17세기의 발명

[김동석]

17세기의 발명

   과학에서 실험과 관찰이 중요하다는 것을 모르는 사람은 없을 것이다. '과학 혁명' 이후의 과학의 특징은 바로 그 점이라고도 할 수 있다. 그 전까지의 과학, 즉 동양의 과학이나 서양의 고대 또는 중세까지의 과학에서는 실험이나 관찰이 부족했다. 그러나 17세기 이후 실험과 관찰은 과학의 아주 중요한 수단이 되어 갔고, 이에 따라 실험과 관찰을 돕기 위한 여러 도구들이 계속 발명되어 나왔다.

   현미경도 그 가운데 하나였다. 그러나 현미경보다 먼저 이루어진 과학상의 중요한 발명으로는 망원경이 있다. 망원경은 1608년에 네덜란드의 안경 상인에 의해 처음으로 만들어졌다고 전해진다. 그는 렌즈 두 개를 통 속에 넣고 그 길이를 조정해 보던 중, 먼 곳에 있는 교회의 탑이 갑자기 눈앞에 있는 것처럼 가까이 보인다는 것을 알게 되었던 것이다. 하지만 이렇게 해서 발명된 망원경을 천체 관찰에 이용하여 역사에 뚜렷한 이름을 남긴 사람은 다름 아닌 이탈리아의 위대한 과학자 갈릴레이였다.

갈릴레이 초기의 망원경(Mus. Stor. Sci.,Firenze). 위에 있는 것은 목제로 만든 통을 종이로 덮은 것으로, 길이 1.36m, 구경 26mm, 초점거리 1.33m의 대물용 양쪽 볼록렌즈와 대안용 평면 오목렌즈를 갖춘 것으로, 배율은 14배에 달한다. 아래에 있는 것은 보다 아름다운 목제로 만든 통에 금으로 부조한 모양이 있는 빨간 색과 여러 가지 색을 칠한 가죽으로 덮혀 있다. 길이는 0.92m, 구경 16mm, 초점거리 0.96m의 대물용 양쪽 볼록렌즈와 대안용 렌즈(이 렌즈는 분실함)를 갖추고 있으며 배율은 20배에 달한다. 또, 2개의 망원경 아래에 있는 상아로 만든 틀 속에 들어 있는 것은 양쪽 볼록렌즈로, 갈릴레이는 이 렌즈를 사용하여 수많은 새로운 발견을 했다.

