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아, 여러분, 안녕하세요! 음... 오늘은 옛날 옛적, 과학자들이 지구를 탐구하던 흥미로운 이야기, Chapter 14... 뭐였더라? 아, "사물의 측정"에 대해 한번 떠들어볼까 해요.
있잖아요, 역사상 가장 불운했던 과학 탐험을 꼽으라면 1735년 프랑스 왕립 과학 아카데미의 페루 원정대를 빼놓을 수 없을 거예요. 피에르 부게라는 수문학자와 샤를 마리 드 라 콩다민이라는 군인 수학자가 이끌고, 과학자, 모험가들이 안데스 산맥을 가로지르는 거리를 삼각 측량법으로 측정하려고 했거든요.
삼각 측량법이 뭐냐면, 삼각형의 한 변 길이와 두 각도만 알면 나머지 모든 값을 계산할 수 있는 방법이에요. 예를 들어, 우리 둘이 달까지의 거리를 잰다고 쳐봐요. 그럼 일단 파리, 모스크바처럼 엄청 멀리 떨어져서 동시에 달을 보는 거예요. 그리고 우리 둘, 달을 연결하는 선을 상상해서 삼각형을 만드는 거죠. 그럼 밑변, 그러니까 파리-모스크바 간 거리를 재고, 각도만 재면 달까지 거리, 뚝딱 나오는 거죠! 신기하죠?
그 당시에는, 지구의 나이, 크기, 우주 속 위치, 형성 과정... 이런 것들을 알고 싶어 하는 엄청난 열망이 있었거든요. 프랑스 팀은 키토 근처 야로키에서 지금의 에콰도르 쿤카 조금 넘는 곳까지 직선으로 1도 경선 (지구 원주의 360분의 1)의 길이를 측정하는 임무를 맡았어요. 이게 약 320km 정도 되는데, 이걸 통해 지구 둘레를 알아내려고 한 거죠.
근데, 일이 거의 처음부터 꼬이기 시작했어요. 그것도 엄청 크게! 키토에서 방문객들이 어떻게 된 일인지 현지인들을 화나게 해서 돌멩이를 든 폭도들에게 쫓겨났대요. 얼마 안 돼서는, 측정팀 의사가 어떤 여자 문제로 살해당하고... 식물학자는 정신이 나가버리고... 어떤 사람들은 열병으로 죽고, 또 다른 사람들은 추락사하고... 정말 난리도 아니었나 봐요. 탐험대 서열 3위였던 장 고딘이라는 사람은 13살 소녀랑 눈이 맞아 도망쳐 버리는 일까지... 에휴.
측정팀은 8개월 동안이나 작업을 중단해야 했대요. 콩다민은 허가 문제 해결하려고 리마까지 말을 타고 가고... 나중에는 부게랑 말도 안 하고, 협력도 안 하고... 인원도 점점 줄어들고... 가는 곳마다 현지 관리들은 이 프랑스 과학자들이 세계를 측정하려고 지구 반 바퀴를 돌아왔다는 걸 도저히 믿을 수가 없었던 거죠. 말이 안 된다는 거예요. 두 세기 반이 지난 지금도 왠지 이해가 되죠? 프랑스에서 잴 수도 있었을 텐데, 왜 굳이 안데스 산맥까지 가서 고생을 사서 했을까요?
뭐, 한편으로는 18세기 과학자들, 특히 프랑스 과학자들은 쉬운 방법을 잘 안 썼어요. 굳이 복잡하게 일을 만들었달까? 음... 또 다른 이유도 있었는데... 이건 실제적인 문제랑 관련이 있었어요. 영국 천문학자 에드먼드 핼리, 들어본 적 있죠? 핼리가 이 문제의 시작이었어요. 부게랑 콩다민이 남아메리카 갈 생각도 하기 훨씬 전의 일이죠.
핼리는 정말 대단한 사람이었어요. 오랫동안 선장, 지도 제작자, 옥스퍼드 대학 기하학 교수, 왕립 조폐국 부국장, 왕립 천문학자... 심해 잠수종도 만들고, 자기력, 조수, 행성 운동에 관한 글도 쓰고, 심지어 아편 효과에 대한 글도 썼대요! 기상도, 계산표도 만들고, 지구 나이, 지구-태양 거리 측정 방법도 제시하고, 물고기 신선하게 보관하는 방법까지... 헐. 딱 하나 안 한 게 있다면, 자기 이름 딴 혜성을 발견한 거? 1682년에 본 혜성이 1456년, 1531년, 1607년에 다른 사람들이 봤던 혜성과 같다는 걸 알아낸 것뿐이었죠. 아, 그러니까 핼리 본인이 직접 혜성을 "발견"한 건 아니라는 거죠.
