시대에 따른 물질관의 변화

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

위 그림은 모든 물체가 물(water), 불(fire), 흙(earth), 공기(air)로 이루어져 있다는 '4원소설'에 관련된 그림입니다. 

뜨거움(Hot), 차가움(Cold), 건조함(Dry), 습함(Wet) 등의 성질들도 나와있고 계절과도 관계가 있다고 나오네요.

고대부터 현대까지 과학자들은 세상을 이루고 있는 물질의 기본 성분에 대해서 끊임없이 고민하고 연구했습니다.

이렇게 과학자들이 물질의 기본 구성에 관해 가지고 있는 생각과 이론을 '물질관'이라고 합니다.

이번 시간에는 고대부터 근대까지 물질관의 변화에 대해서 살펴보겠습니다.

어떤 과학자가 어떤 물질관을 가지고 있었는지 잘 연결해서 공부하시길 바래요.

*** 고대의 물질관

■ 탈레스 [Thalēs, BC 624 ~ BC 545]

▶ 1원소설

모든 물질의 근원은 물이다

 

탈레스는 '철학 그리고 과학의 아버지'라고 불리우며 현재까지 알려진 가장 오래된 고대 그리스 철학자입니다.

그리고 태양과 달의 움직임을 관찰하고 연구하여 일식 날짜를 맞추기도 한 천문학자이기도 하지요.

또한 태양에 비친 그림자를 이용하여 이집트의 피라미드 높이를 알아낸 수학자로도 유명합니다.

여러분도 앞으로 수학을 배우다보면 도형 파트에서 '탈레스의 정리'를 배우게 될겁니다.

탈레스는 '모든 물질의 근원은 물이다'라는 주장을 했습니다.

과학이 발달한 지금, 이 주장은 엉터리로 들릴지도 모릅니다.

하지만 철학적으로 봤을 때 이 주장은 매우 의미가 있는 주장입니다.

단지 눈 앞에 보이는 사물만이 아니라 '우리가 사는 세상은 과연 무엇으로 이루어져 있는가'라는 본질적인 질문을 처음으로 던진 사람이 바로 탈레스입니다.

세상의 구성과 변화의 원인을 신과 같은 존재에서 찾은 것이 아니라 자연에 존재하는 물질에서 찾기 시작한 것이고, 이 질문과 주장이 철학과 과학의 출발점이 됐다고 여겨집니다.

이 주장으로 탈레스가 '철학의 아버지'라고 불리게 된 것이죠.

교과서와 참고서에는 탈레스에 대해서 '한 줄 설명' 밖에 나와있지 않습니다만,

인터넷 백과사전에서 한 번쯤 찾아서 읽어볼만한 위인이라고 생각합니다.

■ 엠페도클레스 [Empedoklēs, BC 490? ~ BC 430?]

▶ 4원소설

모든 물질은 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어져 있다.

엠페도클레스는 유명한 고대 그리스 철학자 중 하나입니다.

철학은 물론이고 정치, 종교, 과학, 문학 분야에서도 뛰어났다고 알려져 있습니다.

엠페도클레스는 세상의 근원이 물, 불, 흙, 공기로 이루어져 있으며,

이 4원소들이 새로 생기거나 없어지지 않는 궁극적인 것이라고 주장했습니다.

그리고 이 원소들이 합쳐지고 나누어지는 과정을 통해 세상의 물질들을 만들어낸다고 생각했죠.

엠페도클레스의 4원소설은 이후 2000년이 넘도록 서양의 물질관으로 인정받았습니다.

유명한 철학자인 플라톤과 아리스토텔레스도 4원소설을 받아들이고 이를 발전시켰습니다.

■ 데모크리토스 [Dēmokritos, BC 460? ~ BC 370?]

▶ 입자설

물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 이루어져 있다.

데모크리토스는 고대 그리스의 철학자, 과학자입니다.

물론 이 위인도 철학, 과학 뿐만이 아니라 윤리, 수학, 예술 등에도 박식했다고 합니다.

데모크리토스는 '고대 원자론'을 완성시킨 인물로 유명합니다.

모든 물질이 더 이상 쪼개지지 않는 입자(원자)로 이루어져 있으며

세계는 이 원자들과 텅 빈 공간으로 구성된다고 생각했습니다.

데모크리토스는 이를 바탕으로 자연과 문화의 발달을 설명했고, 사람의 영혼과 지식 또한 원자로 만들어졌다고 주장했으며 인간의 삶의 목적은 '행복'이라고도 주장했습니다.

하지만 데모크리토스의 이 생각은 너무 진보적이어서 그 당시에는 인정받지 못했다고 합니다.

데모크리토스의 입자설은 근대에 이르러 다시 인정을 받게 됩니다.

■ 아리스토텔레스 [Aristotelēs, BC 384 ~ BC 322]

▶ 4원소설

물질은 물, 불, 흙, 공기(4원소)로 이루어져 있고,

이 원소들은 차가움, 따뜻함, 건조함, 습함(4성질)에 의해 서로 변환될 수 있다.

지금까지 알아보던 과학자 중 가장 유명한 분이 등장했네요.

고대 그리스 철학자 아리스토텔레스입니다.

이분에 대한 설명은 길게 하지 않겠습니다.

아리스토텔레스의 업적은 워낙 많아서 제가 다 쓸 수도 없겠네요. 하핫.

 

그럼 아리스토텔레스의 4원소설에 대해 알아볼게요.

엠페도클레스의 4원소설에서 달라진 부분을 발견하셨나요?

네 맞아요. 물, 불, 흙, 공기, 이 4원소가 각각 성질에 따라 '변환될 수 있다'라는 것이 가장 큰 차이입니다.

