과학과 전쟁 무기

물론 과학자들이 처음부터 전쟁 무기 개발을 염두에 두고 새로운 사실을 탐구하는 것은 아닙니다. 그러나 일단 새로운 이론과 이를 응용한 신기술이 개발되면 조만간에 정치가, 군인 및 상인들에 의하여 새로운 무기 개발로 전용되는 경우가 많았습니다. 일부 과학자들도 개인적인 명예와 부에 대한 욕망, 조국을 수호하겠다는 애국심 등으로 전쟁 무기의 개발에 종사하였습니다.

한 예로 조국 시라쿠사를 위해 그 당시 가장 강국이었던 로마군에 대항하기 위한 여러 무기를 개발하였던 유명한 아르키메데스의 이야기가 전해지고 있습니다. 아르키메데스는 고체의 비중을 측정하는 방법을 알아낸 것으로 더 유명하지요. 이 이야기는 모두 다 잘 알고 있을 것으로 생각하고 여기서는 생략하겠습니다. 그가 만든 무기들의 대부분은 지레와 도르래를 이용한 것입니다. 거대한 돌을 던져 로마군 선박을 침몰시키는 투석기 등을 만들어 한동안 로마군에게 공포의 대상이었지만 결국에는 시라쿠사가 함락되고 분노한 로마 병사들에 의하여 살해되었다고 전해집니다. 그가 강력한 렌즈를 만들어 선박들을 불태웠을 가능성은 분명히 있지만 문헌에 나타나 있지 않으므로 신빙성은 거의 없습니다. 더 자세한 내용은 ( A. 섯클리프, A. P. D. 섯클리프 (정 연태 역), “과학사의 뒷이야기 Ⅱ: 물리학”, 현대과학신서 A25, 전파과학사, 1973)을 참조하시기 바랍니다.

토기를 만들다 우연히 발견되었을 구리화합물과 천연구리 (구리는 비교적 활성이 약하여 과거에는 노천에 천연구리가 많았을 것입니다. 그동안 노천의 천연구리는 많이 채굴되었으므로 이제는 거의 찾아보기 힘들게 되었지만. 구리 자체는 그다지 강하지 못하므로 의도적으로 다 강한 재료를 찾을 노력을 하게 되었을 것입니다. 그 중 하나가 구리와 혼합하여 합금을 만들어 더 강한 재료를 만드는 주석입니다. 구리와 주석의 합금인 청동은 곧 퍼져나가 전쟁 무기 및 제사장들의 방울 등에 사용되었습니다. 최초로 문명이 발생한 메소포타미아와 이집트에서 (당)나귀가 끄는 수레를 타고 청동기 무기를 가진 군대가 실제로 전투를 하였다는 기록과 그림이 남아 있습니다. 인더스 강 유역이나 중국에서도 사정은 비슷하였을 것입니다.

그러나 북쪽 초원 지대에서 주로 수렵을 하던 인도 유럽인종과 알타이인종은 초원에 야생하던 말을 길들여 말이 끄는 수레를 사용하게 되었습니다. 동쪽 즉 중국은 잘 알려져 있지 않지만 (아마도 중국의 황하문명은 북에서 내려온 알타이족들 즉 우리 조상들에 의하여 시작하였을 것입니다. 그러므로 원주민이었던 중국인들이 나중에 선진문화를 습득하여 중원을 지배하였을 때 이 사실을 축소하거나 의도적으로 삭제 또는 모호하게 표현하였겠지요.) 메소포타미아와 이집트 및 인더스 강 문명은 기원전 2천 년 경에 북에서 말이 끄는 수레를 타고 침입한 야만인 인도 유럽 어족에 의하여 킨 타격을 입었습니다. 소아시아 즉 아나톨리아는 리디아인, 히타이트인 들을 위시한 아나톨리아 어군 인도 유럽인종들이 활보하는 무대가 되었으며 그들의 영향으로 시리아 및 팔레스타인 등지에 거주하던 셈족들이 이집트로 침입하여 힉소스 왕조를 열었습니다. 인더스 문명은 완전히 파괴되었고 그 후의 인도 역사는 주로 인도 아리안 족에 의해 전개되었습니다. 그들이 단시간 내에 성공할 수 있었던 이유가 말을 이용한 수레와 아울러 청동기보다 더 강한 철제 무기의 사용에 있었습니다. 철은 지구에서 많은 원소 중 하나이지만 산소와의 반응성이 강하여 산화물로 존재합니다. 그 중 적철광은 풍부하지만 치밀하지 못하고 자철광은 비교적 치밀하지만 자성이 있기 때문에 그대로는 사용할 수 없고 반드시 탄소와 함께 가열하여 나오는 탄소강 (탄소 양이 많으면 선철, 적으면 연철 그 사이이면 강철)을 만들어 그 중에서도 특히 강철로 제조된 무기를 가지고 전쟁터를 종횡 무진하였을 것입니다. 최초로 강철 제조법을 개발하였다고 전해지는 히타이트에서는 철기 제조 비법을 국가 기밀로 정하였습니다. 그러나 히타이트 인들이 개발한 철기 제조법을 다른 민족이 개발하지 못하라는 법은 없을 것이고 드디어 기원전 천이백 년경에 지금의 헝가리 근처에서 남하한 일리리아인에 의하여 본거지였던 핀토스 산맥을 떠나 그리스로 남하한 도리안 인과 비슷한 시기에 아나톨리아, 시리아, 팔레스타인 및 이집트를 습격한 바다의 민족들이 철제 무기를 들고 새로이 역사의 무대에 등장하였습니다. 그 후부터 중동에서는 철제 무기의 사용이 보편화되었습니다. 이쪽 동양에서도 곧 철기가 보급되었겠지요.

