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[연구뭐하지?] 나만의 질문을 통해 새로운 분야를 개척하는 여정_박제근 교수 | 서울대학교 "양자물질 연구단"

물질의 자기적 성질을 탐구하는 연구는 현대 물리학의 핵심 과제 중 하나입니다. 특히 2010년 이후 세계 최초로 시작된 '2차원 자성체' 연구는 원자들이 평면 위에 배열된 나노미터 두께의 얇은 층에서 나타나는 새로운 물리적 현상을 다룹니다. 반데르발스 자성 물질이라 불리는 이 소재들은 기존 3차원 구조에서는 볼 수 없었던 독특한 상변화와 위상 현상을 보여주며, 연구자들에게 무궁무진한 탐구의 기회를 제공합니다. 원자 수준의 작은 나침반들이 만들어내는 새로운 응용 가능성은 저차원 물리 세계의 매력을 극대화하며 학계의 주목을 받고 있습니다. 연구자로서의 삶에서 가장 중요한 전환점은 남이 던진 질문에 답하는 것을 넘어 '나만의 질문'을 던지기 시작할 때 찾아옵니다. 오랜 시간 우수한 논문을 써왔음에도 불구하고, 근본적인 화두가 외국 연구자로부터 시작되었다는 사실은 때로 학문적 갈증을 유발합니다. 한국적인 정서가 담긴 불상이 인도나 일본의 것과 다르듯, 과학 연구 역시 우리만의 고유한 시각과 질문이 필요합니다. 석굴암의 미학에서 과학적 영감을 얻으려는 시도처럼, 자신만의 방향등을 찾아가는 과정은 연구자가 독립적인 개척자로 거듭나기 위한 필수적인 여정이라 할 수 있습니다. 창의적인 연구는 교수와 학생이 과학자로서 동등하게 질문을 마주하는 수평적인 문화에서 싹틉니다. 지위의 차이를 떠나 누구나 자유롭게 의견을 개진하고, 교수의 생각에 반론을 제기할 수 있는 환경은 연구의 질을 높이는 원동력이 됩니다. 특히 학생들에게 개별 프로젝트를 맡겨 초기 단계부터 끝까지 책임지게 하는 방식은 연구자로서의 독립성을 키워줍니다. 수산시장에서 자신의 좌판을 책임지는 상인처럼, 스스로 연구를 이끌어가는 과정은 다소 느릴지라도 결국 어디서든 제 몫을 다하는 독자적인 연구자를 길러내는 소중한 밑거름이 됩니다. 새로운 분야를 개척하는 연구는 마치 해독할 수 없는 이집트 상형문자로 가득한 '로제타 스톤'을 마주하는 것과 같습니다. 초기 단계에서는 방향을 잡지 못해 당혹스러울 때가 많지만, 끊임없는 실험과 분석을 통해 우리가 이해할 수 있는 언어로 지식을 변환해 나가는 과정이 바로 과학입니다. 아인슈타인이 말했듯 실패가 없다는 것은 새로운 시도를 하지 않았다는 증거이기도 합니다. 실패는 연구의 과정에서 피할 수 없는 일부이며, 이를 대범하게 받아들이는 태도가 필요합니다. 예상치 못한 결과 속에서 답을 찾아가는 인내야말로 과학적 진보를 이끄는 핵심입니다. 2차원 자성체와 같은 첨단 분야의 연구는 단기적인 성과보다는 장기적인 호흡과 끈기가 요구됩니다. 수많은 시행착오와 트러블슈팅 과정을 거쳐야 하기에 연구자는 실패에 무뎌질 수 있는 용기를 가져야 합니다. 비록 성과가 나오기까지의 과정은 고되고 심리적으로 힘들 수 있지만, 오랜 시간 몰입하여 얻어낸 결과물을 세상에 내놓는 순간의 보람은 무엇과도 바꿀 수 없습니다. 돌멩이를 연구한다는 소박한 설명 뒤에는 자연의 신비를 밝히려는 거대한 열망이 숨어 있으며, 이러한 몰입의 즐거움이 모여 결국 우리만의 독창적인 과학 기술을 완성하게 됩니다.

박제근

카오스재단연구뭐하지

물리학

[연구뭐하지?] 가장 오래된 학문이자 가장 최첨단의 학문, 천문학_황호성 교수 | 서울대학교 "외부은하와 우주론 연구실"

천문학은 인류가 출현한 이래 가장 오래된 학문으로 꼽힙니다. 밤하늘을 올려다보며 달과 해의 움직임에 의문을 품었던 고대인들의 호기심이 그 시작이었습니다. 자연과학의 근간이 되는 이 학문은 단순히 과거의 유산에 머물지 않고, 인간이 우주라는 거대한 공간 속에서 자신의 위치를 확인하려는 본능적인 탐구심을 대변합니다. 이러한 순수한 궁금증은 수천 년의 시간을 넘어 현대 천문학의 발전으로 이어지는 강력한 동력이 되었으며, 인류가 자연을 이해하는 첫 번째 창구가 되었습니다. 오늘날 천문학은 가장 오래된 학문인 동시에 가장 최첨단의 학문으로 불립니다. 약 10조 원이 투입된 제임스 웹 우주 망원경과 같은 장비는 인류 기술력의 결정체라 할 수 있습니다. 우리가 우주의 기원을 밝혀내기 위해서는 이처럼 막대한 자본과 고도의 기술이 집약된 장비가 필수적입니다. 보이지 않는 진실을 포착하기 위해 최첨단 장비를 활용하는 과정은 천문학이 현대 과학의 정점에 서 있음을 증명하며, 우리가 그동안 몰랐던 우주의 새로운 면모를 발견하게 해주는 중요한 열쇠가 됩니다. 우리가 알고 있는 별과 은하 등 눈에 보이는 물질은 우주 전체의 단 5%에 불과합니다. 나머지 95%는 정체가 밝혀지지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있습니다. 현대 천문학의 핵심 과제는 바로 이 보이지 않는 95%를 이해하는 것입니다. 은하들의 3차원 우주 지도를 제작하고 그들의 움직임을 정밀하게 분석함으로써, 보이지 않는 거대한 힘의 분포와 본질을 추론해 나가는 과정은 우주의 기원을 찾는 여정에서 가장 중요한 이정표가 되며, 보이지 않는 세계를 향한 인류의 도전을 상징합니다. 천문학 연구는 크게 관측, 이론, 기기 제작의 세 분야로 나뉩니다. 보통 한 분야에 집중하는 경우가 많지만, 종합적인 사고를 기르기 위해서는 이 세 가지를 두루 섭렵하는 과정이 필요합니다. 다양한 경험이 축적될 때 현상을 이해하는 시각이 성숙해지고, 비로소 창의적인 연구가 가능해지기 때문입니다. 기획 단계부터 데이터 도출까지 전 과정을 경험하며 얻는 통찰력은 연구자가 복잡한 우주의 원리를 다각도에서 조명할 수 있는 든든한 밑거름이 되어 주며, 학문적 경계를 허무는 창의성의 원천이 됩니다. 연구의 과정은 때로 고독하고 괴롭지만, 학회에서 동료들과 연구 결과를 공유하고 소통하는 순간은 그 모든 고통을 상쇄하는 보람을 줍니다. 천문학자는 혼자만의 세계에 갇히기보다 동료 및 제자들과 협력하며 진리를 탐구하는 사람들입니다. '다른 과학자를 위한 과학자'가 되고자 했던 선구자들의 정신을 이어받아, 함께 연구하며 우주의 비밀을 하나씩 풀어나가는 과정이야말로 천문학이 지닌 진정한 가치이자 매력입니다. 이러한 공동체적 노력은 우리가 우주라는 거대한 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 만드는 힘이 됩니다.

