문이다. 현재 물질을 구성하는 궁극적인 최소단위, 곧 기본입자는 6종의 쿼크와 6종의 렙톤, 총12가지로 알려져 있다. 이것들이 바로 데모크리토스가 말한 ‘아토모스’인 셈이다.

인간의 눈에는 결코 보이지 않는 극미의 원자. 그러나 이 원자들이 우주의 삼라만상들을 이루고 있는 것이다. 참고로, 이 우주에는 총 10^82제곱 개 원자들로 이루어져 있으며, 그것들이 만드는 물질은 우주 공간의 1조분의 1 정도를 채우고 있을 뿐이다.

한 물리학자의 말을 빌면, "큰 성당 안에 모래 세 알을 던져넣으면 성당 공간의 밀도는 수많은 별을 포함하고 있는 우주의 밀도보다 높게 된다." 그러니 우주는 사실 텅 빈 공간이나 다를 바가 없다. 우리는 그야말로 색즉시공(色卽是空)의 세계에서 살고 있는 것이다. 현대 물리학은 2400년 전 물질의 최소 단위라는 개념을 싹틔운 데모크리토스의 ‘아토모스’ 착상에서부터 출발했다고 해도 과언이 아니다.　

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

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