원자의 존재를 추적하는 위대한 모험

김범준(물리학자, 성균관대학교물리학과)

현대 과학의 정수, 원자. 원자의 존재를 추적하는 위대한 모험이 시작되었다! 원자란 무엇인가? 이 물음에 답하는 단 하나의 과학 만화책! ‘알쓸신잡3’ 물리학자 김상욱 박사가 감수하고 강력하게 추천한다. 원자에 대해 궁금해하는 모든 독자들을 위해, 《그래비티 익스프레스》, 《게놈 익스프레스》로 중력과 유전자를 알기 쉽게 그려냈던 대한민국 유일무이 과학 만화가 조진호가 원자를 다룬 신작 《아톰 익스프레스》를 선보인다.

감수의 글 : 철학부터 열역학까지, 어메이징 《아톰 익스프레스》
프롤로그 : 누가 원자를 보았는가
01 변치 않는 그 무엇 : 밀레투스에서 시작된 이야기
02 원자라는 가설 : 웃는 철학자와 여행을 시작하다
03 가설은 눈을 멀게 한다 : 라부아지에, 플로지스톤을 버리다
04 그러나 가설은 유용하다 : 아보가드로의 분자 이야기
05 무엇을 근거로 있다고 할 것인가 : 주기율표 그 위대한 탄생
06 전기를 따라가다 : 패러데이가 다다른 곳에 무엇이 있었나
07 원자를 가리키는 희미한 단서 : 에너지와 기체가 만났을 때
08 기체가 원자를 증명한다! : 이론물리학자들이 판을 바꾸다
09 원자의 화신 : 볼츠만, 엔트로피의 길을 따라 원자로 돌아오다
10 원자의 해변에서 : 아보가드로수로 향하는 발걸음
11 마침내 원자를 보았다 : 아인슈타인의 전보
에필로그 : 원자, 발견인가 발명인가
글을 맺으며 : 존재의 의미로 이어지는 원자 여행
등장인물 소개
참고문헌
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원자를 설명하는 이론을 양자역학이라 한다. 이 책에서 양자역학까지 다루지는 않지만 이 책의 종착지는 양자역학의 시작점이다. 양자역학은 전기의 역사에서 시작된다. 원자에 있어 가장 중요한 힘이 전자기력이기 때문이다. 원자들로 이루어진 화합물의 전기분해를 연구하던 패러데이가 전자기유도 현상을 발견한 것은 이 때문이다. -4쪽 이 책에서 가장 애정이 가는 곳은 열역학에 대한 부분이다. 카르노, 줄, 클라우지우스, 볼츠만과 같은 이 분야의 대가들을 통해 어려운 개념들을 정공법으로 다룬다. 내가 알기에 국내에서 열역학을 이런 정도의 깊이로 다룬 만화책은 없다. -5쪽 원자론은 말이죠… 과학자들에게는 엄청난 자부심을 불러일으키는 과학의 상징과도 같은 겁니다. -16쪽 더 쪼개지지 않는 최종 입자, 소멸되지도 새로 생겨나지도 않으면서, 아득한 과거부터 머나먼 미래까지 그 모습 그대로 존재할 최종 입자… 그는 이것을
아토모스(atomos) 라고 부르기로 했다. -36쪽 금을 만들어내지는 못했지만, 연금술사의 후예들은 물질을 가지고 이것저것 해보는 것을 멈추지 않는데, 요상하게도… 어쩌면 금보다 찬란한 것이 물질을 연구하는 과정에서 언뜻언뜻 보이는 느낌을 받았기 때문이다. 지금부터 그들을 연금술사가 아닌 화학자들이라 부르겠다. -57쪽 원자는 측정된 것인가요? 그게 아니라면 원자를 거론해야 할 까닭이 없습니다. -85쪽

