기초일반화학 : 물질세계 개념 1 - 원자론

최초의 물질이론

 

 고대 그리스 철학 초기의 탐구주제는 인간을 포함한 자연에 대한 물음이었습니다. 즉, "자연은 어떻게 만들어졌는가?"와 "자연은 왜 변하는가?"로 함축되는 2가지 물음은 자연철학의 주된 주제였습니다.

 

이러한 자연에 대한 2가지의 주된 물음은 물질의 구성입자, 즉 오늘날 우리가 '원소'라 불리는 자연의 최초의 구성성분에 대한 탐구를 일으켰는데요.

 

 

이러한 원소에 대해 처음으로 관심을 갖고 해답을 구한 사람은 '철학의 아버지'라고 불리는 고대 그리스의 철학자 탈레스입니다.  탈레스는 만물의 근원을 '물'이라고 주장하였는데요. 그에 의하면 우리가 살고 있는 땅도 물위에 떠 있다라고 주장하였습니다.

 

탈레스 이후 물질의 근원에 대해 탐구한 사람은 고대 그리스의 철학자 아낙시메네스입니다. 그는 만물의 근원이 '공기'라고 주장하였는데요. 그가 생각하기에 공기는 '지속적인 운동을 하는 무한한 실체'이며 모든 사람은 공기를 통해서만 호흡이 가능하므로 구체적이고 감각할 수 있는 실체로서 공기는 만물의 근원이라고 주장하였습니다.

 

또 다른 그리스의 철학자 헤라클레이토스는 그의 유일한 저작인 '자연론'이라는 책을 통해 '만물은 끝없이 변화한다'는 자신의 철학을 표현하였는데요.

 그의 대표적인 유명한 말로는, "같은 강물을 두번 걸어 들어갈 수 없다. 왜냐하면 다른 물들이 계속 흘러들어오기 때문이다. 변화하기 때문에 영원한 것은 없다. 변화하기 때문에 남는 것은 아무 것도 없다"는 문구가 있습니다.

 

 이 문구는 세상의 모든 물질(만물)은 변화와 소멸이라는 과정을 거침으로써 물질의 변화에 대한 생각을 표현하였으며, '변화'를 세상의 원리로 보았는데, 바로 글의 제일 서두에 언급한 철학의 주된 탐구주제인 자연에 대한 2가지 물음 중 2번째인 "자연은 왜 변하는가?"에 대한 답변인 것입니다. 즉, 물질의 생성과 분해에 대한 답인 것입니다. 

 

 참고로 헤라클레이토스는 '불'을 만물의 근원으로 보았는데요. 그 이유는 다른 물질들은 다 변화하지만 오로지 '불'만이 변하지 않는 유일한 물질이라고 생각했기 때문입니다. 

 

 

왼쪽부터 탈레스-아낙시메네스-헤라클레이토스 

 

이처럼 만물의 근원을 물질에서 찾았던 고대 그리스 밀레토스 학파의 대를 이은 자연철학자들은 이후 엠페도클레스의 4원소설을 통해 물질의 근원을 1가지가 아닌 물, 공기, 불, 흙의 4가지 원소를 통해 자연의 물질세계를 설명하게 됩니다.

 

 

▶ 4 원소설 - 엠페도클레스[Ἐμπεδοκλῆς, BC 493 ~ BC 430]

 

 엠페드클레스의 철학은 이전에 많은 철학자들이 주장한 '세상의 근본은 하나이다'라는 주장과 달리 세상은 물, 공기, 불, 흙이라는 4가지 원소로 이루어져 있다고 주장하였습니다. 이 주장에 의하면, 이들 4원소는 그 어느 것도 우세하지 않고 일정한 비율로 이세상을 구성하는데, 이들 원소들은 서로 사랑과 다툼을 지속하고 있으며, 이러한 끊임없이 지속되는 과정을 통해 결합과 분리가 이루어지고 있다고 설명하였습니다. 즉, 사랑을 통해 각 원소들은 서로 결합하여, 새로운 물질을 만들어 낼 수도 있으며, 반대로 다툼을 통해 각 원소는 서로 분리되어 원소를 뿔뿔히 흩어지게 할 수 있다고 주장한 것입니다. 어찌보면, 현대의 물질의 생성과 분해과정이 이 엠페도클레스의 4원소론의 사랑과 다툼이라는 이론과 일치한다고 볼 수도 있습니다.

