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실험에 미친 화학자들의 무한도전 (살림청소년 융합형 수학과학총서 37)

| 2012년 6월 30일

브랜드 : 살림Friends

쪽수 : 420 쪽

가격 : 15,000 원

책크기 : 152*225

ISBN : 978-89-522-1923-7-03430

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[살림청소년 융합형 수학과학총서 37]

STEAM(Science Technology Engineering Art Mathmatics) 교육에 맞는, 융합형 사고를 키워 주는 과학 교양서!
대상: 중학 3학년부터
융합과목: 화학, 생물, 물리학, 문학
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세상을 바꾼 10가지 우아한 해법!

실험 앞에서는 아름다움도 새로 정의되어야 한다
그들의 손끝에서 꽃핀 세상을 바꾼 과학 실험 10가지

천재적 과학 저술가 필립 볼, 그가 말하는 ‘우아한 해법’

전문 과학 칼럼니스트 필립 볼은 과학이라는 소재에 시사, 정치, 경제, 예술 심지어는 심리학까지 다루는, 말하자면 고전적인 의미의 천재 저술가다. 필립 볼의 저자로서의 이력은 화려하다 못해 특이하기까지 하다. 전공인 물리와 화학을 비롯해 미술, 음악, 경제학까지 넘나들며 최근에는 그의 저서들의 작품성을 인정받아 문학 명예박사 학위까지 받았다. 또 스티븐 호킹의 『호두껍질 속의 우주』, 빌 브라이슨의 『거의 모든 것의 역사』 등의 쟁쟁한 수상작에 이어 『물리학으로 보는 사회』로 리처드 도킨스의 대표작인 『이기적 유전자』를 제치고 '2005년 아벤티스 과학저술상'을 수상했다. ‘아벤티스 과학저술상’은 1988년부터 수여되는 상으로 논픽션 부문에선 가장 권위 있는 상 중의 하나로 인정받는다. 그의 글을 읽은 독자들 대부분은 필립 볼의 깊은 심연까지 도달한 지식수준과 모든 가능성을 열어 두고 하나씩 검토해 나가는 철저함에 매료되어 고정 독자가 되곤 한다.
서문을 통해 유추해 보면, 필립 볼이 ‘아름다움이란 무엇인가?’를 놓고 치열하게 고민할수록 중세 실험과학의 개념을 정립한 ‘실험이란 무엇인가?’ 하는 궁극의 질문에 다다르고 만 것 같다. 언뜻 생각하기에 과연 ‘가설의 검증’이라는 지극히 실용에 국한된 실험이라는 학문과 ‘아름다움’을 논하는 미학이 동시에 다루어질 수 있을지 의구심이 생긴다. 필립 볼은 이 까다로운 문제에 있어서도 원제인 처럼 아주 우아한 해법을 찾아냈다. 그의 책은 일반 과학 저술들과는 달리 과학 지식이나 정보에 착안해 글을 적어 내려가지 않는다. 먼저 그만의 관점, 혹은 가치관을 정의한 후에 책을 써 내려간다. 이런 서술방식은 필연적으로 가장 원론적인 개념을 정의하는 일로부터 모든 결론을 유추해 내게 되는데, 이와 같은 일련의 사고 과정들은 과학과 미학을 분리해 생각하지 않았던 고대 자연철학자들과 닮아 있다.

저자는 왜, ACS의 결과에 반기를 들 수밖에 없었나

『실험에 미친 화학자들의 무한도전』 은 실험이라는 아주 익숙하고 평범한 소재를 다룬 책이긴 하지만 단지 그뿐이라기엔 수식어가 부족하다. 그가 이렇게 새로 ‘아름다운 화학 실험’을 순위 매기게 된 데는 역대 과학 실험에 대해 세간에 전해지는 이야기마저도 영웅 전설처럼 과장과 허구가 적잖이 포함되어 있음을 직시하였기 때문이다. 또한 실험 과학이라는 분야를 재조명하려는 의도도 담겨 있다. 오늘날 실험은 가설을 검증하기 위한 전통적인 의미의 실험과는 비교할 수 없을 만큼 중요한 입지에 있다.
이 책에서 다루는 실험과학이라는 분야는 ‘과학의 꽃’이라고 불린다. 실험과학은 끊임없는 열정과 호기심으로써만 완성되는 학문이기 때문이다. 2002년 미국화학회(ACS)는 「화학공학뉴스 C&EN」에서 ‘가장 아름다운 실험’에 대해 투표한 바 있다. 이는 전 세계 화학자들이 참여한 투표였으며 ACS는 투표를 마치고 10개의 화학실험을 선정해 언론에 공표했다. 투표는 공정하게 진행되었고 어떠한 사견도 들어 있지 않았다. 저자가 활동하고 있는 영국왕립화학회에서도 이 투표 결과를 공인하고 있음은 물론이다. 그런데 필립 볼은 이 목록에 동의하지 않고 기준을 새로 선정해 다시 10개의 아름다운 화학 실험 목록을 만들었다.
이 책의 목차이기도 한 10개의 실험은 다음과 같다.

