이들은 납(Pb, 원자번호 82)이나 다른 금속을 변형해 금으로 만드는 시도를 수없이 반복했다. 비록 그들의 시도는 성공하지 못했으나 다양한 지식이 축적되었고 새로운 실험 방법들이 고안되었다. 연금술로부터 본격적인 과학 분야인 화학이 등장하게 된 것이다.
연금술에서 화학으로의 발전은 저울의 등장과 관계가 있다. 물질의 무게를 정확히 측정할 수 있다는 것은 실험하는 사람들에게 물질을 숫자로 표현할 수 있게 해 주었다. 지금은 너무 당연한 이야기이지만, 우리 주변의 공기, 물, 금속과 같은 물질들을 숫자로 표현할 수 있다는 것은 인류의 지식 축적 역사에서 엄청난 도약이었다. 물질을 숫자로 표현하는 것이 가능해지면서 그 전부터 존재해오던 수학과 과학이 만나게 된 것이다. 화학 뿐만 아니라 물리학도 이렇게 탄생했고, 정성적으로만 '이해'되던 개념들이 정량적으로 계산되기 시작했다. 지금과 같은 과학 이론들의 출현을 촉진하고 이런 이론들에 대한 실험들이 열기를 띠게 되었다.
물질이 어떤 과정에서 변화하고 그런 변화 전후의 무게를 측정하게 되면서 현대 화학에서 논의되는 가장 중요한 개념에 대해 접근하게 되었다. 바로 원자이다.
-> 이게 바로 수학이 필요한 이유이다. 정량적으로 계산할 수 있다는 것은 통제 가능하다는 것이고 정확한 실험을 통해 예측을 할 수 있으며 의미를 해석할 수 있게 되었다는 뜻이다. 과거 학창 시절 수학의 쓸모에 대한 질문을 던진 적이 많았으나 찾기도 어려웠고, 논리력을 길러준다는 정도의 답변이거나 수능을 잘볼 수 있다는 장난스런 답변 외에는 받아본 적이 없다. 이건 더 깊이 찾아보려고 노력하지 않았던 자신의 불찰이 가장 큰 것이기는 하지만, 학생을 가르치는 선생님으로써 자신이 가르치는 것을 왜 가르쳐야 하는 것인지에 대한 본질적 통찰은 있어야 하는 것이 기본이 아닐까? 이런 측면에서 대학교는 잘 모르겠지만, 중고등학교 선생님들은 솔직히 반성해야 한다. 과학과 수학에 관련한 책 한 권만 읽어봐도 이러한 구절은 심심치 않게 볼 수 있다.
화학의 핵심 주제는 하나의 물질이 형태와 속성이 다른 물질로 변화하는 과정인데, 원자는 그 자체로는 변화하지 않는다. 따라서 물질이 변한다는 것은 기초 재료인 원자들이 변화하는 것이 아니라 서로 결합되어 있던 원자들이 그 짝을 바꾼다는 뜻이 된다. 화학자는 이런 원자들의 만남과 이별을 연구하는 일종의 커플 매니저이다.
현대의 화학과 물리학은 원자에 대해 더 많은 정보를 가지고 있다. 원자라는 단어가 더 이상 쪼개지지 않는다는 뜻을 가지고 있지만, 이후의 연구를 통해 실제로는 더 작게 쪼갤 수 있음을 알게 되었다. 사실 앞에서 서로 다른 원자는 고유한 내부 구조를 가지고 있다고 했는데,... 이런 정보를 통해 이미 우리가 원자의 구조를 들여다보고 심지어 쪼갤 수도 있음을 알아차렸을 것이다. 원자는 소위 '아원자 입자'라는 원자를 구성하는 더 작은 입자들로 이루어져 있다. 과학자들의 수많은 실험 덕분에 우리는 이 작은 입자들에 대해 다양한 지식을 얻을 수 있었고, 지금도 입자 가속기 등을 통해 이 세계를 연구하고 있다.... 다만 한 가지 짚을 것은 원자의 내부를 연구하는 일은 화학보다는 물리학의 영역이라는 점이다. 화학은 물리학자들이 제공하는 훌륭한 지식을 바탕으로 본연의 임무인 물질의 변환, 즉 분자들 사이에 일어나는 반응을 연구하는 일에 몰두하고 있다.
...물리학자들이 발견하고 정립한 지식 중에서 미시적인 세계에 해당하는 것이 양자역학이다.... 양자의 세계를 기술하고 그들의 움직임을 계산할 수 있는 이론이 탄생했다.... 양자역학이 그것인데.... 여러분이 실험실에서 여러 액체를 끓이고 젓는 화학자들을 본다면, 그들이 양자 역학이 설명해주는 방식에 따라 충실히 원자들을 이리저리 조합하고 있다고 생각하면 된다.
물리학에서 빌려온 지식 체계에는 큰 집단을 이루는 물질들의 움직임에 대한 것도 있다. 열역학이라는 분야이다. 이 분야는 에너지라는 개념을 중점적으로 다루는데, 18~19세기 증기 기관이 개발되면서 활기를 띠게 되었다.... 열역학은 에너지가 원자들을 어떻게 자극하고 생명체 내에서 어떻게 변화하며 어떤 형태를 가지게 되는지, 그리고 얼마나 빠르게 변화가 일어나는지 등을 자세히 이해하게 해 준다. 에너지가 화학반응에 매우 중요한 역할을 하고 있는 것이다.
