크리스티안 호이겐스 진자시계, 1초를 정확히 세게 된 이야기

시계가 1초를 세는 법을 발명한 사람

여러분의 스마트폰은 1초를 정확하게 셀 수 있습니다.
너무 당연하다고요?
그런데 400년 전에는 이게 전혀 당연하지 않았습니다.

1650년대, 유럽의 시계는 하루에 15분씩 틀렸습니다.
지금 기준으로 보면 장난감 수준이죠.
그런데 이게 단순히 불편한 정도가 아니었습니다.
바다 위에서는 정확한 시간이 곧 생존이었거든요.

배가 대서양 한가운데 있다고 상상해 보세요.
주변은 온통 물뿐입니다.
"우리가 지금 어디쯤이지?"라는 질문에 답하려면, 출발지의 시간과 현재 위치의 시간 차이를 알아야 합니다.
시계가 15분만 틀려도 수백 킬로미터를 잘못 짚을 수 있었어요.
잘못된 위치 계산은 암초에 부딪히는 것을 의미했고, 그건 곧 죽음이었습니다.

바로 이 문제를 해결한 사람이 있습니다.
크리스티안 호이겐스, 1629년 네덜란드 헤이그에서 태어난 청년이었죠.

호이겐스의 아버지는 외교관이자 시인이었습니다.
덕분에 어린 호이겐스는 당대 최고의 학자들을 집에서 만날 수 있었어요.
데카르트가 집에 놀러 올 정도였으니까요.
이런 환경에서 자란 호이겐스는 수학, 물리학, 천문학을 자유롭게 넘나들며 공부했습니다.

1656년, 스물일곱 살의 호이겐스는 역사적인 물건을 만들어냅니다.
바로 진자시계입니다.

진자의 원리는 간단합니다.
줄에 매달린 추가 왔다 갔다 하면, 그 왕복 시간이 거의 일정하다는 것.
갈릴레오가 교회 천장의 램프가 흔들리는 걸 보고 이 사실을 알아냈지만, 실제로 시계에 적용하지는 못했습니다.
호이겐스는 이 아이디어를 진짜 작동하는 기계로 만들어낸 겁니다.

결과는 놀라웠습니다.
하루 15분 오차가 하루 15초 오차로 줄었어요.
60배나 정확해진 겁니다.
이건 단순한 발명이 아니었습니다.
인류가 시간을 다루는 방식 자체가 바뀐 순간이었죠.

망원경 끝에서 만난 토성의 비밀

호이겐스는 시계만 만든 사람이 아닙니다.
그는 밤하늘도 올려다봤습니다.

1610년, 갈릴레오는 자신이 만든 망원경으로 토성을 관찰했습니다.
그런데 뭔가 이상했어요.
토성 양옆에 뭔가가 붙어 있는 것처럼 보였거든요.
갈릴레오는 이렇게 적었습니다.
"토성에는 귀가 달려 있다."

귀라니요.
지금 들으면 웃기지만, 당시 망원경의 성능으로는 그게 최선이었습니다.
흐릿하게 양쪽으로 뭔가가 튀어나온 것처럼 보였으니까요.

40년 뒤, 호이겐스는 직접 렌즈를 갈아서 더 강력한 망원경을 만들었습니다.
그는 단순히 남이 만든 도구를 쓰는 과학자가 아니었어요.
더 잘 보고 싶으면 더 좋은 도구를 직접 만드는 사람이었습니다.

그리고 1655년, 호이겐스의 망원경이 토성의 진짜 모습을 보여줍니다.
귀가 아니었습니다.
토성은 거대한 고리에 둘러싸여 있었던 겁니다.

같은 해, 호이겐스는 또 하나의 발견을 합니다.
토성 주위를 도는 천체, 타이탄을 찾아낸 겁니다.
태양계에서 두 번째로 큰 위성이었죠.