1. 얀 밥티스타 판 헬몬트 - 버드나무 실험과 수량화의 아름다움
2. 헨리 캐번디시 - 물의 구성성분 실험과 섬세함의 아름다움
3. 마리 퀴리 - 라듐 발견 실험과 인내의 아름다움
4. 어니스트 러더퍼드 - 알파입자와 우아함의 아름다움
5. 글렌 시보그 - 화학과 작은 것의 아름다움
6. 루이 파스퇴르 - 결정과 간결함의 아름다움
7. 해럴드 유리, 스탠리 밀러 - 생물출현 이전 화학과 상상력의 아름다움
8. 닐 바틀릿 - 제논 화학과 우직함의 아름다움
9. 로버트 우드워드 - 비타민 B12와 검약의 아름다움
10. 레오 파케트 - 도데카헤드레인과 설계의 아름다움

필립 볼은 서문에서 ACS가 ‘가장 아름다운 화학 실험’을 선정한 것이 의미 있는 작업이었다는 것을 인정하면서도 ‘아름다운 실험’에 대한 평가에 실용성, 산업의 기여도, 역사적 배경 등, 판단의 기준이 뒤섞여 있음을 지적했다. 저자는 또한 약간은 자의적인 해석으로 비칠지도 모르지만 우연이란 요소가 많이 적용된 ‘발견’이라는 것과 끊임없는 정제가 필요한 ‘실험’이라는 것이 동일한 것으로 다뤄지는 데에도 동의하지 않았다. 그렇다면 필립 볼은 어떤 관점으로 아름다움을 정의했을까?

실용 학문인 실험과학에서 아름다움을 찾아내는 세 가지 특별한 관점

위대한 실험이란 제약이나 화학섬유처럼 산업에 혁신적인 도움이 된 실험이었을까? 혹은 벤젠을 발견한 케쿨레의 뱀이 자기 꼬리를 물고 있는 꿈을 꾸었다는 일화처럼 사람들에게 널리 알려진 것을 뜻할까? 혹은 학계에 큰 영향을 끼친 실험을 뜻하는가? 모두 아니다. 저자는 이 부분에서만큼은 양보 없이 단호한 태도를 취하고 있는데, 이 책을 읽다 보면 저자가 어떤 시각으로 아름다운 실험을 선정했는지를 알 수 있다.
저자는 먼저, 특정한 ‘역사적인 실험이 무엇인가?’에 집중하던 것에서 ‘실험의 아름다움이란 무엇인가’로 시선을 옮겨 보다 일반적인 결론을 내리려고 했다. 실험의 ‘아름다움’, 즉 실험자가 실험에 임하는 태도와 품성은 구체적인 역사의 전후관계에서 이 실험이 어떠한 과정을 통해 가치 있게 완성되었는지를 더 잘 알 수 있게 해준다. 그래서 필립 볼이 제시한 열 가지 ‘아름다움’에 대해 수긍하는 사람이라면 ACS가 선정한 것보다도 저자가 선정한 기준들이 더 뜻 깊고 본받을 만하다고 여기게 될 것이다.
둘째, ‘아름다움’이라는 것은, 역사적 가치나 실용성과는 별개로 미학의 영역에 속하는 개념이다. 마찬가지로 필립 볼이 실험과학에서 정의한 아름다움이라는 개념도 실험의 중요성을 판단하는 다른 기준들로부터 명확히 구분할 수 있다. 각 실험들의 역사적인 가치, 학문적 가치 또한 중요하지만 이 책에서는 화학에 관한 한 최대한 아름다움에 대해 많이 할애했다.
마지막으로, 필립 볼은 예술적인 의미의 아름다움과 과학에서의 아름다움을 구분하고 있다. 저자는 아름다움의 개념이 미술작품을 보는 시각에 멈춰 있는 것을 경계한다. 또한, 화학 염료가 내는 오묘하고 짙푸른 색이 바로 아름다움이라고 말하는 식의 무딘 정의도 거부한다. 이는 저자가 실험을 수행하는 과학자의 손끝에서 진정한 예술을 만드는 기술이 탄생할 수 있다고 확신하기 때문이다.

