과학 포털 iKAOS

4 Contents

[술술과학] '생명의 나무'도 가지가지🌳_ (진화)

제임스 카메론의 영화 '아바타' 속 판도라 행성에는 모든 생명의 기원이 되는 거대한 '홈트리'가 등장합니다. 이처럼 나무는 아주 오래전부터 생명의 탄생과 진화를 상징하는 강력한 메타포로 사용되어 왔습니다. 성경의 에덴동산에 심어진 생명의 나무부터 북유럽 신화의 우주를 지탱하는 물푸레나무 위그드라실, 그리고 우리 단군신화의 신단수에 이르기까지 인류는 나무의 형상을 통해 우주의 질서와 생명의 신비로운 연결성을 설명하고자 했습니다. 깊게 박힌 뿌리는 미지의 기원을, 사방으로 뻗어 나가는 가지는 다양성을 상징하며 인류의 상상력을 자극해 왔습니다. 생명의 나무는 신화의 영역을 넘어 현대 진화론의 핵심적인 개념으로 자리 잡았습니다. 과거 라마르크는 생물이 하등한 존재에서 고등한 존재로 단계별로 발전한다는 '생명의 사다리' 개념을 제시했지만, 이는 현대의 관점과는 차이가 있었습니다. 이후 찰스 다윈은 1837년 자신의 노트에 생명의 나무 초기 버전을 그리며 현대적 진화론의 기틀을 마련했습니다. 다윈의 생명의 나무는 단순히 위로 올라가는 사다리가 아니라, 하나의 뿌리로부터 여러 갈래로 뻗어 나가는 분화의 과정을 보여주었습니다. 이는 생물 종 사이의 유사성과 차이를 계통적으로 이해하는 중요한 도구가 되었습니다. 다윈이 제시한 생명의 나무가 특별한 이유는 진화에 대한 흔한 오해를 바로잡아 주기 때문입니다. 많은 이들이 진화를 하등한 생물이 시간이 흘러 고등한 생물로 변하는 과정이라 생각하지만, 다윈의 모형에 따르면 원숭이가 인간이 되는 일은 일어나지 않습니다. 인간과 원숭이는 아주 오래전 서로 다른 가지로 갈라져 각자의 길을 걸어온 결과물이기 때문입니다. 현재 살아남은 모든 생명체는 각자의 진화 경로에서 최적화된 최종점에 도달한 존재들입니다. 이러한 인식의 변화는 인간이 만물의 영장이라는 오만함에서 벗어나 모든 생명을 평등하게 바라보는 계기를 마련해 주었습니다. 현대 과학의 발전과 함께 생명의 나무는 더욱 정교하고 거대한 모습으로 진화하고 있습니다. 2021년 발표된 '프랙탈 생명의 나무'는 무한히 반복되는 기하학적 구조를 활용하여 지구상의 수많은 생물 종을 한눈에 담아냈습니다. 구글 지도를 확대하듯 나무의 세부 가지를 들여다보면 멸종 위기종과 현존하는 종들의 관계를 명확히 확인할 수 있습니다. 또한, 230만 개의 생물 종 정보를 통합하려는 '열린 생명의 나무' 프로젝트는 지금 이 순간에도 새로운 데이터가 추가되며 끊임없이 업데이트되고 있습니다. 이제 생명의 나무는 단순한 그림을 넘어 방대한 생물학적 데이터를 담은 디지털 지도가 되었습니다. 최근의 유전학 연구는 생명의 나무를 더욱 복잡한 '맹그로브' 형태로 변화시키고 있습니다. 유전자가 부모에서 자식으로만 전달되는 것이 아니라, 서로 다른 종 사이에서도 수평적으로 이동한다는 사실이 밝혀졌기 때문입니다. 린 마굴리스의 세포 내 공생설은 미생물들이 서로 결합하여 복잡한 생명체로 진화했음을 보여주며, 우리 모두가 거대한 유전자 공유의 역사 속에 있음을 시사합니다. 이러한 과학적 발견은 클림트의 회화나 영화 '트리 오브 라이프'와 같은 예술 작품으로 이어져, 생명의 신비와 경이로움을 탐구하는 인류의 상상력을 끊임없이 자극하고 있습니다.

