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우유는 흔들어 마시는 게 좋을까?

우유는 인류의 식생활에서 빼놓을 수 없는 중요한 식품으로, 탄수화물과 단백질, 지방은 물론 각종 비타민과 무기질이 풍부하게 들어있는 영양의 보고라 할 수 있습니다. 유리컵에 담긴 우유를 가만히 들여다보면 마치 하나의 순수한 액체처럼 보이지만, 실제로는 수많은 영양 성분이 복합적으로 섞여 있는 상태입니다. 흥미로운 점은 이렇게 성질이 다른 다양한 물질이 포함되어 있음에도 불구하고, 우유는 시간이 지나도 층이 나뉘거나 성분이 가라앉지 않고 늘 일정한 상태를 유지한다는 사실입니다. 액체 혼합물은 구성 물질들이 중력이나 시간의 흐름에 따라 고르게 섞여 분리되지 않는 균일 혼합물과, 층이 나뉘거나 입자가 가라앉는 불균일 혼합물로 분류됩니다. 소금물은 대표적인 균일 혼합물이며, 흙탕물은 시간이 지나면 흙이 가라앉는 불균일 혼합물에 해당합니다. 우유는 가만히 두어도 분리가 일어나지 않아 균일 혼합물처럼 보이지만, 원심분리기를 이용하면 지방을 따로 추출할 수 있다는 점에서 독특한 성질을 가집니다. 이러한 이중적인 특성은 우유의 정체에 대한 과학적 호기심을 자극합니다. 우유의 정체는 바로 '콜로이드'라는 특수한 혼합물 상태에 있습니다. 콜로이드는 입자의 크기가 균일 혼합물보다는 크고 불균일 혼합물보다는 작은 상태를 말하는데, 거름종이조차 통과할 정도로 미세한 크기를 가집니다. 우유 속의 물 분자들이 여러 영양 성분을 미세하게 둘러싸면서 안정적인 콜로이드 입자를 형성하는 것입니다. 이 입자들은 액체 전체에 안개처럼 고르게 퍼져 있어 중력의 영향을 크게 받지 않고 안정적으로 섞여 있을 수 있으며, 덕분에 우리는 늘 일정한 맛과 영양을 지닌 우유를 즐길 수 있습니다. 현대의 우유 가공 과정에서는 '균질화'라는 기술을 통해 입자의 안정성을 더욱 높입니다. 원유에 일정한 압력을 가해 미세한 구멍을 통과시킴으로써 지방 입자를 아주 작고 균일하게 쪼개는 과정입니다. 이렇게 만들어진 미세한 콜로이드 입자들은 가시광선 전체 영역의 빛을 모든 방향으로 고르게 반사하는 성질을 가집니다. 우리가 우유를 볼 때 불투명한 하얀색으로 인지하는 이유는 바로 이 미세한 입자들이 빛을 반사하기 때문이며, 이는 구름이나 안개가 하얗게 보이는 원리와도 같습니다. 보통의 우유는 균질화를 거치기에 흔들어 마실 필요가 없지만, 칼슘이 첨가된 기능성 우유는 예외일 수 있습니다. 칼슘 입자는 다른 성분보다 입자가 크고 무거워 바닥에 가라앉을 가능성이 있기 때문입니다. 이처럼 우유 한 잔에는 콜로이드라는 화학적 원리와 정교한 가공 기술의 정수가 담겨 있습니다. 아이스크림의 부드러운 식감부터 우유의 하얀 빛깔까지, 일상 속에서 무심코 지나쳤던 우유의 모습들은 과학의 눈으로 볼 때 더욱 다채롭고 흥미로운 비밀을 우리에게 들려줍니다.

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화학
생명과학

[인터뷰] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험"

중성미자는 원자핵이 붕괴하거나 융합될 때 발생하는 아주 작은 입자로, 우주 초기부터 존재해 온 신비로운 존재입니다. 지금 이 순간에도 태양에서 생성된 수많은 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있지만, 일반 물질과 거의 상호작용하지 않아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 1930년대에 처음 이론적으로 예측된 이후, 현대 과학은 이 보이지 않는 입자를 인공적으로 만들어내고 관측하는 수준에 도달했습니다. 특히 우리나라는 원자로가 많아 중성미자 연구에 최적의 환경을 갖추고 있으며, 이를 통해 세계적인 수준의 실험 성과를 거두고 있습니다. 우주에는 우리가 알고 있는 물질 외에도 중력으로만 그 존재를 드러내는 암흑물질이 존재합니다. 은하의 회전 속도를 관측해 보면 중심에서 멀어져도 속도가 줄어들지 않는데, 이는 보이지 않는 무언가가 강력한 중력으로 은하를 붙잡고 있음을 의미합니다. 지난 수십 년간 수많은 과학자가 이 실체를 규명하려 노력해 왔으나, 아직 우리가 아는 입자 중에는 이를 설명할 수 있는 대상이 없습니다. 현재는 암흑물질이 일반 물질과 어떤 상호작용을 하는지 밝혀내기 위한 정밀한 탐색 실험들이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 입자물리학의 역사에서 중성미자가 서로 다른 종류로 변신한다는 '중성미자 진동' 현상의 발견은 매우 중요한 전환점이었습니다. 전자, 뮤온, 타우 중성미자가 일정한 비율로 섞이며 상태가 변하는 이 과정은 우주의 근본 원리를 이해하는 핵심 열쇠입니다. 한국 연구진은 이 진동의 정도를 결정하는 변수 중 가장 측정하기 어려운 값을 찾아내며 국제 학계에 큰 기여를 했습니다. 이러한 정밀 측정은 단순히 입자의 성질을 파악하는 것을 넘어, 우주가 어떻게 지금과 같은 모습을 갖추게 되었는지에 대한 근원적인 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 우주 탄생 초기에는 물질과 반물질이 같은 양으로 존재했으나, 어느 순간 균형이 깨지면서 물질이 아주 미세하게 더 많이 살아남게 되었습니다. 만약 이 대칭성이 깨지지 않았다면 물질과 반물질은 모두 소멸하여 현재의 인류와 우주는 존재할 수 없었을 것입니다. 과학자들은 이 미묘한 비대칭의 비밀이 중성미자에 숨겨져 있다고 믿고 있습니다. 현재 미국과 일본을 비롯한 전 세계 연구팀은 향후 수십 년을 내다보며 물질과 반물질의 비대칭 계수를 측정하기 위한 거대 프로젝트를 추진 중이며, 이는 인류의 기원을 밝히는 중요한 여정이 될 것입니다. 과학 연구는 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 미지의 세계를 향한 즐거운 탐험이자 일종의 몰입감 넘치는 취미와도 같습니다. 새로운 가설을 세우고 이를 증명해 나가는 과정에서 겪는 수많은 실패는 좌절의 이유가 아니라, 안 되는 방법을 하나씩 지워나가는 논리적인 진보의 과정입니다. 가능성이 없는 길을 빠르게 판단하고 전환하는 '빠른 실패'의 태도는 연구의 효율성을 높이는 중요한 전략이 됩니다. 시도조차 하지 않는 것이야말로 진정한 실패라는 마음가짐으로 끝까지 도전하는 자세가 현대 과학을 지탱하는 진정한 원동력이라 할 수 있습니다.

유종희

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물리학
천문학

[연구뭐하지?] 인류에 보탬이 되는 화학, 신재생 에너지 연구_임종우 교수 | 서울대학교 “에너지 및 재료 분석화학 연구실”

서울대학교 화학부 임종우 교수 연구실은 인류가 직면한 에너지 위기와 기후 변화라는 거대한 과제를 화학적 방법론으로 해결하고자 노력하고 있습니다. 리튬 이온 배터리를 비롯해 전고체 전지와 리튬 금속 배터리 등 더 안전하고 효율적인 차세대 에너지 저장 장치를 연구하며, 깨끗한 수소 생산을 위한 촉매 기술과 이산화탄소 저감 및 전환 기술까지 폭넓게 다룹니다. 이러한 연구는 단순히 기술 개발에 그치지 않고 지속 가능한 지구를 위한 근본적인 해답을 찾는 과정이라 할 수 있습니다. 연구의 핵심은 배터리 내부에서 일어나는 미시적인 변화를 실시간으로 관찰하고 이를 이론적으로 정립하는 데 있습니다. 방사광 가속기를 활용해 양극재 내에서 리튬 이온이 어떻게 이동하고 확산되는지 이미징 기법으로 포착하며, 얻어진 데이터를 바탕으로 복잡한 미분방정식을 풀어내어 동력학적인 상전이 과정을 수식화합니다. 실험과 이론의 긴밀한 결합을 통해 배터리의 열화 원인을 규명하고 성능을 극대화할 수 있는 최적의 경로를 제시하는 것이 주요 목표입니다. 에너지 연구에 투신하게 된 계기는 대학 시절 해외 교환 학생 경험에서 비롯되었습니다. 당시 환경과 에너지 문제에 대해 끊임없이 고뇌하던 동료들과 교류하며, 이 분야가 인류의 미래를 결정지을 핵심 과제임을 깨달았습니다. 비록 당시에는 에너지 문제에 대한 사회적 관심이 지금처럼 높지 않았으나, 누군가는 반드시 해결해야 할 일이라는 사명감을 느꼈습니다. 자신의 인생을 걸고 인류 사회에 실질적인 보탬이 되겠다는 순수한 열정이 현재 연구의 든든한 뿌리가 되었습니다. 최근 이차전지 산업은 비약적인 성장을 거듭하고 있지만, 기술적 완성도를 높이는 과정은 매우 복잡하고 정교한 과학적 접근을 요구합니다. 원자 단위의 동력학부터 수조 개의 입자가 모인 배터리 셀 전체의 현상까지, 다양한 스케일에서 발생하는 상호작용을 체계적으로 이해해야 하기 때문입니다. 연구실은 산업계와 긴밀히 소통하며 기초 과학의 원리가 실제 산업 현장의 난제를 해결하는 시너지를 창출하고 있습니다. 이는 단순한 용량 증설을 넘어 배터리 기술의 근본적인 진보를 이끄는 동력이 됩니다. 연구실의 또 다른 강점은 경계를 허무는 협업과 글로벌 네트워크에 있습니다. 물리, 생명과학, 공학 등 다양한 배경을 가진 연구원들이 모여 각자의 전문성을 공유하며, 해외 유수의 연구소와 적극적인 공동 연구를 수행합니다. 언어의 장벽을 넘어 세계적인 연구 시설을 활용하고 치열한 토론을 거치는 과정은 국익에도 기여하는 소중한 자산이 됩니다. 밤을 새우는 고단한 연구 과정 끝에 마침내 자연의 섭리를 이해하고 진실을 확인했을 때 느끼는 성취감은 연구자들을 움직이는 가장 큰 보람입니다.

임종우

카오스재단연구뭐하지

화학

[강연] 세상을 설명하는 양자이론 : 표준모형과 그 너머_by 박성찬 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 8강 | 8강

리처드 파인만은 인류 문명이 사라질 위기에 처했을 때 후세에 전해야 할 가장 중요한 지식으로 '모든 물질은 원자로 이루어져 있다'는 원자론을 꼽았습니다. 19세기 주기율표로 정리된 원자론은 물질의 근본을 설명하는 가장 정확한 이론처럼 보였으나, 과학의 발전은 그 이면의 더 깊은 세계를 드러냈습니다. 현대 물리학은 양자역학의 불확정성 원리를 통해 더 높은 에너지로 더 짧은 길이를 탐구하며 원자 내부의 핵과 쿼크라는 새로운 구조를 발견해냈습니다. 1970년대에 이르러 인류는 물질을 이루는 입자들을 체계적으로 정리한 '표준 모형'이라는 새로운 주기율표를 완성했습니다. 이 모형은 물질을 구성하는 3세대의 페르미온과 힘을 매개하는 게이지 보손, 그리고 입자에 질량을 부여하는 힉스 입자로 구성됩니다. 표준 모형은 인류가 우주에 대해 얻어낸 가장 정확한 설명서이며, 우리가 일상에서 보는 모든 물질 현상을 단 몇 종류의 근본 입자와 상호작용만으로 명쾌하게 설명해내는 놀라운 성취를 보여줍니다. 우리가 흔히 '입자'라고 부르는 존재의 더 깊은 본질은 사실 온 우주를 채우고 있는 '양자장'입니다. 현대 물리학의 두 기둥인 상대성 이론과 양자역학이 결합된 양자장 이론에 따르면, 입자는 양자장의 요동이 특정한 형태로 나타난 현상에 불과합니다. 진공조차 가만히 멈춰 있지 않고 끊임없이 요동치며, 충분한 에너지가 모이면 입자와 반입자가 쌍으로 생성되거나 소멸하는 역동적인 과정을 반복합니다. 이는 우주가 고정된 실체가 아닌 에너지의 끊임없는 변화임을 시사합니다. 표준 모형을 지탱하는 핵심 원리는 '대칭성'입니다. 시공간의 로렌츠 대칭성과 내부 공간의 게이지 대칭성은 자연계의 근본적인 힘들이 어떻게 작용하는지를 결정합니다. 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력이라는 세 가지 힘은 각각 특정한 게이지 대칭성에 기반하여 입자들 사이에서 정보를 전달하고 운동량을 교환합니다. 이러한 대칭성 덕분에 표준 모형은 이론적으로 무한한 정밀도를 가지고 계산이 가능한 '재규격화'라는 강력한 수학적 토대를 갖추게 되었습니다. 2012년 힉스 입자의 발견은 표준 모형의 마지막 퍼즐을 완성하는 역사적 사건이었습니다. 힉스 메커니즘은 우주 초기 하나였던 힘들이 대칭성의 자발적 깨짐을 통해 분화되는 과정을 설명하며, 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되었는지 밝혀냈습니다. 힉스 장과 강하게 상호작용하는 입자는 무거운 질량을 얻고, 그렇지 않은 입자는 가볍거나 질량이 없게 됩니다. 이 정교한 메커니즘 덕분에 우리 우주는 현재와 같이 다양한 질량을 가진 물질들이 존재할 수 있는 구조를 갖추게 되었습니다. 하지만 표준 모형의 완성은 물리학의 끝이 아니라 새로운 탐구의 시작입니다. 현재 우리가 이해하는 표준 모형의 물질은 우주 전체 에너지의 단 5%에 불과하며, 나머지 95%를 차지하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 또한 왜 입자의 세대가 세 번 반복되는지, 초기 우주의 급팽창은 누가 일으켰는지, 왜 우주에는 반물질보다 물질이 압도적으로 많은지와 같은 근본적인 질문들에 대해 표준 모형은 아직 명확한 답을 내놓지 못하고 있습니다. 물리학자들은 표준 모형을 넘어선 더 근원적인 이론인 '대통일 이론'이나 '초끈 이론'을 통해 우주의 신비를 풀고자 노력하고 있습니다. 전자와 양성자의 전하량이 왜 정확히 일치하는지, 우주의 진공은 과연 영원히 안정한 상태인지와 같은 질문들은 인류를 더 높은 에너지와 더 깊은 통찰의 세계로 인도합니다. 표준 모형은 비록 완벽하지 않을지라도, 우리가 우주의 기원과 본질을 이해하기 위해 반드시 거쳐야 할 가장 견고하고 아름다운 징검다리임이 분명합니다.

박성찬

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물리학

[강연] 가장 순수한 형태의 파동_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 3강 | 3강

세상을 이해하는 방식에는 여러 가지가 있지만, 물리학은 그 근원적인 원리를 탐구하여 우주의 설계도를 그려내는 학문입니다. 거대한 우주를 가장 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의와 작은 요소들이 모여 전체로서 새로운 성질을 발현하는 창발주의는 물리학을 지탱하는 두 개의 거대한 기둥입니다. 아리스토텔레스가 통찰했듯 전체는 부분의 합보다 크며, 이러한 조화로운 상호작용 속에서 우주의 질서가 유지됩니다. 특히 응집물질물리학은 미시적 세계의 개별 입자들이 어떻게 거시적인 현상을 만들어내는지 그 절묘한 연결 고리를 다루며, 우리가 발을 딛고 있는 이 세상의 실체를 과학적으로 규명하고자 노력합니다. 양자역학의 난해하고 추상적인 개념들은 때로 영화라는 예술 매체를 통해 우리에게 더욱 생생하고 친숙하게 다가옵니다. 영화 '컨택트'에서 주인공이 외계 언어를 배우며 미래를 기억하게 되는 설정이나, '인터스텔라'에서 블랙홀 내부의 시공간을 넘나들며 과거의 자신에게 신호를 보내는 장면은 단순한 상상력을 넘어 양자역학적 세계관을 깊이 있게 투영하고 있습니다. 모든 가능성이 중첩되어 열려 있는 파동의 상태에서 관측을 통해 단 하나의 현실로 확정되는 '파동함수의 붕괴'는 영화 속 인물들이 마주하는 운명적인 선택과 맞닿아 있습니다. 일어날 일은 결국 일어난다는 결정론적 시각과 그 안에서 이루어지는 주체적인 결단은 양자역학이 지닌 철학적 무게를 보여줍니다. 양자역학의 핵심을 한마디로 정의하자면 '우주는 파동이다'라고 요약할 수 있습니다. 우주의 모든 존재는 입자인 동시에 파동의 성질을 지니며, 이를 기술하는 파동함수는 특정 위치에서 입자가 발견될 확률을 결정하는 역할을 합니다. 여기서 주목해야 할 점은 파동함수가 단순한 수치가 아니라 방향과 길이를 가진 '양자 시계'와 같은 벡터 형태라는 사실입니다. 각 공간마다 존재하는 이 보이지 않는 양자 시계들이 서로 더해지고 상쇄되는 과정을 통해 간섭 현상이 일어나며, 이것이 우리가 관측하는 물리적 실체를 형성합니다. 결국 눈에 보이지 않는 복소수 공간의 질서가 현실 세계의 확률적 분포를 지배하고 있는 셈입니다. 영의 이중 슬릿 실험은 양자역학의 신비로움을 가장 극명하게 증명하는 사례로 꼽힙니다. 전자를 하나씩 발사하더라도 충분한 시간이 흐르면 스크린에는 파동 특유의 간섭무늬가 나타나는데, 이는 전자 하나가 두 개의 경로를 동시에 통과하는 중첩 상태에 있음을 의미합니다. 입자 하나가 스스로 분신처럼 나뉘어 경로를 지나고, 다시 만나는 지점에서 각자의 '양자 시계'가 합쳐져 확률의 줄무늬를 만들어내는 과정은 고전 역학의 상식을 완전히 뒤엎습니다. 양자역학적 파동은 관측되기 전까지는 실체적인 위치를 갖지 않으며, 오직 확률적인 중첩 상태로 존재하다가 측정의 순간에 비로소 하나의 입자로 그 모습을 드러내게 됩니다. 원자의 구조를 이해하는 과정에서도 양자역학은 결정적인 해답을 제시합니다. 고전 전자기학의 관점에서는 핵 주변을 도는 전자가 에너지를 방출하며 순식간에 붕괴해야 하지만, 실제 원자는 매우 견고하고 안정적인 구조를 유지합니다. 이는 전자의 궤도가 아무 곳에나 형성되는 것이 아니라 특정한 에너지 값으로만 존재할 수 있는 '양자화' 상태이기 때문입니다. 케플러가 행성의 궤도에서 우주의 조화를 찾으려 했던 시도나 티티우스-보데의 법칙처럼, 물리학자들은 수소 원자의 스펙트럼에서 나타나는 불연속적인 숫자들의 배열을 통해 미시 세계의 엄격한 규칙을 발견했습니다. 이러한 불연속성은 우주가 매끄러운 연속체가 아닌 정교하게 격자화된 질서 위에 서 있음을 시사합니다. 아인슈타인의 광양자 가설은 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 이중성을 밝혀내며 현대 물리학의 새로운 지평을 열었습니다. 이에 영감을 받은 드브로이는 빛뿐만 아니라 전자와 같은 모든 물질 입자도 파동의 성질을 가질 것이라는 대담한 가정을 세웠고, 이는 실험적으로 증명되었습니다. 전자가 원자핵 주변을 돌 때 자신의 꼬리를 무는 정상파 형태를 유지해야 한다는 조건은 보어가 주장했던 각운동량의 양자화를 수학적으로 완벽하게 뒷받침해 줍니다. 입자의 운동량이 파동의 파장과 직접적으로 연결된다는 이 놀라운 발견은 물질의 본질에 대한 인류의 인식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 파동역학의 탄생을 이끄는 기폭제가 되었습니다. 우리가 의자에 앉아 있을 때 바닥으로 꺼지지 않는 이유는 원자 내부가 대부분 비어 있음에도 불구하고 '파울리 배타 원리'에 의해 강력한 단단함을 유지하기 때문입니다. 이처럼 양자역학은 단순히 실험실 안의 추상적인 이론에 머물지 않고, 우리가 존재하는 물리적 실체와 일상의 현상을 설명하는 유일하고도 강력한 도구입니다. 슈뢰딩거 방정식으로 대표되는 파동함수의 동력학은 우주의 보이지 않는 비밀을 정교한 수학적 언어로 풀어내며 현실의 근원을 추적합니다. 보이지 않는 파동의 중첩과 확률의 파동 속에서 움직이는 우주를 깊이 있게 이해하는 것은, 곧 우리 자신과 만물을 구성하는 가장 근본적인 원리에 다가가는 숭고한 여정이라 할 수 있습니다.

박권

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물리학

[강연] 물리의 렌즈로 본 예술 - 관계에서 찾는 존재의 의미_ by 이창환 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 4강 | 4강 ①

물리학이라는 렌즈를 통해 예술을 바라보면 세상은 전혀 다른 모습으로 다가옵니다. 우리는 눈에 보이는 것을 실체라고 믿지만, 사실 우리의 인식은 주변과의 관계 속에서 왜곡되거나 강조되기도 합니다. 에셔의 그림처럼 직선이 주변 환경에 따라 비뚤게 보이는 착시 현상은 인간의 감각이 가진 불완전함을 보여줍니다. 과학은 이러한 주관적 인식을 넘어 우주의 본질적인 질서를 탐구하며, 존재의 의미를 독립된 개체가 아닌 상호 관계 속에서 정의하고자 노력합니다. 물리학자의 시선에서 예술은 단순한 감상의 대상을 넘어 우주의 원리를 투영하는 거울이 됩니다. 현대 물리학이 바라보는 진공은 단순히 비어 있는 공간이 아닙니다. 노자의 '유무상생' 사상처럼, 무(無)는 아무것도 없는 상태가 아니라 모든 가능성이 잠재된 근본적인 장입니다. 김홍도의 씨름도에서 여백이 인물들 사이의 자유로운 소통과 움직임을 가능하게 하듯, 진공 역시 빛과 별, 그리고 우리 존재가 출현할 수 있는 토대가 됩니다. 원자 내부의 광활한 빈 공간이 물질의 존재를 지탱하는 것처럼, 비어 있음은 곧 가득 참의 다른 표현입니다. 우리는 이 보이지 않는 공간과의 관계를 통해 비로소 자신의 존재를 증명할 수 있습니다. 예술가 김아타의 작업은 이러한 물리학적 통찰을 시각적으로 구현합니다. 만 장의 사진을 중첩하여 형체를 지워버린 그의 작품은 무한한 존재의 합이 결국 '무'로 수렴될 수 있음을 보여줍니다. 이는 입자가 여러 상태를 동시에 가질 수 있다는 양자역학적 중첩의 원리와 맞닿아 있습니다. 우리가 인식하지 못하는 진공 속에 수많은 가능성이 중첩되어 있듯, 예술은 보이지 않는 존재의 층위를 겹겹이 쌓아 올림으로써 오히려 본질적인 비어 있음을 드러냅니다. 이러한 '유'와 '무'의 경계에서 우리는 존재의 참된 의미를 다시금 질문하게 됩니다. 과학자들은 거대 가속기 실험을 통해 진공이 끊임없이 요동치며 입자와 반입자를 생성하는 창조의 공간임을 확인했습니다. 양성자보다 훨씬 무거운 힉스 입자가 충돌 과정에서 튀어나오는 현상은 진공 속에 숨겨진 잠재력이 실현된 결과입니다. 우리가 진공을 고요하게 느끼는 이유는 우리 몸을 구성하는 원자 단위보다 훨씬 작은 플랑크 스케일에서 이러한 변화가 일어나기 때문입니다. 결국 존재란 진공이라는 거대한 바다 위에서 일어나는 아주 작은 물결이자 변화의 흔적이라 할 수 있습니다. 보이지 않는 미시 세계의 역동성이 거시 세계의 평온함을 지탱하고 있는 셈입니다. 빛의 이중성 또한 관찰자와 대상 사이의 상호작용 방식에 따라 결정됩니다. 강한 충격으로 짧은 순간 관찰하면 입자의 성질이 나타나고, 긴 시간 부드럽게 교감하면 파동의 성질이 드러납니다. 질량 역시 입자가 진공과 얼마나 강하게 상호작용하느냐에 따라 결정되는 상대적인 값입니다. 핵융합과 핵분열 과정에서 발생하는 거대한 에너지는 결국 입자들이 진공을 상대하는 방식이 변하면서 나타나는 질량의 차이입니다. 이처럼 만물은 진공과의 끊임없는 관계 맺기를 통해 자신의 성질을 규정하며, 이는 고정된 실체가 아닌 끊임없는 변화의 과정으로서의 존재를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌 유연한 실체로 바꾸어 놓았습니다. 거대한 질량은 주변 시공간을 휘게 만들고, 그 길을 따라 빛조차 곡선을 그리며 나아갑니다. 이러한 시공간의 왜곡은 중력 렌즈 효과를 통해 우주에 거대한 고리 모양의 환영을 만들어내기도 합니다. 예술가들은 역원근법이나 다시점 기법을 통해 고정된 관찰자의 시선에서 벗어나 시공간의 유동성을 포착하려 했습니다. 이는 절대적인 좌표계가 사라지고 모든 것이 상대적인 관계 속에서 정의되는 현대 물리학의 우주관과 일치하며, 우리가 보는 세상이 절대적이지 않음을 시사합니다. 현대 물리학은 양자역학과 상대성 이론을 통합하는 과정에서 5차원 이상의 새로운 차원을 가정하기도 합니다. 이는 마그리트나 에셔의 그림처럼 우리의 상식을 뛰어넘는 논리적 상상력을 요구합니다. 김환기 화백이 수많은 점을 찍으며 우주의 인연을 노래했듯, 과학자와 예술가는 각자의 언어로 보이지 않는 우주의 질서를 그려냅니다. 우리가 우주의 중심이 되어 각자의 시간과 공간을 살아가는 것처럼, 물리와 예술은 존재의 근원을 찾아가는 여정 속에서 서로를 비추는 거울이 됩니다. 이 아름다운 관계 속에서 우리는 비로소 우주의 일원으로서 자신의 자리를 발견하게 됩니다.

이창환

카오스재단카오스강연

물리학
융합

[용어사전] 물질의 양을 나타내는 단위_몰(mol)

일상에서 흔히 사용하는 종이컵에 물을 약 18 mL 정도 채우면 그 질량은 18 g이 됩니다. 이 작은 양의 물속에는 우리가 상상하기 힘들 정도로 엄청난 수의 물 분자가 들어있는데, 과학자들은 이 입자의 묶음 단위를 '몰(mole)'이라고 부릅니다. 이탈리아의 과학자 아보가드로의 이름을 딴 '아보가드로 수'는 약 6 × 10²³이라는 거대한 숫자를 나타내며, 어떤 입자가 이만큼 모였을 때 비로소 우리는 1몰이라는 단위를 사용하게 됩니다. 아보가드로 수의 크기를 실감하기 위해 지구상의 모든 모래알이나 우주의 별 개수와 비교해 볼 수 있습니다. 지구 전체의 모래알은 약 10²²개, 우주의 모든 별은 약 7 × 10²²개로 추정됩니다. 놀랍게도 종이컵 한 모금 분량의 물에 들어있는 분자 수가 전 우주에 존재하는 별의 총 개수보다 약 10배나 더 많습니다. 이는 미시 세계의 입자들이 얼마나 작고 조밀하게 구성되어 있는지를 극명하게 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 1몰이라는 숫자가 얼마나 거대한지 경제적인 관점에서 접근하면 더욱 놀랍습니다. 만약 누군가에게 1몰 원의 돈이 있다면, 우주의 나이인 138억 년 동안 매일 1,200억 원씩 써도 그 돈을 다 소진하지 못할 정도입니다. 이처럼 상상을 초월하는 숫자가 필요한 이유는 원자나 분자의 크기가 인간의 감각으로는 도저히 가늠할 수 없을 만큼 작기 때문입니다. 인간이 다룰 수 있는 최소한의 물리적 양을 표현하기 위해 이토록 거대한 단위가 필연적으로 도입된 것입니다. 아보가드로 수가 하필 이 숫자로 정해진 데에는 과학적인 이유가 있습니다. 가장 가벼운 원자인 수소는 양성자 하나로 이루어져 있는데, 이 양성자의 질량을 우리가 실생활에서 다루는 단위인 1 g으로 만들기 위해 필요한 개수가 바로 아보가드로 수입니다. 탄소의 경우 질량수가 12이므로 탄소 12 g 속에는 아보가드로 수만큼의 원자가 들어있게 됩니다. 이처럼 몰은 원자나 분자의 질량수와 실제 질량 사이를 연결해 주는 수학적이고 물리적인 열쇠 역할을 수행합니다. 결국 몰이라는 단위는 아주 작은 미립자의 세계와 우리 인간이 살아가는 거시 세계를 이어주는 일종의 다리입니다. 만물을 구성하는 입자들이 아보가드로 수만큼 모여야 비로소 인간이 실감하고 만질 수 있는 양이 되기 때문입니다. 흥미롭게도 인간의 크기는 아주 작은 원자의 세계와 광활한 우주의 중간 지점에 위치하고 있습니다. 덕분에 우리는 미시적인 입자의 법칙을 탐구하는 동시에 거대한 우주의 신비를 동시에 바라볼 수 있는 특별한 존재로 존재하게 됩니다.

카오스재단술술과학

화학

[강연] 양자 세계와 인류의 동행 _by정현석｜2022 서울대 자연과학 공개강연 '과학 동행' | 2부 ①

빛의 본질에 대한 탐구는 물리학 역사의 핵심적인 줄기입니다. 과거 뉴턴은 빛을 작은 알갱이들의 흐름인 입자로 보았고, 호이겐스는 매질을 통해 에너지가 전파되는 파동설을 주장하며 대립했습니다. 19세기 맥스웰은 빛이 매질 없이도 전파되는 전자기파임을 밝혀내며 물리학의 위대한 발견을 이룩했습니다. 그러나 20세기 초 플랑크와 아인슈타인은 빛에도 쪼개질 수 없는 에너지의 최소 단위인 광자가 존재함을 증명하며 입자설을 다시 소환했습니다. 오늘날 우리는 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 지닌다는 사실을 알고 있으며, 이는 양자역학이라는 거대한 학문의 문을 여는 열쇠가 되었습니다. 단일 광자를 이용한 실험은 우리의 직관을 뛰어넘는 양자 세계의 신비로움을 보여줍니다. 빛의 절반은 투과시키고 절반은 반사하는 반거울에 광자 하나를 보내면, 광자는 위쪽이나 아래쪽 검출기 중 한 곳에서 정확히 50%의 확률로 발견됩니다. 하지만 두 개의 반거울을 이용해 경로를 정교하게 구성하면 상황이 달라집니다. 입자라면 당연히 반반의 확률로 나뉘어야 할 상황임에도 불구하고, 특정 검출기에서만 광자가 관측되는 현상이 발생합니다. 이는 쪼개질 수 없는 단일 광자가 마치 파동처럼 두 경로를 동시에 지나며 스스로와 간섭을 일으키고 있음을 시사하는 놀라운 결과입니다. 양자역학은 이러한 기묘한 현상을 설명하기 위해 '양자 중첩'이라는 개념을 도입합니다. 관측하기 전의 광자는 경로 A에 있는 상태와 경로 B에 있는 상태가 선형적으로 겹쳐진 상태로 존재합니다. 이는 단순히 '이쪽 아니면 저쪽'이라는 고전적인 논리로는 설명할 수 없는 새로운 존재론적 범주입니다. 과학자들은 이러한 중첩 상태를 추상적인 수학적 도구인 파동 함수로 기술하며, 우리가 직접 확인하지 않는 동안 입자가 가질 수 있는 모든 가능성을 동시에 품고 있다는 사실을 인정하게 되었습니다. 이러한 중첩은 파동의 중첩과는 또 다른 양자역학만의 고유한 특성이라 할 수 있습니다. 흥미로운 점은 우리가 광자가 어느 경로로 가는지 확인하려 드는 순간, 이 신비로운 간섭 효과가 즉시 사라진다는 것입니다. 검문소를 설치해 경로 정보를 알아내면 광자는 중첩 상태를 잃고 하나의 경로로만 움직이는 입자처럼 행동하기 시작합니다. 심지어 직접 건드리지 않고 간접적인 방식으로 정보를 얻으려 해도 결과는 마찬가지입니다. 자연은 우주의 그 누구도 경로 정보를 모르는 비밀스러운 상태일 때만 양자 간섭이라는 무늬를 허락합니다. 정보의 유무가 물리적 실재의 행동 방식을 결정한다는 이 사실은 관찰자와 대상 사이의 관계에 대한 근본적인 질문을 던집니다. 중첩의 원리를 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 현상이 나타납니다. 두 입자가 얽히게 되면 아무리 멀리 떨어져 있어도 한쪽의 상태를 측정하는 순간 다른 쪽의 상태가 즉각적으로 결정됩니다. 아인슈타인은 이를 '유령 같은 원거리 상호작용'이라 부르며 현대 물리학의 완전성에 의문을 제기하기도 했습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 이 현상은 실재함이 증명되었으며, 우리 우주가 국소적인 실재론에 갇혀 있지 않음을 보여주었습니다. 양자 얽힘은 이제 단순한 철학적 논쟁을 넘어 양자 통신과 양자 암호 등 미래 정보 기술을 구현하는 핵심적인 자원으로 활용되고 있습니다. 거시 세계에서 양자 현상을 보기 어려운 이유는 '결어긋남' 현상 때문입니다. 총알이나 고양이처럼 큰 물체는 주변 환경과 끊임없이 상호작용하며 자신의 경로 정보를 외부로 흘립니다. 이 과정에서 양자 중첩은 매우 빠르게 파괴되어 우리 눈에는 고전적인 상태로만 보이게 됩니다. 슈뢰딩거의 고양이가 생사의 중첩 상태에 있기 어려운 이유도 바로 이 때문입니다. 과학자들은 극저온 환경을 만들거나 진공 상태를 유지함으로써 이러한 결어긋남을 억제하고, 거시적 규모에서도 양자 효과를 유지하려는 도전을 계속하고 있습니다. 이는 양자역학의 적용 한계를 시험하는 중요한 연구 분야입니다. 양자 중첩과 얽힘은 이제 양자 컴퓨터라는 혁신적인 기술의 토대가 되고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 큐비트는 특정 문제에서 고전 컴퓨터를 압도하는 병렬 처리 능력을 보여줄 잠재력을 지닙니다. 비록 현재는 소음과 결어긋남이 존재하는 'NISQ 시대'에 머물러 있지만, 오류 정정 기술과 제어 기술의 발전은 인류를 본격적인 양자 정보 시대로 인도할 것입니다. 인류가 불을 발견하고 길들여 문명을 발전시켰듯이, 이제는 양자 세계의 기묘한 현상들을 길들여 새로운 도약을 준비하고 있습니다. 우리는 양자역학의 궁극적인 검증과 기술적 완성을 눈앞에 둔 흥미로운 시대에 살고 있습니다.

