위대한 창조과학자

제임스 주울 (1818–1889)

하나님의 인도하심을 받은 위대한 실험가 

저자: Ann Lamont, B.Sc., M.Ed.St.
번역자: 한국어창조과학회 (creation.kr)

제임스 주울(James Prescott Joule)은 영국의 맨체스터 근처에 있는 셀포드에서 1818년 12월 24일에 태어났다. 그는 부유한 양조장 주인의 다섯 아이 중 둘째였다. 어릴 적 제임스는 약하고 수줍음을 잘 탔으며 척추에 병을 앓고 있었다. 이러한 한계 때문에 그는 물리적 활동에 대한 연구를 즐겨했다. 그의 척추의 문제는 후에 나아지기는 했지만, 그것은 그의 인생전체에 걸쳐 그에게 영향을 주었다.

제임스는 15살 때까지 집에서 교육을 받았다. 그 후로 그는 가정의 양조장에서 일했다. 그러나, 그와 그의 형은 맨체스터에서 개인 교사에게 시간제로 교육을 계속 받았다.

1834년에서 1837년까지 그들은 유명한 영국의 화학자 존 돌턴(John Dalton)에게서 화학, 물리, 과학적 방법 및 수학을 배웠다 (제임스 주울과 마찬가지로 돌턴도 성경을 믿는 기독교인이었다). 제임스는 그가 과학자가 되는데 있어서 돌턴이 중요한 역할을 했음을 매우 감사했다. ”내가 독창적인 연구를 통해 내 지식을 증가시키고자 하는 열망을 처음으로 갖게 된 것은 그의 교육으로부터 기인한 것이다” 라고 주울은 말했다.¹

그들의 아버지가 병으로 눕게 되자 제임스와 그의 형은 양조장의 경영을 떠맡게 되었다. 따라서 제임스는 대학에 다닐 기회를 가지지 못했다. 그러나, 과학을 연구하려는 그의 지대한 열망은 계속되어서, 그의 집에 실험실을 갖춰놓고 매일 일을 나가기 전과 일에서 돌아온 후에 실험을 행하였다. 제임스는 과학을 연구하려는 그의 열망을 그의 기독교 신앙의 자연적인 결과로 보았다. 훗날 그는 ”자연법칙과 친숙하다는 것은 그 속에 나타나고 있는 하나님의 마음과 친숙하다는 것에 못지 않음이 분명하다”라고 기술했다.²

흥미로운 실험

1839년에 주울은 기계적인 일과 전기 및 열을 포함하는 일련의 실험을 시작했다. 1840년에 그는 가장 명성이 있는 과학자들의 모임인 런던의 왕립학회(Royal Society)에 ”볼타 전기에 의한 열의 생성에 관하여”라는 제목의 논문을 보냈다.

그 논문에서 그는, 전류를 전달하는 철선에서 매 초당 생성되는 열의 양은 전류(I)의 제곱에 철선의 저항(R)을 곱한 것과 같음을 증명했다. 생성된 열은 잃은 전력(P)과 같다. (즉, P = I²R) 이 식이 주울의 법칙이다. 왕립학회는 주울의 논문에 대해 거의 열의를 나타내지 않았으며, 그의 발견에 대해 간단한 요약만을 발간해 주었을 뿐이었다.

1843년에 주울은 동일한 양의 열을 생성시키는 데에 필요한 기계적 일의 양을 계산했다. 이 양을 ”열의 기계적 등가(열의 일당량)” 라고 불렀다. 그의 발견에 관한 논문을 이번에는 과학 진흥을 위한 영국협회에 제출했다. 이번에도 반응은 열렬하지 않았다. 몇 가지 굴지의 잡지 또한 주울의 연구에 관한 논문 발행을 거절했다.

많은 영국의 과학자들이 그의 연구를 받아들이는 것을 주저했지만, 주울은 참을성있게 지속했다. 새로운 개념, 특히 그 분야의 아마추어가 제시한 개념의 경우에는 그것이 수용되기까지 종종 많은 시간이 걸렸다. 주울의 발견은 그 당시 대부분의 물리학자들이 믿고 있었던 열의 열소(熱素)이론(caloric theory)을 부정하는 것이었다. 열소 이론에서는 열이 일종의 유동성 물질이라고 믿었다.

주울의 발견을 수용하는데 대한 또 다른 장애물은 그의 측정에 대한 믿기 어려운 정밀성으로 인한 불신이었다. 그러나 주울은 참을성이 있었고 그의 실험에 있어서 독창적이었다. 이러한 속성들은 그가 오차를 줄이고, 이전의 실험가들에 의한 결과보다 훨씬 더 정확한 결과를 얻는 데에 많은 도움이 되었다.

