우리는 날마다 ‘과학’이란 말을 듣습니다. 학교에서는 과학을 공부하고, 텔레비전에서는 현대를 가리켜 첨단 과학의 시대라고 하지요. 하지만 ‘과학이란 무엇인가?’하고 물으면 쉽게 대답을 하는 사람을 찾기가 어렵지요.
국어사전에는 ‘과학’이란 ‘자연 현상과 사물에 대한 경험적인 사실로부터 이끌어 낸 객관적이고 보편적이며, 체계화된 지식과 그 지식을 얻기 위한 인간의 활동’리라는 쉽지 않은 말로 설명되어 있습니다. 과연 과학이란 무엇일까요? 과학은 무엇을 연구하는 학문일까요?
과학은 크게 네 영역으로 나뉘지요. 초등학교와 중학교에서 배우는 과학 과목이 고등학교에서 물리학과 화학, 생물학, 지구과학으로 나뉘는 것을 보면 알 수 있습니다.
‘물리학’은 우주와 물질세계를 움직이는 힘과 에너지의 근본 원리를 탐구하는 학문입니다. 힘과 운동, 전기와 자기, 열, 파동, 소립자 등이 주제이지요.
‘화학’은 물질의 성질과 이들이 일으키는 화학적인 변화를 다루는 학문입니다. 물질의 합성과 분해, 원자와 분자, 물질의 상태 변화 등을 다룹니다.
그리고 ‘생물학’은 식물과 동물, 미생물 등의 구조와 기능을 연구하는 학문으로, 세포나 인체의 구조와 변화, 발생, 유전과 진화 등을 연구합니다.
마지막으로 ‘지구과학’은 우리가 사는 지구와 지구가 속한 우주에 대해 연구하는 학문으로, 지구와 달의 운동, 대기와 바닷물의 움직임, 태양계와 우주 등을 탐구합니다.
그런데 과학의 네 가지 영역은 연구 대상과 주제는 다르지만 공통점이 있어요. 그것은 모두 사물의 ‘변화’를 다룬다는 것이지요. 이 세상 모든 물질이, 모든 생명체가, 또 우주가 움직이지 않고, 변화를 일으키지 않는다면 과학이라는 학문은 존재하지 않았을 겁니다. 과학의 본질적인 대상은 자연과 우주의 변화라 할 수 있고, 실제로 과학의 시작도 물질의 변화를 탐구하는 것에서부터 시작했습니다.
변화의 발견: 원소의 변화
고대 그리스 철학자들은 이 세상의 모든 사물이 기본 원소라고 불리는 공통의 원소로 이루어져 있다고 믿었습니다.
기본 원소에 대해 최초로 생각한 철학자는 탈레스이지요. 그는 만물의 근원을 연구하는 학문인 철학과 과학을 처음으로 시작한 사람이었는데요. 탈레스는 사람과 나무, 흙 등 모든 사물이 ‘물’로 이루어져 있다고 믿었어요. 사물이 어떤 상태의 물로 이루어져 있는지에 따라 모양이 변한다고 주장했답니다.
그런데 고대 그리스 철학자인 멤페도클레스는 이 세상의 기본 원소는 ‘물, 불, 공기, 흙’이 물질을 이루는 네 가지 기본 원소라 여겼어요. 이 기본 원소들이 합쳐지거나 분리됨으로써 여러 가지 물질이 만들어진다고 믿었죠. 또한 네 가지 기본 원소의 비율이 달라지면 물질의 성질과 모양이 변하며, 사람의 경우 기본 원소의 비율이 변하면 병에 걸린다고 주장했습니다.
이런 엠페도클레스의 생각을 한 단계 발전시킨 사람은 아리스토텔레스 입니다. 아리스토텔레스는 엠페도클레스가 제시한 네 가지 원소는 순수한 물질이 아니며, 서로 바뀔 수 있다고 생각했어요. 그는 모든 사물의 성질을 차가운 성질과 뜨거운 성질, 축축한 성질과 건조한 성질 두 가지로 대비시켜, 네 가지 기본 원소가 각각 두 가지 성질을 지닌다고 주장했습니다. 물은 차갑고 축축한 성질을, 불은 뜨겁고 건조한 성질을, 흙은 차갑고 건조한 성질을, 공기는 뜨겁고 축축한 성질을 지닌다고 주장했어요. 그는 물의 두 가지 성질 중 젖은 성질이 건조한 성질로 변하면 흙의 성질로 갖게 되며 그것이 얼음이라고 생각했습니다.