왼쪽은 갈릴레이가 그린 달 표면이며 오른쪽은 오늘날의 달 사진    갈릴레이는 1609년에 자기가 만든 망원경으로 하늘을 관찰하던 중 여러 가지 놀라운 사실을 발견해서 그것을 책에 기록했다. 망원경으로 달을 관찰해 보니 그때까지 매끈하다고 생각했던 달의 표면이 온통 울퉁불퉁하다는 것을 알게 되었다. 해를 관찰한 갈릴레이는 그 표면에 흑점이 있을 뿐 아니라 그 흑점들이 태양의 여기저기로 옮겨 다닌다는 사실도 알게 되었다. 그때까지 사람들은, 하늘은 완전한 세상이어서 아무 변화도 없고 달이나 해는 완전한 세상의 천체이기 때문에 아주 매끈할 것이라 믿고 있었다.    망원경은 사람들이 그렇게 믿고 있던 하늘의 세계가 실제로는 아주 다른, 그러니까 지구와 크게 다르지 않은 세상이라는 것을 밝혀 주었다. 게다가 목성을 관찰하던 갈릴레이는 그 둘레를 한두 개도 아닌, 네 개나 되는 달들이 돌고 있는 것을 발견했다. 그런가 하면 토성은 아주 아름다운 띠까지 두르고 있는 것이 아닌가! 또 은하수란 우유를 쏟아 놓은 것 같은 모습이 아니라 아주 작은 별들이 하도 많이 무리져 있어서 그렇게 보인다는 것을 알았다. 갈릴레이의 망원경은 당시 사람들이 갖고 있던 우주관을 송두리째 흔들고도 남았다.    갈릴레이가 사용한 망원경은 아직 수준이 낮은 것이었다. 그러나 그 정도의 것만으로도 세상을 놀라게 하기에는 충분했다. 사실 갈릴레이의 이름이 당시 이탈리아에서 널리 알려진 것은 과학적으로 가치 있는 낙하의 법칙을 발견했기 때문이 아니라 자기의 망원경을 시청 옥상에 세워 놓고 사람들에게 구경시킨 것 같은 행동 때문이었다고도 할 수 있다. 물론 전통적인 우주관을 고집스럽게 주장하던 신부들 가운데는 갈릴레이의 망원경 쇼가 사기라고 주장하는 경우도 있었다. 갈릴레이가 요술을 부려 망원경 안에 어떤 조작을 해 놓고 실제 하늘에는 있지도 않은 것들을 보이게 한다는 주장이었다.    하지만 점점 더 많은 사람들이 망원경을 알게 되고 또 자기 망원경을 갖는 사람들이 늘어나면서 반대의 소리는 힘을 잃게 되었다. 그리하여 그 후 망원경은 바다를 항해하는 데 중요한 도구로도 채용되었음은 물론이다. 갈릴레이의 망원경은 두 개의 렌즈를 통 속에 넣고 그 통의 길이를 조정해서 먼 곳을 보는 '굴절 망원경'이었다. 그런데 이보다는 두 렌즈 중 한 개를 오목 거울로 바꿔 넣은 '반사 망원경'이 색수차로 인한 흐려짐을 막을 수 있어서 더 좋다. 이 반사 망원경을 처음 만든 사람은 다름 아닌 뉴턴이었다. 그는 이것 역시 앞서 말한 그 긴 방학 동안 생각해 두었다가 1668년에 직접 만들어 냈다.    앞에서 하비라는 사람이 혈액 순환을 발견했다는 사실을 살펴보면서 잠시 말했지만, 갈릴레이의 제자라고 할 수 있는 이탈리아의 마르첼로 말피기(1632∼1654)는 1660년에 개구리의 허파에서 처음으로 모세혈관을 발견했는데, 그때 그는 맨 눈이 아니라 현미경을 사용했다. 누가 처음으로 현미경을 발명했는지는 잘 알 수가 없다. 그러나 말피기가 현미경을 써서 아주 중요한 발견을 하게 된 첫 번째 사람인 것만큼은 분명하다. M. 말피기                                   개구리의 허파 해부도

말피기 Marcello Malpighi 1628-1694 이탈리아의 의사이자 생물학자. 생물의 연구에 필요한 실험방법을 개발하여 미시해부학의 과학적 기초를 마련하였다. 말피기 이후로 미시해부학은 생리학, 발생학, 실용의학의 발전에 필수적인 학문이 되었다. 몸의 기관의 기능이 구조에 따라서 기계적으로 설명될 수 있다는 생각에 따라 당시 막 발명된 현미경을 사용하여 생물체의 미세구조를 관찰하였다. 1661년, <폐의 구조에 대한 편지>에 동맥과 정맥 사이를 잇는 모세혈관을 처음으로 기술했으며, 후에는 적혈구도 관찰하여 하비의 혈액순환론을 보완하였다. 이 밖에도 신장의 말피기 소체(小體), 혀의 유두(乳頭), 뇌의 회백질(灰白質)의 분포 등 동물체에 대하여 많은 새로운 발견을 하였다. 또, 곤충과 식물의 조직에 대한 관찰, 닭의 배(胚) 발생의 과정을 현미경으로 추적한 연구도 최초의 것으로 유명하다. 그는 비록 새로운 발견으로부터 어떤 새로운 치료법을 만들어내지는 못했지만, 생체의 미세구조를 보여줌으로써 미세 해부학이 고대 의학의 가치에 의문을 제기했다고 확신했으며, 인체 생리 변화를 이해하기 위한 해부학적 기초를 마련하였다. 그의 일생의 마지막 기간은 개인적인 불행과 건강 악화, 그리고 극에 달한 비판 등으로 괴로움의 연속이었다. 그러나 그의 능력을 인정한 교황 인노켄티우스 12세가 그를 주치의로 초청했으며, 로마에서 그는 백작 작위를 얻고 의학박사회의 회원으로 선출되었으며, 귀족 명부에 이름이 오르고 명예시종의 직함까지 받게 되었다.

