원자와 우주론에 관한 정말 재미있는 책이다. 물리학과 화학에 조금이라도 흥미가 있는 사람이라면 궁금해서라도 책장을 넘기는 것을 멈추지 못할 것이다. 원자는 어디서 왔는가? 산소, 탄소, 질소는 어디서 어떻게 만들어졌는가? 그들은 오래전에 죽은 별에서 태어났다. 저자는 과학자들이 연구하던 당시로 돌아가 그들의 생각을 말해 주기 때문에, 마치 옛날 과학자들을 만나서 그들의 대화를 듣고 있는 것 같다. 과학의 매력에 빠져들 이들을 위한 정말 재미있는 책이다. 물론 이 책은 청소년뿐만 아니라 과학을 즐기려는 모든 이들을 위한 책이다. – 아사히신문, 아사히신문 선정 올해의 과학책
‘원자’는 도대체 무엇일까? 원자는 어디서, 어떻게 만들어졌을까? 태곳적부터 많은 사람들은 물질을 이루는 근본적인 그 무엇이 무엇인지 알고 싶었다. 그리스 인들은 세상의 기본 구성물이 물, 공기, 흙, 불이라고 생각하기도 했다. 연금술사들은 납을 금으로 바꾸려고 노력했으며, 노력 끝에 납을 금으로 바꿀 수는 없다는 중요한 깨달음을 얻기도 했다.
이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 마커스 초운(Marcus Chown)의 『마법의 용광로(The Magic Furnace)』는 많은 사람들을 궁금하게 했던 ‘원자’의 모든 것을 담은 책이다. 이미 영국, 미국, 일본에서 극찬을 받은 바 있는 『마법의 용광로』는 교과서에서 다루지 못했던 원자의 발견사를 자세히 알려 준다. “물질을 자르고 또 자르면 무엇이 남을까?”라는 질문에서 시작해 철학자부터 연금술사, 화학자, 물리학자, 천문학자에 이르기까지 원자의 기원과 정체를 밝히기 위한 고군분투의 과정을 담아 냈다.
마치 당대 과학자들의 이야기를 직접 듣고 있는 것처럼 생생하게 그들의 생각과 행동을 그대로 책으로 옮겼다. 그들은 원자보다 더 작은 단위체가 존재한다는 사실과, 이 세상에 존재하는 모든 물질, 모든 생물, 심지어 나의 몸을 이루고 있는 원자가 결국 오래전 죽은 별(마법의 용광로)에서 생겨났다는 것도 밝혀내게 되었다. 오랜 시간 여러 사람의 축적된 연구 결과를 토대로 이루어 낸 이 거대한 원자 발견 이야기를 어려운 원소 기호와 화학식을 쓰지 않고 일화로 풀어냈다.
이 책의 저자 마커스 초운은 영국, 미국, 일본에서 인기 높은 과학 전문 저술가로 런던 대학교에서 물리학과를 졸업하고, 캘리포니아 공과 대학에서 천체 물리학 석사를 받았다. 대학 강사, 프리랜서 작가, BBC 방송인 등을 거쳐 현재 영국의 과학 전문 주간지 《뉴 사이언티스트》의 우주론 관련 전문 컨설턴트로 활동하고 있다. 저서로는 『창조의 노을(Afterglow of Creation)』, 『네버엔딩 유니버스(The Never-Ending Days of Being Dead)』, 화성으로 피크닉 가기 전에 알아야 할 최첨단 우주 이야기(The Universe Next Door)』, 『별과 행성(Stars and Planets)』, 『이중 행성(Double Planet)』, 『융화(Reunion)』 등이 있다. 국내에서도 몇 권의 저서가 번역‧소개되었다.
원자 발견에 얽힌 화학․천문학․물리학․생물학의 크로스오버
영국, 미국, 일본에서 극찬한 책, 과학 교사들의 필독서
나머지 헬륨은 어디서 왔을까? 여기에 대한 대답은 뉴저지의 벨 전화기 회사에 근무하는 두 명의 젊은 전파 천문학자 아노 펜지어스와 로버트 윌슨이 내놓았다. 그들은 훗날 노벨 물리학상을 받게 된다. – 본문에서
키르히호프와 분젠의 발견이 화학에 어마어마한 영향을 끼쳤지만, 더 큰 충격을 받은 분야는 천문학이었다. 이것은 온전히 키르히호프의 업적이었다. – 본문에서
이 책에서는 여러 과학자들이 힘을 합쳐 만들어 낸 놀라운 성과물은 물론 환상적인 과학 크로스오버를 만날 수 있다. 원자의 기원은 화학으로만 밝혀낼 수 없었다. 화학자들은 천문학자들의 도움을 받아야 했고, 물리학자들, 생물학자들의 축적된 연구 결과를 합쳐 비로소 원자의 기원과 정체를 알아낼 수 있었다.