정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[인터뷰] 정현석_양자역학은 하늘을 나는 코끼리를 믿어야 한다?

양자역학은 우리가 일상에서 경험하는 고전적 세계와는 전혀 다른 원리로 작동하는 미지의 영역입니다. 많은 이들이 대학 시절 수식과 계산을 통해 처음 양자역학을 접하지만, 그 깊은 의미를 깨닫는 순간은 양자 중첩이나 양자 얽힘과 같은 개념이 주는 신선한 충격을 마주할 때입니다. 이는 이전까지 우리가 이해해 왔던 세계관을 완전히 뒤흔드는 경험이며, 고전적 대응점을 찾을 수 없는 당혹감을 동반하기도 합니다. 이러한 낯선 경험은 물리학자들에게도 새로운 탐구의 문을 여는 계기가 됩니다. 우리가 양자역학을 이해하기 어려운 근본적인 이유는 우리의 직관이 일상적인 경험의 축적으로 형성되었기 때문입니다. 경험이 쌓여 만들어진 직관은 세계를 해석하는 기준이 되지만, 양자 세계의 현상들은 이러한 상식과 정반대로 나타나는 경우가 많습니다. 마치 하늘을 나는 코끼리가 있다는 말을 믿기 힘든 어른의 마음으로는 양자역학의 실체를 받아들이기 쉽지 않습니다. 따라서 이 기묘한 세계를 온전히 이해하기 위해서는 고정관념을 버리고 어린아이와 같은 유연한 사고방식을 가질 필요가 있습니다. 흔히 전자를 입자인 동시에 파동이라고 설명하지만, 이는 사실 우리가 자연 현상을 설명하기 위해 도입한 모형에 불과합니다. 전자는 그저 자기 자신으로 존재할 뿐이며, 상황에 따라 입자 모델이나 파동 모델로 설명되는 면모를 보일 뿐입니다. 논리적으로 접근하자면 양자 중첩이 보다 근본적인 성질이며, 이러한 중첩이 가능하기 때문에 입자와 파동이라는 두 가지 모습이 나타난다고 볼 수 있습니다. 즉, 양자 중첩은 고전적 '이것 아니면 저것'의 논리를 뛰어넘어 양자 세계의 본질을 형성하는 핵심적인 원리입니다. 양자 얽힘은 멀리 떨어져 있는 두 물체 사이에 존재하는 비고전적 상관관계를 의미합니다. 고전적 세계에서는 상자 속 공의 색깔을 확인하는 것처럼 이미 결정된 상태를 확인하는 수준에 그치지만, 양자 얽힘은 양자 중첩에 기반한 훨씬 강력한 연결 고리를 가집니다. 이러한 특수한 연결은 현대 양자 정보 처리 기술에서 매우 유용하게 활용되며, 물리적 거리를 초월하여 정보를 다루는 새로운 가능성을 제시합니다. 이는 단순한 이론적 가설을 넘어 실제 기술 구현을 위한 핵심적인 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 슈뢰딩거의 고양이 역설은 이러한 양자 중첩의 개념을 거시 세계로 확장하여 우리에게 질문을 던집니다. 원자와 같은 미시 세계의 중첩이 고양이와 같은 거시적 생명체의 생사 중첩으로 이어질 수 있는지에 대한 논의는 물리학계의 거대한 화두였습니다. 아인슈타인은 이를 두고 양자역학이 불완전한 이론이라 비판하며 더 완전한 이론이 등장할 것이라 믿었지만, 현대 물리학은 실험을 통해 자연의 본질 자체가 확률적이고 중첩적이라는 사실을 받아들였습니다. 결국 양자역학은 자연을 바라보는 우리의 시각을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다.

정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[인터뷰] 염한웅 _ 발열 없는 꿈의 소자, 솔리톤 입자

최근 포스텍 연구팀은 실리콘 기판 위에서 새로운 형태의 입자인 '솔리톤'을 발견하는 성과를 거두었습니다. 솔리톤은 원자 두세 개 정도의 아주 작은 크기를 지니며 매우 빠르게 움직이는 특성이 있어, 그동안 개별 입자를 정지된 상태에서 관찰하는 것이 물리학계의 난제로 남아 있었습니다. 연구진은 특정한 조건을 조성하여 수십 년간 베일에 싸여 있던 솔리톤의 정지 상태를 현미경으로 포착하는 데 성공했습니다. 이는 미시 세계의 역동적인 입자를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 우리가 일상에서 사용하는 컴퓨터와 전자기기는 전자의 흐름인 전류를 이용해 정보를 전달합니다. 하지만 전자는 이동 과정에서 필연적으로 에너지를 소모하며 열을 발생시킨다는 한계가 있습니다. 만약 에너지를 소모하지 않고 이동하는 새로운 입자를 정보 매개체로 활용할 수 있다면, 전력 소모가 거의 없는 혁신적인 정보 전달 체계를 구축할 수 있습니다. 이번에 발견된 솔리톤은 이러한 차세대 소자 개발의 핵심적인 후보로 주목받고 있으며, 에너지 효율을 극대화한 미래 기술의 토대가 될 것으로 기대됩니다. 성공적인 과학 연구를 위해서는 요리처럼 정교한 '레시피'가 필요합니다. 어떤 재료를 언제 투입하고 실험의 각 단계를 어떻게 구성하느냐에 따라 연구의 결과물은 완전히 달라지기 때문입니다. 기초과학연구원(IBS)은 이러한 전문적인 연구를 수행하기 위해 학생 교육을 넘어 박사급 연구원들이 협력하는 집단 연구 체제를 지향합니다. 고도의 전문성을 갖춘 연구자들이 모여 협동 연구를 진행함으로써, 개별 연구실 단위에서는 달성하기 어려운 수준 높은 과학적 성취를 이끌어내고 국가 기초과학의 경쟁력을 강화하고 있습니다. 한국의 본격적인 기초과학 연구 역사는 약 30년 정도로, 짧은 시간 동안 비약적인 발전을 이루어 왔습니다. 하지만 노벨상 수준의 세계적인 성과를 내기 위해서는 단순히 현재의 성과를 홍보하는 것을 넘어, 국가 전체의 연구 수준을 한 단계 더 끌어올려야 합니다. 세계가 주목할 만한 독창적인 연구 성과를 창출하는 데 최소 10년, 그리고 그 성과가 국제 학계에서 충분히 검증되고 확산되는 데 또 다른 10년의 시간이 필요합니다. 즉, 긴 호흡으로 기초 체력을 다지는 과정이 노벨상이라는 결실을 맺기 위한 필수적인 전제 조건입니다. 최근 우수한 인재들이 의대로 쏠리는 현상에 대해, 과학계는 단순히 우려하기보다 과학 자체의 매력을 높이는 근본적인 대책을 고민해야 합니다. 의료 서비스의 질을 높이기 위해 재능 있는 이들이 의사가 되는 것은 자연스러운 일이지만, 과학에 흥미를 가진 인재들이 주저 없이 과학자의 길을 선택할 수 있는 환경이 조성되어야 합니다. 과학자들이 사회적으로 충분한 보상과 인정을 받고, 자신의 연구가 세상을 바꿀 수 있다는 확신을 가질 수 있을 때 비로소 다양한 재능을 가진 인재들이 과학기술의 미래를 밝히는 주역으로 성장할 것입니다.

염한웅

카오스재단석학인터뷰

물리학

[인터뷰] 김항배_상대성이론이 과학계에 준 가장 큰 충격은 무엇인가요?

우주는 가장 작은 소립자의 세계부터 가장 거대한 은하계에 이르기까지 하나의 일관된 원리로 연결되어 있습니다. 현대 물리학은 우리 우주가 양자 요동이라는 미세한 떨림으로부터 시작되었다고 설명합니다. 이러한 양자 요동은 급팽창 이론을 통해 별과 은하 같은 거대한 구조를 만들어내는 씨앗이 되었습니다. 입자 물리학과 우주론을 아우르는 연구는 결국 인간이라는 존재가 어떻게 이 광활한 우주 속에 등장하게 되었는지 그 기원을 추적하는 과정이라 할 수 있습니다. 우주의 미래를 예측하는 일은 매우 복잡하지만, 거시적인 관점에서 우주는 의외로 단순한 구조를 지니고 있습니다. 현재 우주의 운명을 결정짓는 가장 중요한 열쇠는 공간을 가득 채우고 있는 암흑 에너지가입니다. 만약 암흑 에너지가 진공 에너지와 같은 성질을 유지한다면, 우주는 영원히 가속 팽창하며 점차 식어갈 것입니다. 결국 모든 별이 수명을 다하고 절대영도에 가까운 차가운 암흑 속으로 사라지는 허무한 결말이 우리를 기다리고 있을지도 모릅니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 우리가 시공간을 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 특수 상대성 이론이 빛의 속도에 가까운 운동에서 시간과 공간이 하나로 얽혀 있음을 보여주었다면, 일반 상대성 이론은 물질의 존재가 시공간의 기하학적 구조를 결정한다는 사실을 일깨워 주었습니다. 즉, 우리가 어디에 있느냐와 주변에 얼마나 많은 물질이 있느냐에 따라 시간의 흐름과 거리의 척도가 달라지는 것입니다. 이는 우주라는 거대한 무대를 이해하기 위한 필수적인 열쇠입니다. 과학의 심오한 원리를 대중에게 전달하는 과정은 또 다른 도전입니다. 태양계의 구조를 설명할 때 단순히 행성의 나열을 넘어 실제 우주가 가진 압도적인 공간감과 빈 여백을 시각화하는 작업이 중요합니다. 우리가 흔히 보는 모형들은 실제 거리감을 제대로 반영하지 못하는 경우가 많기 때문입니다. 과학적 사실을 정확하게 전달하면서도 독자들이 우주의 광활함을 체감할 수 있도록 돕는 것은 과학 저술가가 지향해야 할 중요한 가치 중 하나라고 할 수 있습니다. 과학자에게 가장 큰 희열은 새로운 가설을 세우고 그것이 동료들에게 인정받는 순간에 찾아옵니다. 암흑 물질이나 여분 차원과 같은 난해한 주제를 탐구하며 우주의 비밀을 한 꺼풀 벗겨낼 때의 짜릿함은 연구를 지속하게 하는 원동력이 됩니다. 최근에는 엔트로피와 원자에 관한 새로운 저술 활동을 통해 대중과 소통하려는 노력이 이어지고 있습니다. 과학적 오류를 바로잡고 더 깊은 통찰을 공유하려는 이러한 시도들은 우리 사회의 지적 지평을 넓히는 데 기여할 것입니다.

김항배

카오스재단석학인터뷰

물리학

[석학인터뷰] 암흑물질의 실체는?ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁4

우주를 구성하는 물질 중 우리가 눈으로 볼 수 있는 것은 극히 일부분에 불과합니다. 암흑물질은 빛을 내지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 은하의 운동이나 중력 효과를 통해 그 존재가 확실시되고 있습니다. 현재 우리가 보유한 광학이나 전파 망원경은 물리적 세계의 아주 좁은 스펙트럼만을 포착할 뿐입니다. 따라서 관측되지 않는 더 많은 물질이 존재한다는 사실은 과학적으로 매우 당연한 귀결이라 할 수 있습니다. 암흑물질은 현대 천문학이 풀어야 할 가장 거대한 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 초기 연구자들은 암흑물질의 정체를 블랙홀이나 갈색왜성처럼 빛을 내지 않는 거대 천체인 '마초(MACHO)'에서 찾으려 했습니다. 하지만 정밀한 탐사 결과, 이러한 천체들은 필요한 암흑물질 양의 약 20% 정도만을 설명할 수 있다는 한계가 드러났습니다. 이에 따라 과학계의 관심은 '윔프(WIMP)'라고 불리는 약하게 상호작용하는 무거운 입자로 옮겨갔습니다. 윔프(WIMP)는 우주 초기에 생성된 소립자로 추정되며, 전자기적 상호작용은 거의 하지 않으면서도 질량을 가지고 있어 암흑물질의 유력한 후보로 오랫동안 주목받아 왔습니다. 문제는 수많은 실험과 검증 과정에도 불구하고 아직 윔프(WIMP)의 실체가 발견되지 않았다는 점입니다. 입자 물리학자들이 예측한 소립자 형태의 암흑물질을 찾으려는 시도가 잇따라 실패하면서, 일각에서는 근본적인 의문을 제기하기 시작했습니다. 만약 암흑물질이 실재하지 않는다면, 우리가 알고 있는 뉴턴 역학이나 중력 이론 자체가 수정되어야 할지도 모릅니다. '수정 뉴턴 역학(MOND)'과 같은 대안 이론들이 거론되는 이유도 바로 이 때문입니다. 기존의 이론적 틀을 넘어서는 거시적인 관점의 전환이 필요한 시점이 다가오고 있습니다. 암흑물질의 또 다른 가능성은 초기 우주의 뜨거웠던 흔적인 '화석 입자'에서 찾을 수 있습니다. 우주 탄생 직후의 고온·고밀도 상태에서는 오늘날과는 비교할 수 없을 정도로 다양한 입자들이 만들어졌을 것입니다. 대부분의 입자는 우주가 팽창하고 식어가는 과정에서 소멸했지만, 일부 안정한 입자들은 화석처럼 남아 오늘날까지 중력적인 영향력을 행사하고 있을 가능성이 큽니다. 이러한 입자들은 일반적인 방법으로는 검출되지 않기에, 강입자 가속기(LHC)와 같은 거대 장치를 통해 그 흔적을 추적하려는 노력이 계속되고 있습니다. 최근 가장 매력적인 후보로 떠오른 것은 '액시온(Axion)'입니다. 본래 액시온(Axion)은 핵물리학의 강한 상호작용 문제를 해결하기 위해 도입된 가상의 입자였으나, 그 성질이 암흑물질과 완벽하게 부합한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 우리 우주가 4차원을 넘어 더 높은 차원을 가지고 있다는 가설 아래 등장한 '칼루자-클라인 입자'나 '원시 블랙홀' 등도 흥미로운 후보군입니다. 특히 액시온(Axion)은 초끈 이론과도 궁합이 잘 맞아, 단순한 가설을 넘어 우주의 근본 원리를 설명하는 핵심 열쇠가 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 이유경, 이필진, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
지구환경과학
천문학
융합

[강연] CERNprise!: CERN에서는 대체 무슨 일이? _ by윤진희ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 1강 | 1강

인간은 주변 현상에 대해 끊임없이 의문을 품습니다. 지구가 왜 도는지, 밤하늘의 별은 몇 개인지와 같은 원초적인 호기심은 인류 역사의 시작과 함께해 왔습니다. 이러한 궁금증에 답을 찾아가는 과정이 자연스럽게 과학이라는 학문으로 연결되었습니다. 물리학은 우리가 가보지 못한 먼 우주부터 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계까지, 인간이 인지할 수 있는 모든 대상을 탐구하며 지식의 지평을 넓혀가는 경이로운 여정입니다. 특히 보이지 않는 세계를 향한 탐구는 물질의 본질을 이해하는 핵심이 됩니다. 물리학이 다루는 규모는 상상을 초월할 정도로 방대합니다. 10의 29승 미터에 달하는 거대한 우주를 다루는 거시 세계부터, 10의 -15승 미터 규모의 초미시 세계까지 모두 물리학의 연구 대상입니다. 이는 10분의 1로 나누는 과정을 무려 15번이나 반복해야 도달할 수 있는 극미의 영역입니다. 인간의 감각으로는 도저히 가늠할 수 없는 이 넓은 범위를 실험과 이론을 통해 하나씩 밝혀내고 있다는 점은 물리학이 가진 가장 큰 매력 중 하나라고 할 수 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 물질은 쪼개고 쪼개다 보면 원자에 도달합니다. 하지만 과학의 발전은 원자 너머의 세계를 보여주었습니다. 원자는 다시 전자와 핵으로 나뉘고, 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 여기서 멈추지 않고 현대 물리학은 양성자와 중성자 내부에서 '쿼크'라는 더 기본적인 입자를 찾아냈습니다. 현재 우리는 쿼크를 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자로 믿고 있으며, 이들이 어떻게 결합하여 물질을 형성하는지 연구하고 있습니다. 초미시 세계를 관찰하기 위해서는 특별한 도구가 필요합니다. 아주 작은 입자들은 일반적인 현미경으로는 볼 수 없기 때문에 가속기와 검출기를 사용합니다. 가속기는 입자를 높은 에너지로 가속하여 충돌시키는 역할을 하며, 이는 마치 호두 내부를 보기 위해 껍질을 깨는 망치와 같습니다. 입자가 충돌하며 발생하는 신호를 포착하여 내부 구조를 분석함으로써, 우리는 직접 볼 수 없는 극미의 세계에서 어떤 일이 벌어지고 있는지 간접적으로 확인할 수 있습니다. 가속기 기술의 정점은 유럽핵입자물리연구소인 CERN의 거대 강입자 가속기입니다. 지하 100미터 깊이에 설치된 이 장치는 둘레가 무려 27km에 달하며, 빛에 가까운 속도로 입자를 가속합니다. 과거에는 안개 상자나 거품 상자를 이용해 입자의 궤적을 눈으로 직접 확인하며 분석했지만, 오늘날의 실험은 거대한 격납고 규모의 검출기를 통해 이루어집니다. 여기서 쏟아지는 방대한 데이터는 컴퓨터 분석을 거쳐 우주와 물질의 비밀을 푸는 열쇠가 됩니다. 현대 입자 물리학의 근간인 표준 모형은 물질을 구성하는 입자들과 이들 사이의 상호작용을 설명합니다. 여섯 종류의 쿼크와 경입자, 그리고 이들 사이에서 힘을 전달하는 매개 입자들이 정교한 가계도를 이룹니다. 특히 2013년에 발견된 힉스 보존은 다른 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 자연계의 네 가지 기본 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력 중 초미시 세계에서 결정적인 역할을 하는 강력을 이해하는 것은 물질의 탄생 원리를 밝히는 핵심 과제입니다. CERN에서 진행되는 앨리스 실험은 납 이온을 충돌시켜 우주 탄생 직후의 상태를 재현합니다. 이는 약 138억 년 전 빅뱅 직후의 뜨거웠던 우주 역사를 거슬러 올라가는 과정과 같습니다. 수천 명의 과학자가 협력하여 찰나의 순간에 벌어지는 입자들의 변화를 추적하며 인류 지식의 최전선을 확장하고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리가 어디에서 왔으며 우주는 어떻게 형성되었는지에 대한 근원적인 질문에 답을 제시하려는 숭고한 노력입니다.

윤진희

카오스재단카오스강연

물리학

[인터뷰] 윤진희_ 산이 좋아 CERN에서 연구 시작했어요! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

인공지능은 현대 과학 기술의 정점으로 불리며 우리 삶의 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 과거에는 단순히 프로그래밍된 명령만을 수행하던 기계가 이제는 스스로 데이터를 학습하고 판단을 내리는 수준에 도달했습니다. 이러한 변화는 의료, 금융, 교육 등 사회 전반에 걸쳐 혁신적인 편리함을 제공하고 있으며, 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결할 수 있는 새로운 열쇠로 주목받고 있습니다. 기술의 발전 속도가 빨라짐에 따라 우리는 인공지능과 공존하는 미래를 진지하게 준비해야 하는 시점에 서 있습니다. 인공지능의 핵심 동력 중 하나는 인간의 뇌 구조를 모방한 인공 신경망 기술입니다. 딥러닝이라 불리는 이 기술은 방대한 양의 데이터를 처리하며 패턴을 찾아내고, 이를 통해 사물을 인식하거나 언어를 번역하는 등 고도의 지적 능력을 발휘합니다. 특히 수많은 층으로 구성된 인공 신경망은 신경망이 깊어질수록 더욱 정교한 추론을 가능하게 하여, 과거에는 불가능해 보였던 복잡한 비정형 데이터 분석에서도 놀라운 성과를 거두고 있습니다. 이는 기계가 인간의 학습 방식을 닮아가는 과정이라 할 수 있습니다. 우리 주변에서도 인공지능의 활약은 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 스마트폰의 음성 비서부터 개인의 취향을 분석해 콘텐츠를 추천해 주는 알고리즘에 이르기까지, 인공지능은 이미 일상의 깊숙한 곳에 자리 잡고 있습니다. 이러한 기술은 단순히 편의를 제공하는 것을 넘어, 자율주행 자동차나 정밀 의료 진단 시스템처럼 인간의 안전과 생명에 직결된 분야로 그 영역을 넓혀가고 있습니다. 이는 기술이 인간의 능력을 보조하고 확장하는 중요한 도구가 되었음을 의미하며 우리의 생활 양식을 재정의하고 있습니다. 하지만 인공지능의 급격한 발전은 동시에 여러 가지 윤리적 고민과 과제를 안겨주기도 합니다. 알고리즘의 편향성 문제나 데이터 프라이버시 침해, 그리고 자동화로 인한 일자리 변화 등은 우리가 반드시 해결해야 할 숙제입니다. 기술이 인간을 위해 존재하기 위해서는 투명하고 공정한 기준 아래 개발되어야 하며, 인공지능이 내리는 결정에 대한 책임 소재를 명확히 하는 사회적 합의가 필요합니다. 이는 기술적 진보만큼이나 중요한 인문학적 성찰의 영역이며 지속 가능한 발전을 위한 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 결론적으로 인공지능은 인류의 가능성을 무한히 확장할 수 있는 강력한 도구입니다. 우리는 이 기술을 두려워하기보다는 정확히 이해하고 올바른 방향으로 이끌어 나가는 지혜를 발휘해야 합니다. 인간의 창의성과 인공지능의 효율성이 조화를 이룰 때, 우리는 지금보다 더 나은 미래를 설계할 수 있을 것입니다. 지속적인 연구와 윤리적 가이드라인의 확립을 통해 인공지능이 인류 공동의 번영에 기여하는 동반자가 되기를 기대해 봅니다. 기술과 인간이 상호 보완하며 나아가는 미래는 이제 막 시작되었습니다.

윤진희

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

블랙홀은 인류의 상상력에서 시작되어 현대 물리학의 정수로 자리 잡은 신비로운 천체입니다. 18세기 존 미첼의 '검은 별' 개념에서 출발한 이 상상은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 거쳐 슈바르츠실트에 의해 수학적으로 증명되었습니다. 블랙홀은 중력이 너무 강해 빛조차 탈출할 수 없는 시공간의 영역으로, 사건의 지평선 너머의 정보는 우리에게 도달할 수 없습니다. 이는 단순한 이론적 가설을 넘어 우주의 근본적인 구조를 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 현대 천문학은 관측 기술의 발전을 통해 블랙홀의 실체를 입증해냈습니다. 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 주변 별들의 빠른 공전 궤도를 수십 년간 추적한 결과, 좁은 공간에 태양 질량의 400만 배에 달하는 초거대 질량이 존재함이 밝혀졌습니다. 또한 사건의 지평선 망원경(EHT) 프로젝트는 인류 최초로 블랙홀의 그림자를 촬영하는 데 성공하며 이론적 예측이 실제와 일치함을 보여주었습니다. 이러한 성과들은 블랙홀이 우주에 실재하는 물리적 실체임을 확고히 했습니다. 블랙홀은 질량에 따라 항성 질량 블랙홀부터 은하 중심의 초거대 질량 블랙홀까지 다양하게 분류됩니다. 특히 초거대 질량 블랙홀은 은하의 생성 및 진화와 밀접한 관련이 있으며, 은하의 질량과 블랙홀의 질량 사이에는 일정한 비례 관계가 존재함이 발견되었습니다. 이는 블랙홀이 단순히 물질을 빨아들이는 구멍이 아니라, 막대한 에너지를 방출하며 은하 전체의 환경을 조절하는 엔진 역할을 수행함을 시사합니다. 최근에는 그 기원을 밝히기 위한 중간 질량 블랙홀 연구도 활발히 진행 중입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 힘이 아니라 질량에 의해 휘어진 시공간의 기하학적 특성입니다. 블랙홀 주변의 극도로 휘어진 시공간은 시간 지연과 같은 기묘한 현상을 일으키며, 이는 영화적 상상력을 자극하는 타임머신의 이론적 토대가 되기도 합니다. 또한 스티븐 호킹은 양자역학적 효과를 도입하여 블랙홀이 미세한 빛을 내며 증발할 수 있다는 '호킹 복사' 이론을 제시했습니다. 이는 거시 세계의 상대론과 미시 세계의 양자론이 만나는 지점으로 현대 물리학의 최대 난제 중 하나입니다. 우주에는 눈에 보이는 물질보다 훨씬 많은 양의 암흑 물질이 존재합니다. 은하의 회전 속도가 예상보다 빠르다는 사실과 중력 렌즈 효과를 통해 우리는 보이지 않는 거대한 질량의 존재를 추론할 수 있습니다. 암흑 물질은 빛과 상호작용하지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 중력을 통해 우주의 거대 구조를 형성하는 뼈대 역할을 합니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면 암흑 물질이 존재해야만 현재 우리가 보는 은하와 은하단의 분포가 설명될 수 있으며, 이는 우주론의 필수 요소입니다. 암흑 에너지는 우주의 가속 팽창을 일으키는 미지의 힘으로, 우주 전체 에너지 밀도의 약 70%를 차지합니다. 1990년대 후반 초신성 관측을 통해 우주가 시간이 갈수록 더 빠르게 팽창하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 암흑 에너지는 물질을 서로 밀어내는 척력으로 작용하며, 우주가 팽창할수록 그 영향력이 더욱 커지는 특성을 가집니다. 하지만 그 정체가 진공 에너지인지 혹은 제5원소인지에 대해서는 아직 명확한 결론이 나지 않은 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 블랙홀, 암흑 물질, 암흑 에너지는 우리가 아는 우주의 95% 이상을 차지하는 '어둠의 존재들'입니다. 인류가 이해하고 있는 보통의 물질은 단 5%에 불과하며, 나머지 영역은 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 과학자들은 중력파 관측, 지하 입자 검출기, 거대 망원경 등을 동원하여 이들의 정체를 밝히기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 이러한 탐구는 단순히 지적 호기심을 충족하는 것을 넘어, 시공간의 본질과 우주의 시작과 끝을 이해하려는 인류의 위대한 여정이라 할 수 있습니다.

김지훈, 김형도, 박명구, 우종학

카오스재단카오스콘서트

천문학

[인터뷰] 김형도_ Winter is Coming! 이론물리학의 겨울이 왔다? | 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

인류는 끊임없이 증가하는 에너지 수요와 기후 위기라는 거대한 과제에 직면해 있습니다. 화석 연료의 고갈과 탄소 배출 문제는 이제 더 이상 미룰 수 없는 현실이 되었으며, 이를 해결하기 위한 궁극적인 대안으로 핵융합 에너지가 주목받고 있습니다. 핵융합은 태양이 에너지를 만들어내는 원리를 지구상에 구현하는 것으로, 바닷물에 풍부한 중수소를 원료로 사용하기 때문에 자원이 거의 무한정하다는 장점이 있습니다. 또한 탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원으로서 인류의 미래를 바꿀 게임 체인저로 기대를 모으고 있습니다. 핵융합의 핵심 원리는 가벼운 원자핵들이 결합하여 더 무거운 원자핵이 되면서 엄청난 에너지를 방출하는 과정에 있습니다. 태양과 같은 별들은 거대한 중력을 이용해 이 반응을 일으키지만, 지구에서는 이를 인위적으로 만들어내야 합니다. 이를 위해 중수소와 삼중수소를 1억 도 이상의 초고온 상태인 플라스마로 만들어야 하는데, 이 상태가 되면 원자핵들이 서로의 전기적 반발력을 이겨내고 충돌하여 융합하게 됩니다. 이 과정에서 발생하는 에너지는 기존의 원자력 발전보다 효율적이며 방사능 위험도 현저히 낮아 안전한 에너지로 평가받습니다. 하지만 1억 도가 넘는 뜨거운 플라스마를 직접 담을 수 있는 용기는 지구상에 존재하지 않습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 강력한 자기장을 이용해 플라스마를 공중에 띄우는 '토카막'이라는 장치를 고안해냈습니다. 자기력선이 플라스마를 도넛 모양의 진공 용기 안에 가두어 벽면에 닿지 않게 유지하는 방식입니다. 이 기술은 매우 정교한 제어가 필요하며, 아주 작은 불안정성만으로도 플라스마가 붕괴될 수 있기 때문에 전 세계 과학자들이 이를 안정적으로 유지하기 위한 연구에 매진하고 있습니다. 현재 핵융합 기술은 국제적인 협력을 통해 비약적인 발전을 거듭하고 있습니다. 한국을 포함한 주요 선진국들이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트는 인류 역사상 가장 큰 규모의 과학 프로젝트 중 하나로 꼽힙니다. 특히 한국의 핵융합 연구 장치인 KSTAR는 세계 최초로 1억 도 이상의 초고온 플라스마를 30초 이상 유지하는 데 성공하며 세계적인 기술력을 입증했습니다. 이러한 성과들은 핵융합 상용화가 단순히 꿈이 아닌, 실현 가능한 미래임을 보여주는 중요한 지표가 되고 있습니다. 핵융합 에너지가 상용화된다면 인류는 에너지 빈곤에서 완전히 벗어날 수 있을 것입니다. 저렴하고 깨끗한 에너지가 무한히 공급됨으로써 산업 구조는 물론 우리의 일상생활 전반에 혁명적인 변화가 일어날 것입니다. 물론 아직 극복해야 할 기술적 난관들이 남아있지만, 과학적 호기심과 인류의 생존을 위한 절실함이 결합되어 연구 속도는 더욱 빨라지고 있습니다. 인공 태양을 향한 여정은 결국 인류가 지속 가능한 문명을 유지하기 위해 반드시 완수해야 할 시대적 사명이라 할 수 있습니다.

김형도

카오스재단석학인터뷰

물리학
천문학

[강연] 우주와 기본입자 by 최기운ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

우주와 기본 입자는 존재의 양 극단에 위치한 대상입니다. 우주는 우리가 아는 가장 거대한 존재이며, 기본 입자는 만물을 구성하는 가장 작은 단위입니다. 고대 신화 속 자신의 꼬리를 삼키는 뱀 '우로보로스'처럼, 이 둘은 서로 멀리 떨어져 있는 듯 보이지만 사실은 그 어느 것보다도 긴밀하게 연결되어 있습니다. 현대 물리학은 우주의 기원을 이해하기 위해 가장 작은 입자의 세계를 탐구하며, 반대로 입자들의 상호작용을 통해 거대한 우주의 구조를 설명합니다. 이러한 연결 고리는 우리가 우주의 탄생과 자연의 궁극적인 법칙을 이해하는 데 핵심적인 열쇠가 됩니다. 현대 물리학의 큰 수수께끼 중 하나는 우주가 왜 원자에 비해 이토록 거대한가라는 '계층성 문제'입니다. 원자의 크기는 전자기력과 전자의 질량에 의해 결정되지만, 우주의 크기는 암흑 에너지와 중력의 세기에 의해 결정됩니다. 모든 존재는 양자역학적인 '양자 요동'을 피할 수 없으며, 이 에너지가 합쳐져 시공간을 휘게 만드는 암흑 에너지가 됩니다. 물리학적 관점에서 중력이 전자기력보다 극도로 약하고 암흑 에너지가 매우 작다는 사실은 기적에 가깝습니다. 이러한 미세한 균형 덕분에 지적 생명체가 존재할 수 있는 광활한 우주가 형성될 수 있었습니다. 우주가 팽창하고 있다는 사실은 과거의 우주가 현재보다 훨씬 작고 뜨거웠음을 시사합니다. 시간을 거꾸로 돌리면 모든 물질과 빛이 한 점에 모이는 고에너지 상태에 도달하게 되는데, 그 증거가 바로 '우주 배경 복사'입니다. 초기 우주가 식으면서 원자핵과 전자가 결합해 중성 원자를 형성하자, 빛이 방해받지 않고 직진할 수 있게 되며 우주는 투명해졌습니다. 이때 방출된 빛은 현재 영하 270도의 온도로 우주 전역에 퍼져 있으며, 이는 초기 우주의 뜨거웠던 상태를 증명하는 가장 강력한 화석과 같은 단서가 되어 우주 진화의 역사를 보여줍니다. 우주의 모든 방향에서 오는 우주 배경 복사의 온도가 거의 동일하다는 사실은 또 다른 신비를 던져줍니다. 서로 교신할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 지역들이 같은 온도를 지녔다는 것은, 과거에 빛보다 빠른 속도로 팽창했던 '인플레이션' 시기가 있었음을 의미합니다. 이 인플레이션 과정에서 발생한 미세한 양자 요동은 우주 전체에 에너지 밀도의 차이를 만들었습니다. 이 작은 차이들이 씨앗이 되어 중력에 의해 물질이 뭉치기 시작했고, 결국 오늘날 우리가 보는 은하와 별, 그리고 거대 구조들이 탄생할 수 있는 토대가 마련되었습니다. 이는 관측 데이터와 이론이 기가 막히게 일치하는 지점이기도 합니다. 우리가 알고 있는 일반적인 원자는 우주 전체 에너지의 단 5%에 불과합니다. 나머지 95%는 정체를 알 수 없는 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 암흑 물질은 빛을 내지 않지만 중력을 통해 은하 내 별들의 운동을 붙잡아두는 역할을 하며, 암흑 에너지는 척력으로 작용하여 우주의 팽창을 가속화합니다. 코페르니쿠스가 지구가 우주의 중심이 아님을 밝혀냈듯, 현대 과학은 인류를 구성하는 물질조차 우주의 주성분이 아니라는 사실을 보여줍니다. 우리는 이 거대한 우주의 변방에서 극히 일부의 구성 요소로 존재하며 우주를 관찰하고 있는 셈입니다. 자연의 근본 법칙을 설명하는 두 기둥은 표준 모형과 일반 상대성 이론입니다. 표준 모형은 쿼크와 렙톤 같은 기본 입자들과 이들 사이의 전자기력, 약력, 강력의 상호작용을 대칭성 원리로 우아하게 설명합니다. 반면 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 곡률로 이해하며 거시적인 우주의 움직임을 규명합니다. 이 이론들은 인류 지성이 도달한 위대한 성취이지만, 여전히 암흑 물질의 정체나 중력이 왜 다른 힘들에 비해 터무니없이 약한지에 대해서는 답을 주지 못합니다. 이를 통합하여 시공간의 궁극적인 구조를 밝혀내는 것은 현대 물리학이 마주한 가장 거대한 도전 과제입니다. 현재 기초과학연구원(IBS)을 비롯한 전 세계 과학자들은 암흑 물질의 실체를 밝히기 위해 치열한 연구를 이어가고 있습니다. 유력한 후보인 '윔프'를 찾기 위해 강원도 정선의 지하 1,000m 깊은 곳에서 미세한 신호를 추적하고 있으며, 또 다른 후보인 '액시온'을 탐색하기 위해 초강력 자석을 이용한 정밀 실험을 진행 중입니다. 비록 인류가 우주라는 거대한 캔버스에서 티끌 같은 존재일지라도, 사고의 힘을 통해 자연의 근본 법칙을 파헤치는 과정은 그 자체로 숭고한 가치를 지닙니다. 이러한 탐구는 언젠가 우주 탄생의 비밀과 우리가 발을 딛고 있는 세계의 근원을 밝혀낼 것입니다.

