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과학의 역사를 만든 100가지 실험 이야기

“실험 없는 과학은 아무것도 아니다!” 《세상을 바꾼 위대한 과학실험 100》은 지금까지 ‘과학이 어떻게 발달해왔는가’에 대한 설명을 중요한 100개의 실험 이야기를 통해 압축한 책이다. 물의 부력에 관한 1,600여 년 전의 실험에서부터 우주의 구성요소에 대한 오늘날의 발견에 이르기까지, 190여 컷의 이미지와 함께 과학의 역사적인 순간을 담았다.

과학적 세계관의 모든 바탕은 ‘실험’이다. 모든 과학적 이론과 가설은 ‘증명(실험)’을 통해 ‘권위’를 얻기 때문이다. 이 책의 저자이자 〈네이처(Nature)〉가 꼽은 ‘최고의 과학 작가’ 존 그리빈 교수는 과학의 역사적 발전을 밝힐 목적으로 100가지 혁신적인 실험을 선정해《세상을 바꾼 위대한 과학실험 100》을 완성했다. 각각의 실험 이야기를 따라가다 보면 눈부시게 발달한 현대의 과학이 어느 날 갑자기 출현한 것이 아니라, 이전의 실험이 다음의 과학으로 발전해왔다는 것을 확인할 수 있다.

미시세계의 발견에서부터 지구의 중력 측정, 전기 발생과 우주의 가속팽창 실험 등, 생물과 무생물 그리고 지구와 우주에 대한 인간의 지식을 성장시킨 위대한 순간들을 그려내고 있는 걸작이다.

작은 발걸음 위에 쌓아올린 거대한 도약

“물리학의 발전을 되돌아보면, 작은 발걸음이 무수히 축적된 다음 수많은 거대한 도약이 그 위에 중첩된 모습으로 나타난다는 것을 알게 된다.”
양자 이론의 선구자 폴 디랙(Paul Dirac)의 말이다. 그의 말처럼 과학은 아주 드문 경우를 제외하고는 혁명적으로 진보하지 않는다. 과학은 기존에 발전한 것 위에 새로운 것을 쌓아나가는 점증적인 성격을 갖고 있다. 안경용 렌즈는 망원경으로 개조돼 천체 연구에 활용됐고 다시 고성능 망원경 기술은 극심한 시력 장애를 극복하는 데 기여했다. 또한 진공펌프의 발명은 음극선 연구부터 엑스선과 전자의 발견으로 이어졌으며 오늘날 ‘대형 강입자 충돌기’의 개발을 통한 ‘힉스 입자’와 ‘아원자’ 세계에 대한 이해도 가능하게 만들었다.

―권위에 도전하고 편견을 극복한 과학자들의 이야기
“어떤 말이건 의심하라(Nullius in Verba)”
영국 왕립학회의 모토다. 뛰어난 과학자들은 어떤 발견에 대해 그대로 받아들이지 않고 이를 검증하기 위한 실험을 수행했다. 세계적으로 저명한 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)도 “그의 명성이 얼마나 큰지는 전혀 중요하지 않다. 실험과 일치하지 않는 법칙은 틀린 것이다”고 강조하면서 과학에서 실험의 중요성을 역설했다.
《세상을 바꾼 위대한 과학실험 100》은 100개의 실험을 통해 과학의 역사와 흐름을 보여주는 책인 동시에, 각각의 실험을 실행한 수백 명의 과학자들에 대한 이야기다. 세상을 바꿀 만큼 위대한 과학적 발견은 기존의 가설과 당대 유명 과학자의 이론을 검증하는 데서 출발했다. 당시 과학계에 사실이라고 여겨지던 ‘편견’을 극복했던 몇몇 과학자들의 도전이 이뤄낸 성과인 것이다.
일례로 갈릴레이는 물체의 낙하속도에 대한 아리스토텔레스의 주장이 틀렸다는 것을 밝혔고, 토머스 영은 ‘이중 슬릿 실험’을 통해 ‘뉴턴조차도 틀릴 수 있다’는 것을 증명했다. 또한 아인슈타인의 ‘일반 상대성 이론’은 뉴턴의 이론이 설명하지 못하는 부분을 설명했다. 그러나 아인슈타인의 이론은 뉴턴의 이론을 대체하는 것이 아니라 그 위에 축적된 것이다. 마찬가지로 앞으로의 더 나은 이론은 기존의 이론을 모두 설명해내면서 그보다 더 많은 것을 설명해야 한다. 과학은 이렇게 기존 이론의 부족한 부분을 새로운 이론이 채워가면서 발전해간다.