크로스오버의 진수를 보여 준 마커스 초운의 『마법의 용광로』는 이미 영국, 미국, 일본에서 수많은 찬사를 받았다. 노벨 물리학상 수상자 한스 베테, 천문학자 마틴 리스, 『갈릴레오의 딸』 저자 데이바 소벨뿐만 아니라, 《사이언스》, 《뉴 사이언티스트》, 《아사히신문》, 《요미우리 위클리》 등이 극찬했고, 《아사히신문》 올해의 과학책으로 선정되기도 했다. 이미 영국 과학 교사들의 필독서로 널리 읽히고 있으며, 원자를 가르치는 과학 교사는 물론 중‧고등학생이 꼭 읽어야 할 책이다.
“’영국 과학 교사들의 필독서’를 넘어서 ‘한국 과학 교사들의 필독서’가 되었으면 한다. 충분히 그럴 만한 가치가 있는 책이다.” —《프레시안》
“원자와 우주론에 대해 쉽고 재미있게 설명하는 작품. 청소년뿐 아니라 일반인을 위한 과학서로도 손색이 없다.” —《독서신문》
인간은 호기심으로 가득한 원자일 뿐!
우리는 모두 오래전에 죽은 별들의 유물이다.
당신이 내쉬는 모든 호흡마다 별 깊숙한 곳의 부글거리는 용광로에서 벼려진 원소들이 배어 있다. 별이 폭발해 10억 개의 태양보다 더 밝게 타오르며 우주의 공간 속으로 흩뿌린 원소들이 당신이 꺾은 모든 꽃잎마다 들어 있다. 당신이 읽은 모든 책에는 별 사이로 부는 바람을 타고 불가사의한 시공간의 심연을 날아다니는 원소들이 스며 있다. – 본문에서
이 세상 만물은, 그리고 인간은 원자로 이루어졌다. 인간은 ‘호기심’을 가지고 있는 원자들이다. 이 원자들을 만들어 낸 마법의 용광로는 다름 아닌, 밤하늘에 빛나는 ‘별’이었다.
우리가 존재하기 위해서 수십억, 수백억, 수천억 개의 별이 죽었다. 우리 피 속의 철, 우리 뼈 속의 칼슘 그리고 우리가 숨 쉴 때마다 허파를 채우는 산소, 이 모든 것은 지구가 탄생하기 전에 소멸된 별의 용광로에서 요리되었다. 따라서 우리 몸의 무거운 원소들은 오늘날 우리가 전혀 모르는 헤아릴 수 없이 먼 과거와 우리를 연결시키기도 한다. 도대체 왜 우주는 원자들이 스스로에 대해 궁금해하는 능력을 가지도록 허락했을까? 이 문제는 분명 풀리지 않은 과학의 위대한 수수께끼 가운데 하나다.
원자 발견을 위한 수많은 과학자들의 긴 여정
교과서에 나오는 유명한 과학자는 다 나온다!
1부 원자
1장 자연의 알파벳
데모크리토스는 물질의 본질에 대해 고민하다가, 물질을 영원히 자를 수 없다는 대답을 얻게 되었다. 그래서 그리스 어 ‘a-tomos(자를 수 없는)’에서 ‘atoms(원자)’라는 단어가 생겨났다. 이렇게 시작된 원자에 대한 연구는 많은 과학자들이 바통을 주고받으며 발전했다. 아인슈타인은 브라운 운동을 설명하는 수학 이론을 고안하고, 페랭은 아인슈타인의 예측을 이용해 물 분자 크기를 추론했다. 그리고 비니히와 로러는 실제로 원자를 ‘보게’ 되었다. 라부아지에는 23개의 원소 목록을 만들었고, 돌턴은 원소가 결합해 화합물이 될 때 언제나 일정한 비율로 결합한다는 사실을 알게 되었다.
