[공학] 고대 이집트의 피라미드와 오벨리스크

피라미드와 같은 구조물의 설계도를 도면에서 현장으로 옮기려면 거리와 각도를 측정하는 기술이 반드시 필요했다. 이집트의 엔지니어들은 이 기술을 보유하고 있다는 결정적인 증거를 남겼다. 기자 쿠푸의 대피라미드 측면의 평균 길이는 바닥에서 755피트 9인치였다. 그중 두 변은 이 수치에서 1인치 정도밖에 차이가 나지 않았고, 두 각도는 3~4분 정도의 오차밖에 나지 않았다. 당시 토지 측량에 일반적으로 사용되던 줄로는 거의 얻을 수 없었던 정도의 정확도이다. 큐빗, 손바닥, 자(이집트식 큐빗은 20인치가 조금 넘고 손바닥은 3~4인치, 자릿수는 약 ¾인치) 단위의 막대가 사용되었다는 것은 확실하다. 각도의 경우 8피트 또는 10피트 길이의 거대한 나무 T자형 정사각형을 사용했을 것으로 추정된다. 직각은 사각형의 한쪽 면을 먼저 제자리에 놓은 다음 다른 쪽 면을 제자리에 놓은 결과의 평균을 구하여 상당히 정확하게 측정할 수 있었을 것이다. 피라미드 바닥의 수평을 맞추기 위해 고여 있는 물의 표면을 따라 또는 평행하게 조준하는 장치가 사용되었을 것이다. 어떻게 그토록 정확하게 자오선에 축을 두고 방향을 잡을 수 있었는지는 확실하지 않다.
 
기본 공법이 마련되었을 때에도 시공은 아직 시작하지 않았다. 이 피라미드 구조물은 각 계단의 방향성을 정확하게 유지하면서 51° 51'의 균일한 기울기로 돌덩이를 위로 운반해야만 어떤 비틀림도 방지하면서 수평성을 유지할 수 있었다. 이 모든 건 의심할 여지 없이 오늘날과 마찬가지로 건설업자의 독창성과 공사 감독에 엄청난 부담을 주었다. 보통 인식되지 않는 한 가지 복잡한 문제는 기본 지반이 정확히 수평이 아니라는 것이다. 암반이 피라미드 몸체 안으로 얼마나 돌출되었는지 아무도 몰랐다.
 

기자의 피라미드

 
기자의 대피라미드는 기원전 27세기로 거슬러 올라간다. 481피트 높이에 달하는 206개 코스로, 거칠어 보이지만 세심하게 정사각형 모양으로 배치된 석회암 돌덩이가 2백만 개나 쌓여 있으며, 돌덩이 하나의 평균 무게는 1½톤이 넘는다. 원래는 같은 재료로 꼼꼼하게 선택하고 겉에 옷을 입힌 돌덩이로 만들어졌는데, 그중 일부는 무게가 최대 15톤에 달했다. 이집트 석공들은 석고와 모래로 만든 얇은 회반죽 위에 마주 보는 돌을 깔았는데, 그들의 최고 작품은 접합부가 최소한 1/50인치이고, 매우 단단하고 틈이 거의 눈에 띄지 않는 것을 보여준다. 이 돌덩이는 어떤 방식으로든 중심에 고정되었는데, 정확히 어떻게 했는 지 알 수 없지만 피라미드의 측면을 위에서 아래로 하나의 평면으로 만들었다. 헤로도토스 시대 이후 수 세기 동안 거의 모든 이 반짝이는 흰색 외장석은 떨어져 나가 카이로와 같은 나일 계곡 아래에 있는 다른 곳의 기념비적인 건물에서 하나씩 발견되었다.
 

피라미드의 외장석

 
대피라미드의 내부는 다른 피라미드와 마찬가지로 주로 단단한 벽돌로 이루어졌다. 그러나 사람이 기어다닐 수 있을 만큼 충분히 큰 경사진 통로가 있는데, 이 통로는 수평과 거의 26 ½도 각도로 북쪽에서 안쪽과 아래쪽으로 이어진다. 그것으로부터 분기되는 또 하나의 분기는 높이가 크지만 좁은 ‘큰 회랑’으로 위쪽으로 이어지는 또 하나의 통로를 통해 피라미드 꼭대기 아래에 있는 ‘왕의 방’에 갈 수 있지만, 이상하게도 아주 가깝지는 않다. 쿠푸가 그의 석관을 영원히 침범할 수 없을 것이라고 믿었던 이 방(17×34피트)은 화강암이 늘어서 있고, 지붕은 화강암 석판으로 덮여 있다. 지붕 위에는 특히 지진 피해로부터 보호하기 위해 300피트가 넘는 돌덩이의 엄청난 중량을 감당할 목적으로 5개의 아주 큰 완화 공간이 연속적으로 있다. 또한 기울어진 통로도 있는데, 일부는 환기를 위한 것으로 보이며, ‘여왕의 방’도 있고, 기초 아래 깊은 곳에 또 다른 방이 있는 것 같다.
 

