• 자연과학/공학 > 교양과학/기술 일반 > 과학에세이

출판사 리뷰

물 전문가들이 쓴 물과학자들의 이야기

탈레스, 아르키메데스, 장영실, 레오나르도 다 빈치, 갈릴레이, 파스칼, 뉴턴의 공통점은? 우리가 익히 아는 과학자들이다. 언뜻 보기에 이들의 활동 분야는 다 다르지만 한 가지 공통점이 있다. 바로 물 분야의 선구자들이라는 점과 물과학의 새로운 장을 열었다는 점이다.
탈레스는 ‘물은 만물의 근원’이라고 했으며, 아르키메데스는 목욕탕에서 부력의 원리를 발견한 후 ‘유레카’를 외쳤다. 다 빈치는 하천에서의 홍수흐름을 연구하고 유체흐름의 근본 원리를 제시했다. 장영실은 ‘세계 최초의 측우기’를 발명한 것으로 잘 알려져 있다. 또한 관노 출신으로 상의원 별좌까지 벼슬을 했으며, 그가 만든 세종대왕의 가마가 부서지면서 역사에서 사라져 갔다는 이야기도 유명하다.
반면 천재 물리학자 알버트 아인슈타인의 장남인 한스 아인슈타인이 하천 유사흐름 연구의 세계적 대가였다는 사실은 널리 알려져 있지 않다. 아버지가 물리분야의 대가라면 아들은 하천공학 분야의 대가였다. 부전자전이었던 것이다. 전공분야만 다를 뿐.

물과학과 관련되어 우리나라에서 제일 오래되고 큰 전문학회인 한국수자원학회에서 물과학의 기초를 확립하고 발전시킨 40인 과학자들의 성과를 집대성했다. 물 과학자들의 삶과 에피소드를 모아 <물과학 분야의 프런티어 : 물위를 걸어온 과학자들>을 펴냈다. 이를 통해 물과학의 태동과 발전, 응용을 알기 쉽게 정리했다.
물과학은 물의 생성, 흐름, 순환, 분포 등에 대한 연구를 기본으로 인간을 위한 물의 공급, 홍수나 태풍 또는 가뭄 등의 예방, 하천의 변화와 이용 등의 분야에 이르기까지 매우 광범위하다. 특히 댐 건설, 하천관리 등에 필수적인 학문이다. 최근에 논란이 되고 있는 4대강 사업도 물과학에 기초해서 설계되고, 물과학에 근거에서 평가되는 것이다.
물은 변화무쌍하고 예측이 힘든 자연이다. 이런 물의 특성을 연구하고 고민했던 40명의 학자들에 대한 이야기는 관련 전문가들뿐 아니라 일반인들에게도 매우 유익하다. 또한 앞으로의 진로에 대해 고민하는 중고등학생들과 대학생들에게도 의미있는 이야기를 전해준다.

학부 때 배우는 유체역학과 수리학 관련 문헌에서는 대부분 도입부에 물의 물리적인 성질에 대해 언급하고 있으며 이때 물의 점성에 대한 설명에서 접하게 되는 이름이 동점성계수의 단위로도 쓰이는 조지 스토크스(George Gabriel Stokes)이다.
스토크스는 점성유체의 움직임에 관한 식에 나비에(Navier)의 이름과 더불어 최종적으로 자신의 이름을 연결시켜 나비에－스토크스식(Navier-Stokes Eg)을 개발한 수학자이자 물리학자로, 연구분야가 광범위해 수학에서 미분·적분방정식론 등에 공헌한 바 컸고 물리학에서도 유체역학·광학·음향 등의 이론적 전개에 큰 업적을 남겼다. 한편 실험에도 재능이 있어 X선이 전자기파라는 결론과 형광체에서 나오는 빛의 파장에 관한 스토크스 이동(Stokes shift)을 발견했다.
이러한 폭넓은 연구분야 중에서 유체역학 분야의 이론 확립에 크게 기여한 업적으로는 점성유체 중에서의 물체의 낙하에 관한 ‘스토크스 법칙(Stokes law)’이 있다.
점성유체 이론을 확립한 스토크스는 1819년 8월 13일 아일랜드 슬라이고 주 스크린(Skreen) 교구의 신교 목사인 아버지와 교회 목사의 딸인 어머니 사이에서 태어났으며, 유년기 동안 매우 종교적인 가정교육을 받으며 자랐다. 부친인 가브리엘 스토크스(Gabriel Stokes)는 6남매를 키우는 어려운 가정형편에도 불구하고 아이들에게 종교 외의 폭넓은 교육 기회를 제공하고자 노력했으며, 이러한 이유로 1832년 스크린을 떠난 스토크스는 더블린의 학교에 입학해 3년을 보냈다. 스토크스가 더블린에서 3년을 보내는 동안 부친이 타계했으며 이 일은 젊은 날의 스토크스에게 큰 영향을 미쳤다.
1835년 16세가 되던 해에 스토크스는 영국 브리스톨의 브리스톨(Bristol) 대학에 입학했는데 그곳에서 2년을 보내는 동안 캠브리지에서 수학하기 위한 기초를 닦았으며 이 기간에도 수학에 대한 탁월한 재능을 보였다. 1837년 캠브리지대학 펨브룩(Pembroke) 컬리지에 입학하게 되고 캠브리지 생활 2년째부터 유명한 윌리엄 홉킨스(William Hopkins)의 지도를 받기 시작하면서 수학적인 관심 방향을 설정하게 된다. 1841년 스토크스는 수학과 수석으로 졸업했으며 펨브룩 컬리지는 졸업과 동시에 그에게 특별 연구원(Fellow) 자격을 부여했다.

