사실 계산은 쉽습니다. 지구의 중력을 탈출할 만큼의 속도, 그 속도를 유지하기 위한 출력, 그 출력을 감당하기 위한 엔진, 그리고 엔진에서 소모되는 연료와 연료의 양은 마음만 먹으면 고등학생도 너끈히 풉니다.
근데 왜 불가능하다고 생각했을까요? 계산이 어려워서는 아니거든요. 로켓 엔진의 테스트 과정을 동영상을 통해서라도 보신 분들은 그 모든 기계적인 파트의 정교한 조합만이 우리가 원하는 막대한 출력을 낼 수 있다는 걸 느끼게 됩니다. 쉽게 말하면 공학적인 문제이지요. 어떻게 설계해야 최소의 비용으로 최적의 효과를 얻을 수 있을까 하는 것이 공학의 기초 정신입니다. 그 당시는 자동차나 어떻게 잘 만들 줄 알았고, 어찌어찌해서 인공위성이나 탐사선 같은 건 쏘아올릴 줄 알았어도, 살아있는 인간이 달에 가기 위해서 우주선을 어떻게 설계해야 하는 지에 대해서는 전혀 지식이 없는 상태였습니다. 사족을 달자면, 인간이 달에 가는 것이 불가능했던 시절에도 인간은 우주를 직접 탐사하고 있었습니다. 인간과 달 이야기를 '영구기관'을 발명하는 데에 독려를 하기 위한 일화로 인용하고 싶다면, 그 당시 이미 인간은 자신의 기술에 대해 한계를 잘 이해하고 있고 그 수준에 맞는 그 당시의 첨단을 달리고 있었다는 사실을 언급하지 않으면 안됩니다.
여기서 말하는 불가능이란 예를 들면 이런 것입니다. 어떠한 조작을 가하지 않고 단지 지표면 위 1m에서 손끝만을 가지고 주사위를 던져 연속 10번으로 6이 나오게 하는 경우 같은 것입니다. 저는 지금 확률을 얘기하는 것이 아닙니다. 분명히 현실적으로 가능한 경우임에도 불구하고, 원하는 결과를 얻기 위해서는 피나는 연습과 노력이 겸비되어야 한다는 것입니다. 이 정신은 끝내 인간이 달에 발도장을 찍게 합니다.
영구기관은 어떨까요? 이 질문에 앞서, 사실 과학자는 절대로 패러다임에 갖혀서는 안됩니다. 패러다임을 깨기 위한 노력은 당장은 욕을 먹더라도 언젠가는 과학사의 큰 획을 긋는 데에 일조합니다. 천동설과 지동설, 뉴턴과 아인슈타인, 당장 생각나는 것은 이 정도 뿐입니다만 그 당시 위의 논란들은 세상을 매우 뜨겁게 달구었습니다.
천동설과 지동설은 어떤 케이스일까요? 과학이라는 것은 항상 실험을 통해 입증되어야 합니다. 왜냐하면 과학, 즉 자연과학이라는 것은 자연을 다루는 학문이기 때문입니다. 뉴턴의 방정식, F=ma가 우주를 이루고 있는 것은 아닙니다. 실제로 '자연스럽게', 즉, 원래 그러하듯이 물체는 힘을 받으면 새로이 움직이게 됩니다. 이 현상을 설명한 것이 F=ma 일 뿐이지 이 식이 우주를 지배하는 것은 아니다 이 말입니다. 그렇기 때문에 모든 것은 실험을 통해 진실을 규명하여야 합니다. 천동설은 그 당시 지적수준의 인간들에게는 매우 당연한 이론이었습니다. 당장 나가서 하늘을 오랫동안 보세요. 해가 뜨거나 지는 시간이면 더욱 좋습니다. '과학을 전혀 배우지 않은' '지성의' 인간이라면 별과 달, 태양이 하늘을 가르며 운행한다고 보이지 절대로 지구가 움직인다고 생각하는 정신나간 미친 사람은 없을 거라는 말입니다. 하긴 그 당시에는 종교가 이성을 억압했던 시대였으니 종교의 입김도 큰 영향을 끼쳤습니다만 논외로 둡시다. 중요한 것은 그 당시 사람들도 자기들의 지성과 경험, 즉 관찰을 통해 결론을 내렸다는 것입니다. 지동설을 주장한 대표적인 과학자 중의 한 명인 케플러는 심지어 천동설의 대가(이름이 기억이 안 납니다, 타코 브라헤??)와 협력하기도 했습니다. 천동설 지지자의 뛰어난 시력과, 케플러의 수학적 능력이 합쳐져서 지동설이 힘을 얻게 되었다는 이야기를 알런지도 모르겠습니다. 역시 결국에는 자연의 관찰과 입맛에 맞는 지성, 즉 수학이 더욱 진실일 것이라고 생각하는 것에 도달하게 만들어줍니다.