동쪽에서 본 대피라미드 내부 구조의 표고도. 안쪽 선과 바깥쪽 선은 피라미드의 현재 및 원래 외형선을 나타낸다.

 

1. 원래 입구, 북쪽 회랑

2. 도둑 터널 (현재 관광 입구)

3, 4 하강 통로

5. 지하 챔버

6. 상승 통로

7. 여왕의 방과 통풍구

8. 수평 통로

9. 큰 회랑

10. 왕의 방과 통풍구

11. 동굴과 우물 갱구

 
많은 학자는 이 피라미드가 어떤 의미에서는 천문학, 또는 점성술 관측소 역할을 했다고 믿는다. 일부 권위자들은 피라미드의 아래쪽 부분이 최종으로 그 위에 무덤으로 세워지기 훨씬 전에 별을 관찰하는 데 사용되었다는 설도 있다. 그러나 이집트 엔지니어들이 어떻게 무거운 재료를 옮기고 제자리에 고정했는지에 대한 질문은 가장 많은 추측을 불러일으켰고 아마도 고대 문화에 대한 엔지니어들의 가장 큰 관심을 끌었다. 그들은 어떻게 그렇게 압도적인 돌덩어리를 크레인이나 견인 장비, 심지어 끄는 동물 없이도 제 위치로 들어 올릴 수 있었을까? 그들이 왜 그렇게 했는지에 대한 질문은 엔지니어에게 그다지 흥미롭지 않았다.
 
현재 널리 알려진 견해는 그들이 긴 바지선을 타고 만조에서 나일강을 따라 돌을 가져왔다는 것이다. 바지선은 채석장에 최대한 가깝게 정박하여 있었고, 많은 사람이 나무 썰매에 실린 돌을 경사면을 따라 바지선 위로 끌고 가는 동안 모래로 고정되었다. 그러한 선박과 어떤 경우에는 강둑을 오가는 1마일 길이의 도로는 단단하고 매끄러워야 했다. 20톤짜리 돌덩이는 느슨한 모래 사이로 끌 수 없었다. 표면은 채석장에서 나온 돌덩이나 돌조각을 사용하거나 경험에서 배운 비율에 따라 젖은 모래, 가는 모래 및 점토를 혼합하여 단단하게 만들었다. 필요한 사람의 수는 돌덩이의 무게에 따라 감독자가 수학으로 계산했다. 어떤 상황에서도 다양한 규모의 그룹으로 구성된 2만 명에서 5만 명까지의 인원을 다양한 작업에 할당하려면 조직과 규율이 필요했다. 
 

미완성 오벨리스크

 
돌덩이를 피라미드의 원하는 위치에 올리는 방식은 그다지 합의가 이루어지지 않았다. 그러한 종류의 구조는 오늘날 동력식 기계, 크레인 및 비교적 적은 인력을 사용하여 2~3년 이내에 재현될 수 있다. 그러나 이집트인들이 정확하게 들어 올렸다고 주장하는 화보 잡지에서 자주 볼 수 있는 그림에도 불구하고 이집트인들이 그것을 어떻게 관리했는지는 아직 알려지지 않았다. 이 삽화는 피라미드가 실제 건설된 방식이 아니라 그림을 사랑하는 사람들의 이집트 피라미드에 대한 지속적인 관심을 입증할 뿐이다. 고대부터 많은 장치와 과정에 대한 표현이 우리에게 전해졌지만, 아직 피라미드 건설에 대한 권위 있는 그림은 발견되지 않았다. 클라크(Clarke)와 엥겔바흐(Engelbach)가 이집트 건설 방법을 연구할수록 전문가들은 어느 정도 복잡한 장치로 세부 사항을 설명해야 한다면 그 설명은 확실히 잘못된 것이라고 확신하게 되었다.
 
