생명과 전기 #014

제2부 재생 전류

제4장 생명의 전위

실험이 좀 더 잘 이루어질수록, 의문에 대한 답과 함께 새로운 의문들도 훨씬 많이 제기된다는 것이 과학의 원칙이다. 그런 기준에서 볼 때 나의 첫번째 실험은 매우 성공적이었다. 저 회복된 다리들의 발가락들처럼 새로운 문제들이 뻗어나왔다. 상처 치료 전류는 어디서 왔는가? 그것은 진실로 신경계와 관련이 있는가? 그렇다면 어떻게 관련이 있는가? 상처 치료 전류는 절단 후에 비로소 솟아나온 것 같지는 않았고, 이전에 벌써 존재하고 있었음에 틀림없다. 상처에 반응하는 직류 전류 활동의 층이 있는 것 같았다. 그렇다면 내가 측정한 전압이 과연 그러한 전류 활동의 층이 있는 것 같았다. 그렇다면 내가 측정한 전압이 과연 그러한 전류를 반영하고 있었는가, 그리고 그 전류는 도롱뇽 몸 전체를 흘렀는가? 다른 기관들도 그것을 갖고 있었는가? 어떤 구조가 전류를 수송했는가? 그것의 전기적 성질은 어떠했는가? 상처 이전과 치료 이후의 기간에 그것은 무엇을 하고 있었는가? 전류는 원래 없던 재생 능력을 유도할 수 있을까?

나는 이 답들을 어떻게 찾을 것인가에 대한 계획을 갖고 있었다. 그러나 전기적 용어에 익숙치 않은 독자들은 나의 접근방식을 이해하기 위해서 몇 가지 기본적인 개념에 대한 간단한 설명이 필요할 것이다.

모든 전기적 현상은 전하電荷로부터 비롯된다. 정확히 이것이 무엇인지는 아무도 모른다. 다만 그것은 우리가 일반적으로 음과 양이라고 부르는 두 가지 반대되는 형태, 또는 극성으로 존재하는 물질의 기본적인 성질이라고 말할 수 있다. 원자핵 속에 있는 두 가지 형태의 입자들 중의 하나인 양성자 proton는 양의 전하를 띠고 있다. 다른 입자인 중성자 neutron는 전하를 띠고 있지 않기 때문에 그렇게 이름지어졌다. 원자핵 주위를 돌고 있는 전자 electron는 음전하를 띠고 있고 원자핵 속의 양성자와 같은 숫자이다. 전자는 무게가 양성자의 1863분의 1밖에 되지 않지만, 전하의 크기는 양성자와 같으며 극성은 반대이다.

그것들은 원자핵 밖에 존재하고 대단히 가볍기 때문에, 양성자보다 훨씬 쉽게 원자를 이탈할 수 있고 따라서 전하의 운반자 역할을 할 수 있다. 이렇게 볼 때 음전하를 띠고 있다는 것은 전자의 과잉 상태라 할 수 있고 양전하는 전자의 부족 상태라 할 수 있다. 전자가 어떤 지역으로부터 이동할 때 그곳은 양전하를 띠게 되고 전자가 이동해 간 곳은 음전하를 띠게 된다.

전자의 흐름을 전류電流라 하는데 그 단위는 19세기 초반의 프랑스 물리학자였던 앙드레 마리 앙페르의 이름을 따서 암페어라 한다. 직류 전류는 다소 평평한 일정한 흐름이고, 이와는 달리 스파크나 번갯불은 정전기의 순간적인 방전이며, 교류 전류는 극성을 바꾸어 가면서 흐르는 대부분의 가전제품의 전기 공급원이다.

전류는 전하의 덩어리가 움직이는 것인데 이것이 우리의 이야기에 있어 중요한 또 한 가지 성질을 갖고 있다. 바로 기전력electromotive force이다. 그 단위는 알레산드로 볼타의 이름을 따서 볼트라고 한다.

우리는 고등학교에서 좀 더 적은 자유전자를 가진 물질(전자 공급원에 비해서 음전하를 덜 띤 물질)에 연결될 때만이 전류가 흐른다고 배웠다. 이것은 바로 전지의 음극을 전선이나 라디오의 내부를 통해 양극에 연결시킬 때 일어나는 현상이다. 음극과 양극 사이의 회로를 완성한 것이다. 만약에 도체에 의해 연결되지 않는다면, 즉 회로가 성립되지 않으면 단지 가상적인 전하의 흐름, 혹은 앞에서 말한 전위만이 양쪽을 전압계로 연결시켜 회로를 만들어 측정할 수 있는데, 이것은 나의 실험에서 빈번히 행해졌던 일이었다.

