우연한 발견 이야기 – 안테나 고치려다 ‘태초의 빛’ 찾아.. 음극선 실험중 ‘X레이’ 발견도

‘우연’이나 ‘사고’는 과학과 어울리지 않는 단어다. 과학자들은 대부분 하고 싶은 연구주제를 명확하게 정한 뒤 목표를 향해 간다. 오랜 세월 지식이 축적되고, 어떤 방향이 옳고 어떤 방향은 틀렸는지 식별하는 노하우를 쌓아간다. 그래서 과학을 ‘경험의 산물’이라고 한다. 하지만 아이러니하게도 위대한 과학적 발견 중 상당수는 ‘우연’과 ‘사고’에서 얻어진 것들이다. 마치 콜럼버스가 인도를 가려다 북미 대륙을 발견한 것처럼. 또 사람들은 ‘연구실에서 수십년간 노력한 결과’라는 말보다는 ‘행운과 우연에 얽힌 이야기’에 더 관심이 많다. 그래서 ‘스토리텔링’이 가끔은 ‘진실’보다 강력한 힘을 보여주는 게 아닐까.

누구나 알고 있는 아이작 뉴턴이 ‘떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 발견했다.’는 얘기는 과학사가들 사이에는 정설이 아닌 것으로 알려져 있다. 뉴턴의 공식석상 발언이나 직접 쓴 글 어디에도 사과는 등장하지 않는다. 다만 그의 친구였던 윌리엄 스터클리가 쓴 ‘뉴턴전기’ 42쪽에 “어느 따뜻한 저녁 뉴턴은 정원에서 차를 마시며 과거를 회상했다. 그는 ’20년 전 난 이 정원에서 사과가 떨어지는 것을 보고 중력에 대해 생각하기 시작했다’고 말했다.”고 적혀 있다. 어쨌든 ‘천재인 뉴턴이 우주의 법칙을 발견했다.’는 것보다는 ‘사과가 인류의 대발견을 가져왔다.’는 쪽이 읽는 사람들 입장에서는 훨씬 더 흥미로운 일이라는 것은 분명하다.

세계 최대의 물리교육 사이트를 운영하는 ‘영국물리협회'(IOP)는 2일(현지시간) ‘노벨상을 받은 사고들’이라는 제목으로 우연이나 사고에서 얻어진 현대물리학의 3가지 발견을 꼽았다. 더하거나 빼거나, 보태거나 덜어내지 않은 ‘진짜배기 스토리’들이다.

● 펄서와 작은 초록 외계인

1967년 영국 케임브리지대의 박사 과정 연구원이자 초보 여성 천문학자인 조슬린 벨 버넬은 퀘이사(아주 멀리 떨어진 천체)에서 나오는 미약한 전파를 잡기 위해 새로운 전파망원경을 시험하고 있었다. 하지만 당초 예측했던 퀘이사의 신호뿐 아니라 다른 종류의 전파가 섞여 나왔다. 마치 사람의 맥박처럼 1.34초마다 한번씩 오는 신호의 정체에 대해 지도교수였던 앤서니 휴이시는 버넬의 실수를 의심했다. 버넬이 2년간 직접 만든 전파망원경에 문제가 있다고 판단했던 것이다. 버넬은 그 당시를 회고하며 “박사학위도 못 받고 쫓겨나는 게 아닐까 걱정했다.”고 말하기도 했다.

하지만 망원경에는 문제가 없었고 이들은 새로운 신호의 정체에 대해 고심하기 시작했다. 버넬은 신호에 ‘작은 초록 외계인'(LGM·Little Green Man)이라는 이름을 붙였다. 외계인이 보내는 신호일 수도 있다고 판단한 것이다. 시간이 지나면서 이들은 또 다른 방향에서 1.25초에 한번씩 오는 전파를 발견했다. 이때서야 휴이시 교수는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 전파가 있다는 점을 확신하게 됐고, 맥박처럼 규칙적인 신호라는 뜻에서 ‘펄서’라고 이름 붙였다. 펄서는 별의 죽음을 규명할 수 있는 중요한 증거였다. 펄서는 무거운 별이 마지막에 초신성 폭발을 일으킨 뒤 남은 중성자별이 내뿜는 전파이기 때문이다.