중요한 승인

1847년까지 열과 전기 및 기계적 일의 관계에 관한 주울의 연구는 대부분 무시되었었다. 그 후에 그의 연구는 윌리엄 톰슨(William Thomson)의 관심을 끌게 되었다. (후에 로드 켈빈(Lord Kelvin)으로 알려진 톰슨은 유명한 과학자 중의 하나이며 헌신적인 기독교인이었다).

그 당시 23세 밖에 안되었던 톰슨은 벌써 글래스고우(Glasgow) 대학의 물리학과 교수였다. 톰슨은 주울의 연구가, 물리학에서 나타나기 시작한 결합 양상과 잘 들어맞음을 알았으며, 그는 주울의 연구를 열정적으로 인정했다. (사실상 주울의 연구는 물리학의 단편적인 부분들을 결합시키는 과정에 중요한 기여를 했다.)

주울의 연구에 대한 다른 열정적 지지자로는 미쉘 패러데이(Michael Faraday)와 조오지 스톡스(George Stockes)가 있다. 그 둘은 기독교인으로 알려진 유명한 과학자였다. 몇몇 저명한 지지자들에 의한 이러한 승인은 주울에게 개인적으로 닫혔던 문을 열게 해 주었다. 이제 왕립학회는 그에게서 다른 논문을 들을 준비가 되었다. 1849년에 주울은, 패러데이를 후원자로 하여, '열의 기계적 등가에 관하여' 라는 제목의 논문을 왕립학회 앞에서 읽었다. 다음 해에 왕립학회는 주울의 논문을 발간했으며 그는 명성있는 등급의 회원으로 선출되었다.

새로운 과학 원리 - 열역학

주울의 연구에 들어 있던 에너지 보존법칙은 열역학이라 알려진 새로운 과학 원리를 낳았다. 주울이 이 원리를 제시한 최초의 과학자는 아니었지만, 그는 그에 대한 유용성을 입증한 최초의 사람이었다. 비록 톰슨과 몇 명의 다른 과학자들이 후에 열역학에 대해 중요한 기여를 하기는 했지만, 열역학의 주요 제창자로써 주울을 꼽는다. 그는 ”일은 어떤 고정된 비(比)로써 열로 전환될 수 있으며, 열은 일로 전환될 수 있다”는 것을 입증했다.³

주울의 에너지 보존법칙은 열역학 제1법칙의 기초를 이루었다. 이 법칙은, 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없으며, 다만 다른 형태로 변화할 수 있을 뿐임을 의미한다.

아이작 아시모프(Isaac Asimov)는 이 법칙을 ”과학사에서 가장 중요한 일반법칙 중의 하나” 라고 말했다.⁴ 그것은 우주에 존재하는 에너지의 전체 양(물질을 포함하여)은 일정함을 의미한다. S. M. Huse가 그의 저서 「진화론의 붕괴」에서 지적했듯이, ”이 법칙은, 우주가 스스로 창조되지 않았음을 결정적으로 알게 해준다! … 현재의 우주의 구조는 보존적 구조일 뿐, 진화론에서 요구되는 것과 같은 혁신이 아니다.”⁵

진화론자들은 이러한 일정한 양의 에너지 또는 물질이 어떻게 생성되었는지 설명할 수 없지만¹¹, 성경은 설명을 제공해 준다 - 오직 하나님만이 무(無)로부터 창조하실 수 있다. 성경은 또한, 하나님은 그 분이 창조한 것을 유지시키고 있다고 가르쳐 준다. 인간에 의한 것이건 자연의 힘에 의한 것이건 모든 다른 변화는 단지 이미 존재하던 것의 재배열에 불과하다.

주울은 그의 발견에 대한 종교적 의미를 알고 있었다. 그는 ”하나님이 물질에게 발휘했던 능력이 파괴될 수 있다고 상상하는 것은 그런 능력이 인간의 섭리에 의해 창조될 수 있다고 상상하는 것 이상으로 어리석음이 분명하다”⁶ 고 서술했다. 에너지 보존법칙은 성경과 완벽히 일치했으며, 반면에 주울은 열소이론의 몇 가지 관점은 성경과 일치하지 않는다고 생각했다.

또 다른 기회에 주울은 다음과 같은 글을 썼다. ”자연의 현상은, 그것이 기계적이든, 화학적이든 혹은 생명에 관한 것이든, 거의 대부분 다른 것으로의 영속적인 전환으로 이루어진다. 따라서 우주에서 질서가 유지된다 - 아무것도 혼란하지 않으며, 아무것도 잃지 않고, 다만 전체의 기구는 복잡한 그대로 매끄럽고 조화롭게 작동한다… 모든 사물은 하나님의 주권적 의지의 지배를 받는다.”⁷

이정표적 논문

1848년에 발표된 이정표적 논문에서, 주울은 기체 분자의 속도(속력)를 계산한 최초의 과학자가 되었다. 기체의 운동이론에 관한 이 초기의 연구를 후에 다른 사람들이 발전시켰는데, 그 중에 특히 유명한 사람은 스코틀랜드의 수학자이며 물리학자인 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)(또 다른 헌신적인 기독교인)이 있다.

