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Meso : 잊혀진 세상

페랭이 모든 물질은 원자로 이루어졌다는 것을 최종적으로 증명하느라 바쁜 동안에, 다른 사람들은 이미 원자 내부로 곧바로 들어가서 더 깊은 부분을 조사하고 있었다. 그리스 인들은 ‘쪼갤 수 없다.’라는 의미에서 ‘원자’라고 했지만 이미 톰슨의 음극선 실험은 원자가 작은 것 중에 가장 작은 것이 아니라는 것을 증명했다. 원자에는 톰슨의 전자나, 이후의 실험들로 밝혀질 여러 가지 작은 성분들이 들어 있었다.
그 과정에서 아원자론자들은 매우 이상한 것을 발견했다. 우리는 원자와 같은 매우 작은 입자들이 작은 당구공처럼 행동하리라 예상하지만 어떤 의미에서는 그렇게 행동하지 안흔ㄴ다. 이런 아원자 크기에서는 실체의 성질이 변한다. 과학은 양자세계에 채어 비틀거렸다. 구 후 굉장한 결론이 나왔다. 아원자의 신비 때문에 또다시 중간세계는 과학적 호기심이 많은 몇몇 탐구자를 제외한 모든 사람으로부터 잊히게 되었다. 그런 변화는 거의 한 세기 동안 지속되었다.

중간세계 포기자

전자와 같은 아원자 실체들은 잘 정의된 단일 입자처럼 행동하지 않는다. 아인슈타인은 이 불가사의한 양자세계의 과학에 시동을 건 사람들 중 한 명이었다. 아인슈타인의 혁신 적 이론 ➁(빛의 광자)는, 빛살은 때때로 파동보다 입자들 또는 ‘광자들’의 집합으로 생각되어야 한다고 암시했다. 마찬가지로 전자와 같은 ‘입자’는 때때로 단일하게 측정될 수 있는 위치보다는 공간에 퍼져 있는 파동으로 생각되어야 한다,
전자, 광자 또는 20세기의 첫 10년 동안 발견된 많은 아원자 입자들 중 하나처럼, 무엇이든지 아주 작으면 이 이상한 양자 본질을 통해 적절하게 이해될 수 있다.
양자 현상의 수학적 이론, 즉 양자역학은 1920년대에 발견되었으며, 오스트리아의 에어빈 슈뢰딩거와 독일의 베르너 하이젠베르크의 지지를 받았다. 양자역학은 우리가 전자와 같은 양자 입자를 정의된 단일 입자가 아니라 통계적 실체로서 생각해야 한다고 제안하고 있다.
통계학을 이용하면 전자가 이곳에 있거나 이런저런 속도로 운동할 확률만을 계산할 수 있따. 실제로 명확한 답을 얻으려면 측정을 해야 한다.
중간세계는 양자 효과를 거의 볼 수 없는 커다란 크기이며 원자보다 훨씬 더 큰 세계다. 따라서 브라운 운동은 양자역학에 의지하지 않고도 이해될 수 있다. 그럼에도 중간세계를 이해하는 것은 양자역학의 역사적 발달 때문에 매우 중요하다. 페랭이 아인슈타인의 브라운 운동에 관한 통계 이론을 굳건한 실체로 만든 후에 과학 세계는 전자와 다른 양자 입자들의 통계적 해석을 수용할 준비가 충분히 되어 있었다. 그것은 공식적이었으며 통계학은 훌륭한 것이었다.
양자과학의 등장은 중간세계의 이야기에 뜻밖의 곤란한 결과를 가져왔따. 1910년대와 1920년대는 물리학자들에게 격렬한 흥분의 시기였다. 양자세계의 수수께끼가 너무나 마음을 홀려서 그들 대부분은 중간세계를 팽개쳤다. 그들은 아원자 세계로 내려갔고 양자의 비밀을 찾아서 돌진했다.
새로운 아원자 신비는 거의 매일 발견되었고, 새로운 이론과 설명이 곧바로 등장했다. 프랑스의 루이 드브로이, 오스트리아의 에어빈 슈뢰딩거, 영국의 폴 디랙, 이탈리아의 엔리코 페르미 같이 놀라울 정도로 똑똑한 젊은 물리학자들이 끝없이 등장했으며, 또한 양자세계로 저돌적으로 뛰어들어 상상도 못할 보물들을 가지고 나타났다.
그동안에 아인슈타인은 다른 방향으로 나아갔다. 그는 중산세계로부터 더 큰 거시세계로 올라갔따. 빛, 물질, 중력을 이해하려는 그의 위대한 추구에는 삼중주의 마지막 구성원인 중력에 관한 것이 여전히 부족했다. 1906년에서 1916년 사이에 그는 많은 사람들이 그의 가장 위대한 업적이라고 일컫는 일반상대성 이론을 발전시켰다. 그 이론에서 중력은 시공간의 모양으로 설명되었다. 그는 남은 생애 대부분을 세 가지를 하나로 전환하는 방법, 즉 빛, 물질, 중력을 함께 단일한 통일 이론으로 묶는 방법을 찾는 데 보냈다. 그 무렵 아인슈타인은 중간세계를 떠났다. 그리고 훨씬 뒤인 1940년대에 자서전을 쓰면서 아인슈타인은 자신이 브라운 운동에 관한 연구를 중요하지 않게 여겼던 것을 유감으로 생각했다.
페랭 이후 대부분의 물리학자들은 아원자를 좋아하게 되었지만, 아인슈타인은 결코 대중적 추종자가 아니어서 전체 우주를 좋아하게 되었고 결국 중간세계에 대한 관심을 사그라들었다. 끊임없이 춤추는 물체들이 있는 이상한 장소는 그렇게 최근까지도 원자의 실체와 물질의 성질을 증명하기 위해 그것을 이용했던 사람들에게서 곧 잊히게 되었다.