카오스재단술술과학

생명과학

[카오스 술술과학] 도대체 '무한'이란 무엇인가? (1) - 인피니티 워 (Infinity War)

무한은 우리 주변 어디에나 있는 듯하지만, 정작 현실에서 그 실체를 마주하기는 어렵습니다. 밤하늘의 광활함이나 현미경 속 미세한 세계에서도 우리는 결코 무한히 크거나 작은 것을 직접 목격할 수 없습니다. 점이나 선과 같은 수학적 대상은 크기가 없다고 정의되지만, 이는 관념 속의 존재일 뿐 물리적 실체는 아닙니다. 결국 무한은 외부 세계의 대응물 없이 오직 인간의 머릿속에서 탄생한 독특한 개념이라 할 수 있습니다. 예술가들은 원근법이나 프랙탈 구조를 통해 이를 암시하려 노력해 왔으나, 이는 어디까지나 유한한 틀 안에 담긴 무한의 그림자에 불과합니다. 수학의 세계로 들어서면 무한은 비로소 구체적인 형상을 갖추기 시작합니다. 우리는 자연수를 하나씩 세어 나가며 아무리 큰 수라도 그보다 더 큰 수가 존재한다는 사실을 자연스럽게 깨닫게 됩니다. 이러한 직관은 수학적 귀납법이라는 강력한 도구를 통해 무한히 늘어선 도미노를 단숨에 쓰러뜨리는 지적 쾌거로 이어집니다. 또한, 직접 증명하기 어려운 대상을 우회하여 증명하는 귀류법은 무한의 벽을 넘는 영리한 전략이 되어줍니다. 이처럼 수학은 무한을 단순히 상상하는 것에 그치지 않고, 논리라는 정교한 틀 안에서 이를 다루고 증명할 수 있는 유일한 영역으로 자리매김했습니다. 반면 물리학의 관점에서 무한은 해결해야 할 난제이자 위험한 경고 신호로 받아들여집니다. 현대 과학은 물질을 무한히 쪼갤 수 없으며 시간과 길이에도 최소 단위가 존재한다고 말합니다. 만약 물리 법칙의 계산 결과에서 무한대가 등장한다면, 이는 대개 이론에 결함이 있거나 새로운 지식이 필요하다는 신호입니다. 블랙홀의 중심인 특이점이나 우주 탄생의 순간인 빅뱅이 대표적인 예입니다. 밀도가 무한해지는 지점에서 기존의 시공간 개념은 무너지고 맙니다. 물리학자들은 이러한 '벌거벗은 무한'을 가리기 위해 우주 검열 가설을 제안하며, 자연이 스스로 무한의 노출을 막고 있다고 생각하기도 합니다. 인류 역사 속에서 무한을 둘러싼 논쟁은 '인피니티 워'라 불릴 만큼 치열했습니다. 고대 그리스에서는 무리수의 존재를 두고 목숨을 건 갈등이 벌어졌으며, 아리스토텔레스는 무한을 잠재적 무한으로만 인정하며 실제적 무한의 존재를 부정했습니다. 중세에 이르러 무한은 신의 영역으로 옮겨가 신학적 사변의 중심이 되었습니다. 신의 완전함을 증명하기 위해 무한이라는 개념이 동원되었고, 인간의 유한한 지성으로 무한한 신을 이해할 수 있는지에 대한 철학적 탐구가 이어졌습니다. 이 시기의 무한은 지상에서 하늘로 비상하여 신의 속성을 대변하는 거룩한 상징으로 여겨졌습니다. 19세기 말, 무한은 다시 수학의 영역으로 돌아와 칸토어에 의해 집합론이라는 새로운 지평을 열었습니다. 그는 무한에도 서로 다른 크기가 있다는 사실을 밝혀내며 초한수라는 개념을 정립했지만, 이는 당대 수학자들의 거센 비난을 샀습니다. 무한을 정복하려 했던 칸토어와 그의 뒤를 이은 괴델은 평생을 바쳐 절대적 무한에 매달렸으나, 그 과정에서 겪은 정신적 고통은 비극적인 결말로 이어지기도 했습니다. 그럼에도 불구하고 그들이 개척한 무한의 세계는 오늘날 수학의 낙원이 되어 우리에게 무궁무진한 영감을 제공합니다. 무한은 여전히 인간 지성이 도달하고자 하는 궁극의 경계선으로 남아 있습니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[강연] 복잡계과학이란 무엇일까 _ 김범준 교수_2강 | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 2강 ②

