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1. 개요
原 子 論 / Atomic theory세계의 모든 물질은 원자로 이루어져 있다는 이론.
고대 그리스 철학자 레우키포스에 의해서 등장하고 데모크리토스에 의해 정립된 것이 현재의 원자론의 기원이 되었다. 데모크리토스의 학설은 에피쿠로스 학파에 의해 계승되었고, 당대에 4원소설을 지지하는 학자들과 논쟁을 벌였다. 그러나 로마 말에 학맥이 끊기게 되어 중세 때는 보이지 않았다.
이후에 중세 유럽에는 없었던 문헌이 근대 초입에 번역되어 가상디와 보일과 같은 학자에 의해 연구되었고, 당대에 어느정도 입지를 갖춘 4원소설과 다시 이론 경쟁을 하게 된다.
2. 고대 원자설
2.1. 레우키포스 이전 철학자들
원자설의 등장 이전의 상황에 대해서는 4원소설 문서 참고.분명 원자설을 처음 주장한 사람은 레우키포스였지만, 그런 주장이 등장하는 데에는 아낙사고라스의 영향이 컸다.
아낙사고라스는 아페이론을 아르케라고 보았던 아낙시만드로스와 같이 세계를 무한정한 것으로부터 전개된 것으로 본다. 그러나 그는 밀레투스학파의 입장을 완전히 공유하지는 않고 엠페도클레스와 같이 존재들의 섞이고 분리되는 것으로 인해 만물이 형성되거나 소멸한다는 주장을 제기하였다. 다만 엠페도클레스와 그의 주장의 차이점이 있었는데, 엠페도클레스는 어떠한 것들이 섞이고 분리하는 것 모두 복합물의 생성 원인이자 소멸 원인으로 보았다. 반면 아낙사고라스는 오로지 생성은 섞임으로 인해, 소멸은 분리에 의해 나타나는 것이라는 주장을 한다.
아낙사고라스의 자연철학은 엠페도클레스와의 또 다른 차이점이 존재한다. 엠페도클레스는 각각의 실체는 4원소의 결합으로 형성되며, 해체되면 4원소로 다시 돌아간다는 주장을 폈다. 그러나 아낙사고라스는 이러한 엠페도클레스의 입장에 대해서 동의하지 않는다.
2.2. 레우키포스와 데모크리토스
레우키포스가 원자론을 정립하고 데모크리토스가 발전시킨다. 이때 인과론이 원자론 학파의 주요 이념으로 편입된다.2.3. 에피쿠로스와 루크레티우스
2.4. 4원소설과 고대 원자설
기하학적 원자설로 원자설과 4원소설 사이를 절충하려는 플라톤의 시도도 존재하였다. 그러나 아리스토텔레스나 스토아 학파의 4원소설이 완성되면서 이후의 4원소설은 이것을 좀 더 보충한 것에 불과했다.3. 근대 원자설
3.1. 원자설의 부활
3.2. 로버트 보일의 입자 철학
그 후 영국의 과학자 로버트 보일이 보일의 법칙을 발견하였다. 보일의 법칙이란 일정한 온도에서 기체의 부피와 기체의 압력은 서로 반비례한다는 것인데, 예를 들면 기체의 부피가 두 배 올라갈 때마다 압력은 2분의 1이 된다는 것이다. 또 그는 그의 조수 로버트 훅과 공기 펌프를 만들어 대기 입자의 존재를 공기의 탄력으로 설명했다. 이것을 계기로 보일의 법칙이 나온것이다. 그 후 계속 그는 불과 공기, 즉 연소와 산소의 연구를 하여 불이 입자로 되어있다고 했다.4. 원자설에서 원자론으로
4.1. 돌턴의 원자설
이후 19세기 초, 존 돌턴이 질량 보존의 법칙과 일정 성분비의 법칙을 설명하기 위해 원자설을 제시하고, 가설을 뒷받침하는 배수 비례의 법칙을 연이어 제시한다. 돌턴이 제시한 원자의 속성은 다음과 같다.- 물질은 원자라고 부르는 더 분할할 수 없는 작은 입자로 구성되어 있다. (후에 양성자,중성자,전자등이 발견되어 파기.)
- 같은 원소의 원자들은 동일하며, 같은 성질들을 갖고 있다. (동위원소들과 이온 발견으로 파기.)
- 화합물은 다른 원소들의 원자들로 구성되어 있으며, 작은 정수비로 결합되어 있다.
- 화학 반응은 단순히 원자들이 자리를 옮겨서 다른 조합을 이루는 것이다.
- 원자는 새로 생성되거나 사라지거나 다른 원자로 바뀔 수 없다. (핵융합,핵분열의 발견으로 파기.)
- 두 종류의 원자가 결합하여 만들어지는 화합물이 한 종류라면 두 종류의 원자가 1:1의 비례로 결합한 이원자 화합물이다.
다만 이후 기체 반응의 법칙이 발견되면서 이 학설에 모순이 생기고, 이를 아보가드로가 분자론을 발표하면서 수정한다. 정작 돌턴은 아보가드로의 분자론을 받아들이지 않았고, 당시 돌턴이 학계에서 확고한 지위에 있었기 때문에 아보가드로의 분자론은 아보가드로 생전에는 인정받지 못하였다.
