로버트 보일 보일 법칙, 공기의 무게를 처음 증명한 이야기

주사기를 막고 눌러보면 벌어지는 일

주사기 끝을 손가락으로 꽉 막아 보세요.
그리고 피스톤을 힘껏 눌러 보세요.
어느 순간, 더 이상 안 들어갑니다.
손가락을 떼는 순간 — 퍽! — 피스톤이 튀어 올라옵니다.

자전거 펌프를 눌러본 사람도 같은 걸 느꼈을 겁니다.
공기는 눈에 보이지 않지만, 분명 무언가가 거기 있습니다.
누르면 밀려나고, 놓으면 다시 밀고 들어오는 그 무언가.

지금 우리에게 이건 당연한 상식입니다.
"공기는 누르면 부피가 줄어든다."
초등학교 과학 시간에 배운 이야기니까요.

그런데 놀랍게도, 400년 전에는 아무도 이걸 제대로 설명하지 못했습니다.
"공기가 뭔데?"라는 질문에조차 답이 없던 시대가 있었어요.

그 시대에 유리관 하나를 들고 나타나 공기의 비밀을 밝혀낸 사람이 있습니다.
이름은 로버트 보일.
오늘은 이 남자 이야기를 해볼까 합니다.

금을 만들겠다는 사람들 사이에서 태어난 귀족

1627년, 아일랜드.
로버트 보일은 아일랜드에서 가장 부유한 귀족의 열네 번째 아이로 태어났습니다.
아버지는 성이 여러 채였고, 하인만 수백 명이었어요.
돈 걱정은 평생 할 필요가 없는 집안이었죠.

보통 이런 집 아이들은 정치를 하거나 군인이 됩니다.
그런데 보일은 달랐어요.
열한 살에 유럽으로 유학을 떠나 이탈리아, 프랑스, 스위스를 돌아다니며 과학에 빠져들었습니다.

당시 유럽에는 연금술사라 불리는 사람들이 있었습니다.
이들의 꿈은 단 하나.
납이나 구리 같은 싸구려 금속을 금으로 바꾸는 것.

연금술사들은 비밀 레시피를 가지고 있다고 주장했습니다.
"이 가루를 넣고, 저 약을 섞고, 보름달 아래에서 끓이면 금이 된다."
그런데 그 레시피는 절대 공개하지 않았어요.
"비밀이니까." 그게 이유의 전부였습니다.

젊은 보일은 이 광경을 보며 고개를 갸우뚱했습니다.
정말로 금을 만들 수 있다면, 왜 아무에게도 안 보여주는 걸까?
다른 사람이 따라 해봐도 똑같은 결과가 나와야 진짜 아닐까?

이 의심이 보일의 인생을 바꿉니다.
그리고 결국, 과학의 역사까지 바꾸게 됩니다.

공기를 가둔 유리관, 세상을 바꾼 실험

1650년대, 영국 옥스퍼드.
보일은 자기보다 일곱 살 어린 천재 조수를 한 명 고용합니다.
이름은 로버트 훅.
훗날 현미경으로 세포를 발견하게 되는 그 사람입니다.

보일과 훅은 함께 기막힌 장치를 하나 만들었습니다.
공기 펌프예요.
유리통 안의 공기를 쭉 빼낼 수 있는 기계였죠.

이 펌프로 보일은 놀라운 실험들을 합니다.
유리통 안에 촛불을 넣고 공기를 빼면?
불이 꺼집니다.
새를 넣으면?
안타깝게도, 새가 쓰러집니다.

공기가 없으면 불도 꺼지고 생명도 유지되지 않는다.
지금은 당연하지만, 당시에는 충격적인 발견이었어요.
"공기"라는 것이 단순한 빈 공간이 아니라, 무언가 역할을 하는 물질이라는 증거였으니까요.

그리고 보일은 한 걸음 더 나아갑니다.
알파벳 J 모양으로 구부린 유리관에 수은을 부었어요.

상상해 보세요.
J자 유리관의 짧은 쪽 끝은 막혀 있고, 긴 쪽은 열려 있습니다.
짧은 쪽에는 공기가 갇혀 있어요.
긴 쪽으로 수은을 더 부으면 어떻게 될까요?

수은의 무게가 갇힌 공기를 누릅니다.
그러면 공기의 부피가 줄어들어요.
수은을 두 배로 부으면, 공기 부피는 딱 절반이 됩니다.

풍선으로 생각하면 더 쉽습니다.
풍선을 양손으로 꾹 누르면 작아지죠?
두 배 힘으로 누르면 크기가 반으로 줄어요.
힘을 빼면 다시 원래대로 돌아오고요.

이것이 바로 보일의 법칙입니다.
"압력이 두 배가 되면, 기체의 부피는 반으로 줄어든다."
거꾸로, "부피를 반으로 줄이면, 압력이 두 배가 된다."