 

 

 

 

 

▶ 입자설 - 데모크리스토[Δημόκριτος, BC 460? ~ BC 370?]

 

서구 과학사에서 데모크리토스는 스승인 레오키포스와 더불어 원자설의 창시자로 기록됩니다. 원자설은 세계의 모든 사상을 원자와 그 운동으로 설명하려는 학설로써, 원자설은 현대 물리학의 주류 학설이기도 합니다.

 

데데모크리스토는 물질을 계속 쪼개다 보면 더 이상 나뉘어질 수 없는 아토모스(Atomos), 즉, '자를 수 없는'것으로 남는 다고 주장하였는데요. 이것이 오늘 날 원자(atom)가 남는다는 원자론의 시초입니다.

 

 데모크리토스에 따르면, 모든 물질은 더 이상 나눌 수 없는 입자로 이루어져있으며, 그 숫자는 무한대인데 입자사이에는 빈 공간이 있으며 세상의 모든 물질은 원자와 빈 공간으로 인해 구성된다고 했습니다. 

 

그가 내세웠던 이러한 입자설은 빵을 그 예로 들었는데요. 빵집에서 빵을 새로 구웠다고 가정을 했을 때, 우리는 빵집에서 굽고 있는 빵을 밖에서는 볼 수 없지만, 빵집에서 나오는 빵냄새를 통해 새로운 빵을 굽고 있다는 것을 알 수 있습니다.

 

 여기서 데모크리토스의 입자설은 빵집에서 빵을 새로 굽고 있을 때 빵의 입자가 빵집에서 빈 공간을 통해 이동하여 우리의 코까지 이동했기 때문에 냄새를 맡을 수 있다는 것입니다. 

 

 

 

 

 

 

▶ 연속설 - 아리스토텔레스[Ἀριστοτέλης, BC 384 ~ BC 322]

 

 이와 대조적으로 아리스토텔레스는 운동,공간, 시간은 연속적이며 연속적인 것은 무한한 나뉠 수 있다는 연속설을 주장하였습니다. 그에 의하면 자연계에는 빈 공간이 존재할 수 없으므로 물질은 연속적이며 없어질 때까지 계속 쪼갤 수 있다는 것인데요. 바꾸어말하면, 물질은 계속 쪼개면 없어질 수 있다는 것입니다.

 아리스토텔레스에 의하면 빈 공간조차도 어떠한 무언가의 미세하게 쪼개진 세계의 일부이기 때문에, 세계는 빈 공간 없이 가득차 있다라고 주장하였기 때문에 '연속설'이라고 부릅니다. 

 

참고로 아리스토텔레스는 일상생활에서 볼 수 있는 것으로 자신의 연속설의 정당성을 주장하였는데요. 예를 들면 

빈공간이 없기 때문에, 공기를 압축하면 당연히 공기들끼리 뭉쳐져서 진해진다는 것입니다. 그래서 불을 피울때 발생하는 연기도 압축하면 더 검게 진해지는 것이라고 주장하였습니다. 

 

이러한 아리스토텔레스의 연속설은 아리스토텔레스가 가지는 명성에 힘입어 중세 연금술의 이론적 근거가 되는 등 향후 약 2천년간 물질을 다르는 학문에 기본정설이 됩니다. 그러다가 화학의 문을 연 17세기의 보일(Robert Boyle)의 그 유명한 '보일의 J자관 실험'을 통해 '빈 공간이 존재한다'라는 사실이 입증함으로써 아리스토텔레스의 '연속설'은 깨지고 그 대신 데모크리토스의 '입자설'이 정설로 받아들여지게 됩니다. 

 

 

 

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