돌턴의 의도는 이렇다. 다른 여러 화합물도 이런 식으로 구성 원소들의 상대적인 질량 비율을 이용해 원자의 상대적인 비율을 찾는다. 이런 작업을 하다 보면… 물질을 구성하는 원자들의 질량 비율을 구할 수 있고, 원자들의 상대적인 질량 비율을 일목요연하게 볼 수 있는 표를 작성할 수 있다. -108쪽아보가드로는 기체가 화학반응을 할 때, 부피 사이에 정수 비율이 있어야만 하는 이유는 몰랐지만 이성적인 판단인지 직관인지 모를 아이디어가 떠올랐다. 일정한 부피 안에 들어있는 기체 입자들의 수가 동일하다는 것! -112쪽 멘델레예프는 평생 동안 수없이 의심하고 재확인하며 주기율표를 다듬고 고쳐나간다. 놀랍게도 그 빈 자리를 채울 원소들이 발견된다. 원자량과 성질도 멘델레예프가 예측한 그대로! 주기율표는 원소를 체계화한 도표이며, 새로 발견될 원소들을 추적하는 데 유용한 지도다. 그러나 이 정도로는 주기율표의 가치를 설명하기에 턱없이 부족하다. 주기율표는 그 이상을 말하고 있는 듯했다. 아직 그게 뭔지 모르지만… -151쪽

만일에… 물질이 띄엄띄엄 분리되어 있다면… 인정하기 싫지만 물질이 원자로 이루어져 있다면 전기 역시 물질처럼 띄엄띄엄 분리되어 있다는 것. -189쪽 럼퍼드 씨, 당신 생각은 옳았어요! 열은 곧 일이지요. 열, 일 모두 다 에너지가 전달되는 한 형태고요. 열소? 당신 말대로 개나 줘야겠지요. 하하하! -237쪽저들이 원자라고 부르는 것 안에는 더 작은 게 있어요. 전자라고 하는 것이… 368쪽 원자와 함께했던 고된 여정에서 우리가 보았던 것은 어쩌면 원자가 아닐지도 모른다. 우리는 그 여정을 통해 우리 자신을 본 것이다. 우리의 가능성을 보는 동시에 한계를 본 것이다. -378쪽

양자역학의 시대를 열어젖힌 원자의 존재
현대 과학의 정수라 할 수 있는 원자, 그 기원으로 거슬러오르다 오늘날 물질이 작디작은 ‘원자’로 이루어져 있다는 사실에 의심을 품는 사람은 없다. 과학 교과서는 원자의 존재를 무심하게, 당연하다는 듯이 언급한다. 하지만 이 당연한 진실을 아는 과정은 험난했다. 물질이 원자로 이루어져 있을 거라는 발상은 2000년 전에 나왔지만, 그것이 사실로 증명된 지는 100년 정도밖에 되지 않았다. 크기가 1센티미터의 1억분의 1밖에 안 되는 원자를 인간의 감각으로 직접 확인할 길이 없었기 때문이다. 그렇다면 어떻게 원자를 확인할 수 있었을까? 타고난 눈으로는 볼 수 없지만, 갖가지 과학적 방법을 통해 인류는 원자를 볼 수 있는 새로운 눈을 만들어냈다. 원자를 보는 이론의 눈을 갖게 되자, 이어 ‘전자’를 보는 방법을 발견했고, 새로운 양자역학의 시대가 열릴 수 있었던 것이다. 본격 과학 만화 작가 조진호가 이번에는 현대 과학의 ‘진국’이라 할 수 있는 원자를 찾아 떠났다. 조진호의 놀라운 과학 여행 ‘익스프레스 시리즈’의 세 번째 열차, 《아톰 익스프레스》가 새로운 여정을 시작한다.철학에서 시작하여 화학, 전자기학, 물리학, 열역학까지...
