세상은 무엇으로 만들어졌을까

책상 위에서 시작하는 질문

지금 눈앞에 있는 물건을 하나 골라 봅시다. 연필, 책상, 컵, 지우개, 과자 봉지, 또는 내 손등도 좋습니다.

겉모습은 모두 다릅니다. 책상은 딱딱하고, 물은 흐르고, 공기는 손에 잘 잡히지 않습니다. 우리 몸은 따뜻하고 부드럽습니다. 그런데 과학은 아주 놀라운 말을 합니다.

이 모든 것은 아주 작은 입자들로 이루어져 있다고요.

여기서 말하는 입자는 모래알이나 설탕 알갱이처럼 눈에 보이는 것이 아닙니다. 먼지보다도 훨씬 작습니다. 너무 작아서 보통 현미경으로도 볼 수 없습니다. 하지만 이 작은 입자들이 모이고 모여 책상이 되고, 물이 되고, 공기가 되고, 우리 몸이 됩니다.

이 책의 주인공은 바로 그 작은 세계의 기본 재료, 원자입니다.

원자는 눈에 보이지 않습니다. 그래서 처음에는 조금 낯설게 느껴질 수 있습니다. 하지만 원자는 아주 멀리 있는 이야기가 아닙니다. 지금 우리가 숨 쉬는 공기 속에도 있고, 물 한 모금 속에도 있으며, 손톱과 머리카락과 심장 속에도 있습니다. 원자는 세상을 만드는 보이지 않는 주인공입니다.

AI 생성 이미지

계속 나누면 어디까지 갈까

상상 실험을 하나 해 봅시다.

초콜릿 조각 하나가 있습니다. 우리는 그것을 반으로 나눌 수 있습니다. 다시 반으로 나누고, 또 반으로 나눕니다. 어느 순간 손으로는 더 나누기 힘들어집니다. 그래도 아주 날카로운 칼과 특별한 도구가 있다고 생각해 봅시다. 계속 자르고 또 자르면 어떻게 될까요?

나무 조각도 마찬가지입니다. 크게 자르면 장작이 되고, 더 작게 자르면 나무 부스러기가 됩니다. 더 잘게 만들면 가루처럼 보일 것입니다. 그렇다면 그 가루를 또 나누고, 또 나누면 끝없이 작아질까요?

옛사람들도 비슷한 질문을 했습니다.

"세상의 모든 물건은 계속 나눌 수 있을까?"

"아니면 언젠가 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 조각이 나올까?"

이 질문은 단순해 보이지만 아주 깊습니다. 왜냐하면 이 질문은 "세상은 무엇으로 만들어졌을까?"라는 물음으로 이어지기 때문입니다.

우리가 어떤 물건을 잘게 쪼개면 처음에는 모양만 달라집니다. 큰 얼음은 작은 얼음 조각이 되고, 작은 얼음은 얼음 가루가 됩니다. 하지만 아주아주 작은 세계로 내려가면 이야기가 달라집니다. 어느 지점부터는 그 물질을 이루는 기본 재료들을 생각해야 합니다. 물이라면 물을 이루는 아주 작은 알갱이들이 있고, 철이라면 철을 이루는 아주 작은 알갱이들이 있습니다.

그 중심에 원자가 있습니다.

원자는 얼마나 작을까

원자는 "작다"라는 말만으로는 부족할 만큼 작습니다. 그래서 생활 속 물건으로 비교해 보는 편이 더 쉽습니다.

모래알 하나를 떠올려 봅시다. 모래알은 작지만 눈에 보입니다. 설탕 알갱이도 작지만 손끝으로 만질 수 있습니다. 햇빛이 비칠 때 공중에 떠다니는 먼지도 아주 작아 보입니다.

그런데 원자는 그 먼지보다도 훨씬 작습니다.

만약 사과 하나를 지구만큼 크게 키운다고 상상해 봅시다. 그러면 그 사과 속의 원자 하나는 대략 작은 과일이나 작은 공 정도의 크기로 비교할 수 있습니다. 물론 정확한 크기는 원자의 종류에 따라 조금씩 다르지만, 이 비유가 말해 주는 핵심은 분명합니다. 원자는 우리가 평소에 생각하는 '작은 것'보다 훨씬 더 작은 세계에 있다는 것입니다.

