흙 불 숨 물에서 원자까지

세상 모든 것은 무엇으로 이루어졌을까. 고대 그리스에서는 흙, 물, 공기, 불 네 가지가 섞여 만물이 된다고 보았다. 오늘날에는 100여 종의 원소가 원자라는 알갱이로 존재하고, 그 조합이 물질을 만든다고 설명한다. 두 답 사이에는 2천 년이 넘는 시간과, 생각보다 훨씬 구불구불한 길이 놓여 있다.

네 원소설은 무엇을 설명하려 했나

흙·물·공기·불의 네 원소설은 기원전 5세기 무렵 엠페도클레스가 정리했고, 아리스토텔레스가 이를 다듬었다. 아리스토텔레스는 원소마다 뜨겁고 차갑고 마르고 축축한 성질을 짝지었다. 불은 뜨겁고 마르고, 물은 차갑고 축축하다는 식이다. 성질 하나가 바뀌면 원소가 다른 원소로 변할 수 있다고 보았다.

지금 보면 틀린 이론이지만 당시에는 꽤 많은 것을 설명했다. 나무를 태우면 연기(공기)가 오르고, 불꽃(불)이 일고, 진액(물)이 나오고, 재(흙)가 남는다. 일상의 관찰과 잘 맞았기에 이 생각은 중세까지 오래 이어졌다.

같은 시기에 전혀 다른 생각도 있었다. 데모크리토스는 물질을 계속 쪼개면 더는 쪼갤 수 없는 알갱이에 이른다고 주장했고, 이를 원자라 불렀다. 그러나 원자를 확인할 방법이 없었고, 영향력 있던 아리스토텔레스가 이를 받아들이지 않으면서 원자론은 오랫동안 주변부에 머물렀다.

연금술은 헛된 일이었나

네 원소설대로라면 원소의 성질을 바꿔 납을 금으로 바꾸는 일도 이론상 가능했다. 연금술사들은 이 목표를 위해 수백 년 동안 물질을 가열하고, 녹이고, 증류했다. 금은 끝내 만들지 못했다.

그러나 연금술의 작업대에서 실험 기술이 자랐다. 증류 장치, 여러 종류의 산, 물질을 정제하는 방법이 이 시기에 다듬어졌다. 연금술은 잘못된 목표를 좇았지만, 물질을 직접 다뤄 보며 결과를 기록하는 습관을 남겼다. 그 습관이 근대 화학의 밑거름이 되었다.

연금술과 근대 과학의 경계는 생각보다 흐릿했다. 만유인력을 정리한 아이작 뉴턴도 생애의 상당 부분을 연금술 연구에 쏟았다는 사실은 잘 알려져 있다. 당시에는 둘을 다른 학문으로 나누는 감각 자체가 지금과 달랐다.

원소의 정의는 어떻게 바뀌었나

17세기에 로버트 보일은 네 원소설을 정면으로 의심했다. 그는 더 단순한 물질로 나눌 수 없는 것을 원소로 보자고 제안했다. 원소를 철학적 성질이 아니라 실험으로 확인할 수 있는 대상으로 바꾸자는 주장이었다.

18세기 후반 앙투안 라부아지에는 정밀한 저울로 반응 전후의 무게를 쟀다. 밀폐된 용기에서 반응시키면 전체 질량이 변하지 않는다는 사실, 물이 수소와 산소로 나뉜다는 사실을 보이며 물과 공기가 원소가 아님을 밝혔다. 그는 당시까지 알려진 원소를 목록으로 정리했는데, 그 안에는 오늘날에도 원소로 인정되는 산소, 수소, 질소 등이 들어 있었다.

시기	원소에 대한 생각	근거
고대 그리스	흙·물·공기·불 네 가지	일상의 관찰과 추론
17세기	더 나눌 수 없는 단순한 물질	실험으로 확인해야 한다는 주장
18세기 말	산소·수소 등 여러 원소의 목록	정밀한 질량 측정
19세기 초	원소마다 고유한 무게의 원자	화합물의 일정한 비율

원자는 어떻게 다시 돌아왔나

19세기 초 존 돌턴은 화합물이 늘 일정한 질량비로 이루어진다는 관찰에 주목했다. 원소마다 고유한 무게를 가진 원자가 있고, 원자들이 정수비로 결합한다면 이 비율이 자연스럽게 설명된다. 2천 년 전 데모크리토스의 상상이 실험 자료를 등에 업고 돌아온 것이다.

돌턴의 원자는 오늘날의 원자와 같지 않았다. 그는 원자를 속이 꽉 찬 작은 공처럼 여겼고, 원자의 상대적 무게를 정하는 과정에서 물의 조성을 잘못 짐작하기도 했다. 그럼에도 원소마다 정해진 무게의 알갱이가 있다는 핵심 생각은 이후 화학을 떠받치는 기둥이 되었다. 틀린 세부와 옳은 뼈대가 한 이론 안에 함께 들어 있던 셈이다.

이후 원소들이 성질에 따라 주기적으로 반복된다는 사실이 정리되며 주기율표가 탄생했고, 20세기에는 원자 안에 더 작은 입자들이 있다는 사실까지 밝혀졌다. '더 이상 쪼갤 수 없는 것'이라는 원자의 본래 뜻은 이 지점에서 어긋나게 되었다.

남은 질문

원자의 구조를 알게 되었다고 '세상은 무엇으로 이루어졌나'라는 질문이 끝난 것은 아니다. 원자를 이루는 입자들은 다시 더 근본적인 입자로 설명되고, 그 입자들이 왜 그런 질량과 성질을 갖는지는 여전히 연구 중이다. 우주 전체로 보면 우리가 아는 원소로 된 물질은 일부에 불과하고, 나머지가 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았다.

2천 년 동안 답이 몇 번이고 바뀌었다는 사실 자체가 이 이야기의 교훈이다. 지금의 설명도 더 나은 관찰이 나오면 고쳐질 수 있다는 것, 그것이 과학이 질문을 다루는 방식이다.