핼리 혜성은 1758년에 이름 붙여졌는데, 핼리가 죽고 16년 정도 뒤였대요.
그런데, 이렇게 많은 업적에도 불구하고, 핼리가 인류 지식에 가장 크게 기여한 건 아마도 과학 내기였을 거예요. 그것도 당대 최고 인물 두 명이랑! 한 명은 로버트 훅, 세포 발견한 사람으로 유명하죠. 다른 한 명은 크리스토퍼 렌 경, 원래 천문학자였다가 건축가가 된 사람인데, 세인트 폴 대성당 지은 사람이에요.
1683년, 핼리, 훅, 렌이 런던에서 밥 먹다가 갑자기 천체 운동 얘기가 나왔대요. 행성들은 타원 궤도를 도는데, 왜 그런지는 몰랐던 거죠. 렌은 자기네 중에 누가 답을 찾으면 40실링 (2주치 월급)을 상으로 주겠다고 했대요.
훅은 허풍이 심하기로 유명했대요. 자기가 이미 문제를 풀었는데, 지금은 알려주기 싫대요. 왜냐면 다른 사람들이 답을 찾을 기회를 뺏는 거니까. 그래서 "답을 비밀로 해둘 테니, 다른 사람들이 얼마나 소중한 건지 알게 될 거다" 라고 했다네요. 나중에 다시 생각했는지 어쨌는지는 아무도 몰라요. 그런데, 핼리는 완전히 꽂혀서 답을 찾아야겠다고 결심하고, 케임브리지 대학 수학 교수 아이작 뉴턴을 찾아갔대요.
뉴턴은 정말 괴짜였대요. 천재인데 은둔형 외톨이, 재미없고, 예민하고, 의심 많고, 집중력도 엄청 떨어지고... 아침에 이불 밖으로 발 내밀었다가 갑자기 아이디어가 떠오르면 몇 시간 동안 꼼짝도 안 하고 앉아 있었대요. 자기가 실험실도 만들었는데, 별 희한한 실험을 다 했대요. 바늘로 눈을 찔러보고, 태양을 오랫동안 쳐다보고... 눈이 괜찮았다는 게 신기하죠?
뉴턴은 학생 때 평범한 수학에 실망해서 미적분이라는 새로운 수학을 만들었는데, 27년 동안이나 아무한테도 말 안 했대요! 광학 분야에서도 마찬가지로 빛에 대한 이해를 완전히 바꿔놓고, 분광학의 기초를 다졌는데 30년이나 지나서야 결과를 발표했대요.
뉴턴은 천재였지만, 진짜 과학은 그의 관심사의 일부에 불과했어요. 인생의 절반은 연금술이랑 변덕스러운 종교 활동에 쏟아부었대요. 비밀리에 아리우스파라는 이단 종교를 믿었는데, 삼위일체가 없다는 게 핵심 교리였대요 (뉴턴이 일하던 곳이 케임브리지 트리니티 칼리지였던 걸 생각하면 아이러니하죠). 예루살렘 솔로몬 왕궁 도면을 연구하면서 (원문을 읽으려고 히브리어도 독학했대요) 수학적 단서를 찾아서 그리스도의 재림, 세상 종말 날짜를 알아내려고 했대요. 연금술에도 엄청 열심이었대요. 경제학자 존 메이너드가 뉴턴 문서를 경매에서 샀는데, 대부분 광학이나 행성 운동이랑은 상관없이 값싼 금속을 귀금속으로 바꾸는 내용이었대요. 20세기 70년대에 뉴턴 머리카락 분석해보니 연금술사, 모자 만드는 사람, 온도계 만드는 사람이나 관심을 가질 만한 수은 농도가 엄청 높았대요. 아침에 일어나기 힘들었던 것도 당연한 건지도 모르겠네요.
1684년 8월, 핼리가 뉴턴을 찾아갔어요. 뉴턴한테 뭘 기대했는지는 아무도 모르지만, 뉴턴 친구 아브라함 드 무아브르가 쓴 글 덕분에 과학 역사상 가장 중요한 만남 중 하나에 대한 기록이 남았어요.
1684년에 핼리 박사가 케임브리지를 방문했어요. 둘이 잠깐 얘기하다가 핼리가 뉴턴한테 태양 인력이 행성-태양 거리 제곱에 반비례한다면 행성 궤도가 어떻게 될 것 같냐고 물어봤대요. 이게 제곱반비례 법칙이라는 수학 문제인데, 핼리는 이게 문제 해결의 열쇠라고 믿었지만, 확신은 없었나 봐요.
