4원소설

4원소설

원소는 물질을 이루는 구성 성분으로, 더 이상 분해되지 않으며 원자의 종류를 나타내며, 원자는 물질을 이루는 가장 작은 단위로, 더 이상 쪼개지지 않는 기본 입자를 말합니다.

고대 그리스에서는 자연 현상들을 이해하기 위해 물질을 구성하고 있는 입자에 대한 논의가 끊임없이 있었습니다. 이러한 물질의 구성 입자, 즉 원소에 대해 처음으로 관심을 갖고 해답을 구한 사람은 ‘철학의 아버지’라고 불리우는 고대 그리스의 철학자 탈레스(Thales, B.C. 624~546)입니다. 탈레스는 만물의 근원을 물이라고 주장했다고 합니다. 그리고 우리가 살고 있는 땅도 물 위에 떠 있다고 주장하였습니다. 

탈레스에 이어 물질의 근원에 대해 탐구한 사람은 고대 그리스의 철학자 아낙시메네스(Anaximenes, B.C. 585~525)였습니다. 그는 만물의 근원이 '공기' 라고 주장하였습니다. 아낙시메네스가 생각하기에 공기는 '지속적인 운동을 하는 무한한 실체'이며, 모든 사람은 공기를 통해서만 호흡이 가능하므로 구체적이고 감각할 수 있는 실체로서 공기는 만물의 근원에 적합하였습니다.

또 다른 그리스의 철학자 헤라클레이토스(Herakleitos, B.C. 535~475)는 만물이 끝없이 변화한다는 생각을 가진 사람이었습니다. 그는 ‘누구도 같은 강물을 두 번 걸어 들어갈 수 없다’고 말함으로써 자신의 변화에 대한 생각을 표현하였습니다. 그는 만물의 근원으로서 물이나 공기와 같이 실재하는 원소를 인정할 수 없었습니다. 왜냐하면 그와 같은 근본 원소가 어떻게 다른 형상으로 변화할 수 있는지 설명할 수 없었기 때문입니다. 그래서 그는 끝없이 변화하는 ‘불’이 물질의 근본이라고 보았습니다.

모든 물질이 4가지 기본 원소들로 이루어졌다는 4원소설을 처음 주장한 사람은 엠페도클레스(Empedokles, B.C. 490~430)였습니다. 그는 모든 물질이 불, 숨, 물, 흙이라는 4가지 본질적 원소들의 합성물이며, 사물은 이 기본 원소의 비율에 따라 서로 형태를 바꿀 뿐 어떤 사물도 새로 탄생하거나 소멸하지 않는다고 생각했습니다. 이 4원소설은 아리스토텔레스(Aristoteles, B.C. 384~322)에 의해 계승되어, 그는 모든 물질은 물, 불, 공기, 흙의 네 가지 원소에다 특유한 성질인 건조함, 습함, 따뜻함, 차가움의 조합으로 형성된다고 주장하였습니다. 또한 아리스토텔레스는 4원소 사이에는 그 무게에 따라 무거운 원소는 아래로 향하고 가벼운 원소는 위로 향하게 된다고 생각하여 가장 가벼운 원소인 불은 가장 높은 곳을 차지할 것이고, 그 아래를 공기, 물, 흙이 차례로 자리 잡게 될 것이라고 생각했습니다. 그리고 불 저쪽의 우주에는 불보다도 가볍고 더욱 순수한 제 5원소가 존재하며, 이는 가장 완전한 원소라고 생각했습니다. 따라서 지상에는 4원소설이지만, 우주 전체로 따진다면 5원소 변환이 가능할 것이라고도 주장했습니다.

▲ 아리스토텔레스의 4원 소설(출처: 에듀넷)

이러한 4원소설은 약 2000여 년 동안 서양 문명에서 뿌리를 내리고 있었으며, 18세기가 되어서야 정밀한 측정 장비를 이용한 여러 가지 실험들에 의해 4원소설에 오류가 있음이 알려졌습니다. 대표적인 것이 프랑스의 화학자 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743~1794)에 물과 흙의 변환 가능성을 부정한 실험입니다. 라부아지에가 살았던 시대에는 4원소설에 입각해 물이 흙으로 바뀐다는 생각이 여러 과학자 사이에서 만연하였습니다. 과학자들은 식물이 물만으로도 자랄 수 있다고 믿고 있었는데, 이를 설명하기 위해서 그들은 물이 흙으로 변화할 수 있다고 주장하였습니다. 또한 많은 과학자가 물을 계속해서 증류하면 고체가 남으며, 이것이 물이 변화하여 생긴 흙이라고 주장하였습니다. 

그러나 라부아지에는 이러한 주장에 의심을 품고 실험을 설계했습니다. 그는 물을 100일 동안 증류하였고 그 결과 고체가 남음을 알게 되었지만, 생성된 고체의 질량을 측정한 후 물을 증류하는 데 사용했던 용기의 질량을 측정하자 생성된 고체의 질량만큼 용기의 질량이 감소하였음을 알게 되었습니다. 그는 생성된 고체는 물이 변환된 물질이 아니라 실험 용기가 일부 녹아서 생성된 물질이라는 결론을 내놓았습니다. 이 실험을 통해 사람들은 물이 흙으로 바뀌지 않는다는 것을 알게 되었고, 아리스토텔레스의 4원소설은 부정되었습니다.

▲ 라부아지에와 물 증류 실험 장치(출처: 에듀넷)

이후 1803년 돌턴(John Dalton)이 원자설을 제기하면서 사람들은 만물의 근원이 물, 불, 공기, 흙의 4원소에 있는 것이 아니라 원자라는 것을 받아들이게 되었습니다. 돌턴은 원자를 더 이상 쪼개질 수 없는 것이라고 여겼고, 원자의 상대적 중량에 따라 원소들의 특징이 다르다고 하였습니다. 이후 과학자들에 의해 여러 가지 원소가 발견되었고, 이 원소들을 성질에 따라 배열한 것이 ‘주기율표’입니다.

▲ 원소 주기율표(출처: 에듀넷)

하지만 잘못된 것으로 증명되기 전까지 4원소설은 서양 문명에서 철학과 과학의 근간이 되었습니다. 아리스토텔레스는 4가지 원소가 각각 습함과 건조함, 차가움과 뜨거움의 4가지 성질 중 두 가지씩 갖는다고 주장하였습니다. 예를 들어 물은 차고 습하지만 불은 건조하고 뜨겁다고 하였고, 공기는 습하고 뜨겁지만 흙은 건조하고 차다고 하였습니다. 이러한 생각은 4원소가 가진 성질 가운데 하나만 바꿔 주면 다른 원소로 바뀔 수 있다는 생각으로 이어졌고, 이는 중세 연금술 발전의 이론적 근거가 되었습니다.

[자료출처: 에듀넷]