휴이시 교수는 펄서 발견에 대한 공로로 1974년 노벨 물리학상을 수상했다. 하지만 펄서에 대한 논문을 쓰면서 휴이시 교수는 자신의 이름을 맨 앞에 넣었고, 정작 펄서를 발견한 버넬은 노벨상을 받지 못했다. 다른 목적으로 만든 실험기구가 훨씬 더 놀라운 천문학적 발견을 이끌어낸 우연의 산물이 최악의 공적 가로채기라는 불명예를 안게 된 것이다. 버넬의 사례는 DNA 발견에 대한 공로를 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭에 빼앗긴 로절린드 프랭클린과 함께 ‘여성 과학계의 비극’으로 과학사에 기록됐다. 펄서 연구성과 발표 기자회견에서 버넬이 받은 질문은 ‘남자친구가 있느냐.’였다.

성경의 창세기는 조물주가 아무것도 없는 무에서 ‘빛이 있으라’고 한 후 세상이 시작됐다고 전한다. 그렇다면 과학은 ‘태초의 빛’에 대해 어떻게 설명하고 있을까. 137억년 전 우주대폭발(빅뱅)이 일어난 뒤 엄청난 혼돈이 이어졌고, 30만년쯤 지나자 우주공간이 맑아지면서 ‘빛’이 생기기 시작했다. 이를 ‘우주배경복사’라고 부른다. 우주배경복사는 1964년 미국 벨연구소의 엔지니어인 아노 펜지어스와 로버트 윌슨이 처음으로 발견했다. 하지만 이들이 원래 찾았던 것은 태초의 빛이 아니었다. 두 사람은 새롭게 개발된 고성능의 통신용 마이크로파 안테나를 시험하고 있었다. 버넬과 마찬가지로 이들은 정체불명의 전파 잡음을 계속 수신하게 된다. 방향을 아무리 바꿔도 같은 파장의 전파 잡음이 계속됐고, 두 사람은 새똥을 치우거나 새를 쫓아내는 등 안테나의 문제를 찾기 위해 애썼지만 허사였다. 망원경의 성능 자체에는 자신이 있었던 둘은 안테나에서 나타나는 현상을 설명할 수 있는 이론을 찾기 시작했고, 결국 러시아 출신의 미국 천문학자인 조지 가모프가 1948년 논문에서 예측했던 현상과 새로운 발견이 일치한다는 사실을 알아냈다.

우주배경복사가 망원경의 모든 방향에서 동일하게 관측된다는 것은 빅뱅에서 시작된 태초의 빛이 지금도 계속되는 우주의 팽창과 함께 모든 방향으로 균등하게 뻗어가고 있다는 것을 의미한다. 망원경을 수리하려던 사람들이 당시 증거 부족으로 입지가 불안했던 빅뱅의 핵심 근거를 찾아낸 것이다. 두 사람은 1978년 노벨 물리학상을 받았다.

● 첫 노벨상 수상자도 우연의 수혜자

‘우연’에 의한 노벨 물리학상 수상의 역사는 길다. 1901년 첫 노벨상 시상식에서 물리학상을 받은 빌헬름 뢴트겐이 시초다. 독일 뷔르츠부르크대 물리학 교수였던 뢴트겐은 1895년 자신의 실험실에서 음극선의 성질을 알아보기 위해 진공 유리관에 전류를 통하게 하는 실험을 하고 있었다. 실험 중 뢴트겐은 옆에 놓아둔 진공 유리관에서 종이를 뚫고 지나가는 강한 빛이 나온다는 것을 알게 됐다. 여러 가지 물질로 이 새로운 빛의 성질을 시험하던 뢴트겐은 이 광선이 밀도가 낮은 나무, 천, 종이 등은 쉽게 통과하지만 밀도가 높은 물질은 통과하지 못한다는 점을 발견했다. 뢴트겐은 수학에서 ‘미지수’라는 의미를 가진 ‘X’라는 이름을 이 광선에 붙였다. 또 아내인 베르타를 실험실로 불러 인류 최초의 ‘손 X레이 사진’을 찍었다. 당시 자신의 손 X레이 사진을 본 베르타는 “마치 나 자신의 죽음을 들여다보고 있는 기분”이라고 표현했다.