최기운

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물리학
천문학

[인터뷰] 최기운 _ 초대칭, 암흑물질, 그리고 대통일이론ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

입자 물리학은 우리가 마주하는 모든 현상의 근원적인 원인을 탐구하는 학문입니다. 어떤 현상을 보더라도 '왜'라는 질문을 거듭하다 보면 결국 물질을 구성하는 가장 작은 단위인 기본 입자의 세계에 도달하게 됩니다. 이는 단순히 작은 것을 연구하는 데 그치지 않고, 우주의 역사를 거슬러 올라가는 과정이기도 합니다. 현재의 우주는 과거의 결과물이며, 그 시작점에는 기본 입자들의 상호작용이 있었기 때문입니다. 따라서 입자 물리학은 인류가 던질 수 있는 가장 근본적인 질문에 답을 찾으려는 특별한 과학 분야라고 할 수 있습니다. 이 분야의 연구는 마치 아무런 정보 없이 신대륙을 찾아 떠나는 항해와 같습니다. 대부분의 과학은 연구 대상의 존재를 알고 시작하지만, 입자 물리학은 지식의 최전선에서 무엇이 존재할지 모르는 채 나아갑니다. 특히 거대 강입자 가속기를 이용한 실험은 수십 년의 시간과 초정밀 기술이 필요하며, 막대한 노력을 기울여도 아무것도 발견하지 못하는 경우가 허다합니다. 그럼에도 불구하고 이론 물리학자들은 수학적 논리와 직관을 바탕으로 새로운 물리 법칙의 가능성을 제시하며, 보이지 않는 신세계를 향한 이정표를 세우는 고독하고도 위대한 여정을 지속합니다. 현대 입자 물리학에서 중요하게 다뤄지는 개념 중 하나는 '초대칭'입니다. 이는 우리가 일상에서 경험하는 좌우 대칭이나 회전 대칭을 넘어선 기묘한 양자역학적 대칭성입니다. 초대칭 이론에 따르면 우리가 사는 시공간에는 일반적인 차원과는 성질이 다른 새로운 차원이 존재합니다. 이 차원에서는 360도를 회전했을 때 제자리로 돌아오는 것이 아니라 부호가 바뀌는 독특한 특성을 가집니다. 이러한 원리에 따라 세상의 모든 기본 입자에게는 성질이 다른 '초대칭 짝입자'가 반드시 존재해야 하며, 이는 우주의 구조를 이해하는 핵심 열쇠로 여겨집니다. 과학자들은 거대 강입자 가속기(LHC)를 통해 이러한 초대칭의 흔적을 발견하기를 고대해 왔습니다. 2010년경 실험이 시작될 당시, 인류가 도달한 최고의 에너지 영역에서 새로운 물리 법칙이 모습을 드러낼 것이라는 기대가 컸습니다. 비록 힉스 보손을 발견하는 기념비적인 성과를 거두었지만, 안타깝게도 기대했던 초대칭 짝입자나 완전한 신세계의 증거는 아직 발견되지 않았습니다. 우리가 건조한 배가 도달할 수 있는 거리 안에 아직 신대륙이 나타나지 않은 셈이지만, 이는 오히려 더 높은 에너지와 정밀도를 갖춘 미래의 탐구를 자극하는 계기가 되고 있습니다. 인류는 이제 모든 물리 현상을 하나의 원리로 설명하는 '만물의 이론'을 꿈꾸고 있습니다. 뉴턴이 지상과 천상의 운동을 통일하고 맥스웰이 전자기와 빛을 통합했듯이, 현대 물리학은 강력, 약력, 전자기력을 하나의 틀 안에서 이해하려 노력합니다. 그 연장선상에서 현재 가장 큰 화두는 우주의 대부분을 차지하지만 정체가 베일에 싸인 '암흑 물질'을 찾는 것입니다. 윔프나 액시온 같은 후보를 추적하는 연구는 노벨상 이상의 가치를 지닌 인류 지성의 도전이며, 이 거대한 수수께끼를 풀었을 때 우리는 비로소 우주의 진정한 설계도에 한 걸음 더 다가서게 될 것입니다.

최기운

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물리학
천문학

[강연] 보이는 우주와 보이지 않는 우주 _ by박성찬ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 5강 | 5강

우주의 기원과 시간의 본질에 대한 탐구는 인류가 오랫동안 품어온 가장 근원적인 질문 중 하나입니다. 현대 물리학은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 별개의 존재가 아닌, '시공간'이라는 하나의 유기적인 구조로 얽혀 있음을 밝혀냈습니다. 이러한 관점의 변화는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 거대한 우주의 팽창과 기본 입자의 움직임을 하나의 틀 안에서 이해하려는 시도로 이어졌습니다. 시공간의 휘어짐이 중력을 결정한다는 사실은 우주의 거대 구조를 설명하는 핵심적인 열쇠가 되었습니다. 물질의 근원을 찾아가는 여정은 양자역학이라는 미시 세계의 법칙을 마주하게 합니다. 우리 주변을 구성하는 모든 물질은 원자보다 더 작은 기본 입자들로 이루어져 있으며, 이들은 끊임없이 상호작용하며 우주의 질서를 만들어냅니다. 에너지가 물질로 변하고, 다시 물질이 에너지로 환원되는 과정은 우주의 탄생과 진화의 핵심적인 메커니즘입니다. 이러한 물리적 법칙들은 단순한 수식을 넘어 우주가 존재하는 방식 그 자체를 설명해 줍니다. 미시 세계의 불확정성이 거시 세계의 확정성과 어떻게 연결되는지를 이해하는 것은 현대 과학의 중요한 과제입니다. 우주는 약 138억 년 전 빅뱅을 통해 시작되었습니다. 아주 작은 점에 불과했던 우주가 급격히 팽창하며 현재의 광활한 공간을 형성했다는 사실은 현대 우주론의 근간을 이룹니다. 초기 우주의 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 빛과 물질이 분리되었고, 그 흔적은 오늘날 우주 배경 복사라는 형태로 우리에게 전달되고 있습니다. 이는 과거의 사건이 현재의 우주 구조에 어떤 영향을 미쳤는지를 보여주는 결정적인 증거가 됩니다. 우주의 팽창 속도를 측정함으로써 우리는 우주의 나이와 미래의 운명을 예측할 수 있는 단서를 얻게 되었습니다. 시간의 흐름은 왜 한 방향으로만 흐르는가에 대한 해답은 엔트로피 법칙에서 찾을 수 있습니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 나아갑니다. 이러한 엔트로피의 증가는 과거와 미래를 구분 짓는 '시간의 화살'을 정의하며, 우주가 결국 열적 죽음이라는 평형 상태를 향해 가고 있음을 암시합니다. 질서에서 무질서로 향하는 이 거대한 흐름은 생명과 우주의 모든 변화를 관통하는 원리입니다. 우리가 경험하는 시간의 비가역성은 우주 전체의 통계적인 필연성에 기인한 것이라 볼 수 있습니다. 블랙홀은 시공간의 곡률이 극단적으로 휘어진 천체로, 현대 물리학의 한계를 시험하는 장소입니다. 엄청난 중력으로 인해 빛조차 빠져나올 수 없는 이 영역에서는 시간의 흐름이 멈춘 것처럼 느껴지기도 합니다. 블랙홀 연구는 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 양자 중력 이론의 실마리를 제공합니다. 우주의 가장 극단적인 환경을 이해함으로써 우리는 시공간의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 됩니다. 최근에는 블랙홀의 그림자를 직접 관측하는 데 성공하며, 이론으로만 존재하던 우주의 신비가 점차 실체적인 모습으로 드러나고 있습니다. 우리가 관측할 수 있는 물질은 우주 전체의 극히 일부에 불과합니다. 보이지 않는 암흑 물질과 우주의 가속 팽창을 일으키는 암흑 에너지는 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나입니다. 이들은 은하의 형성과 우주의 거대 구조를 유지하는 데 결정적인 역할을 하지만, 그 실체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정은 과학적 호기심을 자극하며 우주에 대한 우리의 이해를 확장하는 동력이 됩니다. 암흑의 세계를 밝혀내려는 노력은 우리가 알고 있는 물리 법칙을 재정의해야 할지도 모르는 거대한 전환점을 예고합니다. 시간과 물질, 그리고 우주를 관통하는 물리 법칙들은 서로 긴밀하게 연결되어 거대한 조화를 이룹니다. 우리는 우주의 먼지에서 태어나 우주의 법칙을 이해하려는 지적 존재로 진화했습니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 우리가 어디에서 왔고 어디로 가는지에 대한 답을 찾아가는 숭고한 여정입니다. 우주의 신비를 하나씩 풀어가는 과정에서 우리는 존재의 경이로움을 느끼며, 더 넓은 세계를 향한 탐구를 멈추지 않을 것입니다. 이러한 지적 탐구는 인류가 우주라는 거대한 무대에서 자신의 위치를 확인하고 미래를 설계하는 밑거름이 됩니다.

박성찬

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[인터뷰] 박성찬_입자물리가 우주론에서 필수인 이유ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

이론물리학은 현대 과학의 근간을 이루는 핵심적인 분야입니다. 단순히 실험을 통해 얻은 수치들을 나열하는 것에 그치지 않고, 그 현상 이면에 숨겨진 원리를 조직화하여 우리가 이해할 수 있는 형태로 만드는 것이 바로 이론물리학의 역할입니다. 만약 이론적 토대가 없다면 물리학은 자기가 무엇을 실험하는지도 모르는 공허한 상태에 빠지게 될 것입니다. 따라서 이론물리학은 단순한 가설의 설정을 넘어, 복잡한 자연 현상을 체계적인 지식으로 변환하는 필수적인 과정이라고 할 수 있습니다. 현재 인류가 도달한 물리학의 최첨단에는 '표준 모형'이 자리 잡고 있습니다. 선배 물리학자들이 완성한 이 아름다운 이론은 현대 과학의 정수이며, 우리가 미시 세계의 질서를 파악할 수 있도록 돕는 가장 강력한 도구이자 지침서 역할을 수행하고 있습니다. 만약 이 체계적인 이론적 틀이 존재하지 않았다면, 현대 물리학은 만물의 상호작용을 논리적으로 설명하고 물질의 근본 구조를 규명하는 데 있어 커다란 난관에 봉착했을 것입니다. 하지만 완벽해 보이는 표준 모형에도 여전히 해결하지 못한 과제들이 남아 있습니다. 최근 연구에 따르면 우주의 95% 이상은 우리가 아직 정체를 알지 못하는 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있는데, 이는 현재의 표준 모형만으로는 전혀 설명할 수 없는 영역입니다. 과학자들은 이러한 한계를 극복하고 우주의 신비를 온전히 밝혀내기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 기존의 성과를 존중하면서도 그 너머의 진실을 찾으려는 도전 정신이야말로 물리학을 더욱 발전시키는 원동력이 됩니다. 유럽 입자 물리 연구소인 CERN은 전 세계 지성의 산실로 불리는 곳입니다. 이곳의 카페 테라스에서는 수많은 노벨상 수상자들을 마주할 수 있을 정도로 학문적 열기가 뜨겁습니다. 특히 거대 강입자 가속기인 LHC는 우주의 비밀을 풀기 위한 핵심 장치로, 현재는 성능 향상을 위한 업그레이드 작업이 진행 중입니다. 가동 중에는 방사선 위험으로 인해 접근이 엄격히 통제되지만, 평소에는 일반인들을 위한 견학 프로그램도 운영되어 현대 물리학의 최전선을 직접 체험해 볼 수 있는 기회를 제공합니다. 물리학자들은 상상력을 자극하는 SF 소설을 통해 영감을 얻기도 합니다. 배명훈 작가의 소설 속 '이론 요리' 개념이나 곽재식 작가의 독특한 시선은 이공계적 사고방식을 흥미롭게 풀어냅니다. 또한 조 홀드먼의 '영원한 전쟁'처럼 상대성 이론을 활용해 시간 여행과 사랑을 그려낸 작품들은 과학적 원리가 예술적 감성과 어떻게 만날 수 있는지를 잘 보여줍니다. 입자물리학이 단순히 미시 세계에 머물지 않고 거대한 우주를 이야기하는 이유는, 결국 만물의 근원을 이해하려는 인간의 근본적인 호기심이 우주 전체로 확장되기 때문입니다.

박성찬

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물리학
천문학

[강연] 거시 세계의 양자 물리: 온 세상이 떨고 있다 _ by이필진ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 4강 | 4강

우리가 마주하는 거대한 세상은 아주 작은 소립자들의 정교한 조합으로 이루어져 있습니다. 쿼크와 전자, 그리고 이들을 결합하는 글루온과 광자가 물질을 구성하는 핵심 단위입니다. 특히 원자의 구조는 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자가 서로 끌어당기는 전자기력과, 전자가 파동으로서 좁은 공간에 갇히지 않으려는 성질 사이의 절묘한 균형으로 유지됩니다. 이러한 미시적인 힘의 평형이 모여 우리가 만지고 느끼는 단단한 물체의 기초를 형성하게 됩니다. 원자 하나를 완벽히 이해했다고 해서 수많은 원자가 모인 거시 세계의 모든 현상을 설명할 수 있는 것은 아닙니다. 물리학자 필립 앤더슨은 '많을수록 다르다'는 명언을 통해 입자가 대량으로 모였을 때 나타나는 새로운 물리적 성질을 강조했습니다. 사과를 반으로 나누어도 밀도가 변하지 않는 지극히 평범한 현상 뒤에는, 수많은 입자가 모였을 때 전체 에너지가 입자 수에 비례하여 안정적으로 유지되어야 한다는 복잡하고 정교한 물리적 조건이 숨어 있습니다. 고전 역학의 관점에서는 전자가 핵으로 끌려 들어가 원자가 순식간에 붕괴해야 하지만, 양자역학은 전자를 파동으로 해석함으로써 이 문제를 해결합니다. 파동은 좁은 공간에 갇힐수록 에너지가 급격히 높아지는 성질이 있어, 핵의 강력한 인력에 저항하며 원자가 일정한 크기를 유지하도록 돕습니다. 이러한 파동의 특성 덕분에 원자는 고유의 부피를 가질 수 있으며, 이것이 층층이 쌓여 우리가 눈으로 보고 만질 수 있는 고체와 액체의 물리적 토대가 마련되는 것입니다. 거시 세계의 물질적 안정성을 결정짓는 가장 결정적인 요소 중 하나는 바로 '파울리 배타 원리'입니다. 이는 두 개의 전자가 동일한 양자 상태를 공유할 수 없다는 법칙으로, 물질이 한없이 압축되는 것을 막아주는 방어막 역할을 합니다. 만약 이 원리가 존재하지 않았다면 세상의 모든 물질은 중력을 이기지 못하고 하나의 점으로 쪼그라들어 블랙홀이 되었을 것입니다. 우리가 손을 맞댔을 때 서로 통과하지 않고 저항을 느끼는 것은 이 양자역학적 원리 덕분입니다. 현대 물리학의 정수인 양자장론은 모든 소립자가 독립된 알갱이가 아니라, 우주 전체에 퍼져 있는 '장'의 흔들림이라고 설명합니다. 잔잔한 수면 위에 일어난 물결처럼, 전하나 질량 같은 성질도 결국 장의 진동이 만들어낸 결과물입니다. 이러한 관점에서는 입자 하나하나에 이름을 붙여 구별하는 것이 무의미해지며, 모든 전자가 근본적으로 동일하다는 사실이 도출됩니다. 이는 파울리 배타 원리와 같은 중요한 물리 법칙이 성립할 수 있는 근원적인 배경이 됩니다. 입자들은 그 성질에 따라 페르미온과 보손이라는 두 집단으로 나뉩니다. 전자를 포함한 페르미온은 서로 같은 자리에 있기를 거부하며 물질의 단단한 골격을 형성하는 반면, 광자와 같은 보손은 같은 상태에 모이는 것을 선호하는 특성이 있습니다. 레이저가 퍼지지 않고 일직선으로 강하게 나아가는 현상은 보손들이 한데 모이려는 양자역학적 특성이 거시적으로 나타난 대표적인 사례입니다. 이처럼 상반된 입자들의 조화가 우리가 경험하는 다채로운 우주를 완성합니다. 거시 세계는 겉보기에 양자역학의 기묘함이 사라진 평온한 상태처럼 보이지만, 그 이면에는 원자들의 끊임없는 양자적 떨림이 존재합니다. 우리가 일상에서 경험하는 물체의 단단함, 빛의 직진성, 그리고 생명체의 존재 자체가 사실은 미시 세계의 법칙 위에 세워진 거대한 탑과 같습니다. 양자역학은 단순히 작은 세계에 국한된 이야기가 아니라, 온 세상이 어떻게 존재하고 유지되는지를 설명하는 가장 근본적이고 보편적인 자연의 원리라고 할 수 있습니다.

이필진

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물리학

[강연] 초끈 이론과 양자 중력 _ by이성재ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 3강 | 3강

뉴턴의 만유인력의 법칙은 질량을 가진 물체 사이의 인력을 설명하며 고전 물리학의 기틀을 마련했습니다. 하지만 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌, 질량에 의해 휘어지는 역동적인 대상으로 재정의하며 중력의 본질을 새롭게 규명했습니다. 이는 시간과 공간이 독립적이지 않으며, 에너지가 곧 질량으로 치환될 수 있다는 혁명적인 통찰로 이어졌습니다. 현대 물리학은 이처럼 거시 세계를 지배하는 중력의 원리를 시공간의 기하학적 구조로 이해하며 발전해 왔습니다. 빛의 정체가 전자기파임이 밝혀진 이후, 물리학자들은 에너지가 연속적이지 않고 특정 단위로 쪼개져 있다는 '양자화' 개념을 도입하게 됩니다. 플랑크의 흑체 복사 연구에서 시작된 이 흐름은 하이젠베르크와 슈뢰딩거를 거쳐 양자역학이라는 거대한 체계로 완성되었습니다. 미시 세계의 입자들은 확정된 위치가 아닌 확률적 파동 함수로 존재하며, 이는 고전적인 결정론적 세계관을 무너뜨렸습니다. 이러한 양자적 특성은 물질의 근본 구조를 이해하는 데 필수적인 열쇠가 되었습니다. 상대성 이론과 양자역학의 결합은 무한한 입자의 상호작용을 다루는 양자장론으로 진화했습니다. 이 이론 체계 안에서 전자기력, 강력, 약력은 각각 광자나 글루온 같은 매개 입자를 교환하며 작용한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이를 집대성한 표준 모형은 17개의 기본 입자와 상호작용을 통해 자연계의 현상을 놀라울 정도로 정확하게 설명해 냈습니다. 하지만 이 정교한 모델조차도 중력이라는 거대한 힘을 양자역학적 틀 안으로 완전히 끌어들이지는 못하는 한계를 지니고 있었습니다. 일반 상대성 이론을 양자역학적으로 해석하려는 시도는 '재규격화'라는 수학적 장벽에 부딪혔습니다. 미시 세계로 갈수록 시공간의 요동이 극심해지며 계산 결과가 무한대로 발산하는 문제가 발생한 것입니다. 이는 중력이 다른 세 가지 기본 힘과는 근본적으로 다른 성질을 가졌거나, 우리가 아직 시공간의 진정한 미시 구조를 파악하지 못했음을 시사합니다. 따라서 물리학자들은 점 입자라는 기존의 관념을 넘어, 중력과 양자역학을 모순 없이 통합할 수 있는 새로운 근본 이론을 갈망하게 되었습니다. 초끈 이론은 만물의 근본이 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'이라는 파격적인 가설에서 출발합니다. 끈의 진동 방식에 따라 입자의 질량과 스핀이 결정되며, 놀랍게도 이 진동 모드 중에는 중력을 매개하는 중력자가 자연스럽게 포함되어 있습니다. 이는 중력을 억지로 끼워 맞추는 것이 아니라 이론의 구조적 필연성으로 수용한다는 점에서 매우 매력적입니다. 초끈 이론은 중력과 전자기력, 강력, 약력을 하나의 원리로 통합하며 아인슈타인이 꿈꿨던 대통일 이론의 강력한 후보로 부상했습니다. 초끈 이론의 수학적 정합성을 유지하기 위해서는 우리가 경험하는 4차원을 넘어 10차원 혹은 11차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 여분 차원들은 아주 작은 영역에 숨어 있으며, 이들의 기하학적 형태가 우리 우주의 물리 법칙을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 과거에는 서로 다른 다섯 가지 초끈 이론이 존재한다고 믿었으나, 에드워드 위튼은 이들이 사실 'M-이론'이라는 하나의 거대한 실체의 서로 다른 단면임을 밝혀냈습니다. 이는 우주를 설명하는 단 하나의 근본 원리에 다가가는 중요한 이정표가 되었습니다. 최근 양자 중력 연구의 핵심으로 떠오른 홀로그래피 원리는 우리 우주의 중력 현상이 사실 더 낮은 차원의 경계면에서 일어나는 양자 정보의 투영일 수 있다는 놀라운 통찰을 제공합니다. 이는 3차원 영상의 실체가 2차원 평면에 저장된 홀로그램과 같다는 비유로 설명되며, 중력의 본질을 정보와 양자 얽힘의 관점에서 재해석하게 만듭니다. 비록 초끈 이론이 실험적 검증이라는 거대한 과제를 안고 있지만, 시공간과 물질에 대한 우리의 인식을 근본적으로 뒤바꾸며 우주의 비밀을 푸는 가장 정교한 지도로 기능하고 있습니다.

이성재

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물리학

[석학인터뷰] 이성재_대통일이론에 다가간 단 하나의 이론, 초끈이론ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

어린 시절 만화 '건담'을 보며 우주에 대한 동경을 키웠던 소년은 자연스럽게 물리학의 길로 들어섰습니다. 그가 탐구하는 초끈 이론은 세상의 모든 입자와 상호작용하는 힘들을 단 하나의 이론으로 설명하려는 거대한 시도입니다. 특히 물리학계의 오랜 숙제인 중력을 양자화해 낸 이론이라는 점에서 많은 학자의 지지를 받고 있습니다. 만물의 근원을 끈의 진동으로 파악하려는 이 도전은 현대 물리학의 가장 전면에 서 있으며, 우주 탄생의 비밀을 풀 열쇠로 주목받고 있습니다. 초끈 이론이 성립하기 위해서는 우리가 사는 4차원 시공간을 넘어선 10차원의 공간이 필요합니다. 이는 단순한 상상이 아니라 수학적 필연성에 근거합니다. 만약 10차원이 아닌 다른 차원에서 이론을 정의하면, 양자 역학적 효과로 인해 이론의 기초가 되는 가정들이 무너지는 모순이 발생하기 때문입니다. 오직 10차원에서만 수학적 결함 없이 이론이 유지된다는 사실은 초끈 이론이 가진 독특하고도 엄밀한 성질 중 하나이며, 이는 수많은 물리학자가 이 이론에 매료되는 강력한 이유가 됩니다. 물론 초끈 이론에도 해결해야 할 과제는 남아 있습니다. 흔히 실험적 검증의 어려움을 취약점으로 꼽지만, 이론 내부적으로는 '초끈 장론'의 완성이 시급합니다. 현재의 초끈 이론은 하나의 끈에 대한 양자 역학적 설명에 가깝기에, 이를 보다 포괄적으로 다루기 위해서는 장론으로의 확장이 필수적입니다. 이러한 이론적 공백을 메우기 위한 연구는 지금도 계속되고 있으며, 이는 초끈 이론이 완벽한 만물의 이론으로 거듭나기 위해 반드시 넘어야 할 산이자 학문적 도전 과제이기도 합니다. 초끈 이론의 가장 큰 매력은 아인슈타인이 꿈꿨던 대통일 이론을 실현할 가능성을 보여준다는 점입니다. 무수히 많은 모델이 존재하는 일반적인 양자 장론과 달리, 초끈 이론은 단 다섯 개의 모델만을 허용합니다. 더욱 놀라운 것은 에드워드 위튼이 제안한 M-이론을 통해 이 다섯 모델이 결국 하나의 실체라는 점이 밝혀졌다는 사실입니다. 이는 자연 현상을 단 하나의 원리로 설명하고자 하는 인류의 오랜 희망에 가장 가까이 다가간 이론이라 평가받으며 물리학자들에게 영감을 줍니다. 최근 주목받는 홀로그래피 원리는 중력의 본질에 대해 새로운 시각을 제공합니다. 마치 2차원 평면에 저장된 정보가 3차원 홀로그램 영상을 만들어내듯, 중력 또한 더 낮은 차원의 양자 장론으로부터 발현된 결과물일 수 있다는 개념입니다. 이는 중력과 양자 장론이 서로를 설명하는 상보적인 관계임을 시사합니다. 이번 강연은 이처럼 복잡한 양자 중력의 세계를 이해하기 위해 인류가 어떤 실패를 겪었으며, 초끈 이론이 어떻게 그 해답을 제시하는지 탐구하는 소중한 시간이 될 것입니다.

이성재

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물리학

[강연] 미시 세계의 양자 물리 _ by임채호ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 2강 | 2강

우리가 살아가는 거시 세계와 달리, 미시 세계는 상상을 초월하는 독특한 법칙들로 가득 차 있습니다. 19세기까지 인류는 뉴턴의 법칙을 통해 천체의 궤도를 예측하며 자연을 이해해 왔지만, 원자와 전자 같은 아주 작은 단위로 내려가면 기존의 상식은 무너집니다. 고대 철학자 데모크리토스가 더 이상 쪼갤 수 없는 '원자'를 제안한 이래, 현대 과학은 물질의 근본이 무엇인지 끊임없이 질문해 왔습니다. 이제 우리는 단순히 물질을 쪼개는 것을 넘어, 공간을 채우고 있는 근본적인 존재와 그들이 움직이는 방식에 대해 새로운 논리를 정립해야 하는 시점에 서 있습니다. 빛과 전자는 입자인 동시에 파동이라는 이중적인 성질을 지닙니다. 과거 뉴턴은 빛을 입자로 보았으나, 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛이 간섭 무늬를 만드는 파동임이 증명되었습니다. 그러나 20세기에 들어서며 아인슈타인은 광전 효과를 통해 빛이 알갱이인 '광자'임을 밝혀냈고, 전자 역시 입자로 생각되었으나 실험에 따라 파동처럼 행동한다는 사실이 드러났습니다. 흥미로운 점은 우리가 전자가 어느 구멍을 통과하는지 관측하는 순간 파동성은 사라지고 입자처럼 행동한다는 것입니다. 이는 관측이라는 행위가 미시 세계의 상태에 직접적인 영향을 미친다는 놀라운 사실을 시사합니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 미시 세계를 이해하는 핵심적인 열쇠입니다. 입자의 위치를 정확하게 측정하려고 하면 운동량을 알 수 없게 되고, 반대로 파동성을 확인하려 하면 위치가 모호해집니다. 보어는 이를 '상보성 원리'라는 개념으로 설명하며, 입자성과 파동성은 동전의 양면과 같아서 동시에 두 가지 성질을 모두 측정할 수는 없다고 강조했습니다. 이러한 논리는 우리가 대상을 측정하기 전까지는 그 상태를 확정할 수 없음을 의미합니다. 결국 양자역학은 결정론적인 세계관에서 벗어나, 확률과 가능성이 공존하는 새로운 패러다임을 제시하며 과학의 지평을 넓혔습니다. 미시 세계의 입자들은 통계적 성질에 따라 보손과 페르미온으로 나뉩니다. 광자와 같이 여러 입자가 같은 상태에 머물 수 있는 보손은 힘을 매개하는 역할을 하며, 레이저와 같은 현대 기술의 근간이 됩니다. 반면 전자나 쿼크 같은 페르미온은 동일한 상태에 두 입자가 함께 존재할 수 없는 '파울리 배타 원리'를 따릅니다. 이러한 성질 덕분에 물질은 일정한 부피를 유지하며 붕괴하지 않고 존재할 수 있습니다. 만약 전자가 페르미온이 아니었다면 원자 구조는 유지될 수 없었을 것이며, 우리가 아는 복잡한 화학 반응과 생명 현상 또한 불가능했을 것입니다. 원자의 구조와 주기율표의 원리 또한 양자역학의 물질파 개념으로 명쾌하게 설명됩니다. 전자는 핵 주위를 단순히 도는 것이 아니라, 특정 궤도에서 파동으로서 안정적인 상태를 유지합니다. 보어의 가설에 따르면 전자의 파장이 궤도 둘레와 정수배로 일치할 때만 에너지를 잃지 않고 존재할 수 있습니다. 여기에 전자의 '스핀'이라는 고유한 성질이 더해져 각 궤도에 들어갈 수 있는 전자의 수가 결정됩니다. 이러한 양자적 배치가 원소들의 화학적 성질을 결정하며, 복잡한 주기율표의 질서를 만들어내는 근본 원동력이 됩니다. 양자역학의 확률적 해석은 아인슈타인조차 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"며 반발할 정도로 파격적이었습니다. 슈뢰딩거는 관측 전까지 삶과 죽음이 중첩된 고양이 역설을 통해 미시 세계의 모호함을 지적했습니다. 하지만 현대 물리학은 이러한 확률적 존재 방식을 받아들였고, 나아가 진공조차 아무것도 없는 빈 공간이 아님을 밝혀냈습니다. 디랙 방정식은 반입자의 존재를 예견했으며, 진공 속에서는 끊임없이 입자와 반입자가 생성되고 소멸하는 양자 요동이 일어납니다. 이처럼 텅 빈 공간으로 보였던 진공은 사실 역동적인 양자 현상의 무대인 셈입니다. 이제 인류는 양자역학을 단순히 이해하는 단계를 넘어, 이를 실생활에 응용하는 양자 공학의 시대로 진입하고 있습니다. 양자 중첩과 얽힘을 이용한 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신은 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 혁신을 예고하고 있습니다. 또한 미시 세계를 다루는 양자장론과 거시 우주를 설명하는 일반 상대성 이론을 통합하려는 시도는 현대 물리학의 궁극적인 과제로 남아 있습니다. 우주 초기의 비밀을 풀기 위해서는 이 두 세계의 논리가 하나로 합쳐져야 합니다. 양자역학은 우리가 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 바꾸며 미래 과학의 새로운 길을 제시하고 있습니다.