과학의 모든 분야를 가로지르는 원자 이야기! 《아톰 익스프레스》는 ‘존재한다는 것은 무엇인가?’라는 철학적 질문에서부터 시작해, 화학부터 열역학에 이르기까지 다양한 과학 분야를 넘나든다. 과학에서 원자의 존재를 확인하는 것은 그만큼 중요하고도 어려운 과정이었다. 주인공과 플라톤, 아리스토텔레스는 원자가 정말 존재하는지를 확인하기 위한 여행길에서 라부아지에, 돌턴, 아보가드로, 멘델레예프, 패러데이, 줄, 클라우지우스, 맥스웰, 볼츠만 등 위대한 과학자들을 만난다. 이들은 과학에서 가장 이해하기 어려운 개념들, 즉 아보가드로 가설, 에너지, 양자, 엔트로피 등을 정공법으로 돌파한다. 생생한 개성을 뽐내는 과학자들이 얽힌 흥미진진한 사건과 사고 과정을 따라가다 보면, 전에는 이해할 엄두조차 못 내던 과학 지식의 맥을 짚는 쾌감을 만끽하게 된다. 물리학자 김상욱 박사(경희대 물리학과 교수)와 김범준 박사(성균관대 물리학과 교수)가 공동 감수를 맡아, 학술적인 엄밀함도 놓치지 않았다.원자를 설명하는 이론을 양자역학이라 한다. 이 책에서 양자역학까지 다루지는 않지만 이 책의 종착지는 양자역학의 시작점이다. 양자역학은 전기의 역사에서 시작된다. 원자에 있어 가장 중요한 힘이 전자기력이기 때문이다. 원자들로 이루어진 화합물의 전기분해를 연구하던 패러데이가 전자기유도 현상을 발견한 것은 이 때문이다. (…) 원자를 찾는 이 책의 여정에 전기가 포함되어 반갑다. (…) 이 책에서 가장 애정이 가는 곳은 열역학에 대한 부분이다. 카르노, 줄, 클라우지우스, 볼츠만과 같은 이 분야의 대가들을 통해 어려운 개념들을 정공법으로 다룬다. 내가 알기에 국내에서 열역학을 이런 정도의 깊이로 다룬 만화책은 없다. 아니 만화책은 고사하고 과학 교양서에서도 보기 힘들다. 왜냐하면 열역학이 너무 어렵기 때문이다. 실제 책을 감수하는 과정에서 가장 많은 수정을 했던 부분도 바로 열역학이었다. 독자들이 어떻게 평가할지는 모르겠지만, 열역학을 책의 주제로 잡은 작가의 용기에 찬사를 보낸다. 이공계 학생들이 읽어도 도움이 될 정도다.
_김상욱, 감수의 글 중에서 01 변치 않는 그 무엇 : 밀레투스에서 시작된 이야기
탈레스와 헤라클레이토스를 비롯한 여러 철학자들은 만물의 근원이 무엇이며 그것들이 어떻게 변화하고 있느냐는 주제를 놓고 토론을 벌인다. 이때 파르메니데스는 세상 모든 것에는 본질적으로 변화가 있을 수 없다는 파격적인 주장을 한다. 왜 변화가 있을 수 없다는 것일까? 치열한 철학적 논쟁과 함께 원자로 가는 여행이 시작된다.02 원자라는 가설 : 웃는 철학자와 여행을 시작하다
물질이 원자로 이루어진다는 생각은 그리스의 철학자 데모크리토스에게서 시작된다. 우리가 감각할 수 있는 물질이 진짜라고 여기지만 진정한 ‘진짜’는 볼 수도 없는 원자라고 말하는 데모크리토스. 이 과감한 생각을 앞에 두고 과연 원자가 있는지 없는지, 금화 한 닢을 걸고 내기를 하는 플라톤과 아리스토텔레스. 그들은 화학의 세계로 가는 기차에 올라탄다. 03 가설은 눈을 멀게 한다 : 라부아지에, 플로지스톤을 버리다
금을 만들려 한 연금술사들의 노력 속에 화학이 태동한다. 화학자들은 물질을 가지고 이것저것 해보는 과정에서 금보다 찬란한 것을 발견하게 되는데… 당시 화학자들은 ‘플로지스톤’라는 가상의 ‘활기’ 개념으로 물질의 변화를 설명하려 하지만, 앙투안 라부아지에와 그의 부인 마리안 폴즈는 플로지스톤을 버리고 ‘질량 보존의 법칙’을 무기 삼아 새로운 길로 전진한다. 04 그러나 가설은 유용하다 : 아보가드로의 분자 이야기
원자가 존재할지도 모른다는 생각을 하는 라부아지에. 그러나 실험적으로 확인할 수 있는 것만 다루기로 한 그는 판단을 유보한다. 한편 돌턴과 베르셀리우스는 원자가 존재한다고 주장하며 화학 체계를 세워나가는데, 그들 앞에 아보가드로가 나타나 ‘같은 부피 속에는 같은 수의 입자가 있다’는 가설을 제시한다. 아보가드로의 가설은 처음에는 무시당하지만, 결국 화학자들은 이 가설을 받아들일 수밖에 없게 되는데… 연구가 진척되자 베르셀리우스는 원자와 전기 사이에 모종의 관계가 있다는 생각을 한다. 05 무엇을 근거로 있다고 할 것인가 : 주기율표 그 위대한 탄생