황호성

카오스재단연구뭐하지

천문학

[인터뷰] 우주는 왜 존재할까? l 스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁1

우주의 기원에 대한 질문은 인류가 마주한 가장 거대하고도 난해한 수수께끼 중 하나입니다. 과학자들은 우주가 어떻게 시작되었는지 설명하기 위해 다양한 물리적, 수학적 모델을 제시하지만, 정직하게 말하자면 그 근원적인 '이유'에 대해서는 여전히 명확한 답을 내놓지 못하고 있습니다. 우주의 시작은 단순히 과학의 영역을 넘어 신학이나 철학의 탐구 대상이 되기도 합니다. 현대 과학이 밝혀낸 사실들은 우주가 탄생한 이후 어떻게 진화해 왔는지를 보여줄 뿐, 그 이전의 완전한 무(無)의 상태에서 무엇이 존재를 촉발했는지는 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 학술적인 관점에서 우주의 탄생은 양자역학적인 확률 사건으로 설명되곤 합니다. 아무것도 없는 상태, 즉 총 에너지가 0인 '무(無)'의 상태에서 양자 요동에 의해 우주가 우연히 발생했다는 가설입니다. 이는 우주가 필연적인 계획에 의해 만들어진 것이 아니라, 극히 낮은 확률이 실현된 결과일 수 있음을 시사합니다. 과학자들은 이러한 현상을 증명하기 위해 강입자 충돌기와 같은 거대 장치를 이용해 물질을 쪼개고 미니 빅뱅의 순간을 재현하려는 노력을 기울이고 있습니다. 이러한 도전은 우리가 목격하는 이 거대한 우주가 아주 작은 미시 세계의 법칙에서 시작되었음을 밝혀내려는 시도입니다. 우주의 유일성에 의문을 제기하는 다중우주론은 우리가 처한 상황을 보다 넓은 시각에서 바라보게 합니다. 과거 지구가 우주의 중심이라고 믿었던 인식이 깨졌듯이, 우리 우주 역시 무한히 존재하는 수많은 우주 중 하나에 불과할 수 있다는 생각입니다. 다중우주론은 단순히 존재를 설명하기 위한 도피성 가설이 아니라, 현대 물리학의 법칙들이 합리적으로 예측하는 이론적 결과물이기도 합니다. 만약 무한한 우주가 존재한다면, 우리가 지금 이 우주에 살고 있다는 사실은 더 이상 기적이 아닌 자연스러운 통계적 결과가 됩니다. 이는 인류의 인식 지평을 우리 우주 너머로 확장하는 중요한 전환점이 됩니다. 천문학자들은 이론적 추론에만 의존하지 않고 관측된 증거를 바탕으로 우주의 역사를 재구성합니다. '룩백 타임'이라는 개념 덕분에 우리는 멀리 떨어진 천체를 관측함으로써 과거의 우주를 직접 들여다볼 수 있습니다. 관측 결과 우주는 시간에 따라 끊임없이 변화하고 진화해 왔으며, 이를 역으로 추적하면 모든 것이 한 점에 모여 있었던 빅뱅의 순간에 도달하게 됩니다. 비록 우주 배경 복사 이전의 아주 초기 순간까지는 직접 관측할 수 없지만, 지금까지 축적된 데이터는 우주가 매우 작고 뜨거운 상태에서 출발했다는 사실을 강력하게 뒷받침하고 있습니다. 최근의 우주론은 우주의 완전한 시작점보다는 그 직후에 일어난 '급팽창(인플레이션)' 현상에 주목하고 있습니다. 우주가 탄생한 직후 상상할 수 없는 속도로 팽창하면서 초기 조건들이 재설정되었기 때문에, 그 이전의 상태를 파악하는 것은 더욱 어려운 과제가 되었습니다. 이제 과학자들에게 중요한 것은 뜨거운 빅뱅의 정체가 무엇인지, 그리고 급팽창(인플레이션)이 어떤 메커니즘을 통해 지금의 우주 구조를 형성했는지를 밝혀내는 일입니다. 비록 궁극적인 시작에 대한 해답은 여전히 멀리 있을지라도, 인류는 과학적 데이터를 토대로 우주의 신비에 그 어느 때보다 가까이 다가가고 있습니다.

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

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
지구환경과학
천문학
융합

[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] 김지훈_ 이것으로 별도, 달도, 우주도 만든다 | 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

