KISTI의 과학향기

지구상에서 가장 유명한 교장 선생님은 누구 아마도 ‘알버스 덤블도어’일 것이다. 해리포터가 다니고 있는 호그와트 마법학교의 교장선생님인 그의 인사기록 카드에는 다음과 같은 구절이 기록되어 있다.

“…… 그리고 그의 파트너 니콜라스 플라멜과 함께 연금술을 연구한 것으로 유명하다.……”

연금술이란 무엇일까? 옛사람들은 땅 속에 묻혀 있는 수은(Hg)이나 납(Pb)과 같은 하찮은 금속이 수천 년에 걸쳐서 성장하면 은(Ag)이나 금(Au)이 된다고 믿었다. 그 성장의 원리를 응용하여 직접 은과 금을 만드는 기술이 바로 연금술이다. 역사 기록에 따르면 프랑스의 니콜라스 플라멜은 1382년 1월 17일 정오에 수은을 은으로 변화시켰고 3개월 후인 4월 25일 오후 5시에는 수은을 금으로 변화시키는데 성공하였다고 전해진다. (믿거나 말거나!)플라멜의 성공 소문은 많은 과학자들이 연금술에 몰두하게 하였다. 대표적인 합리주의 철학자인 데카르트와 근대 과학의 기초를 세운 아이작 뉴턴도 그들 가운데 한 명이다. 부자가 되겠다는 욕심에 최고의 학자들이 연금술이라는 얼토당토하지 않은 일에 빠지게 된 것이다. 물론 그들에게도 충분한 논리적인 근거가 있었다.

중세에 이르기까지 유럽인의 사고를 지배하였던 아리스토텔레스 철학과 자연관이 바로 그것이다. 아리스토텔레스는 물, 공기, 불 그리고 흙이라는 네 가지 원소가 만물의 기본이라는 엠페도클레스의 생각을 발전시켜 사원소설(四元素說)을 확립하였다. 사원소설에 따르면 물질이 서로 다른 성질을 나타내는 것은 물질을 구성하는 이 네 가지 원소의 구성 비율이 다르기 때문이다. 따라서 수은이나 납을 잘 다루기만 하면 금을 만들 수 있다고 생각할 수 있는 것이다.

그러나 18세기말 라부아지에가 원소를 ‘물질을 분해할 때 더 이상 간단한 물질로 분해되지 않는 입자’라고 정의하면서 수십 가지 원소를 분류하고, 이어서 19세기 시작과 함께 돌턴의 원자설과 아보가드로의 분자 개념이 성립됨으로써 사원소설과 연금술은 더 이상 힘을 발휘하지 못하게 되었다.

돌을 금으로 바꾼다는 것은 그야말로 허황된 꿈이었다. 하지만 연금술 연구 과정에 많은 화학적 기초 지식이 축적되었다. 연금술사들은 저울과 도가니, 플라스크와 증류기 같은 많은 화학 기구를 발명하였으며, 물질의 변화를 일으키는 다양한 방법들을 발견하여 기록하였다. 그들은 원래 목적했던 금을 만드는 데는 실패하였지만 근대 화학의 기반을 닦았던 것이다.

그런데 1919년 러더퍼드가 알파 입자로 질소 원자를 붕괴시킨 이후 핵물리학의 발전은 새로운 국면을 가져왔다. 한 원소가 다른 원소로 바뀌는 원소의 변성은 흔한 일이 되었으며 심지어 존재하지 않는 원소도 만들어졌다. 지구상에 자연적으로 존재하는 가장 무거운 원소는 원자번호 92번의 우라늄(U)이지만 114번 이상의 초(超)우라늄 원소들이 만들어진 상태이다. 이 상황에서 연금술이 다시 등장하지 않을 리가 없다. 금을 만들어 부자가 되고자 하는 욕망은 서양의 중세시대에만 국한된 것이 아니기 때문이다.



원소는 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자 수에 따라 그 성질이 결정된다. 어떤 조작을 통하여 원자핵의 구성이 바뀌면 다른 원소가 되는 것이다. 예를 들어, 백금(Pt) 원자핵에 중성자를 충돌시키면 금 원자가 만들어질 수 있다. 또 원자번호 29번인 구리(Cu)와 원자번호 50번인 주석(Sn)의 원자핵을 융합시키면 양성자수가 79가 되어 금이 만들어진다. 중세 연금술의 주원료였던 납(Pb)의 양성자 수는 82개이다. 따라서 납의 원자핵에서 양성자를 세 개만 제거하면 납을 금으로 바꿀 수 있을 것이다.



그런데 왜 우리는 여전히 새로운 플라멜의 등장 소식을 들을 수 없는 것일까? 문제는 경제성이다. 금속 원자는 금속 덩어리를 5천℃ 이상으로 가열해 금속기체를 만들어서 얻는다. 그리고 핵융합을 위해서는 큰 에너지가 필요하기 때문에 매우 빠른 속도로 가속되어야 한다. 무조건 빠르다고 되는 것도 아니고 그 속도가 정교하게 조절되어야 한다. 그런데 거대한 입자가속기와 같은 장치를 만들고 운영하는 비용은 막대한 데 비해 거기서 만들 수 있는 금의 양은 아직까지는 보잘 것이 없으니 연금술이 가능하다고 해도 거기에 뛰어들 수는 없는 것이다.



새로운 원소들을 만들어 내는 연구들은 보물섬을 찾아가는 욕정에 가득 찬 모험일까? 아니면 우주의 탄생 근원을 찾아가는 끝없는 항해일까? “인간들이란 꼭 자신에게 이롭지 못한 것을 선택하는 나쁜 버릇을 가지고 있다”는 덤블도어 교장선생님의 경고가 심상치 않다. (이정모 - 과학칼럼니스트)