육안으로는 볼 수 없는 것

공기 중에 떠다니는 미세한 먼지 입자들은 눈에 보이지 않습니다. 하지만 창문을 통해 한줄기 햇빛이 비치면, 보이지 않던 그 입자들을 갑자기 볼 수 있게 됩니다. 창문을 통해 들어온 그 한줄기 빛으로 인해 먼지 입자들이 우리의 눈에 보이게 되는 것입니다.

가시광선에 관해 더 생각해 보도록 하겠습니다. 가시광선은 육안으로는 흰색이나 무색으로 보입니다. 하지만 햇빛이 정확한 각도로 물방울을 통과하게 되면 어떻게 됩니까? 물방울이 프리즘 역할을 하여, 우리는 아름다운 색깔의 무지개를 보게 됩니다!

사실, 우리 주위에 있는 물체들은 다양한 파장의 빛을 반사하는데, 우리의 눈에는 그것이 색깔로 보입니다. 예를 들어, 초록색 풀은 그 자체가 초록빛을 내는 것이 아니라, 초록빛을 제외한 모든 파장의 가시광선을 흡수하는 것입니다. 그 풀은 초록빛 파장을 반사하여 우리의 눈으로 돌려보냅니다. 그렇기 때문에 우리의 눈에는 그 풀이 초록색으로 보이게 되는 것입니다.

인간이 만든 도구의 도움을 받으면

최근 여러 해 동안, 현대 발명품들 덕분에 육안으로는 보이지 않는 많은 것들을 볼 수 있게 되었습니다. 생명체가 없어 보이는 물방울을 보통 현미경으로 보면, 그 물방울이 움직이는 온갖 생명체로 가득 차 있는 것을 발견하게 됩니다. 또한 보통 눈에는 부드럽고 매끈해 보이는 머리카락도 거칠고 들쭉날쭉해 보입니다. 성능이 아주 좋은 현미경으로는 물체를 100만 배나 확대해서 볼 수 있는데, 이것은 우표를 작은 나라 크기로 확대하는 것에 비할 만한 일입니다!

이제 연구원들은 성능이 훨씬 더 좋은 현미경을 사용하여, 물체의 표면을 원자 수준에서 개략적으로나마 볼 수 있게 되었습니다. 그리하여 연구원들은 바로 얼마 전까지만 해도 인간의 시력의 범위를 벗어나 있던 것을 볼 수 있게 되었습니다.

한편, 밤에 하늘을 바라보면 우리는 별을 볼 수 있습니다. 얼마나 많은 별을 볼 수 있습니까? 육안으로는 기껏해야 몇천 개밖에 볼 수 없습니다. 하지만 거의 400년 전에 망원경이 발명되면서 사람들은 더 많은 별을 보기 시작하였습니다. 그러던 중, 1920년대에 윌슨 산 천문대에 있는 성능 좋은 망원경을 통해, 우리 은하 바깥에도 은하들이 있으며 그 은하들도 헤아릴 수 없이 많은 별들로 가득 차 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 오늘날 과학자들이 인간이 만든 정교한 우주 탐사 기구를 이용하여 추산하는 바에 의하면, 수백억 개의 은하가 존재하며 그 은하들 가운데 다수는 수천억 개의 별들로 이루어져 있습니다!

망원경으로 밝혀진 참으로 놀라운 사실은, 서로 매우 가까이 있는 것 같아 은하수처럼 보이는 수많은 별들이 이해하기 어려울 만큼 멀리 떨어져 있다는 것입니다. 그와 마찬가지로, 성능 좋은 현미경의 도움을 받아 관찰해 보니, 단단해 보이는 물체들도  사실은 주로 빈 공간으로 이루어진 원자들로 구성되어 있었습니다.