현대 우주론 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션은 실험이 불가능한 우주를 탐구하는 핵심적인 도구입니다. 연구자들은 은하, 별, 그리고 초거대 질량 블랙홀의 형성 과정을 가상 공간에서 구현하며 우리가 알고 있는 물리 법칙의 타당성을 검증합니다. 직접 우주에 가서 만져보거나 은하의 탄생을 지켜볼 수는 없지만, 정교한 수치 모형을 통해 우주의 진화 과정을 재현함으로써 이론적 가설을 실질적으로 확인하는 독특한 매력을 지닙니다. 시뮬레이션 과정은 매우 정밀하고 방대한 작업입니다. 완벽한 물리 모형을 입력하더라도 컴퓨터의 처리 방식이나 인간의 실수로 인해 오류가 발생할 수 있기에, 하나의 결과물을 얻기 위해 수일에서 수개월의 시간이 소요되기도 합니다. 이러한 연구는 주로 람다 CDM 모형이라 불리는 표준 우주론에 기반을 둡니다. 이는 현재 과학계에서 가장 많은 검증과 확인 절차를 거친 신뢰할 수 있는 틀로, 연구자들은 이 모형을 염두에 두고 우주의 구조를 설계합니다. 우주 구성의 70%를 차지한다고 알려진 암흑 에너지는 여전히 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 과학자들은 우주 팽창을 설명하기 위해 특정 역할을 수행하는 존재가 반드시 필요하다는 판단 아래, 정체는 모르지만 우선 이름을 붙여 자리를 마련해 두었습니다. 존재의 필요성은 인정되나 실체는 모르는 상태인 암흑 에너지를 규명하는 것은 현대 우주론이 직면한 가장 큰 과제 중 하나이며, 이를 해결하기 위한 다양한 이론적 시도가 이어지고 있습니다. 특히 초거대 질량 블랙홀의 기원과 성장 과정은 시뮬레이션 연구의 주요 관심사입니다. 사건의 지평선 망원경을 통해 관측적 증거는 확보되었으나, 이들이 어떻게 처음 생겨나 주변의 가스와 암흑 물질을 흡수하며 거대해졌는지에 대한 이론적 확립은 아직 미비합니다. 연구자들은 컴퓨터에게 물리적 모형을 제시하고 그것이 실제 우주와 유사하게 구현되는지 묻는 과정을 반복합니다. 이러한 상호작용을 통해 블랙홀의 성장 경로를 추적하며 우주의 비밀에 한 걸음 더 다가갑니다. 과학 연구에는 논리적 분석뿐만 아니라 연구자의 직관이나 육감도 중요한 역할을 합니다. 때로는 머리가 아닌 몸으로 느끼는 본능적인 감각이 새로운 발견의 실마리가 되기도 합니다. 또한, 모든 사람이 바라보는 보편적인 관점에서 벗어나 문제를 다른 시각으로 바라보려는 노력은 과학적 진보를 이끄는 원동력입니다. 이러한 다각적인 시선과 끊임없는 탐구 정신은 미래의 과학자들이 갖추어야 할 소양이며, 우주라는 거대한 신비를 풀어가는 열쇠가 될 것입니다.

김지훈

카오스재단석학인터뷰

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

카오스재단카오스크로스

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

[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

[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.

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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

[정말 읽었니?#9] 송기원 교수_ '종의 기원', 지성에서 영성으로 가는 여정

찰스 다윈의 '종의 기원'은 단순한 고전을 넘어 현대 생명과학의 근간을 이루는 정수입니다. 많은 이들이 처음에는 이 방대한 기록을 지루하게 느낄 수 있지만, 생명의 원리를 깊이 탐구하다 보면 다윈이 보여준 집요함에 경외감을 느끼게 됩니다. 그는 수많은 사실을 수집하고 분석하여 생명 현상을 관통하는 하나의 논리를 세웠습니다. 연구가 막히거나 힘든 순간, 다윈의 집요함을 떠올리며 다시금 과학적 탐구의 힘을 얻게 되는 것은 그가 남긴 학문적 태도가 오늘날의 과학자들에게도 여전히 유효하기 때문입니다. 다윈 이전의 생물학은 단순히 생명체를 분류하고 수집하는 박물학의 수준에 머물러 있었습니다. 그러나 다윈은 모든 생명체가 동일한 원리에 의해 존재하게 되었다는 혁신적인 논리를 제시하며 근대 생물학의 문을 열었습니다. 그 핵심은 바로 '자연선택'입니다. 무작위적인 변이 속에서 자연 환경에 더 잘 적응한 개체가 살아남아 자손을 남기는 과정이 반복되면서, 아주 단순한 생명체로부터 오늘날의 다양하고 복잡한 생태계가 형성되었습니다. 이는 지구상의 모든 종이 같은 방법으로 탄생했음을 증명한 최초의 시도였습니다. 진화에는 정해진 방향이나 목적이 없다는 점은 다윈이 강조한 또 다른 중요한 개념입니다. '생명의 나무' 비유처럼 진화는 공통 조상으로부터 여러 갈래로 뻗어 나가는 우연의 산물이며, 만약 지구가 다시 태어난다면 지금과는 전혀 다른 생명체들이 존재할 수도 있습니다. 또한, 다윈은 생존에 불리해 보이는 화려한 특징들이 왜 나타나는지를 '성선택' 개념으로 설명했습니다. 포식자의 눈에 띄는 위험을 감수하더라도 번식을 위해 이성에게 매력을 어필하는 형질이 선택됨으로써 생명의 다양성은 더욱 풍성해질 수 있었습니다. 현대 과학은 다윈이 미처 알지 못했던 유전학과 분자생물학의 발전을 통해 진화의 과정을 더욱 정밀하게 이해하게 되었습니다. 특히 발생 과정에서의 유전자 발현 차이가 어떻게 다양한 형태의 생명체를 만드는지 연구하는 '이보디보(Evo-Devo)' 분야는 다윈의 이론을 현대적으로 확장하고 있습니다. 아주 단순한 유전자 세트가 어떻게 작동하느냐에 따라 경이로울 정도로 다채로운 생명체가 탄생한다는 사실은, 다윈이 '종의 기원' 말미에서 언급했던 생명의 장엄함을 과학적으로 뒷받침하며 우리에게 깊은 감동을 줍니다. 오늘날 우리는 인위적인 유전공학과 합성생물학의 시대를 살아가며 자연의 섭리에 개입하고 있습니다. 다윈이 강조한 '자연은 도약하지 않는다'는 원리와 생태계의 '공진화'를 되새겨볼 때, 인간에 의한 급격한 변화와 멸종의 가속화는 깊은 성찰을 요구합니다. 과학이란 결국 남들이 던지지 않은 질문을 찾아 답을 해나가는 영적인 여정입니다. 다윈이 보여준 자연에 대한 순수한 호기심과 겸허한 태도는, 우리가 앞으로 마주할 생명 윤리와 환경 문제에 대해 중요한 혜안을 제공해 줄 것입니다.

송기원

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생명과학

[연구뭐하지?] 우베 피셔 교수 _서울대학교 '차가운 원자이론 연구실' | 세상에서 가장 차가운 원자를 만나다?

