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[카오스 짧강] TDA의 활용 사례 (신소재)

위상 수학은 현대 물리학의 지평을 넓히는 데 결정적인 역할을 하며 학문 간 경계를 허물고 있습니다. 약 8년 전 노벨 물리학상을 받은 위상 물리학은 수학의 위상수학적 개념을 물리적 현상에 성공적으로 접목한 사례로 꼽힙니다. 당시 노벨 재단은 대중에게 생소한 이 개념을 설명하기 위해 기자회견장에 도넛을 직접 들고 나오는 이색적인 장면을 연출하기도 했습니다. 이는 추상적인 수학 이론이 실제 물질의 성질을 규명하는 강력한 도구가 될 수 있음을 전 세계에 알린 상징적인 사건이었습니다. 특히 그래핀과 같은 2차원 물질의 발견은 위상 물리학이 주목받는 계기가 되었습니다. 원자 하나 두께의 매우 얇은 2차원 물질은 입자들이 위아래로 움직이지 못하고 제자리에서 회전하는 독특한 물리적 특성을 보입니다. 일반적인 물질이 온도 변화에 따라 고체, 액체, 기체로 변하는 것과 달리, 2차원 물질은 특정 임계점에서 매우 특별한 상전이 현상을 나타냅니다. 이러한 현상은 기존의 물리 법칙으로는 설명하기 어려웠으나, 위상 수학의 원리를 도입하면서 비로소 그 비밀이 풀리기 시작했습니다. 푸앵카레 이후 100년 넘게 축적된 위상 수학의 철학은 이제 인공지능과 빅데이터 분석 등 첨단 산업 분야로 그 영역을 확장하고 있습니다. 과거에는 수학 전공자들만의 전유물로 여겨졌던 이론들이 21세기에 들어서며 물질의 본질을 이해하고 복잡한 데이터를 해석하는 핵심 기술로 거듭난 것입니다. 당장 눈앞의 실용성만을 따져 특정 학문을 외면하는 것은 현대 과학의 융합적 흐름을 읽지 못하는 근시안적인 태도입니다. 기초 과학에 대한 깊이 있는 이해가 결국 미래 기술의 혁신을 이끄는 원동력이 됩니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[강연] '모양(shape)' 연구의 대가 - In Memory of 권경환 2_by 김연응 / 2024 봄 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 7강 두 번째 이야기 | 7강 ②