복잡성이라는 개념은 과학계에서 여전히 정의하기 어려운 난제 중 하나입니다. 물리학자들은 에너지나 엔트로피처럼 수식으로 명확히 정의되는 물리량을 선호하지만, 복잡성은 상황에 따라 인식론적 혹은 존재론적 의미로 나뉩니다. 20세기 후반에는 단순한 결정론적 시스템이 보여주는 복잡한 현상, 즉 카오스 이론이 주목받았습니다. 이는 초기 조건의 아주 미세한 차이가 시간이 흐름에 따라 걷잡을 수 없이 큰 결과의 차이를 만들어내는 현상을 의미하며, 우리에게는 나비효과라는 이름으로도 잘 알려져 있습니다. 카오스 이론의 핵심은 결정론과 예측 가능성이 서로 다르다는 사실을 일깨워준 데 있습니다. 로렌츠 방정식처럼 완벽하게 결정된 수식이라 할지라도, 초기값을 무한한 정확도로 측정할 수 없다는 현실적인 한계 때문에 미래를 정확히 예측하는 것은 불가능합니다. 이는 우리가 세상을 바라보는 철학적 관점에도 큰 교훈을 줍니다. 아무리 정교한 법칙이 지배하는 세계라 할지라도, 측정의 불확실성이 존재하는 한 미래는 언제나 예상치 못한 방향으로 흘러갈 수 있으며, 이는 과학이 가진 겸손한 한계를 인정하게 만듭니다. 이러한 복잡한 현상 속에는 '자기 유사성'이라는 흥미로운 질서가 숨어 있습니다. 로버트 메이의 토끼 개체 수 모델이나 만델브로 집합에서 볼 수 있듯이, 전체의 구조가 부분의 구조와 닮아 있는 프랙탈 구조가 나타납니다. 이는 척도를 아무리 변화시켜도 그 본질적인 형태가 변하지 않는 '척도 불변성(Scale Invariance)'의 특징을 보여줍니다. 아주 단순한 규칙에서 출발한 시스템이 무한히 반복되며 경이로울 정도로 아름답고 복잡한 기하학적 패턴을 만들어내는 과정은 현대 과학이 탐구하는 가장 매혹적인 연구 주제 중 하나입니다. 21세기에 들어서며 복잡성의 의미는 시스템의 행동에서 구성 자체의 복잡함으로 확장되었습니다. 복잡계는 수많은 구성 요소가 서로 강하게 상호작용하며 개별 요소의 특성만으로는 설명할 수 없는 새로운 거시적 현상을 만들어냅니다. '전체는 부분의 합보다 크다'는 말처럼, 상호작용의 방식이 시스템 전체의 성질을 결정짓는 핵심이 됩니다. 이는 미시적인 티끌을 모아 거시적인 태산을 이해하려는 통계물리학의 시각이 사회 현상으로까지 넓어지는 계기가 되었으며, 개별 존재보다 관계의 중요성을 강조합니다. 통계물리학의 방법론을 인간 사회에 적용한 '사회물리학'은 집단적 행동의 원리를 명쾌하게 설명합니다. 예를 들어, 지휘자 없이도 수많은 사람이 박수 소리를 하나로 맞추는 현상은 개개인의 특성보다는 상호작용을 통한 조율의 결과입니다. 물리학자들은 이러한 집단 지성과 창발적 현상을 연구하며, 불확실한 미래를 대비하기 위한 기초 과학의 중요성을 강조합니다. 기초 과학을 통해 다져진 논리적 사고는 시대가 변해도 다양한 학문 분야와 융합하여 세상을 이해하는 강력한 도구가 되며, 새로운 통찰력을 제공합니다. 네트워크 과학은 현대 사회의 복잡한 연결망을 분석하는 핵심 도구입니다. 밀그램의 실험으로 알려진 '6단계 분리 법칙'은 70억 인구가 사는 세상이 생각보다 좁다는 '좁은 세상 효과'를 보여줍니다. 이는 단순히 인구수가 많아서가 아니라, 기하급수적으로 늘어나는 연결의 특성 때문입니다. 오일러의 한붓그리기 문제에서 시작된 그래프 이론은 이제 인터넷의 구조, 남녀 관계의 패턴, 전염병의 확산 경로를 파악하는 등 실생활의 문제를 해결하고 효율적인 전략을 수립하는 데 필수적인 수학적 모델로 발전하였습니다. 최근에는 빅데이터를 활용하여 정치적 성향이나 법안 발의 현황을 분석하는 등 네트워크 과학의 적용 범위가 더욱 넓어지고 있습니다. 국회의원들의 공동 발의 관계를 분석하면 정당 정치의 역학 관계를 수치로 확인할 수 있으며, 전염병 확산을 막기 위한 효율적인 백신 배포 전략을 세울 수도 있습니다. 중요한 것은 방대한 데이터를 단순히 모으는 것이 아니라, 이를 논리적으로 꿰어 보배로 만드는 통찰력입니다. 복잡한 세상을 관통하는 단순한 질서를 찾는 여정은 과학의 경계를 넘어 우리 삶의 지혜로 이어지고 있습니다.