현대 물리학의 최전선에서는 수많은 입자가 모여 만들어내는 양자적 행동을 탐구하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 개별 입자들이 독립적으로 존재할 때와 달리, 이들이 집합적으로 상호작용하며 나타내는 다체계 이론은 물리적 세계를 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 특히 원자와 빛 입자 사이의 정밀한 상호작용을 분석함으로써 우리는 눈에 보이지 않는 미시 세계의 질서를 구체화하고 있습니다. 이러한 연구는 단순한 이론 정립에 그치지 않고 실제 실험과의 긴밀한 협력을 통해 그 타당성을 검증하며 새로운 물리적 가능성을 열어갑니다. 극저온 상태의 원자는 물리학자들에게 매우 흥미로운 연구 대상입니다. 온도를 극한으로 낮추면 원자들은 마치 유체처럼 흐르는 독특한 현상을 보이는데, 이를 활용해 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 이는 중력이나 시공간의 곡률과 같은 거시적인 우주 현상을 실험실 내부에서 재현하는 놀라운 과정이라고 할 수 있습니다. 예를 들어 음향학적 호킹 복사나 블랙홀의 특성을 연구함으로써, 우주의 근본적인 원리를 작은 원자들의 움직임을 통해 증명해 나가는 지적 여정을 지속하고 있습니다. 서로 다른 물리적 시스템을 결합하는 하이브리드 시스템 연구는 현대 양자역학의 또 다른 중요한 축을 담당합니다. 초전도체와 극저온 원자 시스템을 융합함으로써 기존의 단일 시스템으로는 관찰하기 어려웠던 새로운 양자 현상을 탐구하는 것이 가능해집니다. 온도를 극도로 낮추었을 때 발생하는 양자역학적 변화는 우리가 흔히 알고 있는 초전도 현상과도 깊은 연관이 있습니다. 이러한 융합 연구는 물리적 경계를 허물고 더 넓은 범위의 과학적 발견을 가능하게 하며 미래 기술의 토대를 마련해 줍니다. 물리학의 진정한 매력은 복잡한 수식 너머에 존재하는 명확한 이미지에 있습니다. 연구자들에게 수식은 단순한 계산 도구가 아니라, 머릿속에 물리적 현상을 그려내고 서로의 생각을 공유하는 가장 효율적인 언어와 같습니다. 때로는 긴 설명보다 한 줄의 수식이 더 명확한 소통의 수단이 되기도 하며, 이를 통해 연구 결과의 방향성을 논의하고 새로운 가설을 세우기도 합니다. 이러한 학문적 소통은 연구자들 사이의 깊은 유대감을 형성하며 새로운 발견을 향한 강력한 동력을 제공해 줍니다. 연구의 성과는 강압적인 분위기가 아닌 연구자의 자율성과 주도적인 태도에서 비롯된다고 믿습니다. 교수의 세심한 가이드라인 아래에서 학생이 스스로 주제를 탐구하고 구상할 수 있는 환경은 창의적인 연구를 가능하게 하는 원동력이 됩니다. 시간 관리를 효율적으로 수행하며 자신의 연구에 책임을 다하는 태도는 물리학자로서 성장하는 데 필수적인 요소입니다. 다양한 배경을 가진 이들이 모여 자유롭게 토론하고 탐구하는 열린 공간에서, 양자역학의 신비로운 세계를 함께 밝혀나갈 동료를 기다리고 있습니다.

Uwe R. Fischer(우베 피셔)

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물리학

[연구뭐하지?] 정연준 교수 _서울대학교 '계산 나노바이오 화학 연구실' | 정말 아까워서 이번만 알려드립니다!! 나만하기 아까운 분야!!

화학은 분자 세계의 다양성을 탐구하며 물질의 본질을 이해하는 학문입니다. 그중에서도 계산 화학 혹은 이론 화학은 컴퓨터를 활용해 물질의 성질을 규명하는 독특한 분야로 주목받고 있습니다. 특정 시스템에 국한되지 않고 방법론적인 접근을 통해 액체, 고분자, 신소재 등 광범위한 대상을 연구하는 것이 특징입니다. 이는 실험실에서 직접 물질을 다루는 전통적인 방식과는 달리, 가상의 공간에서 분자의 움직임을 정밀하게 관찰하고 예측하는 현대 화학의 핵심적인 연구 방식이라 할 수 있습니다. 연구의 핵심 도구로는 양자 화학 방법론과 분자 동역학 시뮬레이션이 주로 활용됩니다. 최근에는 인공지능 기술의 발전에 발맞추어 머신러닝을 연구에 적극적으로 도입하여 유의미한 성과를 거두고 있습니다. 이러한 방법론들은 열역학, 양자역학, 통계역학이라는 탄탄한 이론적 토대 위에서 작동합니다. 복잡한 수식과 알고리즘이 진입장벽처럼 느껴질 수 있지만, 이는 분자 수준에서 일어나는 복잡한 현상을 가장 깊이 있게 들여다볼 수 있게 해주는 강력한 렌즈가 되어줍니다. 계산 화학의 가장 큰 매력은 시공간의 제약 없이 자유로운 연구가 가능하다는 점에 있습니다. 실험 과정에서 마주하게 되는 물리적인 한계나 위험 요소 없이, 연구자의 상상력을 바탕으로 다양한 가설을 검증할 수 있습니다. 실험으로는 관찰하기 어려운 찰나의 순간이나 미세한 분자 구조의 변화를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 상세히 구현할 수 있다는 점은 계산 화학만이 가진 독보적인 장점입니다. 이러한 환경은 연구자에게 무한한 탐구의 기회를 제공하며 창의적인 연구를 가능하게 합니다. 연구실의 분위기는 매우 개방적이며 연구자의 자율성을 최대한 존중하는 방향으로 조성되어 있습니다. 학생들은 자신이 관심 있는 주제를 자유롭게 제안하고, 이에 대해 교수님의 전폭적인 지지와 지도를 받으며 연구를 수행합니다. 특히 최근 계산 화학 분야에 대한 사회적 관심과 수요가 높아짐에 따라 풍부한 연구 자원이 확보되어 있으며, 이는 학생들이 연구에만 몰입할 수 있는 최적의 환경을 제공합니다. 인격적인 존중과 학문적 성장이 공존하는 공동체 속에서 연구자들은 자신의 역량을 키워나갑니다. 현재 계산 화학은 재료 과학, 생명 공학 등 다양한 첨단 산업 분야에서 각광받고 있는 유망한 분야입니다. 실험 재료비에 대한 부담이 적고 컴퓨터라는 효율적인 도구를 사용하기에 연구의 효율성이 높으며, 데이터 과학과의 접목을 통해 미래 산업 시장에서도 높은 경쟁력을 갖추고 있습니다. 분자 수준에서 물질의 본질을 이해하고자 하는 열정을 가진 이들에게 계산 화학은 자신의 꿈을 마음껏 펼칠 수 있는 기회의 장이 될 것이며, 앞으로도 미래 과학 기술의 발전을 견인할 것입니다.