현대 수학에서 '불변량'은 대상의 본질을 파악하는 핵심적인 도구입니다. 위상수학의 호몰로지와 코호몰로지는 공간이 변형되어도 바뀌지 않는 성질을 수치화하여 복잡한 공간을 분류하는 데 기여합니다. 기하학에서도 각도와 같은 요소가 불변량의 역할을 하며, 우리가 무엇을 '같다'고 정의하느냐에 따라 불변량의 기준은 달라집니다. 이러한 불변량 연구는 현대 수학의 거대한 흐름을 형성하며 공간에 대한 이해를 심화시켰습니다. 한국 위상수학의 거목인 권경환 교수는 유클리드 공간의 구조를 새롭게 조명하며 학계에 큰 충격을 주었습니다. 가장 단순한 기본 단위로 여겨졌던 유클리드 공간이 특정 조건에서 더 작은 공간들의 곱으로 분해될 수 있음을 증명한 것입니다. 이는 마치 원소를 쪼개는 것과 같은 혁신적인 시각의 전환이었으며, 이후 다양체라는 복잡한 기하학적 대상을 연구하는 데 있어 중요한 토대가 되었습니다. 또한 그는 화이트헤드 토션과 같은 복잡한 불변량의 성질을 규명하며 위상수학의 지평을 넓혔습니다. 다양체는 국소적으로는 유클리드 공간과 같아 보이지만, 전체적으로는 독특한 구조를 가진 기하학적 대상입니다. 예를 들어 도넛 표면 위의 개미에게는 주변이 평면처럼 느껴지겠지만, 전체를 조망하면 구멍이 뚫린 입체 구조임을 알 수 있습니다. 위상수학은 이러한 다양체의 본질적인 형태를 연구하며, 3차원 공간이 8가지 위상적 특성을 갖는다는 사실을 밝혀내는 등 공간의 분류 체계를 완성해 나가는 학문적 성과를 거두었습니다. 위상수학은 추상적인 이론에 머물지 않고 빅데이터 분석이라는 실용적인 영역으로 확장되고 있습니다. '위상 데이터 분석(TDA)'은 데이터가 형성하는 고차원적인 모양에 주목하여 기존 통계학이 놓치기 쉬운 내재적 패턴을 찾아냅니다. 수많은 데이터 포인트 주위에 가상의 원을 그려 그 연결성을 관찰하면, 데이터의 분포 방식에 따른 고유한 시퀀스가 나타납니다. 이러한 위상적 접근은 복잡한 정보 속에서 유의미한 구조를 추출하는 강력한 도구가 됩니다. 위상 데이터 분석(TDA)의 혁신성은 의료 분야에서 특히 빛을 발합니다. 환자의 생체 데이터를 고차원 공간의 점으로 치환하여 그 모양을 분석하면, 현재 질병이 없더라도 미래의 발병 가능성을 예측하는 것이 가능해집니다. 이는 단순한 진단을 넘어 정밀한 예측의 시대를 여는 열쇠가 됩니다. 위상수학은 세상을 바라보는 새로운 시각을 제공하며, 가장 아름답고 순수한 이론이 어떻게 현실의 문제를 해결하는 강력한 기술로 변모할 수 있는지를 잘 보여줍니다.

김연응

카오스재단2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다'

수학

[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

[인터뷰] 여준현_복잡계 분야가 처음으로 노벨상을 받은 이유