개의 정자

입 안에 있는 점액 속의 여러 가지 세균. fig.A는 간균(바칠루스), fig.B는 쥐의 간균이며, fig.C-D는 간균이 움직인 진로, fig.E는 2개의 구균, fig.F는 구강모상균, fig.G는 나선균.

적혈구. 왼쪽 위의 fig.1은 연어, fig.2-4는 뱀장어, fig.5-6은 구체를 형성하고 있는 여러 종의 뱀장어 집합체, fig.7은 뱀장어의 동맥(HI)과 정맥(BA) 사이의 모세혈관.

A. v. 레벤후크.

그러나 현미경을 사용하여 여러 가지 작은 생물을 살펴보고, 또 그러는 가운데 여러 가지 미생물의 세계를 개척하여 미생물학의 아버지로 꼽히는 네델란드의 안톤 반 레벤후크(1632∼1723)야말로 생물학의 발전에 큰 공헌을 한 사람으로 손꼽힌다. 그는 지름이 5mm도 채 안 되는 아주 작은 렌즈를 비롯하여 419개의 렌즈를 한평생 동안 자기 손으로 직접 갈아 만든 렌즈 기술자였다. 레벤후크는 자기가 만든 현미경으로 수많은 미생물을 발견했고, 처음으로 적혈구와 정충도 발견했다. 1683년에 그가 남긴 박테리아 그림은 그를 인류 역사상 처음으로 박테리아를 발견한 과학자로 만들어 주고 있기도 하다.

안톤 반 레벤후크 Antonie van Leeuwenhoek 1632-1723 세균과 원생동물을 최초로 관찰한 네덜란드의 미생물학자. 하등동물을 연구하여 자연발생설을 반박했고, 세균학과 원생동물학의 기초 확립에 도움을 주었다. 직물상을 경영하던 그는 자연에 대한 왕성한 호기심을 보여 아주 짧은 초점거리를 갖는 렌즈로 이루어진 단안현미경(單眼顯微鏡)을 만들었는데 이것은 지름 5mm 가량의 구형(球形)에 가까운 렌즈를 작은 금속판 사이에 끼운 독특한 모양을 하고 있는데, 당시로서는 획기적인 270배 가량의 배율을 가지고 있었다. 1674년부터는 세균과 원생동물을 관찰하기 시작했으며, 빗물·연못물·우물물 및 사람의 구강·장 등 각기 다른 장소에서 미소동물들을 분리하여 크기를 재었다. 1677년에는 스티븐 함과 함께 곤충·개·사람의 정자에 대해 최초로 기록하였으며, 광학 렌즈의 구조, 횡문근, 곤충의 입기관과 식물의 미세구조에 대한 연구를 했고 진딧물의 단위생식을 발견했다. 1684년에는 적혈구 세포를 처음으로 정확히 기술함으로써 말피기가 발견한 모세혈관에 대한 연구를 더욱 확장시켰다. 여러 하등동물들의 생활사에 관한 연구에서 그는 그것들이 자연적으로 생겨나거나 부패물로부터 발생된다는 당시의 학설에 반하여, 곡식창고에 있는 바구미들의 유충은 날개 달린 곤충들이 낳은 알에서 부화된다는 것을 증명했다. 홍합이나 다른 패각류 또한 해변의 모래사장이나 강바닥에 있는 진흙으로부터 발생되는 것이 아니라, 정상적인 발생과정을 통해 알로부터 생겨난다고 주장했다. 또한 장어의 발생과정도 연구했는데, 당시에는 이슬로부터 장어가 생겨난다고 여겨지고 있었다. 이러한 발견들로 인해 그는 세계적으로 유명해졌으며 러시아의 표트르 대제(大帝) 등 유명인사들이 그를 방문하였다. 반면에 그는 현미경 사용법을 비밀로 하여 그의 연구과정에는 아직도 의문이 남아 있다. 세균과 같이 작은 사물을 관찰하려면 렌즈의 효율을 높이기 위해 간접조명이나 다른 기술이 필요했는데, 그는 그 방법을 공개하지 않았다.

현미경을 이용하여 세포를 처음 발견한 과학자는 영국의 로버트 훅이었다. 세포를 영어로는 '셀(cell)'이라 부르는데 그 이름을 처음 붙여 준 과학자가 바로 그였다. 또 그는 현미경을 이용해서 발견한 여러 가지 결과를 《현미경의 세계》(1655년)라는 책으로 남겼는데 지금도 그 책에 나오는 그림들은 매우 가치 있는 것으로 평가되고 있다.

