한 과학기술 노동자의 잡소리들

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하이젠베르크와 나치

독일 출신의 물리학자 하이젠베르크는 양자역학에서 자신의 독특한 이론을 개발하였다. 1932년에 그의 행렬 역학 시스템으로 노벨 물리학상을 받기도 했다. 플라톤(Plato)의 <<대화Timaeus>>에 강한 영향 받은 그는 학생 때부터 유명한 관렴론자였다. 이러한 관념론자의 반동적인 결론은 하이젠베르크 삶의 변화과정에서 잘 보여준다.

 1919년 하이젠베르크는 반동적 자유군단(Freikorps)에 가입하여 독일 노동자들을 탄압하기도 했다. 자유군단은 훗날 히틀러가 권력을 잡는 데 핵심적인 역할을 한 나치돌격대(SA)가 된다. 이러한 과거의 부끄러운 경력을 그는 다음과 같이 변명한다. 당시 그의 아파트가 한번(!) 강도당한 적이 있을 만큼 매우 혼란한 시기였고 또 호기심 많은 젊은 날의 모험심 때문에 자유군단에 복무하게 되었다고.

그러나 하이젠베르크의 친-나치 행위는 여기서 끝나지 않았다. 그는 2차 세계대전 동안에 나치의 원자폭탄(A-bomb) 계획의 총 책임자였다. 다행히도 나치의 원자폭탄 계획은 성공하지 못했다. 2차 세계대전 후 연합군 포로가된 그는 원자폭탄 계획의 실패 원인을 그와 그의 동료과학자들이 나치에 비협조적이었기 때문이라고 설명했다.

그러나 그의 집안은 히틀러의 오른팔인 히믈러(Himmler)집안과 오랫동안 친밀하게 지내왔다. 그리고 나치가 그를 기본적으로 신뢰하지 않았다면 원자폭탄 계획을 그에게 맡기지 않았을 것이다. 이러한 이유로 일부 역사학자들은 나치의 원자폭탄 계획의 실패 원인을 리더로써 하이젠베르크의 자질 부족으로 보고 있다.

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아무도 달을 보지 않으면 달은 존재하지 않는다?

- 하이젠베르크의 불확실성의 원리 II

인간은 과학을 통해 무지에서 지식으로 진보시켰다. 그러나 알지 못하는 것과 알 수 없는 것 사이의 혼돈은 끊임없이 진보를 방해해 왔다. ‘모른다‘와 ’알 수 없다‘ 사이에는 엄청난 차이가 있다. 역사적으로도 이런 저런 이유로 우리가 도저히 알 수 없는 것들이 있다고 주장하면서, 인간 인식에 한계를 두는 시도들이 있어왔다.

 칸트는 물-그-자체(Things-in-Themselves)가 아닌 오직 현상만을 알 수 있다고 주장했다. 버클리(Berkeley)와 흄(Hume)과 같은 주관적 관념론자들은 인간의 의식을 인식의 출발점으로 삼았다. 그리고 인간의 의식으로부터 독립하여 존재하는 객관세계를 인정하지 않고, 다만 그것이 인간의 의식에 나타나는 한에서만 그 존재를 인정했다 하이젠베르크 역시 양자역학에 있어서 중요한 역할을 하였지만 그의 전체적인 관점은 주관적 관념론을 반영하고 있다.

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[양자역학과 좌파5] 하이젠 베르크의 불확실(정)성 원리(uncertainty principle) I

물리학자들은 입자가 움직인다는 것을 운동량이라는 개념으로 나타내는데, 이것은 움직이는 입자의 질량과 속도를 곱한 값으로 정의한다. 반면에 파동은 다른 형태의 물리적 과정이다. 예를 들어 잔잔한 물 표면에 돌멩이를 던졌을 때 발생하는 왜란과 같은 것을 말하는데, 이 과정에서 움직이는 것은 에너지가 된다. 파동의 경우 파장으로 나타내는데, 그림에서와 같이 파장의 가장 큰 값(마루)에서부터 다음 마루까지의 거리를 말한다. 양자역학의 창시자들의 이론적, 실험적 연구결과 이후 물리학자들은 운동량과 파장이 서로 직접적으로 관계한다는 사실을 받아들였다.

입자의 운동을 정확하게 알기 위해서는 특정 순간에 입자가 어디에 있고 또 어디서부터 와서 어디로 향하는지를 알아야 한다. 그래서 속도(운동량)와 위치를 정확하게 측정해야 한다. 이 두 물리량이 정확하게 측정되면 입자의 운동에 대한 원인과 결과는 명확하게 알 수 있다.

하이젠베르크는 이중슬릿 실험의 이상한 결과를 설명하기 위해 전자의 속도와 위치를 동시에 측정할 수 있을까를 고민했고 그 결과를 1927년에 불확실성원리(*)로 발표했다. 일반적으로 불확실성 원리는 인과론을 부정한다고들 하는데, 하이젠베르크는 불확실성의 '원인'을 상상실험을 통해 명쾌하게 설명하였다. 당시 물리학자들은 전자와 같은 미세 입자의 운동을 실험적으로 측정하기 불가능했기 때문에 머릿속 생각으로 실험을 하곤 했는데, 그것을 "상상실험(thought experiment)"이라고 한다.