아이작 뉴턴은 바로 "타원"이라고 대답했대요. 핼리가 놀라서 어떻게 알았냐고 물어보니까, 뉴턴은 "계산해봤다"라고 했대요! 핼리가 계산 자료를 보여달라고 했는데, 뉴턴이 뒤적뒤적 찾다가 못 찾았대요. 암 치료법 찾았다고 해놓고 처방전 어디 뒀는지 기억 못 하는 거랑 똑같죠? 핼리의 재촉에 뉴턴은 다시 계산하겠다고 약속하고 종이를 꺼냈대요. 약속만 한 게 아니라, 문을 닫아걸고 2년 동안 생각하고 쓰고 그리면서 걸작 "자연 철학의 수학적 원리", 줄여서 "프린키피아"를 만들어냈대요.
역사상 이렇게 놀라운 관찰이 몇 번이나 있었을까요? 사실만큼이나 생각이 놀라운 경우는 거의 없죠. "프린키피아"가 바로 그런 순간이었대요.
뉴턴은 순식간에 유명해졌어요. 남은 인생 동안 칭찬과 영예를 누리고, 과학 업적으로 기사 작위까지 받았대요. 독일 수학자 라이프니츠도 뉴턴의 수학적 업적이 이전 모든 업적을 합친 것만큼이나 대단하다고 생각했대요. 핼리는 "뉴턴만큼 신에 가까운 인간은 없다"라고 감탄했고, 뉴턴의 동시대 사람들, 그리고 이후 많은 사람들도 그렇게 생각했대요.
"프린키피아"는 "가장 이해하기 어려운 책 중 하나"라고 불리지만 (뉴턴이 일부러 어렵게 썼대요. 자칭 수학 "문외한"들이 귀찮게 하는 걸 싫어해서), 이해하는 사람들에게는 등불과 같았대요. 천체 궤도를 수학적으로 설명했을 뿐 아니라, 천체를 움직이는 힘, 만유인력을 밝혀냈거든요. 갑자기 우주의 모든 운동이 설명되는 거죠!
"프린키피아"의 핵심은 뉴턴의 운동 3법칙 (물체는 힘을 받는 방향으로 움직이고, 다른 힘이 작용해서 느려지거나 방향이 바뀌기 전까지는 계속 직선 운동을 하고, 모든 작용에는 같은 크기의 반작용이 있다는 것)과 만유인력 법칙이에요. 우주의 모든 물체는 서로 끌어당긴다는 거죠. 말도 안 되는 것 같지만, 여러분이 지금 앉아있는 동안에도 여러분 주위의 모든 것, 벽, 천장, 전등, 고양이, 이런 것들을 끌어당기고 있대요! 물론 아주 약한 힘이지만요. 뉴턴은 두 물체의 인력이 "각 물체의 질량에 비례하고, 거리의 제곱에 반비례한다"는 걸 알아냈대요. 다시 말해서, 두 물체 사이 거리를 두 배로 늘리면 인력은 4분의 1로 줄어든다는 거죠.
대부분에게 이 공식은 쓸모없겠지만, 아름다움과 간결함은 느낄 수 있을 거예요. 어디를 가든 곱셈 두 번, 나눗셈 한 번만 하면 인력 상태를 알 수 있다니! 인류가 제시한 최초의 보편적인 자연 법칙이고, 뉴턴이 존경받는 이유이기도 하죠.
그런데, "프린키피아"가 그냥 뚝딱 나온 건 아니었대요. 핼리가 충격받은 건, 작업이 거의 끝나갈 때쯤 뉴턴이랑 훅이 누가 먼저 제곱반비례 법칙을 발견했는지 싸우다가 뉴턴이 핵심적인 3권을 공개하지 않으려고 했대요. 3권 없이는 앞의 두 권도 의미가 없는데! 핼리가 끈질기게 설득하고 좋은 말도 많이 해줘서 겨우 3권을 받아낼 수 있었대요.
핼리 고생은 여기서 끝이 아니었어요. 영국 왕립 학회가 책 출판을 약속했지만, 재정난 때문에 발을 뺐대요. 전 해에 "물고기 역사"에 돈을 너무 많이 써서 망했대요. 수학 원리에 대한 책은 많이 안 팔릴 거라고 걱정한 거죠. 핼리가 부자는 아니었지만, 자기가 돈을 내서 책을 출판했대요. 뉴턴은 여전히 돈 한 푼 안 내고. 설상가상으로 핼리는 학회 서기 자리를 맡았는데, 학회에서 약속했던 연봉 50파운드를 못 준다고, 대신 "물고기 역사" 몇 권으로 퉁치겠다고 했대요. 헐.