임채호

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물리학

[인터뷰] 임채호_양자역학이 일반인에게 어려운 이유ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

밤하늘의 은하수를 바라보며 느끼는 감성은 우리를 무한한 상상력의 세계로 인도합니다. 하지만 양자역학의 세계는 우리가 일상에서 직접 보고 느낄 수 있는 범위를 벗어나 있기에 매우 어렵고 생소하게 다가옵니다. 과학자들에게 양자역학은 자연의 근본 원리를 다루는 하나의 정교한 도구와 같습니다. 수많은 실험을 통해 축적된 지식은 비록 간접적일지라도 미시 세계의 특별한 메커니즘을 끊임없이 입증해 왔습니다. 일반인들이 양자역학의 복잡한 수식과 공식을 모두 이해하기는 힘들겠지만, 그 속에 담긴 핵심적인 사고방식 한두 가지만이라도 파악한다면 현대 과학의 정수를 이해하는 소중한 발판이 될 것입니다. 우주의 시작을 추적하다 보면 우리는 필연적으로 양자역학의 영역에 도달하게 됩니다. 현재 팽창하는 우주를 거꾸로 되돌리면 원자보다 더 작은 미시 세계, 즉 소립자 세계가 나타나기 때문입니다. 이 초기 우주에서는 양자 현상이 결정적인 역할을 하며, 우리가 일상적으로 경험하는 거시 세계의 물리 법칙과는 전혀 다른 원리들이 작동합니다. 당시에는 입자와 반입자가 찰나의 순간에 생성되고 소멸하는 역동적인 상호작용이 반복되었습니다. 이러한 미시적 과정들은 오늘날 우리가 목격하는 거대한 우주의 구조를 형성하는 근본적인 기초가 되었으며, 현대 물리학이 풀어야 할 가장 흥미로운 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 양자역학이 다루는 세계는 우리가 일상에서 경험하는 실수의 세계를 훨씬 넘어섭니다. 소립자의 미세한 움직임을 온전히 이해하기 위해서는 실수를 확장한 복소수 공간이라는 새로운 수학적 틀이 필요합니다. 여기에는 우리가 시계로 재는 일반적인 시간 외에 '허수 시간'이라는 독특한 개념이 존재합니다. 이러한 특수한 시간의 영역에서는 아주 짧은 찰나의 순간이 실제로는 매우 긴 물리적 과정이 될 수 있으며, 보이지 않는 곳에서 수많은 입자가 상호작용합니다. 이러한 현상들은 비록 우리 눈에 직접 보이지는 않지만, 결국 거시적인 자연의 다양한 현상 속에 간접적인 형태로 투영되어 그 존재를 드러냅니다. 오랜 시간 강연을 통해 지식을 전달해 온 학자로서, 정년 이후에는 새로운 방식으로 과학적 아이디어를 표현하고자 하는 시도가 이어지고 있습니다. 나무를 가공하여 추상적인 개념을 구체적인 형상으로 구현하는 작업은 복잡한 언어적 설명 대신 실물 그 자체로 메시지를 전달하는 독특한 매력이 있습니다. 기존의 예술적 형식을 그대로 답습하기보다 자신이 평생 탐구해 온 과학적 원리를 나무라는 따뜻한 소재에 담아내는 과정은 즐거운 도전입니다. 뉴턴 역학이나 확률의 개념을 시각적인 움직임으로 연결하는 목공 작업은, 말로 다 표현할 수 없는 과학의 심오한 아름다움을 대중에게 직관적으로 보여주는 새로운 소통의 언어가 됩니다. 우주를 향한 탐구는 인간의 순수한 상상력과 철학에서 시작하여 정교한 수학과 과학적 검증으로 완성됩니다. 과거에는 밤하늘의 별을 보며 신화와 이야기를 만드는 인문학적 상상이 주를 이루었지만, 20세기에 들어서며 인류는 우주를 객관적이고 과학적으로 탐구할 수 있는 단계에 이르렀습니다. 이를 현실화하기 위해서는 고도의 수학적 노력과 엄밀한 과학적 사고방식이 필수적으로 요구됩니다. 방대한 과학 지식 중에서 가장 기본적이고 핵심적인 원리들을 제대로 이해하고 체득한다면, 우리는 그것을 바탕으로 우주에 대한 사고를 무한히 확장할 수 있습니다. 결국 과학은 복잡한 현상 속에서 단순하고 명쾌한 본질을 찾아가는 여정입니다.

임채호

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물리학

[인터뷰] 이필진_당신은 상대성이론과 양자역학을 오해하고 있다ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

뉴턴 역학을 포함한 고전 역학 체계는 전자기학의 등장 이후 근본적인 변화를 맞이했습니다. 하지만 이것이 뉴턴 역학의 완전한 폐기를 의미하는 것은 아닙니다. 지구 주변의 위성을 쏘아 올리거나 태양계 내의 일반적인 천체 운동을 계산할 때는 여전히 뉴턴 역학이 충분히 유효하며 정확한 결과를 제공합니다. 상대성 이론의 핵심은 단순히 관찰자에 따라 현상이 다르게 보인다는 점에 있는 것이 아니라, 무엇이 변하지 않는 실체인지를 파악하는 데 있습니다. 물리학은 겉으로 드러나는 차이 너머의 본질적인 물리량을 탐구하는 학문이기 때문입니다. 상대성 이론을 접할 때 흔히 발생하는 오해 중 하나가 바로 쌍둥이 역설입니다. 이는 관성계의 시간과 관찰자 자신의 고유 시간을 혼동하는 데서 비롯됩니다. 고유 시간은 시계를 직접 들고 이동하는 사람의 입장에서 흐르는 시간으로, 타인의 관점에 따라 변하는 것이 아닙니다. 쌍둥이 역설은 자신의 고유 시간을 굳이 다른 관성계의 시간으로 치환하고 비교하는 불필요한 과정에서 만들어진 논리적 착각에 가깝습니다. 따라서 이를 역설로 받아들이기보다는 상대성 이론의 시간 개념을 정확히 이해하지 못해 발생한 해프닝으로 보는 것이 타당합니다. 우주의 탄생과 진화 과정을 이해하는 데 있어 양자역학은 필수적인 토대입니다. 초기 우주의 양자 요동은 현재 우리가 목격하는 거대한 우주 구조를 형성하는 결정적인 역할을 했습니다. 현대 물리학의 관점에서 볼 때, 세상의 모든 물질은 근원적으로 파동의 성질을 지니고 있습니다. 과거에는 입자와 파동의 이중성을 강조했지만, 이제는 입자조차도 특정 파동에 의해 형성된 결과물로 보는 시각이 더 설득력을 얻고 있습니다. 모든 것이 파동이라는 전제 아래, 우리가 알던 고전적인 파동과는 조금 다른 양자적 특성을 이해하는 것이 현대 물리학의 시작입니다. 일반 상대성 이론의 복잡한 방정식을 모두 풀지 않더라도, 고유 시간이라는 개념을 통해 중력의 원리를 직관적으로 이해할 수 있습니다. 거대한 질량을 가진 천체는 주변의 고유 시간에 영향을 미치며, 물체는 이 시간의 흐름이 변화하는 공간 속에서 특정 궤적을 따라 움직이게 됩니다. 이를 '최소·최대 시간의 원리'라고 부르는데, 이는 중력장 부근에서 물체가 왜 특정한 경로로 이동하는지를 설명하는 핵심적인 물리 법칙입니다. 이러한 접근 방식은 수학적인 복잡함을 넘어 일반 상대성 이론이 가진 본질적인 물리적 의미를 명확하게 전달해 줍니다. 흥미롭게도 고전 역학에서 발견된 최소·최대 시간의 원리는 그 근원을 추적해 보면 결국 양자역학에 닿아 있습니다. 빛이나 물체가 최적의 경로를 찾아가는 것처럼 보이는 현상은 미래를 예견하는 것이 아니라, 양자역학적인 확률과 간섭의 결과로 나타나는 것입니다. 양자역학은 흔히 미시 세계의 기이한 현상으로만 치부되기 쉽지만, 사실 우리가 살아가는 거시적인 세계의 안정성과 구조를 지탱하는 근본 원리입니다. 이처럼 서로 괴리되어 보이는 상대성 이론과 양자역학은 '시간'과 '경로'라는 공통된 주제를 통해 우주의 거대한 질서를 함께 설명하고 있습니다.

이필진

카오스재단카오스강연

물리학

[연구뭐하지] 양범정 교수_서울대학교 '위상물리이론연구실' | 위상 물질 연구로 우주의 구성을 알아보아요

서울대학교 위상물리이론연구실은 고체 물질의 물성을 연구함으로써 우주의 근본 원리를 탐구하는 곳입니다. 이곳의 주된 연구 주제인 위상 물질은 그 성질을 결정하는 근본 입자들이 우주 공간에 존재하는 입자들과 유사한 특성을 지니고 있습니다. 연구진은 고체 내의 입자 거동을 분석하여 우주를 구성하는 입자들의 성질을 규명하고자 노력합니다. 이는 거대한 우주의 신비를 작은 고체 물질이라는 매개체를 통해 실험실 안에서 확인하려는 독특하고도 매력적인 접근 방식이라 할 수 있습니다. 연구실에서는 응집물질물리학 이론 전반을 다루며, 특히 위상적 성질을 가진 물질에 깊은 관심을 두고 있습니다. 최근에는 위상 반금속뿐만 아니라 위상 초전도체에 관한 연구가 활발히 진행 중입니다. 어떤 환경에서 이러한 초전도 현상이 가장 안정적으로 나타나는지, 그리고 그 물질이 가진 고유한 위상적 성질을 어떠한 방식으로 관측할 수 있는지가 주요 연구 과제입니다. 이론적 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 정교한 접근이 이 연구의 핵심을 이룹니다. 이곳의 연구 문화는 매우 수평적이고 자유로운 분위기를 자랑합니다. 구성원들이 각자 상이한 세부 주제를 연구하고 있음에도 불구하고, 서로의 연구에 대해 자연스럽게 토론하고 의견을 나누는 문화가 정착되어 있습니다. 새로운 분야를 공부할 때 동료들과의 지적 교류는 큰 힘이 되며, 이는 연구실 내의 활발한 토론 문화를 활성화하는 계기가 됩니다. 또한, 퇴근 후 배드민턴과 같은 운동을 함께 즐기며 체력을 기르고 유대감을 쌓는 등 일과 삶의 균형을 중시하는 모습도 인상적입니다. 대학원 과정은 스스로 문제를 설정하고 해결책을 찾아가는 고독하고도 치열한 과정입니다. 따라서 지적인 자신감과 더불어 새로운 문제에 도전하려는 강한 의지가 필요합니다. 연구는 단거리 경주가 아닌 장기전이기에, 공부에만 매몰되기보다는 운동과 같은 취미를 통해 건강한 체력을 유지하는 것이 중요합니다. 창의적인 아이디어를 가지고 문제를 함께 고민할 준비가 된 학생들에게 이곳은 열려 있습니다. 단순한 지식 습득을 넘어 자신만의 연구 분야에서 전문가로 성장하려는 태도가 무엇보다 강조됩니다. 고체물리학의 가장 큰 매력은 이론과 실험의 조화를 직접 확인할 수 있다는 점에 있습니다. 위상 물질을 구성하는 저에너지 근본 입자들은 여러 형태의 새로운 페르미온으로 이루어져 있는데, 이는 우주 공간에 존재하는 입자들과 그 궤를 같이합니다. 우주 공간의 입자들은 실험적 검증이 매우 어렵지만, 고체 내의 페르미온은 실험실에서의 측정을 통해 그 물성을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 접근성은 기초 과학의 근본적인 질문에 대한 답을 보다 명확하고 구체적으로 제시해 주는 중요한 통로가 됩니다.

양범정

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물리학

[연구뭐하지] 정성훈 교수_서울대학교 '입자물리현상론 연구실' | 물리학은 그렇게 심오한 학문이 아니에요!!

입자물리 현상론은 초기 우주와 미시 세계에서 일어나는 온갖 현상을 탐구하는 학문입니다. 우주 전체 에너지의 25%를 차지하면서도 그 실체가 직접 확인되지 않은 암흑 물질은 이 분야의 가장 큰 수수께끼입니다. 연구자들은 보이지 않는 존재를 증명하기 위해 다양한 가능성을 열어두고 연구하며, 우리가 아는 우주의 지평선 너머에 무엇이 있을지 끊임없이 질문을 던집니다. 이러한 과정은 우주의 근본 원리를 밝히는 동시에 우리가 상상하지 못한 새로운 미래를 여는 열쇠가 됩니다. 이 연구실은 입자물리학, 우주론, 중력파 등 여러 분야를 유기적으로 연결하여 연구를 진행합니다. 얼핏 서로 다른 분야처럼 보일 수 있으나, 초기 우주라는 지점에서 이들은 긴밀하게 맞닿아 있습니다. 특히 현상론은 추상적인 이론과 구체적인 실험 사이를 잇는 다리 역할을 수행합니다. 이론적 질문에 답할 수 있는 실험을 설계하거나, 현재 진행 중인 실험 결과가 이론적으로 어떤 의미를 갖는지 해석하는 것이 이들의 핵심적인 임무라고 할 수 있습니다. 암흑 물질은 빛이나 전하와 상호작용하지 않기에 그 성질을 밝히기가 매우 어렵습니다. 존재가 알려진 지 수십 년이 흘렀음에도 여전히 베일에 싸여 있는 이유입니다. 연구진은 아인슈타인의 장 방정식과 같은 물리 법칙을 바탕으로, 확률적인 현상과 비확률적인 자연 현상을 모두 아우르며 우주의 가장 작은 구성원들이 어떻게 상호작용하는지 그 비밀을 풀어나가고 있습니다. 중력파는 이 보이지 않는 세계의 비밀을 풀어줄 중요한 단서가 될 것으로 기대됩니다. 훌륭한 물리학자가 되기 위해서는 거창하고 심오한 이론에만 매몰되기보다 우리 주변의 일상적인 현상에 관심을 가져야 합니다. 밤길의 자동차 전조등이 퍼져 보이는 이유나 하늘이 파란 이유 같은 소박한 질문들이 사실은 물리학의 본질과 맞닿아 있기 때문입니다. 또한 한 가지 주제에만 깊게 파고들기보다는 다양한 현상에 호기심을 느끼고 새로움을 추구하는 태도가 중요합니다. 익숙한 풍경 속에서 낯선 물리 법칙을 발견하려는 노력이 우주의 비밀에 다가가는 첫걸음이 됩니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정에는 필연적으로 슬럼프와 어려움이 따르기 마련입니다. 하지만 이를 극복하는 회복 탄력성을 갖추고 꾸준히 나아가는 것이 과학자로서의 중요한 자질입니다. 수학과 물리학을 사랑하며 우주의 비밀을 실험 가능한 영역에서 풀어보고 싶은 열정이 있다면 누구나 이 탐험에 동참할 수 있습니다. 상상하기 어려운 영역을 다루기에 진입 장벽은 높지만, 그만큼 연구의 과정은 가치 있습니다. 학계의 미래를 이끌어갈 새로운 인재들이 이 흥미로운 여정에 함께하기를 기대합니다.

정성훈

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물리학

[강연] 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현한 가상 우주와 은하 _ by신지혜ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 8강 | 8강

우주는 인류에게 끊임없는 질문을 던져온 대상입니다. 하지만 은하의 형성과 진화는 수십억 년이라는 방대한 시간 동안 일어나기에, 인간의 짧은 생애 동안 그 과정을 직접 관측하는 것은 불가능에 가깝습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 과학자들은 가상 우주를 구현하는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용합니다. 시뮬레이션 속에서 연구자들은 공간과 시간의 제약을 벗어나 은하를 뜯어보고 돌려보며, 우주의 조물주가 된 것처럼 그 진화의 비밀을 파헤칩니다. 우리가 속한 우리 은하의 구조를 파악하는 일은 마치 숲속에서 숲 전체의 지도를 그리는 것과 같습니다. 17세기 갈릴레오가 은하수가 별로 이루어졌음을 발견한 이래, 인류는 별의 연주시차를 이용해 은하의 3D 구조를 측량해 왔습니다. 우리 은하는 약 4~5개의 나선팔을 가진 원반 형태이며, 중심부의 핵 팽대부와 이를 감싸는 별 헤일로로 구성됩니다. 이러한 구조적 특징을 이해하는 것은 외부 은하의 생성 원리를 파악하는 중요한 기초가 됩니다. 우주는 거대한 거미줄이나 거품 같은 독특한 그물망 구조를 이루고 있습니다. 이를 '우주 거대 구조'라 부르며, 은하들이 밀집한 필라멘트 영역과 텅 빈 보이드 영역으로 나뉩니다. 현재의 우주 표준 모형에 따르면, 우주는 대폭발 이후 가속 팽창을 거듭해 왔으며 그 중심에는 눈에 보이지 않는 암흑 물질과 암흑 에너지가 존재합니다. 특히 암흑 물질은 일반 물질보다 5~6배나 많아 중력적으로 우주의 뼈대를 형성하는 결정적인 역할을 수행합니다. 우주 초기의 미세한 밀도 차이는 오늘날 거대한 은하를 탄생시킨 씨앗이 되었습니다. 우주 배경 복사에서 발견되는 10만 분의 1 정도의 미세한 온도 변화는 당시 물질의 밀도 요동을 의미합니다. 중력은 밀도가 높은 곳으로 더 많은 물질을 끌어당겼고, 시간이 흐름에 따라 이 요동은 점점 커져 중력적으로 결박된 거대 구조물을 형성했습니다. 결국 초기 우주의 양자 요동이 수천억 개의 은하가 빛나는 현재의 우주를 만들어낸 근원이 된 셈입니다. 수천억 개의 입자가 상호작용하는 다체 문제를 해결하기 위해서는 막강한 계산 능력이 필수적입니다. 컴퓨터의 연산 능력이 2년마다 두 배씩 증가한다는 무어의 법칙은 우주론 시뮬레이션의 규모를 비약적으로 키워왔습니다. 현대 과학자들은 수천 개의 프로세서를 동시에 사용하는 병렬 처리 기술과 슈퍼컴퓨터를 동원해 가상 우주를 정밀하게 묘사합니다. 이는 단순한 수치 계산을 넘어, 이론적 가설을 실험실에서 검증하듯 우주의 진화를 재현하는 유일한 실험 방식입니다. 은하의 모습을 더욱 사실적으로 구현하기 위해서는 중력뿐만 아니라 가스의 유체역학적 움직임과 별의 탄생 과정을 고려해야 합니다. 특히 초신성 폭발이나 활동성 은하핵에서 방출되는 에너지는 주변 가스를 밀어내어 폭발적인 별 탄생을 조절하는 '에너지 환원' 작용을 합니다. 이러한 복잡한 물리 현상을 수치 알고리즘으로 정밀하게 설계할 때 비로소 시뮬레이션 속의 가상 은하는 실제 망원경으로 관측한 은하와 구분하기 어려울 정도로 정교한 모습을 갖추게 됩니다. 한국 연구진이 주도한 '호라이즌 런 5(HR5)'는 현존하는 세계 최대 규모의 우주론적 유체역학 시뮬레이션 중 하나로 꼽힙니다. 이 프로젝트는 우주 거대 구조와 은하의 형성을 동시에 구현하며 현대 우주론의 신뢰성을 검증하는 데 크게 기여했습니다. 관측 천문학이 우주의 현재와 과거를 포착한다면, 시뮬레이션은 그 인과 관계를 설명하는 이론적 토대를 제공합니다. 두 분야의 유기적인 협력은 인류가 우주의 기원을 이해하는 여정에 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

신지혜

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천문학

[연구뭐하지] 이원종 교수_서울대학교 '격자게이지이론연구실' | 시공간을 유한하게 쪼개는 격자게이지이론

현대 물리학에서 시공간은 본래 연속적인 개념이지만, 이를 컴퓨터로 구현하기에는 자유도가 무한하다는 한계가 있습니다. 격자게이지이론은 이러한 시공간을 유한한 격자 형태로 쪼개어 컴퓨터 프로그래밍이 가능하도록 만드는 혁신적인 방법론입니다. 연구자들은 복잡한 자연의 강력 현상을 수치화하여 계산한 뒤, 격자 간격을 다시 영으로 수렴시키는 과정을 통해 우리가 실제로 살아가는 연속적인 시공간의 물리적 결과를 도출해냅니다. 이는 기존의 해석적인 방법으로는 풀기 어려웠던 복잡한 방정식들을 해결하는 핵심적인 열쇠가 되어 현대 물리학의 발전을 이끌고 있습니다. 물리학의 세계는 새로운 이론을 제안하는 이론 물리와 이를 객관적으로 검증하는 실험 물리로 나뉩니다. 격자게이지이론 연구실은 손으로 직접 계산하기 어려운 이론치들을 슈퍼컴퓨터를 활용해 정밀하게 산출해내는 역할을 수행합니다. 이렇게 도출된 이론치가 실험치와 일치하는지 확인함으로써 현대 물리학의 근간인 표준 모형의 정밀도를 검증하며, 기존 이론이 가진 잠재적인 문제점이나 새로운 물리 법칙의 가능성을 깊이 있게 탐구합니다. 이론과 실험의 간극을 메우는 이러한 작업은 우주의 근본 원리를 이해하는 데 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 연구진은 엡실론 K 파라미터나 메존의 붕괴 상수와 같은 정밀한 물리량들을 계산하기 위해 직접 슈퍼컴퓨터를 설계하고 구축합니다. 시중의 부품들을 직접 조립하고 운영체제를 설치하며 연구에 최적화된 계산 환경을 만드는 과정은 그 자체로 거대한 도전입니다. 때로는 컴퓨터를 구축하는 데에만 수년의 시간이 소요되기도 하지만, 이러한 과정을 통해 연구자들은 물리학적 지식뿐만 아니라 고도의 전산 능력까지 겸비하게 됩니다. 성경 속 지명을 딴 컴퓨터들은 지금 이 순간에도 우주의 신비를 풀기 위한 방대한 연산을 묵묵히 수행하며 연구의 든든한 버팀목이 되어줍니다. 연구실의 교육 철학은 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 학계에서 독자적으로 생존할 수 있는 연구자를 양성하는 데 집중되어 있습니다. 지도 교수의 엄격한 훈련 방식은 학생들이 자신의 연구 결과에 대해 누구에게도 의존하지 않고 스스로 증명해낼 수 있는 역량을 갖추게 하려는 의도에서 비롯됩니다. 이러한 혹독한 과정은 연구자가 학계의 리더로서 성장하기 위한 필수적인 밑거름이 됩니다. 자유로운 토론 분위기와 서로의 시간을 존중하는 문화 속에서 학생들은 점차 한 사람의 당당한 과학자로서 주체성을 확립해 나가며 미래의 연구를 준비합니다. 격자게이지이론의 길은 과거 프린스턴 대학교와 컬럼비아 대학교 시절, 컴퓨터를 활용한 물리 연구의 비전을 제시받았던 경험에서 시작되었습니다. 양성자의 질량이나 하드론의 특성을 직접 계산해낼 수 있다는 사실은 연구자들에게 커다란 지적 호기심과 재미를 선사합니다. 이론적으로만 존재하던 이론치들을 컴퓨터를 통해 구체화하고, 이를 실제 실험 결과와 대조해보는 과정은 물리학이 가진 본연의 매력을 보여줍니다. 비록 과정은 어렵고 복잡할지라도 우주의 근본 원리를 수치로 증명해가는 여정은 과학자들에게 멈출 수 없는 열정의 원동력이 되어줍니다.

이원종

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물리학
천문학

[정말 읽었니?#1] 김상욱 교수 “[시간의 역사], 물리학도만 읽어라!”

스티븐 호킹의 '시간의 역사'는 과학 교양 서적 중 가장 많이 팔린 베스트셀러로 꼽히지만, 역설적으로 대중이 그 내용을 온전히 이해하기에는 매우 어려운 책입니다. 저자의 인간적인 승리 서사가 책의 인기에 기여했을지 모르나, 정작 그 안에 담긴 시공간과 물리학의 최첨단 이론은 전공자조차 학부 시절에 포기할 만큼 난해합니다. 물리학자로서 충분한 경험을 쌓은 뒤에야 비로소 이해되는 이 책을 무작정 읽기보다는, 독자의 눈높이에 맞춘 다른 대안을 찾는 것이 지식 습득의 측면에서 훨씬 효율적일 수 있습니다. 어려운 고전 대신 현대 물리학을 더 친절하게 설명하는 책들이 많습니다. 브라이언 그린의 '엘러건트 유니버스'는 상대적으로 상세한 설명을 제공하며, 최근에는 카를로 로벨리의 저서들이 큰 주목을 받고 있습니다. 로벨리는 뛰어난 인문학적 소양을 바탕으로 양자 중력 이론과 같은 복잡한 주제를 비유를 통해 편안하게 풀어냅니다. 비록 특정 연구 분야에 치중된 면이 있더라도, 물리학의 본질적인 즐거움을 느끼고 싶다면 난해한 벽에 부딪히기보다 이러한 현대적 해설서들을 먼저 접해보는 것을 추천합니다. 현대 물리학은 세상의 근간을 이루는 기본 입자들을 통해 우주를 설명하고자 합니다. 현재 우리는 대부분의 입자를 이해하고 있지만, 거시 세계를 지배하는 중력은 아직 입자 물리학의 표준 모형 안에 온전히 통합되지 않은 상태입니다. 물리학자들이 꿈꾸는 모든 것의 이론은 바로 이 중력을 다른 기본 상호작용들과 하나의 틀로 묶어내는 양자 중력 이론을 지향합니다. 비록 이 이론이 완성된다고 해서 인간의 삶이나 복잡한 생명 현상까지 모두 해명할 수는 없겠지만, 우주의 설계도를 이해하려는 과학적 도전은 계속될 것입니다. 물리학자들이 언급하는 '신'의 개념은 일반적인 종교적 대상과는 거리가 멉니다. 아인슈타인을 비롯한 많은 과학자가 신을 말할 때, 이는 인격신이 아니라 우주를 관통하는 정교한 물리 법칙에 대한 관용적인 표현에 가깝습니다. 법칙은 그 자체로 존재할 뿐, 그것을 설계한 주체를 상정하는 것은 과학의 영역을 벗어난 질문일 수 있습니다. 물리학은 '누가' 만들었느냐는 의문보다는 우주가 어떤 원리로 작동하는지에 집중하며, 신이라는 단어를 빌려 자연의 경이로움과 질서 정연한 법칙의 존재를 설명하고자 합니다. 양자역학의 관점에서 보면 빛이 파동이자 입자인 광자로 이루어져 있듯, 중력 또한 입자적 성질을 가질 것으로 예측됩니다. 중력의 진동인 중력파는 이미 관측에 성공했지만, 이를 양자화한 가상의 입자인 '중력자'를 발견하는 것은 아직 먼 미래의 과제입니다. 현재의 기술력으로는 중력파를 겨우 측정하는 단계에 머물러 있어 중력자의 실체를 증명하기는 어렵지만, 물리학자들은 우주의 보편성을 믿습니다. 만약 외계 문명이 존재한다면 그들 역시 우리와 같은 물리 법칙을 발견하고, 비슷한 고민을 담은 과학 이론을 발전시켰을 것입니다.

김상욱

카오스재단읽다과학

물리학
천문학

[과학자가 쓴 과학책#2] 불멸의 원자 by이강영 | KAOS X 공원생활 특집

이강영 교수의 저서 '불멸의 원자'는 현대 물리학의 정수를 우아한 문체로 담아낸 과학 에세이집입니다. 저자는 물리학자로서의 전문성을 바탕으로 원자, 쿼크, 힉스 입자 등 최첨단 물리학의 지형을 대중의 눈높이에서 조망합니다. 특히 이 책은 단순히 지식을 전달하는 데 그치지 않고, 과학자들의 삶과 그들이 추구했던 불멸의 꿈을 입체적으로 그려냅니다. 독자들은 어떤 페이지를 펼치더라도 현대 물리학이 밝혀낸 우주의 신비로운 풍광을 마주하며, 과학이라는 학문이 가진 지적인 매력에 깊이 빠져들게 됩니다. 진공에 대한 인류의 탐구는 17세기 마그데부르크 반구 실험을 통해 시각적인 충격을 주며 시작되었습니다. 폰 게리케는 공기를 뺀 구리 공이 서른 마리의 말이 당겨도 떨어지지 않는 모습을 보여줌으로써 진공의 강력한 위력을 증명했습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 원자의 운동을 위해 진공의 존재를 처음 제안한 이래, 아리스토텔레스의 철학과 뉴턴의 절대 공간 개념이 충돌하며 진공의 정의는 끊임없이 진화해 왔습니다. 이는 단순히 비어 있는 공간을 넘어 실재의 본질을 묻는 질문이었습니다. 현대 물리학에서 진공은 단순히 비어 있는 상태가 아니라 가장 낮은 에너지 상태를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물질은 곧 에너지이므로, 진공이 되기 위해서는 모든 물질이 제거되어야 합니다. 하지만 물질이 없다고 해서 완전히 비어 있는 것은 아닙니다. 우주 공간은 빅뱅의 흔적인 우주배경복사라는 빛으로 가득 차 있으며, 우리가 보는 진공은 사실 전자기파에 의해 정의된 상태에 불과합니다. 즉, 진공은 관찰하는 척도에 따라 그 모습이 달라지는 역동적인 공간입니다. 진공의 모습은 자연의 네 가지 기본 힘에 따라 각기 다른 얼굴을 드러냅니다. 중력의 관점에서 진공은 시공간의 휘어짐이 전혀 없는 완벽하게 평평한 상태를 의미하며, 이는 물질과 시공간의 상호작용이 최소화된 지점입니다. 반면 원자핵을 결합하는 강한 핵력의 세계에서 진공은 훨씬 복잡한 수학적 구조를 가집니다. 강한 핵력에 의한 진공은 여러 상태가 존재할 수 있으며, 우리 우주는 그중 가장 간단한 형태의 진공을 선택하고 있는 것으로 보입니다. 이러한 다양성은 진공이 우주의 근본 원리와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 약한 핵력의 영역에 이르면 진공의 개념은 더욱 신비로워집니다. 힉스 입자는 약한 핵력의 진공 상태를 결정하며, 이 과정에서 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 우리가 경험하는 물질 세계의 성질들이 사실은 이 특수한 진공 상태에서 비롯된 결과물인 셈입니다. 결국 마그데부르크 반구 속 비어 있던 공간은 현대 물리학의 눈으로 볼 때 에너지가 요동치고 힘의 법칙이 살아 숨 쉬는 장소였습니다. 진공에 대한 이해의 변화는 우리가 우주를 바라보는 패러다임이 얼마나 깊고 넓어졌는지를 잘 보여줍니다.

이강영

카오스재단읽다과학

물리학

[강연] 어떤 숫자-에너지에 관하여 _ by이강영｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 1강

에너지는 우리 일상에서 매우 친숙하게 쓰이는 단어이지만, 과학적으로 그 본질을 정의하기란 결코 쉽지 않은 과제입니다. 우리는 흔히 힘이나 연료, 전기를 떠올리며 에너지를 소비한다고 말하지만, 물리학의 관점에서 에너지는 결코 사라지지 않고 형태만 바뀔 뿐입니다. 운동 에너지, 퍼텐셜 에너지, 열, 빛 등 다양한 모습으로 나타나는 에너지는 세상을 움직이는 근본적인 동력이며, 과학자들은 아주 오래전부터 이 보이지 않는 양의 실체를 파악하기 위해 끊임없이 질문을 던져왔습니다. 에너지는 단순한 도구가 아니라 자연의 질서를 유지하는 핵심 요소입니다. 에너지 개념의 역사적 출발점은 17세기 라이프니츠의 '생명의 힘(vis viva)'이라는 통찰에서 찾을 수 있습니다. 그는 물체가 움직일 때 질량과 속력의 제곱을 곱한 양이 충돌이나 변화 속에서도 변하지 않고 유지된다는 사실에 주목했습니다. 이는 동시대 뉴턴이 강조한 운동량과는 또 다른 측면의 보존량이었습니다. 이후 토마스 영이 이 개념에 '에너지'라는 이름을 붙였고, 코리올리가 이를 '운동 에너지'로 구체화하면서 물리학의 핵심 개념으로 자리 잡게 되었습니다. 이러한 역사적 흐름은 에너지가 보존되는 양이라는 인식을 확립하는 과정이었습니다. 에너지는 단순히 움직이는 물체에만 존재하는 것이 아니라, 잠재된 능력의 형태로도 존재합니다. 이를 퍼텐셜 에너지라고 부르는데, 높은 곳에 있는 물체나 압축된 용수철은 언제든 일을 할 수 있는 상태를 유지합니다. 롤러코스터가 높은 곳에서 떨어지며 속력을 얻는 과정은 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환되는 대표적인 사례입니다. 이처럼 에너지의 형태는 끊임없이 변하지만, 외부와 차단된 닫힌계 안에서 그 전체 합은 항상 일정하게 유지됩니다. 이는 에너지가 형태를 바꿀 뿐 생성되거나 소멸되지 않는다는 원리를 잘 보여줍니다. 19세기 제임스 줄은 정밀한 실험을 통해 역학적인 일과 열이 서로 동등하다는 사실을 증명하며 에너지의 범위를 획기적으로 확장했습니다. 추를 떨어뜨려 물속의 프로펠러를 돌리면 물의 온도가 올라가는 현상을 측정함으로써, 눈에 보이지 않는 열 역시 에너지의 한 형태임을 밝혀낸 것입니다. 이 발견은 에너지 보존 법칙이 단순히 역학적 운동을 넘어 열역학의 영역까지 아우르는 보편적인 자연 법칙임을 확립하는 결정적인 계기가 되었습니다. 오늘날 우리가 사용하는 에너지 단위인 '줄'은 그의 업적을 기리기 위해 명명된 것입니다. 에너지가 왜 보존되는가에 대한 근원적인 해답은 20세기 수학자 에미 뇌터에 의해 밝혀졌습니다. 뇌터의 정리에 따르면, 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않는 '시간 대칭성'을 가질 때 그에 대응하는 보존량이 존재하는데 그것이 바로 에너지입니다. 즉, 어제의 물리 법칙과 오늘의 물리 법칙이 같다면 에너지는 수학적으로 반드시 보존될 수밖에 없습니다. 이는 에너지 보존이 단순한 경험적 관찰을 넘어 우주의 본질적인 구조와 깊게 연결되어 있음을 의미합니다. 물리 법칙이 존재하는 한 에너지는 필연적으로 보존되는 우주의 약속과도 같습니다. 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 통해 질량 또한 에너지의 한 형태라는 혁명적인 개념을 제시했습니다. 유명한 공식인 E=mc²은 아주 작은 질량이라도 어마어마한 에너지로 전환될 수 있음을 보여주며, 질량 보존 법칙을 에너지 보존 법칙으로 통합시켰습니다. 현대 물리학에서는 물질을 구성하는 입자들조차 '양자 장'이라는 에너지의 다발로 이해하기도 합니다. 결국 우리가 물질이라고 믿는 실체는 에너지와 물리적 성질이 결합하여 나타나는 현상이며, 우주의 가장 근원적인 바탕에는 에너지만이 존재할지도 모른다는 통찰을 제공합니다. 우주론의 관점에서 에너지는 더욱 거대한 질문을 던집니다. 우주가 가속 팽창하고 있다는 사실이 밝혀지면서, 우리가 아직 정체를 모르는 '암흑 에너지'가 우주의 대부분을 차지하고 있다는 점이 드러났습니다. 일반 상대성 이론의 틀 안에서 우주 전체의 에너지가 어떻게 정의되고 보존되는지에 대해서는 여전히 현대 물리학의 최전선에서 치열한 논의가 이어지고 있습니다. 에너지는 단순한 숫자를 넘어, 우주의 시작과 진화, 그리고 마지막을 설명하는 가장 강력하고 신비로운 열쇠로 남아 우리에게 끊임없는 호기심을 자극합니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 김상욱_ 이론물리학자를 바보로 만드는 방법이 있다? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

과학자는 합리적인 사고방식을 통해 사회에 기여할 수 있는 존재입니다. 우리 사회가 겪어온 여러 어려움 속에서 과학이 수행해야 할 중요한 역할은 사람들이 세상을 더 이성적으로 바라보게 돕는 것입니다. 과학적 사고는 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 현상을 객관적으로 분석하고 판단하는 태도를 길러줍니다. 이러한 합리성이 사회 전반에 뿌리내릴 때 우리는 비로소 더 나은 미래를 향해 나아갈 수 있습니다. 과학의 본질은 결국 세상을 이해하려는 인간의 의지와 맞닿아 있으며, 이는 우리 공동체의 성숙을 이끄는 밑거름이 됩니다. 양자역학의 핵심은 우리가 대상에 대해 모든 것을 완벽하게 알 수 없다는 '본질적인 무지'에 있습니다. 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는 상보성 원리는 인간의 이해력을 넘어서는 자연의 근본적인 모습입니다. 과학자들은 우리가 관측할 수 있는 것만을 토대로 대상을 기술하는 실용적인 입장을 취합니다. 대상의 완벽성을 가정하기보다, 우리가 알 수 없는 부분은 남겨둔 채 이해 가능한 영역 안에서 최선을 다해 우주를 설명하려 노력합니다. 이러한 태도는 지식의 한계를 인정하면서도 진리를 추구하는 과학의 겸손함을 보여줍니다. 물리학자들은 미시 세계를 다루는 양자역학이 결국 거시 세계의 고전 역학까지 모두 설명할 수 있을 것이라고 믿습니다. 비록 수학적으로 이를 완벽하게 증명하고 실생활에 적용하는 과정은 매우 복잡하고 어렵지만, 새로운 이론은 언제나 이전의 이론을 포함하며 발전해 왔습니다. 현재 물리학이 직면한 과제는 이 두 세계 사이의 관계를 더욱 매끄럽고 실용적으로 연결하는 것입니다. 모든 물질에 적용되는 보편적인 법칙을 찾아내려는 노력은 우주의 질서를 하나로 통합하려는 과학자들의 오랜 꿈이자 끊임없는 도전 과제이기도 합니다. 우주는 멈춰 있는 것처럼 보이지만 사실 끊임없이 진동하고 있습니다. 물리학에서 대칭은 에너지나 질량 보존 법칙과 같은 중요한 원리들과 깊이 연결되어 있으며, 이는 우주를 기술하는 법칙의 근간이 됩니다. 또한 우리가 보는 물질은 겉보기에 꽉 차 있는 듯해도 실제로는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 동시에 그 빈 공간은 눈에 보이지 않는 전자기장이나 중력장과 같은 '장'으로 가득 차 있습니다. 이처럼 우주는 맥락에 따라 텅 비어 있기도 하고 꽉 차 있기도 한 역설적이고도 흥미로운 공간입니다. 시간은 물리학에서 가장 기본이 되는 개념 중 하나이지만, 역설적으로 그 본질이 무엇인지에 대해서는 여전히 명확한 답을 내리지 못하고 있습니다. 시간과 공간을 바탕으로 물질의 이론을 구축해 왔음에도 불구하고, 시간의 정체는 이론물리학자들에게도 가장 어려운 질문으로 남아 있습니다. 시간을 이해하려는 노력은 단순히 물리 법칙을 탐구하는 것을 넘어 종교와 예술 등 인류가 쌓아온 지혜를 총동원해야 하는 거대한 작업입니다. 인간이 시간을 바라보는 총체적인 모습을 정리하는 과정은 우주의 신비에 한 걸음 더 다가가는 계기가 될 것입니다.