통계물리학은 수많은 구성원이 모여 있는 다체계의 물리적 현상을 연구하는 학문으로, 거대한 집단이 보여주는 복합적인 성질을 이해하려는 독특한 방법론을 제시합니다. 이는 단순히 개별 입자의 움직임을 관찰하는 것을 넘어, 물질의 근본적인 성질을 탐구하며 자연계가 작동하는 원리를 가장 합리적이고 체계적인 법칙으로 기술하는 것을 목표로 합니다. 전통적인 물리학의 틀 안에서 물질의 특성을 연구하며, 우리 주변의 다양한 현상을 논리적으로 설명해 내는 과정은 이 학문의 핵심적인 가치라고 할 수 있습니다. 물리학이라는 학문은 자연 현상을 최대한 정확하게 기술하려는 시도이며, 그 과정에서 확률적인 방법론을 적극적으로 활용하기도 합니다. 자연계가 어떻게 돌아가는지를 명확하게 설명하려는 노력은 정답이 존재하는 세계를 탐구하는 것과 같습니다. 복잡해 보이는 현상 이면에 숨겨진 단순한 법칙을 찾아내고, 이를 체계적인 방법으로 정립하는 과정은 결코 답답한 일이 아닙니다. 오히려 가장 합리적인 방식으로 세상의 이치를 깨달아가는 과정이며, 과학자들은 이를 통해 자연의 질서를 명확하게 규명하고자 노력합니다. 최근 통계물리학 분야에서는 과거 거시적인 열기관을 다루던 열역학의 원리를 양자역학이 지배하는 미시 세계로 확장하려는 시도가 활발히 이루어지고 있습니다. 이른바 양자 열역학이라 불리는 이 연구 분야는 아주 작은 미시적 수준에서 열과 일의 개념을 새롭게 정의하고 정립하는 것을 목표로 합니다. 에너지의 흐름과 변환이 양자역학적 효과와 결합했을 때 어떤 양상을 보이는지 탐구하는 것은 현대 물리학의 중요한 과제입니다. 이러한 연구는 미시 세계의 물리적 법칙을 이해하는 데 있어 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대됩니다. 우리가 일상에서 흔히 목격하는 얼음이 녹아 물이 되는 현상은 통계물리학에서 '상전이'라고 부르는 대표적인 거시적 변화입니다. 수많은 분자가 모여 상호작용하다가 특정 조건에서 물질의 상태가 급격히 변하는 이 현상을 설명하는 것은 통계물리학의 가장 큰 업적 중 하나입니다. 최근 복잡계 연구가 노벨 물리학상을 통해 그 가치를 인정받은 것 역시, 다체계가 보여주는 복잡한 현상을 단순하고 명쾌한 원리로 설명하려는 과학적 노력을 높게 평가한 결과입니다. 이는 복잡함 속에서 질서를 찾아내는 물리학의 힘을 잘 보여주는 사례입니다. 과학을 진지하게 탐구하고자 하는 미래의 과학도들에게 가장 강조하고 싶은 조언은 수학에 대한 깊은 관심을 가지라는 것입니다. 현대 사회에서는 수학과 과학을 서로 다른 영역처럼 분리하여 생각하는 경향이 있으나, 수학은 자연의 법칙을 기술하는 가장 정교한 언어입니다. 물리학을 비롯한 모든 과학적 사고의 기초는 수학적 논리 위에 세워져 있습니다. 따라서 과학을 깊이 있게 공부하고 싶다면 수학을 멀리하기보다, 수학적 사고력을 기르는 것부터 시작해야 합니다. 이것이 자연의 신비를 풀어나가는 가장 확실하고 진지한 출발점이기 때문입니다.