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[양자역학과 좌파4]우연에도 종류가 있다.: 양자역학의 두 그룹

                                  기관지노힘  제81호

A는 A이면서 A가 아니다?!

아인슈타인은 오랫동안 파동으로 알려져 있던 빛이 입자와 같이 운동한다는 것을 보여주었다. 그리고 빛도 중력의 법칙에 지배를 받는다고 제안하였다. 이 제안은 실제 관찰에 의해 증명되는데, 개기일식 때 별빛이 태양 주위의 중력에 의해 휘는 현상이 관찰되었다(1919년). 빛은 물질의 또 다른 존재형태였던 것이다. 엥겔스도 그의 책 [자연 변증법]에서 "에너지("빛, 운동")를 물질의 존재 형태이며 내재된 속성"이라고 말한 바 있다. 역으로 드브로이는 입자라고 생각했던 것이 본질적으로 파동성을 가지고 있음을 밝혀내었다. 입자성이란 일정한 공간에 국한되어 있고 서로 충돌하는 특성을 말하며, 파동성이란 전 공간에 퍼져있고 서로 충돌하는 것이 아니라 중첩하여 보강-간섭하는 성질을 말한다. 이 두 개념은 상호 배타적이며 반대되는 개념이다.

당시 물리학자들이 혼란에 빠진 이유는 미시세계의 이러한 물리적 특성을 “일반 상식”(특히 형식논리학)으로 도저히 이해할 수 없었기 때문이다. 형식논리학은 ‘A는 항상 A와 동일하다(동일률).’ 와 ‘A는 A가 아닌 것 (not-A)과 같을 수 없다(모순율).’이라는 기본법칙을 가지고 있다. 근대 과학을 발전시키는데 크게 공헌한 형식논리학은 미시세계에서 그 한계를 드러내고 있다. 예를 들어 형식논리학에 따르면 파동성이 A라면 입자성은 not-A가 된다. 그리고 A는 non-A가 절대로 될 수 없다. 그러나 양자역학에서는 A가 not-A의 특성을 나타내므로 모순율에 위배된다.

변증법의 핵심에는 ‘대립물의 통일과 투쟁’이라는 개념이 있다. 이때 대립물이란 서로 분리될 수 없는 통일을 이루면서도 서로 배제하는 가운데 서로 침투하는 관계에 있는 것, 즉  모순 속에 있는 것을 말한다. 이 모순 관계로 입자성과 파동성을 설명할 수 있다. 이렇듯 형식논리학이 답을 주지 못하는 곳에서 변증법은 좋은 해답을 제시해 준다. 그러나 여기가 끝이 아니라 출발점이다. 변증법의 ‘대립물의 통일과 투쟁’이라는 개념은 더 상세한 해명과 발전을 필요로 한다. 

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/* 이 글은 노동자의 힘 기관지에 연재중에 있습니다. */

[양자역학과 좌파3]괴기한 이중 슬릿 실험

파동인줄 알았던 빛은 아인슈타인에 의해 입자의 특성이 발견되었고, 입자인줄 알았던 전자는 드브로이와 데이비슨에 의해 파동의 특성이 발견되었다. 이러한 입자-파동의 이중성은 1989년에 <이중 슬릿(구멍) 실험>을 통해 보다 명확하게 밝혀졌다. 이 실험을 살펴보는 것이 앞으로 양자역학을 이해하는데 큰 도움이 되므로 자세히 살펴보자.

낮은 에너지의 전자총으로 서로 간섭현상을 일으키지 않게 낱개의 전자가 튀어나오게 한 다음 이 전자들을 그림과 같은 작은 구멍에 통과시키자. 그리고 그 뒷면에 전자를 감지할 수 있는 스크린을 두어 전자의 분포를 확인한다. 이 단일 슬릿 실험에서는 예상과 같이 구멍 뒷면에서 가장 많은 분포를 얻을 수 있었다.

                                                       그림 1    

                                                        그림 2

여기까지는 고전 역학적 해석으로도 아무른 문제가 없다. 그렇다면 두개의 구멍사이로 전자를 통과시키면 어떻게 될까? 예상대로라면(입자라면) 두개의 구멍위치에서 가장 많은 분포를 얻을 것을 것이고, 각각을 합한 결과와 같을 것이다(그림 2).

                                                   그림 3

그러나 실험결과는 그렇지 않았다. 그림 3과 같이 스크린에 줄무늬모양의 간섭무늬가 나타난 것이다. 그렇다면 전자는 어떻게 움직였을까? 쉽게 '전자는 파동과 입자의 성질을 갖는다.'고 앵무새처럼 암기해서 '이해한 척' 넘어갈 문제도 아니다. 양자역학적 해석에 따르면 전자 하나를 통과시켜도 이러한 간섭 현상이 일어나는 것으로 해석하고 있다. 전자 하나를 두 개의 구멍을 향해 발사했는데, 간섭무늬가 나타났다면 어떻게 해석해야 할까? 방법은 하나뿐이다. 전자 하나가 두 개의 구멍을 동시에 통과해서 스스로  간섭무늬를 만들어 낸 것이 된다.  

