과학Ⅰ

PART 1. 천문학(Astronomy)



천문학의 역사

고대 천문학 : 가장 처음 하늘을 관찰하고 그 내용을 기록으로 남긴 민족은 기원전 3000년 이전에 현재의 이라크 근처에 살았던 수메르인과 바빌로니아인이었다. 그들이 천문학을 연구한 것은 정치적인 목적과 농업 때문이었을 것이다. 그리스의 철학자들은 최초로 우주의 구조에 관해 진지하게 고민했던 사람들이었지만, 완벽한 기하학적 형태라는 전통적인 철학관습에 얽매여 있었다. 기원전 350년경 아리스토텔레스는 우주의 중심에 지구가 있고, 그 주위를 태양, 달, 행성들, 그리고 별들이 각자 고유한 주기로 끊임없이 돌고 있는 원형구조로 된 우주모형을 제시했다. 아리스토텔레스의 이 같은 우주관은 지구는 고정되어 있다는 철학적 관습을 그대로 받아들이고 있었다. 140년경에 살았던 프톨레마이오스는 불후의 역작인『천동설syntaxis』을 남겼다. 아리스토텔레스의 원칙에 충실했던 프톨레마이오스는 고대 천문학사에서 뚜렷하게 자리매김되었다.



그리스의 자연철학자 중에는 세밀한 관측자료와 고찰을 바탕으로 정확한 우주관을 제시하는 사람들도 있었다. 예를 들어 기원전 500년경의 피타고라스와 기원전 400년경의 플라톤은 월식 때 관찰할 수 있는 지구 그림자의 형태와 북쪽이나 남쪽으로 여행할 때 달라지는 천체 모습을 근거로 지구는 둥글다고 주장했다. 또한 기원전 280년경에 살았던 아리스타르쿠스는 지구가 태양 주위를 돈다는 가설을 최초로 제시했다.



르네상스기의 천문학 - 코페르니쿠스 혁명: 16세기 초엽, 성직자 코페르니쿠스Nicolaus Copemicus는 기존 우주관을 완전히 뒤엎는 혁신적인 가설을 제시하였다. 코페르니쿠스는 우주의 중심은 태양이며, 지구도 태양 주위를 도는 행성일 뿐이라는 가설을 제안한 최초의 근대적 천문학자였다. 하지만 코페르니쿠스도 아리스토텔레스의 관점에서 벗어나지 못했다. 1608년 한스 리퍼세이는 더치망원경이라는 유용한 관측장비를 발명하였다. 그 이듬해 이탈리아의 실험주의 과학자 갈릴레오Galilo Galilei는 그것을 개조하여 인류 역사상 최초로 망원경을 사용하여 천체를 관측한 사람이 된다. 갈릴레오는 달 표면의 모습과 태양의 흑점, 태양 주위를 도는 금성의 위상과 겉보기 크기 변화, 목성 주위를 도는 네 개의 위성 등을 찾아냈다. 이 같은 발견은 태양이 우주의 중심이라는 가설을 뒷받침하고 있다.

르네상스 이후의 천문학 - 17세기와 18세기 천문학 : 뉴턴Isaac Newton의 운동법칙은 지구에서 물체를 운동시키는 힘과 행성이 태양 주위를 돌게 하는 힘이 같다는 사실을 밝힘으로써 고대 철학자들이 독립된 물리영역이라고 생각했던 것을 한데 통합시켰다. 또한 뉴턴의 만유인력의 법칙은 행성이 태양 주위를 돌게 하는 힘을 수학적으로 증명해 냈다. 이 같은 법칙들을 발견하기 위해 노력하는 와중에도 그는 천체의 운동을 밝히는 데 반드시 필요한 미적분calculus을 발명해 낸다. 그러나 독일의 천문학자 케플러와 뉴턴이 발견한 운동법칙으로는 태양과 각 행성 사이의 상대적인 거리는 알 수 있지만 실제 거리는 알 수 없다. 1672년 프랑스의 천문학자 지오바니 카시니는 다른 연구자 한 명과 함께 천문단위Astronomical unit(AU)의 실제 거리를 계산하였다. 1천문단위는 약 8,700만 마일(약 1억 4,000만 킬로미터)로 오늘날 측정한 거리(9,300만 마일)와 10퍼센트 정도밖에 차이가 나지 않는다. 1676년 뢰머는 이 값과 목성 위성의 월식을 자세히 관찰하여 세계 최초로 빛의 속도를 계산하였다.

