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- 고트홀트 에프라임 레싱:"'우연'이라는 단어는 신성모독이다. 하늘 아래 우연이란 없다."
- 우연의 일치, 적절한 시기에 햇빛이 3일 없었던 일을 통해 앙리 베크렐은 방사능을 발견
- 약 110년 전, 네덜란드의 물리학자 하이케 오네스는 액체 헬륨의 이상한 모양 관찰
- 예상치 못하게 용기의 벽을 따라 올라가 용기 바깥쪽 바닥에 물방울로 모였다.
- 1910년에 네덜란드의 과학자는 수은을 액체 헬륨을 사용해 영하 269

과학에서의 우연 : 신은 주사위를 굴리지 않는다 (?)

플라스틱 컵, 페니실린, 전자레인지, 방사능, 나병 치료제, 초전도성, 맥주, 미국, 엑스선은 무엇이 공통점일까요? 그것들은 모두 우연히 발견되었다. 이는 단지 몇 가지 예일 뿐이다. 오늘날 우리가 과학이나 일상생활에서 아는 것 중 많은 부분은 우연 없이는 존재할 수 없을지도 모른다. 하지만 우연의 역할은 실제로 얼마나 큰가? 그리고 발견자 자신의 역할은 무엇인가?
"신은 주사위 놀이를 하지 않는다"고 알베르트 아인슈타인은 확신했다. 고트홀트 에프라임 레싱(Gotthold Ephraim Lessing)도 이렇게 외쳤다. "'우연'이라는 단어는 신성모독이다. 하늘 아래 우연이란 없다." 가능한. 어쩌면 신은 실제로 주사위 놀이를 하지 않을지도 모른다. 그런데도 우연은 많은 발견에 있어서 핵심적인 역할을 하는 것으로 보인다. 

▲ 주사위를 던진 후 나타나는 숫자는 순전히 무작위다. © Dietmar Rabich/CC-by sa 4.0

모든 사람을 위한 노벨상

과학자가 되려면 약간의 행운만 있으면 되나요?
물론, 콜럼버스가 우연히 아메리카를 발견한 것은 사실이다. 아르키메데스는 목욕을 하던 중 중요한 아이디어를 얻었고, 뉴턴은 사과가 그의 머리 위로 떨어지는 것을 보고 중력에 대한 아이디어를 얻었다고 한다. 하지만 사과 이야기가 조금 믿기지 않는다는 사실을 제외하면, 이는 오히려 규칙에 대한 예외적인 사례가 아닐까?

엑스선의 발견

1895년 11월 8일 밤, 뷔르츠부르크는 춥고 어두웠다. 많은 사람이 이미 잠들어 있지만, 한쪽 창문에는 아직 불이 켜져 있었다. 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 자신의 연구실에서 연구하고 있었다. 그는 6년 후인 1901년 12월 10일에 첫 번째 노벨상을 받게 될 발견을 하게 될 줄은 전혀 몰랐다.

많은 동료와 마찬가지로 뢴트겐은 당시 새로 발견된 음극선을 실험했다. 이러한 목적을 위해 그는 고전압이 인가되는 소위 가스 방전관(또는 히토르프-크룩스 관) 중 하나를 얻었다. 양극과 음극 사이에서 전자가 강하게 가속되기 때문에 관 안에 좁고 빛나는 줄무늬가 보인다.

하지만 뢴트겐은 또 다른 현상을 발견했다. 그는 어두운 방에서 형광등에 희미한 빛이 비치는 것을 발견했다. 그리고 테이블 위에 놓여 있던 화면의 바륨 백금 시안화물 코팅의 잔해인 일부 수정도 빛나기 시작했다. 음극선의 빛은 너무 약했다. 그들은 이러한 효과에 관해 책임을 질 수 없었다. 확실히 하기 위해 뢴트겐은 이제 튜브를 검은 종이로 덮었지만, 스크린은 계속 빛났다.

유명한 손

열정적인 아마추어 사진작가였던 물리학자는 광선으로 사진 용지를 검게 칠하는 아이디어를 생각해냈다. 이것이 바로 최초의 엑스레이 사진이 만들어진 방식인데, 그의 아내의 엑스레이 사진 속 손 사진도 그중 하나다. 그의 실험은 너무 광범위해서 다른 물리학자들이 엑스선에 관한 더 많은 지식을 얻는 데 10년 이상이 걸렸다.

뢴트겐은 처음에는 자신의 새로운 발견에 대해 크게 언급하지 않고 12월 말에야 물리의학 학회에 실험 결과를 보고했지만, 나중에 발견자의 이름을 딴 X선은 곧 많은 주목을 받았다. 뼈가 드러난 뢴트겐 부인의 손 사진은 특히 의학계에서 많은 관심을 불러일으켰다. 의사들은 투명한 인간이라는 오랜 꿈에 한 걸음 더 다가갔다는 생각에 들떠 있었다.