―‘유레카’에서 ‘라이고 실험’까지
저자는 최초의 과학실험으로 아르키메데스가 물의 ‘부력’을 발견한 사건을 꼽으면서 이야기를 시작한다. 에라토스테스가 지구의 지름을 측정한 일과 ‘아랍의 뉴턴’으로 불린 알하젠의 광학실험, 안드레아스 베살리우스의 인체 해부로 이어지면서 서서히 지구와 인간에 관한 과학적 탐구의 서막을 올린다. 그리고 드디어 1600년에 오로지 과학실험에만 의거한 최초의 책, 윌리엄 길버트의 《자기에 관하여(De Magnete)》가 출간된다. 저자는 이때를 “세계를 바라보는 신비주의적이고 미신적인 관점이 과학적 연구로 이행했던 결정적인 시기”로 소개한다.
이후 현대에 이르기까지 역사의 순서대로 소개되는 실험들은 우리가 과학 교과서에서 배웠던 수많은 과학 이론과 법칙들이 어떠한 과정을 거쳐 탄생했는지 보여준다. 또한 토리첼리가 발견한 ‘진공’이 과학에 있어서 얼마나 중요한 위상을 차지하는지, 제임스 와트의 ‘증기기관’과 패러데이의 ‘전동기’가 왜 테크놀로지 혁명의 시발점인지 등 역사적인 과학실험이 우리가 사는 세상을 어떻게 바꾸게 됐는지 알려준다.
이 책은 화학이 그 체계를 갖추게 된 과정, 유전학의 발전, 천체물리학의 탄생 그리고 양자역학의 세계까지 과학이라는 범주에 포함된 모든 것들이 어떻게 유기적으로 발전해왔는지 한 번에 이해할 수 있도록 구성됐다. 과학 지식이 부족하더라도 쉽게 접근할 수 있도록 친절히 설명하고 있으며, 과학 발전의 커다란 흐름을 정리한 ‘기록’으로서의 의의도 담고 있다. 과학실험의 결정판으로, ‘중력파’를 검출해낸 ‘라이고 실험’ 이야기는 보너스다.

타임
“난해한 과학 이야기를 읽기 쉽게 풀어놓은 최고의 책이다. 역시 존 그리빈이다. 그의 글을 몇 장 읽다 보면 어느새 과학 발전사의 흐름을 이해하게 될 것이다.”

가디언
“존 그리빈과 메리 그리빈의 글은 놀랍도록 명료하다. 짧지만 충분한 설명이 들어 있어 과학을 잘 모르는 사람이라도 너끈히 읽어낼 수 있다.”

선데이타임스
“엄밀하게 정제된 글이지만 신비로움을 간직하고 있는 책이다. 수많은 정보를 담고 있는 과학책이지만 시처럼 아름답고 소설처럼 흥미진진하다.”

서문

001_왕관이 순금인지 검증하라
002_깊은 우물에서도 보이는 태양
003_눈은 핀홀 카메라와 같다
004_강의를 위해 처형 시간을 맞추다
005_과학으로 이겨낸 ‘나침반 미신’
006_아리스토텔레스가 틀렸다
007_‘갈레노스가 틀릴 수 있다’는 증거
008_공기의 무게를 측정하다
009_진공에 매료된 과학자들
010_현미경으로 보는 세상
011_어떤 말이건 의심하라
012_월식 주기의 차이는 왜 생기나
013_뱃사람의 비타민
014_번개로 라이덴병을 충전하다
015_증기엔진의 출발점이 된 ‘얼음의 열’
016_실험과 발명의 시너지, 증기기관
017_식물의 호흡과 ‘순수한 공기’
018_여섯 번째 행성을 발견하다
019_동물의 체온은 마법이 아니다
020_경련을 일으키는 개구리와 전지의 탄생
021_지구의 무게를 재는 방법
022_천공 실험으로 열을 만들다
023_인류 최초의 백신
024_보이지 않는 빛을 쫓다
025_우주를 떠다니는 돌무더기
026_수소를 사용해 하늘을 날다
027_빛은 파동이라는 가설
028_같은 공간에 섞여 있는 수증기와 공기
029_과학의 도약을 일군 전기 실험
030_화학을 정량화하다
031_불의 힘을 밝힌 사고실험
032_입자들이 추는 춤, 랜덤워크
033_전기의 자성을 알아내다
034_시험관에서 유기화합물을 만들다
035_발전기에 모터를 달다
036_얇은 얼음판에서 스케이트 타기
037_체온에서 에너지 보존 법칙으로
038_기차 위의 나팔수
039_빙하기가 있었다는 증거
040_기후변화를 설명하다
041_세계에서 가장 큰 망원경
042_누가 최초로 마취제를 개발했나
043_천체물리학의 탄생
044_치료보다 예방이 우선이다
045_빛의 정확한 속도를 측정하다
046_박테리아에 사망선고를 내리다
047_진화론의 꽃이 피다
048_벤젠의 구조는 자기 꼬리를 문 뱀 모양
049_수도사와 완두콩
050_진공관 속에서 벌어지는 일들
051_다양한 음향기기를 만들어낸 압전효과
052_빛의 속도는 일정하다
053_전자파의 신비를 밝히다
054_‘귀족기체’를 발견하다
055_발효연구에서 탄생한 생화학
056_죽음이 보이는 사진
057_기다렸던 ‘전자’의 출현
058_엑스선에서 방사능으로
059_빛과 전자를 이용한 광자의 발견
060_우연히 발견한 조건반사
061_지구 중심으로의 여행
062_원자의 내부를 밝히다
063_우주의 크기를 측정하다
064_핵산의 발견
065_진화는 여전히 진행 중
066_브래그 부자의 엑스선 회절 발견
067_어둠을 뚫고 온 빛
068_양자역학을 이해하는 사람은 없다
069_형질 전환을 발견하다
070_인류를 살린 항생제
071_드디어 원자를 쪼개다
072_비타민 C를 합성하다
073_단백질 구조를 분석하다
074_엄청난 재앙에 관한 경고
075_슈뢰딩거의 고양이
076_핵분열에서 핵융합으로
077_맨해튼 프로젝트
078_최초의 현대식 컴퓨터
079_DNA의 역할을 규명하다
080_옥수수에서 찾아낸 도약 유전자
081_긴 종이끈을 꼬아 만든 모형
082_믹서를 이용한 ‘웨어링 블렌더 실험’
083_거울 이미지의 이중나선
084_생명체를 구성하는 분자
085_메이저와 레이저
086_자기 띠와 해저 확장
087_드라이클리닝 용액과 중성미자
088_비타민 B12에서 인슐린까지
089_지구는 긴 숨을 쉰다
090_없어지지 않은 우주의 소음
091_비행기에 올라탄 시간
092_중력파를 입증하다
093_지금의 지구는 왜 빙하기가 아닌가
094_세계는 비국소적이다
095_궁극의 양자 실험
096_멀어지는 초신성
097_유전자를 수리할 수 있는 길
098_15는 3곱하기 5다
099_물질에게 질량을 부여하는 입자
100_우주에 대한 현재 지식의 표준
보너스_실험 101