뉴턴과 아인슈타인의 경우도 마찬가지입니다. 뉴턴의 역학은 매우 인간적인 스케일에서 참입니다. 새가 날아가고 야구공이 낙하하고 물레방아가 회전하는 등의 자연현상은 뉴턴역학을 통해 설명이 됩니다. 하지만 태양의 중력에 의해 빛이 휜다거나, 계의 속도의 차이가 시간의 차이를 만들어낸다는 현상은 뉴턴역학이 책임질 수 없는 현상들이었습니다. 이유는 뉴턴역학이 수학적으로 매우 깔끔한 식으로 보이기 때문에 우주를 지배하는 듯한 방정식이라고 느껴질지라도, 어쨌거나 앞에서 말한대로 인간적인 스케일에서만 참인 방정식이기 때문입니다. 아인슈타인의 상대성이론은 넓은 스케일에서의 세상을 설명할 수 있습니다. 비록 아인슈타인이 빛의 속도에 가까운 운동은 즐겨보지 못했을지라도 이 논점이 시사하고 있는 건설적인 내용 중 하나는, 역시 마찬가지로 모든 이론은 실험을 통해 입증이 되었다는 것입니다. 만유인력의 법칙, 관성의 법칙, 작용 및 반작용의 법칙은 뉴턴이 책상에서 머리를 싸매어가면서 만든 것이 아니라 수차례 실험을 통해 '입증'한 것입니다. 아인슈타인의 상대성 이론도 후대 과학자들에 의해서 입증이 되었습니다. 아인슈타인을 신봉해서가 아니라 철저히 계획 하에 이루어진 실험의 결과가 그러하였기 때문입니다.
아인슈타인 하니까 생각나는 것이 양자역학인데, 아인슈타인은 양자역학을 부정하였습니다. 근데 그거 아시는지 모르겠는데, 아인슈타인이 양자역학을 부정하기 위해 설계한 실험의 결과가 결국에는 양자역학적인 개념들이 사실이었다는 것을 반증했었답니다. 사실인지는 모르겠습니다. 아인슈타인도 떼를 쓰고 우기다가도 결국에는 실험이라는 방법을 통해 자신의 신념을 설명하려고 했다는 것을 기억해주세요.