김상욱

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 이강영_ E=mc^2, 에너지 보존법칙 싹 다 정리합니다 | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

물리학자는 자유로운 상상가이기보다 데이터와 우주라는 자연의 법칙에 묶여 있는 탐구자입니다. 지난 20여 년간 유럽입자물리연구소(CERN)의 LEP와 LHC, 그리고 미국의 테바트론 같은 거대 가속기들은 새로운 물리 현상을 발견하는 핵심적인 무대가 되어왔습니다. 이곳에서 이론을 실제로 구현하고 새로운 상호작용이나 입자 그리고 대칭성을 찾아내는 과정은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 연구 분야입니다. 우리가 알고 있는 이론이 가속기라는 거대한 실험 장치 속에서 어떻게 증명되는지를 지켜보는 것은 우주의 비밀을 푸는 첫걸음이라 할 수 있습니다. 현재 입자물리학의 표준모형은 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 정교하게 우주를 설명하고 있습니다. 하지만 이 완벽해 보이는 이론에도 여전히 우리가 납득하지 못하는 공백이 존재합니다. 예를 들어 입자 세대 간의 관계나, 표준모형 너머에 존재할 새로운 물리 법칙에 대한 의문은 여전히 남아 있습니다. 이에 따라 최근의 연구는 천체물리학적 관점에서 암흑물질의 정체를 규명하는 방향으로 확장되고 있습니다. 보이지 않는 존재를 탐구하고 실험하는 과정은 물리학이 나아가야 할 새로운 지평을 제시합니다. 에너지가 원래부터 존재해서 보존되는 것이 아니라, 이 세상에 무언가 변하지 않고 보존되는 것이 있다는 믿음에서 에너지라는 개념이 정립되었습니다. 즉, 관찰과 실험을 통해 확인된 '보존되는 물리량'을 우리가 에너지라고 부르기로 약속한 것에 가깝습니다. 이러한 관점의 전환은 에너지를 단순한 수치가 아닌, 우주의 질서를 유지하는 근본적인 속성으로 이해하게 만듭니다. 보존이라는 속성이야말로 에너지를 정의하는 가장 중요한 열쇠이며, 물리학의 근간을 지탱하는 핵심 원리로서 우리 곁에 존재하고 있습니다. 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²은 질량이 곧 에너지의 근원임을 시사합니다. 하지만 이 식의 진정한 의미는 운동항이 포함된 전체 관계식 속에서 더욱 명확해집니다. 평상시 우리는 질량 속에 내재된 거대한 에너지를 거의 느끼지 못하며 살아갑니다. 이는 마치 지표면에 있을 때 지구 중심까지의 거리를 의식하지 않는 것과 비슷합니다. 그러나 입자가 매우 높은 에너지 상태에 도달하게 되면, 질량이 부여하는 에너지와 운동을 통해 얻는 에너지의 효과를 동시에 체감하게 됩니다. 고에너지 상태는 우리가 미처 깨닫지 못했던 질량의 본질을 드러내는 순간입니다. 물질의 가장 기본적인 성질 중 하나인 스핀은 순수하게 양자역학적인 효과로 나타나는 독특한 현상입니다. 이는 고전적인 물리 상식으로는 설명하기 어려운 영역이며, 양자역학의 신비로움을 이해하는 핵심적인 주제이기도 합니다. 과학적 지식을 습득할 때는 훌륭한 저술가의 논리라도 비판적으로 수용하는 태도가 필요합니다. 에너지가 무엇인지 한마디로 정의하기는 어렵지만, 그것이 왜 필요했는지와 어떤 속성을 지니고 있는지를 추적하는 과정은 현대 물리학이 상대성이론과 양자역학을 만나 보여주는 놀라운 세계로 우리를 안내할 것입니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 블랙홀 전쟁에서 우주의 시작까지 _ by이필진｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 5강 | 5강

현대 물리학의 초석인 상대성 이론은 광속 불변의 원리에서 출발합니다. 아인슈타인은 이 원리를 바탕으로 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 일반 상대성 이론을 완성했습니다. 이 이론에 따르면 물질은 시공간을 휘게 만들고, 그 휘어진 길을 따라 빛과 물체가 이동합니다. 이는 단순한 상상이 아니라 수학적으로 정교하게 설계된 체계이며, 현대 과학이 우주의 거대한 구조를 이해하는 데 필수적인 도구가 되었습니다. 아인슈타인의 방정식이 발표된 지 100년 만인 2015년, 인류는 중력파를 직접 관측하는 데 성공하며 상대성 이론의 정점을 확인했습니다. 거대한 두 블랙홀이 충돌하며 발생한 시공간의 물결인 중력파는 10억 광년이라는 머나먼 거리를 지나 지구에 도달했습니다. 이 발견은 블랙홀이 실재하는 천체임을 증명했을 뿐만 아니라, 중력이 빛의 속도로 전달된다는 사실을 실험적으로 입증했습니다. 이제 우리는 중력파를 통해 우주의 가장 격렬한 사건들을 들여다볼 수 있게 되었습니다. 우주를 이해하기 위해 반드시 알아야 할 개념 중 하나는 '빛의 원뿔'과 '지평선'입니다. 빛의 속도가 유한하기 때문에 우리는 과거의 모습만을 볼 수 있으며, 관측 가능한 범위에는 물리적인 한계가 존재합니다. 블랙홀의 '사건의 지평선'과 우주의 '지평선'은 정보가 넘나들 수 없는 경계를 의미합니다. 이러한 상대론적 지평선은 단순히 시각적인 한계를 넘어, 우주의 시작과 블랙홀의 종말을 연결하는 핵심적인 공통분모로 작용하며 현대 물리학의 거대한 질문들을 관통합니다. 우주의 역사를 거슬러 올라가면 '인플레이션'이라 불리는 급팽창 시기를 마주하게 됩니다. 이 시기에는 우주가 상상할 수 없을 만큼 빠른 속도로 가속 팽창했으며, 이 과정에서 우주의 지평선 너머로 수많은 정보가 밀려 나갔습니다. 흥미로운 점은 이 거대한 팽창 과정이 미시 세계의 법칙인 양자역학의 영향을 받았다는 사실입니다. 당시 발생한 아주 미세한 에너지의 차이가 오늘날 우리가 보는 은하와 별들의 분포를 결정짓는 씨앗이 되었기 때문입니다. 스티븐 호킹은 블랙홀이 완전히 검은 것이 아니라 미세한 열복사를 방출한다는 '호킹 복사'를 예견하며 물리학계에 거대한 파장을 일으켰습니다. 이는 블랙홀이 에너지를 잃고 결국 증발할 수 있음을 의미하며, 그 과정에서 블랙홀 내부의 정보가 사라지는지에 대한 '블랙홀 전쟁'을 촉발했습니다. 양자역학의 정보 보존 원리와 상대성 이론의 충돌은 수십 년간 이어졌고, 이는 중력과 양자역학을 하나의 틀로 통합해야 한다는 현대 물리학의 가장 시급한 과제를 우리에게 남겼습니다. 초기 우주의 인플레이션 시기에 존재했던 양자 요동은 현대 우주론의 정설로 자리 잡았습니다. 공간이 급격히 팽창하면서 미시적인 양자 파동들이 거시적인 밀도 차이로 고착되었고, 이것이 중력에 의해 뭉쳐지면서 현재의 우주 구조를 형성한 것입니다. 즉, 우리가 밤하늘에서 보는 수많은 은하의 배치는 우주 초기에 일어난 양자역학적 사건의 결과물이라 할 수 있습니다. 실험실 안의 미시 세계에만 머물 줄 알았던 양자역학이 사실은 우주 전체의 설계도였음을 보여주는 놀라운 대목입니다. 중력과 양자역학의 완전한 통합을 꿈꾸는 초끈 이론은 만물의 이론을 향한 인류의 도전입니다. 모든 입자를 아주 작은 끈의 진동으로 설명하는 이 이론은 블랙홀 내부의 정보 문제나 우주의 기원을 설명할 수 있는 강력한 후보입니다. 비록 실험적 검증까지는 갈 길이 멀지만, 초끈 이론은 수학적 정합성을 바탕으로 시공간의 본질에 대한 새로운 통찰을 제공합니다. 우주의 시작부터 블랙홀의 심연까지, 하나의 원리로 모든 것을 설명하려는 물리학의 여정은 지금도 계속되고 있습니다.

이필진

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[석학인터뷰] 과학자들이 말하는 기원 - '모든 것의 기원' 통합편

현대 우주론은 빅뱅 이론과 급팽창 이론이 결합된 표준 우주론으로 설명됩니다. 우주 초기 아주 짧은 순간에 일어난 급팽창은 양자 요동을 통해 다양한 진공에너지를 가진 다중우주의 가능성을 열어주었습니다. 이러한 거시적 우주의 탄생과 더불어 미시 세계에서는 힉스입자가 중요한 역할을 합니다. 2012년 실험적으로 증명된 힉스입자는 진공에 깔린 힉스장을 통해 기본 입자들에 질량을 부여하며 현재 우리가 보는 물질세계의 근간을 마련했습니다. 우주의 대칭성과 입자의 특정한 물리량은 물질의 근원을 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 우리가 매일 마시는 물 한 잔에는 우주의 장대한 역사가 고스란히 담겨 있습니다. 물을 구성하는 수소는 우주 탄생 직후의 빅뱅을 통해 만들어졌으며, 산소는 별의 내부에서 일어나는 핵융합 과정을 거쳐 탄생했습니다. 이처럼 물질은 빅뱅과 별의 진화라는 두 축을 통해 형성되었습니다. 약 45억 년 전 태양계가 형성될 당시, 원시 지구는 화성 크기의 행성인 테이아와 충돌하는 거대한 사건을 겪었습니다. 이 충돌의 결과로 현재의 지구가 만들어졌고, 흩어진 파편들이 모여 달이 형성되었다는 가설은 지구의 기원을 설명하는 유력한 이론입니다. 생명의 기원에 대해서는 외계유입설보다 지구 내 유기물의 결합으로 인한 자연발생설이 더 많은 지지를 얻고 있습니다. 초기 지구에서 자기 복제가 가능한 RNA 분자가 등장하고, 이것이 점차 안정적인 DNA로 진화하면서 생명의 기초가 마련된 것으로 보입니다. 흥미로운 점은 박테리아부터 인간에 이르기까지 지구상의 모든 생명체가 공통적으로 DNA를 공유한다는 사실입니다. 이는 모든 생명이 단 하나의 세포에서 시작되었음을 시사하며, 초기 원시 세포가 만들어지는 과정은 여전히 현대 과학이 풀어야 할 신비로운 미스터리로 남아 연구가 계속되고 있습니다. 약 32억 년 전 광합성을 하는 시아노박테리아의 등장은 지구 환경을 획기적으로 변화시켰습니다. 이들이 배출한 산소는 당시 혐기성 생물들에게는 치명적인 독소였으나, 생명체들은 공생을 통해 이를 극복했습니다. 혐기성 박테리아가 호기성 박테리아를 받아들여 미토콘드리아가 되고, 일부는 시아노박테리아를 흡수해 엽록체가 되는 세포내공생 과정을 거치며 진핵생물이 탄생했습니다. 이러한 진화적 사건은 동물과 식물의 분화로 이어졌으며, 복잡한 다세포 생명체가 번성할 수 있는 토대가 되었습니다. 인류의 진화는 아르디피테쿠스에서 시작하여 오스트랄로피테쿠스를 거쳐 호모 속으로 이어졌습니다. 약 200만 년 전 기후 위기 속에서 등장한 호모 에렉투스는 아프리카를 넘어 전 세계로 확산되었고, 마침내 호모 사피엔스가 유일한 인류로 남게 되었습니다. 뇌의 진화는 동물의 움직임과 밀접하게 연관되어 환경에 적응하고 문제를 해결하는 방향으로 발전해 왔습니다. 하지만 의식이나 정신의 기원, 그리고 우주가 왜 존재하는가와 같은 근원적인 질문들은 여전히 과학적 방법론의 한계를 시험하며 우리에게 깊은 철학적 과제를 던져주고 있습니다.

김대수, 김항배, 김형도, 박성찬, 서민아, 윤성철, 윤환수, 이대열, 이상희, 이석영, 이일하, 최덕근

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
생명과학
천문학
융합

[카오스 술술과학] 다중우주 (6) : 끈이론

인류는 아주 오래전부터 만물을 구성하는 단 하나의 근본 입자를 찾고자 노력해 왔습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 제안한 원자 개념은 근대 과학을 거치며 구체화되었으나, 기술이 발전함에 따라 원자 내부의 전자와 핵, 그리고 양성자와 중성자를 이루는 쿼크가 차례로 발견되었습니다. 이러한 탐구 과정은 거대한 우주의 구조를 파악하는 '줌아웃'의 여정과 동시에, 물질의 심연을 파고드는 '줌인'의 역사이기도 합니다. 과학자들은 더 이상 쪼갤 수 없는 최종 입자의 실체를 밝히기 위해 끊임없이 질문을 던져 왔습니다. 현대 물리학의 정수인 양자장론은 입자를 크기가 없는 수학적 점으로 정의하며 놀라운 성과를 거두었습니다. 이 이론에 따르면 우주는 보이지 않는 '장'으로 가득 차 있으며, 입자는 이 장이 요동치며 나타나는 파동과 같은 존재입니다. 양자장론은 실험 결과와 소수점 열 자리까지 일치할 정도로 정밀함을 자랑하지만, 중력을 설명하려 할 때 수학적 무한대가 발생하는 치명적인 한계에 부딪혔습니다. 이는 기존의 점 입자 모델로는 우주의 모든 힘을 완벽하게 통합할 수 없음을 시사하는 중요한 신호로 받아들여졌습니다. 이러한 난관을 돌파하기 위해 등장한 것이 바로 끈 이론입니다. 끈 이론은 만물의 최소 단위를 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'으로 상상합니다. 악기의 현이 진동 방식에 따라 다른 음을 내듯이, 끈의 진동 패턴에 따라 전자가 되기도 하고 쿼크가 되기도 한다는 발상입니다. 이 이론은 양자장론이 설명하지 못했던 입자들의 다양한 특성을 수학적으로 산뜻하게 유도해낼 뿐만 아니라, 점 입자 모델에서 발생하던 무한대의 문제를 자연스럽게 해결하며 중력을 포함한 모든 힘을 통합할 수 있는 강력한 가능성을 제시했습니다. 끈 이론이 수학적 일관성을 유지하기 위해서는 우리가 인지하는 4차원을 넘어선 10차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 나머지 6개의 차원은 아주 작은 공간 속으로 말려들어 있다는 '여분 차원'의 개념이 도입되었습니다. 이 숨겨진 차원의 기하학적 형태는 끈의 진동 패턴을 결정하고, 결과적으로 우리가 관측하는 물질의 성질을 규정하게 됩니다. 즉, 우리가 경험하는 물리 법칙과 입자들은 고차원 세계의 구조가 우리 차원에 투영된 결과물이라고 볼 수 있으며, 이는 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았습니다. 이후 다섯 가지 형태로 나뉘어 있던 끈 이론은 11차원의 M-이론으로 통합되며 더욱 거대한 체계를 갖추게 되었습니다. M-이론은 끈뿐만 아니라 '브레인'이라 불리는 다차원 막의 존재를 상상하며, 우주 전체를 진동하는 에너지의 거대한 교향악으로 묘사합니다. 비록 아직 실험적 증거를 확보하는 데에는 한계가 있지만, 끈 이론은 인류가 우주의 근본 원리를 이해하려는 여정에서 가장 우아하고 강력한 도구로 평가받습니다. 우리는 이 정교한 수학적 선율을 통해 우주의 탄생과 만물의 조화를 설명하려는 원대한 꿈을 계속해서 이어가고 있습니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[카오스 술술과학] 다중우주 (2) : 우주는 무한한가?

셰익스피어의 햄릿은 호두 껍질 속에 갇혀서도 자신을 무한한 공간의 제왕이라 생각할 수 있다고 말했습니다. 이는 유한한 존재가 무한을 꿈꾸는 인간의 역설적인 상황을 잘 보여줍니다. 실제로 우주가 유한한지 혹은 무한한지에 대한 질문은 인류를 오랫동안 괴롭혀온 난제입니다. 유한하다면 그 너머의 경계가 무엇인지 설명하기 어렵고, 무한하다면 밤하늘이 별빛으로 가득 차 밝아야 한다는 올베르스의 역설에 직면하게 됩니다. 현대 과학은 이 모순을 해결하기 위해 고무풍선의 표면 같은 모델을 제시하기도 했지만, 여전히 시공간의 기원과 경계에 대한 근본적인 의문은 남아 있습니다. 최근 과학계에서는 이러한 난제를 해결하기 위해 '다중 우주'라는 거대한 상상력을 동원하고 있습니다. 우리가 속한 우주가 더 큰 시공간의 일부이거나, 우리와 유사한 우주가 무수히 존재한다고 가정하는 것입니다. 다중 우주론을 도입하면 유한과 무한의 충돌을 비교적 매끄럽게 설명할 수 있습니다. 우리 우주는 특정한 시점에 시작된 유한한 공간이지만, 그 외부나 이전에는 또 다른 우주들이 존재한다고 보는 방식입니다. 이는 아인슈타인의 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 얽혀 있음을 이해하게 되면서 더욱 설득력을 얻었으며, 외부 관측자의 시선에서는 무한한 공간이 내부에서는 유한한 시간으로 인식될 수 있다는 해석을 가능하게 합니다. 다중 우주의 가장 기본 모델인 '누비이은 다중 우주'는 무한한 공간 속에 우리가 볼 수 있는 영역이 한정되어 있다는 점에서 출발합니다. 빛의 속도가 유한하기 때문에 우리는 약 460억 광년 거리의 '관측 가능한 우주'만을 인지할 수 있습니다. 마치 무빙워크 위를 달리는 빛처럼, 우주가 팽창하는 동안 빛이 이동한 거리는 시간의 흐름보다 훨씬 길어집니다. 이러한 관측 가능한 우주들을 하나의 조각보처럼 이어 붙인 것이 바로 누비이은 다중 우주의 모습입니다. 무한한 공간 속에서 이러한 우주 조각들이 반복된다면, 확률적으로 우리 우주와 동일한 입자 배열을 가진 공간이 반드시 존재하게 된다는 놀라운 결론에 도달하게 됩니다. 만약 우주가 오로지 물질의 배열로만 결정된다는 환원주의적 관점을 수용한다면, 무한한 다중 우주 속에는 나와 완벽하게 동일한 존재가 무한히 존재해야 합니다. 무한이라는 개념 앞에서는 아무리 낮은 확률이라도 반드시 실현되기 때문입니다. 이는 단순히 비슷한 존재가 아니라, 나의 모든 기억과 선택, 현재의 상황까지 똑같이 공유하는 도플갱어가 우주 곳곳에 편재함을 의미합니다. 어떤 이들에게는 이것이 영생의 희망으로 다가올 수 있겠지만, 다른 이들에게는 똑같은 인생이 반복된다는 공포로 느껴질 수도 있습니다. 결국 이러한 상상은 현재의 삶에 최선을 다해야 한다는 철학적 성찰로 이어지며, 나의 노력이 우주적 자아들의 가치를 결정한다는 책임감을 부여합니다. 다중 우주론은 양자역학의 해석 문제와도 깊게 연관되어 있습니다. 관측에 의해 파동 함수가 붕괴한다는 코펜하겐 해석의 모호함을 해결하기 위해 등장한 '다세계 해석'은 선택의 순간마다 우주가 갈라진다고 설명합니다. 물리학자 스티븐 와인버그는 현재의 양자역학을 '다윈 이전의 생물학'에 비유하며, 우리가 아직 우주의 진정한 원리를 깨닫지 못한 상태임을 시사했습니다. 다중 우주는 모든 가능성이 실현되는 공간이기에, 그 안에는 상상할 수 없는 고통이 실현되는 악몽 같은 세계도 존재할 것입니다. 햄릿의 말처럼 무한한 공간의 제왕이 되는 것은 매혹적이지만, 그 무한함이 가져올 악몽까지 감당해야 하는 것이 다중 우주가 우리에게 던지는 묵직한 질문입니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

2019 카오스 콘서트 '변신, 기원이야기' 티저 영상 (by우종학, 김상욱, 장대익) (끝까지 보셔야합니다! 1분짜리임)

우주는 아주 작은 입자에서 시작하여 거대한 생명에 이르기까지 끊임없는 변신 과정을 거쳐왔습니다. 우리는 누구나 우리가 어디에서 왔는지, 그리고 이 세상의 모든 것이 어떻게 시작되었는지에 대한 근원적인 궁금증을 품고 살아갑니다. 이러한 기원의 미스터리는 인류 역사상 가장 오래된 질문 중 하나이며, 현대 과학이 여전히 풀고자 노력하는 핵심적인 과제이기도 합니다. 우주의 탄생부터 현재에 이르기까지의 여정은 단순한 시간의 흐름이 아니라, 존재의 형태가 근본적으로 바뀌는 경이로운 변신의 연속이라고 할 수 있습니다. 광활한 우주 공간 속에서 은하가 형성되고 그 안에서 수많은 별이 탄생하는 과정은 우주 변신의 정점을 보여줍니다. 별의 내부에서 만들어진 다양한 원소들은 다시 우주로 퍼져나가 생명의 씨앗이 되었으며, 이는 결국 우리라는 존재로 이어졌습니다. 무생물인 입자가 모여 생명이라는 고도의 복잡성을 지닌 존재로 진화한 과정은 그 자체로 하나의 거대한 서사시와 같습니다. 이러한 변신 단계마다 숨겨진 과학적 원리를 이해하는 것은 우주의 질서를 파악하는 일이며, 동시에 우리 자신의 정체성을 찾아가는 소중한 탐구의 과정이 됩니다. 현대 과학은 관측 기술의 발전과 이론적 토대를 바탕으로 우주의 놀라운 변신을 하나씩 증명해 나가고 있습니다. 보이지 않는 작은 세계에서부터 끝을 알 수 없는 거시 세계에 이르기까지, 모든 존재는 서로 연결되어 있으며 끊임없이 변신하고 있습니다. 이러한 변신의 세계를 들여다보는 일은 우리에게 경외감을 불러일으키며, 세상을 바라보는 시야를 넓혀줍니다. 기원에 대한 탐구는 멈추지 않을 것이며, 우리는 그 속에서 발견되는 새로운 지식들을 통해 우주와 생명이 지닌 진정한 가치를 깨닫게 될 것입니다.

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[석학인터뷰] 기원 릴레이 - '모든 것의 기원' 1편_우주, 질량, 소립자

현대 우주론의 근간인 표준 우주론은 빅뱅 이론과 이를 보완하는 급팽창 이론의 결합으로 이루어져 있습니다. 빅뱅 이론이 지닌 초기 조건의 한계를 극복하기 위해 등장한 급팽창 이론은 우주의 시작을 설명하는 핵심적인 틀을 제공합니다. 비록 아직 직접적인 검증이 완료되지는 않았으나, 과학자들은 이 이론이 초기 우주의 형성 과정을 설명하는 가장 유력한 방법이라는 점에 동의하고 있습니다. 현재는 초끈이론이나 중력 이론의 수정을 통해 급팽창의 구체적인 메커니즘을 밝히려는 연구가 활발히 진행 중입니다. 다중 우주론은 검증 불가능하다는 이유로 한때 과학계에서 금기시되기도 했으나, 급팽창 이론의 관점에서는 매우 자연스러운 결과로 받아들여집니다. 우주 초기 단계에서 발생한 양자요동이 지역마다 다른 진공에너지를 형성하게 되고, 이는 결국 서로 다른 물리적 특성을 지닌 수많은 우주의 탄생으로 이어질 수 있기 때문입니다. 우리가 관측할 수 있는 범위를 넘어서는 거대한 스케일에서 우리 우주와는 전혀 다른 환경을 가진 공간들이 존재할 가능성은 현대 물리학이 탐구하는 가장 흥미로운 주제 중 하나입니다. 양자역학적 관점에서의 다중 우주는 '다세계 해석'을 통해 설명되기도 합니다. 이는 양자 측정 과정에서 발생하는 파동함수의 붕괴를 이해하기 위한 시도로, 측정의 결과에 따라 우주가 여러 갈래로 나뉜다는 파격적인 개념을 담고 있습니다. 비록 이를 온전히 수용하기에는 직관적으로 거대한 도약이 필요하지만, 양자역학의 난제를 해결하는 가장 정교한 설명 중 하나로 평가받습니다. 이처럼 우주론적 급팽창과 양자역학이라는 서로 다른 두 경로를 통해 다중 우주라는 거대한 담론이 형성되고 있습니다. 입자물리학의 표준모형은 힉스 입자를 통해 기본 입자들이 질량을 얻는 과정을 설명합니다. 우주 전체에 퍼져 있는 힉스장과의 상호작용은 마치 초전도체 내부의 상전이 현상처럼 입자들에게 질량을 부여합니다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 실험을 통해 힉스 입자의 존재가 확인되면서 이 이론은 확고한 과학적 사실로 자리 잡았습니다. 다만 우리가 체감하는 질량의 대부분은 힉스 입자보다는 강한 상호작용에 의한 양성자 질량에서 기인한다는 점은 물리학의 또 다른 깊은 이면을 보여줍니다. 현대 물리학에서 입자의 성질과 상호작용을 결정하는 근본적인 원리는 바로 대칭성입니다. 시공간의 대칭성에 따라 입자들은 스핀이라는 고유한 물리량을 가지게 되며, 이는 물질을 구성하는 페르미온과 힘을 매개하는 보손을 구분 짓는 기준이 됩니다. 또한 내부 대칭성 혹은 게이지 대칭성은 빛과 물질이 어떻게 소통하고 결합하는지를 규정합니다. 결국 우주의 모든 현상은 그 기저에 흐르는 정교한 대칭성의 법칙에 의해 설계된 결과물이며, 물리학자들은 이 대칭성을 통해 우주의 근원을 이해하고자 합니다.

김항배, 김형도, 박성찬

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물리학
천문학

[석학인터뷰] 김항배_ 양자요동이 창조주? | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

어린 시절 다락방에서 위험천만한 실험을 즐기던 소년은 이제 우주의 근원을 탐구하는 과학자가 되어 우리에게 놀라운 이야기를 들려줍니다. 현대 우주론의 근간인 급팽창 이론은 우주 내 물질이 왜 불균형하게 분포하는지를 설명하는 핵심적인 열쇠입니다. 아주 작은 미시 세계에서 발생한 양자 요동이 급팽창 과정을 거치며 거대하게 확장되었고, 그것이 오늘날 우리가 마주하는 우주의 구조를 형성했다는 것입니다. 다중우주의 관점에서 본다면, 이 양자 요동이야말로 우주를 탄생시킨 모든 것의 근원이자 일종의 창조주와 같은 역할을 수행했다고 볼 수 있습니다. 우주의 탄생에는 아주 특별한 조건이 필요합니다. 플랑크 부피라는 극미한 공간에 플랑크 에너지 수준의 고밀도 에너지가 응축된 미세한 질량이 존재한다면, 중력의 작용으로 급팽창이 일어나 현재와 같은 거대한 우주를 만들어낼 수 있습니다. 이는 중력이 가진 놀라운 힘 덕분에 가능한 일입니다. 마치 태양계 멀리서 시작된 작은 돌덩이가 태양의 중력에 이끌려 가속되며 지구를 파괴할 정도의 엄청난 에너지를 얻는 것과 유사한 원리입니다. 현대 중력 이론은 이처럼 미미한 시작이 중력을 통해 우주 전체를 채울 만큼의 거대한 에너지로 전환될 수 있음을 과학적으로 보여줍니다. 물리학자들은 물질의 궁극적인 형태를 규명하기 위해 끊임없이 노력해 왔으며, 그 대표적인 시도가 바로 끈 이론입니다. 모든 물질이 점 형태의 입자가 아닌 아주 작은 끈으로 이루어져 있다고 가정함으로써, 기존 입자 물리학에서 발생하던 무한대 문제들을 해결하고 표준 모형의 구조를 설명하고자 했습니다. 비록 이론의 난해함으로 인해 아직 완전한 예측을 내놓지는 못하고 현재는 다소 소강상태에 머물러 있지만, 끈 이론은 우주의 근본 원리를 이해하려는 인류의 지적 열망을 상징합니다. 물질의 본질을 쫓는 이러한 탐구는 앞으로도 물리학의 미래를 이끄는 중요한 이정표가 될 것입니다.

김항배

카오스재단2019 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

물리학

[석학인터뷰] 김형도_ 다중우주요? 그건 금기어에요 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

우리는 흔히 우주의 크기나 그 바깥의 존재에 대해 궁금해합니다. 하지만 우리가 관측 가능한 범위는 우주의 나이 동안 빛이 도달할 수 있는 거리에 한정되어 있습니다. 대중 강연에서 언급되는 우주의 크기나 나이는 명확한 경계가 있는 영역이라기보다, 현재의 기술과 물리 법칙 안에서 우리가 들여다볼 수 있는 한계치를 의미합니다. 따라서 그 너머에 무엇이 존재하는지에 대해서는 여전히 미지의 영역으로 남아 있으며, 이를 명확히 이해하려는 노력이 필요합니다. 입자 물리학의 오래된 난제들을 해결하기 위한 가설 중 하나로 다중우주론이 거론됩니다. 우리가 살고 있는 우주가 거대한 전체의 아주 일부분에 불과하다는 생각입니다. 만약 우리 우주 밖의 또 다른 공간들이 존재한다면, 그곳에서는 힉스 입자나 전자의 질량이 지금과는 전혀 다를 수도 있습니다. 수많은 우주 중 왜 하필 우리 우주가 지금과 같은 물리적 특성을 갖게 되었는지 설명하려는 시도이지만, 이는 아직 과학적으로 증명되지 않은 가설의 영역에 머물러 있습니다. 세상의 모든 물질은 기본 입자로 구성되어 있으며, 이 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되었는지는 물리학의 핵심 질문입니다. 표준 모형에 따르면 힉스 입자가 모든 입자의 질량을 결정하는 역할을 합니다. 힉스 입자를 이해하지 못하면 전자나 쿼크가 왜 특정한 질량을 가지는지 설명할 수 없습니다. 이 입자는 이론적으로 제시된 후 실험적으로 발견되기까지 40년 이상의 시간이 걸릴 만큼 찾기 어려웠기에 '신의 입자'라는 별칭으로도 불리며 현대 물리학에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 우주의 기원을 탐구하는 일은 현대 물리학자와 천문학자들이 지성을 다해 도전하고 있는 과제입니다. 빅뱅 직후 단 몇 초라는 짧은 순간 동안 벌어진 수많은 사건은 오늘날 우리가 관측하는 우주의 형태를 결정지었습니다. 인플레이션 이론부터 암흑 에너지와 암흑 물질에 이르기까지, 인류는 관측된 결과물들을 바탕으로 우주의 시작을 재구성하고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 과거를 돌아보는 것이 아니라, 우리가 발을 딛고 있는 이 세상이 어떻게 존재하게 되었는지를 밝히는 과정입니다. 우주에 대한 이해는 표준 모형의 힉스 입자를 넘어 중력파와 같은 새로운 관측 수단으로 확장되고 있습니다. 중력파는 우주의 초기 상태를 엿볼 수 있는 중요한 열쇠가 될 것으로 기대되며, 이는 인류가 우주를 바라보는 시각을 완전히 바꾸어 놓을 것입니다. 미지의 공간 안에는 아직 밝혀지지 않은 비밀이 가득하며, 과학은 보이지 않는 것을 증명하고 관측 가능한 범위를 끊임없이 넓혀가는 위대한 여정입니다. 앞으로도 인류는 관측된 결과들을 바탕으로 친절한 설명을 덧붙이며 우주의 기원을 향한 지적 탐험을 멈추지 않을 것입니다.