뉴턴 법칙은 바다의 파도, 행성 운동, 포탄이 날아가는 궤적, 우리가 우주로 날아가지 않는 이유 (지구가 시속 수백 킬로미터로 돌고 있는데!) 등등 많은 걸 설명해주지만, 그 의미를 다 이해하려면 엄청난 노력이 필요하대요. 하지만, 밝혀진 사실은 거의 즉시 논쟁을 불러일으켰대요.
지구가 완벽한 구가 아니라는 거죠! 뉴턴에 따르면, 지구 자전 때문에 극지방은 약간 납작하고, 적도 지방은 불룩해졌대요. 그래서 지구는 약간 납작한 타원 모양이라는 거죠. 1도 경선 길이가 이탈리아랑 스코틀랜드에서 다르다는 뜻이래요. 극지방에서 멀어질수록 짧아진다는 거죠. 지구를 완벽한 구라고 생각하고 측정한 사람들에게는 안 좋은 소식이었겠죠?
반세기 동안 지구 크기를 측정하려는 시도가 많았는데, 대부분 엄격한 측정 방법을 사용했대요. 그중 한 명이 영국 수학자 리처드 노우드였대요. 노우드는 젊었을 때 핼리식 잠수종을 가지고 버뮤다에 가서 진주를 찾으려고 했대요. 계획은 실패했지만요. 17세기 초, 버뮤다는 위치를 찾기 어려운 곳으로 유명했대요. 바다는 너무 넓고, 버뮤다는 너무 작고, 항해 장비는 부족했던 거죠. 1해리 길이도 의견이 분분하고... 바다 폭에 대한 작은 계산 오류도 크게 작용해서 배들이 버뮤다를 못 찾는 경우가 많았대요. 삼각법을 좋아했던 노우드는 항해에 수학을 적용하려고 1도 경선 길이를 계산하기로 결심했대요.
노우드는 런던탑에서 시작해서 2년 동안 북쪽으로 450km 떨어진 요크까지 걸어가면서 계속 줄을 펴고 측정했대요. 땅의 굴곡, 도로 굽이침까지 고려해서 꼼꼼하게 데이터를 수정하고. 마지막으로 요크에서 1년 중 같은 날, 같은 시간에 태양 각도를 측정했대요. 이미 런던에서 첫 번째 측정을 해놨으니까요. 이걸 바탕으로 지구 1도 경선 길이를 계산해서 지구 전체 둘레를 계산할 수 있다고 믿었대요. 엄청난 야심이었죠! 1도 길이만 잘못 계산해도 전체 길이는 엄청나게 달라지니까요. 하지만, 노우드는 자랑스럽게 "미미한" 오차만 있었다고 주장했대요. 정확히 말하면 550m 미만! 미터법으로 하면 1도 경선 길이가 110.72km였다고 계산했대요.
1637년, 노우드의 항해 걸작 "선원의 실제"가 출판되자마자 인기를 얻었대요. 17번이나 재판되고, 노우드 죽고 25년 뒤에도 인쇄됐대요. 노우드는 가족들과 함께 버뮤다로 돌아가서 성공한 농장주가 되고, 여가 시간에는 삼각법을 즐겼대요. 거기서 38년을 살았대요. 행복하고 존경받으면서 살았으면 좋았겠지만, 사실은 그렇지 않았대요. 잉글랜드 떠나오는 배에서 두 어린 아들이 나다니엘 화이트 목사랑 같은 방을 썼는데, 그 젊은 목사가 정신적인 충격을 받아서 남은 인생 동안 노우드를 괴롭혔대요!
노우드 두 딸 결혼 생활도 순탄치 않아서 아버지 속을 썩이고, 사위 중 한 명은 목사 부추김을 받았는지 노우드를 계속 고소해서 노우드는 버뮤다 끝까지 가서 변호해야 했대요. 17세기 50년대에는 버뮤다에 마녀 재판이 유행해서 노우드는 삼각법 논문이 악마랑 소통하는 걸로 여겨져서 끔찍한 죽음을 당할까 봐 걱정하면서 살았대요. 노우드 말년은 불행했다고 해요.