정연준

카오스재단연구뭐하지

화학
생명과학

[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

[카오스 술술과학] 다중우주 (3) : 다세계해석과 양자 평행우주

양자역학의 세계는 우리가 상식적으로 이해하기 힘든 비현실적인 현상들로 가득 차 있습니다. 그중 가장 유명한 사례는 단연 슈뢰딩거의 고양이 실험일 것입니다. 폐쇄된 상자 안에서 전자가 이중 슬릿의 어느 문을 통과하느냐에 따라 고양이의 생사가 결정된다고 가정해 봅시다. 관측하기 전까지 전자는 두 상태가 양자 중첩되어 있으며, 논리적으로는 고양이 역시 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 동시에 존재하게 됩니다. 이러한 미시 세계의 양자 중첩은 거시 세계를 살아가는 우리에게 매우 낯설고 기묘한 감각을 선사합니다. 물리학자 맥스 테그마크는 이러한 양자 중첩을 일상의 선택과 연결해 설명합니다. 예를 들어 자전거를 타고 길을 건너는 찰나의 순간, 뇌 속의 칼슘 원자 하나가 특정 신경 부위에 도달하느냐 마느냐에 따라 사고 여부가 결정될 수 있습니다. 만약 원자의 움직임이 양자 중첩되어 있다면, 우리는 찰나의 순간에 살아남은 자신과 사고를 당한 자신으로 나뉘게 됩니다. 이는 단순한 상상을 넘어, 미시적인 양자 현상이 어떻게 거대한 현실의 갈림길을 만들어낼 수 있는지에 대한 심오한 질문을 던집니다. 고전적인 코펜하겐 해석은 우리가 관측하는 순간 중첩된 파동함수가 붕괴하여 하나의 현실만 남는다고 설명합니다. 하지만 휴 에버렛 3세는 이러한 해석이 부자연스럽다고 느꼈습니다. 그는 슈뢰딩거 방정식을 끝까지 고수하며 파동함수는 결코 붕괴되지 않는다고 주장했습니다. 즉, 관측에 의해 하나의 결과가 선택되는 것이 아니라, 가능한 모든 결과가 각각의 세계에서 실제로 일어난다는 것입니다. 이것이 바로 다세계 해석의 시작이며, 우리가 인지하지 못하는 무한한 평행우주의 존재를 시사합니다. 다세계 해석에 따르면 우주는 측정이나 결정이 일어날 때마다 끊임없이 갈라지며, 우리는 그중 단 하나의 가지에 존재할 뿐입니다. 이 관점에서는 파동함수의 붕괴라는 억지스러운 과정이 필요하지 않습니다. 모든 가능성은 사라지지 않고 각자의 우주에서 실현되기에, 어딘가에는 내가 죽지 않고 영원히 살아가는 우주도 존재하게 됩니다. 비록 동시대 과학자들에게는 외면받았지만, 에버렛의 이론은 현실의 본질을 바라보는 완전히 새로운 틀을 제공하며 현대 물리학의 중요한 화두로 자리 잡았습니다. 오늘날 평행우주 개념은 영화나 소설 등 대중문화에서 매력적인 소재로 활용되고 있습니다. 마블 시리즈의 평행우주나 타임 루프를 다룬 작품들은 우리가 선택하지 않은 길에 대한 호기심을 자극합니다. 다세계 해석을 완전히 믿기는 어려울지라도, 이 이론은 우리에게 묘한 위안을 주기도 합니다. 지금 이 세계에서 실패하거나 고통받더라도, 다른 평행우주 어딘가에는 꿈을 이루고 행복을 누리는 또 다른 내가 존재할 것이기 때문입니다. 우주는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 거대하고 다채로운 모습을 숨기고 있을지도 모릅니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[강연] 2018 필즈상 해설 강연 1일차(KAOS, 고등과학원, 수학동아) _ 박지훈, 하승열 교수 | 2편

수학은 수천 년의 역사를 지닌 학문이지만, 여전히 우리에게 깊은 경외심과 동시에 막연한 두려움을 안겨줍니다. 세계 최고의 수학적 업적에 수여되는 필즈상은 단순히 개인의 천재성을 기리는 자리가 아니라, 인류가 지성의 한계를 어떻게 극복해왔는지를 보여주는 이정표입니다. 수학을 공부하며 마주하는 난해함은 피할 수 없는 과정이지만, 이를 지속적으로 접하며 익숙해지는 과정 자체가 수학적 사고의 핵심입니다. 부분적인 이해에서 시작해 전체적인 통찰로 나아가는 노력은 수학자뿐만 아니라 우리 모두에게 필요한 태도입니다. 2018년 필즈상 수상자인 코처 비르카는 대수기하학의 난제인 '파노 다양체의 유한성'을 증명하며 수학계에 큰 족적을 남겼습니다. 대수 다양체란 다변수 다항식의 해집합으로 이루어진 기하학적 구조를 의미하는데, 그중에서도 차수가 낮은 특수한 다양체를 파노 다양체라 부릅니다. 코처 비르카는 최소 모델 프로그램이라는 도구를 활용하여, 특정한 조건을 만족하는 파노 다양체의 종류가 유한하다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 복잡한 기하학적 대상들을 체계적으로 분류하고 이해하려는 수학자들의 오랜 꿈에 한 걸음 더 다가간 결과입니다. 수학적 발견은 결코 고립된 천재 한 명의 힘으로 이루어지지 않습니다. 코처 비르카의 업적 역시 델 페초와 지노 파노에서 시작되어 이스콥스키흐, 시게후미 모리 등으로 이어지는 거대한 학문적 흐름 위에 서 있습니다. 수많은 수학자가 쌓아 올린 이론적 토대와 협력의 문화가 있었기에 현대의 난제 해결이 가능했던 것입니다. 전 세계의 학자들이 이메일과 논문을 통해 실시간으로 소통하며 아이디어를 주고받는 개방적인 연구 환경은, 현대 수학이 과거보다 더욱 역동적으로 발전할 수 있는 원동력이 되고 있습니다. 또 다른 수상자인 알레시오 피갈리는 '최적 운송 이론'의 대가로 불립니다. 최적 운송 이론이란 자원을 한 분포에서 다른 분포로 옮길 때 비용을 최소화하는 방법을 연구하는 분야입니다. 18세기 가스파르 몽주가 제기한 모래 더미 옮기기 문제에서 시작된 이 이론은, 현대에 이르러 확률론과 편미분 방정식의 결합을 통해 비약적으로 발전했습니다. 알레시오 피갈리는 몽주-앙페르 방정식의 정칙성 문제를 해결함으로써, 추상적인 수학 이론이 실제 물리적 현상을 설명하는 강력한 도구가 될 수 있음을 입증했습니다. 알레시오 피갈리의 연구는 순수 수학의 영역을 넘어 기상학, 유체 역학, 양자 역학 등 다양한 응용 분야에서 빛을 발하고 있습니다. 대기의 흐름을 설명하는 준지균 방정식을 3차원으로 확장하거나, 기하학적 부등식의 안정성을 증명하는 과정에서 최적 운송 이론은 핵심적인 역할을 수행합니다. 이는 복잡한 자연 현상 이면에 숨겨진 단순하고 아름다운 최적화 원리를 찾아내는 과정이기도 합니다. 수학적 통찰이 어떻게 타 학문과 상호작용하며 인류의 지식 지평을 넓히는지 보여주는 대표적인 사례라 할 수 있습니다. 수학의 본질이 문제 풀이에 있는지, 아니면 새로운 이론을 정립하는 데 있는지에 대한 논의는 끊이지 않습니다. 어떤 수학자는 거대한 산을 정복하듯 난제를 해결하는 데 집중하고, 어떤 수학자는 산을 오르기 위한 길을 닦듯 정교한 이론 체계를 구축합니다. 중요한 것은 이 두 가지 접근 방식이 서로 보완하며 수학이라는 거대한 유기체를 성장시킨다는 점입니다. 난제 해결은 이론의 유효성을 검증하는 실험이 되고, 새로운 이론은 이전에 풀지 못했던 문제에 접근할 수 있는 새로운 시각을 제공합니다. 현대 사회에서 기하학을 비롯한 수학 교육의 중요성은 더욱 강조되고 있습니다. 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술인 인공지능, 로봇 공학, 자율주행 등은 모두 고도의 기하학적 사고를 바탕으로 합니다. 수학은 단순히 공식을 암기하고 계산하는 학문이 아니라, 논리적인 체계를 세우고 세상을 바라보는 통찰력을 기르는 도구입니다. 학생들이 수학의 어려움에 매몰되기보다 그 이면에 숨겨진 질서와 조화를 발견하며 스스로 생각하는 힘을 기를 때, 비로소 수학은 우리 삶을 풍요롭게 만드는 지적 자산이 될 것입니다.