전위는 전류가 급격히 많이 흘러서 양쪽의 전하가 완전히 균등해지기까지는 계속 형성된다. 폭발적인 전류의 흐름은 번개가 칠 때 일어나는 현상이다. 그런데, 전위가 작으면 안정을 훨씬 잘 유지할 수 있다. 이 경우에는 양에서 음으로 흐르는 정상적인 방향과 반대의 직류 전류가 지속적으로 공급되어야 한다. 회로의 이런 부분에 있어서는, 실제로 전자가 그것이 희박한 곳에서부터 좀 더 풍부한 곳으로 흐른다. 볼타가 발견했듯이, 그러한 흐름은 전지 내부에서 두 금속의 전기적 상호작용으로 생기는 것이다.

전하를 띤 물질의 주위에는 전기장이 형성된다. 전하는 그 장 속의 전하를 띤 다른 물질을 끌어 당기거나(극성이 반대일 경우) 밀어낸다(극성이 같을 경우). 역으로 말하면 전기장은 전하를 검출할 수 있는 지역이며 단위는 단위거리당의 볼트로 나타낸다.

전기장은 자기장과는 구별되어야 한다. 전기와 같이 자기도 어렴풋이 이해되고 있는 물질의 근본적인 성질 중의 하나이며 두 가지 극성으로 나타난다. 자기장은 전류, 즉 전자의 흐름에 의해 형성된다. 전자는 전기장을 만들기도 하므로 전류는 전기장과 자기장의 묘한 조합을 만들어 내어 계속해서 근처의 다른 전자에 영향을 끼친다. 직류 전류 주위의 자기장은 역시 일정하며, 교류 전류 주위의 자기장은 교류와 마찬가지로 극성이 바뀔 때마다 소멸되었다가 다시 나타나면서 진동한다. 보통 가정집의 전류에 있어서는 이 진동이 1초당 60회에 이른다. 전류가 자기장을 생산하는 것과 꼭 마찬가지로, 자기장 역시 움직이는 도체 속에 전류를 만들 수 있다. 가전제품 주변의 자기장과 같이 진동하는 자기장은 근처의 도체에 전류를 유도한다. 우리가 논하게 될 약한 자기장의 단위는 19세기 자기 연구의 선구자인 칼 프리드리히 가우스의 이름을 따서 가우스라고 한다.

전기장과 자기장은 모두 과학자들의 열렬한 연구 대상이 되어 온 추상적 현상이었다. 이것들은 중간에 아무런 물질이나 에너지 없이 떨어진 물체에 작용을 한다. 나중에 확실히 밝혀지기 전까지는 이것은 설명 불가능한 현상이었다. 장들은 그 방향과 모양이 또 하나의 추상물인 '힘의 선 Lines of force'으로 표시된다.

두 장들은 모두 거리에 따라 감소되나, 이론적으로는 무한대까지 영향을 끼친다. 토스터를 사용하여 빵을 구워 먹을 때마다, 그 주변의 장은 매우 미약하기는 하지만 가장 먼 은하수의 전하를 띤 입자들을 교란시킨다.

사실상 전 우주는 전기자기적 에너지로 가득차 있다. 그것은 우주의 여러 가지 물질들에서 파동 또는 입자의 형태로 방사된다. 그것은 주파수에 의해 일련의 스펙트럼으로 열거될 수 있는데 보통 우주선宇宙線, 감마선, 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 초단파, 단파 등의 순서로 열거된다. 전자기장과 에너지는 많은 복잡한 방식으로 상호작용하여, 전자공학 기술에서는 말할 것도 없고 자연계에서 수많은 업적을 이루었다.

앞으로 전개될 이야기를 이해하기 위하여 이 모든 용어들에 익숙해질 필요가 있겠지만, 개념이 확실히 잡히지 않는다고 해서 걱정할 필요는 없다. 물리학자들도 전자기의 근본적인 신비를 풀기 위해 여러 세대를 노력해 왔으나 아직 아무도, 아인슈타인조차도 완전한 성공을 거두지 못하고 있다.

생명과 전기 #015