김형도

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

[강연] 뉴턴의 세계에 균열이 생기다 _ 김상욱 교수_2강 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리' | 1강 ②

뉴턴 역학의 F=ma는 오랫동안 우주를 이해하는 절대적인 법칙으로 군림해 왔습니다. 하지만 20세기에 들어서며 이 견고한 체계에 균열이 생기기 시작했습니다. 물리학을 하나의 연극에 비유한다면, 시공간은 무대이고 물질은 배우이며 관찰자는 관객이라 할 수 있습니다. 고전 역학에서는 무대가 고정된 채 배우들만 움직인다고 보았으나, 현대 물리학은 무대 자체가 배우의 움직임에 따라 변하고 관객의 시선이 연극의 내용에 영향을 줄 수 있음을 밝혀냈습니다. 이러한 변화는 우리가 우주를 바라보는 관점을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았습니다. 뉴턴은 그의 저서 '프린키피아'에서 시간과 공간을 절대적이고 수학적인 개념으로 정의했습니다. 이는 당시 사람들의 일상적인 시간 관념을 뛰어넘는 위대한 도약이었습니다. 산업혁명 이전의 인류는 해가 뜨고 지는 자연의 흐름에 맞춰 살았지만, 뉴턴은 우주 어디에서나 일정하게 흐르는 보편적인 시간을 상정함으로써 근대 과학의 기틀을 마련했습니다. 이러한 절대 시공간의 개념은 수백 년 동안 물리학의 흔들리지 않는 토대가 되었으며, 기계 문명의 발전을 이끄는 핵심적인 사고방식이 되었습니다. 하지만 이 굳건한 무대는 빛의 속도라는 새로운 도전자를 만나며 흔들리기 시작합니다. 1905년 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 통해 뉴턴의 절대 시공간을 무너뜨렸습니다. 그는 모든 관성계에서 물리 법칙은 동일하며, 빛의 속도는 관찰자의 상태와 상관없이 항상 일정하다는 두 가지 가정을 세웠습니다. 이는 움직이는 기차 위에서 던진 공의 속도가 기차의 속도와 합쳐진다는 상식적인 물리 법칙이 빛에는 적용되지 않음을 의미합니다. 이 미스터리한 광속 불변의 원리를 받아들이는 순간, 우리는 시간과 공간이 관찰자에 따라 상대적으로 변할 수밖에 없다는 충격적인 결론에 도달하게 됩니다. 시공간은 더 이상 고정된 배경이 아니라 관찰자의 운동에 얽힌 유연한 존재가 된 것입니다. 상대성 이론에 따르면 시간은 더 이상 누구에게나 똑같이 흐르는 강물이 아닙니다. 빠르게 움직이는 물체 안에서는 시간이 느리게 흐르고, 공간의 길이는 수축하게 됩니다. 심지어 '동시에 일어난 사건'이라는 개념조차 관찰자의 운동 상태에 따라 달라질 수 있습니다. 한 사람에게는 동시에 일어난 폭발이 다른 사람에게는 시간차를 두고 일어난 사건이 될 수 있는 것입니다. 이러한 동시성의 상대성은 우리의 직관과는 어긋나지만, 우주를 구성하는 시간과 공간이 서로 독립적이지 않으며 관찰자의 시점에 따라 재구성될 수 있음을 보여주는 결정적인 증거입니다. 아인슈타인은 여기서 멈추지 않고 가속 운동과 중력을 결합한 일반 상대성 이론을 완성했습니다. 그는 가속도에 의해 느껴지는 관성력과 중력을 근본적으로 구분할 수 없다는 '등가 원리'를 제시했습니다. 이 원리에 따르면 중력은 단순히 물체 사이를 끌어당기는 힘이 아니라, 거대한 질량이 시공간을 휘게 만든 결과입니다. 마치 무거운 공이 놓인 그물망이 움푹 파이듯, 질량은 주변의 시공간을 뒤틀며 그 뒤틀림이 곧 우리가 경험하는 중력이 됩니다. 이제 무대인 시공간은 배우인 물질과 끊임없이 영향을 주고받으며 스스로의 형태를 바꾸는 역동적인 존재로 재정의되었습니다. 상대성 이론은 단순한 상상의 산물이 아니라 정밀한 측정을 통해 증명된 실재입니다. 현대의 원자시계는 지표면에서 단 1mm의 높이 차이로 발생하는 중력의 변화와 그에 따른 시간의 흐름 차이까지 측정해 낼 수 있습니다. 우리가 매일 사용하는 GPS 시스템 역시 위성의 빠른 속도와 지구 중력의 영향을 보정하지 않으면 오차가 발생하여 무용지물이 됩니다. 이처럼 시공간의 왜곡은 우리 일상 깊숙이 들어와 있으며, 물리학자들에게는 매일의 삶 속에서 확인되는 당연한 물리 현상으로 자리 잡았습니다. 인간은 이제 지구의 중력을 넘어 우주의 시간을 정밀하게 설계하는 단계에 도달했습니다. 시공간의 균열과 더불어 물질의 본질에 대한 이해도 근본적으로 바뀌었습니다. 19세기 말 전자기학의 발전은 빛이 파동임을 밝혀냈지만, 흑체 복사 문제를 해결하는 과정에서 빛이 입자처럼 행동한다는 사실이 드러났습니다. 막스 플랑크는 에너지가 연속적이지 않고 띄엄띄엄한 덩어리인 '양자'로 존재한다는 혁명적인 가정을 세웠고, 아인슈타인은 이를 바탕으로 빛의 입자성을 확립했습니다. 이러한 발견은 뉴턴의 결정론적 세계관을 넘어, 확률과 불확정성이 지배하는 양자역학이라는 새로운 시대를 여는 서막이 되었습니다. 현대 물리학은 이렇게 보이지 않는 미시 세계와 거대한 우주의 시공간을 하나로 엮어내고 있습니다.

김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학

[카오스 술술과학] 만물의 기원(수정본)

빅뱅 직후의 초기 우주는 우리가 상상할 수 있는 물질이 전혀 존재하지 않는 상태였습니다. 무한히 작은 공간에 무한대에 가까운 에너지만이 응축되어 있었으며, 그 온도는 상상할 수 없을 만큼 뜨거웠습니다. 마치 물이 끓어 수증기가 되듯, 극도의 고온 상태에서는 모든 물질이 에너지의 형태로 존재합니다. 하지만 우주가 폭발적으로 팽창하면서 온도가 낮아지기 시작했고, 아인슈타인의 상대성 이론인 E=mc² 원리에 따라 거대한 에너지는 비로소 물질로 변하기 시작했습니다. 우주가 팽창하며 온도가 더욱 떨어지자 소립자들이 결합하여 양성자와 중성자가 만들어졌습니다. 빅뱅 후 단 3분 만에 최초의 원자핵이 형성되었고, 약 38만 년이 흐른 뒤에는 전자와 결합하여 온전한 원자가 탄생했습니다. 138억 년이라는 우주의 장대한 역사 속에서 이는 찰나에 불과한 순간이었지만, 만물을 구성하는 위대한 재료가 준비된 결정적인 사건이었습니다. 충분히 낮아진 온도 덕분에 원자들은 서로 충돌하는 것을 넘어 결합할 수 있는 환경을 갖추게 되었습니다. 원자들이 서로 결합하여 최초의 분자가 탄생한 것은 생명의 역사에서 성의 탄생과 비견될 만큼 중요한 변화입니다. 암수가 만나 새로운 개체가 태어나듯, 서로 다른 원자가 만나면 본래의 성질은 사라지고 전혀 새로운 특징을 가진 분자가 나타납니다. 수소와 산소가 만나 생명의 근원인 물이 되고, 탄소와 만나 이산화탄소가 되는 식입니다. 현재까지 발견된 118종의 원소들은 이러한 조합을 통해 1억 종이 넘는 다양한 분자를 만들어내며 우주의 풍요로움을 구성하고 있습니다. 원소들이 조합되어 분자를 만드는 방식은 우리가 매일 사용하는 키보드와 매우 흡사합니다. 키보드 자판 하나하나가 글자 하나를 의미하듯, 원소 주기율표의 각 원소는 우주의 기본 단위입니다. 낱글자가 모여 단어가 되어야 비로소 구체적인 의미가 생기는 것처럼, 원자들 역시 정교하게 조합되어 분자가 되었을 때 비로소 과학적인 질서와 생명력을 갖게 됩니다. 약 100여 개의 원소만으로 온갖 정보를 담아내는 키보드처럼, 우주는 최소한의 재료로 무한한 가능성을 창조해낸 것입니다. 우주의 보편적인 원리 중 하나는 물질의 크기가 작을수록 그들을 묶어주는 힘이 강력하다는 점입니다. 이 강력한 결합력 덕분에 우주의 온도가 점차 낮아짐에 따라 에너지로부터 소립자, 원자, 분자가 차례대로 형성될 수 있었습니다. 만약 이 힘의 균형이 달랐다면 만물은 존재할 수 없었을 것입니다. 결국 만물의 기원은 빅뱅의 거대한 에너지이며, 점진적인 냉각 과정을 통해 에너지가 물질로 응축되면서 지금의 아름답고 복잡한 우주가 완성되었습니다.

카오스재단술술과학

화학

[강연] Incredible Quantum + 우주, 인간, 선택 by박권, 송영조 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 2부 | 2부

양자역학은 우리가 보는 고전역학적 세상을 넘어선 우주의 참된 실체입니다. 흔히 고전역학을 양자역학의 근사라고 부르는데, 이는 우리가 인지하는 세상이 사실은 거대한 양자적 현상의 일부분임을 시사합니다. '인크레더블 퀀텀'이라는 이름처럼 양자역학은 믿기 힘들 정도로 경이로운 원리들로 가득 차 있으며, 현대 물리학이 추구하는 '모든 것의 이론'에 가장 근접한 학문입니다. 우주를 구성하는 근본적인 원리를 이해하려는 여정은 바로 이 양자역학이라는 낯설고도 아름다운 세계를 받아들이는 것에서부터 시작됩니다. 영화 '컨택트'에 등장하는 외계인들은 인간과 달리 시간을 선형적인 인과관계로 보지 않고 모든 가능성을 동시에 바라봅니다. 이는 양자역학이 우주를 해석하는 방식과 매우 닮아 있습니다. 양자역학의 관점에서 우주는 고정된 입자들의 집합이 아니라 끊임없이 출렁이는 파동의 바다와 같습니다. 모든 존재는 공간에 퍼져 있는 확률적 파동으로 기술되며, 이러한 파동의 성질을 이해할 때 비로소 우리는 우주를 구성하는 네 가지 근본적인 힘 중 세 가지를 하나로 통합하여 설명할 수 있는 단초를 얻게 됩니다. 양자역학에서 우주가 파동이라는 사실은 곧 우주가 복소수로 이루어져 있음을 의미합니다. 복소수는 실수와 허수라는 두 개의 숫자로 구성되는데, 이는 파동의 크기뿐만 아니라 '위상'이 존재함을 뜻합니다. 흥미롭게도 이 위상 자체는 확률에 영향을 주지 않지만, 물리학에서는 이를 '게이지 대칭성'이라는 핵심 원리로 활용합니다. 파동의 위상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 이 대칭성은 서로 달라 보이는 자연계의 힘들을 하나의 원리로 묶어주는 강력한 도구가 되어 현대 물리학의 표준 모형을 완성하는 기반이 됩니다. 현대 물리학의 정수인 표준 모형은 17개의 기본 입자로 우주의 모든 현상을 설명하려 합니다. 하지만 전자기력과 약력, 강력이라는 세 가지 힘을 통합하는 과정에서 예상치 못한 난관에 부딪혔습니다. 이론적으로 힘들을 통합하면 모든 입자가 질량을 잃고 빛의 속도로만 움직여야 한다는 결론에 도달하기 때문입니다. 우리가 존재하기 위해서는 반드시 질량이 필요하지만, 힘의 통합이라는 원리는 질량의 존재를 부정하는 모순적인 상황을 만듭니다. 이 거대한 모순을 해결하기 위해 등장한 것이 바로 우주 전체에 퍼져 있는 힉스 장의 개념입니다. 힉스 메커니즘의 원리는 놀랍게도 저온에서 저항이 사라지는 초전도체 현상에서 힌트를 얻었습니다. 초전도체 내부에서는 빛이 질량을 가진 것처럼 행동하여 내부로 깊이 침투하지 못하는데, 이를 통해 자석이 공중에 뜨는 자기 부상 효과가 나타납니다. 이와 마찬가지로 우주 초기에는 질량이 없던 입자들이 힉스 장과 상호작용하며 마치 끈적한 공간을 지나듯 느려지게 되었고, 이것이 우리가 인지하는 '질량'의 기원이 되었습니다. 즉, 우리가 지금 이 자리에 존재할 수 있는 이유는 우주 전체가 일종의 거대한 초전도체와 같은 상태이기 때문입니다. 이러한 질량의 탄생과 질서의 형성은 '자발적 대칭성 붕괴'라는 원리로 설명됩니다. 미어캣들이 각자 주변을 살피다가 한 마리가 특정 방향을 보면 나머지도 덩달아 그곳을 주시하며 전체적인 질서가 생기는 것과 같습니다. 입자들 사이의 미세한 상호작용이 거대한 우주적 질서를 만들어내고, 이는 다시 개별 입자들에게 질량이라는 속성을 부여합니다. 부분의 성질이 모여 전체의 현상을 만들고, 그 전체의 상태가 다시 부분의 운명을 결정하는 이 유기적인 연결 고리야말로 양자역학이 보여주는 우주의 가장 신비로운 단면 중 하나라고 할 수 있습니다. 만약 물리학이 발전하여 인간의 뇌 신호와 선택까지 모두 계산할 수 있다면 우리의 '자유 의지'는 어떤 의미를 가질까요? 벤자민 리벳의 실험은 우리가 의식적인 결정을 내리기 전 이미 뇌가 반응하고 있음을 보여주며 결정론적인 우주관에 힘을 실어주기도 했습니다. 하지만 양자역학은 미래가 확률적으로 결정된다고 말하며, 복잡계 물리학은 수많은 입자로 이루어진 인간 시스템의 미래를 완벽히 예측하는 것이 불가능함을 시사합니다. 결국 모든 것의 이론을 찾는 여정은 우주의 법칙을 밝히는 동시에, 그 안에서 살아가는 인간의 존엄과 자유의 본질을 묻는 질문이기도 합니다.

박권

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물리학

[강연] 통계물리학의 역사와 주요 내용 _ 김범준교수_1강 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리' | 2강 ①

물리학은 자연의 근본 원리를 탐구하는 거대한 학문으로, 연구 방법이나 대상의 크기에 따라 다양하게 분류됩니다. 이론과 실험, 고전과 현대, 그리고 양자 역학과 고전 역학 등이 그 대표적인 예입니다. 그중에서도 통계물리학은 '입자의 수'를 기준으로 세상을 바라보는 독특한 시각을 제공합니다. 개별 입자의 움직임보다는 수많은 입자가 모였을 때 나타나는 집단적인 현상에 주목하는 것이 이 분야의 핵심입니다. 우리가 일상에서 마주하는 거시적인 현상들은 결국 무수히 많은 미시적 존재들이 상호작용하며 만들어낸 결과물이기 때문입니다. 뉴턴의 고전 역학은 'F=ma'라는 간결한 수식으로 자연의 인과관계를 설명하며, 현재의 정보를 통해 미래를 예측할 수 있다는 결정론적 세계관을 제시합니다. 하지만 이러한 예측은 대상이 하나 혹은 둘일 때만 명확하게 작동합니다. 입자가 셋만 되어도 그 궤적을 수학적으로 완벽히 풀어낼 수 없다는 '삼체 문제'의 불가능성이 이미 증명되어 있기 때문입니다. 하물며 아보가드로 수에 달하는 10의 23승 개의 입자를 다루는 것은 고전 역학의 개별적 접근 방식으로는 불가능에 가깝습니다. 통계물리학은 바로 이 지점, 즉 '못 푸는 문제를 푸는' 도전에서 시작됩니다. 입자의 수가 기하급수적으로 늘어나면 물리학자의 관심사는 질적으로 변화하게 됩니다. 수조 개의 기체 분자 중 특정 번호의 분자가 지금 이 순간 어떤 위치와 속도를 가졌는지는 더 이상 중요하지 않습니다. 대신 그 분자들이 집단적으로 만들어내는 압력이나 온도, 혹은 공간적 분포와 같은 거시적인 상태에 집중하게 됩니다. 통계물리학은 개별 입자의 상세한 정보는 과감히 생략하고 전체 시스템이 보여주는 보편적인 규칙을 찾아냅니다. 이는 복잡한 세상 속에서 단순하고도 강력한 질서를 발견하는 통찰의 과정이라 할 수 있습니다. 에렌페스트의 개벼룩 모델은 통계적 확률이 어떻게 거시적 상태를 결정하는지 보여주는 훌륭한 사고 실험입니다. 두 마리의 강아지 사이를 무작위로 옮겨 다니는 벼룩들의 분포를 생각해보면, 벼룩의 수가 적을 때는 우연히 한쪽 강아지에게 모든 벼룩이 몰릴 확률이 존재합니다. 그러나 벼룩의 수가 수천, 수만 마리로 늘어나면 상황은 완전히 달라집니다. 모든 벼룩이 한쪽에 몰려 있을 확률은 우주의 역사 동안 단 한 번도 일어나기 힘들 정도로 낮아지며, 결국 양쪽에 비슷하게 나뉘어 있는 상태가 압도적인 확률로 나타나게 됩니다. 입자가 많아지면 확률이 낮은 사건은 사실상 불가능한 일이 됩니다. 엔트로피 증가의 법칙은 '일어날 확률이 큰 일은 결국 일어나게 마련이다'라는 단순하면서도 심오한 진리를 담고 있습니다. 여기서 엔트로피란 시스템이 가질 수 있는 가능한 상태의 가짓수를 의미합니다. 가만히 내버려 둔 시스템은 가짓수가 적은 특수한 상태에서 가짓수가 압도적으로 많은 보편적이고 균일한 상태로 나아갑니다. 쏟아진 우유가 다시 컵으로 돌아가지 않는 이유는 그것이 물리 법칙에 어긋나서가 아니라, 다시 모일 확률이 너무나도 희박하기 때문입니다. 이러한 확률적 비가역성은 우리가 느끼는 시간의 방향성을 결정하는 중요한 물리적 근거가 되어줍니다. 현대 통계물리학의 초석을 다진 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 미시적인 상태의 가짓수와 연결하는 혁신적인 공식을 정립했습니다. 그의 묘비에도 새겨진 'S=k log W'라는 식은 눈에 보이지 않는 미시 세계의 정보가 어떻게 눈에 보이는 거시 세계의 물리량으로 변환되는지를 명확히 보여줍니다. 당시에는 원자의 존재조차 부정하던 학계의 거센 비판과 논리실증주의자들의 공격에 직면하여 고통스러운 삶을 살았지만, 그의 이론은 오늘날 물리학뿐만 아니라 복잡계 과학과 정보 이론 등 현대 과학의 수많은 분야에서 없어서는 안 될 핵심 원리로 자리 잡으며 그 가치를 증명해냈습니다. 볼츠만에서 시작된 통계물리학의 전통은 에렌페스트와 울렌벡을 거쳐 한국의 조순탁 교수에게 이어지며 국내 학계에도 깊이 뿌리내렸습니다. 오늘날의 통계물리학자들은 단순히 기체 분자의 운동을 연구하는 데 그치지 않고, 사회 현상, 경제 지표, 생명 현상 등 수많은 구성 요소가 복잡하게 상호작용하는 '복잡계'를 주요 연구 대상으로 삼고 있습니다. 많은 것이 모였을 때 나타나는 새로운 질서와 창발적 현상을 탐구하는 이 학문은, 개별 요소에 대한 지식만으로는 설명할 수 없는 우리 세상의 복잡한 문제들을 이해하고 해결하는 데 가장 강력한 도구가 되어주고 있습니다.

김범준

카오스재단마스터클래스

물리학

[석학인터뷰] 박권_ 모든 것들의 답을 아는 학문은? | 2018 카오스 콘서트 '수학과 과학 42'

수학은 단순한 학문을 넘어 우주와 인간이 대화를 나누기 위한 필수적인 언어입니다. 과학의 본질이 우주가 움직이는 원리를 파악하는 것이라면, 그 과정에서 주고받는 모든 질문과 답변은 수학이라는 형식을 빌려야만 성립됩니다. 우주는 자신의 비밀을 수학의 형태로 말하기 때문에, 우리가 이 언어를 이해하지 못한다면 우주와의 깊은 대화는 불가능에 가깝습니다. 결국 수학은 과학이라는 거대한 서사를 기록하고 전달하는 가장 정교한 그릇이자 소통의 도구라고 할 수 있습니다. 양자역학은 수학이라는 그릇에 담긴 가장 핵심적인 내용이자 우주의 실체를 설명하는 근본적인 원리입니다. 수학이 언어라면 양자역학은 그 언어로 쓰인 우주의 자서전과도 같습니다. 물리학자들은 양자역학이 세상의 모든 현상을 설명할 수 있는 궁극적인 답을 쥐고 있다고 믿습니다. 미시세계의 작은 입자부터 거대한 우주의 구조에 이르기까지, 양자역학의 원리를 깊이 이해하는 것은 곧 우주 만물의 작동 방식을 온전히 깨닫는 과정과 맞닿아 있습니다. 양자역학의 관점에서 바라본 우주의 가장 큰 특징은 모든 것이 끊임없이 요동친다는 사실입니다. 우리 눈에는 고정된 것처럼 보이는 물체나 우리 자신조차도 실제로는 입자인 동시에 파동의 성질을 지니고 있습니다. '모든 것은 요동친다'는 명제는 양자역학이 전하는 핵심적인 메시지이며, 이는 정적인 상태가 아닌 역동적인 변화가 우주의 본질임을 시사합니다. 이러한 요동은 우리가 세상을 바라보는 기존의 고정관념을 뒤흔들며 새로운 시각을 제시합니다. 우리가 일상에서 경험하는 고전역학은 사실 양자역학이라는 거대한 진실을 멀리서 바라본 근사치에 불과합니다. 뉴턴 방정식으로 설명되는 매끄러운 움직임들은 사실 미세하게 요동치는 파동들의 평균적인 모습이 겉으로 드러난 것일 뿐입니다. 돋보기를 들고 실체를 자세히 들여다보면 모든 것은 파동처럼 움직이고 있지만, 거시적 관점에서는 그 요동이 상쇄되어 직선적인 움직임처럼 보일 뿐입니다. 따라서 양자역학은 기괴한 이론이 아니라, 오히려 세상을 가장 정확하게 묘사하는 실체입니다. 양자역학의 '인크레더블'한 매력은 믿기 힘들 정도로 난해하지만, 이를 받아들이는 순간 우주의 경이로운 비밀이 열린다는 점에 있습니다. 영화 <컨택트> 속 외계인들이 보여주는 독특한 사고방식처럼, 양자역학은 우리에게 시간과 사건을 바라보는 완전히 새로운 시야를 제공합니다. 단순히 과학적 사실을 나열하는 것을 넘어, 존재의 근원을 탐구하고 우주와 깊이 교감하는 과정은 마치 슈퍼히어로의 능력을 얻는 것만큼이나 놀랍고 감동적인 경험이 될 것입니다.

박권

카오스재단카오스콘서트

물리학
수학
융합

[카오스 술술과학] 물질이 파동이라고?

빛이 파동이면서 동시에 입자라는 사실은 현대 물리학의 놀라운 발견 중 하나입니다. 하지만 더욱 황당하고 신비로운 이야기는 우리가 흔히 '물질'이라고 부르는 것들조차 파동의 성질을 지니고 있다는 점입니다. 우리 몸과 같은 거대한 물질 덩어리가 물결처럼 출렁이며 움직인다는 상상은 선뜻 받아들이기 어렵지만, 양자 역학의 세계에서는 이것이 엄연한 사실로 통용됩니다. 파동은 동시에 여러 곳에 존재할 수 있는 특성을 가지며, 이는 물질의 존재 방식에 대한 우리의 상식을 완전히 뒤흔들어 놓습니다. 프랑스의 과학자 드브로이는 물질이 파동이라는 '물질파' 이론을 처음으로 제시하며 과학계에 큰 충격을 주었습니다. 그는 빛이 파동이면서 입자처럼 행동하듯, 입자로 보이는 물질도 파동처럼 행동할 수 있다는 발상의 전환을 꾀했습니다. 아인슈타인조차 극찬했던 이 이론은 입자와 파동이 결국 동전의 양면과 같으며, 빛과 물질이 근본적으로 하나라는 심오한 철학적 함의를 담고 있습니다. 겉으로 보기에는 단단한 알갱이처럼 보이는 전자나 원자들도 특정 조건에서는 파동의 성질을 드러내게 됩니다. 물질의 파동성을 증명하기 위해 과학자들은 빛의 간섭 현상을 확인했던 이중 슬릿 실험을 전자에 적용했습니다. 일본의 토노무라 교수는 전자 알갱이를 하나씩 쏘아 올리는 정밀한 실험을 진행했는데, 놀랍게도 스크린에는 파동만이 만들어낼 수 있는 간섭 무늬가 나타났습니다. 각각의 전자가 독립적으로 움직였음에도 불구하고, 전체적인 결과는 마치 전자들이 서로 약속이라도 한 듯 파동의 형태를 띠었습니다. 이는 미시 세계의 입자가 우리가 아는 고전적인 물리 법칙과는 전혀 다르게 작동함을 보여주는 결정적인 증거입니다. 실험의 대상은 전자와 같은 미립자를 넘어 더 큰 분자 단위로 확장되었습니다. 탄소 60개가 축구공 모양으로 결합한 '버키볼' 분자를 이용한 이중 슬릿 실험에서도 간섭 무늬가 발견되었습니다. 버키볼은 전자에 비해 훨씬 거대한 입자임에도 불구하고, 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 파동의 특성을 고스란히 보여주었습니다. 하나의 입자가 동시에 두 곳을 통과해야만 나타날 수 있는 이 현상은, 물질의 크기가 커지더라도 근본적인 파동성은 여전히 존재한다는 사실을 입증하며 양자 역학의 경계를 넓혔습니다. 현재 과학자들은 바이러스나 단세포 생물과 같이 더욱 복잡한 생명체를 대상으로 물질파 실험을 계획하고 있습니다. 만약 생명력을 가진 존재가 이중 슬릿을 통과해 간섭 무늬를 남기면서도 생존할 수 있다면, 이는 생명과 물질의 본질에 대한 거대한 질문을 던지게 될 것입니다. 드브로이의 이론에 따르면 물질이 커질수록 파동성은 약해지지만, 결코 사라지는 것은 아닙니다. 결국 이 세상의 모든 만물은 입자이면서 동시에 파동이라는 이중적인 진실 속에 존재하며, 우리는 그 신비로운 조화 속에서 살아가고 있습니다.

카오스재단술술과학

물리학

[카오스 술술과학] 도대체! 빛이란 무엇일까?

거울 속의 자신을 바라볼 때 우리는 그것이 실체가 아닌 빛이라는 허상임을 직감합니다. 일상에서 접하는 대부분의 사물은 질량을 가진 물질이지만, 빛은 질량이 없는 독특한 존재입니다. 질량이 없는데 어떻게 존재할 수 있는지 의문이 생길 수 있지만, 소리가 공기의 진동을 통해 에너지를 전달하는 파동인 것처럼 빛 역시 에너지를 실어 나르는 파동의 형태로 존재합니다. 즉, 빛은 물리적인 질량 대신 에너지를 통해 자신의 존재를 드러내며 우리 주변의 세상을 밝히고 정보를 전달하는 역할을 수행합니다. 빛이 파동이라면 도대체 무엇이 진동하는 것일까요? 소리가 공기를, 파도가 물을 매질로 삼아 진동하듯 빛은 전기장과 자기장이 서로 교차하며 진동하며 앞으로 나아갑니다. 이러한 특성 때문에 과학적으로 빛은 '전자기파'라고 불립니다. 19세기 맥스웰 방정식을 통해 우리가 눈으로 보는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파라는 거대한 가족의 일원임을 밝혀냈습니다. 이처럼 빛은 단순한 시각적 현상을 넘어 우주를 구성하는 전자기적 상호작용의 핵심적인 결과물이라고 할 수 있습니다. 빛의 탄생은 미시 세계의 주인공인 전자의 움직임에서 시작됩니다. 전기를 띤 입자인 전자가 가속 운동을 하거나 진동할 때 전자기파가 발생하며, 이 파동이 우리 눈 망막의 전자를 다시 진동시킴으로써 우리는 비로소 빛을 지각하게 됩니다. 결국 우리가 경험하는 거시 세계의 수많은 현상은 미시 세계에서 전자와 빛이 주고받는 정교한 상호작용의 결과입니다. 빛은 아주 작은 미시 세계와 우리가 살아가는 거시 세계를 이어주는 정보의 메신저로서, 우주의 비밀을 우리에게 전달하는 중요한 통로가 되어줍니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[강연] 우미우미 : 우주의 미래, 우리의 미래 (3) _ by임명신 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 9강 | 9강 ③

우주는 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질 너머의 거대한 신비로 가득 차 있습니다. 그중에서도 암흑 물질과 암흑 에너지는 현대 천문학의 가장 큰 화두입니다. 암흑 물질은 보이지 않지만 강력한 중력을 통해 은하단의 형태를 유지하는 보이지 않는 손과 같은 역할을 합니다. 반면, 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 척력으로 작용하며 우주 전체 에너지의 상당 부분을 차지하고 있습니다. 이 두 존재는 이름은 비슷하지만, 하나는 끌어당기는 물질이고 다른 하나는 밀어내는 에너지라는 점에서 본질적으로 상반된 성질을 지니고 있습니다. 암흑 물질의 정체를 밝히기 위한 인류의 노력은 다각도로 진행되고 있습니다. 액시온이나 윔프와 같은 미지의 입자부터 블랙홀이나 콤팩트한 천체인 마초(MACHO)까지 다양한 가설이 제시되었습니다. 과학자들은 중력 렌즈 현상이나 입자 충돌 시 발생하는 감마선을 관측하며 그 실체를 추적해 왔습니다. 비록 아직 결정적인 증거를 확보하지는 못했지만, 한국의 기초과학연구원(IBS)을 비롯한 전 세계 연구진은 직접 탐색 장치를 통해 이 보이지 않는 유령 입자를 포착하기 위해 정밀한 실험을 이어가고 있습니다. 암흑 에너지는 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어 점점 더 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 통해 그 존재가 드러났습니다. 이는 아인슈타인 방정식에 도입했던 우주 상수와도 깊은 연관이 있습니다. 진공 자체가 에너지를 가지고 있다는 진공 에너지 가설은 암흑 에너지의 가장 유력한 후보로 꼽힙니다. 현대 우주론은 이제 우주가 무엇으로 구성되어 있는지를 넘어, 암흑 에너지가 우주의 거대 구조를 어떻게 변화시키고 미래를 결정짓는지 탐구하는 정밀 과학의 시대로 접어들었습니다. 우주에 대한 대중적인 오해 중 하나는 우주 팽창의 중심이 존재할 것이라는 생각입니다. 하지만 우주는 모든 방향으로 균일하게 팽창하며 특정한 중심점을 갖지 않습니다. 또한 우주가 팽창한다고 해서 태양계 내의 행성 간 거리까지 멀어지는 것은 아닙니다. 이는 국소적인 영역에서는 물질 사이의 중력이 우주 팽창의 힘보다 훨씬 강력하게 작용하기 때문입니다. 이러한 사실들은 우리가 직관적으로 이해하기 어려운 우주의 광활함과 물리 법칙의 정교함을 다시 한번 일깨워 줍니다. 중력파는 아인슈타인이 1916년 일반 상대성 이론을 통해 예견한 시공간의 물결입니다. 거대한 천체가 충돌하거나 폭발할 때 발생하는 이 파동을 실제로 검출하기까지는 무려 100년이라는 시간이 걸렸습니다. 초기에는 아인슈타인 본인조차 그 존재를 확신하지 못하거나 검출 가능성에 회의적이기도 했습니다. 하지만 수많은 과학자의 집념과 기술적 진보를 통해 레이저 간섭계라는 정밀한 장치가 탄생했고, 마침내 2015년 인류는 블랙홀 충돌에서 발생한 중력파를 포착하며 우주를 보는 새로운 눈을 갖게 되었습니다. 중력파의 발견은 단순히 이론의 증명을 넘어 천문학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이전까지는 빛으로만 우주를 관측할 수 있었기에 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀의 존재는 추측의 영역에 머물러 있었습니다. 그러나 중력파는 블랙홀의 병합 과정을 직접적으로 증명해 냈으며, 중성자별의 충돌 현상인 킬로노바를 관측하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 우주에서 금과 같은 무거운 원소들이 어떻게 생성되었는지 밝혀내는 등 연금술과도 같은 우주의 비밀을 푸는 열쇠가 되었습니다. 기초 과학의 발견이 당장 우리 삶에 경제적 이득을 가져다주는 것은 아닙니다. 하지만 과거 뉴턴의 물리 법칙이 산업 혁명의 토대가 되고 아인슈타인의 상대성 이론이 GPS 기술의 근간이 되었듯, 중력파와 암흑 우주에 대한 연구는 미래 인류에게 상상할 수 없는 혜택을 제공할 것입니다. 우주의 기원과 구조를 이해하려는 끊임없는 탐구는 인류의 지적 지평을 넓히는 동시에, 우리가 살고 있는 이 거대한 세계에 대한 경외심을 불러일으킵니다. 과학은 그렇게 보이지 않는 것을 증명하며 미래를 설계하고 있습니다.