19세기와 20세기 초반의 천문학 - 천체물리학의 탄생 : 19세기도 18세기와 마찬가지로 관찰이 중요시되던 시기였다. 그러나 이 시기에 이루어진 가장 중요한 천문학적 성과들은 전통적인 천문학 분야가 아닌 다른 곳에서 얻어졌다. 1800년 윌리엄 허셀은 태양이 사람의 눈으로는 볼 수 없는 빛을 내뿜고 있다는 사실을 알아냈다. 1814년 물리학자인 요세프 프라운호퍼는 태양빛을 프리즘에 통과시킴으로써 그것을 구성하고 있는 가시광선의 종류를 알아냈으며, 물리학자 제임스 클라크 맥스웰은 가시광선도 입자들의 상호작용으로 발생하는 파장의 일종인 전자기파 Electromagnetic radiation(절대영도 이상의 모든 물체가 발산하는 에너지)라고 주장했다. 1913년 닐스 보어가 시작한 양자역학quantum mechanics도 비약적인 발전을 거듭하여, 물체의 스펙트럼을 분석하면 성분물질을 알아낼 수 있다는 사실을 밝혀냈다(완벽한 전자기 스펙트럼에는 -긴 파장부터 짧은 파장의 순서로- 라디오파, 극초단파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등이 있다). 이 같은 물리학적 발견들을 토대로 천문학자들이 천체가 발산하는 빛을 분석할 수 있게 되었으며, 그 결과 현대 천체물리학이 탄생하는 배경을 마련할 수 있었다.



우주를 구성하는 물질들

태양계: 태양계Solar System는 유일한 항성인 태양과 그 주위를 도는 천체들로 구성되어 있다. 태양 주위를 도는 천체들 중에서도 비교적 큰 천체들을 행성(항성 주위를 돌고 있는 핵융합반응을 하지 못하는 비교적 커다란 천체)이라고 한다. 태양계의 행성들은 크게 지구형 행성the Terrestrial planets과 목성형 행성(주로 수소처럼 가벼운 원소로 이루어진 커다란 행성)the Jovian planets으로 분류할 수 있다. 태양과 가까운 수성Mercury, 금성Venus, 지구Earth, 화성Mars 등은 지구형 행성이다. 지구형 행성은 주로 규소 성분의 암석과 다른 금속들로 이루어져 있다. 지구형 행성 중 가장 큰 행성은 지구이다. 목성Jupiter과 토성Saturn, 천왕성Uranus, 해왕성Neptune 등은 목성형 행성이다. 목성은 지구보다 부피가 300배나 큰, 태양계에서는 태양 다음으로 가장 큰 천체이다. 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 명왕성Pluto은 지구형 행성도 목성형 행성도 아니다. 현재 천문학자들은 명왕성을 해왕성 궤도 밖에서 찾을 수 있는 수많은 천체 무리 가운데 하나라고 생각하고 있지만, 아직까지는 태양계의 아홉 번째 행성으로 분류되고 있다. 수성과 금성을 제외한 행성들은 그 주위를 돌고 있는 달 혹은 위성(행성의 자연 위성을 가리키는 일반적인 말)을 가지고 있다. 지구형 행성의 위성은 오로지 세 개만이 알려져 있다. 지구 주위를 도는 달과 화성 주위를 도는 두 개의 위성이 그것이다.



우주 : 천문학의 핵심과제는 우주의 기원을 밝히는 것으로, 초기 우주에 대한 이해를 높여준 핵심적인 발견은 다음 세 가지이다. 첫 번째 발견은 모든 은하가 서로에게서 점점 더 멀어지고 있다는 허블의 법칙으로, 우주가 팽창하고 있다는 사실은 우주가 생성 초기에는 조밀하고 빽빽한 한 점에서 비롯되었다는 것을 의미한다. 두 번째 발견은 우주를 구성하고 있는 물질 중 약 75퍼센트는 수소이며, 나머지 25퍼센트는 헬륨이라는 사실이다. 세 번째 발견은 우주의 모든 방향에서 희미한 라디오파(에너지가 가장 낮은 전자기파)가 방출된다는 사실이다(우주배경복사cosmic background radiation라고도 하는 이 라디오파는 빅뱅 -고밀도 고온상태에서 우주를 탄생시킨 대폭발- 이후 우주가 팽창하는 과정에서 약해진 빅뱅의 잔열이라고 추정된다). 이 세 가지 발견 사실을 근거로 탄생한 초기 우주모형에 관한 가설이 바로 빅뱅이론the Big Bang이다.