주사기를 막고 눌렀을 때 딱딱해지던 그 느낌.
그게 바로 보일의 법칙이 우리 손끝에서 작동하는 순간이었던 겁니다.

비밀 레시피는 과학이 아니다 — 『의심 많은 화학자』

보일이 위대한 이유는 공기의 법칙을 발견했기 때문만이 아닙니다.
진짜 혁명은 따로 있었어요.

1661년, 보일은 한 권의 책을 펴냅니다.
제목은 『의심 많은 화학자(The Sceptical Chymist)』.

이 책에서 보일은 연금술사들에게 이렇게 말합니다.
"당신들이 말하는 '원소'는 진짜 원소가 아닙니다."

그때까지 사람들은 세상 만물이 흙, 물, 불, 공기 네 가지로 이루어져 있다고 믿었어요.
고대 그리스의 아리스토텔레스가 그렇게 말했고, 2천 년 동안 아무도 의심하지 않았습니다.

보일은 물었습니다.
"그걸 실험으로 증명할 수 있나요?"

대답은 — 아무도 못 했습니다.

보일은 이렇게 제안합니다.
진짜 원소란 더 이상 쪼갤 수 없는 물질이어야 한다.
그리고 그것은 실험으로 확인할 수 있어야 한다.
누군가 "이것이 원소다"라고 주장하면, 다른 사람도 같은 실험을 해서 같은 결과를 얻을 수 있어야 한다.

이게 왜 대단한 걸까요?

연금술사들의 세계에서는 지식이 비밀이었습니다.
스승에서 제자로, 입에서 입으로만 전해졌어요.
"내 레시피를 따라 하면 금이 만들어진다." 하지만 레시피는 안 알려줍니다.
검증할 방법이 없으니, 사기인지 진짜인지 구분할 수도 없었죠.

보일은 이 벽을 부쉈습니다.
"실험 결과는 공개해야 한다. 누구나 반복할 수 있어야 한다."

오늘날 과학자가 논문을 쓰면, 다른 과학자들이 같은 실험을 따라 해봅니다.
같은 결과가 나오면 인정하고, 안 나오면 의심합니다.
이것을 동료 검증이라고 해요.
현대 과학의 가장 기본적인 규칙입니다.

그 규칙의 씨앗을 심은 사람이 바로 보일입니다.
그래서 사람들은 그를 '근대 화학의 아버지'라고 부릅니다.
금을 만들어서가 아니라, "금을 만들 수 있다"는 거짓말을 걸러내는 방법을 만들었으니까요.

비행기 타고, 탄산수 마시고, 숨 쉬는 지금 이 순간

보일이 세상을 떠난 건 1691년입니다.
300년도 더 지난 지금, 그가 발견한 법칙은 어디에 살아 있을까요?

비행기를 탈 때.
이륙하면 귀가 먹먹해지죠?
높이 올라갈수록 바깥 기압이 낮아지면서, 귓속 공기가 팽창하기 때문입니다.
보일의 법칙 그대로예요.
압력이 줄면 부피가 늘어납니다.

탄산음료를 열 때.
뚜껑을 따는 순간 "슈~" 소리가 나죠?
병 안은 높은 압력이라 이산화탄소가 액체 속에 녹아 있었는데, 뚜껑을 열면 압력이 확 떨어지면서 기체가 부피를 키우며 튀어나오는 겁니다.

스쿠버 다이빙을 할 때.
다이버들이 가장 먼저 배우는 규칙이 있습니다.
"숨을 참고 급하게 올라오지 마라."
깊은 물속은 압력이 높아서 폐 속 공기가 작게 압축되어 있는데, 갑자기 수면으로 올라오면 압력이 떨어지면서 공기가 팽창합니다.
폐가 그 팽창을 감당하지 못하면 큰 사고가 나요.
이것도 보일의 법칙입니다.

병원 산소통.
작은 통에 많은 양의 산소를 넣으려면?
압력을 높여서 부피를 줄이면 됩니다.
환자에게 공급할 때는 밸브를 열어 압력을 낮추면, 산소가 부피를 되찾으며 흘러나옵니다.

주사기에서 시작한 이야기가 비행기, 탄산수, 바닷속, 병원까지 이어졌습니다.

보일은 금을 만들지 못했습니다.
하지만 그보다 훨씬 값진 것을 만들었어요.
"눈에 보이지 않는 것도 실험으로 증명할 수 있다"는 믿음.
"비밀이 아닌 공개가 진짜 지식이다"라는 원칙.

다음에 주사기를 만지거나 탄산수를 열 때, 한번 떠올려 보세요.
400년 전, 유리관에 수은을 붓던 한 귀족의 얼굴을.
눈에 보이지 않는 공기 앞에서 "정말 그런가?" 하고 의심했던 그 표정을.

그 의심이 과학을 만들었습니다.