100년간 세상을 놀라게 한 10대 발견

[7975TKM(광은)]

세계적으로 널리 알려진 과학잡지 ‘사이언스 뉴스(Science News)’가 비영리단체를 통해 처음 발간된 것은 1921년이다.

과학 연구 및 교육에 대한 대중 참여를 전담하는 비영리 매체로서 새로운 소식을 알리고 과학계 흐름과 방향을 진단하며 과학기술 발전에 큰 역할을 해왔는데 이달 들어 100주년을 맞아 특집기사를 게재하고 있다.

지난 100년 동안 세상을 놀라게 한 ‘10대 과학적 업적’을 소개하고 있는데 그중에서도 반물질(Antimatter), 암흑에너지(dark energy), 판구조론(plate tectonics), 그리고 DNA의 역할(role of DNA)을 발견한 것은 예상치 못했던 결과였다고 설명하고 있다.

지난 100년간 세상을 놀라게 하는 새로운 과학적 사실들이 다수 발견됐다. 그중에서도 반물질, 판구조론, 암흑 에너지 등은 예상치 못한 결과로 받아들여지고 있다. 사진은 허블 우주 망원경이 관측한 우주의 모습. 암흑물질, 암흑에너지의 가능성을 말해주고 있다. ⓒWikipedia

아인슈타인을 놀라게 한 ‘불확정성의 원리’

1927년 독일의 물리학자인 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 ‘불확정성의 원리’를 제안한다.

이 원리는 양자역학으로 알려진 자연을 설명하기 위한 핵심 원리가 할 수 있다. 양자물리학을 이용해 어떤 실험결과를 얻을 수 있는지를 계산할 수는 있지만, 입자가 실제로 어떤 상태인지를 알 수는 없다는 것이다.

그러나 결정론을 받아들이고 있었던 과학자들은 이 이론을 받아들이지 않았다. 아인슈타인과 슈뢰딩거를 비롯한 많은 과학자가 가장 격렬하게 비판한 내용 중의 하나가 바로 ‘불확정성의 원리’였다.

그러나 100년이 90여 년이 지난 지금 ‘불확정성의 원리’는 양자물리학 이야기를 하면서 이야기를 하지 않을 수 없는 중요한 원리가 됐다. ‘사이언스 뉴스’는 하이젠베르크가 논문을 발표할 당시 상황을 설명하며, 혁명적인 연구 결과가 발표되면 ‘혼란스러운 생각’으로 치부하는 그런 상황이 오늘날에도 이어지고 있다고 분석하고 있다.

21세기 들어 현실이 된 ‘반물질’ 이론

1930년에는 영국의 젊은 이론물리학자였던 폴 디렉(Paul Dirac)이 세상이 믿을 수 없을 정도의 대담한 이론을 제안했다.

그는 물질이라는 것이 사실 진공의 공간에 있는 ‘여러 개의 구멍(a bunch of holes)’에 불과하다고 주장했다. 그는 공간이 비어 있지 않고 오히려 ‘음의 에너지(negative energy)’가 부여된 전자로 가득 차 있다고 말했다.

1930년에는 영국의 젊은 이론물리학자였던 폴 디렉(Paul Dirac)은 물질이 아닌 반물질이 어떻게 존재하는지 예측하는 데 성공했다. 얼마 지나지 않아 또 다른 물리학자들에 의해 반물질을 구성하는 반전자(anti-electron)거 발견된다. 사진은 폴 디렉의 기념비. ⓒWikipedia

이 음의 에너지 전자는 감지할 수 없지만 그러나 이 전자가 음의 에너지 바다(negative-energy sea)에서 충분한 에너지를 받으면 바다의 빈 거품처럼 구멍이 형성되며, 전자가 없으면 그 거품처럼 보이는 구멍이 양전하를 띠는 것처럼 보인다고 설명했다.

디렉은 음의 에너지 바다에 있는 그러한 양으로 하전된 거품이 모든 원자, 즉 모든 물질의 질량의 대부분을 구성하는 기본 입자인 양성자에 해당할 것이라고 가정했다. 그러나 이 주장은 틀린 것으로 밝혀졌고, 디렉은 양전하를 띤 정공이 양성자가 아니라 훨씬 더 가벼워야 하며 일반 음전하를 띤 전자와 같은 질량을 가지고 있다는 사실을 깨달았다.

이런 과정을 거쳐 디렉은 완전히 새로운 아이디어인 반물질이 어떻게 존재하는지 예측하는 데 성공했다. 그리고 그의 주장은 현실이 된다. 얼마 지나지 않아 물리학자인 칼 앤더슨(Carl Anderson)은 우주선에서 반물질을 구성하는 이 반전자(anti-electron)를 발견한다.