 이러한 실험 결과는 더 이상 고전 물리를 일부 수정한다고 해결할 수 있는 수준이 아니었다. 이 난해한 현상을 이해하기 위해 물리학자들은 수학적 방법에 많은 부분을 의존하게 되었다. 그래서 나온 수식이 슈뢰딩거의 파동 방정식(하이젠베르크의 행렬역학)인 것이다. 뉴턴의 운동 방정식(힘=질량X가속도)을 풀면 입자의 위치와 속도를 구할 수 있으며, 이 위치와 속도는 실제 공간에서 그대로 위치와 속도이므로, 이해하는데 아무른 문제가 없었다. 그러나 파동 방정식을 풀어서 나온 해답인 파동 함수가 무엇인지 물리적 의미를 부여하기가 그리 쉽지가 않았다. 한 가지 대안으로 슈뢰딩거는 전자를 현실 물리 세계에서 자신의 파동 방정식을 따르는 파동으로 이해할 것을 제안하였다.

그러나 불행히도 그의 해석은 단일 입자의 경우에만 잘 맞았다. 슈뢰딩거 방정식에 따르면, 다-입자(multi-particle)계에서는 관련된 파동이 다차원 공간에 나타난다. 만약 3개의 입자를 다루면 9차원 공간을 생각해야 한다. 9차원 공간?! 이 말은 슈뢰딩거의 파동이 존재하는 공간은 실제 공간이 아닌 수학적인 추상 공간인 것이라는 뜻이다. 그러므로 슈뢰딩거 파동 방정식에서 전자와 관련된 파동은 실제 공간에서의 파동으로 해석할 수 없다. 그렇다고 양자역학을 무시할 수는 없다. 파동 방정식을 기반으로 한 양자역학은 그 어떤 역학보다 미시세계를 잘 기술하고 있음이 실험적으로 무수히 증명되었기 때문이다. 그렇다면 도대체 이 파동 방정식의 파동함수를 어떻게 해석해야 한단 말인가? 아인슈타인의 절친한 친구이자 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born)은 이 문제에 대해 해결을 시도했다. 그는 수학적인 추상공간의 파동함수 크기를 제곱하면 측정시 나타나는 입자의 물리량(위치 혹은 속도)을 발견할 확률로 해석하자고 제안하였다. 이것이 아직까지 양자역학 주류에서 받아들이고 있는 파동함수의 해석 방법이다. 이러한 해석 방법 역시 부분적으로 해답을 주지만 완벽하지는 않았다. 앞서 살펴보았듯이 전자의 파동성은 현실공간에 나타나기 때문이다. 

                                                      그림 4

다시 이중 슬릿 실험으로 돌아가 보자. 이중 슬릿 실험에서 전자의 움직임을 정확하게 안다면 보다 정확하게 알 수 있을 것이다. 그래서 전자가 매 순간 어느 구멍으로 통과하는지를 관찰하기 위해 위쪽 구멍에 '전자 측정 장치'를 설치해보았다. 그런데 이번에는 희한하게 간섭 무늬가 나타나는 것이 아니라 입자 특성이 나타났다(그림 4). 이것은 측정방법에 따라 전자가 파동의 특성(스크린만 두었을 때)을 보이기도 하고 입자특성(전자 측정 장치를 두었을 때)을 보이기도 한다는 뜻이다. 

양자역학은 고전역학의 문제를 많이 해결하였지만 양자역학의 해석을 둘러싸고 여전히 혼돈 속에 있다. 주류과학자들은 양자역학의 난해한 현상들로 인해 오직 측정 가능한(경험적인 것)양에만 집착했다.(실증주의) 또 다른 과학자들은 보른의 확률적 해석을 완전한 우연적 현상으로 오해해서 불가지론을 주장하기도 한다. 또 소수이기는 하지만 관측방법에 따라 변하는 양자역학적 현상을 신비주의/종교에 빠져들기도 한다. 물론 아주 소수로 좌파적 해석도 있다. 그러나 주류 양자역학의 개척자들의 강한 실증주의적인 견해는 양자역학 해석을 더욱 혼란을 가중시켰다. 예를 들어 하이젠베르크는 "물리학은 공식적으로 사람들이 인식하고 있는 것들 사이의 관계로 나타낼 수 있다", "현대 물리학에서 우리는 원자의 구조와 같은 진리를 다루는 것이 아니라 원자를 관찰할 때 우리가 인식하는 현상만을 다룬다."고 주장했다. 다음에는 이러한 양자역학을 둘러싼 다양한 해석에 대해 알아보자.(다음호에 계속)

/* 오래 기다렸습니다. 다음호 부터 진짜 본론으로 들어갑니다. 많은 의견 부탁드립니다. 이 이중 슬릿 실험에서 많은 이야기들이 펼쳐집니다. */