박지훈, 하승열

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

수학

[강연] 물리 어벤져스 | 강연자 토론 _고재현, 김범준, 김상욱 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리'

현대 물리학의 궁극적인 지향점 중 하나는 자연계에 존재하는 네 가지 힘을 하나의 원리로 설명하는 '모든 것의 이론(TOE)'을 완성하는 것입니다. 하지만 물리학자들이 이 이론을 손에 넣는다고 해서 세상의 모든 현상을 즉각적으로 이해할 수 있는 것은 아닙니다. 우주를 구성하는 기본 입자와 그들 사이의 규칙을 아는 것은 문학 작품을 구성하는 알파벳과 문법을 익히는 것과 같습니다. 문법을 안다고 해서 셰익스피어의 희곡을 저절로 쓸 수 없듯이, 기초 법칙만으로 생명이나 사회 현상 같은 복잡한 층위의 의미를 다 설명하기에는 근본적인 한계가 존재합니다. 양자 컴퓨터는 최근 과학계와 산업계에서 가장 뜨거운 화두 중 하나이지만, 현재의 기대감에는 다소 거품이 섞여 있다는 냉철한 시각도 필요합니다. 이론적으로 양자 알고리즘은 특정 작업에서 기존 컴퓨터를 압도하는 성능을 보여줄 수 있으나, 이를 실제로 구현하는 과정에는 극저온과 진공 상태 유지라는 가혹한 기술적 장벽이 존재합니다. 현재는 범용 컴퓨터로서의 상용화보다는 기본적인 연산이 가능한 큐비트 칩을 개발하고 검증하는 초기 단계에 머물러 있습니다. 따라서 기술적 가능성에 대한 낙관과 함께 현실적인 한계를 직시하는 균형 잡힌 시각이 중요합니다. 한국의 주력 산업인 디스플레이와 반도체 분야에서 물리학은 기술 격차를 유지하는 핵심적인 역할을 수행합니다. LCD 시장이 이미 포화 상태에 이른 상황에서 OLED와 마이크로 LED 같은 차세대 기술은 빛의 스펙트럼을 정교하게 제어하는 물리학적 원리에 기반하고 있습니다. 특히 색의 순도를 높여 선명한 화질을 구현하는 퀀텀닷 기술은 나노 세계의 물리 법칙을 산업에 응용한 대표적인 사례입니다. 메모리 반도체의 집적도를 높이는 공정 기술 역시 물리학적 이해가 필수적이며, 이는 국가 경쟁력을 좌우하는 중요한 먹거리 산업의 토대가 됩니다. 물리학자를 꿈꾸는 학생들에게 가장 필요한 덕목은 세상에 대한 호기심과 이를 끝까지 파고드는 근성입니다. 교과서에 담긴 지식은 수백 년간의 탐구 결과물일 뿐이며, 진정한 과학적 사고는 일상의 사소한 현상에서도 '왜'라는 질문을 던지는 것에서 시작됩니다. 물리학의 언어인 수학은 도구로서 중요하지만, 고등학교 수준의 기초를 탄탄히 다지는 것만으로도 충분합니다. 중요한 것은 정해진 답을 찾는 선행 학습이 아니라, 실험적 장벽이나 이론적 난관에 부딪혔을 때 엉덩이가 짓무를 정도로 앉아 고민할 수 있는 끈기 있는 태도입니다. 과학에서 이론과 법칙은 신뢰도의 차이라기보다 자연을 묘사하는 틀의 성격에 가깝습니다. 뉴턴의 운동 법칙이 상대성 이론에 의해 보완되었듯이, 물리학의 법칙은 100% 완결된 진리라기보다 현재의 기술로 검증 가능한 최선의 설명입니다. 물리학자들은 실험적 증거가 쌓일수록 이론의 신뢰도를 99.9%에서 99.99%로 높여가는 과정을 반복합니다. 이러한 혹독한 검증 과정을 거치며 이론은 더욱 견고해지며, 때로는 기존의 틀을 깨는 새로운 발견을 통해 우주에 대한 우리의 이해는 한 층 더 깊어지게 됩니다. 물리학에서 정의하는 정보는 일상적인 의미와 달리 확률 분포를 정량화한 매우 건조한 개념입니다. 이는 엔트로피와 밀접하게 연결되어 있으며, 시스템의 무지나 복잡성을 나타내는 척도로 사용됩니다. 하지만 양자역학적 관점에서 정보는 측정 주체와 대상 사이의 상호 관계를 의미하기도 합니다. 우리가 대상을 측정하여 정보를 얻는 행위는 두 시스템 사이에 관계가 형성되는 과정이며, 이는 우주의 본질이 개별적인 입자들의 집합이 아니라 그들 사이의 얽힘과 상호작용으로 이루어져 있음을 시사합니다. 암흑 물질과 암흑 에너지, 비평형 통계역학처럼 물리학에는 여전히 인류가 답하지 못한 거대한 미제들이 산적해 있습니다. 이러한 미지의 영역은 다음 세대 과학자들이 도전해야 할 과제이며, 이를 위해 기초 과학에 대한 사회적 관심과 안정적인 연구 환경 조성이 필수적입니다. 물리학은 단순히 물질의 법칙을 찾는 학문을 넘어, 세상을 객관적이고 합리적으로 바라보는 사고방식을 제공합니다. 모든 시민이 물리학자가 될 필요는 없지만, 과학적 사고를 통해 사회 문제를 논리적으로 판단하는 힘을 기르는 것은 성숙한 민주주의를 위한 밑거름이 됩니다.