가장 오래된 이론 중 하나인 모래 언덕 이론은 각 돌 층이 배치될 때 지면을 향해 아래쪽으로 경사진 모래층으로 둘러싸여 있다고 가정한다. 이 경사면 위로 다음 층의 재료를 끌어 올렸다. 피라미드가 완성되었을 때, 그것은 사실상 모래산 속에 묻혔고, 물론 그 당시에는 땅을 파내야 했다. 모래의 안정각을 두 개의 수평 대 한 개의 수직으로 추정하면, 500피트 높이의 피라미드를 덮고 있는 그러한 산 바닥의 폭은 2,000피트 이상, 아마도 0.5마일이 될 것이다. 한 세대 전 프랑스인 Auguste Choisy가 발전시킨 요람(cradle) 이론은 마치 나무줄기에서 잘라낸 것처럼 원통형 밑면이 있는 단단한 나무 썰매 위에 돌이 놓여 있고, 이 돌이 아마도 균형추가 있는 큰 지렛대로 흔든다고 가정한다. 무덤의 비문과 고대 기원의 많은 소규모 모형을 보면 이집트인들이 짐을 싣고 들어올리기 쉽게 하려면 그런 요람 썰매를 사용했다는 것이 분명하다. 한쪽이 올라가면 그 아래에 짐이 놓였다. 지렛대가 반대쪽으로 이동하고 작업이 반복되었다. 이런 식으로 돌덩이가 피라미드 꼭대기까지 단계적으로 올라갔을 수도 있다.
 
현재 이용할 수 있는 증거에 의해 가장 잘 뒷받침되는 경사로 이론은 이집트인들이 건설 중인 높이까지 경사진 도로를 만들었다는 것이다. 이런 경사로의 형태는 직선형이거나 구조물 주변을 돌아가는 형태였을 수 있다. 직선 경사로 이론에 따르면, 피라미드가 올라가면서 원래의 경사면 위에 여러 층이 겹쳤다. 따라서 층마다 표면 처리가 필요했을 것이다. 회전 경사로의 경우 그렇게 큰 어려움은 없었던 것 같다. 적당한 경사로에서 시작하여 정상에 도달하기 전까지 피라미드 안팎을 여러 번 왕복할 수 있었다. 플랫폼, 스위치백, 심지어 헤어핀 회전, 바깥쪽 가장자리에는 돌이나 벽돌로 된 옹벽이 있을 수 있다. 고고학자들은 1914년에 경사로의 유적을 발견했다. 그곳에는 우리보다 크지 않은 벽돌부터 남자 두 명이 들 수 있을 만큼 큰 벽돌까지 다양한 크기의 햇볕에 말린 벽돌이 쌓여 있었다. 쿠푸 피라미드의 왕실 지붕을 덮고 있는 화강암으로 만든 창이나 입구 등 위에 댄 가로대는 아마도 ‘시소잉’으로 쌓아 올렸을 것이다. 각 돌의 무게는 약 55톤으로, 중앙에 가까운 두 개의 지지대 위에 올려놓았을 수 있다. 그런 다음 각 지지대에 작은 블록을 교대로 삽입하여 앞뒤로 흔들고 한 번에 한두 인치씩 올렸을 수 있다. 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 걸어가는 잘 뚫린 길은 하루 동안 작업하는 동안 블록을 20 피트 높이까지 올릴 수 있었다.
 
카이로에서 나일강을 따라 300마일 정도 올라간 테베, 룩소르, 카르낙의 기념비적인 건물과 피라미드 지역은 2천 년 이상의 이집트 건설과 건축을 대표한다. 당시에는 많은 부분에서 뛰어났지만 지금도 가장 유명한 것은 카르낙의 아몬-라 신전이다. 지금은 없지만 한때 세계에서 가장 큰 기둥 구조물이었다. 338×1,220피트의 크기는 로마의 성 베드로 대성당, 밀라노 대성당, 파리의 노트르담 대성당의 지상 면적을 합친 것과 맞먹는 크기이다. 기둥이 줄지어 서 있어 다주식(hypostyle) 홀이라고 불리는 이 성전의 가장 큰 홀은 329×170피트 크기였다. 기둥은 중앙 통로에서 69피트, 측면을 따라 42피트 높이로 서 있었다. 지름이 10피트가 넘는 기둥은 각각 무게가 60~70톤에 달하는 짧은 아치형 보 또는 대들보를 지탱했다. 이 기둥은 평평한 지붕을 두 층으로 받쳐서 역사상 최초로 성직자 창문을 위한 공간을 만들었다. 그리스도보다 수 세기 전에 중세 시대에 신을 숭배하는 성당에 대한 건축 원칙이 확립되었다.
 