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양자역학의 시작

빛과 함께 당시 물리학자들 연구 대상은 물질의 구성과 관련된 원자의 구조였다. 19세기까지만 해도 물질을 구성하는 가장 작은 단위가 원자라고 생각했었다. 원자는 영어로 아톰( Atom)이라하고 이 말은 그리스어로 ‘더 이상 나눌 수 없는 존재’라는 뜻에서 유래하였다. 그러나 1911년 러더퍼드(Rutherford Birchard Hayes)는 알파입자를 금 박막에 충돌 시키는 실험을 통해서 원자 중심부에 양전하를 띈 원자핵이 모여 있다는 사실을 발견하였다. 실험결과에 따르면 놀랍게도 원자는 99.9999999999%가 비어 있었다. 이것은 축구 경기장에 모래 알 크기와 유사하다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 러더퍼드는 마치 태양계 행성과 같이 원자가 원자핵을 중심으로 전자가 돌고 있는 모델을 제안한다(그림 참조).

그러나 이 모델에는 아주 심각한 문제를 안고 있다. 러더퍼드 원자 모델에서는 전자가 핵 주위를 원운동 하고 있는데, 원운동을 하려면 전자가 지속적으로 운동의 방향을 바꾸어야 한다. 그런데 속도는 크기와 방향을 갖는 벡터(vector)양이므로, 크기는 같더라도 방향을 바꾸면 속도는 변한 것이 된다. 여기서 문제가 발생한다. 속도가 변했다면 가속도 운동을 했다는 뜻이 되는데, 전자가 가속도 운동을 하면 전자기파가 발생해 운동 에너지를 잃어버리게 된다. 결국 운동에너지를 잃어버린 전자는 원자로 끌려들어가 붕괴되어 버릴 것이다. 그러나 현실을 그렇지 않다. 

원자 물리학의 아버지라 불리는 보어(Neils Bohr)는 이 점을 보완하기 위해 고전이론과의 단절을 시도하였다. 그는 양자 개념이나 에너지 불연속의 개념을 원자 모형에 적용하기위해 다음과 같은 두 가지 가정을 제안했다. 우선 원자에서 전자는 특정한 불연속적인 궤도에만 존재할 수 있고 이 궤도에 있는 전자는 전자기파 방출과 같은 에너지 방출은 없다. 그리고 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 옮겨 갈 때는 궤도사이의 거리에 의존하는 에너지를 방출하거나 흡수한다. 이 모델로 그동안 해결하지 못했던 여러 실험결과들을 해석할 수 있었다.. 그러나 여전히 이러한 가정의 근거가 무엇인지 그리고 전자가 원자핵과 충돌하지 않는 이유에 대해서는 해답을 주지는 못했다.

이 문제를 해결해준 사람은 바로 프랑스 귀족출신의 과학자 루이 드브로이(Louis de Broglie)였다. 그는 박사논문(1924)에서 전자도 파동의 성질을 갖는다는 혁명적인 물질파이론을 내놓았다. 그의 지도교수는 당시만 해도 황당했던 이 박사 논문에 대해 학위를 주기 어려웠다. 지도 교수는 귀족 출신인 점이 껄끄러워 직접 거부하지는 못하고 당시 이름이 널리 알려진 아인슈타인에게 논문 평가를 부탁했다. 그러나 이 논문을 본 아인슈타인은 오히려 드브로이의 업적의 중요성을 단번에 높게 평가하였다. 바로 다음해에  미국의 실험 물리학자 데이비슨(Clinton Joseph Davisson)은 전자도 광파와 마찬가지로 회절현상을 일으킨다는 사실을 발견해 드브로이의 물질파 이론이 세상에 나오게 되었다.

물질파 개념은 보어의 원자모델에서 전자가 원자핵과 충돌하지 않는지를 설명해 주었다. 전자도 파동의 특성을 가지므로 원자핵 주의에서 '정상파'(standing wave)의 조건을 만족하고 있다면, 에너지를 잃어버리지 않고 존재할 수 있기 때문이다. 이로서 원자 모형에 대해 안정적인 이론적인 틀이 완성되어 갔다.

그러나 당시에 고전역학에는 일반적인 입자와 파동의 운동을 기술하는 뉴턴의 운동방정식과 맥스웰의 파동방정식이 있었지만, 원자세계의 운동들을 기술하는 일반적인 운동방정식은 없었다. 그래서 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 드브로이의 전자에 대한 물질파와 관련된 파동을 설명하기 위한 공식을 제안했는데, 이것이 양자역학의 본격적인 시작을 여는 유명한 슈뢰딩거의 파동방정식이다. 이 수식으로 원자 주의에 전자가 존재할 수 있는 에너지 준위를 완벽하게 설명할 수 있게 되었다.

이와 거의 동시에 독일의 물리학자 하이젠베르크(Werner Heisenberg)도 원자에서 빛을 흡수하고 방출하는 여러 가지 패턴을 설명할 수 있는 양자 형식주의(formalism)에 대해 작업을 하고 있었고, 그 결과로 추상적인 수학적 형식주의를 통해 슈뢰딩거의 방정식에서와 같은 행렬역학을 발표하였다. 이후에 하이젠베르크의 행렬역학과 슈뢰딩거의 파동방정식은 수학적으로 동일함이 증명되었다.