철제 무기와 아울러 초원 지대에 살던 유목민들에 의한 기마술이 그 후로 구대륙의 역사를 오랫동안 지배하였습니다. 여기에 변화가 일어난 것은 중국에서 개발된 화약이었습니다. 처음에 중국에서는 불로장생 술의 하나로 숯과 황 및 염초를 혼합하였는데 곧 이 혼합물이 폭발성을 가지고 있다는 것을 알게 되어 전쟁 특히 바다로 노략질하러오는 왜구의 퇴치에 사용하게 되었지요. 이집트, 이슬람 세계, 유럽의 연금술과는 달리 중국의 연금술은 주로 권력자들을 위한 불로장생 술의 연구입니다. 특히 당나라에서는 도교에 심취한 황제들의 불로장생을 위한 연단 제조가 성행하였습니다. 아마도 화약도 이런 연단의 제조 과정에서 우연히 만들어진 것이라 생각됩니다. 물론 화약이 전쟁 무기로만 사용된 것만은 아닙니다. 중국에서는 불꽃놀이에 화약을 사용하였다는 기록이 전해지고 있습니다. 고려 말의 최무선, 조선 초의 최해산 등이 만들어 왜구를 격퇴한 것도 역시 화약입니다. 이 화약이 인도, 이슬람 세계를 거쳐 드디어 유럽에 전해지자 전쟁에 큰 변화가 생겼습니다. 그때까지는 전문 무사 계급이었던 기사들의 활약이 전쟁의 성패에 관건이었지만 화약을 이용한 대포가 등장하게 되고 곧 총이 등장하게 되자 기사 대신에 국민 병이 등장하게 된 것이지요. 초기의 대포는 오늘날과는 달리 큰 돌을 날려 성벽을 부수는데 사용되었습니다. 이런 대포를 최초로 효과적으로 이용하여 오스만 터키의 술탄 모하메드는 오랜 기독교 문명국인 비잔틴 제국을 멸망시켰습니다. 그 후로 급속히 유럽에 대포가 보급되고 성벽도 대포의 공격을 견딜 수 있게 보강되었습니다. 이런 추세에 당연히 기사들의 반발이 터져 나오게 되었지만 그들은 역사의 흐름 속에서 잊혀졌습니다. 이것을 풍자한 것이 유명한 세르반테스의 ‘돈키호테’입니다.

화약의 원리는 가소제인 곱게 분쇄한 숯과 황에 산화제인 염초 즉 초석 (질산 소듐이나 질산 포타슘)을 혼합하여 가열하면 산화-환원 반응에 의하여 기체가 발생하게 되고 이 기체들은 반응시 생기는 열에 의하여 급격히 팽창하는 즉 폭발이 일어나는 것입니다. 흑색화약은 가소제와 산화제가 서로 다른 물질이지만 기소제로 작용하는 부분과 산화제로 작용하는 부분이 한 물질에 같이 들어 있는 화약도 발명되었으며 이들은 흑색화약보다 아주 더 강력한 폭발을 일으킵니다. 이런 화약의 예로 트리니트로톨루엔 (보통 테엔티 [TNT, trinitrotolune]로 알려져 있지요), 니트로글리세린 및 다이너마이트 그리고 니트로셀루로즈 등이 있습니다.

또한 산화-환원 반응을 이용한 또 다른 무기가 있으니 한때 소이탄으로 사용되었던 알루미늄 금속과 산화철의 혼합물로 만들어진 물질입니다. 알루미늄은 반응성이 철보다 높으므로 처음에 약간의 에너지가 공급되면 알루미늄이 산화철을 환원하여 산화알루미늄과 철 금속이 만들어지면서 만대한 열이 발생하여 주위를 태워버리는 것입니다.