2장 원자보다 작은 물질
프라우트는 아보가드로가 제시한 방법을 이용해 서로 다른 원자를 비교했다. 앙페르는 한 가지 원소로 구성된 기체들은 그 원자들이 일정하게 짝을 이루고 있다는 사실을 발견했고, 멘델레예프는 원소의 성질이 반복되는 패턴이 있다는 것을 알아냈다. 베크렐은 방사능을 발견했다. 퀴리는 폴로늄과 라듐을 발견했으며, 러더퍼드가 알파선, 베타선을 발견했다. 소디와 램지는 헬륨을 발견했다. 플뤼커는 음극선을 발견하고, 톰슨은 음극선의 본질을 밝혔다. 또한 러더퍼드는 원자의 핵을 발견했고, 체드윅이 중성자의 존재를 확인했다. 한편 천문학자들은 “태양은 왜 빛나는가?”라는 물음으로 에너지의 원천에 주목하게 되었다.
2부 원자와 별빛
3장 태양의 에너지원
태곳적부터 사람들은 태양이 빛나는 이유가 궁금했다. 이에 기원전 5세기, 아낙사고라스가 태양을 “그리스보다 그리 크지 않은 붉게 달구어진 쇠공”이라고 주장했고 18세기 초반 뉴턴이 태양의 빛이 약해지지 않는 까닭에 의문을 품었다. 그리고 19세기 초반, 푸이에는 최초로 태양에서 나오는 열을 매년 측정했다. 허셜도 태양열을 측정해 태양열을 계산했다. 태양의 동력원에 관한 아이디어로 유성 충돌설과 태양 수축설이 제기되었으며, 18세기에는 지구의 나이를 과학적인 관점에서 가늠하게 되었다.
4장 별빛의 수수께끼
프라운호퍼는 분광기를 사용해 태양 스펙트럼을 살펴보았고, 프라운호퍼선을 발견했다. 키르히호프와 분젠은 불꽃 실험을 통해 스펙트럼선의 비밀을 밝혀냈다.
5장 비정상적으로 큰 수소 질량
애스턴은 네온에 두 가지 동위 원소가 있다고 결론지었다. 그리고 질량 분석기로 원소의 원자량을 정교하게 측정했으며, 프라우트가 옳았다는 것을 밝혀냈다. 드 마리냐크는 질량이 에너지로 소실된다고 주장했다. 1861년 당시의 이 주장은 터무니없는 소리 같았지만 1905년 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 발표되자 받아들여졌다.
6장 별의 지옥 같은 구조
에딩턴은 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 예측을 확인하고 증명했다. 러셀은 별의 색깔로 온도를 추정했고, 적색 거성을 발견했다. 한편 보어는 원자에 특별한 궤도가 있다고 확신했다. 에딩턴은 별의 질량을 이용해 광도를 예측했고, 별 에너지의 궁극적인 근원도 밝혀냈다.
7장 태양에 터널 뚫기
미시 세계는 거시 세계와 달리 ‘확실성’ 대신 ‘확률’로써 설명할 수 있었다. 하우터만스는 태양이 어떻게 빛을 내는지 알아냈다.
8장 햇빛 조리법
햇빛을 만드는 방법은 양성자-양성자 사슬과 탄소 사이클, 이 두 가지가 있다. 파울러는 이 두 과정의 개별적인 핵반응 속도를 실험으로 측정했다.
3부 마법의 용광로
9장 신의 대장간
원소의 혼합 비율은 전 우주적으로 비슷했다. 모든 원자를 벼리는 우주의 용광로가 무엇이든 간에 극도로 넓은 폭의 온도와 밀도가 필요하다는 것을 알아냈다.
10장 태초의 불지옥
뜨거운 대폭발에서 무거운 원소를 만드는 길이 막혔다. 가모브의 원대한 의망에도 불구하고 태초의 수십억 도의 불덩어리는 마법의 용광로가 될 수 없었다.
11장 별을 여는 열쇠
에딩턴이 발견한 바와 같이 모든 별의 내부는 별의 자전의 결과로 만들어진 거대한 달걀 거품기였다. 별 내부의 달걀 거품기는 중심부에서 갓 생성된 헬륨을 별의 전 영역에서 휘젓는다.
12장 원초적인 핵무기
안드로메다 성운은 성운이 아니라, 은하였다. 바데는 초신성의 존재를 깨달은 첫 번째 사람이었다. 호일은 천재적인 능력으로 우주에서 핵 열평형이 일어나는 곳을 알아냈으며, 핵 열평형에서의 원자 벼르기는 원소 기원에 관한 이야기의 한 부분에 불과하다는 것도 깨달았다.