또 다른 상상을 해 봅시다. 레고 블록으로 성을 만든다고 생각해 보세요. 멀리서 보면 하나의 성처럼 보이지만, 가까이 가면 수많은 블록이 모여 있다는 것을 알 수 있습니다. 원자는 이 레고 블록과 조금 비슷합니다. 아주 작은 원자들이 모여 더 큰 물질을 만듭니다.

다만 원자는 레고 블록처럼 손으로 집을 수 없습니다. 눈으로 직접 볼 수도 없습니다. 또 레고 블록처럼 딱딱한 네모 모양도 아닙니다. 그래도 작은 기본 재료들이 모여 더 큰 것을 만든다는 점에서는 좋은 비유가 됩니다.

책상은 원자들이 촘촘하고 단단하게 배열된 물질입니다. 물은 원자들이 특별한 방식으로 손을 잡아 만든 작은 알갱이들이 서로 미끄러지듯 움직이는 물질입니다. 공기는 눈에 보이지 않지만, 원자와 원자들이 만든 아주 작은 알갱이들이 떠다니는 공간입니다. 우리 몸도 원자들이 모여 만든 거대한 팀입니다.

우리는 원자를 보지 못하지만, 사실 원자들이 모여 만든 의자에 앉고, 원자들이 모여 만든 물을 마시고, 원자들이 모여 만든 공기를 들이마시며 살고 있습니다.

옛사람들이 떠올린 가장 작은 조각

원자라는 생각은 최신 과학 장비가 생긴 뒤에 갑자기 등장한 것이 아닙니다. 오래전 사람들도 세상을 바라보며 비슷한 상상을 했습니다.

고대 그리스의 철학자들은 자연을 이루는 기본 재료가 무엇인지 궁금해했습니다. 어떤 사람은 물이 모든 것의 바탕이라고 생각했고, 어떤 사람은 불이나 공기, 흙을 중요하게 여겼습니다. 그중에는 물건을 계속 나누다 보면 언젠가 더 이상 나눌 수 없는 작은 조각에 도착할 것이라고 생각한 사람들도 있었습니다.

그들은 그 조각을 '더 이상 자를 수 없는 것'이라는 뜻으로 생각했습니다. 오늘날 우리가 쓰는 '원자'라는 말도 이런 생각에서 출발했습니다.

물론 옛사람들이 지금의 과학자처럼 원자의 속을 정확히 알았던 것은 아닙니다. 그때는 원자를 직접 확인할 장비도 없었고, 실험 방법도 지금처럼 정교하지 않았습니다. 하지만 질문은 매우 날카로웠습니다.

"눈앞의 물건은 정말 하나의 덩어리일까?"

"아니면 보이지 않는 작은 조각들이 모여 있는 것일까?"

이 질문은 오랫동안 잠자고 있다가, 많은 실험과 관찰을 만나며 과학의 중요한 생각으로 자라났습니다.

여기서 꼭 기억할 점이 있습니다. 옛날에는 원자를 '더 이상 나눌 수 없는 것'이라고 생각했지만, 오늘날 우리는 원자 안에도 더 작은 입자들이 있다는 것을 압니다. 이 이야기는 뒤에서 천천히 탐험할 것입니다. 지금은 이렇게 이해하면 충분합니다.

원자는 물질을 이루는 아주 작은 기본 단위이다.

보이지 않는데 어떻게 알 수 있을까

그런데 이상한 점이 있습니다. 원자는 너무 작아서 보이지 않습니다. 그렇다면 과학자들은 어떻게 원자가 있다고 생각하게 되었을까요?

과학에서는 꼭 눈으로 직접 봐야만 존재를 알아내는 것은 아닙니다. 보이지 않아도 흔적이 있으면 추리할 수 있습니다.

예를 들어 바람은 눈에 보이지 않습니다. 하지만 나뭇잎이 흔들리고, 머리카락이 날리고, 연이 하늘로 올라가는 것을 보면 바람이 있다는 것을 알 수 있습니다. 범인을 직접 보지 못해도 발자국과 지문을 보면 누가 지나갔는지 추리할 수 있습니다.