‘과학의 꽃, 실험!’ 장구한 과학사에 피어난 가장 아름다운 꽃을 찾아라!

순수한 의미에서의 아름다움이란 무엇인가? 그의 시각으로 새로 조명한 10개의 실험은 다음과 같다. 정확한 양을 정하는 수량화, 세부 사항에 주목한 섬세함, 반복되는 실험을 인내함, 우아한 실험 설계, 실험의 세분화 및 가속화, 단순함과 간결함, 일반적인 전망을 초월한 상상력, 단순하고 간단한 추론, 경제력 편차를 극복함, 간결한 실험 설계 등 열 가지 항목이다. 이 열 개의 실험 목록은 특별한 항목들을 각각 조명하고 있지만 다른 요소들도 모두 갖추고 있는 것들이다.
이 책은 크게 3부로 나뉘어 있는데, 1부에서는 실험 관찰 과정에서의 아름다움을 주로 다룬다. 결론을 얻기 위해 가장 치밀하게 실험을 설계하는 이들의 이야기다. 가장 정확한 분석을 위해 모든 것을 수량화 하는 체계를 세우고, 반복되는 규칙성을 발견하기 위해 부단히 실험을 반복하는 성실함 등이다. 2부에서는 새로운 발상의 아름다움에 대해 다룬다. 존재여부조차 알지 못하는 어떤 상황을 가정할 수 있는 것은 어쩌면 무모한 짓이다. 하지만 때로는 생명 탄생의 근원을 밝히려는 밀러의 실험과 같이, 고정관념을 벗어난 어린아이 같은 천진함만이 해법을 찾아낼 수 있다. 우직하게 실험을 반복하며 수없는 결과물을 늘어세우다 보면 그제야 새로운 규칙이 발견되기도 한다. 그들의 실험이야말로 준비된 자들에게 어떻게 기회가 다가가는지를 독자들이 깨닫게 해준다. 3부는 현대 화학실험의 기둥이라고 할 수 있는 ‘합성’을 다룬다. 주로 깊은 생각, 관찰과 발견에 의한 업적이 주가 되는 학문들과는 달리 화학 합성만큼은 지극히 창조적인 분야다. 화학자들은 새로운 화합물 하나를 창조하기 위해 일순간 스치는 영감을 꼭 붙들고 다 꺼져 가는 불씨를 살리듯 모든 것을 걸고 절박하게 매달려야만 한다.
실험의 이 모든 것들을 아우르는 아름다움이 이 책에 녹아 있다. 혹자는 산업에 미친 영향이나 유명 과학자가 한 실험이라면 중요한 가치가 있고, 또 그 가치야말로 아름다움의 전부라고 말할 수도 있겠다. 그러나 그 실용성과 어마어마한 경제적 가치 이면에 가려진 것들, 이를 테면 남편을 잃고 삶의 의욕이 모두 사라졌을 때에도 방사성 원소를 환자들의 치료에 활용할 방법을 찾아내기 위해 자신의 생명을 단축시키는 실험을 계속했던 마리의 지고지순함, 알파 입자에 대한 집념이 집착으로 변질될 위험을 감수하면서까지 가설 검증에 몰입해 마침내 논란의 방점을 찍었던 러더퍼드의 열정을 외면할 수 있을까? 감히 아닐 거라고 추측해 본다.
마리는 일전에 ‘실험이란 여러분들이 생각하는 것처럼 목가적인 것이 아니다. 매일이 자기 자신과의 싸움인 인내의 연속이다.’라고 말하기도 했다. 이들 실험 과학자들의 고단한 실험을 끝내 완성시킨 것은 무엇인가? 저자 필립 볼은 바로 이 점에 주목하고 있다. 이 책을 읽는 독자들도 책을 읽다 보면 저절로 알게 될 것이다. 그들의 실험을 완성한 것은 지적 유희를 향한 강한 호기심, 아니 그보다 더 크고 깊은 열망이다.