영구기관의 발명은 어떤 문제인가를 설명하려면, 애석하게도 원래의 의도와는 달리 약간의 지루한 설명이 첨가되어야 할 것 같습니다. 에너지는 말 그대로 일을 할 수 있는 능력입니다. 반대로 일을 하게 되면 시스템의 에너지가 증가하게 됩니다. 에너지는 무엇일까요? 열이나 빛, 움직이는 물체의 속도 등이라고 볼 수 있겠습니다. 일은 무엇일까요? 무거운 짐을 오래 들고 있으면 그것도 일이라 할 수 있고, 엎드려서 기합을 받고 있어도 일이라고 할 수 있습니다. 하지만 일의 정의는 물체가 힘을 받았을 때 이동한 거리에 그 힘을 곱한 것입니다. 왜 이런 정의가 내려진 것일까요? 택배 하차장 알바를 했던 사람이라면 오래 들고 있을 수록 일을 많이 했다고 얘기할 수도 있을텐데 말이죠. 힘은 또 무엇일까요? .. 매우 주관적일 수밖에 없는 과학 용어들(Work, Energy, Force...)에 내려진 정의는 단순히 과학자들의 취향이 아닙니다. 정말 수많은 실험을 거쳐서 현상을 거의 완벽하게 설명하기 위한 네이밍 과정입니다. 힘X(움직인 거리)로 일을 정의해보았더니, 일정한 크기라고 생각되는 에너지원을 통해 어떤 물체에 다양한 크기의 힘을 가해본 결과, 움직인 거리가 힘에 반비례하더라 이 말입니다. 힘은 또 어떻게 정의할까 고민을 해봤더니, 결국에는 F=ma라는 식이 도출된 것입니다.
이 에너지를 측정, 계산하기 위해 많은 도전이 있었습니다. 수학적으로, 또는 실험적으로 수많은 과학자들이 수차례 시도해본 결과가 지금 교재에 쓰여있는 동역학, 열역학, 양자역학 등에서 볼 수 있는 수식입니다. 에너지를 다루는 대표적인 학문은 열역학입니다. 열역학은 차갑고 뜨거운 것을 다루고 엔진과 냉장고, 화학반응을 다루는 학문이지만, 열역학을 대표하는 3개의 법칙 중 첫 번째 법칙은 에너지 보존 법칙입니다.
에너지는 새로 생성되거나 없어지지 않는다.
지금의 21세기를 살아가는 학자들에게는 정말로 당연한 사실입니다. 혹자는 이것이 그야말로 당연하다고만 이야기되기 때문에 틀릴 수도 있지 않느냐 반문합니다. 하지만 이 단순한 사실을 증명하기 위해 얼마나 많은 실험들이 있었는지 모릅니다. 에너지라고 하는 것을 정의하고 그것의 타당성을 입증하기 위해 수많은 가설이 제기되었을 것입니다. 사실 정말 우주의 원동력이라고 하는 것은 증가하거나, 혹은 감소하고 있는 것이 틀림없는데 우리가 실수로 신의 의도와 상관없는 어떤 성질을 가지고 그것이 에너지라고 정의했을 수도 있습니다. 제가 지금 그런 역사를 되짚어나가려고 하는 것은 아닙니다. 정 궁금하시다면 도서관에 책이 많이 있으니 직접 가셔서 살아있는 과학의 역사를 읽어보시기 바랍니다. 자연과학은 정치로부터 안전합니다. 거짓말을 하지 않는다는 뜻입니다. 제가 굳이 일일이 이야기를 해가며 저 법칙을 설명하지는 않겠습니다.
영구기관 얘기로 돌아갑시다. 기관, 즉 엔진이라고 하는 것은 에너지를 변환하는 것을 말합니다. 자동차의 엔진은 가솔린의 화학적 에너지를 바퀴의 회전 에너지로 변환시키는 장치입니다. 절대로 엔진은 에너지를 '창출'해내는 것이 아닙니다. 화력발전소는 열을 운동에너지로 변환시킵니다. 수력발전소는 운동에너지를 운동에너지로 변환시킵니다. 전자의 운동에너지는 중력에 의해 생겨나고 후자의 운동에너지는 발전소의 코일의 회전에너지가 됩니다. 모든 동력기관은 에너지 변환입니다. 이 사실까지 부정하신다면 할 말 없습니다.
영구기관이라는 것은 일정한 양의 동력을 제공하게 되면 그 에너지가 영구기관을 통해 무한정 우리가 필요한 에너지로 전환되는 기관이겠지요. 넣는 건 10을 넣는데 어떻게 100이 나오겠습니까? 빨간 공 10개가 파란 공 10개로 바뀌면 바뀌었지 빨간 공 100개가 나오지는 않는다는 말입니다. 이 정도 설명이면 충분합니다.