...모든 과학의 영역에서 수학의 도움은 이루 말할 수 없으니 말이다. 수학은 화학의 발전에도 헤아릴 수 없이 큰 기여를 했다.... 수학과 물리학으로부터 도움을 듬뿍 받ㅇ은 화학은 이후에는 생물학의 발전에 많은 도움응ㄹ 주었다. 실제로 생물학의 많은 부분은 화학의 언어로 쓰여져 있다.
생명체(유기체)는 원자와 분자로 이루어져 있다. 그러므로 그들의 구조에 대한 지식은 화학의 체계와 깊은 관계가 있다. 생명체는 물질들 사이에서 벌어지는 다양한 반응들과 그들 사이의 상호작용을 통해 정상적으로 기능하게 된다. 그리고 이런 반응들도 화학이 제공하는 지식으로 설명할 수 있다. 생명체들은 자손을 낳는 일에 큰 노력을 기울이는데, 여기에도 분자들의 구조와 반응에 대한 이해가 필수적이다. 역시 화학과 깊은 연관이 있는 지식이다... 감각기관들도 분자구조의 변화를 이용해 기능하는데 역시 화학적 해석이 필요하다. 자연의 거시적인 현상들(진화나 종의 기원과 같은 현상)도 열역할 제2법칙으로 해석될 여지가 많지만, 역시 화학적 관점이 필요하게 된다.
-> 물리학과 수학과 화학과 생물학의 관계에 대해서.
원자들과 그들의 속성에 대해 어떻게 학습할 수 있을까? 어떤 원자가 표의 어느 부분에 있는지만 봐도 그 속성을 어느 정도 파악할 수 있으니 그 유용함은 이루 말할 수 없다.... 주기율표는 물질들의 특성을 쉽게 풀어 준다. 무엇보다 원소들이 서로서로 얽혀있음을 보여준다.
원자의 구조를 이해한다는 것은 양자역학을 능숙하게 다룰 수 있음을 뜻한다.... 혹시 더 깊은 정보가 없어 아쉽다면 양자역학 책을 읽어보라고 권유하고 싶다.
-> 화학의 지식을 강화해주는 양자역학적 지식
원자를 쪼갤 수 없는 것이라고 했는데, 벌써 원자핵과 전자로 분리되었다. 그런데 한발 더 나아가 우리는 원자핵마저도 쪼갤 수 있다. 원자핵을 들여다보면 양성자와 중성자로 구성되어 있음을 알게 된다.... 양성자는 양전하를 띠고 중성자는 전기적으로 중성이다. 이런 점만 빼면 이 두 입자는 매우 비슷한데 질량도 거의 같다. 양성자와 중성자는 매우 강력한 힘으로 꼭 붙어 있는데, 이 둘이 떨어지게 되면 어마어마한 힘이 외부로 분출된다. 이것이 핵폭발을 일으킨다.
원자는 전기적으로 중성이기 때문에 원자핵 속의 양성자와 원자핵 주위에 있는 전자의 수는 같다. 양성자의 수는 원자를 구분하는 가장 중요한 요소여서 이를 가지고 개별 원자들에게 번호를 붙일 수 있다. 주기율표에서 수소는 원자 번호가 1인데, 이는 수소원자가 하나의 양성자를 가지고 있음을 뜻한다. 그렇게 생각하면 나머지는 쉽다. 원자 번호 2인 헬륨은 2개의 양성자를 원자 번호 6인 탄소는 6개의 양성자를 가지고 있다.
화학은 원자나 분자 사이의 반응을 연구하는 과학인데 전자들은 반응에 적극적으로 개입하는데 비해, 원자핵은 거의 영향을 미치지 않는다. 화학 반응을 언급하면서 레고 블록의 예를 들기도 하는데, 레고 블록 하나하나는 원래 모양이 바뀌지 않지만, 조합에 따라 자동차가 되기도 하고 집이 되기도 해서 적절한 비유로 보인다. 전자는 이런 레고블록을 서로 연결시켜주는 요철 부분이라고 생각할 수 있다. 여기까지의 지식만으로도 연금술사들의 노력이 성공할 수 없었던 이유를 알 수 있다. 그들이 힘써 노력한 것은 원자 번호 82번인 납을 원자 번호 79번인 금으로 바꾸는 일이었는데, 아무리 끓이고 두드리고 저어봐도 원자핵에 꼭 붙들려 있는 양성자 3개를 떼어 낼 수는 없었던 것이다. 몇 년 동안 그런 것도 아니고 자그마치 몇 백년 동안 이런 일에 매달렸다는 것은 금에 대한 끈질긴 욕망이라는 말 외에 달리 설명할 길이 없다. 그러나 현대 지식으로 보면 이런 과정도 일어날 수 있다. 우리가 핵반응이라고 부르는 과정이 이 '마법'을 가능하게 한다.... 자세한 내용은 핵물리학자들의 탐구 영역이니....
-> 양성자와 중성자 사이를 잇고 있는 어마어마한 힘.
-> 진짜 세계가 이렇게 수학적으로 움직이고 있고, 측정할 수 있으며 레고블록과 같은 형태로 쌓아올릴 수 있다는 설명은 매우 흥미롭다. 실제의 세계를 이해할 수 있다는 것은 정말로 큰 즐거움이다.
-> 연금술사들의 그토록 원했던 것을 지금은 해낼 수 있는 상태라고 하는 것도 놀라운 사실이다.