한편, 지구 둘레 측정 열기는 프랑스까지 퍼졌대요. 천문학자 장 피카르는 선형판, 추시계, 천정 사분의, 망원경 (토성 위성 운동 관찰)을 사용해서 복잡한 삼각 측량법을 개발했대요. 2년 동안 프랑스 가로지르면서 삼각 측량으로 측정하고, 1도 경선 길이가 110.46km라고 발표했대요. 프랑스 사람들은 엄청 자랑스러워했지만, 이건 지구가 구라는 가정하에 나온 결과였거든요. 그런데 뉴턴이 구가 아니라고 하잖아요.
더 복잡한 건, 피카르 죽고 나서 조반니랑 자크 카시니 부자가 피카르 실험을 더 넓은 지역에서 반복했대요. 결과는 지구가 적도가 아니라 극지방에서 튀어나왔다는 거였대요! 뉴턴이 틀렸다는 거죠. 그래서 과학 아카데미가 부게랑 콩다민을 남아메리카로 보내서 다시 측정하게 된 거였대요.
그들은 적도 근처에서 측정해야 해서 안데스 산맥을 선택했는데, 거기서 둥근 정도가 진짜 다른지 확인하려고 한 거죠. 그리고 산악 지형이 시야가 더 넓을 거라고 생각했대요. 그런데, 페루 산은 구름에 가려져서 몇 주 동안 기다려야 1시간 정도 맑은 날씨가 나타났대요. 게다가 지구상에서 가장 험한 지형을 골랐대요. 페루 사람들은 "매우 드문" 지형이라고 불렀대요. 프랑스 사람들은 세계에서 가장 험한 산을 넘어야 했을 뿐만 아니라 (노새도 못 넘는 산!), 급류, 빽빽한 정글, 지도에도 없는 불모의 자갈 사막을 지나야 했대요. 하지만 부게랑 콩다민은 끈기가 엄청났대요. 9년 반 동안 꿋꿋하게 임무를 수행했대요. 프로젝트가 거의 끝나갈 때쯤, 다른 프랑스 탐험대가 스칸디나비아 반도 북부에서 측정한 결과 1도 경선이 극지방 근처에서 더 길다는 걸 알게 되었대요. 뉴턴 말대로 된 거죠. 지구는 적도 지역에서 위아래로 측정한 것보다 43km 더 두꺼웠대요.
그래서 부게랑 콩다민은 10년 가까이 시간 들여서 바라지 않던 결과를 얻었고, 그 결과가 처음도 아니었대요. 씁쓸하게 측정을 끝내고 조용히 해변으로 돌아가서 배를 타고 각자 돌아갔대요.
뉴턴은 "프린키피아"에서 큰 산 근처에 매달린 추는 산과 지구의 인력 때문에 산 쪽으로 약간 기울어질 거라고 추측했대요. 흥미로운 추측이죠. 그 편차를 정확하게 측정해서 산 질량을 계산하면 만유인력 상수, 즉 인력 기본값을 계산할 수 있고, 지구 질량도 계산할 수 있대요.
부게랑 콩다민은 페루 침보라소 산에서 실험을 했지만, 기술적으로 어렵고 내부적으로 싸워서 실패했대요. 그래서 잠시 접어두고 30년 후에 영국 왕립 천문학자 네빌 마스켈린이 다시 시작했대요. 다바 소벨은 책 "경도"에서 마스켈린을 시계 제작자 존 해리슨의 재능을 몰라보는 멍청이라고 묘사했지만, 마스켈린은 지구 질량 측정 계획을 성공적으로 세웠다는 점에서 높이 평가해야 한대요.
마스켈린은 질량을 추정할 수 있는 규칙적인 모양 산을 찾아야 한다는 걸 깨달았대요. 그래서 영국 왕립 학회는 믿을 만한 사람을 고용해서 영국 전역을 조사해서 그런 산을 찾기로 했대요. 마스켈린은 딱 아는 사람이 있었대요. 천문학자이자 측량사인 찰스 메이슨. 11년 전에 금성 일면통과 측정 프로젝트를 같이 했었대요. 에드먼드 핼리는 금성 일면통과를 지구상 여러 위치에서 측정하면 삼각 측량법으로 지구-태양 거리를 계산할 수 있고, 태양계 다른 천체 거리도 계산할 수 있다고 제안했었대요.
금성 일면통과는 불규칙한 현상이래요. 8년 간격으로 두 번 나타나고, 그 다음에는 1세기 넘게 안 나타난대요. 핼리 생전에는 볼 수 없었지만 (가장 최근 금성 일면통과는 2004년 6월 8일, 다음은 2012년이었대요. 20세기에는 없었대요!), 과학계는 핼리 죽고 20년 뒤에 다음 일면통과가 나타나자 준비를 완벽하게 마쳤대요.