수학과 점성유체 이론의 대가

동수역학에 대한 연구를 시작하도록 스토크스에게 조언한 것은 앞서 언급한 홉킨스였으며 이 분야는 스토크스가 그 자신만의 연구를 시작한 최초의 영역이었다. 홉킨스의 조언과 조지 그린(George Green)의 최신 연구 성과에 힘입어 동수역학 분야의 연구를 시작한 스토크스는 1842년과 1843년에 비압축성 유체의 거동에 대한 논문들을 발표하게 된다. 특히 1842년 논문에서는 비압축성 유체의 정적 거동을 다루었다.
(중략)
다양한 분야의 연구를 진행하면서 스토크스는 1849년 캠브리지에서 수학분야의 13대 루카시안 석좌교수로 임명되었고 1851년 왕립학회에 선출되었다. 1852년에는 학회로부터 Rumford Medal을 수상하고 1854년 왕립학회 서기관에 임명되었다. 이즈음 발표한 유체 속의 흔들리는 물체 거동에 관한 논문은 1851년 당시에도 동수역학 분야의 필수 논문으로 인정되었다.

결혼과 연구

스토크스의 연구는 1857년을 기점으로 확실히 다른 궤적을 찾아가는데, 그전까지의 왕성한 이론 연구에 비해 그 이후 연구에서는 실험 연구와 행정 경력을 보다 더 많이 포함하게 된다. 이러한 사실은 1857년의 결혼과 무관하지 않다. 스토크스가 북아일랜드 아마Armagh천문대 천문대장의 딸인 메리 로빈슨(Mary Susanna Robinson)과 결혼한 이후 이전의 수학 관련 연구 이외의 다양한 분야의 관심을 갖게 되었다.
당시 캠브리지대학 특별연구원은 미혼이어야만 했고 따라서 1857년 결혼으로 인해 스토크스는 펨브룩 컬리지에서의 특별연구원직을 그만두어야만 했다. 그러나 1862년 학칙이 변경되어 기혼자도 특별연구원직을 할 수 있게 되자 다시 그 직을 맡게 되었으며 1903년 사망할 때까지 그 자리를 지켰다.
1849년 뉴튼 이래 최초로 캠브리지대학에서 루카시안 석좌교수에 선출된 이후, 50년 뒤인 1899년 6월 1일 유럽과 미국의 수많은 대학의 대표자가 참석한 가운데 캠브리지대학 임용 50주년 행사가 성대하게 개최되기도 했다.
스토크스는 1889년 남작의 작위를 받았으며 나아가 캠브리지대학 선거구의 2명 중 1인으로 1887년부터 1892년까지 대학을 대표해 의회에 봉사했다. 또한 1854년 이래 영국 왕립학회 서기관직과 1885년부터 1890년까지 왕립학회 회장직을 수행하는 동시에 루카시안 석좌교수직도 유지해 뉴튼 경 이후 최초로 세 가지 업무를 수행한 유일한 사람이다. 뉴튼도 세 가지 직을 동시에 유지하지는 못했었다. 또한 1893년 왕립학회로부터 Copley Medal을 수여받았으며 1886년부터 사망한 1903년까지 빅토리아 연구소 소장직을 수행했다.

스토크스를 기리며

스토크스는 맥스웰(Maxwell), 켈빈경과 함께 자연물리학의 3대 거성으로 불리며 19세기 중반 수리물리학 분야에서 캠브리지 학파의 명성을 높이는데 지대한 공헌을 했다. 맥스웰, 그린(Green) 등과 함께 후대 캠브리지 학파에게도 지대한 영향을 끼쳤다.
스토크스의 수학과 물리학 분야의 논문들은 5개의 논문집으로 출간되었는데 캠브리지에서 발간된 1880년, 1883년, 1901년의 논문집은 그 자신의 편집하에 출간되었으며, 1903년 2월 1일 83세 일기로 세상을 마친 이후 1904년, 1905년 캠브리지에서 발간된 문헌집은 조지프 라머(Joseph Larmor) 경에 의해 출간되었다. 또한 라머 경은 1907년 캠브리지에서 〈스토크스의 과학 서한집과 전기〉를 출간했다.
이러한 수많은 업적을 남긴 스토크스의 학문적 결과는 오늘날 유체역학과 수리학의 점성 및 항력 연구 분야, 상하수도 분야의 침전지 설계, 지하수의 유동, 토질역학의 비중계에 의한 입도분석 등 실생활과 밀접한 많은 분야의 기초이론으로 사용하고 있다. 이를 통해 그 존재감이 과거에 국한되지 않고 지금까지도 영향을 미치는 위대한 수공학자 중 한 사람으로 기억되고 있다.