반물질 입자와 만나는 일반 전자는 구멍을 채우면서 사라지고 그 과정에서 폭발적인 에너지를 방출하는데 1955년 과학자들은 수소 원자의 반물질인 반수소(antihydrogen)를 만드는 데 성공했다. 1970년대에는 반헬륨-3, 2011년에는 반헬륨-4를 인공적으로 합성하는데 성공했다.

“우주는 끊임없이 팽창하고 있다”

과학자들은 우주가 시작이 있는 것인지 아니면 영원히 존재해왔는지 우주의 본질에 대해 깊이 고민해 왔다.

대다수 과학자들은 우주가 전체적으로 결코 변하지 않고 있으며, 반복되는 주기로 회전하고 있다고 믿고 있었다. 그러나 1920년대 수학자 알렉산더 프리드만(Alexander Friedmann)은 그렇지 않았다.

1920년대 수학자 알렉산더 프리드만은 우주가 변화하고 있다고 주장해 큰 반발을 샀는데 1929년 에드윈 허블을 통해 그의 주장이 옳았음이 증명됐다. 사진은 에드윈 허블. ⓒWikipedia

아인슈타인의 일반 상대성이론 방정식을 통해 우주가 성장하거나 축소될 수 있다는 이론을 제안하고 있었다. 그리고 그의 주장은 우주 현장에서 증명되고 있었다. 1929년 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 멀리 떨어진 성운에서 방출되는 빛의 색을 측정할 때 변화가 있음을 발견하고 그 증거들을 수집하고 있었다.

그리고 색 데이터 분석을 통해 은하가 더 멀어질수록 더 빨리 날아가고 있다는 것을 보여주었습니다. 그는 은하들의 스펙트럼선에 나타나는 적색편이를 시선속도라고 해석하고, 후퇴속도가 은하의 거리에 비례한다는 ‘허블의 법칙(Hubble’s law)’을 통해 우주팽창이론을 설명할 수 있는 기반을 마련했다.

우주에 영향을 미치는 암흑물질‧암흑에너지

1930년대 초 스위스의 물리학자이자 천문학자인 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 캘리포니아 공과대학에 있었다.

그리고 지구로부터 약 370만 광년 떨어져 있는 코마성단의 외부를 이루고 있는 수천 개의 은하들이 비정상적으로 움직이는 현상을 주목하고 있었다. 코마 성단 내에서 움직이는 은하의 속도가 보이는 질량의 중력 효과를 기반으로 한 예상을 무시하는 것처럼 보인다는 것.

츠비키는 이런 현상이 일어나기 위해서는 “어떤 보이지 않는 물질이 관측치를 중력의 법칙과 조화시키기 위해 성단에 숨어 있어야 한다.”고 결론지었다. 여기서 ‘어떤 보이지 않는 물질’이 지금의 ‘암흑물질(dark matter)’이다. 그의 이론은 이후 또 다른 천문학자 호레이스 밥콕(Horace Babcock) 등에 의해 뒷받침된다.

1998년에는 두 팀의 천문학자가 먼 초신성에서 오는 빛의 측정값이 충격적으로 뒤틀려 있다는 것을 발견한다. 이후 보고서는 추가 데이터로 보강됐는데 보편적인 확장이 둔화되고 있는 것이 아니라 가속화되고 있음을 보여주고 있었다.

과학자들은 우주에 대한 확고한 지식이 없는 상태에서 ‘암흑 에너지(dark energy)’라는 별명을 가진 어떤 반발력이 분명히 우주에 만연해 있다고 예측했다. 최근 과학자들은 반발력이 없는 상태에서 과거에 우주가 설명할 수 있는 것보다 10~15% 더 느리게 팽창하고 있다는 사실을 발견하고 있다.

DNA 구조 분석으로 생명과학 시대 열려

지난 세기의 가장 극적인 발견 중 하나는 1953년에 제임스 왓슨(James Watson)과 프란시스 크릭(Francis Crick)이 DNA의 이중 나선 구조를 알아낸 것이다.

그러나 더 놀라운 것은 이보다 수 년 전에 록펠러 대학의 오즈월드 에이버리(Oswald Avery) 연구팀이 DNA가 유전자를 구성하는 물질이라는 것을 발견했을 때였다. 유전자의 실체는 20세기 초반에 확립되었지만 그 물리적 구조에 대한 좋은 증거는 아무도 없었다.