이러한 아리스토텔레스의 물질관은 당시 연금술사들에게 큰 영향을 끼쳤습니다. 그들은 이 이론을 바탕으로 연금술을 이용해 금을 만들려고 노력했지요. 그들의 노력은 결국 실패했지만 수많은 시행착오 덕분에 오늘날 물질세계의 근본을 파헤치는 화학이 발전을 했기 때문이에요.
과학의 창시자 탈레스, 그의 생각을 발전시키고 아리스토텔레스에게 큰 영향을 끼진 철학자 엠페도클레스, 그리고 거의 2천년 동안 서양 과학의 뿌리가 된 아리스토텔레스, 또 이들의 물질관을 끝까지 믿고 긴 세월 동안 실험으로 밤을 새운 연금술사들은 원소의 변화를 만물의 본질로 생각했고, 그 생각에서 오늘날의 과학은 시작된 것입니다.
변화의 규칙: 질량 보존의 법칙
‘근대 화학의 아버지’라 불리는 프랑스의 화학자 라부아지에에 대해 알아 볼까요? 1770년대까지만 해도 과학자들은 아리스토텔레스의 물질관에서 벗어나지 못했습니다. 유리 용기에 물을 담아 끓이면 고체 상태의 물질이 바닥에 가라앉는데, 이를 물이 흙으로 변했기 때문이라고 믿었지요. 그러나 라부아지에는 ‘화학자는 크기와 무게를 정확하게 측정할 수 있어야 한다.’는 신념을 지니고 있었어요. 그는 물이 끓기 전과 끓은 뒤의 유리 용기의 질량을 각각 정밀하게 측정하여, 끓은 뒤의 유리 용기가 조금 가벼워졌다는 사실을 알아냈습니다. 그래서 가라앉은 고체 상태의 물질이, 물이 흙으로 변한 것이 아니라 유리 용기에서 녹아 나온 ‘유리’라는 것을 밝혀 낸 것이죠.
1772년 라부아지에는 다이아몬드를 태우면 다이아몬드의 질량이 태우기 전보다 커진다는 사실을 알아냈어요. 1774년 영국의 과학자 프리스틀리가 물질이 탈 때 산소가 도와준다는 이야기를 하자, 라부아지에는 자신이 실험할 때 물질과 결합한다고 생각했던 기체가 산소일 거라고 생각했습니다.
그는 유리 용기에 공기와 물질을 넣은 뒤 마개를 꼭 덮고 물질을 태웠어요. 물질을 태운 뒤 질량을 재 보았더니 물질의 질량은 더 무거워졌고, 공기의 질량은 줄어들었어요. 공기 속에 있던 산소가 물질과 결합하여 ‘탄 물질’이 된 것이죠. 이 실험을 통해 라부아지에는 물질과 공기 중의 산소가 결합하여 전체 질량이 늘어날 뿐 반응 전후에 물질의 질량은 달라지지 않는다는 것을 알게 되었습니다. 이것이 바로 유명한 ‘질량 보존의 법칙’입니다.
라브아지에가 발견한 질량 보존의 법칙은 물질이 변화를 일으킬 때 규칙이 있다는 사실을 과학적인 방법을 사용하여 최초로 알아낸 것입니다. 이것은 근대 화학의 시작을 알리는 중요한 토대가 되었습니다.
과학은 변화를 좋아해-변화의 성격: 변화는 또 다른 변화를 부른다
날씨는 날마다 아니 매순간 변합니다. 어떤 날은 맑고 어떤 날은 구름으로 뒤덮여 잔뜩 흐리고, 또는 비나 눈이 내리지요. 옛날 사람들은 이런 날씨 변화의 원인을 신에게서 찾았습니다. 신이 바람을 불게 하고, 비를 내리고, 번개를 친다고 생각했어요. 그렇지만 오늘날에는 그렇게 믿는 사람은 아무도 없을 겁니다. 기상 과학자들이 날씨 변화를 일으키는 주인공을 찾아냈기 때문이지요.
날씨를 변화시키는 주인공은 물입니다. 물론 물 혼자서 변화시키는 것은 아니고, 에너지를 공급하는 태양과 수증기를 품고 있는 대기권의 움직임도 필요하지요. 그러나 가장 중요한 요소는 수증기입니다.
물은 공기 중에서 기체 상태인 수증기로 모습을 감추고 있다가, 온도가 내려가면 액체 상태인 물이 되었다가, 더 내려가면 얼음이 됩니다. 우리는 이것을 보고 ‘구름이 끼었다. 안개가 생겼다. 비가 온다. 눈이 온다.’고 하지요. 따라서 날씨 변화는 물이 상태 변화한 모습이라고 할 수 있습니다.
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