감사의 말 •4
서론 •8

| 제1부 | 자연을 묻다
제1장 나무는 어떻게 자라는가
얀 밥티스타 판 헬몬트 - 버드나무 실험과 수량화의 아름다움 •32
제2장 복합 원소
헨리 캐번디시 - 물의 구성성분 실험과 섬세함의 아름다움 •56
제3장 새로운 빛
마리 퀴리 - 라듐 발견 실험과 인내의 아름다움 •88
제4장 베일을 벗은 방사능
어니스트 러더퍼드 - 알파입자와 우아함의 아름다움 •126
제5장 원소사냥꾼
글렌 시보그 - 화학과 작은 것의 아름다움 •152
■ 화학 이야기 [화학 극장] •201

| 제2부 | 새로운 물음을 던지며
제6장 분자, 꼴을 취하다
루이 파스퇴르 - 결정과 간결함의 아름다움 •218
■ 화학 이야기 [신화와 로맨스] •251
제7장 생명 그리고 생명의 기원
해럴드 유리, 스탠리 밀러 - 생물출현 이전 화학과 상상력의 아름다움 •262
제8장 생각보다 고상하지 않은 비활성 귀금속
닐 바틀릿 - 제논 화학과 우직함의 아름다움 •292

| 제3부 | 물질을 만드는 기술
제9장 자연을 다시 짓다
로버트 우드워드 - 비타민 B12와 검약의 아름다움 •320
제10장 플라톤 분자
레오 파케트 - 도데카헤드레인과 설계의 아름다움 •368

결론 화학적 미학 •396
참고문헌 •407
찾아보기 •412

과학계의 재담꾼 필립 볼의 저서는 사람들에게 ‘실험이란 무엇이며, 그 실험이 과학의 발전에 어떤 역할을 했는가’에 대해 생각해 보게 한다. 그의 모든 저서는 분명한 성격, 적절한 예시, 통찰력 짙은 코멘트 그리고 유머와 재치로 빛난다. 화학자는 아니지만 화학에 관심이 많은 사람들에게 그의 책은 뜻밖의 선물과도 같다.
_마틴 베리, 「화학과 산업(Chemistry & Industry)」

이 책은 화학책으로서는 드물게 경외감을 느끼게 만든다. 유쾌하고 재미있으면서도 화학자들이 실험을 하면서 느꼈던 감정이 그대로 전해지는 듯하다. 당신이 화학 분야에서 종사하는 사람이라면 직업에 대한 자부심을 느끼게 만들어 줄 것이다. 반드시 일독하기를 권한다.
_존 니컬슨, 「화학교육(Education in Chemistry)」

이 책은 일반 독자들이 쉽게 접근할 수 있다는 점에서 매우 큰 강점을 가지고 있다. 이 책을 읽으면서 고결한 실험과 미학이 어떤 관계가 있는지 깨닫게 될 것이다.
_요아힘 슈머, 「국제화학저널(International Journal for Philosophy of Chemistry)」

화학을 전공하지 않은 사람이라도 누구나 재미있게 읽을 수 있는 책이다. 저자는 우리가 당시의 생각과 태도로 실험 현장을 들여다볼 수 있도록 안내한다. 특히 화학자 개개인의 성격까지 세세하게 묘사하고 있어서 실험 과정이 마치 영화처럼 펼쳐진다. 이제 막 화학을 접한 청소년들이라면 반드시 읽길 바란다. 시험 준비와 동시에 교양을 넓히는 즐거운 시간이 될 것이다.
_로이 로리, 「자연과학교육리뷰(Physical Sciences Educational Reviews)」

“내 머릿속은 신체를 영구보존할 방법을 찾는 실험 생각뿐이었습니다. 그리고 그 실험은 다행히도 훌륭하게 수행해냈습니다.”
이 글은 프랜시스 베이컨이 병상에 누운 몸으로 1626년에 쓴 것이다. 당시 예순다섯이던 베이컨은 불편한 몸을 이끌고 런던 인근의 마을 하이게이트에서 닭 한 마리를 구한 다음, 속을 눈으로 가득 채웠다. 그해 겨울은 훗날 소빙기(Little Ice Age)로 분류될 만큼 추위가 맹위를 떨쳤다. 그는 닭을 눈으로 얼려서 보관할 수 있는지 연구하던 중이었다. 이 냉동실험은 계획대로 성공했지만 베이컨은 그날의 추위 때문에 심한 감기에 걸렸다. 집까지 가지도 못하고 하이게이트에 사는 아룬델 백작 저택에서 요양을 하는 신세가 되었는데 병세는 호전되지 않았고 폐렴으로 발전했다. 결국 프랜시스 베이컨은 그달을 넘기지 못하고 숨을 거두었다.
-9쪽