13장 베릴륨 장벽을 넘어서
호일은 터무니없는 주장을 했다. 우리 인간이 존재하기 때문에 탄소-12는 7.65메가전자볼트에서 알려지지 않은 에너지 상태여야 한다고 말했다. 그런데 우연히도 그 주장이 맞았고 이것을 인류 원리적 주장이라고 한다.
14장 별이라는 도가니
호일은 우주에는 별이 만들 수 있는 헬륨의 양보다 10배나 많은 헬륨이 존재한다는 사실을 깨달았다. 이에 대한 대답은 펜지어스와 윌슨이 밝혀냈다.
15장 창조는 두 곳에서 이루어졌다
펜지어스와 윌슨은 우주 배경 복사를 발견했다. 원소가 태어난 고향은 대폭발과 별, 두 군데였다.
16장 창조의 엔진
무거운 원소는 초신성에서 만들어졌다. 모든 인류는 형제이며, 우리는 같은 초신성에서 왔다. 아주 오래전에 대폭발의 불덩어리와 은하수 곳곳에 흩어진 수없이 많은 별에서 벼려진 원자들이 모여서 인류가 되었다.
만물은 원자로 만들어졌고, 원자는 우주에서 만들어졌다. … 마커스 초운의 책은 우주 화학의 틀을 정교하게 잡아 주는 설명이다. – 사이언스
물리학과 천문학에 빠져들게 하는 명료한 소개다. – 뉴 사이언티스트
원자 발견에 얽힌 화학‧천문학‧물리학‧생물학의 크로스오버 – 한스 베테(노벨 물리학상 수상자)
마커스 초운의 매혹적인 이야기 – 천문학자 마틴 리스
완벽한 연금술의 이야기다. 단순히 납을 금으로 바꾸는 마술이 아니라, 무(無)에서 모든 원소를 만들어 내는 창조이다. 마커스 초운은 우주를 해독한 천재 사기꾼이 만들어 놓은 가장 웅장하고도 가장 작은 세계에 대한 서사시를 흥미롭고 경이롭게 써내려 간다. – 데이바 소벨(『갈릴레오의 딸』 저자)
쉽게 씌어졌으면서도 다양한 소재를 잘 녹아 낸 책이다. – 요미우리 위클리
정말 재미있다. … 별의 내부에서 일어나는 일이나 만물의 근원을 알고 싶다면 꼭 봐야 할 책이다. – 스카이 앤드 텔레스코프
정교하게 유기적으로 잘 쓴 이야기다. 마커스 초운은 물질의 기원을 찾고자 하는 인간의 욕구를 파헤친다. – 달라스 모닝 뉴스
셜록 홈스 소설처럼 읽을 수 있다. 독자들은 다음 퍼즐 조각을 맞추고 싶어 할 것이다. – 어스트로노미
칙칙한 철을 밝게 빛나는 금으로 바꿀 수 있는 문필의 연금술사가 해낸 작업이다. – 테네시언
만약 햇빛이나 별빛이 어떻게 만들어졌는지 궁금하다면, 혹은 이 세상이 무엇으로 만들어졌는지 알고 싶다면, 이 두 가지가 아주 긴밀하게 관련되어 있다는 것을 깨닫고 깜짝 놀랄 것이다. 『마법의 용광로』는 그 두 가지 질문에 대한 모든 답을 해 준다. – 더 노스웨스트 이브닝 메일
감사의 글
프롤로그 모든 것은 연결되어 있다.
1부 원자
1장 자연의 알파벳
2장 원자보다 작은 물질
2부 원자와 별빛
3장 태양의 에너지원
4장 별빛의 수수께끼
5장 비정상적으로 큰 수소 질량
6장 별의 지옥 같은 구조
7장 태양에 터널 뚫기
8장 햇빛 조리법
3부 마법의 용광로
9장 신의 대장간
10장 태초의 불지옥
11장 별을 여는 열쇠
12장 원초적인 핵무기
13장 베릴륨 장벽을 넘어서
14장 별이라는 도가니
15장 창조는 두 곳에서 이루어졌다
16장 창조의 엔진
에필로그 호기심으로 가득한 원자
주(註)
용어 해설
참고 문헌
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