화약의 개발 및 개량으로 강력한 살상무기가 만들어져 많은 사람들의 생명을 앗아갔습니다. 다이너마이트 등을 만든 노벨은 자신이 만든 화약이 평화적인 일보다 전쟁에 더 많이 사용되는 것을 보고 노벨상을 만들게 되었으니 그나마 다행이지요. 사라진 기사들은 악마의 무기라고 하였다고 전해지는데 최근에 이보다 더 강력한 폭탄이 등장하였습니다. 이것 역시 과학적인 호기심에서 출발하였는데 원자의 내부에 지금까지 상상하지 못하였던 강한 힘이 존재한다는 사실이 밝혀진 후로 이 힘을 이용하여 전쟁에 사용할 무기를 만든 것이 바로 공포의 대상 원자폭탄과 수소폭탄입니다.

20세기 초에 영국의 어네스트 러더퍼드에 의하여 원자의 구조가 밝혀진 후로 원자핵 내에서의 힘은 과연 무엇일까에 대한 연구가 시작되었습니다. 그 후에 여러 물리학자들의 노력으로 알려진 것은 원자핵 속의 양성자와 중성자가 아주 강하지만 미치는 범위가 핵의 크기 정도라는 사실과 아울러 무거운 핵들은 불안정하여 쉽게 붕괴할 수 있다는 것입니다. 1939년에 독일의 핵물리학자들이 우라늄에 중성자를 충돌시키니 우라늄이 크기가 거의 비슷한 크립톤과 바륨으로 분열되는 것을 발견하였습니다. 빅뱅이론의 주창자로 유명한 러시아 출신 물리학자 가모브가 불안정한 원자핵의 상태와 변화를 뜨거운 액체이론으로 명쾌하게 설명하였습니다. 그의 이론에 의하면 우라늄원자핵에 중성자를 충돌시키면 핵의 온도가 급격히 상승한 후에 크기가 거의 비슷한 두 개의 원자핵으로 분열되면서 중성자들이 만들어지고 질량결손에 의해 막대한 에너지가 방출된다는 것입니다. 이때 우라늄 핵의 질량이 어느 질량 (임계질량이라고 함)보다 커지게 되면 핵분열이 연쇄적으로 일어나 막대한 에너지가 방출되는 즉 원자폭탄이 만들어지게 되는 것입니다. 독일에서 이러한 핵분열이 발견되었다는 소식을 접한 미국의 과학자들이 미국정부에 건의하여 나치 독일보다 먼저 원자폭탄을 제조하여야 한다고 역설하였습니다. (유명한 아인슈타인이 이 소식을 미국 정부에 알리고 대비책을 강구하여야한다고 촉구하였다고 전해집니다. 미국 정부에서는 독일이 원자폭탄을 제조할 가능성이 있다고 생각하여 독일 점령 하에 있던 노르웨이의 중수생산공장에 침입하여 중수를 모두 탈취하고 모든 공장시설을 파괴하였습니다. 독일은 다행히도 과학자 특히 우라늄의 핵분열을 처음으로 발견한 오토 한이 니치 독일에 이 사실을 알리지 않았으므로 핵폭탄을 만들지 않았다고 알려져 있습니다. 미국에서는 과학자들을 동원하여 맨해튼 프로젝트를 수립하였고 그 결과로 1945년에 두 개의 원자폭탄을 만들어 (little boy와 fat man) 일본의 히로시마와 나가사키에 투하한 것입니다. 이런 미국의 핵독점은 오래 지속되지 않았습니다. 구소련에서 스파이들을 미국에 보내어 원자폭탄 제조 기술을 입수하여 자신들도 원폭을 제조한 것이지요. 이 일이 있는 후에 미국에서는 (우리나라의 625전쟁도 약간의 기여를 하였다고 생각됩니다.) 멕카시 선풍이라고 불리는 공산주의자 색출 및 추방이 이어져 애매한 사람들과 소위 말하는 아웃사이더들이 많이 곤경을 당하였지요. 곤경을 겪은 사람들 중에서 맨해튼 프로젝트 수행에 주도적 역할을 하였지만 수소폭탄 개발에는 참여하지 않았고 개발을 반대한 오펜하이머박서도 포함되어 있었습니다. 핵분열 시 생기는 막대한 에너지 대신에 수소의 핵융합으로 만들어지는 에너지를 이용한 것이 수소폭탄입니다. 핵융합은 방사능 물질의 유출이 없는 그야말로 청정에너지를 만들지만 이것이 가능하게 하기의해서는 물질이 원자핵과 전자로 분리된 즉 플라즈마를 유지할 수 있는 고온이 필요합니다. 플라즈마 자체는 수십 만도에서 만들 수 있지만 플라즈마에서 핵융합이 일어나게 하기 위해서는 수십억도의 온도를 유지해야 할 뿐 아니라 일정한 공간에 존재하도록 해야 하므로 실용화되기는 아주 요원합니다. 그러면 수소폭탄은 어떻게 만들었을까요? 수소의 핵융합에 필요한 온도를 원자폭탄의 폭발로 얻는 방법을 사용한 것이지요. 즉 폭탄의 중간에 원자폭탄을 넣고 그 주위에 수소, 중수소, 및 삼중수소로 채워 만든 것입니다.