수학적 형식주의는 수학을 완전히 형식화하자는 태도 즉, 수학에 쓰이는 모든 표현을 의미가 없는 기호에 의해 어떤 규칙에 따라 나열한 묶음으로 보자는 태도이다. 형식주의는 공리를 세우고 그 공리계가 완전히 모순이 없다는 것을 기호조작을 통해 증명하고자 한다. 그러나 이러한 완전 무모순성에 대한 증명은 1931년 괴델에 의해 깨지고 만다. 그리고 아인슈타인은 형식주의를 무척 싫어했다는 점을 기억해 두자.

참고)

사람을 구분짓는 것은 나쁜 짓이지만, 양자역학의 이해를 돕기 위해, 양자역학에는 두가지 흐름으로 나누면,

(원래 나뿐넘과 착한넘의 이분법으로 구분하면 이해하기는 좋다.. 항상 염두에 두어야 할 것은 그렇게 구분하는 것은 나쁜 짓이며, 정확하게 이해하는 것을 방해한다는 점을 꼭 기억해 두자. 암튼, 한번 나누어 보자.)

우선 한쪽은 Max Plank-Einstein-de Broglie-Schrodinger로 이어지고 (실재론)

나머지 한쪽은 주류쪽으로 Niels Bohr-Heigenberg-Born으로 이어지고 있다. (실증주의)

이들 두 경향의 대립은 21세기에도 지속되고 있다.

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양자역학의 좌파적 이해를 위해

노동자의 힘  77호

소문에 의하면 양자역학이 모든 결정론을 부정하고 있으며, 또 모든 물리 현상은 ‘우연’에 의해 지배된다고 한다. 이러한 양자역학으로 일부 논자들은 맑스주의를 결정론으로 몰아세우기도 하고, 모든 인과론을 부정하며 맑스주의의 종말을 선언하기도 한다. 물론 그 선언 뒤에 남는 것은 ‘자본주의여 영원하라’는 이데올로기뿐이다. 그러나 이것은 사실과 다르다. 양자역학에서 부정하는 결정론은 맑스주의에서도 끊임없이 부정해온 뉴턴식의 기계론적 결정론이다. 더욱이 맑스주의는 우연과 필연의 문제를 상호 배타적인 문제로 바라보지 않는다. 흥미로운 사실은 맑스 자신도 박사학위 논문에서 그리스의 철학자 데모크리토스와 그의 후계자 에피쿠로스의 미묘한 차이가 아주 중요하다고 주장하고 있다. 데모크리토스의 원자는 신에 의해 창조된 완벽한 존재였고, 그것이 물질을 근본적으로 구성하고 있다. 에피쿠로스의 원자는 우연적인 요소를 포함하고 있었기에 불완전했다.

또 다른 소문에 의하면 양자역학에서 진리는 오직 그것을 관찰한 때만 알 수 있어 자연의 객관적 실체가 부정된다고 한다. 이러한 해석을 추종하는 일부 물리학자들은 인간의 ‘주관적’ 의식 없이는 물질적 실체를 생각할 수 없다고 주장한다. 나중에 다시 살펴보겠지만 이것은 정확하게 레닌이 그의 책 [유물론과 경험 비판론]에서 포괄적으로 비판하고 있는 바로 그 주관적 관념론의 관점이다.

20세기를 거쳐 21세기에도 여전히 힘을 발휘하는 양자역학은 오랜 기계론적 결정론을 파괴하였지만 여전히 정교한 예측과 결과를 만들어 내면서 80년대를 극소전자혁명을 21세기에도 지속시키고 있다. 그런데 이 양자역학의 해석을 둘러싸고 나오는 철학적 견해는 맑스주의를 근거 없이 부정하며 노동자-민중에게 유해한 관념론으로 이끌고 있다. 우리는 이 늪에서 맑스주의를 복원할 필요가 있다.

그런데 문제가 있다. 맑스주의를 복원하고 싶지만 그 어려운 양자역학을 어떻게 이해하고 맑스주의 철학을 복원까지 한단 말인가? 난감할 뿐이다. 그래서 쉽진 않지만 이 글을 읽는 분들과 같이 시도해 보고 싶다. 앞으로 관련 글을 필자의 개인 블로그(http://blog.jinbo.net/yskim) 혹은 노동자의 힘 기관지 홈페이지(www.pwc.or.kr)에 지속적으로 올릴 것이며(물론 지금도 지속적으로 올리고 있다) 그리고 여러분들의 다양한 의견을 반영하고자 한다.