R. 훅.

로버트 훅 Robert Hooke 1635-1703 영국의 물리학자로 훅의 법칙으로 알려져 있는 탄성법칙을 발견한 것으로 유명하다. 보일의 문하에서 일하던 훅은 금속이나 목재 같은 고체의 늘어남은 작용된 힘에 비례한다는 탄성법칙을 발견함으로써 변형력과 변형에 대한 연구와 탄성 물질에 대한 이해의 기초를 세웠고, 시계의 균형 바퀴의 태엽을 설계하는 데 이 연구를 응용했다. 한편 고레고리 반사망원경을 처음으로 만든 학자 가운데 한 사람인 훅은 1664년 오리온 별자리의 별무리인 사격형성단의 다섯 번째 별을 발견했고, 목성이 자전한다는 것을 처음으로 제안하였다. 또한 코르크의 미세한 벌집 모양의 구멍을 가리켜 처음으로 세포(cell)라 명명하기도 하였다. 훅의 법칙 어떤 물체의 변형이 비교적 작을 때 변위 또는 변형의 크기는 변형력 또는 부하에 정비례한다. 이와 같은 조건에서 부하를 제거하면 물체는 원래의 모양과 크기로 되돌아간다. 훅의 법칙은 수학적으로 가해지는 힘 F가 상수 k와 변위 또는 길이의 변화 x의 곱과 같다는 것을 나타낸다. 즉 F=kx이다. 한편 k의 값은 고려 대상인 탄성물질의 종류뿐만 아니라 크기나 모양에도 관계한다. 가해지는 힘이 비교적 크면 그 힘이 제거되어 물체가 원래의 모양과 크기로 돌아오더라도 물체의 변형은 종종 훅의 법칙에서 예상되는 것보다 크다.

현미경. 이것에는 조명용 램프와 접안렌즈가 붙어 있다.(《현미경의 세계》).

벼룩 그림. 벼룩의 아름다움과 힘이 표현되어 있다.

E. 토리첼리 토리첼리의 실험(왼쪽에서 오른쪽으로).

공기의 압력을 재는 기압계와 공기를 빼내는 배기 펌프가 처음 발명된 것도 17세기의 일이었다. 이러한 도구들은 공기의 성질에 대한 연구가 진척됨으로써 비로소 발명될 수 있었다. 예를 들면 갈릴레이는 이미 한 개의 호스로는 10미터 이상 물을 끌어올릴 수 없다는 것을 알고 있었다. 그러나 그 이유를 잘 알지 못하던 그의 제자 에반젤리스타 토리첼리(1608∼1647)가 원인을 간단히 증명해 보여 주었던 것이다.    토리첼리는 한쪽이 막힌 길이 1m짜리 유리관에 수은을 넣고 그것을 수은통 속에 거꾸로 세우면 윗 부분에 진공이 생긴다는 것을 알았다. 이 텅 빈 부분이 공기가 없는 진공 상태라는 사실은 분명했고, 이러한 현상이 일어나는 원인을 토리첼리는 지구를 둘러싸고 있는 대기의 압력에서 찾았다. 그렇다면 곳에 따라 다른 대기의 압력, 즉 기압은 이 장치를 가지고 서로 다른 곳에서 재보면 쉽사리 알 수가 있을 것이었다. 프랑스의 블레즈 파스칼(1623∼1662)은 이런 장치를 가지고 산 위로 올라갈수록 수은 기둥의 높이가 낮아진다는 것을 확인했다. 이것이 바로 수은 기압계였다. 게다가 그리스의 아리스토텔레스 이래 서양 사람들은 '자연은 진공을 싫어한다'면서 이 세상에 진공이란 있을 수 없다고 생각해 왔지만, 이제 그런 생각도 잘못이라는 사실이 밝혀졌다.