카르낙 아몬 신전의 다주식 홀

 
카르낙의 사제 창문으로도 사라지지 않는 어둠은 주문의 도움으로 사제들이 원하는 아몬-라에 대한 두려운 헌신을 자극하기에 충분했을 것이다. 그러나 그의 기술자들은 어둡고 동굴 같은 공간의 더 큰 공포를 만들어 내지는 못했다. 돌은 인장력이 너무 약해 대들보도 사용할 수 없었다. 기둥은 너무 촘촘하고 두껍게 세워져 있어야 할 울타리만큼이나 많은 공간을 차지했다. 건축 프로젝트인 아몬-라 신전은 큰 성공이라고 말할 수 없다. 카르낙의 건축 방식은 기둥 주변과 벽을 따라 벽돌과 모래로 만든 가설물, 경사로, 블록을 끌어서 제자리에 고정할 수 있는 테라스를 만드는 것이었다. 이 임시 구조물은 내부 조각과 페인트칠이 진행되면서 단계적으로 철거되었다. 그러나 카르낙의 기초는 다른 곳보다 훨씬 덜 신중하게 설계되고 건설되었다. 홍수로 기초가 심하게 훼손되어 기둥이 가라앉고 지붕 대부분이 무너졌다. 최근 몇 년 동안 이집트 정부는 기둥을 바로 세우고 남은 부분을 보존하기 위해 노력하고 있다.
 
무게가 수백 톤에 달하는 오벨리스크를 바로 세우는 것은 현대에도 정교한 계산과 특수 장비가 필요한 공학적 위업이다. 그러한 거대한 돌덩어리의 길이, 무게, 세장비, 굽힘 응력에 따른 상대적인 약점은 작업을 불확실하게 만든다. 이집트에 있는 이러한 기념물의 수를 판단해 보면, 엔지니어들이 문제를 성공적으로 해결한 것은 분명하지만 어떤 방식으로 이루어졌는지는 확실하지 않다. 자체 길이와 무게로 인한 굽힘 응력에 대해 목재 부목으로 강화된 돌기둥은 긴 경사로 위로 끌어 올려져 꼭대기의 곡선 가장자리 위로 기울어져 미리 준비된 기초 위에 내려졌다. 그 위치에서 아마도 4분의 3 정도 직립한 상태에서 수직으로 당겨졌다. 본질적으로 같은 방법으로 정교한 처리 기계를 사용했지만, 이집트에서 가져와 다른 곳에 설치된 40개가 넘는 오벨리스크에 사용되었다.
 
이 중 이집트 밖에서 가장 크고 세계에서 두 번째로 큰 것은 칼리굴라 시대에 로마로 옮겨져 네로 경기장에 배치되었다. 플리니우스가 말한 선박 중 그 당시까지 건조된 선박 중 가장 큰 선박에 거의 1,000톤에 달하는 부력 조정용 콩을 싣고 지중해를 건너 운송되었다는 것 외에는 이를 처리하는 방법에 대한 정보가 없다. 그것은 1586년에 성 베드로 대성당 앞 광장으로 옮겨졌다. 감독 도메니코 폰타나(Domenico Fontana)가 기록한 이 진행 과정 전체는 16세기 공학 장비에 대해 많은 이야기를 해주고 있다.
 

성 베드로 광장의 오벨리스크

 

오벨리스크 이동 공사
 

다른 세 개의 오벨리스크도 주목할 만하다. 기원전 13세기에 만든 것 중 하나는 1830년부터 1836년까지 룩소르에서 파리로 옮겨져 현재 콩코르드 광장에 서 있다. 클레오파트라 시대보다 거의 15세기 전에 채석되었지만, 클레오파트라의 바늘로 유명한 또 다른 작품은 로마 시대의 헬리오폴리스에서 알렉산드리아로, 그리고 1877년에 런던으로 여행했다. 그 무렵 엔지니어들은 운반을 돕기 위해 동아줄, 유압잭 및 철제 상자를 보유했다. 세 번째 오벨리스크는 현재 뉴욕 센트럴 파크에 있다. 그것은 1879년부터 1881년까지 알렉산드리아에서 가져왔고, 선체의 구멍을 통해 뉴욕의 배에서 제거되었다. 여행의 마지막 2마일은 특별히 준비된 고가 선로를 따라 112일이 걸렸으며, 진행 속도는 하루에 97피트에 불과했다. 현장에서 일으켜 세우는 작업은 2주가 더 필요했다. John T. Johnston에 따르면 총비용은 100,000달러가 조금 넘었다.
 