그 후 핵보유국은 공식적인 5개국 (미국, 구소련, 영국, 프랑스, 중국)뿐만 아니라 인도, 파키스탄, 이스라엘, 이란 그리고 북한으로 확대되었습니다. 물론 현재의 핵폭탄은 공격용으로서 만들어지고 비축되는 것이 아니라 전쟁 억재용 및 정권 유지용으로 사용된다는 의견이 있고 이런 의견에도 일리가 없는 것은 아니지만 인간뿐만 아니라 모든 생물들의 보금자리인 지구 전체를 파괴할 수 있는 가공한 힘을 가진 무기임에는 아무도 반박하지 못합니다. 핵무기의 개발로 우리 인간들이 위기 위식을 피부로 느끼게 되었고 이런 이유로 국제적인 분쟁을 무력대결 아닌 대화로 해결하려는 노력이 실제로 이루어지고는 있지만 별로 효과를 거두지는 못하고 있습니다.

마지막으로 지금 개발되고는 잇지만 실현 가능성이 그렇게 높아 보이지 않은 무기로 반물질이 있습니다. 댄 브라운이 집필하였고 영화로도 만들어진 ‘천사와 악마’에 반물질을 이용한 가공할 폭약 이야기가 나오지만 실제로 만들어져 사용될 수 있을 지는 의문입니다. 강력한 입자 가속기에서 양성자에 아주 막대한 에너지를 주입하여 서로 충돌시키면 에너지가 물질과 반물질로 변환될 수 있지만 만들어진 반물질은 곧 주위의 물질과 충돌하여 에너지를 남기고 사라집니다. 즉 반물질과 물질이 충돌하면 모든 질량이 에너지로 변환되는 것이지요. 원자폭탄과 수소폭탄은 질량 결손에 의한 일부의 질량만이 에너지로 바뀌지만 반물질은 모든 질량이 에너지로 바뀌니 얼마나 큰 폭발이 일어날지 짐작할 수 있겠지요. 우리의 기술이 반물질을 자유자재로 사용할 수 있는 단계까지는 이르지 않기를 바랄 수밖에 없겠습니다.

한편 화학에너지나 핵에너지가 아닌 빛에너지를 사용한 무기도 있습니다. 바로 SF 영화에 단골로 등장하는 레이저 광선 검이 본격적으로 개발되어 인간을 살상하는데 사용될 수도 있습니다.

레이저: 어떤 계가 빛을 흡수하면 빛의 에너지에 의하여 들뜨게 되어 안정한 낮은 에너지 상태 (바닥상태)에서 불안정한 높은 에너지 상태(들뜬상태)로 올라가는데 일반적으로는 바닥상태에 존재하는 입자의 수가 들뜬상태로 올라가는 입자의 수보다 아주 많다. 그런데 들뜬상태 중에 준안정상태가 존재하고 외부에서 주어지는 빛에너지가 많아지면 준안정상태의 입자수가 바닥상태의 입자수보다 더 많은 경우가 생긴다. 이 경우를 밀도반전 (population inversion)이라고 하며 레이저가 발생하려면 반드시 이 현상이 일어나야한다. 밀도반전이 계속 유지되려면 외부에서 에너지가 공급되어야하며 이것을 광펌핑 (photon pumping)이라고 한다.

레이저발생장치에는 빛을 방출하는 물질이 가운데 존재하며 양쪽 거울 중 하나는 불투명하고 다른 거울은 반투명하여 방출된 빛이 내부에서 유도방출에 의하여 점차로 증폭되며 또한 정상파의 간섭현상에 의하여 파장이 선택되어 단파장의 빛이 발생하게 된다. 생성된 레이저의 일부가 외부로 방출된다. 빛 대신 마이크로파가 증폭되면 메이저가 발생한다. 1954년 암모니아를 사용한 마이크로파 발진기가, 1955년 고체를 사용한 마이크로파 증폭기가 최초의 메이저로서 탄생하였다.

최초의 레이저는 1960년에 미국 캘리포니아 (California)주에 있는 휴즈비행기회사의 연구소에서 T. H. 메이먼 (1927～)에 의하여 만들어진 루비레이저이다