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노동자 머리속에 나노 입자 
                                                                                                           김영식

과학기술자 머릿속에 지우개

일반적으로 나노 입자라고 하면 100나노미터 길이(폭) 이하의 아주 미세한 입자를 말한다. 대략 머리카락의 지름이 8만 나노미터 정도이고 피 속의 적혈구는 5천 나노미터 그리고 DNA분자는 2.5나노미터 정도이다. 이러한 나노 입자는 이미 우리의 일상생활 속에 깊이 들어와 있다. 항균특성이 있는 은-나노 입자는 세탁기와 휴대폰에 적용되었다. 그리고 피부흡수를 좋게 한다는 이유로 화장품, 샴푸 등에도 다양한 나노 입자들이 적용되고 있다. 심지어 아기 젖병에도 적용되고 있을 정도다.

나노 입자 중 가장 유명한 것은 ‘탄소 나노 튜브’와 ‘나노 탄소 공(일명 버키볼(buckyball))’이다. 1985년에 처음 발견된 버키볼은 60개의 탄소 원자로 구성되어 있고 축구공 모양을 하고 있다. 탄소 나노튜브는 지름이 1 나노미터정도 이고 이름대로 튜브 모양을 하고 있으며 인장력은 강철보다 100배 강하다. 그리고 경우에 따라 도체, 반도체, 초전도체 등 다양한 특성을 보이기 때문에, 첨단 윤활유, 연료전지, 약물전달체계, 차세대 반도체, 디스플레이 분야 등에서 연구되고 있다.

이들은 기본적으로 탄소로 구성되어 있어 탄소를 다량 함유하고 있는 우리 몸에 큰 해가 없을 것으로 추측되었다. 그러나 그것은 추측일 뿐이었다. 물리적으로 화학적으로 안전하다고 잘 알려진 물질이라도 나노 크기로 가공하면 완전히 새로운 특성을 보이고 있다. 영국 리버풀대의 독성학자인 비비언 하워드 교수는 "나노입자는 물질 자체의 독성보다 크기가 작아질수록 표면적이 상대적으로 넓어지면서 생체조직에 대한 반응성이 증가해 독성이 생기는 것으로 보인다"고 밝혔다. 사실 물질이 작을수록 더 위험한 공해물질이 된다는 것은 새로운 현상이 아니다. 굵은 먼지는 기도나 코의 점막에서 배출되지만 미세먼지는 폐포 속 깊이 박혀버리기 때문에 훨씬 해롭다. 석영도 덩어리일 때는 전혀 문제가 없다. 하지만 석영을 캐는 광산노동자, 수정을 연마하는 노동자는 미세 수정입자에 노출돼 폐 조직이 치명적인 상처를 입는다.

 나노입자는 미세먼지보다 100배-1000배 더 작다. 그렇다면 과학자들 사이에 나노입자의 잠재적 위험성은 충분히 예측 가능했다. 그리고 60년 전 과학자들은 나노크기의 입자들이 신경계를 따라 콧속이나 폐 그리고 뇌로 쉽게 침투하여 돌아다닐 것이라는 것을 알고 있었다. 그들은 그 기억을 자본주의 상품 개발의 압력에 밀려, 강압적으로 망각해 버린 것이다. 이제 그 망각에서 깨어날 때가 된 듯하다. 

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아래 글은 ETC 그룹의 짐 토마스가[The Ecologist]지 2004년 5월호에 “나노 감시(Nanowatch)”라는 글중 일부을 번역한 것이다. 이텔릭체로 적은 것은 이해를 돕기위해 번역자가 첨부하였다.

 나노입자의 독성에 대한 10가지 경고

1. 1997년 선스크린 로션속의 TiO₂/ZnO 나노 입자는 피부에 유리기(free radicals)라는 유해요소를 피부에 점차 많이 형성시키고 DNA를 손상시킨다. 이 유리기는 콜라겐 조직을 붕괴시키고, 결과적으로 피부에 깊은 골(즉, 주름살)이 패이게 한다. (옥스포드 대학, 몬트레이 대학) 둔포드,  셀나노 등(Dunford, Salinaro etal)

Dunford, Salinaro et al. "Chemical oxidation and DNA damage catalysed by inorganic sunscreen ingredients," FEBS Letters , volume 418, no. 1-2, 24 November 1997, pp. 87-90.

2. 2002 3월, 라이스 대학의 생물 환경 나노 기술 센터(Center  for Biological and Environmental Nanotechnology)는 가공된 나노입자는 실험동물의 장기에 축적되어 세포 속으로 들어간다고 미국 환경국(EPA)에 보고했다. "나노 물질이 세포 속으로 들어간다는 사실을 확인했다. 우리는 경계해야한다. 만약 나노물질이 박테리아에 들어간다면, 나노물질은 먹이사슬 속으로 들어올 것이다." 마크 와이제너(Mark Wiesner)

 Doug Brown, "Nano litterbugs? Experts See Potential Pollution Problems," Small Times March 15, 2002.  Available on the Internet, www.smalltimes.com

3. 2003년 3월 NASA/존슨 우주센터의 연구결과에서는 쥐의 폐 속에서 나노튜브는 석영 먼지보다 더 독성이 강한 것으로 드러났다. 석영을 캐는 광원, 수정을 연마하는 작업자는 숨을 쉬면서 수정입자를 들이마시게 돼 폐조직이 치명적인 상처를 입는다. 이런 병을 규폐증이라고 한다. 듀퐁의 헤스켈 연구소의 과학자들은 나노튜브의 독성은 변하지만 여전히 우려스럽게 보고 있다. "여기서 교훈은 예방을 해야 한다는 것이다. 나노튜브는 매우 높은 독성이 있을 수 있다" -Dr 로버트 헌터 (NASA 연구원)

Jenny Hogan, "How safe is nanotech?"  Special Report on Nano Pollution, New Scientist, Vol. 177, No. 2388, 29 March 2003, p. 14.