과학자들은 전 세계 100군데 넘는 곳으로 떠났대요. 러시아 시베리아, 중국, 남아프리카, 인도네시아, 미국 위스콘신 밀림 등. 프랑스는 32명, 영국은 18명, 스웨덴, 러시아, 이탈리아, 독일, 아이슬란드 등에서도 왔대요.
역사상 첫 번째 국제 과학 협력 활동이었지만, 어려움이 많았대요. 전쟁, 질병, 해난 사고를 겪은 사람도 있고, 목적지에 도착했는데 장비가 부서지거나 햇볕에 휘어지기도 하고. 프랑스 사람들은 또 불운을 겪을 운명이었나 봐요. 장 샤페는 마차, 배, 썰매 타고 시베리아까지 갔는데, 마지막 구간에서 강이 불어서 못 가게 됐대요. 현지인들은 샤페가 괴상한 장비로 하늘을 가리킨다고 비난하고... 샤페는 겨우 목숨만 건지고 의미 있는 측정은 못 했대요.
더 불운한 사람은 기욤 르 장티였대요. 르 장티는 인도에서 일면통과를 관측하려고 1년이나 일찍 프랑스를 출발했지만, 계속 좌절을 겪고 일면통과 날에도 바다에 있었대요. 배 위에서는 측정이 불가능하니까 최악이죠.
르 장티는 포기하지 않고 인도에 가서 1769년 다음 일면통과를 기다렸대요. 8년 동안 준비해서 최고의 관측소를 만들고 장비를 계속 테스트했대요. 1769년 6월 4일, 두 번째 일면통과 날, 맑은 날씨였대요! 그런데 금성이 태양 표면 통과하려는 순간 구름이 태양을 가리고 3시간 14분 7초 동안이나 안 사라졌대요! 르 장티는 실망해서 장비를 정리하고 항구로 가다가 이질에 걸려서 거의 1년 동안 누워있었대요. 몸이 약한 상태로 배를 탔는데, 아프리카 근해에서 허리케인을 만나서 거의 난파될 뻔했대요. 11년 반 만에 집에 돌아왔는데, 친척들이 르 장티가 죽었다고 선언하고 재산을 다 가져갔대요!
영국에서 파견한 18명 관측자들 실망은 이 정도는 아니었대요. 메이슨이랑 제레마이아 딕슨은 서로 잘 지냈고, 좋은 파트너가 됐대요. 인도 갔다가 수마트라에서 일면통과를 그리라는 명령을 받았대요. 그런데 배가 출발한 다음 날 밤 프랑스 호위함 공격을 받았대요. 과학자들은 국제 협력하는데, 국가들은 아니었던 거죠.
메이슨이랑 딕슨은 왕립 학회에 공해상이 너무 위험해서 계획을 취소해야 할 것 같다고 편지를 보냈대요. 그런데 학회에서는 돈 받았으면 책임감 가져야 하고, 국가랑 과학계 기대를 저버리면 안 된다고 윽박지르는 답장을 보냈대요.
결국 수마트라가 프랑스 손에 넘어갔다는 소식을 듣고 희망봉에서 일면통과를 관측했는데, 효과가 별로 없었대요. 돌아오는 길에 대서양 외딴 섬, 세인트 헬레나에 들렀는데, 마침 마스켈린도 와있었대요. 구름 때문에 관측을 못 하고 있었대요. 메이슨이랑 마스켈린은 친해져서 조류도 그리고 며칠 동안 즐겁게 보냈대요.
얼마 뒤, 마스켈린은 영국으로 돌아가서 왕립 천문학자가 되고, 메이슨이랑 딕슨은 미국으로 떠나서 4년 동안 위험한 황무지를 측량하면서 윌리엄 펜이랑 볼티모어 영주 땅, 펜실베이니아랑 메릴랜드 경계 분쟁을 해결했대요. 그게 바로 유명한 메이슨-딕슨 선이래요. 나중에 미국 노예주랑 자유주 경계선으로 여겨지게 됐죠 (경계선 긋는 게 주요 임무였지만, 천문 관측도 몇 번 했대요. 1도 경선 길이를 측정한 게 당대 가장 정확한 측정이었다고 하네요. 영국에서 펜이랑 볼티모어 영주 분쟁 해결한 것보다 더 칭찬받았대요). 유럽 돌아온 뒤 마스켈린은 독일, 프랑스 동료들이랑 1761년 일면통과 관측이 실패했다고 결론내렸대요. 아이러니하게도 관측 횟수가 너무 많아서 결과가 모순되고 통일이 안 됐대요. 금성 일면통과를 성공적으로 그린 사람은 제임스 쿡 선장이었대요. 타히티 섬에서 1769년 일면통과를 보고 호주 지도도 그리고 영국 왕실 식민지라고 선언했대요. 프랑스 천문학자 조제프 라랑드가 지구-태양 평균 거리가 1억 5천만 km 조금 넘는다고 계산했다는 소식을 듣자마자 귀국했대요 (19세기에 일면통과가 두 번 더 있었는데, 천문학으로 얻어낸 거리는 1억 4959만 km였대요. 지금 정확한 거리는 1억 49597870691km래요). 드디어 지구가 우주 속 위치를 알게 된 거죠!