▲ 이 엑스레이는 뢴트겐의 아내인 안나 베르타 루트비히의 유명한 손을 보여준다. © historisch

발견된 지 불과 4개월 만에 뉴욕에서 열린 전시회에 참석한 방문객들은 신비로운 광선으로 자신의 손을 검사하고 처음으로 자신의 뼈를 볼 수 있게 됐다. 신발 가게에 엑스레이 기계를 설치하여 고객들이 새로운 신발의 착용감을 확인하는 것이 유행이 되고 있었으며, 심지어 파티나 사교 모임에서 손님들이 자신의 손과 발을 스캔하는 것을 즐기는 경우도 있었다. 방사선의 유해한 영향은 나중에야 알려지게 된다.

흐린 하늘이 히로시마의 원인인가?

빌헬름 콘라트 뢴트겐이 1895년에 X선을 발견하고 설명한 이후, 다른 연구자들도 이 신비한 광선에 대한 실험을 시작했지만, 아직까지 아무도 그 원인을 완전히 이해하지 못했다. 자기와 형광을 전문으로 연구하는 프랑스 물리학자 앙리 베크렐도 엑스선을 이용해 연구했다. 그는 햇빛이 형광물질을 자극하여 X선을 방출할 수 있다고 의심했다.

베크렐이 우라늄을 사용하여 이 이론을 증명하려고 했을 때, 처음에는 그의 의심이 확실해지는 듯했다. 그는 사진 건판을 검은색 종이와 알루미늄 호일로 감싼 다음, 그 위에 우라늄 결정을 놓고 태양이 작용하게 둡니다. 필름이 노출됐다. 우라늄염은 태양 복사선에 의해 여기되면 X선을 방출하는 것으로 보였다.

▲ 사진 건판에는 우라늄 결정의 흔적이 나타나 있으며, 이는 방사능에 대한 최초의 증거로 여겨진다. © historisch

적절한 시기에 햇빛이 없는 3일

며칠 후, 베크렐은 실험을 다시 하고 싶어한다. 그러나 우연히도 파리는 3일 동안 흐렸고 실험은 실행 불가능했다. 이때 베크렐은 사진 건판을 서랍에 넣어두고 날씨가 좋아지기를 바란다. 마침내 그는 어두운 서랍에서 사진판을 꺼내고, 놀랍게도 그 위에 우라늄 결정의 어두운 자국이 있는 것을 발견했다. 우라늄은 햇빛의 자극을 받지 않았음에도 사진판을 검게 만들었다.

이전에는 전혀 알려지지 않았던 이 방사선은 더 이상의 자극 없이 우라늄에서 나와 사진 건판을 검게 만들고 검은색 차폐지를 관통할 수 있었다. 앙리 베크렐은 이를 "우라늄 방사선"이라고 불렀다. 추가 실험 결과, 우라늄을 함유한 물질만이 사진판을 노출시키고 동전과 같은 금속 물체는 방사선을 차단한다는 사실이 밝혀졌다. 이 시점에서는 사진 용지가 흰색으로 유지됐다.

이런 우연의 일치, 즉 적절한 시기에 햇빛이 3일 없었던 일을 통해 앙리 베크렐은 방사능을 발견했다. 1897년부터 그는 박사과정 학생인 마리 퀴리의 지원을 받아 이 광선에 관한 연구를 계속했다. 1903년에 그들은 마리의 남편 피에르 퀴리와 함께 노벨 물리학상을 수상했다. 오늘날에도 베크렐이라는 이름은 물리학에서 단위 시간당 붕괴 횟수를 나타내는 활동도를 나타내는 단위로 사용되고 있다.

▲ 질소로 냉각된 초전도체가 자석 위에 떠 있다. © Henry Mühlpfordt/CC-by sa 3.0

초전도성 - 전자가 우선

그리고 물리학의 또 다른 분야에서도 우연이 역할을 했다. 약 110년 전, 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스는 액체 헬륨이 이상한 모양을 띠는 것을 매료된 눈으로 지켜보았다. 예상치 못하게 그것은 용기의 벽을 따라 올라가 용기 바깥쪽 바닥에 물방울로 모였다. 그는 극히 낮은 온도에서 물질의 행동을 연구하는 것이 자신을 매우 특별한 길로 인도할 것이라고는 전혀 몰랐다.

그로부터 얼마 후인 1910년에 네덜란드의 과학자는 수은을 액체 헬륨을 사용하여 영하 269도까지 냉각하는 실험을 했다. 그는 한 가지 발견을 했다. 이렇게 낮은 온도에서는 금속의 전기 저항이 사라진다는 것이다. 이제 전류는 손실 없이 흐를 수 있다. 초전도 현상이 발견된 것이다. (계)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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