에반젤리스타 토리첼리 Evangelista Torricelli 1608-1647 이탈리아의 물리학자이자 수학자. 기압계를 발명했으며, 그의 기하학 연구는 적분학의 발전에 큰 도움을 주었다. 갈릴레오의 저술로부터 영감을 얻은 후 역학에 관한 논문 <운동에 관하여>를 집필하였다. 이후 갈릴레오의 생애 마지막 3개월 동안 비서 겸 조수로 일하였다. 후에 갈릴레오의 뒤를 이어 피렌체 아카데미의 수학교수에 임명되었다. 2년 후 갈릴레오의 제안에 따라 1.2m 길이의 유리관을 수은으로 채운 다음 접시 위에 거꾸로 세웠을 때 수은의 일부가 흘러나오지 않고 관 속 수은 위의 공간이 진공으로 되는 것을 관찰하였다. 이로써 그는 처음으로 지속적인 진공 상태를 만든 사람이 되었다. 여러 번의 관찰 끝에 수은의 높이가 매일 변하는 것은 대기압의 변화에 의해 생기는 것이라는 결론을 내렸다. 관 속의 수은주의 높이는 수은주의 무게와 용기중의 수은의 수평면을 누르는 대기의 압력이 균형을 이루는 높이로서, 대기압이 1기압인 경우, 용기중의 수은면에서 약 760mm이다.

B. 파스칼.

블레즈 파스칼 Blaise Pascal 1623-1662 프랑스의 수학자이자 물리학자며 종교철학자이자 작가. 근대 확률이론을 창시했고, 압력과 관련된 파스칼의 원리를 체계화했으며, 신의 존재는 이성이 아니라 심성을 통해 체험할 수 있다고 주장하였다. 직관론에 바탕한 그의 사상은 루소와 베르그송, 그리고 실존주의자 등 후세 철학자들에게 큰 영향을 끼쳤다. 수학자였던 아버지 밑에서 자란 그는 수학 분야에서 천재성을 발휘하였다. 17세 되던 1640년에는 <원뿔곡선론>을 발표했는데 수학계의 찬사를 받기에 충분했다. 이후 종교에 심취했던 파스칼은 그러나 과학에 대한 관심을 꺾을 수는 없었다. 그는 수은 기압계를 만들어 파리와 클레르몽페랑이 내려다보이는 산꼭대기에서 기압을 측정하여 대기압에 관한 실험을 검증하고 확대시켰다. 이 실험결과는 유체동력학과 유체정력학에서 좀더 진전된 연구가 이루어지는 데 길잡이가 되었다. 또한 실험 과정에서 주사기를 발명했으며, 파스칼의 원리를 바탕으로 유압 프레스를 고안해냈다. 1647-48년에는 진공문제에 관한 논문을 잇따라 발표하였으며, 몇 년 후에는 액체평형에 관한 논문과 공기의 무게와 밀도에 관한 논문 등을 발표하였다. 그러나 후에는 종교에 심취하여 유명한 《명상록》을 발표하는 등 철학적 활동에 접어들었다. 파스칼의 법칙 파스칼의 원리라고도 한다. 유체역학에서 밀폐된 용기 내에 정지해 있는 유체의 어느 한 부분에서 생기는 압력의 변화가 유체의 다른 부분과 용기의 벽면에 손실 없이 전달된다는 원리. 압력은 가해진 힘을 힘이 작용하는 면적으로 나눈 값이다. 파스칼의 법칙에 따르면 어떤 유압장치에서 피스톤에 작용하는 압력은 그 장치의 다른 피스톤에도 동일한 압력으로 작용한다. 만일 다른 피스톤의 면적이 처음 피스톤의 면적의 10배가 되면 2번째 피스톤에 작용하는 압력은 원래의 피스톤과 동일하지만 힘은 10배로 증가한다. 이와 같은 효과는 파스칼의 법칙에 입각한 유압프레스와 유압 제동기에서 실례를 볼 수 있다. 또 파스칼은 정지해 있는 유체의 어느 지점에 작용하는 압력이 모든 방향에 대해서 동일하다는 것을 발견했다. 즉, 어느 특정 지점을 지나는 모든 평면 위에서 동일하다. 이 사실도 파스칼의 원리 또는 법칙으로 알려져 있다.

O. 게리케. 이 초상화 아래에, '독일의 실험과학의 확립자로서, 베기펌프와 기전기는 그의 이름을 영원하게 만들었다. 그는 이것들로 물리학 지식의 넓은 분야를 해명했으며, 기계공학의 본질적인 기초를 쌓았다'고 쓰여져 있다.