중력기관이라고 하는 신조어가 요즘 유행인 것 같은데, 무슨 말인지는 잘 알고 있습니다. 어떤 메카니즘이 중력장에 놓여져 있으면 그것이 계속 회전하거나(영구운동), 계속 에너지를 발생(변환)시키는(영구기관) 시스템인 것 같습니다. 첫째로 영구운동은 가능합니다. 일반적인 실험실에서 충분히 공기저항이 없다고 생각되는 진공을 만들 수 있습니다. 10^-8~10^-9 torr 정도는 쉽게 잡습니다. 거기서 잘 설계된 베어링에 바람개비 하나 박아놓고 돌리면 꽤 오래 돌아갈 겁니다. 몇 십억 년을 자전, 공전했던 지구와 달, 그리고 더 오래되었을 은하와 다른 별들의 움직임도 마찬가지입니다. 움직이던 물체는 계속 움직인다고 뉴턴이 말했습니다.
중력을 통해 계속해서 에너지를 발생시키는 기관은 어떨까요? 중력은 보존력입니다. 무슨 말이냐면, 내가 A에서 B로 가고 싶은데, 마찰이 큰 길로 가는 경우에는 마찰이 적은 길로 가는 경우보다 에너지가 훨씬 많이 소모됩니다. 이 경우에는 A에서 B로 갈 때, 경로에 따라서 내가 필요한 에너지의 양이 다르다는 것입니다. 손바닥을 한 번 문질러도 제자리에 오지만 100번을 문질러도 제자리에 옵니다. 근데 발생되는 열은 다르죠? 마찰은 비보존력입니다. 경로에 따라서 에너지의 소모 및 취득량이 달라집니다. 근데 중력은 아닙니다. 중력만 작용하는 경우, C에서 D로 이동할 때 그 경로가 어떻게 되었든 내가 그 경로를 통과하기 위해 필요한 에너지의 출입량은 항상 같습니다. 중력은 보존력입니다. 중력장에서 물체가 움직일 경우에 필요한 에너지 출입량은 경로에 무관합니다. 에너지가 보존된다는 말입니다.
어떤 중력기관을 상상하고 계실지는 모르겠지만 그 기관의 사이즈는 한정되어 있을 것이고 그 기관에서 에너지를 발생시키기 위해 사용되는 기계적인 파트가 움직이는 거리도 유한할 것입니다. 모든 공기저항, 표면마찰을 무시한, 아주 순수한 중력장 아래에 놓여있게 되면, 그 파트들이 위치가 이리저리 바뀌면서 에너지를 주고받게 됩니다. 에너지가 주고받는다는 말은 그 운동에너지가 다른 파트의 운동에너지가 될 수도 있고 아니면 물을 끓이거나 공기를 데우거나 하는 등의 열에너지로 변환될 수도 있다는 것입니다. 열에너지는 손실없이 교환된다고 가정합시다.(엔트로피는 열에너지의 손실에 관한 개념이 아닙니다.) 그럴지언정 기관은 어떤 '주기성'을 갖게 될 것입니다. 주기성이 있다는 것은, 어떤 시점에서의 영구기관이 가지고 있는 에너지와, 그 다음 시점, 즉 한 주기를 운동하고 난 후의 영구기관이 가지고 있는 에너지는 동일하다는 것입니다. 왜냐하면 중력은 보존력이기 때문이고, 열에너지는 손실되거나 생성되지 않기 때문입니다.
피곤해서 글은 더 이상 못 쓰겠네요. 처음에는 영구기관을 입에 닳도록 이야기하는 사람들을 보고 한심하다고 생각했습니다만, 아무래도 대화를 통해서 서로의 생각을 듣고 무엇이 더 진실인지 함께 이야기해봐야 할 것 같다는 생각이 듭니다. 그러기 위해서는 영구기관을 발명하려고 하는 사람들도 절대로 귀를 닫지 마시고 마음을 열고 함께 대화해보았으면 좋겠습니다..