원자도 비슷합니다. 과학자들은 원자를 직접 보기 어려웠지만, 원자가 있다고 생각하면 설명되는 현상들을 많이 발견했습니다.

설탕을 물에 넣으면 설탕 덩어리는 사라진 것처럼 보입니다. 하지만 물을 맛보면 달콤합니다. 설탕이 완전히 없어진 것이 아니라, 아주 작은 알갱이로 흩어져 물속에 퍼진 것입니다.

향수 한 방울을 방 한쪽에 뿌리면 조금 뒤 방 안 다른 곳에서도 냄새가 납니다. 향기를 만드는 작은 알갱이들이 공기 속으로 퍼져 나가기 때문입니다.

잉크를 물에 떨어뜨리면 색이 천천히 번집니다. 누가 밀지 않아도 작은 알갱이들이 이리저리 움직이며 섞입니다.

이런 현상들은 우리에게 말해 줍니다.

"물질은 겉보기처럼 매끈한 한 덩어리가 아니라, 아주 작은 입자들로 이루어져 있구나."

과학자들은 여기에 더해 무게를 재고, 기체의 부피를 측정하고, 물질이 반응할 때 일정한 비율로 섞이는 모습을 살폈습니다. 그리고 원자라는 생각은 점점 더 강해졌습니다. 원자를 가정하면 복잡해 보이던 자연의 규칙들이 훨씬 잘 설명되었기 때문입니다.

과학에서 좋은 생각은 단순히 멋진 상상이 아닙니다. 자연이 실제로 보여 주는 결과를 잘 설명하고, 앞으로 일어날 일도 맞힐 수 있어야 합니다. 원자라는 생각은 그런 시험을 아주 잘 통과했습니다.

한 덩어리처럼 보여도 사실은 팀이다

우리는 책상을 보면 그냥 하나의 단단한 덩어리라고 느낍니다. 물컵 속 물도 하나의 투명한 덩어리처럼 보입니다. 공기는 아예 아무것도 없는 것처럼 느껴질 때도 많습니다.

하지만 조금 다르게 상상해 봅시다.

책상은 셀 수 없이 많은 원자들이 질서 있게 모여 있는 거대한 모임입니다. 물은 작은 알갱이들이 서로 끌어당기며 미끄러지듯 움직이는 무리입니다. 공기는 아주 작은 입자들이 사방으로 날아다니는 넓은 운동장입니다. 우리 몸은 원자들이 모여 세포를 만들고, 세포들이 모여 피부와 뼈와 피와 근육을 이루는 놀라운 협동 작품입니다.

원자는 혼자 있을 때도 중요하지만, 여럿이 모였을 때 더 흥미로운 일이 벌어집니다. 어떤 원자들이 모이느냐, 어떻게 손을 잡느냐, 어떤 모양으로 배열되느냐에 따라 세상은 완전히 다른 모습을 보입니다.

같은 작은 블록으로도 집을 만들 수 있고, 자동차를 만들 수 있고, 로봇을 만들 수 있는 것처럼 말입니다.

그래서 원자를 배우는 일은 단순히 작은 것을 배우는 일이 아닙니다. 세상의 큰 모습을 이해하기 위해 가장 작은 출발점으로 내려가는 일입니다.

오늘의 출발점

이번 챕터에서 꼭 붙잡아야 할 생각은 하나입니다.

눈에 보이는 모든 물건은 보이지 않는 작은 입자들로 이루어져 있다. 그리고 그 이야기의 중심에 원자가 있다.

책상, 물, 공기, 내 몸은 서로 아주 달라 보입니다. 하지만 모두 원자의 세계와 연결되어 있습니다. 원자를 알면 딱딱함, 흐름, 냄새, 색깔, 생명 같은 것들을 새롭게 바라볼 수 있습니다.

다음에 물을 마실 때 한번 떠올려 봅시다.

"이 물도 작은 주인공들이 모여 만든 것이구나."

공기를 들이마실 때도 생각해 봅시다.

"보이지 않는 이 공기 속에도 원자들이 있구나."

세상은 갑자기 조금 다르게 보일 것입니다. 그냥 물건으로 가득 찬 곳이 아니라, 보이지 않는 작은 주인공들이 끝없이 모이고 움직이며 이야기를 만드는 곳으로 말입니다.