여준현

카오스재단석학인터뷰

물리학

[강연] 무질서계가 보이는 복잡하고 놀라운 세상 by 여준현 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 3강

복잡계 물리학은 우리 일상과 동떨어진 학문처럼 보이지만, 사실 세포나 박테리아, 인간 사회에 이르기까지 수많은 구성원이 모여 상호작용하는 모든 곳에 존재합니다. 2021년 노벨 물리학상은 이러한 복잡계의 본질을 규명한 학자들에게 수여되었습니다. 특히 조르조 파리시 교수는 무질서한 시스템 속에 숨겨진 패턴을 발견함으로써, 복잡계 물리학이 정립된 학문으로 인정받는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 단순한 물리 법칙을 넘어 자연의 복잡성을 이해하는 새로운 지평을 열었다는 평가를 받습니다. 물리학의 전통적인 접근 방식은 물질의 가장 근본적인 단위를 파고드는 것이었습니다. 하지만 필립 앤더슨이 주창한 '많으면 다르다(More is different)'라는 명제는 개별 입자의 법칙을 안다고 해서 전체 시스템을 완벽히 이해할 수 없음을 시사합니다. 물 분자 사이의 미시적 법칙은 동일하지만, 온도가 변함에 따라 물이 얼음으로 변하는 거시적 상전이가 나타나는 것이 대표적인 예입니다. 수많은 구성 요소가 모였을 때 비로소 나타나는 새로운 물리적 규칙들을 이해하는 것이 복잡계 연구의 핵심입니다. 상전이를 이해하는 현대 물리학의 핵심 도구는 '대칭성 깨짐'입니다. 예를 들어 액체 상태에서는 공간의 어느 방향으로든 평행 이동해도 에너지가 변하지 않는 높은 대칭성을 가집니다. 그러나 온도가 낮아져 고체가 되면 입자들이 특정 격자 자리를 차지하게 되면서 대칭성이 낮은 상태로 변합니다. 자성체 역시 고온에서는 무작위 방향을 향하던 스핀들이 저온에서 특정 방향을 택하며 자성을 띠게 됩니다. 이러한 대칭성 깨짐은 무질서한 상태에서 질서가 형성되는 과정을 설명하는 중요한 원리입니다. 파리시 교수가 연구한 '스핀 유리'는 자성체에 불순물이 섞여 무질서가 극대화된 시스템입니다. 여기서는 스핀들 사이의 상호작용이 거리에 따라 양수와 음수를 오가며 복잡하게 얽힙니다. 이로 인해 스핀들이 어느 방향을 향해야 에너지가 낮아질지 결정하지 못하는 '쩔쩔맴(Frustration)' 현상이 발생합니다. 친구와 원수가 뒤섞인 인간관계에서 누구 편을 들지 고민하는 상황처럼, 스핀들도 최적의 상태를 찾지 못하고 방황하게 됩니다. 이러한 무질서와 쩔쩔맴(Frustration)이 스핀 유리의 독특한 복잡성을 만들어냅니다. 복잡한 스핀 유리 시스템을 수학적으로 풀기 위해 물리학자들은 '복제'라는 기발한 방법을 도입했습니다. 시스템의 복제본들을 여러 개 만들어 계산한 뒤, 복제본의 수를 0으로 보내는 극한을 취하는 방식입니다. 초기에는 모든 복제본이 동일하다는 '복제 대칭성'을 가정했으나, 이는 저온에서 엔트로피가 음수가 되는 등 물리적 오류를 낳았습니다. 이는 기존의 단순한 대칭성 가정으로는 무질서한 시스템의 복잡한 바닥 상태를 온전히 설명할 수 없음을 의미하며, 새로운 돌파구가 필요한 시점이었습니다. 조르조 파리시 교수는 복제본들 사이의 대칭이 깨져야 한다는 '복제 대칭성 깨짐'이라는 혁신적인 아이디어를 제시했습니다. 그는 행렬을 무한히 쪼개는 수학적 기법을 통해 스핀 유리가 단 하나의 안정된 상태가 아닌, 무수히 많은 에너지 골짜기를 가진다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 골짜기들은 서로 닮은 정도에 따라 가계도와 같은 계층적 구조를 이루고 있습니다. 이는 무질서한 시스템이 단순히 혼란스러운 것이 아니라, 그 내부에 정교하고 복잡한 수학적 질서가 숨어 있음을 증명한 놀라운 발견이었습니다. 파리시의 방법론은 물리학을 넘어 최적화 문제, 신경망 모델링, 단백질 접힘 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 수많은 도시를 방문하는 최단 경로를 찾는 외판원 문제나 뇌의 뉴런 작용을 이해하는 과정에서도 이 복잡계 이론이 핵심적인 도구로 쓰입니다. 이는 직관으로 이해하기 힘든 복잡한 현상을 수학이라는 등불을 통해 명확히 비춰낼 수 있음을 보여줍니다. 결국 복잡계 물리학은 무질서해 보이는 세상 속에서 보이지 않는 패턴을 찾아내어 현대 과학의 영역을 확장하고 있습니다.

여준현

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학

[강연] 수학으로 맞서는 불확실한 세계 by서인석｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 1강