주울은 전기의 표준단위에 대한 필요성을 인식한 최초의 과학자 중의 한 사람이며, 그것을 수립할 것을 강력히 주장했다. 이 표준화는 후에 맥스웰의 지시 하에 과학 진흥을 위한 영국협회에서 이루어졌다. 주울은1872년과 1887년에 영국협회장이 되었다.

열과 기계적 운동을 관련 짓는데에 대한 주울의 기여를 인식하여, 후에 물리학에서 에너지(또는 일)의 단위를 '주울' 이라 명명했다.

주울 - 톰슨 효과

1852년에 주울은 톰슨과 공동으로 연구하기 시작했다. 두 과학자는 서로를 완벽하게 보충했다 - 주울은 정밀하고 수단이 좋은 실험가였지만, 수학에 있어서는 제한적인 교육만 받았을 뿐이며, 톰슨은 수학적 재능을 가진 물리학자로서 물리학의 기초가 되는 이론을 확장시켰다.

비극적으로, 주울의 부인은 결혼한지 6년밖에 안된 1854년에 그들의 어린아이들을 남기고 죽었다. 바로 그 후에 주울의 가족은 양조장을 팔았다. 그 때 주울은 비교적 은둔 생활을 해 나갔다. 이제 그는 과학적 연구에 보다 전적으로 그 자신을 바칠 수 있게 되었다.

다음의 8년 동안 주울은 톰슨과 함께, 새로운 열역학 원리에서 나오는 몇 개의 예측을 확인하기 위해 몇 가지의 중요한 실험을 행하였다. 이들 실험중 가장 유명한 것으로, 외부에서 일이 가해지지 않을 때 기체의 팽창에 따른 온도하강을 들 수 있다. 기체가 팽창할 때 냉각하는 이러한 현상을 ”주울-톰슨 효과”라 한다. 이 원리는 냉장산업의 발전에 대한 기초를 제공하였다.

천부적인 실험가

톰슨과 공동연구를 하는 동안 주울은 톰슨이 제기한 이론적 쟁점을 실험적으로 조사하는 실질적 역할을 겸손하게 떠맡았다. 이것은 수확이 많은 협력관계에 있어서 명성이 덜한 역할이었지만, 주울은 인정을 얻기보다는 가치있는 결과를 달성하는 데에 더 관심이 있었다.

그러나, 주울은 위대한 이론적 공헌을 스스로의 권리로써 이룩했음을 기억해야 한다. 스테픈(H. J. Steffens)은 주울에 관한 전기(傳記)에서 이렇게 말한다 : ”그는 확실히 ”훌륭한 실험가” 그 이상이다. 그의 실험은 그의 사고(思考)를 낳고 그것을 형성하였으나, 그의 사고는 용인된 과학 이론에 대항하여 견고히 섰으며 새롭고 정확한 우주질서를 제시하였다.”⁸

주울은 그의 실험을 생각하고, 수행하고, 기술하고 설명하는 것을 놀랄 만큼 명쾌히 제시했다. 다른 많은 과학자들과는 달리 주울은 막다른 골목으로 들어서거나 부정확한 관찰을 하는 경우가 거의 없었다. 대부분의 경우 그의 최초의 노트는 매우 분명해서 추후에 수정하지 않고도 인쇄를 할 수 있었다. 이는 그의 생각이 비범하게 분명했음을 시사해 준다.

성경을 신뢰함

주울은 신실한 기독교인으로서 인내와 겸손의 사람으로 유명하다. 그는 발견된 하나님의 의지를 믿었으며 그것에 복종했다.

그는 과학자로서의 그의 연구와 성경의 진리에 대한 그의 확신 사이에 모순을 발견치 못했다. 많은 동료 과학자들이 그와 견해를 같이 했다. ”그 당시 전국을 휩쓸던 다윈설(진화론)의 물결에 대항하여 … 717명의 과학자들이 자연과학 및 물리학도의 선언이라는 제목의 주목할 만한 성명서에 서명하였는데, 이는 1864년 런던에서 시작되었다. 이 선언은 성경의 과학적 완전성에 대한 그들의 신뢰를 확인하는 것이었다.”⁹ 제임스 주울은 그 문서에 서명한 다소 저명한 과학자 중의 하나였다.

1872년부터 주울의 건강이 나빠져서 그 이상의 연구는 거의 못하였다. 그는 영국의 Cheshire있는 Sale에서 1889년 10월 11일에 죽었다.

주울은 하나님을 창조주로서 확고하게 인정했다. 다음과 같은 그의 말은 그의 인생의 좌우명이었다. ”하나님의 의지를 인식하고 그것에 복종을 하면, 그 다음 목표는 그분의 창조물이 증명해주는 지혜, 능력 및 선하심에 대한 그분의 속성을 아는 것임이 분명하다.”¹⁰