4.2. 물리학에서의 원자설
본래 돌턴 등의 원자설은 화학반응과 화합물의 조성을 설명하기 위한 것으로 고전적인 물리학과는 무관하였으나, 19세기 열역학의 발전으로 기체의 물리적 성질을 설명할 필요가 생겨, 클라우지우스 등이 기체 분자 운동론의 형태로 (화학의 원자론과는 별개로) 원자론을 도입하였다. 이후 루트비히 볼츠만의 업적을 통해 고전 통계역학이 완성되었으나, 그 기반이 된 원자의 존재 자체는 물리학의 관점에서는 입증불가능한 것이었으므로 물리학에서는 논란의 대상이었다. 예컨대 마하 수(Mach number)를 제창한 19세기의 독일 물리학자 에른스트 마흐는 볼츠만을 공개적으로 공박하며 원자의 존재를 믿을 수 없다고 주장하기도 했다. 당시의 에른스트 마흐는 과학이라기 보단 철학에 가까운 주장을 펼쳤다. 당시 발견된 맥스웰 방정식을 필두로, 모든 물리운동을 전자기학적 장이론을 통해 설명하려고 했기 때문이다. 떠오르는 신성이었던 천재 물리학자 볼츠만은 비판에 크게 상심하여 이후 불행한 만년을 보낸다.이후 원자가 존재한다는 증거가 다양한 방면으로 나타나게 된다. 1894년 조지프 라모어는 원자론에 영향을 받아 전자라는 입자가 존재할 것이라고 예측했고 1897년 조지프 존 톰슨이 전자를 발견하여 그를 입증한다. 1899년 레일리는 레일리 산란을 이용하여 단위부피당 공기분자의 숫자를 계산한다. 1905년 아인슈타인은 브라운 운동을 이론적으로 분석하고 1908년 페랭이 브라운 운동을 측정하여 아보가드로 수를 결정한다. 1910년 밀리컨은 기본전하를 재어 진정으로 직접적인 방식으로 아보가드로 수를 결정한다. 1912년 라우에가 X선 회절 실험으로 결정의 원자 사이 간격을 측정하면서 물리학에서 원자의 존재는 의심의 여지가 없게 된다.
하지만 동시에 돌턴의 원자론과 충돌하는 것처럼 보이는 개념들이 등장하였다. 1896년 베크렐은 방사선을 발견했고 1903년 어니스트 러더퍼드와 프레더릭 소디는 방사선이 원소의 변환으로 인해 나오는 것이라고 발표했다. 또한 1910년 소디는 화학적 성질은 같지만 방사성 붕괴방식이 다른 동위원소가 있다는 사실을 밝혀낸다.
돌턴의 정의와 맞지 않아 문제가 되었던 원자의 개념은 어니스트 러더퍼드가 1911년 원자핵을 발견한 후 1919년 핵을 이루는 양성자를 발견하고 제임스 채드윅이 1932년 중성자를 발견하면서 앞선 문제들을 설명할 수 있는 새로운 원자모형으로 재탄생하게 된다.
화학적 원자의 물리적인 정체 또한 밝혀지기에 이르른다. 하이젠베르크등에 의해 모든 것을 파동함수에 대한 연산으로 표현하는 양자역학이 대두되었고, 파동함수는 고전적 파동과는 다르게 양자화된 파동의 형태로 이해되었다. 양자역학에 힘입어 전자의 오비탈로 원자의 화학적 성질과 원자간 화학결합을 설명하는 물리화학이 등장하게 된다. 물리화학 이후로 화학에서의 원자론은 물리학에서의 원자론과 완전히 합치된 상태이다. 더 이상 원자설에 대해서 반박할 여지가 없이 쐐기를 박았다고 볼 수 있다.
5. 그 외
돌턴의 원자기호들은 연금술사들이 별과 금속을 표기하는 기호들에서 유래되었다.상좌부 불교, 특히 아비담마 논서에서는 '깔라빠(kalapa)'라는 원자의 존재를 논한다. 깔라빠는 다양하게 나뉜다. 먼저 구체적인 물질이 있는데, 땅의 성질, 물의 성질, 불의 성질, 바람의 성질, 물질, 냄새, 맛, 영양분,[2] 생명기능,[3] 눈 감성물질, 귀 감성물질, 코 감성물질, 혀 감성물질, 몸 감성물질, 심장 토대, 남성 물질, 여성 물질[4]이 그것이다. 다음으로 추상 물질도 있는데, 허공의 요소, 몸 암시, 말 암시, 물질의 가벼움, 물질의 부드러움, 물질의 적합함, 생성, 상속, 쇠퇴, 무상함이다.
깔라빠의 크기는 전차 바퀴에 붙은 먼지 한 톨의 46,656분의 1이라고 한다. 일부 상좌부 수행 지도자[5]는 사마타와 위빠사나 수행을 통해 깔라빠의 생멸을 관찰할 수 있어야만 열반에 이를 수 있다고 가르치기에 깔라빠를 매우 중요하게 다룬다. 단, 과연 깔라빠의 존재가 과학적으로 검증 가능한지에 대해서는 논쟁이 있다. 대개 불교 수행자들은 깔라빠를 명상으로 열린 지혜의 눈으로만 볼 수 있는, '체험 가능한' 경험 현상의 최소 단위로 취급하지, 실제 물리법칙과 상관이 있는지에 대해서는 논쟁해봤자 무의미하다고 보곤 한다. 오히려 화학적 원자보다는 감각질에 가깝다고 보는 의견도 있다.
6. 관련 문서
[1]
모든 지식이 파괴된 인류에게 단 한 문장만 전할 수 있다면 무엇을 전하겠냐는 질문에 이렇게 답했다.
[2]
여기까지 8개 원소를 기본 물질이자 분할 불가능한 순수 원소(avinibbhoga, 아위닙보가)라고 한다. 모든 깔라빠는 이 8가지를 두루 갖고 있다.
[3]
물질이 9가지 깔라빠로 이루어진 경우, 이게 포함된다.
[4]
물질이 10가지 깔라빠로 이루어진 경우, 생명기능과 함께 이 8가지 중 하나가 포함된다.
[5]
예: 미얀마의 파욱 사야도, 마하시 사야도, 고엔카 등.