현실 세계의 불확실성은 너무나 복잡하여 그 전체를 완벽히 이해하는 것은 불가능에 가깝습니다. 하지만 수학을 도구로 삼으면 복잡함 속에서도 변하지 않는 '보편적 원리'를 발견할 수 있습니다. 이는 개별적인 움직임에 매몰되지 않고 전체를 관관통하는 공통의 법칙을 찾는 과정입니다. 마치 기체 분자 하나하나의 움직임을 다 알지 못해도 기체의 전체적인 성질을 파악할 수 있는 것과 같습니다. 이러한 보편적 원리는 거친 현실의 불확실성 속에서 우리가 나아가야 할 방향을 알려주는 나침반 역할을 수행합니다. 첫 번째 보편적 원리는 '대수의 법칙'입니다. 주사위를 던지는 횟수가 늘어날수록 상황은 복잡해지는 듯 보이지만, 눈의 평균값은 이론적 기댓값인 3.5에 점점 가까워집니다. 이 원리는 잘 설계된 수학 실험뿐만 아니라 성인 남성의 몸무게와 같은 현실의 거친 데이터에서도 동일하게 성립합니다. 데이터가 충분히 쌓이면 불확실성이 줄어들고 유의미한 예측이 가능해지는 것입니다. 보편성을 가진 이 법칙 덕분에 우리는 무작위해 보이는 수치들 속에서 신뢰할 수 있는 정보를 추출하고 분석할 수 있게 됩니다. 두 번째 원리는 '갈톤-왓슨 수형도'를 통해 알 수 있는 확산의 법칙입니다. 성씨의 번성이나 바이러스의 전파처럼 확률적으로 뻗어 나가는 구조에서 가장 중요한 것은 전체가 멸종할지 혹은 무한히 확장할지 여부입니다. 놀랍게도 이를 결정하는 것은 각 개체의 복잡한 특성이 아니라, 한 명이 평균적으로 몇 명을 감염시키는지를 나타내는 '감염 재생산 지수(R)'입니다. R이 1 이하로 유지되면 확산은 결국 멈추게 됩니다. 이 보편적 원리는 정부가 방역 정책을 수립하고 상황을 점검하는 데 있어 결정적인 지표가 됩니다. 세 번째 원리는 '퍼콜레이션' 모형에서 나타나는 '상전이 현상'입니다. 격자에서 점을 지우는 비율이 특정 임계값을 넘어서는 순간, 거대했던 연결 구조가 갑자기 작은 클러스터들로 부서지는 현상을 말합니다. 이는 물이 특정 온도에서 갑자기 끓는 것과 유사한 원리입니다. 격자의 모양이 바뀌어도 이러한 급격한 변화가 일어난다는 사실 자체는 변하지 않는 보편성을 가집니다. 이러한 상전이의 원리는 다공성 매질의 배수 특성을 이해하거나, 감염병 확산을 막기 위한 집단 면역의 임계치를 계산하는 데 핵심적인 근거를 제공합니다. 수학의 세계에는 이외에도 수많은 보편적 원리가 존재합니다. 우리가 수학적 소양을 기르는 이유는 단순히 공식을 외우기 위함이 아니라, 불확실성으로 가득한 현실을 더 투명하게 바라보기 위해서입니다. 복잡한 현상 뒤에 숨겨진 단순하고 강력한 법칙을 이해할 때, 우리는 비로소 거대한 불확실성에 맞설 용기와 지혜를 얻게 됩니다. 보편적 원리는 혼란스러운 세계 속에서 우리가 길을 잃지 않도록 돕는 가장 정교한 지도이자 나침반입니다. 수학을 통해 세상을 보는 눈을 넓힌다면 불확실성은 더 이상 두려움의 대상이 아닐 것입니다.