여기서 잠깐 생각해 보세요.
이 사람은 시계도 만들고, 렌즈도 갈고, 별도 관찰합니다.
한 분야의 전문가가 아니라, 궁금한 것은 뭐든 직접 파고드는 사람이었어요.
그리고 바로 이 성격이, 그를 과학사에서 가장 드라마틱한 논쟁의 한가운데로 데려갑니다.

빛은 공인가, 물결인가 — 세기의 대결

자, 여기서 질문 하나 던져볼게요.
빛은 대체 뭘까요?

지금이야 물리 시간에 배우니까 "아, 그거" 할 수 있지만, 1600년대에는 아무도 몰랐습니다.
빛이 무엇으로 이루어져 있는지, 어떻게 이동하는지, 아무런 단서가 없었어요.

이때 두 가지 설명이 등장합니다.

첫 번째는 아이작 뉴턴의 생각입니다.
뉴턴은 빛이 아주 작은 공 같은 알갱이라고 주장했어요.
야구공을 던지면 직선으로 날아가잖아요?
빛도 마찬가지라는 겁니다.
아주 작은 알갱이들이 쏟아져 나와서 직선으로 날아간다.
이걸 입자설이라고 부릅니다.

두 번째는 호이겐스의 생각입니다.
호이겐스는 빛이 물결 같은 거라고 주장했어요.
연못에 돌멩이를 던져 보세요.
물결이 퍼져나가죠?
빛도 마찬가지라는 겁니다.
어떤 보이지 않는 물질 속을 파동이 퍼져나가는 것.
이걸 파동설이라고 부릅니다.

두 이론 모두 나름의 근거가 있었습니다.
빛이 직선으로 가는 것처럼 보이니까 뉴턴의 말도 맞는 것 같고.
빛이 겹치면 밝아지기도 하고 어두워지기도 하니까 호이겐스의 말도 맞는 것 같고.

그런데 여기서 결정적인 문제가 생깁니다.
뉴턴이 너무 유명했습니다.

뉴턴은 만유인력을 발견한 사람입니다.
미적분학을 만든 사람입니다.
당시 과학계에서 뉴턴의 권위는 절대적이었어요.
뉴턴이 "빛은 알갱이"라고 하면, 대부분의 과학자들은 고개를 끄덕였습니다.

반면 호이겐스는 뉴턴만큼 유명하지 않았습니다.
뛰어난 과학자였지만, 뉴턴이라는 거대한 그림자 앞에서는 힘을 쓰기 어려웠죠.

결국 뉴턴의 입자설이 승리합니다.
호이겐스의 파동설은 100년 넘게 무시당했어요.

그런데 말이죠.
뉴턴이 틀렸습니다.
적어도, 완전히 맞지는 않았어요.

200년 뒤에 도착한 승리

1801년, 영국의 젊은 과학자 토마스 영이 역사적인 실험을 합니다.

실험은 놀라울 정도로 간단했습니다.
판자에 아주 가느다란 틈 두 개를 뚫고, 그 뒤에서 빛을 비추는 거예요.
만약 빛이 뉴턴 말대로 알갱이라면, 틈 두 개를 통과한 빛은 벽에 밝은 줄 두 개를 만들어야 합니다.
야구공을 두 개의 문으로 던지면 두 곳에 자국이 생기는 것처럼요.

그런데 결과는 전혀 달랐습니다.
벽에는 밝은 줄과 어두운 줄이 번갈아가며 나타났어요.
줄무늬가 생긴 겁니다.

이건 파동만이 만들 수 있는 현상입니다.
연못에 돌멩이 두 개를 동시에 던져 보세요.
두 물결이 만나는 곳에서는 물결이 더 높아지기도 하고, 서로 상쇄되어 잔잔해지기도 합니다.
빛의 줄무늬도 정확히 같은 원리였어요.
두 틈을 통과한 빛의 물결이 서로 만나 강해지거나 약해지면서 줄무늬를 만든 겁니다.

이 실험 하나로, 100년 넘게 잠들어 있던 호이겐스의 파동설이 깨어납니다.

