제임스 줄, 신혼여행 폭포에서 에너지 보존을 측정한 양조장 주인

줄은 신혼여행 폭포에서 온도부터 쟀다

신혼여행 첫날, 줄의 손에는 아내 손이 아니라 온도계가 들려 있었어요.

1847년, 제임스 프레스콧 줄은 아내와 함께 알프스 샤모니로 신혼여행을 떠났어요.
그런데 그가 짐 가방에서 꺼낸 건 선물이 아니라 온도계였어요.
살랑슈 폭포 앞에 선 줄은 폭포 위와 아래의 물 온도를 직접 재기 시작했어요.

이유는 이랬어요.
"폭포가 떨어지면서 위치 에너지가 열로 바뀐다면, 아래쪽 물이 위쪽보다 0.1도쯤 더 따뜻해야 하지 않을까?"
회사 워크숍에 가서도 노트북을 켜는 사람 있잖아요. 줄은 그 극단판이었어요.

그 예상 차이는 고작 0.1도였어요.
당시 온도계로는 잡아내기 거의 불가능한 수치였어요.
그래도 줄은 직접 재야만 했어요.

학계가 비웃더라도 숫자를 손에 쥐어야만 아무도 반박 못 한다는 걸, 그는 이미 경험으로 알고 있었거든요.

맨체스터 양조장 집안이 줄의 실험실이었다

줄에게 물리학은 직업이 아니라 양조장 옆방에서 하는 취미였어요.

1818년 맨체스터의 부유한 양조장 집안에서 태어난 줄은 학교에 다니지 않았어요.
대신 가정교사에게 배웠는데, 그 사람이 범상치 않았어요.
바로 존 돌턴이었어요. 돌턴은 원자론을 정립한 근대 화학의 아버지로, 오늘날 모든 화학 교과서가 그의 발견에서 시작해요.

줄은 평생 박사학위도, 교수직도 없었어요.
대학 연구실 대신 양조장에 딸린 방이 실험실이었어요.
그런데 오히려 그 덕분에 남다른 무기가 생겼어요.

맥주를 만들 때는 발효 온도를 0.1도 단위로 관리해야 해요.
그 노하우가 줄에게 0.005도까지 재는 감각을 길러줬어요.
퇴근 후 차고에서 연구하다 노벨상급 발견을 해내는 이야기처럼 들리죠. 줄의 차고에서는 맥주 냄새가 났다는 차이만 있을 뿐이에요.

왕립학회가 줄의 논문을 거절한 1840년

학회는 줄의 측정값이 너무 정밀해서 도리어 의심했어요.
양조장 사장이 그런 숫자를 잴 수 있을 리 없다고 생각했으니까요.

1840년대 학계의 주류는 칼로릭 이론을 믿고 있었어요.
칼로릭 이론이란 열이 보이지 않는 유체 형태로 물체 안에 흐른다는 학설이에요.
오늘날 우리가 아는 에너지 개념과는 전혀 다른 이 학설이, 무려 200년간 물리학의 정설로 자리를 지켰어요.

21살의 줄은 전류와 열의 관계를 다룬 논문을 영국 왕립학회에 제출했어요.
왕립학회는 당시 영국 최고의 과학 권위 기관으로, 이곳의 승인이 곧 진리의 공식 도장이었어요.
결과는 거절이었어요.

"아마추어의 과장된 측정"이라는 이유였어요.
본 논문은 학회지에 실리지 못하고 요약본만 달랑 게재됐어요.
대학원도 나오지 않은 청년이 학회에 논문을 보냈을 때 "리뷰도 안 함"이라는 답이 오는 상황이었어요.

하지만 줄은 실험을 멈추지 않았어요.
숫자가 결국 자신을 증명해줄 거라는 확신이 있었어요.
그리고 7년이 지나, 뜻밖의 장소에서 뜻밖의 구원군이 나타났어요.

줄의 이름이 새겨진 에너지 단위 1J

오늘 학교에서 '1J'이라고 쓸 때마다, 그건 한 양조장 사장의 이름이에요.

1847년, 줄은 영국과학진흥협회 학회에서 강연을 했어요.
패들 휠 실험을 발표했는데, 이건 무거운 추가 떨어지면서 물속 날개를 돌리고 그 마찰열로 물이 얼마나 데워지는지를 재는 장치예요.
청중 대부분은 졸고 있었어요.

그때 한 손이 번쩍 들렸어요.
23살의 윌리엄 톰슨, 훗날 켈빈 경으로 불리게 되는 물리학자였어요.
톰슨은 줄의 실험을 진지하게 받아들인 거의 유일한 사람이었어요.

이후 두 사람은 함께 연구해 에너지 보존 법칙을 정립했어요.
열역학 제1법칙이라고도 부르는 이 원리는, 에너지는 형태만 바뀔 뿐 사라지거나 새로 생겨나지 않는다는 거예요.
폭포의 물이 아래로 떨어지면서 위치 에너지가 열로 바뀌는 것처럼, 에너지는 언제나 어딘가에 살아 있어요.

1889년, 줄이 세상을 떠난 뒤 국제 과학계는 에너지와 일, 열의 단위에 그의 이름을 붙였어요.
1줄(J)은 1뉴턴의 힘으로 물체를 1미터 움직일 때 드는 에너지예요.
무대에서 야유받던 무명 가수가 사후에 모든 음원 파일 메타데이터에 이름이 새겨진 셈이에요.

살랑슈 폭포 앞에서 아내를 옆에 두고 온도계를 들이밀던 그 남자가, 지금 전 세계 물리 교과서 안에 살아 있어요.
그 신혼여행을, 아내는 어떻게 기억했을까요.