화학자들은 물질의 성질과 원자량에 대한 지식을 차곡차곡 쌓아가고, 그 정보들 속에 어떤 패턴이 있음을 깨 시작한다. 그중에서도 드미트리 멘델레예프는 물질들을 주기율표로 정리해내는 위업을 이룬다. 원소를 체계화한 도표이며 새로 발견될 원소들을 추적하는 데 유용한 지도, 주기율표가 완성되자 원자의 실체는 보다 확실하게 다가온다. 플라톤은 멘델레예프를 비롯한 원자론자들의 위업에 감탄하지만, 아리스토텔레스는 아직 그 무엇도 원자를 증명하지 못한다고 하며 다른 길로 떠난다. 06 전기를 따라가다 : 패러데이가 다다른 곳에 무엇이 있었나
원자의 결합에 전기가 관련되어 있다는 생각을 한 아리스토텔레스는 라부아지에와 함께 빛과 전기의 정체를 추적하기 시작한다. 불세출의 과학자 마이클 패러데이를 만난 그들은 전기의 성질을 추적하는 과정에서 깜짝 놀랄 만한 사실을 알게 되는데… 원자에 이어 양자 개념으로 이어지는 놀라운 여정에 제임스 맥스웰이 가세한다. 07 원자를 가리키는 희미한 단서 : 에너지와 기체가 만났을 때
한편 플라톤은 새로운 단서인 ‘열’을 이해하기 위한 추적에 나선다. 라부아지에는 ‘열소’라는 원소가 있다고 생각했지만, 럼퍼드 백작은 열은 일과 관계가 있을 뿐이라는 결론을 내린다. 니콜라 카르노는 아무리 효율적인 기관이라도 열을 일로 완벽히 전환할 수 없다는 사실을 알게 되는데, 이때 제임스 줄이 등장해 열은 원소가 아니라 에너지라고 말하며 온도와 기체가 원자의 정체를 밝히는 돌파구가 될 거라는 단서를 내놓는다. 08 기체가 원자를 증명한다! : 이론물리학자들이 판을 바꾸다
물리학자들이 원자에 관심을 가지기 시작한다. 기체 속 무수한 입자들 사이에는 반발력이 있다고 생각한 보일, 돌턴, 뉴턴에 이어 다니엘 베르누이는 입자가 공간 속을 운동하고 있다는 발상을 한다. 이 발상이 온도와 원자를 잇는 연결고리가 되고, 루돌프 클라우지우스와 루트비히 볼츠만은 맥스웰과 함께 기체 관계식을 유도하는 여정에 나선다. 이들 앞에 아보가드로 가설이 다시 모습을 드러내는데…09 원자의 화신 : 볼츠만, 엔트로피의 길을 따라 원자로 돌아오다
기체를 연구하는 과정에서 열의 비가역성에 집중한 클라우지우스는 엔트로피라는 물리량을 창안한다. 일어날 법한 일과 일어나선 안 될 일을 설명하는 새로운 물리량, 엔트로피. 볼츠만은 클라우지우스의 엔트로피 개념을 응용하여 S=klogW라는 위대한 방정식을 도출한다.10 원자의 해변에서 : 아보가드로수로 향하는 발걸음
세상 모든 것을 원자로 바라볼 수 있게 된 볼츠만. 그러나 에른스트 마흐는 그에게 가설에 의지한 원자론은 무의미하다고 일갈하는데… 볼츠만에게 남은 마지막 관문이 있었으니, 원자 하나의 무게와 크기를 알 수 없다는 것이었다. 좌절한 볼츠만은 이 관문을 통과할 수 있을 것인가.11 마침내 원자를 보았다 : 아인슈타인의 전보
모든 것을 끝내려는 볼츠만 앞에 나타난 플라톤 일행. 원자를 증명하려는 이들의 열정도 볼츠만이 부딪힌 관문에 가로막힐 수밖에 없는데… 갑자기 이들에게 날아든 한 통의 전보. “서둘러 모이세요. 아보가드로수 발견.” 도대체 어떻게 아보가드로수를 찾아냈단 말인가? 아리스토텔레스와 플라톤, 여정을 함께한 모든 과학자들이 모인 자리에 장 페랭과 알베르트 아인슈타인이 도착하고, 원자의 오래된 비밀이 마침내 모습을 드러낸다. | 조진호의 놀라운 과학 여행, 익스프레스 시리즈 |익스프레스 시리즈 목록 (ISBN 979-11-6220-987-5 07400)
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