오정근, 임명신, 황호성

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 과학에서 '본다'는 것은 무엇인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 1부 2강 | 1부 ②

과학에서 '본다'는 개념은 단순히 시각적 정보를 수용하는 단계를 넘어 실체적 진실을 탐구하는 과정으로 확장되었습니다. 과거에는 육안으로 확인 가능한 것만을 존재의 증거로 삼았으나, 현대 물리학은 보이지 않는 미시 세계와 거대 우주를 탐구하며 인식의 지평을 넓혔습니다. 이제 본다는 것은 빛의 파장을 이용한 직접적인 관찰을 넘어, 다양한 물리적 상호작용을 통해 대상의 정보를 추출하고 해석하는 고도의 지적 활동으로 정의됩니다. 원자와 같은 미시 입자는 빛의 파장보다 작아 원리적으로 가시광선으로는 볼 수 없습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 X선이나 전자빔을 활용하여 원자의 정보를 시각화하는 방식을 고안했습니다. 이는 인간의 생물학적 한계를 기술적 도구로 보완한 사례입니다. 중성미자나 블랙홀처럼 전자기 상호작용을 하지 않거나 신호를 주지 않는 존재들 역시, 그들이 주변에 미치는 영향이나 약한 상호작용을 포착함으로써 간접적으로 '보는' 것이 가능해졌습니다. 현대 입자 물리학에서 힉스 보존과 같은 입자를 관측할 때, 과학자들이 실제로 마주하는 것은 화려한 이미지가 아니라 검출기에서 발생하는 전기적 신호와 숫자 데이터입니다. 대중에게 공개되는 입자 궤적 그림은 이해를 돕기 위한 시각적 재구성에 불과하며, 과학적 본질은 오차가 적은 데이터를 정확하게 정의하고 추출하는 데 있습니다. 즉, 과학적 관찰의 핵심은 시각적 형상을 만드는 것이 아니라 신뢰할 수 있는 물리적 수치를 확보하는 과정이라 할 수 있습니다. 과학적 관찰에서 도구의 중요성은 갈릴레오의 망원경 사용 이후 결정적인 전환점을 맞이했습니다. 하지만 도구를 통해 본 것이 항상 객관적인 실재를 보장하는 것은 아닙니다. 갈릴레오가 그린 달의 분화구 그림이나 헤켈의 배아 발생도는 관찰자의 이론적 배경이나 믿음이 투영된 결과물이기도 했습니다. 이는 과학적 관찰이 단순히 렌즈를 통해 들어오는 빛을 수동적으로 받아들이는 것이 아니라, 관찰자의 패러다임에 따라 재구성될 수 있음을 시사합니다. 새로운 관측 기구의 신뢰성을 확보하기 위해 과학자들은 '미세 조정(Calibration)'이라는 과정을 거칩니다. 이미 알고 있는 대상을 새로운 기구로 측정하여 기존의 결과와 비교함으로써 기구의 타당성을 검증하는 것입니다. 전자현미경이나 원자현미경으로 얻은 이미지가 실제 미시 세계의 모습이라고 확신할 수 있는 이유는, 이러한 엄밀한 조작과 검증 과정이 뒷받침되기 때문입니다. 따라서 과학적 '봄'은 기구와 이론, 그리고 실험적 조작이 결합된 복합적인 산물입니다. DNA의 이중나선 구조나 뇌 영상 이미지(fMRI)는 일반인의 눈에는 모호한 형체로 보일 수 있지만, 훈련된 과학자는 그 안에서 유의미한 패턴을 읽어냅니다. 여기에는 고도의 이론적 해석과 암묵지가 개입됩니다. 특히 뇌 영상의 경우, 특정 부위의 활성화는 복합적인 데이터 처리와 해석 과정을 거쳐 도출된 결과물입니다. 이처럼 과학적 이미지는 있는 그대로의 자연을 비추는 거울이라기보다, 이론이라는 렌즈를 통해 정제된 지식의 표현에 가깝습니다. 결국 과학에서 본다는 것은 인간이라는 생물학적 존재가 가진 한계를 극복하려는 끊임없는 시도입니다. 과학자들은 데이터의 객관성을 추구하면서도, 동시에 직접 보고 싶어 하는 인간 본연의 욕구를 지니고 있습니다. 관찰의 과정에는 이론적 합의와 사회적 검증, 그리고 과학자들의 인내와 논쟁이 수반됩니다. 과학적 발견은 자연이 스스로 드러내는 것이 아니라, 인간이 정교한 도구와 이론을 통해 자연과 대화하며 얻어낸 값진 해석의 결과입니다.

이강영, 홍성욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 빛의 역사 : 슈뢰딩거의 고양이 by김상욱 | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 3부 | 3부 ②

양자역학의 세계는 우리가 일상에서 경험하는 상식과는 전혀 다른 방식으로 작동합니다. 전자를 이용한 이중 슬릿 실험을 예로 들면, 우리가 전자가 어느 구멍을 지나는지 관측할 때는 입자처럼 행동하여 두 줄의 무늬를 남기지만, 관측하지 않을 때는 파동처럼 행동하여 간섭 무늬를 만들어냅니다. 이는 측정이라는 행위가 대상의 상태에 직접적인 영향을 미친다는 기이한 사실을 보여줍니다. 관측하기 전의 전자는 특정한 위치에 있는 것이 아니라 여러 가능성이 중첩된 상태로 존재하며, 오직 관측하는 순간에만 하나의 결과로 결정되는 것입니다. 코펜하겐 해석은 이 기이한 현상을 설명하기 위해 세상을 두 영역으로 나눕니다. 원자와 전자들이 사는 미시적인 양자 세계와 우리처럼 커다란 물체들이 사는 거시 세계가 그것입니다. 양자 세계에서는 동시에 두 개의 구멍을 지나는 것과 같은 중첩 상태가 가능하지만, 거시 세계의 관측자가 이를 측정하는 순간 우리는 오직 하나의 결과만을 보게 됩니다. 하지만 우리 몸 또한 결국 원자로 이루어져 있다는 점을 생각하면, 거시 세계와 미시 세계 사이에 명확한 경계가 어디인지에 대한 근본적인 의문이 생길 수밖에 없습니다. 슈뢰딩거의 고양이 역설은 이러한 경계의 모호함을 극적으로 보여줍니다. 상자 안의 고양이가 양자 상태에 따라 살아있으면서 동시에 죽어있을 수 있다는 설정은 상식적으로 받아들이기 어렵습니다. 물리학자들은 이를 '결어긋남(Decoherence)'이라는 개념으로 설명합니다. 측정을 위해 반드시 지성을 가진 관측자가 필요한 것은 아닙니다. 양자 시스템이 주변의 공기 분자 하나와만 부딪혀도 위치 정보가 노출되며 중첩 상태가 깨지기 때문입니다. 즉, 거시 세계의 물체들은 주변 환경과 끊임없이 상호작용하기 때문에 양자적 특성을 유지하기가 매우 어렵습니다. 양자역학은 단순히 추상적인 이론에 머물지 않고 현대 문명의 근간을 이루고 있습니다. 우리가 숨 쉬는 공기 중의 분자들이 결합하는 방식이나 반도체 속 전자의 흐름은 모두 양자역학적 중첩 원리로 설명됩니다. 이제 인류는 이 원리를 이용해 정보 처리의 혁명을 꿈꾸고 있습니다. 0과 1을 동시에 가질 수 있는 양자 컴퓨터는 수많은 데이터를 한꺼번에 처리함으로써 기존 컴퓨터와는 비교할 수 없는 속도를 제공할 것입니다. 이는 마치 전자가 두 구멍을 동시에 지나듯, 모든 가능성을 동시에 탐색하는 양자역학의 힘을 실생활에 구현하는 과정입니다. 더 나아가 양자역학은 다세계 해석이라는 철학적 질문을 던집니다. 관측자가 측정하는 순간 우주가 여러 갈래로 나뉘어 모든 가능성이 각기 다른 우주에서 실현된다는 생각입니다. 비록 공상과학 소설처럼 들릴지 모르지만, 이는 양자역학의 수학적 결과를 논리적으로 끝까지 밀어붙였을 때 도달하게 되는 결론 중 하나입니다. 양자역학은 우리가 발을 딛고 있는 이 우주가 얼마나 괴상하고도 경이로운 곳인지를 끊임없이 일깨워줍니다. 이 기이한 진실을 받아들이고 탐구하는 과정에서 인류는 우주의 본질에 한 걸음 더 다가서며 새로운 문명의 지평을 열어가고 있습니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (5) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ⑤

우리가 살아가는 거시 세계와 눈에 보이지 않는 미시 세계를 나누는 명확한 기준은 존재하지 않습니다. 보통 인간의 맨눈으로 식별할 수 없는 원자나 분자의 영역을 미시 세계라고 부르며, 이곳에서는 우리가 익히 알고 있는 고전 물리학의 법칙이 더 이상 통용되지 않습니다. 미시 세계는 단순히 크기가 작은 영역을 넘어, 인간이 평생 쌓아온 시각적 경험과 상식이 통하지 않는 낯설고 새로운 물리적 법칙이 지배하는 공간입니다. 따라서 이 세계를 이해하기 위해서는 기존의 편견을 버리고 자연 그 자체의 모습을 있는 그대로 받아들이는 태도가 필요합니다. 과학자들은 남들이 보지 못하는 새로운 세계를 탐구하며 형언할 수 없는 감동을 느낍니다. 국가나 기업의 지원을 받아 정교한 장비를 만들고, 이를 통해 인류 역사상 누구도 본 적 없는 단분자의 형광 이미지를 포착하는 과정은 마치 미지의 영역을 촬영하는 셀카와도 같습니다. 어두운 실험실에서 모니터를 통해 빛나는 단분자를 마주할 때, 과학자들은 수십억 명의 인구가 수천 년 동안 세어야 할 만큼 방대한 존재들 속에서 단 하나의 본질을 찾아냈다는 희열을 느낍니다. 이러한 소소하면서도 거창한 즐거움이 바로 과학을 지속하게 하는 강력한 원동력이 됩니다. 초고해상도 형광 현미경 기술이 노벨 화학상을 받은 이유는 물리적인 회절 한계를 화학적 방법으로 극복했기 때문입니다. 단순히 성능이 좋은 기계를 만든 것을 넘어, 형광 물질의 성질을 이용해 빛을 조절함으로써 100년 넘게 불가능하다고 여겨졌던 벽을 허물었다는 점이 핵심입니다. 이는 기술적 진보가 새로운 과학적 발견을 이끄는 결정적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 사례입니다. 이처럼 화학적 원리를 통해 물리적 법칙의 한계를 뛰어넘는 시도는 인류가 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 변화시켰으며, 의학이나 생명 과학 등 다양한 분야의 발전을 이끄는 토대가 되었습니다. 양자역학은 등장한 지 100년이 다 되어가며 이론적으로는 많은 정리가 이루어졌지만, 여전히 인간의 직관으로는 이해하기 어려운 영역입니다. 우리가 거시 세계에서의 경험에만 익숙해져 있기 때문에 미시 세계의 현상들이 낯설게 느껴지는 것은 당연한 결과입니다. 현대 과학에서 양자역학은 그 자체의 옳고 그름을 따지기보다, 이를 활용하여 다양한 자연 현상을 연구하는 도구로 널리 사용되고 있습니다. 존재의 유무를 묻는 인식론적 질문들은 여전히 학문적 호기심을 자극하며, 측정의 한계를 넘어서려는 끊임없는 시도들은 우리가 인지할 수 있는 우주의 범위를 조금씩 넓혀가고 있습니다. 미시 세계를 탐구하는 것은 마치 우주선을 타고 전혀 다른 차원의 우주로 여행을 떠나는 것과 같습니다. 우리가 알고 있는 거대한 우주와는 또 다른 질서가 존재하는 이 작은 우주는 과학자들에게 무한한 영감과 즐거움을 선사합니다. 사물을 바라보는 시각을 조금씩 바꾸어 나갈 때 우리가 인지하는 세상의 스펙트럼은 더욱 넓어지며, 생각의 범주 또한 확장될 수 있습니다. 아주 작은 것들의 눈으로 세상을 바라보는 경험은 결국 인간과 자연의 본질을 더 깊이 이해하게 해줍니다. 이러한 탐구의 여정은 앞으로도 계속될 것이며, 우리를 더욱 놀라운 진리의 세계로 안내할 것입니다.

김성근, 심상희

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 물질의 기원 by김성근 | 2015 여름 카오스 콘서트 '기원 Origin' 2강 | 2강

우주의 기원을 탐구하다 보면 우리는 필연적으로 물질의 기원과 마주하게 됩니다. 138억 년 전 빅뱅의 순간, 현재 우리 몸을 구성하는 수소 원자핵들이 탄생했다는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 우리는 단순히 수십 년을 산 존재가 아니라, 우주의 시작과 함께 태어난 유구한 역사의 산물인 셈입니다. 이러한 관점은 인간을 포함한 모든 생명체가 우주라는 거대한 흐름 속에서 어떻게 형성되었는지 이해하는 중요한 출발점이 됩니다. 물질은 질량을 가지고 있으며 더 작은 입자들로 이루어진 다층적인 구조를 지닙니다. 마치 러시아 인형(마트료시카)처럼, 물질을 쪼개면 분자가 나오고, 이를 다시 나누면 원자와 원자핵, 그리고 궁극적으로는 소립자인 쿼크에 도달하게 됩니다. 과학자들은 이 보이지 않는 미시 세계의 구성 요소들이 어떻게 결합하여 우리 눈에 보이는 거시적인 세상을 만들어내는지 연구하며, 우주의 내용물을 채우는 물질의 본질을 파헤치고 있습니다. 우주에는 물질뿐만 아니라 그에 대응하는 반물질도 존재할 수 있다는 대칭성의 원리가 숨어 있습니다. 입자와 반입자가 만나면 서로 소멸하며 거대한 에너지를 빛의 형태로 방출하는데, 이는 아인슈타인의 상대성 이론인 질량-에너지 등가 원리로 설명됩니다. 우리가 관찰하는 우주는 대부분 일반적인 물질로 이루어져 있지만, 보이지 않는 우주 저편에는 반물질로 구성된 또 다른 세계가 존재할지도 모른다는 상상은 현대 물리학의 흥미로운 화두 중 하나입니다. 빅뱅 직후의 초기 우주는 상상을 초월할 정도로 뜨겁고 에너지가 응축된 상태였습니다. 하지만 우주가 팽창하면서 온도가 급격히 낮아졌고, 이 과정에서 에너지는 입자로 응축되기 시작했습니다. 수증기가 식어 물방울이 맺히듯, 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자가 되고, 다시 전자가 붙어 안정적인 원자가 형성되었습니다. 이러한 냉각과 응축의 과정은 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어, 생명으로 나아가는 물질적 토대를 마련한 결정적인 사건이었습니다. 원자들이 서로 결합하여 분자를 형성하는 과정은 마치 개인이 모여 가정을 이루는 것과 비슷합니다. 주기율표상의 100여 개 원소는 컴퓨터 키보드의 자판과 같아서, 이들을 어떻게 조합하느냐에 따라 수억 가지의 화학적 특성을 지닌 물질이 탄생합니다. 분자 상태가 되어서야 비로소 고유한 화학적 성질이 나타나며, 이러한 다양성은 우주가 단순한 원소의 집합을 넘어 복잡하고 정교한 화학적 진화의 단계로 진입했음을 의미합니다. 생명의 설계도인 DNA를 구성하는 염기들이 특정 종류로 제한된 이유는 분자의 안정성 때문입니다. 아데닌과 같은 염기는 빛 에너지를 받아 들뜬 상태가 되어도 금방 평정심을 되찾아 원래의 안정된 상태로 돌아오는 성질이 있습니다. 만약 쉽게 흥분하고 변하는 분자가 유전 정보를 담았다면, 생명은 외부 자극에 의해 끊임없이 훼손되었을 것입니다. 자연은 가장 냉철하고 안정적인 분자를 선택함으로써 수억 년 동안 생명의 정보를 안전하게 보존해 왔습니다. 단백질을 이루는 아미노산이 왜 모두 왼손잡이 형태인 'L-아미노산(왼손잡이형)'인지는 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 실험실에서는 왼손과 오른손 형태가 똑같이 만들어지지만, 지구상의 모든 생명체는 오직 한쪽 방향만을 선택했습니다. 이는 초기 우주에서 발생한 아주 미세한 대칭성의 파괴가 진화 과정을 거치며 증폭된 결과일지도 모릅니다. 이처럼 물질의 기원에서 시작된 탐구는 생명의 독특한 비대칭성을 거쳐, 다시 우주의 근원적인 법칙으로 우리를 인도합니다.

김성근

카오스재단카오스콘서트

화학

[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (3) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 & 2부 | 12부

양자역학은 20세기 초 탄생한 놀라운 과학으로, 우리가 사는 거시 세계와는 전혀 다른 미시 세계의 법칙을 다룹니다. 이 기이한 세계를 이해하는 첫걸음은 바로 이중 슬릿 실험입니다. 빛이나 전자와 같은 입자를 두 개의 틈으로 쏘았을 때 나타나는 결과는 우리의 상상을 초월합니다. 입자라면 두 줄의 흔적을 남겨야 마땅하지만, 실제로는 여러 개의 줄무늬인 간섭무늬가 나타납니다. 이는 하나의 입자가 파동처럼 행동하며 두 슬릿을 동시에 통과했음을 시사하며, 고전적인 물리학의 상식을 완전히 뒤엎는 충격적인 결과로 다가옵니다. 더욱 황당한 점은 우리가 이 입자가 어느 슬릿을 통과하는지 관측하려 할 때 발생합니다. 측정기를 설치해 입자의 경로를 확인하는 순간, 신기하게도 파동의 증거였던 간섭무늬가 사라지고 입자 특유의 두 줄무늬만 남게 됩니다. 이는 관측이라는 행위 자체가 대상의 상태를 결정짓는다는 것을 의미합니다. 즉, 자연은 우리가 보지 않을 때는 확률적인 파동으로 존재하다가, 누군가 지켜보는 순간 하나의 실체로 확정되는 셈입니다. 이러한 현상은 객관적 관측이 불가능하다는 양자역학의 핵심적인 원리를 잘 보여줍니다. 이러한 확률적 해석은 당대 최고의 천재였던 아인슈타인에게 큰 혼란을 주었습니다. 그는 우주가 정해진 법칙에 따라 움직여야 한다고 믿었기에, 확률에 의존하는 양자역학을 불완전한 학문이라 생각했습니다. 반면 닐스 보어는 불확정성 원리를 바탕으로 자연의 본질 자체가 확률적이라고 주장했습니다. 두 학자는 치열한 논쟁을 벌였으나, 현대 과학의 수많은 실험 결과는 결국 보어의 손을 들어주었습니다. 오늘날 물리학자들은 아인슈타인의 위대함을 인정하면서도, 미시 세계의 진실은 보어가 주장한 불확정성에 있음을 받아들이고 있습니다. 그렇다면 이토록 신비로운 빛은 본질적으로 어디에서 오는 것일까요? 그 해답은 전하를 띤 입자인 전자의 움직임에 있습니다. 전자가 진동하거나 가속 운동을 할 때 전자기파, 즉 빛이 발생하게 됩니다. 소리가 물체의 진동을 통해 전달되듯, 빛은 미시 세계에서 전자가 춤을 추며 만들어내는 신호인 셈입니다. 태양 빛부터 우리가 사용하는 조명, 그리고 통신에 쓰이는 전파에 이르기까지 모든 빛은 전자의 운동에서 비롯됩니다. 결국 우리가 보고 느끼는 세상의 모든 정보는 미시 세계의 전자가 우리에게 보내는 전령이라고 할 수 있습니다. 인류는 맥스웰 방정식, 플랑크 공식, 파인만 다이어그램 등을 통해 빛의 본질을 이해하려 노력해 왔습니다. 이 과정에서 탄생한 단어가 바로 입자와 파동의 성질을 동시에 지닌다는 의미의 '웨이비클'입니다. 빛은 단순히 밝음을 주는 존재를 넘어, 미시 세계와 거시 세계를 이어주는 중요한 매개체입니다. 양자역학이 제시하는 불확정적인 확률의 세계는 처음에는 낯설고 당혹스럽게 느껴질 수 있습니다. 하지만 그 이면에 숨겨진 정교한 법칙과 아름다움을 발견할 때, 우리는 비로소 우주의 신비를 여는 진정한 암호에 한 걸음 더 다가서게 됩니다.

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[강극] 빛과 양자역학 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (4)

우리는 흔히 무질서 속에서 질서를 찾으려 노력하지만, 가장 단순한 것에서 어떻게 복잡한 존재가 탄생했는지를 살피는 과정 또한 매우 매력적입니다. 쿼크와 전자 같은 미세한 입자들이 모여 분자를 이루고, 마침내 생명체라는 경이로운 구조를 만들어내는 과정은 현대 과학의 핵심적인 질문 중 하나입니다. 이 거대한 여정의 중심에는 미시 세계와 거시 세계를 연결하는 신의 전령인 '빛'이 자리하고 있습니다. 빛은 아주 작은 세계의 가능성을 우리 눈앞의 찬란한 현실로 이어주는 중요한 역할을 수행합니다. 양자역학은 20세기 초에 등장하여 우리가 세상을 바라보는 방식을 완전히 뒤바꾸어 놓았습니다. 여기서 '양자'란 에너지가 무한히 나누어지는 것이 아니라, 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위의 알갱이로 존재한다는 것을 의미합니다. 에너지는 매끄러운 비탈길이 아니라 계단처럼 불연속적인 형태로 존재하며, 이를 '양자화'되었다고 표현합니다. 이러한 발견은 고전 역학의 상식을 깨뜨리는 양자역학의 출발점이 되었으며, 미시 세계가 우리가 경험하는 거시 세계와는 전혀 다른 법칙으로 움직인다는 사실을 일깨워 주었습니다. 빛의 본질을 밝히기 위한 여정에서 가장 상징적인 실험은 바로 이중 슬릿 실험입니다. 1801년 토마스 영은 두 개의 틈을 통과한 빛이 스크린에 여러 개의 줄무늬, 즉 간섭무늬를 만드는 것을 확인하며 빛이 파동임을 증명했습니다. 파동은 서로 겹치거나 상쇄되면서 독특한 무늬를 만들어내는데, 이는 빛이 공간을 가로질러 퍼져나가는 성질을 가졌음을 보여주는 결정적인 증거였습니다. 이후 맥스웰 방정식이 더해지며 빛이 파동이라는 사실은 과학계의 확고한 정설로 받아들여지게 되었습니다. 하지만 아인슈타인이 광전 효과를 발표하면서 상황은 반전되었습니다. 금속판에 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 현상은 빛을 파동이 아닌 입자의 충돌로 해석해야만 설명이 가능했기 때문입니다. 결국 빛은 파동의 성질과 입자의 성질을 동시에 지닌 기묘한 존재임이 밝혀졌습니다. 이를 '빛의 이중성'이라 부르며, 파동(Wave)과 입자(Particle)를 합친 '웨이비클(Wavicle)'이라는 개념으로 설명하기도 합니다. 이러한 이중성은 자연의 배후에 숨겨진 강력하고도 오묘한 원리를 상징합니다. 놀랍게도 이중성은 빛에만 국한된 현상이 아닙니다. 드브로이는 빛뿐만 아니라 전자나 분자 같은 물질 또한 파동의 성질을 가질 수 있다는 '물질파' 이론을 제시했습니다. 실제로 전자를 하나씩 쏘아 보내는 이중 슬릿 실험에서도 간섭무늬가 나타났으며, 심지어 탄소 60개로 이루어진 거대 분자인 풀러렌조차 파동처럼 행동한다는 사실이 확인되었습니다. 이는 하나의 입자가 동시에 두 개의 슬릿을 통과하는 것과 같은 중첩 상태로 존재할 수 있음을 시사하며, 미시 세계의 물질이 우리의 상식을 초월하여 움직인다는 것을 보여줍니다. 양자역학의 가장 당혹스러운 지점은 관측이 대상의 상태를 결정한다는 사실입니다. 입자가 어느 슬릿을 통과하는지 관측하기 위해 측정기를 설치하는 순간, 신기하게도 파동의 증거인 간섭무늬가 사라지고 입자처럼 두 줄의 무늬만 남게 됩니다. 이는 우리가 자연을 있는 그대로 객관적으로 관측하는 것이 불가능하며, 관측 행위 자체가 미시 세계의 상태를 변화시킨다는 것을 의미합니다. 결국 우리는 입자가 어디에 존재할지를 확률적으로만 묘사할 수 있을 뿐이며, 자연의 맨얼굴은 관측이라는 장막 뒤에 숨어 있습니다. 아인슈타인은 신이 주사위 놀이를 하지 않는다며 이러한 확률적 해석을 거부했지만, 오늘날의 과학은 보어의 손을 들어주었습니다. 빛은 전하를 띤 입자가 가속 운동을 할 때 발생하는 전자기파이며, 전자의 춤이 빛을 만들고 빛이 다시 전자를 춤추게 함으로써 우리가 세상을 인식하게 합니다. 중력과 원자핵 내부의 사건을 제외한 거의 모든 자연 현상은 결국 빛과 전자의 상호작용으로 설명됩니다. 빛은 미시 세계의 정보를 거시 세계로 전달하는 전령으로서, 우주의 복잡한 질서를 유지하는 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다.

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물리학

[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (1) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 | 1부 ①

우리는 매일 빛과 함께 살아가면서도 그 본질에 대해 깊이 고민하지 않는 경우가 많습니다. 빛은 단순히 앞을 보게 해주는 도구를 넘어, 우주의 비밀을 담고 있는 신비로운 존재입니다. 과학의 역사에서 빛이 물질인지 아니면 파동인지에 대한 논쟁은 매우 오랫동안 이어져 왔습니다. 소리가 공기의 진동을 통해 전달되는 파동인 것처럼, 빛 역시 에너지를 실어 나르는 파동의 성질을 지니고 있습니다. 하지만 빛은 소리와 달리 공기 같은 매질이 없는 진공 상태에서도 스스로 진동하며 나아갈 수 있다는 독특한 특징을 가집니다. 빛이 매질 없이 나아갈 수 있는 이유는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진동하기 때문입니다. 이러한 빛의 성질을 가장 완벽하고 아름답게 표현한 것이 바로 맥스웰 방정식입니다. 1865년에 발표된 이 수식은 복잡한 빛의 움직임을 단 몇 줄의 기호로 정리하여 인류에게 자연의 질서를 이해하는 새로운 기틀을 제공했습니다. 맥스웰은 계산을 통해 전자기파의 속도가 빛의 속도와 일치한다는 사실을 밝혀냈고, 이를 통해 우리가 보는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파라는 하나의 가족임을 증명했습니다. 맥스웰 방정식은 단순한 이론적 발견에 그치지 않고 현대 문명을 지탱하는 핵심적인 토대가 되었습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 무선 통신부터 텔레비전 방송, 그리고 다양한 전자기기들은 모두 이 방정식이 있었기에 탄생할 수 있었습니다. 아인슈타인의 상대성 이론조차 맥스웰의 연구가 없었다면 세상에 나오지 못했을 것이라고 평가받을 만큼 그 영향력은 막대합니다. 빛의 성질을 수학적으로 해독해낸 이 위대한 업적은 인류가 자연의 근본 원리를 이해하는 데 있어 가장 중요한 이정표 중 하나로 남아 있습니다. 하지만 빛의 정체는 파동만으로 모두 설명되지 않습니다. 리처드 파인만과 같은 현대 물리학자들은 빛이 입자로 구성되어 있다는 사실을 강조했습니다. 이를 증명하는 대표적인 장치가 바로 광전 증폭기입니다. 빛을 쪼였을 때 파동처럼 완만하게 반응하는 것이 아니라, 마치 작은 알갱이가 부딪히는 것처럼 '딱' 하는 소리를 내며 반응하는 현상은 빛이 입자임을 보여주는 강력한 증거입니다. 과학자들은 이러한 빛의 입자를 '광자'라고 부르며, 빛의 세기가 강해진다는 것은 광자의 에너지가 커지는 것이 아니라 광자의 개수가 많아지는 것임을 밝혀냈습니다. 놀랍게도 인간의 몸에는 빛의 입자를 감지할 수 있는 정교한 생물학적 장치가 존재하는데, 그것이 바로 우리의 눈입니다. 생명 진화의 역사 속에서 삼엽충으로부터 시작된 시각의 발달은 약 5억 5천만 년이라는 긴 시간을 거쳐 지금의 복잡한 구조를 갖추게 되었습니다. 빛이라는 자연의 신호를 받아들이기 위해 우리 몸은 아주 오랜 시간 동안 스스로를 다듬어온 셈입니다. 이러한 진화의 결과로 우리는 아주 희미한 빛조차 놓치지 않고 세상을 선명하게 바라볼 수 있게 되었습니다.

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[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (2) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 | 1부 ②

광전 효과는 금속판에 빛을 쬐었을 때 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다. 흥미로운 점은 빛의 세기를 아무리 강하게 해도 전자가 나오지 않는 경우가 있다는 것입니다. 이는 빛이 단순히 에너지를 전달하는 파동이 아니라, 특정한 에너지를 가진 입자로서 작용하기 때문입니다. 아인슈타인은 빛을 '광자'라는 입자로 정의하며 이 현상을 명쾌하게 설명해 냈고, 그 공로로 1921년 노벨 물리학상을 받았습니다. 당시 정설이었던 빛의 파동설로는 도저히 이해할 수 없었던 이 현상은 현대 물리학의 새로운 문을 여는 결정적인 계기가 되었습니다. 빛의 에너지는 진폭이 아니라 진동수에 비례한다는 사실은 막스 플랑크의 공식을 통해 구체화되었습니다. 에너지는 플랑크 상수와 진동수의 곱으로 결정되는데, 이는 파장이 짧을수록 광자 하나의 에너지가 더 강력하다는 것을 의미합니다. 아서 왕이 바위에서 엑스칼리버를 뽑는 전설처럼, 수만 명의 평범한 사람이 달려드는 것보다 단 한 명의 강력한 영웅이 필요한 것과 같습니다. 즉, 빛의 세기가 강한 것보다 단 하나의 광자라도 충분한 에너지를 가지고 있어야 전자를 튕겨낼 수 있는 것입니다. 이러한 입자적 관점은 빛의 본질을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 하지만 빛을 입자로만 규정하기에는 설명하기 어려운 현상들이 존재합니다. 대표적인 것이 바로 빛의 간섭 현상입니다. 두 개의 파동이 만나면 서로 겹쳐져 더 커지기도 하고, 반대로 어긋나서 서로를 상쇄해 사라지게 만들기도 합니다. 이는 일반적인 물질 입자에서는 일어날 수 없는 파동만의 고유한 특징입니다. 토마스 영의 이중 슬릿 실험은 빛을 쏘았을 때 뒷면에 간섭 무늬가 나타나는 것을 보여줌으로써 빛이 파동임을 결정적으로 증명했습니다. 빛이 입자라면 두 줄의 무늬만 남아야 하지만, 실제로는 물결처럼 퍼져나가며 복잡한 무늬를 만들어낸 것입니다. 이러한 파동의 간섭은 우리 주변의 자연에서도 아름다운 모습으로 관찰됩니다. 비눗방울이나 기름막에서 보이는 무지개색, 그리고 모르포나비의 신비로운 파란색이 그 예입니다. 모르포나비의 날개에는 파란색 색소가 전혀 없지만, 날개의 미세한 층상 구조에서 반사된 빛들이 서로 간섭을 일으켜 선명한 파란색을 만들어냅니다. 이를 '구조색'이라고 부르며, 공작새의 깃털이나 진주에서도 발견됩니다. 빛이 파동으로서 서로 부딪히고 겹쳐지는 과정이 없었다면, 우리는 자연이 선사하는 이토록 경이롭고 다채로운 색채의 향연을 결코 경험할 수 없었을 것입니다. 결국 빛은 입자와 파동이라는 두 가지 얼굴을 모두 가진 존재입니다. 거시적인 세계에서는 파동의 성질이 두드러지고, 미시적인 세계에서는 입자의 성질이 나타나는 이중성을 띠고 있습니다. 현대 물리학은 이를 '웨이비클(Wavicle)'이라는 합성어로 표현하기도 합니다. 우리가 빛을 이해하기 어려운 이유는 입자와 파동을 상호 배타적인 개념으로 보는 인간의 선입견 때문일지도 모릅니다. 자연은 그 자체로 입자이자 파동인 상태를 유지하고 있으며, 이러한 이중성을 있는 그대로 받아들이는 태도야말로 우주의 근본적인 원리에 다가가는 가장 자연스러운 방법입니다.