피에르는 떠났지만 그 여파는 고스란히 마리의 몫이 되었다. 남편의 자리를 이어 받아 마리는 소르본 대학의 교수로 임용된다. 소르본 최초의 여성 교수가 된 것이다. 하지만 마리는 삶의 의욕을 송두리째 잃어버린 것처럼 강의를 했다고 한다.
그럼에도 마리의 박애정신은 여전히 가슴에 남아 있었다.
제1차 세계대전 당시 마리는 이동식 X선 병동에서 일한 적이 있었다. 마리가 라듐을 암 치료에 활용할 방도를 연구한 것도 뜬금없는 일이 아니다. 그녀도 사람인지라 편안히 쉬고 명예를 누리고 싶었을지도 모른다. 하지만 마리는 1934년 7월 4일 백혈병으로 운명하기까지 화상을 입은 손의 통증을 견디며 방사능 연구에 매진했다. 이 병마도 연구에 전력투구하느라 몸을 소홀히 한 탓에 얻은 것이리라. 아인슈타인이 말한 대로 그녀는 ‘명성이 타락시키지 못한 유일한 유명인사’였다.
-124쪽

이 두 물질을 섞자마자 매콤한 연기가 자욱하게 피어올랐다. 이 염화암모늄 연기는 곧 실험실을 가득 채웠다. 두 사람은 숨이 막히고 목이 아파 콜록거리기 시작했다. 실험실에서 연기가 모두 빠지자 이번에는 유리시험관과 사발을 더 많이 준비해 다시 암모니아를 삼염화질소에 부었다. 시험관이 작을수록, 반응이 더디기는 했지만, 어느 한 순간 여지없이 실험실은 폭발음과 함께 아수라장이 되었다. 그럼에도 이들은 다음 날 다시 실험을 했고 폭발음은 더욱 거세졌다. 실험실 건물을 쩌렁쩌렁 울리던 굉음이 네 번이나 들렸다. 하마터면 패러데이의 손목이 날아갈 뻔한 실험을 마지막으로 그날의 실험을 종료했다.
-202쪽

단순하기 짝이 없는 질문인데 막상 답을 하기가 무척 난감한 질문이 있다. 그런 질문을 한 번쯤은 들어봤을 것이다. 그럴 때는 무엇부터 대답해야 할지, 어디서 시작해야 할지 감이 잡히지 않는다. 지구가 어떻게 진화라는 대사건을 개시했는지, 이 문제에 골몰하던 찰스 다윈(Charles Robert Darwin)은 답을 찾지 못해 절망한 나머지 아무것도 손에 잡히지 않자 1863년에 친구 조지프 후커(Joseph Hooker)에게 다음과 같이 토로하는 편지를 쓴다.
“지금 이런 가당찮은 문제로 골머리를 앓다니 한심스럽다. 생명의 기원이라니……. 차라리 물질의 기원을 고민하는 게 낫겠다.”
-263쪽

유기합성은 물을 합성하는 것처럼 한 단계로 끝나는 경우가 거의 없다. 분자의 복잡다단한 구조는 한 단계씩 차례차례 쌓아 올려야 한다. 각각의 버팀목을 괴고 대들보를 세우고 다리를 이어 골격을 잡아나가는 것은 무척 고생스러운 기초 작업이다. 골격이 완성되면 여기에 갖가지 분자를 장식처럼 꾸며준다. 이처럼 매 단계를 조심스럽게 거치는 이유는 오직 분자구조를 점검하기 위해서이다. 매 단계마다 화학자는 무엇을 연결할지 정확하게 알고 있다. 혹은 알고 있다고 믿는다. 그래야 구축하고 있는 분자가 어떤 형태일지 놓치지 않고 따라갈 수 있다. 완성된 작품의 화학적 성질이 탐구 대상인 화합물과 동일하게 나오면 비로소 바른 구조를 알아냈다고 안심하게 된다.
-332쪽