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추론이 얼마나 아름다운지, 과학자의 실력이 얼마나 뛰어난지, 추론을 한 사람이 누구인지, 그의 명성이 얼마나 큰지는 전혀 중요하지 않다. 실험과 일치하지 않는 법칙은 틀린 것이다.
---p.7 「서문」 중에서

무엇보다 이 실화는 실험이라는 방법의 힘이 얼마나 중요한 것인지를 보여준다. 정직하게 이뤄진 실험은 진실을 전한다. 실험을 통해 얻고 싶은 결과가 무엇이건 중요하지 않다. 아리스토텔레스를 신봉하는 철학자들은 갈릴레이가 틀렸다는 것을 입증하고 싶어 했지만, 정작 실험은 갈릴레오가 옳다는 것을 증명했다.
---p.42 「006: 아리스토텔레스가 틀렸다」 중에서

그러나 영의 이론을 의심의 눈초리로 바라보는 사람들은 여전히 존재했다. 뉴턴은 누구에게나 경외의 대상이었기 때문에 과학자 중에는 뉴턴이 틀릴 수도 있다는 것을 받아들이려 하지 않는 사람들이 있었다. 이들은 단지 두 광선을 합침으로써 검은 줄무늬를 만들 수 있다는 관념을 믿을 수 없어 했다. 그러나 불과 몇 년 후 프랑스의 물리학자 오귀스탱 프레넬은 영의 이론이 진실이라는 것을 입증해냈다.
---p.115 「027: 빛은 파동이라는 가설」 중에서

과학적 탐구를 통해 전지가 발명됐고, 전지는 당시 더 발전된 과학 탐구에서 사용하는 전류의 원천을 제공했으며, 이는 다시 새로운 기술로 이어졌다(실험 33을 보라). 새로운 도구를 사용할 수 있게 됐다는 것은 물질계의 성질을 탐구하는 목적의 유사한 실험이 상당수 실행될 기반이 마련됐다는 뜻이었다.
---p.121 「029: 과학의 도약을 일군 전기 실험」 중에서

패러데이의 실험은 코일을 감은 도선 주변에서 자석을 회전시키는 기계를 통해서, 또는 도선이 자석 근처에서 움직이게 만드는 방법을 통해서(중요한 것은 상대적 움직임이지 자석과 도선의 위치는 아무래도 상관없다) 필요에 따라 전기를 발생시키는 방안을 개발하기 위한 관문을 열었다. 전기가 기계적 운동으로 바뀔 수 있는 것처럼 기계적 운동도 전기로 바뀔 수 있게 된 것이다. 한 곳에서 전기를 발생시킨 다음 도선을 통해 다른 곳으로 운반해 그곳의 전동기를 움직이도록 하는 일도 가능해졌다.
---p.144 「035: 발전기에 모터를 달다」 중에서

J. J. 톰슨은 “전자가 입자라는 것을 입증한 공로”로 노벨상을 받았고, 그의 아들은 “전자가 파동이라는 것을 입증한 공로”로 노벨상을 받았다. 두 사람 모두 옳았다. 어떻게 이것이 가능한 일인지 모른다 해도 걱정할 필요는 없다. 또 한 사람의 노벨상 수상자인 리처드 파인만이 말했던 것처럼 “양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없기” 때문이다.
---p.261 「068: 양자역학을 이해하는 사람은 없다」 중에서