메이슨이랑 딕슨은 과학 영웅이 됐지만, 어찌 된 일인지 둘 관계는 회복 불가능하게 깨졌대요. 18세기 과학 활동에 자주 등장했음에도 불구하고 둘에 대해서 알려진 게 거의 없다는 게 신기하죠. 사진도 없고, 기록도 거의 없고. 딕슨에 대해서는 "탄광에서 태어났다"고 묘사하고 독자 상상에 맡긴대요. 1777년에 죽었다는 것 외에는 알려진 게 없대요.
메이슨에 대해서는 조금 더 자료가 있대요. 1772년에 마스켈린 요청으로 인력 편차 측정할 산 찾으라는 명령을 받았대요. 스코틀랜드 하이랜드 중심부에 있는 테이 호수 근처 스히할리온 산이 필요하다는 보고서를 보냈대요. 그런데 여름 내내 측정을 안 하겠다고 했대요! 다시는 현장에 안 돌아왔대요. 1786년에 갑자기 아내랑 애들 8명이랑 필라델피아에 나타났는데, 가난하고 불쌍해 보였대요. 18년 전에 측량하고 아메리카에 안 왔었는데, 이번에 온 이유도 불분명하고 친구나 후원자도 없었대요. 몇 주 뒤에 죽었대요.
메이슨이 산 측정을 안 해서 마스켈린이 직접 하게 됐대요. 1774년 여름 4개월 동안 마스켈린은 스코틀랜드 협곡 텐트에서 측량사들을 지휘했대요. 가능한 모든 위치에서 수백 번 측정했대요. 산 질량을 계산하려면 지루한 계산을 많이 해야 했대요. 수학자 찰스 허턴이 이 일을 맡았대요. 측량사들은 지도에 산 높이 데이터를 가득 적어놨는데, 허턴은 높이가 같은 지점을 선으로 연결하니까 산 모양이랑 경사를 쉽게 알 수 있다는 걸 깨달았대요. 그렇게 등고선을 발명했대요!
스히할리온 산 측정 결과 허턴은 지구 질량이 5천조 톤이라고 계산했대요. 이걸 바탕으로 태양을 포함한 태양계 모든 주요 천체 질량을 추정할 수 있대요. 이 실험으로 지구, 태양, 달, 다른 행성, 위성 질량을 알게 되고 등고선도 발명했으니 엄청난 수확이죠!
하지만 모두가 결과에 만족한 건 아니었대요. 스히할리온 산 실험 단점은 산 밀도를 정확하게 모른다는 거였대요. 허턴은 편의상 산 밀도를 보통 돌 밀도, 즉 물 밀도의 2.5배라고 가정했는데, 경험에 근거한 추측이었을 뿐이었대요.
존 미첼이라는 사람이 이 문제에 관심을 가졌대요. 외딴 산힐 마을에 사는 평범한 사람이었지만, 18세기 위대한 과학 사상가 중 한 명이었대요.
미첼은 지진 파동 성질도 알고, 자기장, 중력에 대한 연구도 많이 하고, 블랙홀 존재도 예상했대요! 뉴턴도 못했던 걸 200년이나 앞서서 말이죠. 독일 태생 음악가 윌리엄 허셜이 천문학에 관심을 가지자 미첼한테 망원경 만드는 법을 배우기도 했대요. 천왕성 발견한 사람이죠!
미첼 업적 중 가장 정교하고 영향력 있는 건 지구 질량 측정 장치를 직접 설계하고 만든 거였대요. 그런데 살아있는 동안 실험을 못 끝냈대요. 장비는 과학자 헨리 캐번디시에게 넘어갔대요.
캐번디시는 엄청난 부자였대요. 할아버지랑 외할아버지가 데번셔 공작, 켄트 공작이었대요. 천재인데 괴짜 과학자였죠. 엄청 수줍음이 많아서 거의 병적이었대요. 다른 사람들이랑 접촉하는 걸 불편해하고 집사랑도 편지로 대화했대요.