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[강연] 빛에 관한 모든 것_패널토크 (1) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 3부 | 3부 ③

빛은 우리 존재의 근원이자 우주를 이해하는 가장 중요한 열쇠입니다. 천문학적 관점에서 빛은 별의 에너지를 전달하여 생명체를 존재하게 하며, 물리학적으로는 전자기파의 일종인 맥스웰 방정식의 해로 정의됩니다. 단순히 어둠을 밝히는 도구를 넘어, 빛은 파장이 다양한 에너지의 파도와 같아서 우주의 수많은 정보를 담고 있습니다. 우리는 빛을 통해 과거의 우주를 엿보고 현재의 생태계를 유지하며 미래의 과학적 발견을 꿈꿉니다. 20세기 물리학의 혁명은 빛의 이중성을 발견하면서 시작되었습니다. 빛이 파동인 동시에 입자라는 사실은 당시 과학계에 큰 충격을 주었으며, 이는 양자역학이라는 새로운 학문의 토대가 되었습니다. 아인슈타인과 보어 같은 천재 과학자들도 관측 전까지 상태가 결정되지 않는다는 확률론적 해석을 두고 치열하게 논쟁했습니다. 이러한 빛의 야수적인 본성은 현대 과학이 미시 세계를 이해하는 방식에 근본적인 변화를 가져왔으며 여전히 탐구의 대상입니다. 밤하늘의 별빛은 단순한 시각적 즐거움을 넘어 인류의 기원을 알려주는 소중한 단서입니다. 우리는 별 내부에서 만들어진 원소들로 구성되어 있기에, 별빛을 연구하는 것은 곧 우리 자신을 이해하는 과정과도 같습니다. 가시광선뿐만 아니라 다양한 파장의 빛을 관측하면 블랙홀이나 먼 은하의 중심부처럼 보이지 않던 우주의 이면을 발견할 수 있습니다. 우주 공간에 퍼져 있는 성간 물질과 성간 먼지는 빛과 상호작용하며 새로운 행성과 생명의 탄생을 준비합니다. 대중문화 속의 빛은 종종 상상력을 자극하는 소재로 등장하지만, 과학적 현실과는 차이가 있습니다. 영화 속 광선검은 빛의 직진성과 멈추지 않는 성질 때문에 구현이 어렵지만, 3차원 입체 영상을 구현하는 홀로그램 기술은 이미 의학이나 안테나 공학 등 다양한 분야에서 실용화되고 있습니다. 빛의 위상 정보를 활용하여 공간의 깊이를 재현하는 홀로그래피는 단순한 시각 효과를 넘어 정밀한 측정과 진단을 가능하게 하는 현대 과학의 중요한 응용 기술로 자리 잡았습니다. 미래의 빛 연구는 외계 생명체의 탐색과 우주의 기원을 밝히는 데 집중될 것입니다. 외계 행성의 대기를 통과하는 별빛의 흡수선을 분석하면 생명 활동의 증거인 유기 분자를 찾아낼 수 있으며, 이는 인류의 오랜 의문을 해결할 열쇠가 될 것입니다. 또한 빅뱅 직후 탄생한 최초의 별들을 관측하여 초기 우주의 변화를 추적하는 도전적인 과제도 남아 있습니다. 빛에서 파생된 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 노력은 물리 법칙의 완전한 이해를 향한 여정입니다.

김상욱, 윤성철, 정애리, 정하웅

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물리학
천문학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (5) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ⑤

우주 초기에는 빛이 자유롭게 나아가지 못하는 불투명한 상태였습니다. 이는 당시 우주가 전하를 띤 입자들이 뒤섞인 플라스마 상태였기 때문입니다. 빛은 전하를 띤 물질과 강하게 반응하여 산란되는 성질이 있어, 전자와 원자핵이 분리된 환경에서는 멀리 퍼지지 못하고 흩어지게 됩니다. 이후 우주가 식으면서 전자와 원자핵이 결합해 중성 상태의 원자가 형성되자 비로소 빛은 방해받지 않고 직진할 수 있게 되었습니다. 마치 안개가 걷히듯 우주가 투명해진 이 사건은 현대 우주론에서 매우 중요한 전환점으로 평가받습니다. 우리가 빛의 방향성을 인식하는 방식은 매우 흥미롭습니다. 빛은 기본적으로 직선으로 나아가는 성질을 지니지만, 경로상에 존재하는 미세한 부유물이나 공기 입자와 충돌하며 모든 방향으로 산란됩니다. 레이저 포인터의 경로가 옆에서도 보이는 이유나 태양이 한쪽에 있음에도 하늘 전체가 푸르게 보이는 현상이 바로 이 산란 때문입니다. 우리 눈은 이렇게 산란되어 도달한 빛을 망막의 세포를 통해 감지하며 사물의 위치와 색을 파악합니다. 즉, 빛은 스스로의 길을 가면서도 주변과 끊임없이 상호작용하며 자신의 존재를 드러내는 셈입니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 빛의 속도가 초속 약 30만 km로 일정하다는 대전제에서 출발합니다. 과거에는 빛의 속도가 무한하다고 믿었으나, 정밀한 측정을 통해 유한한 속도임이 밝혀졌습니다. 놀라운 점은 관찰자가 어떤 속도로 움직이든 빛의 속도는 항상 동일하게 측정된다는 사실입니다. 이 광속 불변의 원리를 유지하기 위해 시간과 공간은 고정된 것이 아니라 상대적으로 변화하게 됩니다. 우리가 일상에서 사용하는 GPS 위성 신호 역시 이러한 시공간의 왜곡을 보정해야만 정확한 위치 정보를 제공할 수 있을 정도로 상대성 이론은 현실에 깊이 관여하고 있습니다. 양자역학의 세계에서 모든 소립자는 입자와 파동의 이중성을 가집니다. 이는 빛뿐만 아니라 전자, 심지어 거대한 질량을 가진 우리 자신에게도 해당되는 원리입니다. 다만 거시 세계에서는 파장이 너무 짧아 그 파동성을 느끼지 못할 뿐입니다. 또한 원자의 내부가 대부분 비어 있음에도 빛이 통과하지 못하는 이유는 전하 간의 강력한 상호작용 때문입니다. 빛은 전하를 띤 전자와 만나면 강하게 반응하여 튕겨 나가거나 흡수되는데, 이러한 미시적인 반응들이 모여 우리가 보는 물질의 불투명함과 색채를 결정하게 됩니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 현대 과학의 결정론적 세계관을 뒤흔든 혁명적인 개념입니다. 과거에는 초기 조건만 완벽히 안다면 미래를 정확히 예측할 수 있다는 '라플라스의 악마' 같은 생각이 지배적이었습니다. 그러나 양자역학은 미시 세계의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정하는 것이 원리적으로 불가능함을 보여주었습니다. 세상은 정해진 궤도를 따라 움직이는 기계가 아니라 확률적인 가능성 속에서 존재합니다. 이러한 불확정성은 단순한 측정의 한계를 넘어, 우주가 본질적으로 예측 불가능한 역동성을 품고 있음을 시사하며 인간의 자유 의지에 대한 철학적 고찰로 이어집니다.

오세정, 우정원, 유정아

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물리학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (4) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ④

20세기가 반도체 시대였다면, 21세기는 빛의 시대라고 불립니다. 전자를 이용해 메모리와 칩을 만들던 시대를 지나, 이제는 광통신, LED 조명, 그리고 디스플레이 산업이 우리 경제와 일상의 중심에 자리 잡았습니다. 빛에 대한 기초적인 이해는 단순한 학문적 탐구를 넘어 산업의 핵심 동력으로 작용하며 인류의 문명을 새롭게 빚어내고 있습니다. 우리는 빛을 통해 정보를 전달하고 세상을 시각화하며 새로운 경제적 가치를 창출하고 있습니다. 과학의 본질은 실용적인 쓸모에만 국한되지 않습니다. 아리스토텔레스가 언급했듯, 지식은 단순히 삶의 유용함을 위해 만들어지는 것이 아니라 모르는 것에 부딪혔을 때 생기는 순수한 호기심에서 시작됩니다. 우리가 살고 있는 세계에 대한 막연한 궁금증을 해결하려는 노력 자체가 과학의 출발점입니다. 이러한 호기심은 인류가 자연을 이해하는 통일된 길을 찾게 하며, 때로는 예술 작품과 같은 추상성과 통일성을 지닌 과학적 결실을 맺게 합니다. 빛의 본질을 규명하려는 노력은 수천 년 동안 입자와 파동이라는 두 개념 사이의 치열한 논쟁을 불러일으켰습니다. 입자로만 설명되지 않는 현상과 파동으로만 이해되지 않는 특성들은 결국 '이중성'이라는 새로운 결론에 도달하게 했습니다. 이는 단순히 애매모호한 타협이 아니라, 양자 세계라는 거대한 영역을 여는 열쇠가 되었습니다. 빛이 입자성과 파동성을 동시에 갖는다는 사실은 현대 물리학이 자연을 바라보는 시각을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 우리가 사용하는 언어는 일상적인 경험을 바탕으로 만들어졌기에, 눈에 보이지 않는 미세한 양자 세계를 설명하는 데 한계가 있습니다. 하이젠베르크는 인간의 언어를 '그물'에 비유하며, 그물코보다 작은 현상은 포착하기 어렵다고 말했습니다. 입자나 파동이라는 표현 역시 우리가 아는 언어로 보지 못하는 세상을 설명하려다 보니 생겨난 비유적 장치일 수 있습니다. 과학은 이러한 언어의 한계를 극복하며 보이지 않는 진실에 다가가려는 끊임없는 도전입니다. 빛은 과학적 대상인 동시에 생명의 근원이자 희망의 상징이기도 합니다. 생명 탄생의 기초가 되는 광합성은 태양의 가시광선 에너지를 바탕으로 이루어지며, 이는 빛이 생명의 원동력임을 보여줍니다. 또한 인간은 시각을 통해 대부분의 정보를 받아들이기에, 어둠을 밝히는 빛은 본능적으로 자신감과 희망을 선사합니다. 과학적으로 분석된 빛의 스펙트럼 안에는 우리가 살아가는 데 필요한 에너지와 정서적인 안정이 모두 담겨 있는 셈입니다. 우주의 역사에서 빛의 등장은 매우 특별한 순간이었습니다. 빅뱅 이후 초기 우주는 엄청난 에너지 덩어리였으나, 빛이 자유롭게 통과할 수 없는 불투명한 상태였습니다. 시간이 흘러 전자와 원자핵이 결합하여 중성 원자가 형성된 후에야 비로소 빛은 우주 전역으로 퍼져나갈 수 있었습니다. '빛이 있으라'는 문구처럼 빛의 확산은 우주의 구조를 드러내고 우리가 관측할 수 있는 세상을 만들었으며, 오늘날 우주 배경 복사라는 흔적으로 남아 있습니다. 현대 과학은 빛을 넘어 보이지 않는 영역인 암흑 물질과 암흑 에너지로 탐구의 범위를 넓히고 있습니다. 실제로 우주에서 우리가 관측할 수 있는 빛의 영역은 극히 일부분에 불과하며, 대다수의 공간은 정체가 밝혀지지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 기존의 이론이 새로운 발견에 의해 수정될 수 있다는 개방적인 태도는 현재의 이중성 개념을 넘어 또 다른 차원의 이해를 가능하게 할 것입니다. 빛에 대한 탐구는 결국 우주의 근원적인 비밀을 푸는 여정으로 이어집니다.

오세정, 우정원, 유정아

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물리학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (3) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ③

19세기 말 물리학계는 뉴턴 역학으로 모든 자연 현상을 완벽히 설명할 수 있다고 믿었습니다. 하지만 분광학의 발전과 미시 세계에 대한 관찰이 시작되면서 기존 이론으로는 설명할 수 없는 현상들이 나타나기 시작했습니다. 특히 원자 단위의 작은 세계에서는 거시 세계의 법칙이 더 이상 통하지 않았고, 이는 새로운 물리학의 탄생을 예고하는 신호탄이 되었습니다. 과학의 발전은 우리가 보지 못했던 영역을 비추며 기존의 완벽해 보이던 체계를 흔들기 시작한 것입니다. 알베르트 아인슈타인은 1905년 광전 효과를 통해 빛이 파동이 아닌 에너지 덩어리, 즉 입자라는 파격적인 주장을 내놓았습니다. 금속판에 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 현상은 빛의 세기가 아닌 진동수에 의존한다는 사실을 밝혀낸 것입니다. 당시 학계는 빛을 파동으로 확신하고 있었기에 그의 이론은 쉽게 받아들여지지 않았습니다. 그러나 이 연구는 훗날 아인슈타인에게 노벨 물리학상을 안겨주었으며, 빛에 대한 인류의 인식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 1923년 콤프턴 효과 실험은 빛의 입자성을 더욱 확고히 했습니다. X선을 금속에 쏘았을 때 산란되는 빛의 진동수가 변하는 현상은 빛과 전자가 마치 당구공처럼 충돌한다는 가정하에서만 설명이 가능했습니다. 이는 빛이 운동량을 가진 입자처럼 행동한다는 결정적인 증거가 되었습니다. 파동 이론으로는 도저히 이해할 수 없었던 이 현상을 통해 과학자들은 빛이 가진 또 다른 얼굴인 '광자'의 존재를 본격적으로 인정하고 받아들이기 시작했습니다. 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 사실은 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나인 '이중성'의 개념을 탄생시켰습니다. 드브로이는 빛뿐만 아니라 전자와 같은 입자들도 파동의 성질을 가질 수 있다는 혁신적인 아이디어를 제시했습니다. 이는 우리가 사는 거시 세계의 상식으로는 이해하기 힘든 선문답 같은 결론이었지만, 미시 세계를 설명하는 유일한 열쇠였습니다. 결국 빛의 본질은 어느 한쪽이 아니라 상황에 따라 두 가지 모습을 모두 드러내는 신비로운 존재임이 밝혀졌습니다. 이러한 양자역학적 통찰은 단순한 이론적 유희에 그치지 않고 현대 문명의 근간이 되었습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰과 반도체 기술은 미시 세계의 이중성을 이해하지 못했다면 결코 탄생할 수 없었을 결과물입니다. 또한 양자역학은 우주가 결정론적인 법칙이 아닌 확률에 의해 움직인다는 철학적 전환을 가져왔습니다. 빛의 본질을 탐구하는 과정에서 시작된 이 여정은 고전 물리학의 시대를 넘어 현대 과학의 새로운 지평을 여는 결정적인 계기가 되었습니다.

오세정

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물리학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (2) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ②

19세기 초, 영국의 과학자 토마스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 본질에 대한 오랜 논쟁에 종지부를 찍었습니다. 당시 과학계는 빛을 입자로 보았던 뉴턴의 견해와 파동으로 보았던 호이겐스의 견해가 팽팽하게 대립하고 있었는데, 영의 실험은 빛이 파동임을 결정적으로 증명했습니다. 두 개의 좁은 틈을 통과한 빛이 스크린에 밝고 어두운 무늬를 만들어내는 현상은 입자설로는 결코 설명할 수 없는 결과였습니다. 이는 과학사에서 매우 중요한 전환점이 되었으며, 빛의 파동설이 주류로 자리 잡는 결정적인 계기가 되었습니다. 이중 슬릿 실험에서 나타나는 간섭 무늬는 파동의 고유한 성질인 간섭 현상 때문에 발생합니다. 두 파동이 만날 때 위상이 일치하면 진폭이 커져 밝은 부분이 생기고, 위상이 반대이면 세기가 약해져 어두운 부분이 생기는 원리입니다. 만약 빛이 야구공과 같은 입자였다면 구멍을 통과한 두 군데에만 빛이 집중되었겠지만, 실제로는 스크린 전체에 걸쳐 복잡한 패턴이 나타났습니다. 이러한 현상은 빛이 공간을 퍼져 나가는 파동의 성질을 가졌음을 여실히 보여주는 증거이며, 입자와는 완전히 다른 물리적 특성을 지니고 있음을 증명하는 사례입니다. 우리가 일상생활에서 빛의 파동성을 쉽게 느끼지 못하는 이유는 관찰하는 스케일의 차이에 있습니다. 빛의 파동 현상이 뚜렷하게 관찰되려면 장애물의 크기가 빛의 파장과 비슷해야 하는데, 가시광선의 파장은 머리카락 굵기보다 훨씬 작습니다. 따라서 우리 주변의 커다란 물체들 사이에서 빛은 그저 직진하는 것처럼 보이며 선명한 그림자를 만듭니다. 하지만 아주 작은 슬릿을 이용해 미시적인 세계를 관찰하면 빛이 장애물을 돌아 들어가는 회절 현상이나 간섭 현상이 분명하게 드러납니다. 결국 빛의 본질은 관찰하는 척도에 따라 다르게 느껴질 뿐입니다. 빛의 파동성은 비 온 뒤 도로 위의 기름막이나 비눗방울에서 볼 수 있는 무지개색 무늬를 통해서도 확인할 수 있습니다. 이는 얇은 막의 앞면과 뒷면에서 반사된 빛들이 서로 상호작용을 일으키며 특정 파장의 색상이 강조되거나 약해지기 때문에 나타나는 현상입니다. 막의 두께가 빛의 파장과 비슷한 수준일 때 발생하는 이 현상은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 파동의 증거입니다. 비누막 자체에는 아무런 색이 없지만, 빛의 간섭이라는 물리적 현상이 우리 눈에 아름다운 색채의 향연을 선사하는 것이며 이는 오직 파동설로만 설명이 가능합니다. 빛에 대한 파동설은 제임스 맥스웰에 의해 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 맥스웰은 전기와 자기의 상호작용을 연구하던 중 전자기파의 존재를 예측했고, 그 속도가 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견하여 빛이 곧 전자기파임을 밝혀냈습니다. 우리가 보는 가시광선은 전체 전자기파 스펙트럼 중 아주 일부분에 불과하며, X선, 자외선, 적외선, 라디오파 등이 모두 같은 본질을 가진 파동입니다. 오늘날 우리는 이러한 전자기파를 통신, 의료, 천문학 등 현대 문명의 거의 모든 분야에서 핵심적인 도구로 활용하며 그 혜택을 누리고 있습니다.

오세정

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물리학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (1) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ①

카오스 재단은 기초 과학의 대중화를 목표로 설립된 공익재단으로, 매년 심도 있는 과학 강연을 통해 대중과 소통하고 있습니다. 2015년 하반기에 진행된 '빛, 색즉시공' 강연 시리즈는 빛이라는 존재가 우리 삶과 우주에서 갖는 의미를 다각도로 조명합니다. 빛은 단순히 어둠을 밝히는 존재를 넘어 색채와 시간, 그리고 공간과 밀접하게 연결되어 있습니다. 이번 강연은 빛의 정체를 밝히는 여정의 시작으로, 우리가 당연하게 여겼던 빛의 본질에 대해 근본적인 질문을 던지며 과학적 탐구의 문을 활짝 엽니다. 물리학의 관점에서 자연 현상을 이해하는 가장 기본적인 틀은 대상을 입자와 파동으로 구분하는 것입니다. 입자는 야구공이나 당구공처럼 공간의 한 점에 존재하며 개수를 셀 수 있고, 서로 충돌하면 튕겨 나가는 성질을 가집니다. 반면 파동은 호수의 물결이나 소리처럼 공간으로 연속적으로 퍼져 나가며, 서로 부딪혀도 사라지지 않고 간섭 현상을 일으키며 통과합니다. 빛이 이 두 가지 성질 중 어디에 해당하는지를 밝히는 과정은 근대 물리학 역사에서 가장 치열하고도 흥미로운 논쟁의 중심에 있었습니다. 빛에 대한 체계적인 탐구는 고대 그리스의 자연 철학자들로부터 시작되었습니다. 아리스토텔레스는 시각의 원리를 설명하며 눈에서 무언가가 방출되어 물체에 닿음으로써 사물을 인지한다고 믿었습니다. 그러나 근대 과학의 여명기에 이르러 뉴턴과 갈릴레오는 관측과 실험을 통해 이러한 직관적 사고를 검증하기 시작했습니다. 뉴턴은 빛이 직진하고 그림자를 만든다는 사실에 주목하여 빛을 아주 작은 입자들의 흐름이라고 정의했습니다. 이는 당시 과학계에 큰 영향을 미치며 빛의 입자설이 우세해지는 계기가 되었습니다. 뉴턴의 입자설이 지배적이던 시대에도 호이겐스와 같은 과학자들은 빛의 파동성을 주장하며 반기를 들었습니다. 파동설에 따르면 빛이 전달되기 위해서는 물결파의 물이나 음파의 공기와 같은 '매질'이 반드시 존재해야 합니다. 파동은 장애물이 있어도 회절을 통해 전달될 수 있으며, 두 파동이 만날 때 서로 보강되거나 상쇄되는 독특한 간섭 무늬를 형성합니다. 이러한 파동의 특성은 빛이 단순히 직진하는 입자라는 설명만으로는 부족했던 여러 현상을 보완하며, 18세기와 19세기를 거쳐 빛의 본질을 설명하는 핵심 이론으로 자리 잡았습니다. 20세기에 접어들며 빛의 정체에 대한 논의는 새로운 국면을 맞이합니다. 아인슈타인이 빛의 입자적 성질을 다시금 증명해 내면서, 고전 물리학이 쌓아온 파동설의 견고한 성벽에 균열이 생긴 것입니다. 결국 현대 물리학은 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 지니고 있다는 '이중성'의 결론에 도달했습니다. 태초부터 인류의 호기심을 자극해 온 빛은 이제 단순한 물리적 현상을 넘어, 우주의 근본 원리를 이해하는 열쇠가 되었습니다. 10회에 걸친 강연을 통해 우리는 빛과 색, 그리고 시공간이 얽혀 만드는 경이로운 세계를 마주하게 될 것입니다.

오세정

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물리학

[강연] 물질의 기원 (4) - 패널토의 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ④

우주의 시작은 거대한 에너지의 분출이었습니다. 빅뱅의 순간, 형체도 없던 순수한 에너지는 찰나의 시간 속에 물질과 빛으로 변모하며 우주의 역사를 써 내려가기 시작했습니다. 이 과정에서 탄생한 기본 입자들은 오늘날 우리가 보는 모든 만물의 근간이 되었습니다. 초기 우주의 높은 온도와 밀도 속에서 에너지가 질량을 가진 입자로 응축되는 과정은 현대 과학이 밝혀낸 가장 경이로운 사건 중 하나입니다. 이러한 변화는 단순한 물리적 현상을 넘어, 무(無)에서 유(有)가 창조되는 우주적 오케스트라의 서막과도 같았습니다. 물질의 최소 단위로 알려진 쿼크는 현대 물리학의 핵심적인 연구 대상입니다. 특히 업 쿼크와 다운 쿼크는 양성자와 중성자를 구성하는 가장 중요한 요소로, 이들의 조합에 따라 원자핵의 성질이 결정됩니다. 흥미로운 점은 쿼크가 단독으로 존재하지 않고 강력한 핵력에 의해 서로 묶여 있다는 사실입니다. 아무리 강한 에너지를 가해도 이들을 개별적으로 떼어낼 수 없다는 점은 자연이 설계한 정교한 질서를 보여줍니다. 이는 마치 원자핵이라는 견고한 성벽 안에 갇혀 외부로 나오지 못하는 입자들의 운명을 상징하는 듯합니다. 동양 철학의 노자는 '도가 하나를 낳고, 하나가 둘을, 둘이 셋을 낳아 만물이 된다'고 말했습니다. 이는 현대 과학의 관점에서도 놀라운 통찰을 제공합니다. 빅뱅의 에너지가 빛과 물질로 나뉘고, 다시 양성자, 중성자, 전자의 세 가지 기본 요소로 조합되면서 비로소 우리가 아는 복잡한 세상이 만들어졌기 때문입니다. 피자나 고양이, 그리고 우리 자신에 이르기까지 우주의 모든 존재는 결국 이 세 가지 입자의 변주곡이라 할 수 있습니다. 세 가지 요소가 결합하여 무한한 다양성을 만들어내는 과정은 과학과 철학이 만나는 지점이기도 합니다. 우주 초기에는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었습니다. 만약 두 물질의 양이 완벽하게 일치했다면, 서로 충돌하여 빛으로 소멸하고 현재의 우주는 존재하지 않았을 것입니다. 그러나 기적적으로 물질이 반물질보다 10억분의 1 정도 더 많이 살아남았고, 그 미세한 차이가 오늘날 우리가 발을 딛고 서 있는 물질 세계를 형성했습니다. 이 신비로운 비대칭성은 과학자들이 여전히 풀고자 노력하는 우주의 거대한 수수께끼 중 하나입니다. 우리가 존재한다는 사실 자체가 10억분의 1이라는 희박한 확률이 만들어낸 결과인 셈입니다. 우리가 단단한 물체를 만질 때 느끼는 감각은 사실 원자와 원자 사이의 직접적인 접촉이 아닙니다. 원자의 내부는 태양계처럼 대부분 텅 비어 있으며, 원자핵은 아주 작은 영역만을 차지하고 있습니다. 우리가 무언가를 '만진다'고 느끼는 것은 손가락 끝의 전자와 물체 표면의 전자가 서로 밀어내는 전기적 반발력과 파울리 배타 원리 때문입니다. 즉, 우리는 우주의 텅 빈 공간 속에서 입자들의 힘이 만들어내는 정교한 상호작용을 촉각이라는 감각으로 해석하고 있는 것입니다. 만짐의 본질은 결국 전자 구름과 전자 구름이 만나는 보이지 않는 힘의 대결입니다. 과학은 끊임없이 더 작은 세계를 탐구하며 물질을 쪼개어 왔습니다. 쿼크와 렙톤이 현재로서는 가장 기본적인 입자로 여겨지지만, 초끈 이론과 같은 현대 물리학은 그 너머의 세계를 수학적으로 그려내고 있습니다. 비록 실험적으로 검증하기에는 기술적 한계가 존재하지만, 과학자들은 자연의 법칙이 단순하고 아름다울 것이라는 믿음을 바탕으로 진리를 추구합니다. 복잡한 현상을 관통하는 하나의 명쾌한 원리를 찾아내는 과정은 과학이 지닌 최고의 미학입니다. 인간의 지성이 도달할 수 있는 한계가 어디인지 묻는 과정 자체가 인류 문명을 발전시키는 원동력이 됩니다. 우주의 기원을 탐구하는 여정은 인간을 겸허하게 만듭니다. 138억 년 전의 뜨거운 가스 속에서 만들어진 입자들이 오늘날 우리의 몸을 구성하고 있다는 사실은 우리가 우주와 연결되어 있음을 상기시킵니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 자연이 남긴 정교한 설계도를 한 장씩 읽어 내려가는 인내의 과정입니다. 완성된 결과물보다 그 속에 담긴 원리와 진화의 과정을 이해할 때, 우리는 비로소 우주라는 거대한 무대의 진정한 의미를 깨닫게 됩니다. 과학적 탐구는 결국 우리가 어디에서 왔으며, 이 거대한 우주 속에서 어떤 존재인지를 찾아가는 끝없는 질문의 연속입니다.

고계원, 김성근, 김희준, 정하웅

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물리학
천문학

[강연] 물질의 기원 (3) - 별의 핵합성 _ 김희준 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ③

빅뱅 이후 약 38만 년이 지나 중성 원자가 형성된 뒤, 우주는 약 3억 년이라는 긴 시간 동안 별 하나 없는 고요한 팽창의 시기를 거쳤습니다. 이 시기를 흔히 '암흑기'라 부르는데, 물질들이 중력에 의해 서서히 뭉치기 시작하면서 비로소 첫 번째 별들이 탄생할 준비를 마쳤습니다. 기체가 압축되며 온도가 상승하는 과정을 통해 별의 내부 온도가 1,000만 도에 이르면, 비로소 수소 핵융합이 시작되며 우주에 빛이 밝혀집니다. 이 과정에서 전자가 다시 떨어져 나가는 재이온화 현상이 일어나며 별의 핵합성이라는 거대한 여정이 시작됩니다. 별의 일생에서 가장 긴 시간을 차지하는 주계열성 단계에서는 중심부의 수소가 헬륨으로 변하는 핵융합 반응이 일어납니다. 이때 별은 내부의 핵융합으로 밀어내는 복사압과 안으로 끌어당기는 중력이 정교한 균형을 이루며 안정적인 상태를 유지합니다. 우리 태양 역시 현재 이 단계에 머물러 있으며, 앞으로도 수십억 년 동안 빛을 내며 존재할 것입니다. 하지만 중심부의 수소 연료가 모두 고갈되면 별은 새로운 국면을 맞이하게 됩니다. 연료가 떨어지면 밖으로 밀어내던 힘이 사라지고, 다시 중력이 주도권을 잡으면서 별의 구조에 급격한 변화가 찾아옵니다. 수소가 고갈된 별의 중심부가 중력에 의해 압축되면 온도는 1억 도까지 치솟게 됩니다. 이 엄청난 고온과 고밀도의 환경에서는 헬륨 원자핵들이 서로 충돌하여 탄소를 만들어내는 새로운 핵융합 반응이 시작됩니다. 이 과정에서 별의 외곽부는 오히려 팽창하며 온도가 낮아져 붉게 빛나는 '적색거성'이 됩니다. 탄소의 생성은 생명체의 근간이 되는 원소가 우주에 등장했음을 의미하며, 이는 단순한 물리적 변화를 넘어 생명이 탄생할 수 있는 화학적 토대가 마련된 중요한 순간입니다. 별은 이처럼 자신의 몸을 태워 생명의 씨앗을 빚어내는 연금술사와 같은 역할을 수행합니다. 질량이 큰 별들은 탄소 이후에도 산소, 네온, 마그네슘을 거쳐 가장 안정적인 원소인 철에 이를 때까지 핵융합을 계속합니다. 하지만 철 단계에 도달하면 더 이상 에너지를 낼 수 없게 되어, 별은 중력을 견디지 못하고 순식간에 붕괴하며 초신성 폭발을 일으킵니다. 이 찰나의 폭발 순간에 발생하는 막대한 에너지는 철보다 무거운 우라늄까지의 원소들을 순식간에 합성해 냅니다. 즉, 우리 몸을 구성하는 무거운 원소들은 모두 과거 어느 거대한 별의 죽음과 폭발을 통해 우주로 흩뿌려진 유산인 셈입니다. 초신성 폭발은 우주 원소 지도를 완성하는 마지막 퍼즐 조각입니다. 우주의 역사는 기초 입자에서 시작하여 원자, 분자, 그리고 복잡한 생명체로 이어지는 거대한 진화의 과정입니다. 초기 우주의 정교한 물리 법칙은 수많은 우발적 사건들을 거쳐 우리를 필연적인 생명의 길로 인도했습니다. 별들이 만개하고 생명이 태동한 현재의 우주는 그 자체로 하나의 거대한 예술 작품과 같습니다. 물질의 기원을 찾아가는 여정은 결국 우리가 어디에서 왔니를 이해하는 과정이며, 우주가 결코 무질서하게 던져진 존재가 아니라 정교하고 아름다운 설계와 질서 속에 흐르고 있음을 깨닫게 해줍니다.

김희준

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[강연] 물질의 기원 (2) - 빅뱅 핵합성 _ 김희준 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ②

우주의 역사는 약 138억 년에 달하며, 우리가 속한 태양계는 그중 마지막 3분의 1에 해당하는 약 46억 년 전에 형성되었습니다. 시간을 거슬러 올라가면 우주 초기에는 매우 역동적인 변화들이 일어났습니다. 빅뱅 후 약 30만 년이 지났을 때 온도가 낮아지며 전자가 원자핵에 붙어 중성 원자가 처음으로 탄생했고, 더 거슬러 올라가 약 3분 시점에는 수소와 헬륨의 핵합성이 완료되었습니다. 특히 1초 무렵에는 우리 몸을 구성하는 수소의 기원인 양성자가 안정되었으며, 그 이전인 마이크로초 단위의 찰나에는 물질의 가장 기본 단위인 쿼크로부터 양성자와 중성자가 만들어지는 경이로운 과정이 시작되었습니다. 현대 물리학의 표준 모형은 우주를 구성하는 기본 입자들을 설명합니다. 그 중심에는 여섯 종류의 쿼크와 여섯 종류의 경입자인 렙톤이 있습니다. 흥미롭게도 '쿼크'라는 이름은 물리학자 머레이 겔만이 제임스 조이스의 소설에서 영감을 얻어 붙인 문학적인 명칭입니다. 수많은 입자 중 우리 몸과 직접적인 관련이 있는 것은 업쿼크와 다운쿼크, 그리고 전자입니다. 업쿼크 두 개와 다운쿼크 하나가 모이면 양성자가 되고, 반대로 업쿼크 하나와 다운쿼크 두 개가 모이면 중성자가 됩니다. 자연은 이처럼 단순한 기본 입자들을 창의적으로 조합하여 복잡한 물질 세계를 구축하는 기초를 마련했습니다. 양성자의 내부를 들여다보면 놀랍게도 대부분이 텅 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 양성자를 구성하는 쿼크는 부피가 없는 점입자로 간주되며, 이들이 일정한 영역을 유지하며 양성자의 형태를 만드는 것은 '강한 핵력' 덕분입니다. 강한 핵력은 전자기력보다 백 배 이상 강력하지만, 매우 짧은 거리에서만 작용하는 독특한 성질을 가집니다. 마치 긴 줄에 묶인 강아지들이 줄 안에서는 자유롭게 뛰어놀다가 줄 끝에 다다르면 강한 힘에 가로막히는 것과 같습니다. 쿼크들은 양성자 내부에서 자유롭게 움직이지만, 결코 그 경계를 벗어날 수 없으며 이러한 구조가 물질의 안정성을 보장합니다. 우주가 수소를 넘어 더 무거운 원소를 만들기 위해서는 중성자의 역할이 필수적이었습니다. 양성자들은 모두 양전하를 띠고 있어 서로 가까워질수록 강력한 전기적 반발력을 일으키지만, 전하가 없는 중성자는 이러한 반발력 없이 양성자와 결합할 수 있습니다. 중성자가 디딤돌 역할을 해주었기에 양성자와 중성자가 결합한 중수소가 만들어졌고, 이를 바탕으로 헬륨과 같은 더 무거운 원자핵이 형성될 수 있었습니다. 만약 쿼크의 전하 조합이 조금이라도 달랐다면 중성자는 존재할 수 없었을 것이며, 오늘날 우리 몸을 이루는 탄소나 산소 같은 복잡한 원소들도 탄생하지 못했을 것입니다. 빅뱅 핵합성은 우주 탄생 후 단 3분이라는 짧은 시간 동안 일어난 기적과 같은 사건입니다. 중성자는 홀로 존재할 때 약 15분의 반감기를 거쳐 붕괴하는데, 우주가 급격히 팽창하며 밀도가 낮아지기 전인 이 짧은 골든타임 안에 모든 핵합성이 이루어져야 했습니다. 다행히 이 과정이 성공적으로 진행되어 우주에는 수소와 헬륨이 약 3대 1의 질량 비율로 자리 잡게 되었습니다. 현재 우주 어디에서나 관찰되는 이 일관된 비율은 빅뱅 이론의 강력한 증거가 됩니다. 결국 우리 몸속에 흐르는 수소 원자 하나하나가 138억 년 전 우주 초기의 뜨거웠던 3분으로부터 전해진 소중한 유산인 셈입니다.

김희준

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