고재현, 김범준, 김상욱

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물리학

[석학인터뷰] 정하웅_ '신상' 학문을 연구하는 학자 | 2018 카오스 콘서트 '수학과 과학 42'

수학과 과학은 서로 떼려야 뗄 수 없는 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 과학자의 시선에서 바라볼 때 과학은 수학보다 조금 더 큰 영역을 아우르는 존재로 느껴지기도 합니다. 최근 주목받는 데이터 과학은 이러한 학문적 토대 위에서 탄생한 새로운 흐름입니다. 비록 최신 학문처럼 보이지만, 사실 데이터 과학은 과거부터 존재해 온 여러 학문 분야가 현대적으로 재해석된 결과물입니다. 유행이 돌고 돌듯, 익숙한 기초 위에 세워진 이 새로운 학문은 현대 사회를 이해하는 가장 중요한 열쇠가 되고 있습니다. 우주와 삶에 대한 궁극적인 질문에 답하기 위해서는 진실을 마주하려는 용기가 필요합니다. 영화 '매트릭스'에서 주인공 네오가 빨간 약을 선택해 가상 세계의 안락함 대신 불편한 진실을 택했듯이, 우리 역시 우리가 발을 딛고 있는 세계의 본질을 탐구해야 합니다. 우리가 진짜 현실에 살고 있는지, 아니면 정교하게 설계된 시스템 속에 있는지 확인하는 과정은 지적 탐구의 시작점입니다. 이러한 '빨간 약'의 선택은 세상을 바라보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓으며, 진정한 지식의 세계로 우리를 인도합니다. 물리학은 사전적 정의 그대로 '세상 만물의 이치'를 다루는 학문입니다. 세상의 모든 현상을 설명할 수 있다는 점은 물리학이 가진 가장 큰 매력이자 힘입니다. 하지만 학문의 깊이가 깊다고 해서 반드시 권위적일 필요는 없습니다. 진정한 지식인은 자신이 모든 것을 알지 못한다는 사실을 인정하는 겸손함을 갖추고 있습니다. 모르는 것이 생겼을 때 현대의 방대한 정보망을 활용해 답을 찾아가는 유연한 태도는 대중과 더 가깝게 소통할 수 있는 기반이 됩니다. 지식은 나누고 소통할 때 비로소 그 가치가 빛나기 때문입니다. 통계물리학은 단순히 연구실 안에만 머무는 이론이 아니라 우리의 일상과 인연 속에도 깊이 스며들어 있습니다. 사람과 사람 사이의 연결 고리를 추적해 보면, 전혀 상관없어 보이는 유명인과도 불과 몇 단계 만에 연결될 수 있다는 사실을 발견하게 됩니다. 이는 복잡한 네트워크 속에서도 일정한 규칙이 작동하고 있음을 보여줍니다. 배우자를 만나는 과정이나 소중한 인연을 맺는 일조차 통계물리학적인 관점에서는 최적의 선택을 찾아가는 흥미로운 과정으로 해석될 수 있습니다. 일상의 모든 순간이 데이터와 물리 법칙의 조화인 셈입니다. 대중을 위한 과학 강연은 눈높이를 맞추는 것이 무엇보다 중요합니다. 많은 과학 강연이 어렵게 느껴지는 이유는 전달자와 수용자 사이의 간극 때문입니다. '모든 것의 이론'을 넘어 '모든 것들의 이론'을 지향하는 복잡계물리학은 세상의 다양한 현상을 가장 단순하면서도 재미있는 법칙으로 설명하고자 합니다. 복잡해 보이는 세상도 그 이면의 원리를 이해하면 명쾌하게 다가옵니다. 어렵게만 느껴졌던 과학의 문턱을 낮추고 즐겁게 소통할 때, 우리는 비로소 우주와 삶에 대한 더 깊은 통찰을 얻을 수 있을 것입니다.

정하웅

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물리학
수학
융합

[석학인터뷰] 하승열_ 자연을 탐구하는 수학자 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다'

수학자들은 물리학자들에 비해 학문적 탐구의 영역에서 상대적으로 더 높은 자유로움을 누립니다. 물리학이 실제 존재하는 현상을 설명하고 증명하는 것에 일차적인 목적을 둔다면, 수학은 이론 그 자체의 논리적 완결성과 아름다움만으로도 충분한 가치를 지니기 때문입니다. 아무리 정교한 이론이라도 현실의 현상을 뒷받침하지 못하면 외면받기 쉬운 물리적 세계와 달리, 수학자들은 이론이 지닌 고유한 질서와 구조 속에서 순수한 즐거움을 발견합니다. 이러한 자유로운 사고의 확장은 수학이 단순한 계산을 넘어 하나의 예술적 경지에 도달하게 만드는 원동력이 됩니다. 복잡해 보이는 자연 현상 속에는 이를 관통하는 단순하고 명료한 공식들이 숨어 있습니다. 미분 방정식을 활용하면 수많은 변수가 얽힌 복잡한 시스템을 간결한 언어로 기술할 수 있으며, 이는 곧 보이지 않는 질서를 시각화하는 작업과도 같습니다. 복잡성 속에서 피어나는 다양성은 그 자체로 거대한 아름다움을 형성하며, 수학적 도구들은 이러한 자연의 신비를 해독하는 가장 강력한 열쇠가 되어 줍니다. 이러한 수학적 원리는 단순히 학문에 머물지 않고 실생활의 다양한 분야로 확장되어 새로운 가치를 창출하는 기반이 됩니다. 자연을 탐구하는 수학자로서의 삶은 눈에 보이는 생동감 넘치는 현상들로부터 시작됩니다. 하늘을 가로지르는 새들의 군무나 바닷속 물고기 떼의 일사불란한 움직임은 그 자체로 경이로운 연구의 대상이 됩니다. 이러한 생태적 현상들은 수학자의 마음을 움직이고 새로운 탐구의 영감을 제공하며, 추상적인 수식에 생명력을 불어넣습니다. 앞으로도 자연의 복잡한 결을 따라가며 그 속에 숨겨진 조화를 찾아내는 여정은 계속될 것입니다. 수학은 결국 자연이라는 거대한 캔버스 위에 그려진 정교한 밑그림을 이해하고 감상하는 가장 깊이 있는 방법이기 때문입니다.