그리고 60년 뒤, 제임스 클러크 맥스웰이 결정타를 날립니다.
맥스웰은 수학으로 증명했어요.
빛은 전기장과 자기장이 서로를 만들어내며 퍼져나가는 전자기파라는 것을.
파동설의 완전한 승리였습니다.

하지만 이야기는 여기서 한 번 더 뒤집힙니다.
20세기 초, 물리학자들은 충격적인 사실을 발견합니다.
빛은 파동이면서 동시에 입자이기도 했던 겁니다.
아인슈타인이 광전효과를 설명하면서 빛의 알갱이, 즉 광자의 존재를 보여줬거든요.

결국 뉴턴도 맞았고, 호이겐스도 맞았습니다.
둘 다 코끼리의 일부를 만진 장님이었던 셈이죠.
하지만 핵심은 이겁니다.
호이겐스가 300년 전에 "빛은 물결이야"라고 외치지 않았다면, 우리는 빛의 본질에 훨씬 늦게 도달했을 겁니다.
틀려 보이는 주장도 과학을 앞으로 밀고 간다는 것.
이것이 호이겐스가 우리에게 남긴 가장 큰 교훈입니다.

천재는 혼자 오지 않는다

호이겐스가 세상을 떠난 지 300년이 넘었습니다.
하지만 그의 이름은 여전히 살아 있어요.

2005년 1월 14일, 작은 탐사선 하나가 토성의 위성 타이탄에 착륙합니다.
이름은 호이겐스 탐사선.
유럽우주국(ESA)이 호이겐스가 350년 전 발견한 그 위성에 경의를 표하며 붙인 이름이었죠.

탐사선이 타이탄의 두꺼운 대기를 뚫고 내려가자, 놀라운 풍경이 펼쳐졌습니다.
메탄으로 이루어진 호수와 강이 있었어요.
지구의 물 순환처럼, 타이탄에서는 메탄이 비가 되어 내리고 강을 이루고 호수에 고였습니다.
호이겐스가 400년 전 흐릿한 망원경으로 겨우 점 하나로 봤던 그 천체가, 이렇게 생생한 세계였던 겁니다.

호이겐스의 유산은 우주에만 있지 않습니다.
그가 정립한 호이겐스 원리 — 파동의 모든 점이 새로운 파동의 출발점이 된다는 개념 — 는 오늘날에도 쓰입니다.
광섬유 케이블 속을 달리는 인터넷 신호.
콘서트홀의 음향 설계.
병원의 초음파 진단 장치.
이 모든 기술의 바탕에 호이겐스의 파동 이론이 깔려 있어요.

호이겐스의 삶을 돌아보면, 한 가지가 분명해집니다.
과학은 한 명의 천재가 혼자 완성하는 게 아닙니다.
갈릴레오가 흔들리는 램프를 봤고, 호이겐스가 그걸 시계로 만들었습니다.
갈릴레오가 토성의 "귀"를 봤고, 호이겐스가 그것이 고리임을 밝혔습니다.
호이겐스가 파동설을 주장했고, 토마스 영이 실험으로 증명했습니다.
그리고 아인슈타인이 파동과 입자를 하나로 합쳤죠.

과학은 이어달리기입니다.
한 사람이 달린 거리가 짧아 보여도, 그 바통이 없었다면 다음 주자는 출발조차 할 수 없었을 겁니다.

호이겐스는 뉴턴의 그림자에 가려 오랫동안 제대로 평가받지 못했습니다.
하지만 시간이 흐르면서, 그의 바통이 얼마나 중요했는지 점점 분명해지고 있습니다.

다음에 스마트폰으로 시간을 확인하거나, 인터넷으로 영상을 볼 때 떠올려 보세요.
400년 전 네덜란드의 한 청년이 추를 흔들고, 렌즈를 갈고, "빛은 물결이야"라고 외쳤던 그 순간들이 여러분의 일상까지 이어져 있다는 걸요.