1920년대에 프란시스 크릭은 “사람들이 유전자가 무엇인지에 대해 궁금해하고 있는데 연구 현장에서는 더 전문적인 사람들이 이 궁금증을 풀기에 너무 이른 문제라고 생각하고 있다.”고 발언하고 있었다. 그러나 왓슨과 크릭의 DNA 구조를 알아내면서 생명과학은 새로운 전기를 마련할 수 있었다.

50여년이 지나 받아들여진 ‘판 구조론’

1960년대에 많은 지구 과학자들은 행성의 역사를 설명하는 교과서를 폐기해야 한다는 사실을 알고 충격을 받고 있었다.

그러나 독일의 과학자 알프레트 베게너(Alfred Wegener)는 예외였다. 천문학자에서 기상학자로 변신해 고생물학과 지구물리학에 손을 대기 시작했다. 1915년에 그는 지구 대륙이 한때 판게아(Pangaea)라고 불리는 하나의 땅덩어리로 모였다고 제안하는 책을 발간했다.

그러나 베게너를 믿는 사람은 거의 없었고, 대다수 지구 물리학자들은 이렇게 거대한 지구 표면의 변화를 물리적으로 설명할 수 없다고 주장했다. 이런 분위기 속에서 베게너의 주장은 1960년대까지 이단적인 가설로 남아 있었다. 그러나 과학기술 발전은 해저 탐험을 가능하게 했다. 그리고 해저에서 탐지된 자기 패턴은 대양이 팽창해 대륙을 서로 멀어지게 했음을 시사하고 있었다.

이런 사실은 대륙이 한때 연결돼 있었다 분리됐다는 주장을 뒷받침하는 내용이었다. 이른바 ‘판 구조론(plate tectonics)’을 부활시키는 증거였다. 베게너는 1930년에 사망했지만 그의 이론은 1970년대 들어 중요한 이론 모델로 받아들여지고 있었다.

“불활성 가스도 화합물을 만든다”

1890년대까지 화학자들은 Dmitrii Mendeleev의 주기율표에 완전히 새로운 원소 계열인 불활성 기체를 추가했습니다.

1895년까지 태양에서 발견되고 있던 헬륨이 지구에서는 감지되지 않고 있었다. 네온, 아르곤, 크세논, 크립톤, 라돈 등도 발견되지 않고 있었다.

왜냐하면 다른 원소와의 화합물을 만들지 않았기 때문. 이런 원자들은 일반 조건에서 모두 기체 상태로 존재하기 때문에 불활성기체로 알려지고 있었다. 교과서는 모두 불활성 기체 원자 주위의 전자 배열이 화학 결합의 기회를 배제한다고 가르치고 있었다.

그러나 1962년에 상황이 바뀌었다. 화학자 닐 바틀릿(Neil Bartlett)은 이르곤 국립연구소에서 생성된 크세논 화합물 ‘사플루오린화 크세논 (Xenon tetrafluoride, 화학식 XeF 4)’을 보고하고 있었다. 화학자들은 교과서를 수정하기 위해 분주하게 움직여야 했고, 이전의 결론이 난 과학적 정의들을 모두 믿어서는 안 된다는 것을 상기시키고 있었다.

방정식의 논리를 허문 ‘패리티 위반’

20세기에 물리학자들은 자연 법칙에서 수학적 대칭의 중요성을 확립했다.

물리적 세계에서 모든 종류의 변화가 발생하지만 이를 설명하는 방정식은 동일하게 유지된다는 것을 말해주고 있었다. 따라서 거울에서 우주를 보는 것이 방정식의 정확성에 영향을 미치지 않아야 한다.

1955년에 사망한 저명한 수학자 헤르만 바일(Hermann Weyl)은 “모든 자연법칙이 좌우의 교환에 대해 불변하다는 것은 의심의 여지가 없다.”고 강력하게 주장하고 있었다. 그러나 1956년 물리학자인 충다오 리(Tsung-Dao Lee)와 첸닌 양(Chen-Ning Yang)은 그렇지 않다고 제안하는 이론 논문을 발표했다.

그리고 두 실험팀을 통해 자연이 실제로 좌파와 우파를 구별한다는 것을 보여주었다. 수학적 용어로 동등성을 위반한다는 의미인데 ‘패리티 위반(violating parity)’이라고 통칭하고 있다. 코발트 원자의 방사성 베타 붕괴와 뮤온이라고 불리는 불안정한 입자의 붕괴는 모두 방출된 베타 입자가 이동하는 방향에서 좌우 불균형을 나타냈다. 이는 방정식 이론을 허문 ‘이론물리학의 혁명’으로 기록되고 있다.