진공이 발견되고 또 기압계가 발명되면서 공기에 대한 연구가 더욱 활발해지기 시작했다. 공의 반쪽처럼 생긴 그릇 두 개를 맞붙인 다음 그 속에서 공기를 빼내 기압의 힘이 얼마나 센가를 측정하는 실험도 실시되었다. 독일의 과학자이며 마그데부르크라는 도시의 시장이던 오토 폰 게리케(1602∼1686)가 바로 이런 장치를 만들어 실험을 했는데, 각각 양쪽에서 여덟 마리의 말이 끌어당겨도 두 그릇이 잘 떨어지지 않았다. 이 실험은 독일 황제가 지켜보는 가운데 실시되었는데 그때부터 그런 장치를 '마그데부르크의 반구(半球)'라 부르게 되었다.

완성한 게리케의 배기펌프. 아래에 진공실험을 하기 위한 2개의 구리제 반구('마그데부르크의 반구')가 있다.

오토 폰 게리케 Otto von Guericke 1602-1686 독일의 물리학자이자 공학자겸 자연철학자. 최초로 공기 펌프를 발명하여 진공현상과 연소·호흡에서의 공기역할에 대해 연구하였다. 1650년 공기 펌프를 발명하여 부분진공을 만들었고, 빛은 진공을 통과하지만 소리는 통과하지 못한다는 사실도 밝혀내었다. 이 결과를 토대로 1654년 레겐스부르크에서 황제 페르디난트 3세가 지켜보는 가운데 유명한 실험을 하게 된다. 구리그릇 2개를 맞붙여서 그 안에 지름 약 35.5cm의 빈 구형공간을 만든 후 그 안에 있는 공기를 빼내어 진공상태를 만들었다. 이를 마그데부르크의 반구라고 부른다. 그러자 주변공기의 힘으로만 붙어 있는 두 그릇이 여러 마리의 말이 끌어당기는데도 떨어지지 않았다. 이로써 공기압력에서 나오는 힘이 엄청나다는 사실이 처음으로 실험을 통해 알려지게 된 것이다. 또한 1663년에는 최초의 정전기 발생장치를 만들었는데 이 정전기 발생장치는 회전하는 유황구에 마찰을 가함으로써 정전기를 얻었다. 1672년에는 이런 식으로 얻어진 전기가 유황구의 표면에서 빛을 발하게 한다는 사실을 알아냈다. 이로써 그는 전기발광(電氣發光)을 처음으로 본 사람이 되었다.

그뿐 아니라 처음으로 추를 이용한 시계가 발명되었고, 이것은 점차 기계 장치를 이용한 여러 가지 시계로 발달해 갔다. 추시계의 원리를 처음 알아낸 사람은 바로 갈릴레이라고 전해지는데 그는 피사의 성당에서 천장에 매달려 흔들리는 등잔을 보고 그 속도를 자기의 맥박 뛰는 속도와 비교해 본 결과 흔들이(추)가 넓게 움직이거나 좁게 움직이거나간에 한번 흔들리는 데 걸리는 시간은 항상 같다는 사실을 발견했다고 한다.    17세기에 '과학 혁명'의 물결이 일면서 발명된 여러 가지 실험 관찰 도구들은 또 다시 과학을 더욱 높은 수준으로 끌어올렸다. 이와 함께 과학에 흥미를 가지는 사람들의 수가 점차 많아져서 그들까지 한 달에 한 번 또는 일정한 기간에 한 번씩 모여 실험도 함께 해 가며 자기가 연구한 결과를 발표하는 모임을 갖기 시작했다. 과학자들의 이런 모임은 그전에 이미 이탈리아에서 시작되었지만, 그것이 한 나라의 중요한 기관으로 발전한 경우는 1662년의 영국 왕립 학회, 그리고 곧이어 1666년의 프랑스 과학 아카데미가 대표적이었다. 그런 연구·토론 기관은 유럽 여러 나라에서 생겨나 과학 발달의 중심지가 되어 갔으며, 외국 과학자들과도 연구 논문을 교환하고 그 논문들이 회지에 발표되기도 함으로써 국제적인 과학 교류가 활발해졌다. 이와 함께 과학이라는 분야가 독립된 학문 분야로 인정받기 시작했으며 곧이어 과학자라는 직업도 생겨나게 되었다.