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우리는 로버트 브라운이 처음으로 현미경 렌즈를 통해서 중간세계를 들여다보고 알아챈 운명적인 1827년의 어느 여름날로부터 먼 길을 여행해왔다. 오늘날, 위대하지만 주목을 받지 못하는 이 스코틀랜드의 식물학자는 항상 움직이는 물질이 거주하는 새로운 세계를 처음으로 발견했다.
그 후로 과학은 이 특별한 곳과 그곳의 이상한 거주자들에 대해 조금씩, 때로는 거의 낙담이 될 정도로 느리게 알아가게 되었다. 과학자들이 중간세계에서 일어날 수 있는 일을 받아들이려고 노력하게 된 것은 당연한 일이었다. 그런 것을 알지 못하면 열에서부터 원자, 증권시장, 단백질, 근육, 나노기술에 이르기까지 이 모든 것의 이론이 존재할 수 없다.
이런 데도 불구하고 오늘날에도 중간세계는 대중적인 인지도가 비교적 낮은 편이다. 과학이란 쿼크와 은하가 전부는 아니지 않은가? 나는 당신이 쿼크 크기와 우주 크기 사이의 중간세계에도 무엇인가 매우 중요한 것이 일어나고 있다는 것을 확신했기를 바란다. 중간세계를 알지 못한다면 매순간 우리 주위와 우리 내부에서 진행되고 있는 기본적이고도 광범위한 현실을 놓치게 된다.
중간세계 이야기의 핵심에는 근사한 아이러니가 있다. 브라운은 1827년 생명을 연구할 목적으로 그런 실험들을 시작했다. 결국 그는 식물학자였다. 식물 번식의 과학적 기본 물질인 꽃가루의 미시적 기능을 조사하려고 실험을 시작했다. 그는 우연히 중간세계의 이상한 마구잡이 춤을 발견하자 그것이 무엇이든 간에 이 이상한 행동은 초자연적인 ‘생기’ 때문에 생기는 것이 아니라는 것을 증명하고자 조심스럽게 실험들을 수행했다. 당연히 그가 생각한 대로 그 문제는 물리학자들의 책상으로 옮겨간다. 그가 발견한 이 끊임없는 움직임은 생명이 아니라 물질에 관한 의문이었다.
약 75년 후에 물리학자들은 마침내 꽃가루의 마구잡이 춤을 설명했으며 그것을 측정하여 원자가 실체라는 것을 증명했다. 물질은 깨질 수 있는 조각들로 구성된다.
그리고 또 약 75년이 흐른 후 실험광학, 레이저, 세포생물학의 발전으로 중간세계 과학의 진로가 중간세계 과학 자체로 돌아가기 시작했다. DNA ,단백질, 분자 모터, 박테리아, 바이러스 이 모든 것 역시 중간세계 거주자다.
브라운이 보고 적은 것은 식물학자의 일이 아니라 여겨졌지만 결국 완전히 한 바퀴를 돌아서 제자리로 돌아왔다. 중간세계의 마구잡이 춤은 결국 생물과학의 일이 되었다. 그것은 물질뿐 아니라 생명에 관한 의문이었다.