원소가 다른 종류로 변할 수 있다는 주장이 맞다면

화학적인 방법을 통해 구리를 금으로 바꾸는 것도 가능할 수 있다는 생각을 할 수 있겠죠.

이렇게 한 종류의 물질을 성질이 전혀 다른 물질로 바꾸려고 한 사상이 '연금술'입니다.

아리스토텔레스의 4원소설은 중세로 넘어가서 연금술 기초 이론의 바탕이 되었습니다.

또 여러분이 알고 계셔야 할 포인트 한가지 더!

아리스토텔레스의 물질관과 데모크리토스의 물질관을 비교하셔야 해요.

데모크리토스는 세상은 입자와 빈 공간으로 이루어졌다고 주장했다면

아리스토텔레스는 빈 공간은 없으며, 물질은 계속 쪼개면 결국 없어진다라고 주장했어요.

이 주장을 '연속설'이라고 하는데 다음 포스팅에서 더욱 자세하게 알아봅시다.

*** 중세의 물질관

■ 연금술사 [Alchemist]

▶ 연금술 [alchemy , 鍊金術]

- 한자 뜻: 쇠붙이를 불릴 鍊, 쇠, 금 金, 방법 術]

연금술은 납이나 구리 같은 값싼 금속을 금이나 은으로 변환시키려고 시도했던 방법입니다.

이런 연금술을 연구하는 사람들을 '연금술사'라고 불렀죠.

연금술의 이론적 근거는 바로 아리스토텔레스의 '4원소설'이었습니다.

원소가 바뀔 수 있다고 주장한 4원소설을 믿고 여러가지 화학적 방법을 연구한 것입니다.

지금은 원소는 절대 다른 원소로 바뀔 수 없다는 것을 알고 있지만 중세에는 그렇지 않았습니다. 여러가지 시도가 있었겠죠?

결국 연금술은 실패했습니다.

하지만 연금술사들은 연금술을 연구하면서 새로운 물질들을 많이 발견했고 여러가지 실험기구를 발명해내기도 했습니다.

 

*** 근대의 물질관

■ 보일 [Robert Boyle, 1627~1691]

▶ 원소설

모든 물질은 더 이상 분해되지 않는 원소로 이루어져 있다.

보일은 아일랜드 출신의 화학자, 물리학자입니다.

'화학의 아버지'라고 불릴만큼 업적이 많은 과학자인데요,

여러분도 이 과학자의 이름을 이미 들어봤을거에요.

'보일의 법칙'. 기억나시나요?

'공기의 부피는 그 압력에 반비례한다'라는 법칙이죠.

보일은 이 법칙을 1662년에 발표했습니다.

보일은 4원소설과 연금술을 비판하고 모든 물질은 더 이상 분해되지 않는 원소로 이루어져 있다고 주장했습니다.

우리가 현재 알고 있는 원소의 개념을 최초로 제시한 것이죠.

보일은 화학을 '단지 산업에 유용한 것'이라는 당시 사람들의 생각을 넘어 화학 자체를 연구할 가치가 있는 학문으로 끌어올리고 근대 화학의 시작을 알린 위대한 과학자입니다.

■ 라부아지에 [Lavoisier, 1743 ~ 1794]

라부아지에는 프랑스 출신 화학자입니다.

라부아지에는 원소를 '더 이상 분해되지 않는 물질'이라고 정의하고,

33가지 원소를 정리하여 원소표를 만들었습니다.

또한 화학 반응이 일어날 때

'반응 전 물질의 총 질량과 반응 후 만들어진 물질의 총 질량은 같다'는 '질량 보존 법칙'을 발표했습니다.

라부아지에는 물을 산소와 수소로 분리하는 실험을 통해 물이 원소가 아니라는 것을 밝혀 아리스토텔레스의 4원소설이 틀렸다는 것을 증명했습니다.

(원소는 '더 이상 쪼개지지 않는 입자'라고 했죠? 그런데 물이 화학적인 방법으로 산소와 수소로 쪼개졌으니 물은 원소가 아니라고 할 수 있습니다.)

이제, 라부아지에의 물 분해 실험에 대해 자세히 알아보겠습니다.

▶ 라부아지에의 물 분해 실험 ★

뜨거운 주철관(파이프)에 물을 붓습니다.

주철관 끝에는 냉각수를 설치하고, 발생하는 기체를 모으는 장치(집기병)를 합니다.

실험 결과 주철관의 질량이 늘어났고, 집기병에 모인 기체가 있었습니다.

주철관의 질량이 증가한 까닭은 산소가 철과 결합하였기 때문이고,

집기병에 모인 기체가 수소라는 것을 알게 되었습니다.

물이 산소와 수소로 분해가 된 다는 것을 실험을 통해 알게됐고 물은 원소가 아니라는 것이 증명되었습니다.

 

*** 정리

★ 포인트

과학자와 물질관을 서로 연결지을 수 있도록 충분히 공부합시다!

■ 고대

▶ 탈레스 '1원소설'

모든 물질의 근원은 물이다.

▶ 엠페도클레스 '4원소설'

모든 물질은 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어져 있다.

▶ 데모크리토스 '입자설'

물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 이루어져 있다.

▶ 아리스토텔레스 '4원소설'

4원소는 각각 성질에 의해 서로 바뀔 수 있다.

■ 중세

▶ 연금술사 '연금술'

아리스토텔레스의 4원소설을 통해 값싼 금속을 금으로 바꾸려는 시도

실패했지만, 새로운 물질과 여러가지 실험 기구를 발명

■ 근대

▶ 보일 '원소설'

모든 물질은 더 이상 분해되지 않는 원소로 이루어져 있다는

현대적 원소 개념을 최초로 제시함

▶ 라부아지에

원소를 정의하고 33가지 원소를 발표

물 분해 실험을 통해 4원소설이 옳지 않다는 것을 증명함

 

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