세상에서 가장 작은 집게 보이지 않는 세계를 건드리다

영화 '스타워즈'나 '스타트렉'을 보면 우주선에서 보이지 않는 강력한 빛줄기(트랙터 빔, Tractor Beam)를 쏘아 적의 우주선을 허공에 꽁꽁 묶어두거나 끌어당기는 장면이 나온다. 공상과학에서나 가능할 법한 이 빛의 마술은, 우주가 아니라 아주 작은 현미경 속 실험실에서 이미 1970년대에 현실이 되었다. 쇠로 만든 핀셋으로는 모래알조차 제대로 집기 힘들지만, 과학자들은 '레이저 빛'을 핀셋처럼 사용하여 눈에 보이지 않는 박테리아나 세포, 심지어 DNA 가닥의 끝을 살짝 집어 올려 이리저리 옮기는 기적의 도구를 만들어냈다. 물체를 태우거나 구멍을 뚫는 무기로만 여겨졌던 레이저 빛이 어떻게 세상에서 가장 부드럽고 정교한 '손가락'으로 변신했는지, 2018년 노벨 물리학상의 영예를 안은 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)의 위대한 발명품 '광학 집게(Optical Tweezers)'의 눈부신 물리학 속으로 들어가 보자.

빛도 물체를 밀어낼 수 있다, 광압의 비밀

우리가 햇볕을 쬘 때 따뜻함(열)은 느끼지만, 빛이 내 몸을 꾹꾹 누르는 '압력'은 전혀 느끼지 못한다. 하지만 물리학적으로 빛(광자, Photon)은 질량은 없어도 날아가는 '운동량'을 가지고 있다. 빛이 어떤 물체에 부딪혀 튕겨 나가거나 굴절될 때, 뉴턴의 작용-반작용 법칙에 의해 물체도 아주 미세하게 뒤로 밀려나는 힘을 받는다. 이를 '광압(Radiation pressure)'이라고 한다. 태양풍(빛)을 돛으로 받아 우주를 항해하는 우주선(솔라 세일)의 원리와 완벽하게 똑같다. 미국의 물리학자 아서 애슈킨은 이 미세한 빛의 압력을 이용해 1마이크로미터(100만 분의 1미터) 크기의 아주 작은 투명한 유리구슬(혹은 세포)을 조종해 보기로 했다. 그는 현미경을 통해 레이저 빛을 돋보기 렌즈로 아주 뾰족하게 모아서(포커싱) 수조 속에 둥둥 떠 있는 유리구슬을 향해 쏘았다. 그러자 마법 같은 일이 벌어졌다.

빛의 올가미, 광학 트랩의 완성

레이저 빔을 맞은 투명한 유리구슬은 레이저를 뚫고 밖으로 튕겨 나가는 것이 아니라, 신기하게도 레이저 빛이 가장 강하게 뭉쳐 있는 '초점(중심부)'으로 스르륵 빨려 들어가 허공에 딱 고정되어 버렸다! 그 원리는 빛의 굴절이 낳은 절묘한 밸런스에 있다. 구슬 가장자리를 통과한 레이저 빛은 돋보기처럼 굴절되어 방향이 꺾이는데, 빛이 꺾일 때마다 반작용으로 구슬은 중심을 향해 밀어 올려진다(구심력). 결국 구슬은 빛이 꺾이면서 만들어내는 사방의 힘들에 갇혀, 뾰족한 빛의 깔때기 가장 깊은 곳에 옴짝달싹 못 하고 갇혀버리게(Optical Trap) 되는 것이다. 애슈킨이 현미경 렌즈(레이저 초점)를 이리저리 슥슥 움직이자, 빛의 깔때기 속에 갇힌 구슬과 박테리아들도 레이저를 따라 현미경 위를 춤추듯 이동했다. 인류 역사상 처음으로 손대지 않고 빛만으로 미시 세계의 물체를 집어 들어 올린 '광학 집게(Optical Tweezers)'가 탄생한 것이다.

생물학의 판도를 바꾼 가장 부드러운 손

쇠 핀셋으로 살아있는 세포나 박테리아를 집으면 짓눌려서 터져 죽어버린다. 하지만 광학 집게는 보이지 않는 빛의 장막으로 세포를 꽉 감싸기 때문에, 세포에 상처 하나 입히지 않고 완벽하게 산 채로 옮길 수 있는 '지상에서 가장 부드러운 핀셋'이다. 애슈킨이 처음으로 살아있는 박테리아를 광학 집게로 잡아끌었을 때, 박테리아는 빛 속에 갇힌 채 살려고 꼬리를 미친 듯이 파닥거렸고 이 모습은 생물학계에 엄청난 시각적 충격을 주었다. 이후 생물학자들은 이 마법의 집게에 완전히 열광했다. 체외 수정(시험관 아기)을 할 때 난자를 빛으로 꽉 붙잡아 고정해 두고 미세한 정자 세포 하나를 광학 집게로 끌어와 정밀하게 찔러넣는 수술이 가능해졌다.

DNA의 용수철 힘을 측정하다

광학 집게의 진정한 위력은 단순히 물체를 옮기는 것을 넘어 '엄청나게 미세한 힘'을 잡아당기고 측정할 수 있다는 데 있다. 생물학자들은 긴 밧줄 같은 DNA 가닥의 양 끝에 작은 유리구슬 두 개를 매달았다. 그리고 이 두 구슬을 각각 광학 집게(레이저)로 꽉 잡은 뒤, 레이저를 양옆으로 징그럽게 찌이익 잡아당겼다. 마치 고무줄이나 용수철을 잡아당기듯, 꼬여있던 DNA 이중나선이 팽팽하게 풀리며 버티는 그 미세한 장력(피코뉴턴 단위의 힘)을 세계 최초로 정밀하게 측정해 낸 것이다. 이 실험 덕분에 우리는 세포가 분열할 때 효소라는 작은 모터가 DNA 가닥을 얼마나 강력한 힘으로 찢어발기며 나아가는지, 생명의 기계적 움직임을 수학적으로 완벽하게 계산해 낼 수 있게 되었다. ![빛의 굴절이 유리구슬을 통해 휘어져 중앙에 광학 트랩을 만드는 물리학을 보여주는 다이어그램](https://image.pollinations.