프랑스 콩크르드 광장의 오벨리스

 

런던의 클레오파트라의 바늘

 

뉴욕 센트럴파크의 클레오파트라의 바늘

 
이집트 석공들은 간단한 도구를 독창성과 주의를 기울여 사용했다. 카르낙(Karnak)의 사원과 대피라미드의 정면과 같은 최고의 구조에서는 돌이 마른 상태에서도 거의 눈에 띄지 않는 접합부에 맞춰져 있다. 정확하고 견고한 바닥을 보장하기 위해 모래가 거의 없는 석고로 만든 회반죽을 사용했지만, 이러한 정밀도는 돌을 놓은 후 표면을 도구로 가공하고 손질하여 외부 미장이 사용되었다. 내부 작업은 회반죽에 모래가 더 많아 거칠어지기 쉬웠다. 두 면의 벽은 돌을 연결하지 않고 쌓는 경우가 많았으며, 때로는 그사이의 공간이 느슨한 잔해로 채워졌다. 이집트 벽돌의 표본은 뉴욕 메트로폴리탄 미술관에서 볼 수 있다. 기원전 2650년경 멤피스에서 높은 직책을 맡았던 페르네브(Perneb)의 무덤은 하나씩 철거되어 1916년에 그곳에서 재건되었다. 또한 청동 끌, 미장공용 줄, 쐐기 등 후기 이집트 석공의 도구도 전시되어 있다.
 

뉴욕 메트로폴리탄의 이집트 벽돌

 
특히 무거운 재료를 다루는 분야에서 놀라운 성과를 거두었음에도 이집트인들이 석재를 건축하는 기술에 있어서 큰 혁신이나 발전을 이루었다고 말할 수는 없다. 그들은 이전에 나무, 진흙, 벽돌로 만든 것을 항상 재현한 것 같다. 그들의 피라미드는 단지 확대된 마스타바(mastaba), 즉 가라앉은 무덤 위에 돌덩어리를 쌓아 올린 직사각형 상부구조에 불과했다. 그들의 사원은 기둥과 문의 윗부분에 가로지르는 형태, 곧은 가로대 형태를 벗어나지 못했다. 쐐기 모양의 진흙 벽돌로 만들어진 실제 아치는 실제로 신석기 시대 정착지와 마찬가지로 이집트에서도 알려졌다. 그러나 이집트인들은 그것을 말하자면 결코 지상으로 가져오지 않았고, 돌로 건축하는 데 절대로 적용하지 않았다. 공학에서의 이러한 중요한 출발은 수 세기 후 에트루리아인들과 함께 이루어졌다.
 

마스타바

 
그런데도 고대 이집트의 건축가와 기술자들은 뛰어난 사람들이었다. 그들은 왕족을 제외하고 역사적 정체성을 얻은 최초이자 소수중 하나였다. 그들은 당시에 높이 평가되었고 다음 세대로부터 존경을 받았다. 최초의 대피라미드인 사카라(Saqqara)의 설계자이자 건축자인 임호텝 (Imhotep)은 의사이자 이야기의 저자로도 유명했다. 그의 경력은 힘든 일상 노동과 내세에 관한 생각에 몰두한 이집트 생활의 특징인 미신과 현실의 혼합을 예시했다. 그의 계획은 ‘멤피스 북쪽의 하늘에서 그에게 내려왔다’라고 한다. 엘리샤의 조언은 ‘마치 하느님의 말씀에 문의한 것과 같았다.’ 2000년 후에 임호텝 자신도 이집트의 놀라운 신들의 무리에 포함되었다.
 
이 최초의 위대한 석공의 후계자들은 그다지 유명하지도 사랑받지도 않았을지 모르지만, 의심할 바 없이 그 시대에는 저명한 사람들이었다. 그들은 그들 자신에 대해서도 생각했다. 우선, 센무트(Senmut)는 ‘왕의 딸의 위대한 아버지 가정교사’, ‘아몬의 모든 들판의 감독자, 센무트의 승리’, ‘왕의 수석 청지기’였다. 아마도 그가 하트셉수트(Hatshepsut) 여왕 신전의 모든 문 뒤에 자신의 초상화를 걸 수 있었던 것은 아마도 이러한 능력 때문이었을 것이다. 그는 자신에 대해 ‘나는 온 땅에서 가장 위대한 자였다’라고 새겼다. ‘카르나크의 모든 작업의 으뜸’인 이네니(Ineni)는 뛰어난 엔지니어 계열에서 앞서 나갔지만, 자신에 대한 평가로 인해 여기서는 마지막 자리라는 영예를 받을 자격이 있다. ‘나는 말로 표현할 수 없을 정도로 위대해졌다’라고 그는 말했다. ‘…나는 아무 잘못도 하지 않았습니다.’ 게다가 그는 ‘감독 중의 감독’이었다. 그런데도 그는 ‘신성한 것을 결코 모독하지 않았다.’