한 번은 문을 열었더니 비엔나에서 온 팬이 문 앞에 서서 칭찬을 엄청 했대요. 캐번디시는 칭찬 듣다가 더 이상 못 참아서 뛰쳐나가 버렸대요! 몇 시간 뒤에 설득해서 겨우 집에 데려왔대요.
일주일에 한 번씩 열리는 과학 모임에 참여하기도 했대요. 그런데 다른 사람들은 캐번디시한테 가까이 가지도 못하고 쳐다보지도 못하게 했대요. 의견을 듣고 싶은 사람들은 캐번디시 근처에 어슬렁거리면서 마치 일부러 그런 척하지 않고 "거기 아무도 없는 것처럼 말했대요". 과학에 대한 이야기라면 대답을 들을 수도 있었지만, 대부분은 짜증 섞인 소리를 듣고 돌아보면 캐번디시는 조용한 곳으로 도망가고 없었대요.
캐번디시는 돈도 많고 은둔형 외톨이라서 맘대로 물리학 연구를 할 수 있었대요. 전기, 열, 중력, 기체, 물질 성질까지. 18세기 말은 기본 물질, 특히 기체랑 전기에 대한 관심이 높아지고 다루는 방법을 알기 시작한 시대였대요. 미국에서는 벤저민 프랭클린이 폭풍우 속에서 연 날리고, 프랑스에서는 화학자가 수소에 불을 붙여서 수소가 폭발성 물질이라는 걸 증명하고 눈썹을 태우고. 캐번디시도 자기 몸에 전기 충격을 가하면서 고통을 느끼고 정신을 잃을 때까지 실험을 했대요.
캐번디시는 수소 분리, 수소-산소 결합으로 물 생성 등 많은 발견을 했지만, 괴짜 이미지는 벗어날 수 없었대요. 아무한테도 말하지 않았던 실험 결과를 논문에 자주 언급해서 동료 과학자들 속을 태우고. 뉴턴을 모방하고 넘어서려고 노력했지만, 전도성에 대한 실험은 1세기나 앞서 있었고, 19세기 말에야 발견됐대요. 19세기 말에 케임브리지 대학 물리학자 제임스 클라크 맥스웰이 캐번디시 문서를 편집하기 전까지는 대부분 업적은 남들한테 뺏겼대요.
캐번디시는 에너지 보존 법칙, 옴 법칙, 돌턴 부분 압력 법칙, 리히터 역비례 법칙, 샤를 법칙, 전도 법칙 등등 많은 걸 발견하거나 예상했지만, 아무한테도 말 안 했대요. 과학사가 크라우서에 따르면 조석 마찰이 지구 자전 속도 늦추는 작용, 대기 냉각 작용, 냉동 혼합물, 불균일 평형 등도 예상했대요. 불활성 기체 발견으로 이어지는 단서도 남겼대요.
1797년 늦여름, 67세 캐번디시는 존 미첼이 남긴 장비에 관심을 가졌대요.
미첼 장비는 18세기 앵무조개 모양 역기 운동기구처럼 생겼대요. 무거운 추, 무게추, 진자, 축, 비틀림 강선으로 되어있고, 장비 핵심은 0.635kg짜리 납 구체 두 개가 작은 구체 양쪽에 매달려 있는 거였대요. 장비는 큰 구체가 작은 구체에 미치는 인력 편차를 측정하려고 만든 거였대요. 만유인력 상수를 처음으로 측정하고 지구 무게를 추정할 수 있게 되는 거죠 (물리학자에게 질량, 무게는 다른 개념이래요. 질량은 변하지 않지만, 무게는 다른 물체랑 얼마나 떨어져 있느냐에 따라 변한대요. 달에 가면 무게는 가벼워지지만, 질량은 그대로래요).
인력은 행성을 궤도에 유지시키고 물체를 떨어뜨리니까 강력한 힘이라고 생각하기 쉽지만, 그렇지 않대요. 태양처럼 거대한 물체가 지구처럼 거대한 물체를 잡아당기는 거대한 규모에서 강한 거래요. 기본적인 수준에서는 인력은 아주 작대요. 테이블에서 책을 들거나 바닥에서 동전을 주울 때 행성 전체의 인력을 쉽게 이겨내는 거죠. 캐번디시는 아주 가벼운 수준에서 인력을 측정하고 싶었던 거래요.
정밀함이 핵심이었대요. 장비 있는 방에는 방해가 있으면 안 됐기 때문에 캐번