[조재원의 에코 사이언스] 진공이 알려준 ‘공즉시색’ 과학/울산과학기술원 도시환경공학과 교수

조재원 울산과학기술원 도시환경공학과 교수

1654년 독일 물리학자이자 마그데부르크시장이기도 했던 오토 폰 게리케는 재미있는 진공 실험을 설계했다. 구리로 만든 공의 내부 공기를 펌프로 빼내 진공을 만든 후 반구 양쪽으로 줄을 연결해 말 15마리가 잡아당기는 실험을 했다. 구리공은 분리되지 않았고 진공의 엄청난 힘을 증명했다.

게리케가 진공에 관심을 가진 데는 배경이 있었다. 그는 유럽에서 서서히 설득력을 갖게 된 지동설에 매료됐다. 지동설은 우주 공간은 진공이란 사실이 필요했다. 그렇지 않으면 태양 주위를 회전하는 지구는 마찰로 인해 회전 속도가 서서히 줄어 멈출 것이다. 진공의 존재와 힘을 느끼고 싶었던 것이다.

그런데 한 가지 의문이 생긴다. 진공 때문에 행성이 마찰 없이 태양 주위를 회전하는 것은 알겠지만 태양과 행성 사이의 끌어당기는 만유인력은 아무 물질 없는 진공에서 발생할 수 있는가란 것이었다.

1938년 아인슈타인은 독일에서 이주해 온 후배 물리학자 인펠트의 생활고를 덜어 주기 위해 함께 집필한 ‘물리학의 진화’란 책에서 존재가 아직 증명되지 않은 우주 공간의 ‘에테르’란 물질을 언급했다. 빛이 태양을 출발해 지구까지 도달하는 것은 두 가지 이론으로 설명이 가능하다. 우선 빛이 입자인 경우 빛은 우주 공간을 이동해 지구에 도달한다. 그런데 장애물 뒤로 퍼져 나가는 회절현상을 설명할 수 없다. 빛이 파동이라고 가정하면 회절현상은 설명할 수 있지만, 태양과 지구 사이 아무런 물질 없는 진공을 파동이 어떻게 이동하는지 설명이 어렵다. 그래서 빛의 모든 이동 현상을 설명할 수 있는 가상의 물질 에테르의 존재를 설정했다.

에테르의 존재는 과학이 무엇인지에 대한 차원 다른 질문을 던진다. 에테르 물질을 첨단장비로 관찰하지는 못하지만 과학적으로는 설명할 수 있다. 공기 속 산소의 존재를 알기 이전에도 숨을 쉬니 미지 물질의 존재는 알 수 있었다. 진공 속에도 여전히 특정 이동을 돕는 전달 현상이 있다면 현상학적으로 어떤 물질은 분명 존재한다. 첨단장비로 관찰되지 못했을 뿐이다. 에테르 물질의 존재를 장비로 증명해 주면 믿겠다는 과학자에게 역으로 에테르 물질이 없다는 것을 첨단장비로 증명하면 에테르란 물질은 없다고 말할 수도 있겠다.

에테르는 상상할 수 있는 진공 속 물질을 통틀어 부르는 이름이다. 진공 속 물질이 꼭 한 가지가 아닐 가능성도 있다. 여러 물질이 각각 다른 중력과 같은 인력을 만들어 내는지도 모른다. 게리케 실험의 구리공 속 진공 공간에 에테르가 있어 30마리 말의 힘으로도 분리하지 못했다고 가정할 수 있다. 이런 고민을 아인슈타인도 했음이 분명한데, 그는 “과학이란 자유롭게 창조된 개념과 아이디어로 가득한 마음의 상태”라고 정의했다. 기계론적 과학을 대표하는 뉴턴의 후계자를 자처했던 아인슈타인이 과학을 마음의 상태와 연결시킨 것이다. 인간의 마음이 가설할 수 있는 현상과 그 물질도 얼마든지 과학이 될 수 있다는 가능성을 열어 주었다. 아인슈타인과 게리케의 과학을 합쳐 보니 비어 있는 공간이 모든 힘을 갖는다는 ‘공즉시색’의 과학자 버전이 됐다.

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