당시 우주는 에너지를 물질로 전환시킬 수 있을 정도로 뜨거웠던 까닭에, 충분한 양의 수소를 헬륨으로 바꿀 수 있었다고 보고 있다. 빅뱅 이후에 어느 정도의 시간이 흘렀는지도 계산이 가능해진다. 은하들이 멀어지는 후퇴속도와 우주배경복사를 근거로 밝혀낸 우주의 나이는 대략 137억 년이다. 태양과 태양계는 45억 년 전에 우리은하에서 탄생했다고 한다. 그러나 빅뱅가설로는 설명할 수 없는 우주현상도 있다. 최근 새롭게 관측된 사실들은 천문학자들이 기존에 믿고 있던 우주관을 수정하도록 요구하고 있다. 은하들을 서로 끌어당기고 있는 인력이 작용한다면 지난 137억 년 동안 우주의 후퇴속도는 점점 더 느려져야 했다. 그런데 멀리 떨어져 있는 은하들을 관측한 결과, 은하 사이가 멀어질수록 후퇴속도는 감소하지 않고 오히려 증가한다는 사실을 알아냈다. 이처럼 인력에 반하는 가속현상이 일어나는 이유에 대해서는 아직까지 명확하게 밝혀지지 않고 있다.



PART 2. 지질학(Geology)



지질학은 지구와 그 구성 물질, 구조, 형태, 과정, 역사를 연구한다. 지질학은 물리학, 화학, 생물학을 기초로 천문학과 기후학에서 수학에 이르는 모든 학문을 망라하여 이용하는 통합적인 학문이다. 지질학은 크게 두 개의 분야로 분류한다. 지구의 형성과 자연적 진화를 탐구하는 역사적 지질학과 지구의 상태 및 그 물리적 구조와 체계를 설명하는 자연 지질학이 그것이다. 역사적 지질학을 통해 우리는 지질 연대표, 즉 학자들이 '지구의 나이'를 측정하고 분류하는 체계를 알 수 있다. 자연 지질학은 가장 높은 산에서 바다 밑바닥의 가장 깊은 해구에 이르기까지 지구상에서 가장 큰 구조의 형성을 연구하는 학문이다. 동시에 암석, 광물, 수정 등 작은 것들도 지질학의 연구 대상이다.



지질학의 역사

지구의 기원과 구성에 대한 생각은 인류가 생겨나면서부터 있어 왔다. 고대에 여러 철학자들이 자연적 세계에 대한 이론을 내놓았다. 피타고라스(기원전 약 569~480)는 산꼭대기의 바닷조개를 보고 시간의 경과에 따라 지구의 표면이 융기하고 내려앉는다는 사실을 처음으로 알아차렸다. 피테아스(기원전 300)는 조수를 설명했으며, 조수가 달의 힘에 의해 지배된다는 사실을 알아냈다. 에라토스테네스(기원전 약 276~194)는 상당히 정확하게 지구의 크기를 계산했다. 중국의 장홍(기원후 78~139)은 최초의 지진계를 개발했다.



계몽시대 이전에 대부분의 유럽 학자들은 창조주 예수 그리스도 이야기를 비롯해서 종교적 신념에 큰 영향을 받았다. 학자들은 성경을 추론하여 (46억 년이라는 오늘날의 추산에 훨씬 못 미치는) 약 6000년 전에 창조가 일어났던 것으로 결론을 내리고 지구의 나이를 추정하려고 했다. 반면 17세기의 몇몇 학자들은 오늘날에도 정확하게 여겨지는 몇 가지 이론을 발전시켰다. 철학자 데카르트Rene Descartes(1596~1650)는 지구의 나이는 성서 역사가들이 말하는 것보다 훨씬 많다고 처음 주장한 사람 가운데 한 사람이었다. 18세기에 박물학자 조르주루이 르클레르(1707~1788)는 6일 동안에 천지가 창조되었다는 유대 기독교의 창조론 대신 지구의 나이는 약 7만 5,000년으로 추정된다는 이론을 내놓았다. 1785년 아마추어 지질학자 제임스 허턴은 오늘날 동일과정설(同一過程說)이라 불리는 원칙을 주창했다. 즉, 지구의 전반적인 구조에 중요한 영향을 주는 대변동은 없었다고 말했다. 요약하면 지구의 역사는 길고, 점진적인 발달을 했다는 것이다. 이 이론이 현대 지질학의 토대가 되었다.



허턴의 이론은 초기에는 그다지 영향력이 없었지만, 영국의 지질학자 찰스 라이엘이 허턴의 이론을 발전시켜 널리 받아들이게 하는 데 공헌했다. 라이엘은 지구의 발달과 진화가 단기간에 이루어졌다는 성서에서 유래된 개념을 부정하고, 훨씬 오랜 기간에 걸친 과정을 통해 이루어졌다고 주장했다. 엄청나게 긴 '지질 시대'라는 라이엘의 개념은 지질학 연구뿐만 아니라 세상에 대한 이해에 큰 영향을 미쳤다. 이 개념에 힘입어 라이엘의 절친한 친구인 찰스 다윈의 진화론이 탄생했다. 진화론은 자연선택이 일어나는 데 필요한 지질 시대를 제시했다.