서인석

카오스재단서울대자연과학공개강연

수학

[코로나 인터뷰] 강병남 _데이터사이언스로 백신 후보를 줄인다

통계물리학에서는 물질의 상태가 근본적으로 변하는 상전이 현상을 깊이 있게 연구합니다. 우리가 흔히 보는 액체가 기체로 변하는 과정처럼, 감염병이 확산되지 않은 안정적인 상태에서 대유행 상태로 급격히 전환되는 과정도 일종의 상전이로 취급할 수 있습니다. 연구자들은 네트워크 이론을 활용해 이러한 변화의 기저에 깔린 복잡한 메커니즘을 분석하며, 어떤 원리에 의해 현상이 촉발되는지 탐구합니다. 이는 보이지 않는 사회적 네트워크 속에서 질서와 무질서의 경계를 물리적 법칙으로 이해하려는 시도입니다. 상전이는 크게 연속 상전이와 불연속 상전이로 나뉩니다. 감염병 확산 모델인 SIR 모델 등은 보통 연속적인 변화를 보이지만, 어떤 경우에는 전파율 같은 매개변수가 미세하게 변하더라도 감염자 수가 폭발적으로 급증하는 불연속적인 변화가 일어날 수 있습니다. 이러한 메커니즘을 이해하는 것은 갑작스러운 대유행을 예측하고 대비하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 특정 임계점을 넘어서는 순간 발생하는 급격한 변화는 단순한 선형적 예측을 불허하며, 사회 시스템 전반에 걸쳐 막대한 영향을 미치기 때문입니다. 복잡계인 생명체를 대상으로 하는 예측은 물리 시스템보다 훨씬 까다롭습니다. 바이러스의 변이가 발생하면 기존의 메커니즘이 더 이상 유효하지 않게 되기 때문입니다. 감염력이 순식간에 열 배 이상 늘어나는 변종이 등장하면 이전까지 쌓아온 예측 모델은 완전히 다른 국면을 맞이하게 됩니다. 따라서 연구자들은 항상 최신 의학적 결과와 빅데이터를 실시간으로 반영하며 모델을 정교하게 수정해 나갑니다. 이는 단순한 수치 계산을 넘어 끊임없이 변화하는 생태계의 흐름을 쫓는 치열하고도 정밀한 과학적 과정이라 할 수 있습니다. 데이터 사이언스는 백신 개발과 사회적 회복 방안 마련에도 결정적인 기여를 합니다. 방대한 질병 통계와 단백질 구조 데이터를 분석함으로써 수많은 백신 후보군 중 가장 유망한 것을 빠르게 추려낼 수 있습니다. 또한 교통량과 이동성 데이터를 활용해 지역별 감염률을 산출하고, 봉쇄 이후의 사회적 회복 과정을 시뮬레이션하기도 합니다. 이러한 과학적 접근은 가짜 뉴스의 진원지를 파악하거나 효율적인 방역 정책을 수립하는 데 실질적인 도움을 주며, 현대 사회가 직면한 거대한 위기를 극복하는 강력한 도구가 됩니다. 통계물리학적 관점에서 인간은 개별적인 인격체인 동시에 거대한 시스템을 구성하는 하나의 입자로 간주됩니다. 개개인의 행동은 자유의지에 따라 예측하기 어렵지만, 수많은 사람이 집과 직장을 오가는 반복적인 패턴을 보일 때 이는 통계적인 물리 시스템으로 다룰 수 있게 됩니다. 이러한 종합적인 시각은 사회 전체의 흐름을 파악하고 미래를 예측하는 데 유용합니다. 결국 위기 상황에서 개인이 이성적이고 합리적으로 행동하는 것은 단순한 개인의 선택을 넘어, 물리적 시스템 전체의 안정성을 유지하는 핵심적인 요소가 됩니다.

강병남

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[강연] 주기율표의 탄생과 화학의 역사 _ by김경택｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강 | 3강 ①