극히 미세한 것

보통 현미경으로 볼 수 있는 가장 작은 알갱이도 100억 개 이상의 원자로 구성되어 있습니다! 그런데 1897년에는, 원자에 궤도를 도는 ‘전자’라는 미세한 입자가 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 시간이 흘러 마침내, 원자핵은 그 주위를 도는 전자보다 더 큰 중성자와 양성자라는 작은 입자로 구성되어 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 지구상에 자연 상태로 존재하는 88가지 원자 즉 원소는 기본적으로 크기가 같지만, 각 원자가 가지고 있는 이 세 가지 기본 입자의 수가 점점 많아지기 때문에 원소의 무게는 다양합니다.

원자는 전자—수소 원자의 경우에는 단 한 개의 전자—가 원자핵 주위의 공간을 100만분의 1초에 수십억 번씩 돌기 때문에 일정한 모양을 갖게 되어 고체의 특성을 지니게 됩니다. 양성자나 중성자 하나의 질량은 거의 1840개의 전자의 질량과 같습니다. 하지만 양성자와 중성자는 모두 크기가 원자의 10만분의 1 정도밖에 안 됩니다!

원자에 빈 공간이 얼마나 많은지를 어느 정도 이해하기 위해, 수소 원자의 핵을 원자 안에서 궤도 운동을 하는 전자와 연관 지어 생각해 보도록 하겠습니다. 양성자 하나로 구성된 그 핵이 테니스 공만하다면, 그 주위를 도는 전자는 핵으로부터 약 3킬로미터나 떨어져 있을 것입니다!

전자 발견 100주년 기념 행사에 관한 한 보도에는 이러한 말이 나옵니다. “아무도 본 적이 없고, 식별할 수도 없을 만큼 작은데 측정할 수 있는 무게는 갖고 있고, 전하를 띠고 있으며, 팽이처럼 도는 것—이러한 것의 발견을 기념하기를 주저하는 사람은 거의 없다. ·⁠·⁠· 오늘날에는 우리가 결코 볼 수 없는 것들도 분명히 존재한다는 생각에 의문을 제기하는 사람은 아무도 없다.”

훨씬 더 미세한 물체들

현재 과학자들은 물질의 입자들을 서로 충돌시킬 수 있는 원자 충돌기를 이용하여 어렴풋하게나마 원자핵의 내부를 들여다보고 있습니다. 그 결과, 생소한 이름을 가진 많은 입자들에 관한 글이 나오고 있습니다. 그 가운데 몇 개만 언급하면, 양전자, 광자, 중간자, 쿼크, 글루온 등이 있습니다. 이러한 것들은 모두 보이지 않습니다. 심지어 가장 성능이 좋은 현미경으로 봐도 보이지 않습니다. 하지만 안개상자, 거품상자, 신틸레이션 계수관과 같은 기구를 이용하면 그러한 입자들이 존재한다는 사실을 알려 주는 흔적을 볼 수 있습니다.

현재 연구원들은 한때는 보이지 않던 것을 보고 있습니다. 그런 것들을 보면서 그들은 네 가지 기본적인 힘이라고 생각하는 것 즉 중력과 전자기력 그리고 “약핵력”과 “강핵력”이라고 명명된 원자핵 속의 두 가지 힘의 의미를 파악해 가고 있습니다. 일부 과학자들은 “만물 형성 이론”이라고 일컬어지는 것을 탐구하기 위해 노력하고 있는데, 그들은 이 이론을 통해 거시적 우주에서부터 미시적 우주에 이르기까지 모든 우주를 이해할 수 있는 하나의 설명을 제시하게 되기를 바라고 있습니다.

육안으로 볼 수 없는 것을 보면 어떤 교훈을 배울 수 있습니까? 많은 사람들은 그들이 배운 것을 근거로 어떤 결론에 이르게 되었습니까? 이어지는 기사들에서는 이러한 질문들에 대한 답을 제시할 것입니다.

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니켈 원자(위)와 백금 원자

[자료 제공]

Courtesy IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center