4. 2003년 3월, ETC 그룹은 독성병리학자 비비언 하워드에 의해 조사한 보고서를 제출했다. 이 보고서에서 입자가 작아지면 작아질수록 대부분 독성이 더 강해지고 특히 나노 입자의 경우 사람의 몸속으로 들어와서 뇌혈관장벽과 같은 막을 통과할 수 있는 여러 가지 경로가 있다는 결론을 내리고 있다. “나노입자의 제조가 허용되기 전에 이들 입자에 대한 안전성에 대한 평가를 전면적으로 실시해야 한다. 우리는 지금 잠재적으로 위험한 과정을 처리하고 있는 것이다”  비비언 하워드(Vyvyan Howard)

ETC Group, "Size Matters! The Case for a Global Moratorium," Occasional Paper Series, Volume 7, no. 1, April 2003.  Available on the Internet, www.etcgroup.org

5. 2003년 7월 CBEN 과학자 메이슨 톰슨(Mason Tomson)은 [네이처]지에 한 보고서에서 버키볼이 땅속을 방해받지 않고 자유롭게 돌아다닐 수 있음을 보여주었다. “그 팀에 의해 수행된 공개되지 않은 연구에서 나노 입자는 지렁이에 쉽게 흡수되고, 먹이사슬 과정을 통해 인간에 까지 영향을 줄 수 있음을 보여 주었다.”- 비키콜빈(Vicki Colvin)박사, 센터장

Geoff Brumfiel, "A Little Knowledge...," Nature, Vol. 424, no. 6946, 17 July 2003, p. 246.

6. 2004년 1월 권터 오버되르스터 박사의 연구에서는 나노 입자가 사람의 코를 통해 쉽게 뇌로 전달될 수 있음을 증명하였다. “나노기술 혁명은 우리가 알고 있는 입자를 화학적으로 전혀 다르게 설계하는 것으로 볼 수 있다. 그런데 대부분 그것들은 더 위험한 특성들을 보이고 있다. 우리는 이것을 경계해야 한다” 켄 도날드슨( Ken Donaldson)교수, 에딘버르 대학

Alex Kirby, "Tiny Particles Threaten Brain," BBC News Online, 8 January, 2004. Available on the Internet, http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/3379759.stm

7. 2004년 1월, 루벵 대학의 나노안전성 연구원은 [네이처]지에서 나노입자에 대한 새로운 독성 실험이 필요하다고 주장했다. “우리는 나노 물질 생산자들은 위험 평가 국제 가이드라인에 따라 모든 새로운 물질에 대해 관련 독성 검사 결과를 제출하는 것을 의무하 할 것을 고려하고 있다. 일부 ‘오래전부터 사용한’ 화학 약품들도 물리적 상태가 처음 평가한 것과 근본적으로 다르다면 다시 평가할 필요가 있을 것이다. -Peter H.M Hoet Abderrahim Nemmar and Benoit Nemery.

Peter Hoet, Abderrahim Nemmar and Benoit Nemery, "Health Impact of Nanomaterials?" Nature Biotechnology, Vol. 22, no.1, January 2004, p. 19.

8. 2004년 1월 - 나노물질의 독성에 대한 첫 번째 과학 학회인 Nanotox 2004,에서 비비안 하워드 박사는 금(Gold) 나노 입자는 태반을 통해 태아에게 전달될 수 있다는 사실을 처음 발견했다.

Ben Wootliff, ""Bristish Scientist: Nanoparticles Might Move from Mom to Fetus," Small Times, 14 January 2004.  Available on the Internet, www.smalltimes.com

9. 2004년 2월 산디에고의 캘리보니아 대학 과학자는 CdSe 나노 입자(퀀텀 닷)는 인간 몸속에서 분해되어 잠재적으로 카드늄 중독의 원인이 된다. “아마 이 결과는 [연구원] 사회가듣기 싫어할 것 같다.”- 마이크 셀러(Mike Sailor) UC San Diego.

Justin Mullins, "Safety concerns over injectable quantum dots, New Scientist, Vol. 181, No. 2436 , 28 February 2004, p. 10.

