물질은 무엇인가?

[2005년 4월 뉴스레터]

잘 알고 있듯이 물질은 세 가지의 형태, 즉 고체, 액체 및 기체의 형태로 나타날 수 있다. 예를 들어 물(H2O)은 영하의 기온에서는 딱딱한 고체인 얼음으로, 따뜻한 영상의 기온에서는 액체의 물로, 그리고 섭씨 100도 이상의 고온에서는 무색 무취라서 육안으로는 전혀 식별할 수 없는 기체로 나타난다. 이와 같이 근본적으로 동일한 원료의 물질이 상황에 따라서 전혀 다른 모습으로 나타날 수 있는 것이 물질이다.

과학에서 고체는 물질 내부의 공간이 크게 비어있는 입자구조를 가지며, 액체나 기체 또한 물질을 구성하는 입자들의 상태에 따라서 달리 나타나는 것이며 모두가 물질을 구성하는 입자에 작용하는 힘의 문제라는 것이다. 여하튼 물질의 내부에는 빈 공간이 있으며 물질을 구성하는 입자들은 이 비어 있는 공간에서 움직이고 있다.

과연 물질은 무엇일까? 희랍 철학자 데모크리토스(Democritus 460-370 BC)는 한 물질을 작게 깨뜨리고, 작게 깨진 것을 또 깨뜨리고, 그것을 또 깨뜨리고, 이 과정을 계속하게 된다면 더 이상 깨뜨릴 수 없는 최종 상태에 이를 것으로 생각하였다. 그는 그 궁극적인 알맹이, 소위 더 이상 깨뜨릴 수 없는 입자를 헬라어로 아톰모스(Atomos)라 하였다. 근대에 와서 이것을 원자(Atom)이라 하였고, 1807년 돌턴(John Dalton: 1766-1844)은 1) 모든 원소는 원자라고 하는 입자로 이루어졌다. 2) 어느 한 원소를 이루는 원자는 모두가 같고, 다른 원소를 이루는 원자들은 서로 다른 성질을 가진다. 3) 원자는 새로 만들 수 없고, 없앨 수 도 없고, 더 작게 나눌 수도 없으며, 한 원소의 원자를 다른 원소의 원자로 바꿀 수도 없다. 4) 다른 종류의 원자들은 일정한 정수의 비율로 결합하여 화합물(Compound)을 만든다. 5) 화학 반응은 원자들이 결합, 분리, 또는 재배치할 때 일어난다는 내용의 유명한 원자설(Atomic Theory)을 발표하였다.

후에 과학의 발전으로 원자설의 오류가 수정되었지만 19세기까지 모든 물질은 원자라는 궁극적인 요소로 이루어 졌다고 생각하였다. 과학기술의 진보로 원자는 중앙에 핵이 있고 주위에 전자가 돌고 있는 것으로 알려졌고, 중앙의 핵은 다시 양성자와 중성자가 강력히 결합된 것으로 밝혀졌다. 오늘날 물질의 원소는 양성자와 중성자의 수에 따라 분류하고 있다. 20세기 중반에는 입자 가속기를 통하여 원자의 중앙에 있는 핵을 다시 양성자와 중성자로 분리하는데 성경하였고, 양성자를 충돌하여 다시 더 작은 가상 입자인 쿼크(Quark)를 발견하는 등 깊이 있는 연구가 계속되고 있다.

오늘도 고-에너지 첨단 물리학(Higher Energy Physics)에서는 물질의 궁극에 대하여 계속 도전하고 있지만 물질 내부의 엄격한 질서와 조화만 알게 될 뿐 물질의 근원에 대한 이렇다 할 만한 해답을 얻지 못하고 있다. 한편 구약성경 잠언(8:22-26)에는 “22 여호와께서 그 조화의 시작 곧 태초에 일하시기 전에… 23 만세 전부터 상고부터, 땅이 생기기 전부터… 24 아직 바다가 생기지 아니하였고 큰 샘들이 있기 전에… 25 산이 세우심을 입기 전에 언덕이 생기기 전에… 26 하나님이 아직 땅도 들도 세상 진토의 근원도 짓지 아니하셨을 때…”라고 말씀하고 있다. 즉 잠언 8장에는 여호와께서 태초에 일하시기 전, 즉 창조 하시기 전이 있었다고 말씀하고 있다. 특별히 26절에 진토(Primeval Dust)의 근원에 대하여 말씀하고 있는데 만물의 시작이 되는 근원이 있었다는 것이다. 신약성경의 히브리서(11:3)에는 “믿음으로 모든 세계가 하나님의 말씀으로 지어진 줄을 우리가 아나니 보이는 것은 나타난 것으로 말미암아 된 것이 아니니라.”라고 말씀하고 있다. 즉 우리에게 보이는 세상의 물질은 볼 수 없는 것으로부터 지어졌다는 신비한 말씀이다. 하나님의 말씀으로 보이지 않는 조화로 온 세상 만물이 지어졌다는 말씀이다. 때문에 물질을 연구하고 그 내부를 탐구할 때에 물질 속에 있는 신비한 조화와 질서의 법칙을 발견하게 되는 것이다(로마서 1:20).

지금까지 우주에 가장 많은 물질(원소)은 수소이며 다음으로 많은 것은 헬륨으로 알려지고 있다. 수소와 헬륨이 우주 전체 물질의 98%이며 나머지 기타 모든 원소들이 2%에 불과하다고 추정한다. 우주에 있는 물질의 대부분이 수소와 헬륨인 셈이다. 태양은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어진 가스 덩어리로 알려져 있다. 밤하늘에 볼 수 있는 극소수의 태양계 행성들을 제외하면 모든 별들도 태양과 동일한 수소와 헬륨의 가스 덩어리라는 것이다. 그러나 우리가 살고 있는 지구에는 복잡한 원소가 다양하게 있는데 이 같은 행성은 우주에서 매우 희귀한 것으로 밝혀지고 있다.

한마디로 지구에 있는 재료들은 매우 귀하며 특별하다는 것이다. 따라서 우리는 그러한 재료들을 사용하도록 창조된 존재들이다. 크리스천 물리학자인 알렌(Frank Allen)교수가 “지구에서 생명이 유지되기에 적합한 이유들을 나열해 보면 헤아릴 수 없이 많아서 이것을 우연의 소산으로 볼 수 없다”고 단언하는 것처럼 지구는 생명에 알맞은 수많은 요소들을 골고루 갖추고 있다. 결국 하나님의 형상대로 창조된 인간을 위해 특별히 설계된 물질들이 지구에는 가득한 것이다.

• 이동용 (항공기계공학 박사)