중간에 있는 생명

중간세계 이야기는 크게 물질과 생명, 두 가지로 나눌 수 있었다. 그러나 그런 분명한 구분은 거의 인위적이었다. 중간세계에서 물질과 생명 사이의 틈새는 분명한 경계라기보다는 모호한 지역이다. 고분자와 계면활성제, 막은 단백질, 분자 모터, 세포로 서서히 변화한다. 지금으로부터 50년이 지난 뒤 뒤돌아보면 더 뛰어난 관점에서 이 이야기를 보게 될 것이다.
우리는 중간세계의 과학이 적용되는 모든 것들이 실제로 물질과 생명 사이의 공통 기반에 대한 이해에서 나왔음을 알게 될 것이다. 그것은 과학자들이 밀접한 관계를 파악하는 방법, 생명이란 물질이 할 수 있는 일 중에서 가장 특별한 한 가지라는 것을 파악하는 방법에 대한 이야기로, 과거와 미래에도 모두 해당되는 이야기다.
지금 우리는 이야기의 결말로부터 멀리 떨어져 있다. 중간세계에 우리 존재를 뿌리내리게 해주는 많은 생명의 과정들은 기적이 아닐까 싶을 정도로 복잡한 상태로 남아있다. 그러나 겨우 20년 만에 우리는 먼 길을 왔다. 물질과 생명 사이의 틈새, 확실하게 중간세계에 자리를 잡은 이 틈새가 좁혀지기 시작했다는 신호가 많아지고 있다.
아마도 그런 생명의 ‘물질’(물질의 기능으로서의 생명)개념은 약간 실망스럽게 보일 것이다(심지어는 무섭기까지 할 것이다). 생명이 중력이나 정전기, 소금과 같이 물질의 또 다른 ‘단순한’ 기능일까? 생명의 어떤 특별함은 사라지는 것일까?
나는 정반대로 말하고 싶다. 중간세계는 생명이 실제로 얼마나 특별하며 물질 또한 얼마나 특별한지를 보여준다. 물질의 과학인 물리학은 오랫동안 환원주의의 지배를 받았다는 이미지를 갖고 있었다. 화학 전체를 몇 가지의 양자 계산으로 환원하고, 전기, 빛, 자기, 방사능, 핵력을 기본적 힘들의 표준 모형으로 환원했다. 물리학의 계속 진행되고 생명을 물질의 어떤 간단한 기능으로 ‘환원’할 수 있었다면, 나 역시 낭만주의의 편에 서서 실망감에 고개를 저으며 서 있었을 것이다.
그러나 중간세계에 있는 물질의 기능은 그렇게 단순하지 않다. 그렇다고 결코 우리만큼 영리해지지는 못할 것이다. 중간세계는 복잡한 곳이다. 무엇보다 오늘날 과학자들은 믿기 어려울 정도로 다양하고 영리하고 복잡한 물질들이 할 수 있는 것들을 밝혀내고 있다. 그것에는 생명까지도 포함된다.
중간세계 과학은 생명을 물질의 기능으로 환원하는 것에 대한 내용이 아니다. 물질의 기능을 생명 수준으로까지 향상시키는 내용이다. 생물학을 물리학으로 환원하려는 것이 아니라 생물학과 물리학을 결합하려는 것이다.
중간세계 과학에서는 과학 과목 간의 옛 구분이 약화되는 것을 볼 수 있다. <네이처>나 <사이언스>같은 잡지에서 생물학, 물리학, 화학의 연결점들을 거의 알아볼 수 없을 것이다. 그것은 단지 물질의 가능성에 관한 과학이다.
50년이 지난 후 중간세계 이야기를 돌아봤을 때 우리는 무엇을 알 수 있을까? 그때에는 분명히 생명 과정들에 관한 상세한 부분들이 많이 알려져 있을 것이다. 그리고 분명히 이런 많은 상세한 점들과 수많은 새로운 비밀들이 여전히 우리를 괴롭히고 있을 것이다. 그때는 넘어선 상태에서 중간세계의 생명 기계로부터 우리만의 현실성 있는 나노기계를 만드는 법을 충분히 배웠을 것이다. 그리고 어쩌면 그것을 진정으로 필요로 하는 사람들에게 혜택을 제공할 만큼 안전하게 다루게 될지도 모른다.
잘된다면, 행성과 원자만이 문제가 되고 그 사이에는 흥미로운 것이 전혀 없다는, 정통 뉴턴주의자들의 눈먼 도약 같은 가정의 마지막 흔적까지도 없어질 것이다. 잘된다면, 중간세계의 다리를 통해서 우리는 아원자 양자의 불가사의에서부터 원자 화학, 중간세계 춤, 거시세계의 복잡성에 이르기 까지 물질의 기능이 연속적이라는 것을 위계를 가지는 것이 아니라 모든 것이 아름답게 서로 잘 맞아들어가는 조각 퍼즐 같을 것이다.
그러나 내가 다음 세대의 중간세계 과학자들에게 다음 수십 년 동안이 발견을 바탕으로 중간세계에 실마리를 던져주는 질문을 하나 할 수 있다면, 그것은 생물 산업혁명의 본질에 대한 것이다. 즉 생명의 기원이다.