데모크리토스의 고대 원자설
약 2500년 전 그리스의 자연 철학자 데모크리토스는 '종이 한 장을 반으로 자르고 다시 그것을 반으로 자르는 과정을 계속 반복하면, 결국 더 이상 쪼갤 수 없는 알갱이에 도달할 것이다. 그리고 모든 물질은 이렇게 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자가 빈 공간을 날아다니며 서로 결합하거나 분리되어서 만들어지는 것이다.'라고 생각했습니다. 그리고 이렇게 더 이상 쪼갤 수 없는 알갱이를 아토모스라고 불렀습니다. 아토모스는 그리스 말로 '더 이상 나눌 수 없다.'는 뜻입니다. 우리말로는 아토모스를 원자라고 합니다.
데모크리토스는 우리가 살고 있는 세계는 격렬한 움직임으로 가득 찬 세계라고 생각했습니다. 매우 많은 원자가 격렬하게 움직이면서 서로 부딪치는 것이라고 말입니다. 그래서 어떤 원자는 다른 몇몇 원자와 달라붙어 하나의 덩어리가 되거나 덩어리가 부서져서 원래의 원자로 되돌아가기도 합니다. 사람의 몸이나 모든 생물, 그리고 생물들의 배설물도 모두 원자로 되어 있습니다. 사람이 음식을 먹으면 그 음식을 이루는 원자가 사람의 몸속에서 부서지거나 다른 원자와 결합하여 피와 살이 됩니다. 그리고 남은 원자는 배설되는 것입니다. 또 데모크리토스는 사람의 영혼조차 가볍고 활발하게 움직이는 원자로 되어 있다고 생각했습니다. 사람의 영혼은 신의 지시에 따른다고 생각했던 옛날 사람들과 다르게 데모크리토스는 사람의 생각조차 원자의 운동을 지배하는 자연 법칙을 따른다고 주장했습니다.
손을 예로 들어 데모크리토스의 원자설을 설명해 봅시다. 맨눈으로 손을 보면 하얗고 매끈하지만, 현미경으로 보면 울퉁불퉁하고 검은 구멍도 보입니다. 즉 겉으로는 연속적으로 보이더라도 아주 가까이에서 보거나 크게 확대해서 볼 수만 있다면 모든 물질은 검은 점과 흰 점이 모여 이루어진 것이라고 생각할 수 있습니다. 데모크리토스의 주장대로 이 점들이 규칙성을 가지고 모이면 손 모양을 이룰 수 있는 것입니다. 이처럼 모든 물질은 기본 입자인 원자로 이루어져 있고 원자들은 더 이상 쪼개지지 않으며 여러 가지 방법으로 구성되어 있는 것입니다.
보일과 원자론
물리학자이자 화학자인 보일은 과학에 있어서 실험 방법의 중요성을 확고하게 믿었습니다. 그래서 17세기 초 갈릴레이가 처음으로 주장한 새 실험 방법을 따르는 과학자 모임에 참여하기도 했습니다. 갈릴레이의 새로운 실험 방법이란, 관찰로부터 가설을 세워서 그 가설로부터 예측할 수 있는 현상을 찾아 실험으로 증명하는 방법이었습니다. 즉 과학은 머릿속으로 생각하거나 이성적으로 판단하여 결론을 내리는 것이 아니라 체계적인 실험 과정을 통해 보편적인 법칙을 이끌어 내는 것이라고 생각했습니다. 그래서 보일은 일반적이면서 체계적인 방법을 써서 기체의 물리적 특성에 관해 중요한 사실을 발견했습니다. 당시 사람들은 공기는 빈 틈이 없는 하나의 덩어리라고 믿었습니다. 그러나 보일은 자신의 실험을 토대로, 공기는 입자로 구성되어 있고 압축될 수 있는 빈 공간이 많은 구조로 되어 있다는 것을 알게 되었습니다. 또한 일정한 온도에서 기체의 압력과 부피는 서로 반비례한다는 법칙을 발견하였습니다. 이 법칙을 보일의 법칙이라고 합니다. 그 후부터 과학자들은 기체의 운동을 조사하는 데 보일의 법칙을 사용했습니다.
1662년 영국의 과학자 보일은 J형 유리관을 이용해 다음과 같은 실험을 했습니다. J형 유리관은 기다란 유ㅣ관의 끝을 휘어서 J자 모양으로 만든 것입니다. J형 유리관에 수은을 넣으면 휘어진 짧은 유리관 쪽에 약간의 공기 기둥이 생깁니다. 그런데 보일이 유리관에 수은을 더 넣었더니 짧은 관 쪽의 공기 부피는 점점 줄어드는 것이었습니다. 유리관 속에 수은을 넣을수록 공기의 부피가 줄어드는 이유에 대해 알아봅시다. 스펀지를 누르면 작게 압축이 되는데 이것은 스펀지 속에 빈 공간이 많이 있기 때문입니다. 마치 식빵을 손으로 쥐면 빵 속의 빈 공간이 줄어들면서 빵이 쭈그러드는 것과 같습니다. 보일은 공기의 부피가 줄어드는 것도 공기가 스펀지나 식빵처럼 빈 공간을 많이 가지고 있기 때문이라고 생각했습니다. 즉, 수은을 더 넣었을 때 짧은 관과 긴 관에 담긴 수은의 높이 차이만큼 관 속 공기가 압축되어 빈 공간이 줄어드는 것입니다. 보일은 공기가 작은 알갱이로 구성되어 있다고 생각했습니다. 그런데 알갱이 사이에는 빈 공간이 있어 공기가 압축되면 알갱이 사이의 거리가 가까워지면서 빈 공간이 줄어들게 됩니다. 보일은 모든 기체가 이러할 것이라고 굳게 믿었습니다. 사실 이것은 기체뿐 아니라 액체나 고체에도 해당되는 것입니다. 그러나 액체나 고체보다 기체가 갖는 공간이 훨씬 큽니다. 예를 들어, 수증기는 원래 물이 가졌던 공간의 1,000배나 되는 공간을 차지합니다. 그러나 수증기를 식히면 그 공간이 줄어들면서 다시 물로 돌아갑니다. 이렇게 보일은 원자는 단지 상상 속에만 있는 것이 아니라 실제로 존재하는 것이라고 주장했습니다.