김범준

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] F = ma _ 김상욱 교수_1강 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리' | 1강 ①

물리학자들은 우주에 변하지 않는 법칙이 있다고 굳게 믿습니다. 그 근간에는 데카르트의 철학적 사유가 깊게 자리 잡고 있습니다. 그는 "나는 생각한다, 고로 존재한다"는 명제로부터 시작하여, 모든 현상에는 필연적인 원인이 있다는 인과율을 제시하며 세상을 수학적으로 이해할 수 있는 틀을 마련했습니다. 이러한 믿음은 현대 과학이 세상을 바라보는 가장 기본적인 시각이 되었으며, 복잡한 자연 현상 뒤에 숨겨진 단순한 이치를 탐구하는 물리학의 출발점이 되었습니다. 데카르트의 가장 위대한 업적 중 하나는 기하학을 숫자로 표현할 수 있게 한 좌표계의 발명입니다. 이전까지 별개로 존재하던 기하학과 대수학이 만나면서, 공간상의 모든 점은 숫자의 조합으로 나타낼 수 있게 되었습니다. 이는 물체의 운동을 수식으로 기술할 수 있는 토대를 제공했습니다. 이제 우리는 공간 속 물체의 움직임을 시간에 따른 위치 변화라는 함수로 이해하며, 우주의 모든 입자가 그리는 궤적을 수학적으로 추적할 수 있게 된 것입니다. 고전 역학의 혁명은 갈릴레오로부터 시작되었습니다. 아리스토텔레스 시대에는 정지 상태가 사물의 자연스러운 본성이라고 믿었지만, 갈릴레오는 일정한 속도로 움직이는 등속 직선 운동이야말로 자연스러운 상태라는 관성의 법칙을 찾아냈습니다. 이는 마찰이 없는 이상적인 공간을 상상함으로써 도달한 놀라운 통찰이었습니다. 이러한 사고의 전환은 속도의 변화, 즉 가속도에 주목하게 만들었으며, 이후 뉴턴이 운동 법칙을 정립하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 뉴턴은 $F=ma$라는 단 한 줄의 식으로 우주의 질서를 통합했습니다. 그는 사과가 떨어지는 지상의 물리 법칙이 달이 궤도를 도는 천상의 원리와 동일하다는 것을 증명했습니다. 이 식에서 가속도는 힘이라는 원인에 의한 결과이며, 질량은 그 변화에 저항하는 성질을 의미합니다. 뉴턴의 법칙은 단순히 물체의 움직임을 설명하는 것을 넘어, 천상과 지상을 하나의 프레임으로 묶어냄으로써 인류가 우주 전체를 동일한 법칙 아래 이해할 수 있게 한 지성사적 사건이었습니다. $F=ma$는 현대 컴퓨터 공학의 핵심인 알고리즘적 사고와도 맞닿아 있습니다. 미분 방정식인 이 식은 현재의 상태를 알면 아주 짧은 시간 뒤의 상태를 계산할 수 있게 해줍니다. 이러한 점화식 구조는 튜링과 폰 노이만으로 이어지는 컴퓨터 아키텍처의 논리적 기반이 되었습니다. 우주가 매 순간 적분을 수행하며 굴러가듯, 컴퓨터 역시 0과 1의 데이터를 순차적으로 처리하며 복합한 연산을 수행합니다. 이는 세상을 단계적인 계산 과정으로 이해하는 근대적 사고방식의 산물입니다. 하지만 뉴턴의 결정론적 세계관에도 한계는 존재합니다. 로렌츠가 발견한 카오스 이론은 초기 조건의 아주 미세한 차이가 미래에 걷잡을 수 없이 큰 변화를 초래할 수 있음을 보여주었습니다. 이른바 나비 효과라 불리는 이 현상은, 법칙은 정해져 있을지라도 인간이 미래를 완벽하게 예측하는 것은 원리적으로 불가능함을 시사합니다. 복잡한 기상 현상이나 이중 진자의 움직임처럼, 단순한 규칙에서 시작된 운동이 프랙탈 구조를 그리며 무한한 복잡성을 만들어내는 것이 자연의 본질입니다. 마지막으로 물리학의 기본 법칙들은 시간의 방향에 대해 기묘한 침묵을 지킵니다. $F=ma$를 비롯한 근본 방정식들은 시간을 거꾸로 돌려도 수식의 형태가 변하지 않는 대칭성을 가집니다. 그럼에도 우리가 과거로 돌아갈 수 없는 이유는 엔트로피라는 확률적 법칙 때문입니다. 우주는 빅뱅이라는 매우 낮은 엔트로피 상태에서 시작하여 끊임없이 무질서도가 증가하는 방향으로 흐르고 있습니다. 결국 시간의 화살은 개별 입자의 운동 법칙이 아닌, 우주 전체의 거대한 통계적 흐름 속에서 탄생한 것입니다.

김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학