10. 2004년 3월 에바 오버되르스터 박사는 미국 화학 학회 모임에서 버키볼은 치어(Juvenile fish)의 뇌를 손상시키고 유전자 역할을 변화시킨다고 보고하였다. 또 그것은 작은 물벼룩에 독성이 있음을 보여주었다. :뇌손상이 빠르게 시작되면 새로운 기술이 더 이상 확대 되기 전에 위험성과 이익을 더 심도 있게 평가하고 검사하는 것이 매우 중요하다.“-에바 오버되르스터 박사

Mark T. Sampson, "Type of buckyball shown to cause brain damage in fish," Eurekalert, March 28, 2004.  Available on the Internet, www.eurekalert.org

본문

/* 이 글은 지난 2002년도에 노동자의 힘 15호에 실린 글이다. 그 동안 나노입자의 유해성을 증명하는 과학적 결과들이 많이 발표되었다. 현재 그 내용을  간단하게 정리하고 있다. */

21세기 첨단기술-나노기술과 노동자

노동자의 힘 15호

중동지역의 한 신화에 따르면 인류 역사 초기 최초의 통일국가를 건설한 지배자 '니므롯'은 여러 종족들을 지배하기 위해 ‘꼭대기가 하늘에 닿게 하기 위한 높은 탑’ 즉 바벨탑을 쌓기 시작했다고 한다. 21세기, 자본은 바벨탑과 유사한 또 다른 극한 기술에 도전하고 있는데, 그것이 바로 ‘나노기술’이다. 차이가 있다면 바벨탑은 무한히 크게 만들겠다는 거대 극한 기술이었고 나노기술은 무한히 작은 것을 만들겠다는 미세 극한 기술에 해당한다. 

나노(nano)란 그리이스어의 '난쟁이'에서 유래한 말로 1나노미터라고 하면 10억분의 1미터를 뜻한다. 머리카락 1개를 10만번 자른 크기로 원자 3-4개가 모인 정도 크기로 환산할 수 있다.

일반적으로 잘 알려진 물질이라고 하더라도 나노 크기로 잘게 쪼개면 색이나 화학적 전기적 성질들이 모두 변하게 되고 새로운 특성이 나타난다. 이 ‘새로운 특성, 다시 말하면, 아직 잘 모르기 때문에 무한히 가능성 있을 것 같은 이 특성’은 21세기의 희망을 장식하고 있다.

나노기술에는 기존의 물질을 잘게 쪼개어 ‘나노 입자’로 만드는 기술이 있는가 하면 ‘탄소 나노 튜브’와 같이 새로운 형태의 물질도 연구되고 있다. 나노 입자의 경우 이미 많은 기업에서 화장품, 페인트, 코팅재, 섬유 그리고 심지어 아기 우유병에 이르기까지 다양한 분야에 촉매재 혹은 강화재로 사용하고 있다. 탄소 나노 튜브는 말 그대로 탄소로 구성된 미세한 튜브 형태의 물질로 생명공학, 재료, 전자 분야에서 미래 이용가능성이 높아 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그러나 나노기술이 21세기를 꽃 피울 희망이라고 하지만, 그 희망이 자본 주도로 이루어지는 희망이라면 노동자에게는 다른 의미일 것이다. 이미 나노기술의 ‘새로운 특성’은 나노물질 생산을 담당할 노동자들에게 다르게 다가오고 있다. 최근 미국 환경 보호국 EPA에 보고된 동물실험 자료에 따르면, 나노 입자는 동물의 살아 있는 세포에 직접 침투되고 동물 장기에 축적되며, 세균에 실려 먹이 사슬을 통해 유입되어 축적될 가능성도 있다고 한다. 특히 탄소 나노 튜브의 경우 탄소는 기본적으로 몸속에 존재하기 때문에 문제가 없을 것이라고 하지만, 축적되었을 때 몸의 면역기능이 제대로 발휘될 수 없을 뿐만 아니라 모양이 석면과도 유사하여 석면에서 발생한 문제(발암물질)를 되풀이할 수 있다고 경고한다. 나노입자가 의학쪽에 이용될 경우 그 위험성은 노동자뿐만 아니라 전체 민중으로 확대된다. 만약 혈액 속에 나노입자가 있으면, 단백질이 나노 입자 표면에 붙어 단백질의 모양과 기능은 바뀌게 된다. 이 특성은 의약 분야에서 매우 유용하게 적용될 것이라고 선전되고 있지만 단백질의 변화는 의도하지 못한 위험성을 필연적으로 수반한다.

바벨탑은 노아 홍수의 재현을 막고 지배자로서의 힘을 과시하기 위해, 당시 첨단 건축기술 로 지어졌다. 그러나 민중들에게 돌아온 것은 죽음과 분열뿐이었다. 20세기를 이끈 첨단 반도체 기술은 20세기를 발전시켰지만, 철저하게 자본의 의도로 진행되었기에 결국 노동자들에게는 실업과 새로운 직업병만 남았다.(<노동자의 힘> 제10호 참조). 이제 또 다시 21세기 자본은 ‘그들의’ 희망의 기술로 나노기술을 지목하고 기획하고 있다. 그래서 지금 나노기술은 노동자의 건강과는 무관하게 그리고 인간의 환경과는 무관하게 자본의 축적만을 위한 그들의 희망의 기술로 자리잡고 있다.

(참고 자료: ‘No Small Matter!', http://www.etcgroup.org)