역사적 지질학

1755년 철학자 칸트가 제시한 개념은 지구의 형성에 대한 현대적 이론의 기초가 되었다. 칸트는 지구를 비롯한 행성들은 태양 주위를 떠도는 먼지 구름에서 융합된 것이라고 말했다. 칸트 이론을 발전시킨 현대적 이론은 다음과 같다. 대량의 가스와 먼지가 중력에 의해 회전하는 원반 모양으로 서서히 응축된다. 이 태양 성운이 융합을 계속하여 원반의 중심에는 태양이 형성되고 외곽에서는 이 물질을 중심으로 행성들이 모인다. 이러한 초기의 격렬한 충돌과 폭발에 의해 지구의 미네랄(일부는 계속해서 먼지의 형태로 도착하거나 우주에서 충돌한다)이 생성되었고 고온이 지구 전체를 녹였다. 이 시기에 무거운 물질은 중력에 의해 새로운 지구의 안쪽으로 끌려들어갔고, 가벼운 물질은 지구의 표면에 남아 있게 되었다. 지구는 차츰 냉각되면서 지구의 표면, 즉 얇은 지각(地殼)과 지구의 주요 부분을 구성하는 맨틀, 용해된 금속으로 된 액체의 중심핵 등 세 부분으로 나뉘었다.



중심핵 - 중심핵Core은 고체와 액체의 두 부분으로 나뉜다. 두 부분 모두 철과 황이나 산소 같은 더 가벼운 물질의 혼합물일 것으로 추정한다. 고체 상태의 내핵은 지구 표면에서 약 4,650킬로미터 깊이부터 시작되고, 액체 상태의 외핵은 지구 표면에서 약 2,900킬로미터 깊이부터 시작된다.

맨틀 - 지구 부피의 약 3분의 2에 해당하는 지구의 대부분은 맨틀Mantle로 되어 있다. 맨틀의 범위는 외핵으로부터 높은 산맥 아래의 대륙지각에서는 약 90킬로미터 깊이까지, 해양 아래의 해양지각에서는 5~8킬로미터에 불과하다. 맨틀의 대부분은 이산화규소(SiO₂)로 되어 있고, 풍부한 산화마그네슘(MgO)과 약간의 산화철(FeO, 소량의 다른 금속산화물)로 되어 있다. 지각에서 발견되는 이산화규소는 석영으로 알려져 있지만 맨틀의 열과 압력 하에서 발견될 경우 매우 다른 형태를 가진다.

암석권 - 종래에 지각crust이라 불리던 암석권Lithosphere은 지구 가장 바깥쪽의 고체층이다. 대륙지각의 두께는 30~90킬로미터이지만, 해양지각의 두께는 대개 5~8킬로미터에 불과하다. 대륙지각은 화강암을 비롯해서 비교적 가벼운 암석으로 구성되고, 해양지각은 주로 현무암으로 되어 있다. 지각과 맨틀은 모호로비치 불연속면(Mohorovicic, 혹은 Moho)으로 구분된다.



수권Hydrosphere(水界) - 지구상의 물은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재하고 그 상태는 표면과 지각 내부, 대기 중에서 발견된다. 지구에 있는 수분의 97퍼센트에 달하는 양이 대부분 해양에 내포되어 있다. 다른 2퍼센트는 극지방의 거대한 극빙polar ice과 산꼭대기와 고지대에 존재하는 빙하glacier, 만년설ice cap 등이다. 그 나머지는 강과 바다, 개울 등의 지표수와 지하수, 토양 수분이다. 지구 표면의 약 71퍼센트가 물(실제로 거의 전부가 바닷물이다)로 덮여 있고, 따라서 물은 지구에서 별개의 층을 구성한다.



대기권 - 대기권Atmosphere은 지구를 둘러싸고 있는 기체의 층이다. 낮은 대기권은 대류권과 성층권으로 구성된다. 대류권의 평균 두께는 약 11킬로미터이지만, 적도 주위에서는 16킬로미터이고 극지방에서는 8킬로미터에 불과하다. 대부분의 구름과 기상 현상은 낮은 대기권에서 일어난다. 성층권은 지구 표면에서 11~50킬로미터의 층이다. 성층권의 기온은 고도가 높아짐에 따라 약간씩 높아져서 최대 섭씨 0도(화씨 32도)까지 올라간다. 실제로 성층권과 공존하는 공간으로 대기권에 존재하는 대부분의 오존이 발견되는 오존층ozonosphere이 있다. 오존은 태양의 자외선을 흡수하기 때문에 지구상의 생명체가 계속 생존하는 데 필수 요소이다.



성층권의 위에는 높은 대기권, 즉 전리층ionosphere이 있다. 이곳에서 대기의 기체는 태양의 복사 작용에 의해 전리된다. 전리층은 지구 표면으로 돌아가는 특정한 파장을 반사하므로 지구 표면을 곡선