과학자들은 원자에 뭔가를 쏘면서도 정작 무슨 일이 일어나는지 몰랐다

여러분, 원자가 얼마나 작은지 알아요? 머리카락 한 올을 백만 번 쪼개야 겨우 보일까 말까 한 크기예요. 1930년대 과학자들은 이 어마어마하게 작은 원자에 '중성자'라는 아주 작은 알갱이를 총알처럼 쏘는 실험을 하고 있었어요. 마치 눈 감고 다트를 던지는 것처럼요.

그중에서도 우라늄이라는 무거운 원소에 중성자를 쏘면 뭔가 이상한 일이 벌어졌어요. 실험 결과가 교과서에 나오는 어떤 이론으로도 설명이 안 됐거든요. 분명 우라늄에 뭔가를 쐈는데, 실험 후에 남은 물질이 우라늄보다 훨씬 가벼운 '바륨'이라는 전혀 다른 원소였어요. 이건 마치 수박에 공을 던졌더니 갑자기 사과 두 개가 나타난 것과 같은 일이에요.

당시 리제 마이트너의 오랜 연구 파트너였던 오토 한은 독일 베를린 실험실에서 이 결과를 보고 머리를 쥐어뜯었어요. "이게 대체 뭐지? 말이 안 되잖아!" 그는 실험 데이터를 편지에 적어서 한 사람에게 보냈어요. 바로 나치 독일을 피해 스웨덴으로 도망쳐야 했던 리제 마이트너에게요. 그녀가 아니면 이 수수께끼를 풀 사람이 없다고 생각했거든요.

크리스마스 눈밭에서 산책하다가, 세상에서 가장 위험하고 강력한 비밀을 풀어버렸다

1938년 크리스마스 직전, 스웨덴의 작은 마을은 눈으로 하얗게 덮여 있었어요. 리제 마이트너는 조카 오토 프리슈와 함께 눈밭을 걸으며 오토 한의 편지 내용을 곱씹었어요. 60세 가까운 나이에 조국에서 쫓겨나 낯선 나라에서 보내는 외로운 겨울이었지만, 그녀의 머릿속은 온통 원자로 가득했어요.

산책길에서 마이트너는 갑자기 깨달았어요. 우라늄 원자핵이 중성자를 맞으면 마치 물방울이 흔들리다 '뚝' 둘로 갈라지듯 쪼개진다는 거예요! 이걸 '핵분열'이라고 불러요. 그냥 깨지는 게 아니라, 쪼개지면서 어마어마한 에너지가 뿜어져 나온다는 것까지 계산해냈어요. 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc²를 적용한 거예요. 쉽게 말하면, 질량이 조금만 줄어도 에너지가 엄청나게 나온다는 뜻이에요.

마이트너는 나뭇가지 위에 종이를 놓고 연필로 계산했어요. 원자 하나가 쪼개질 때 나오는 에너지를 계산하니, 원자 수십억 개만 연쇄적으로 쪼개지면 도시 하나를 밝힐 수 있는 양이었어요. 게임으로 치면 연쇄 콤보가 끝없이 터지는 거예요. 눈 덮인 숲속에서, 인류 역사를 바꿀 비밀이 풀린 순간이었어요.

그 발견 하나로 전쟁이 끝났고, 전기가 만들어졌고, 세상이 완전히 달라졌다

마이트너의 발견은 순식간에 전 세계 과학자들에게 퍼졌어요. 그런데 그 뒤에 벌어진 일은 마이트너가 절대 원하지 않았던 방향이었어요. 핵분열의 엄청난 에너지를 무기로 만들 수 있다는 걸 각국 정부가 알아챈 거예요. 결국 미국은 이 원리로 원자폭탄을 만들었고, 1945년 제2차 세계대전이 끝났어요. 마이트너는 폭탄 개발에 참여해 달라는 요청을 단호하게 거절했어요.

전쟁이 끝난 뒤, 사람들은 핵분열을 평화롭게 쓰는 법을 찾기 시작했어요. 바로 원자력 발전소예요. 원자핵이 쪼개질 때 나오는 열로 물을 끓이고, 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 만드는 거예요. 지금도 전 세계 전기의 약 10%가 이 방식으로 만들어지고 있어요.

그런데 정말 안타까운 일이 벌어졌어요. 1944년 노벨 화학상은 실험을 한 오토 한 혼자 받았어요. 핵분열이 뭔지 이론으로 설명하고 계산까지 해낸 마이트너의 이름은 빠졌어요. 여성이라서, 유대인이라서, 독일을 떠나야 했기 때문이라는 분석이 많아요. 역사상 가장 부당한 노벨상 누락이라고 불리는 사건이에요. 하지만 마이트너가 발견한 원리는 사라지지 않았어요.

병원에서 암을 찾아내는 기계 속에 그녀의 발견이 지금도 돌아가고 있다

혹시 병원에서 몸속 사진을 찍는 큰 링 모양 기계를 본 적 있어요? PET(양전자 방출 단층촬영)이라는 장비인데, 이 기계 안에서는 마이트너가 밝혀낸 원자핵 반응의 원리가 지금 이 순간에도 작동하고 있어요. 방사성 물질이 몸속에서 붕괴하면서 내보내는 신호를 잡아 암세포가 어디에 숨어 있는지 찾아내는 거예요.

원자력 발전소에서 나오는 전기로 여러분이 유튜브를 보고, 게임을 하고, 학교 교실 불이 켜지기도 해요. 핵분열의 원리는 우주 탐사선의 전력 공급부터 암 치료까지, 우리 생활 곳곳에 스며들어 있어요. 이 모든 것의 출발점에 눈 덮인 숲에서 연필 하나로 계산하던 리제 마이트너가 있었어요.

마이트너는 상을 받지 못했지만, 과학자들은 그녀를 잊지 않았어요. 109번 원소의 이름은 '마이트너륨(Mt)'이에요. 주기율표에 이름이 올라간 여성 과학자는 마리 퀴리와 마이트너, 단 둘뿐이에요. 노벨상 메달은 없어도, 원소 이름은 영원하니까요. 누군가가 여러분의 노력을 알아주지 않을 때, 기억하세요. 진짜 중요한 건 상이 아니라, 그 발견이 세상을 바꿨느냐는 거예요.