손난로의 따뜻함은 화학적 원리인 '상전이'에서 비롯됩니다. 아세트산 나트륨 과포화 용액은 매우 불안정한 상태로 존재하다가, 작은 자극만으로도 고체로 변하며 에너지를 방출합니다. 이 과정에서 발생하는 응고열이 우리에게 온기를 전달하는 것입니다. 물질이 하나의 상에서 다른 상으로 변할 때 에너지가 전환된다는 사실은 화학의 가장 기초적이면서도 흥미로운 지점입니다. 일상 속의 작은 도구에도 이처럼 정교한 과학적 메커니즘이 숨어 있습니다. 화학을 뜻하는 '케미스트리'의 어원은 고대 이집트와 그리스의 '키미아'에서 유래했습니다. 이는 광물을 제련하거나 약을 만드는 행위를 의미했으며, 이후 아랍의 관사가 붙어 '연금술'로 불리게 되었습니다. 비록 연금술이 금을 만들려는 인간의 욕망에서 시작된 다소 어리석은 시도로 치부되기도 하지만, 그 과정에서 축적된 다양한 실험 기법과 물질에 대한 이해는 현대 화학이 탄생하는 소중한 밑거름이 되었습니다. 물질의 본질을 탐구하려는 인간의 노력은 시대를 넘어 계속되어 왔습니다. 근대 과학의 기틀은 데카르트의 회의적 방법론과 로버트 보일의 정의를 통해 마련되었습니다. 보일은 화학을 '물질의 조성에 관한 과학'으로 정의하며, 더 이상 분해되지 않는 기본 구성 요소인 '원소'의 개념을 제시했습니다. 그는 혼합물과 화합물을 명확히 구분하며 연금술의 신비주의에서 벗어나 실험적 재현성을 강조했습니다. 이러한 철학적 기반은 화학이 단순한 기술을 넘어 체계적인 학문으로 도약하는 결정적인 계기가 되었으며, 과학적 사고의 표준을 세웠습니다. 라부아지에는 정밀한 질량 측정을 통해 화학의 패러다임을 바꾼 인물입니다. 그는 당시 지배적이었던 플로지스톤설의 오류를 증명하고, 화학 반응 전후의 질량이 보존된다는 '질량 보존의 법칙'을 확립했습니다. 또한 원소를 '분석 가능한 가장 단순한 물질'로 재정의하며 최초의 원소 분류표를 작성했습니다. 그의 노력 덕분에 화학은 정성적인 관찰에서 벗어나 정량적인 측정이 가능한 진정한 근대 과학의 면모를 갖추게 되었으며, 이는 화학 혁명의 시발점이 되었습니다. 돌턴의 원자설과 아보가드로의 분자 가설은 물질의 미시적 구조를 이해하는 데 큰 공헌을 했습니다. 돌턴은 모든 원소가 고유한 질량을 가진 원자들로 구성되어 있다고 주장했으며, 아보가드로는 기체 반응의 법칙을 설명하기 위해 이원자 분자의 개념을 도입했습니다. 보이지 않는 입자들의 결합과 재배열을 통해 세상의 변화를 설명하려는 이러한 시도들은, 이후 화학자들이 복잡한 화합물의 구조를 시각화하고 예측하는 데 중요한 이정표가 되었으며 현대 원자론의 기초를 닦았습니다. 1869년 멘델레예프가 발표한 주기율표는 화학 역사상 가장 위대한 통찰 중 하나로 꼽힙니다. 그는 당시 알려진 56개의 원소를 원자량 순서대로 배열하며 성질의 주기성을 발견했습니다. 특히 그는 규칙성을 근거로 아직 발견되지 않은 원소들의 자리를 비워두고 그 성질을 예언했는데, 이는 훗날 갈륨과 게르마늄의 발견으로 완벽히 증명되었습니다. 주기율표는 단순한 표를 넘어 우주를 구성하는 기본 원리들이 조화롭게 연결되어 있음을 보여주는 지도와 같으며, 오늘날까지도 화학의 핵심 지표로 활용됩니다. 현대 화학은 양자역학적 이해를 바탕으로 118개의 원소를 정의하며 미시 세계의 비밀을 풀어가고 있습니다. 화학은 단순히 공식을 외우는 학문이 아니라, 우리를 둘러싼 세계를 오감으로 느끼고 이해하며 새로운 물질을 창조하는 로맨틱한 과정입니다. 멘델레예프의 통찰이 150년이 지난 지금까지도 빛나는 이유는 그것이 지극히 상식적인 방법으로 얻어낸 위대한 성취이기 때문입니다. 우리는 이 관능적인 학문을 통해 끊임없이 변화하는 세계의 본질에 가가가며, 인류의 미래를 위한 새로운 가능성을 탐색합니다.

김경택, 윤신영

카오스재단카오스강연

화학