공기는 어떻게 과학의 대상이 되었을까?

공기는 너무 익숙해서 오히려 그 존재를 의식하지 못한다. 하지만 우리가 숨 쉬는 공기에는 과학의 역사를 뒤흔든 수많은 질문이 담겨 있다. 『공기의 탐구』는 공기를 단순한 기체가 아닌, 오랜 세월 과학자들이 끊임없이 탐구해 온 하나의 세계로 바라본다. 공기에 무게가 있다는 사실을 밝혀낸 갈릴레이와 토리첼리의 실험에서 시작해, 보일과 라부아지에, 프리스틀리와 셸레 등이 공기의 성분과 성질을 밝혀 가는 과정, 기압과 진공, 산소와 질소, 희귀 기체의 발견, 대기의 구조와 온도에 이르기까지 우리가 당연하게 알고 있는 지식이 어떻게 탄생했는지를 흥미롭게 보여 준다. 익숙한 공기를 새롭게 바라보는 순간, 과학의 역사가 한층 생생하게 다가온다.

공기를 이해하면 지구의 미래가 보인다

이 책의 또 다른 매력은 공기에 대한 탐구가 곧 지구와 인간의 삶을 이해하는 탐구로 확장된다는 데 있다. 대기의 순환과 기후, 온실 효과와 지구온난화, 오존층의 생성과 파괴까지 살펴보며 오늘날 우리가 마주한 환경 문제의 뿌리를 과학적으로 이해할 수 있도록 돕는다. 무엇보다 『공기의 탐구』는 과학이 완성된 지식을 배우는 일이 아니라, 기존의 믿음에 의문을 품고 실험과 관측을 거듭하며 보이지 않던 자연의 질서를 밝혀 가는 과정임을 보여 준다. 눈에 보이지 않는 공기를 따라가다 보면, 우리가 사는 지구와 과학을 바라보는 시선까지 새롭게 달라질 것이다.

책 속에서

바람은 눈으로 볼 수 없고 손으로 잡을 수도 없다. 다만 바람이 세차게 불면 날려갈 것 같거나, 솔솔 불어오는 바람이 이마나 볼을 스칠 때는 기분이 좋아지기도 한다. 눈에 보이지 않지만 주변을 스쳐 가는 것만은 틀림없이 감지할 수 있다. 사람들은 이것에 공기라는 이름을 붙였다. 그러나 책상이나 잉크와는 달리 공기를 물건이라고 해야 할지 물질이라고 해야 좋을지 어떨지를 알게 된 것은 약 300년 전이다. _17쪽

갈릴레이는 우선 커다란 유리병 안에 펌프로 공기를 압축시켜 넣었다. 이 유리병을 저울 위에 올려놓고 반대편에 추를 올려 저울대가 평형이 되도록 했다. 그다음 유리병의 마개를 열어 다시 저울에 올려놓은 결과, 추를 올려놓은 쪽으로 저울대가 기울어졌다. 유리병에 압축시켜 넣은 공기 일부가 밖으로 나오면서 그 빠져나간 공기의 무게만큼 병의 무게가 가벼워진 것이다. 공기에 무게가 있다는 사실을 알고 나니, 공기의 무게를 물과 비교하고 싶어졌다. 갈릴레이는 곧 공기의 비중(무게 비율)을 재보기로 했다. _22쪽

토리첼리의 진공이 만들어지고 ‘자연은 진공을 싫어한다’라는 전혀 근거 없는 신념이 무너지자, 토리첼리와는 다른 방법으로 진공을 만들려는 시도가 이뤄졌다. 이를 위해 진공 펌프를 만든 이가 독일의 물리학자 오토 폰 게리케(Otto von Guericke, 1602~1686)다. 게리케는 지름 1m 정도의 튼튼한 구리로 반구 두 개 만들고, 두 반구의 주둥이를 서로 밀착시킨 다음 그가 발명한 진공 펌프를 작동시켜 두 반구 안의 공기를 빼냈다. 그랬더니 이게 웬일인가? 이 두 개의 반구는 서로 굳게 달라붙어 여덟 마리의 말이 양쪽에서 끌어당겨야만 겨우 떼 놓을 수 있었다. 이 실험은 마그데부르크라고 하는 작은 도시에서 시행됐기 때문에 오늘날까지 ‘마그데부르크의 반구 실험’으로 알려져 있다. _32쪽

대기 중의 질소와 암모니아를 분해해 얻어낸 질소의 밀도는 차이가 있었는데, 공기 중의 질소가 약 1/200만큼 무겁게 측정된 것이다. 이때 레일리의 측정값은 1/10,000까지 정확할 만큼 정밀했으므로 1/200의 차이는 단순한 실험 오차로 보아 넘길 수 없었다. 영국의 화학자 윌리엄 램지(William Ramsay, 1852~1916)는 이 의문을 해결하려고 마음먹었다. 그는 우선 공기로부터 산소와 이산화탄소를 완전히 제거해 순수하다고 생각되는 질소를 얻어냈다. 다음으로 이 질소를 가열한 마그네슘에 몇 번이고 되풀이해 통과시켰다. 이렇게 하면 질소 기체가 마그네슘과 결합하여 질소의 양이 점차 줄어든다. 이렇게 가열한 마그네슘에 몇 번이고 통과시키고 난 다음 질소의 비중을 쟀더니, 마그네슘에 통과시키기 전보다 무거워져서 수소의 14배가 아니라 거의 15배나 되는 무게가 됐다. 이는 램지가 1894년 5월에 실시한 실험값이다. _82~83쪽

1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러(Friedrich Wohler, 1800~1882)가 그때까지 생물체 안에서만 만들어진다고 여기던 요소(오줌 안에 들어 있는 성분 물질)를 무기 화합물인 시안산암모늄으로부터 만들어 냈다. 이로써 유기 화합물과 무기 화합물을 가로막았던 관념의 장벽이 흔들리기 시작했다. 실험실의 플라스크나 시험관 안에서도 유기 화합물을 만들어 낼 수 있다는 사실이 알려진 것이다. 이렇게 현재는 수만 가지의 유기 화합물이 실험실에서 만들어지고 있다. _102쪽

무엇이 지구와 금성 사이에 이토록 큰 차이를 만들어 냈을까? 이 의문의 열쇠 가운데 하나는 이산화탄소다. 금성의 대기는 96%가 이산화탄소이지만, 지구의 대기에는 0.04% 들어 있다. 행성의 대기 성분은 태양으로 인해 데워진 지표면에서 방출되는 적외선을 잡아 둔다. 금성은 짙게 덮여 있는 이산화탄소로 인해 과도한 온실 효과가 생겨 현재의 고온의 환경이 형성됐다. _121쪽