하승열

카오스재단2018 카오스강연 '모든 것의 수數다'

수학

[강연] 세상을 바꾼 알고리즘 - 알파고와 블록체인을 넘어 미래로 (1) _ by이준엽 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 8강 | 8강 ①

우리의 일상은 수많은 알고리즘으로 둘러싸여 있습니다. 가장 대표적인 예가 내비게이션입니다. 내비게이션의 핵심은 화려한 그래픽이나 음성 안내가 아니라, 최적의 경로를 찾아내는 알고리즘에 있습니다. 알고리즘이란 특정 목표를 달성하기 위한 유한한 절차나 규칙의 모임을 의미합니다. 이는 단순히 컴퓨터 프로그램에 국한된 개념이 아니라, 복잡한 문제를 효율적으로 해결하기 위해 인간이 설계한 체계적인 문제 해결 방식의 정수라고 할 수 있습니다. 경로 탐색의 효율성을 극대화한 사례로 '패스트 마칭 알고리즘'을 들 수 있습니다. 과거에는 모든 경우의 수를 일일이 계산하려 했으나, 이는 데이터가 늘어날수록 계산량이 기하급수적으로 증가하는 한계가 있었습니다. 하지만 수학자들은 이를 미분 방정식의 관점에서 접근하여 사고의 전환을 이뤄냈습니다. 속도의 역수를 시간의 흐름으로 파악하고, 마치 물결이 퍼져나가는 것처럼 최단 시간을 계산하는 방식은 복잡한 경로 문제를 획기적으로 해결했습니다. 이러한 수학적 알고리즘은 단순히 길 찾기에만 머물지 않습니다. 동일한 원리가 의료 영상에서 뇌의 구조를 분리해내는 이미지 분할 기술이나, 로봇 팔이 장애물을 피해 움직이는 6차원 궤적 계산에도 적용됩니다. 하나의 잘 설계된 알고리즘이 전혀 다른 분야의 난제들을 해결하는 열쇠가 되는 것입니다. 이는 프로그램의 외형보다 그 내면에 숨겨진 수학적 원리와 이를 새로운 문제에 적용하는 창의적 사고가 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다. 컴퓨터의 역사를 되짚어보면 흥미로운 사실을 발견하게 됩니다. 1960년대까지만 해도 '컴퓨터'는 기계가 아니라 복잡한 수식을 계산하는 사람의 직업을 일컫는 말이었습니다. 당시 NASA와 같은 기관에서는 수학적 재능을 가진 여성들이 직접 손으로 계산을 수행하며 우주 탐사의 초석을 다졌습니다. 오늘날 우리가 사용하는 전자계산기나 노트북이 보급되기 전부터, 인간의 지성은 이미 알고리즘적 사고를 통해 거대한 과학적 성취를 이뤄내고 있었습니다. 현대 컴퓨터의 논리적 토대를 마련한 것은 앨런 튜링의 '튜링 머신'입니다. 튜링 머신은 실제로 제작된 기계가 아니라, 수학적 증명을 위해 고안된 가상의 장치였습니다. 0과 1을 기록하고 칸을 이동하는 지극히 단순한 규칙만으로 모든 계산 가능한 문제를 풀 수 있다는 이 개념은 현대 컴퓨터 공학의 시초가 되었습니다. 수학적 상상력에서 탄생한 이 사고 실험은 불가능해 보이던 논리적 한계를 규명하고, 디지털 시대의 문을 여는 결정적인 계기가 되었습니다. 컴퓨터 공학이라는 학문이 정립되기 훨씬 전부터, 핵심적인 계산 알고리즘의 대부분은 수학자들에 의해 개발되었습니다. 20세기 과학 계산의 주요 업적들을 살펴보면, 컴퓨터가 보급되지 않았던 시절에 이미 논리적 체계가 완성된 경우가 많습니다. 이는 수학이 단순히 숫자를 다루는 학문을 넘어, 세상에 없던 새로운 체계를 설계하는 근본적인 도구이기 때문입니다. 수학적 상상력은 기술적 한계를 뛰어넘어 미래를 설계하는 원동력이 되어왔습니다. 오늘날 계산 기술은 자연과학과 공학을 넘어 사회과학 전반에 걸쳐 필수적인 역할을 수행합니다. 과거의 과학이 이론과 실험이라는 두 축으로 지탱되었다면, 이제는 '계산'이 제3의 축으로 자리 잡았습니다. 비행기 설계부터 주가 예측, 질병 진단에 이르기까지 수많은 모델링이 컴퓨터를 통해 이루어집니다. 세상을 논리적으로 이해하려는 지적 탐구는 복잡한 현실 문제를 해결 가능한 형태로 변환하는 가장 강력한 동력이 됩니다.

이준엽

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 자연에 숨어 있는 질서를 찾아서 (7) _ by하승열 | 2018 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 2강 | 2강 ⑦

최근 우리나라의 기초과학 분야는 눈부신 발전을 거듭하며 세계적인 수준에 도달했습니다. 특히 물리학이나 수학 같은 기초 학문 분야에서는 국내에서 학위를 마친 연구자들도 탁월한 연구 성과를 내놓고 있습니다. 과거에는 해외 유학이 필수적인 과정으로 여겨졌으나, 이제는 국내 연구 환경에서도 충분히 높은 경쟁력을 갖춘 인재들이 배출되고 있습니다. 이러한 변화는 우리 과학계의 자생력이 강화되었음을 보여주는 고무적인 현상이며, 앞으로의 발전 가능성을 더욱 밝게 비추고 있습니다. 자연이나 사회 현상에서 나타나는 군집 현상을 이해하려는 노력은 새로운 기술적 시도로 이어지고 있습니다. 평창 동계 올림픽에서 선보인 드론 쇼는 군집 현상을 공학적으로 구현한 대표적인 사례입니다. 아직은 이러한 기술이 다양한 제품이나 상품군으로 상용화된 사례가 많지 않지만, 드론을 활용한 불꽃놀이와 같은 창의적인 아이디어들이 제안되고 있습니다. 예술과 기술이 결합한 이러한 시도들은 군집 연구가 실생활에 응용될 수 있는 무궁무진한 가능성을 제시하며 대중의 관심을 끌고 있습니다. 산업 수학의 부상은 수학자가 단순히 계산을 돕는 보조적 역할을 넘어 새로운 패러다임을 주도할 수 있음을 보여줍니다. 위상적 데이터 분석이라 불리는 TDA의 사례처럼, 수학적 이론은 데이터의 본질을 파악하는 강력한 도구가 됩니다. 뛰어난 아이디어를 가진 수학자와 이를 상업화할 수 있는 감각을 지닌 전문가가 협력할 때, 학문적 성과는 비로소 산업적 가치로 전환됩니다. 이는 기초 학문이 현대 산업의 복잡한 문제를 해결하는 핵심적인 동력이 될 수 있음을 시사하며 수학의 위상을 높이고 있습니다. 순수 수학과 응용 수학의 경계는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 모호하며 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 1900년대 초반 수학자들이 순수한 호기심으로 연구했던 이론들이 오늘날 컴퓨터 시뮬레이션이나 데이터 분석의 핵심 기술로 쓰이고 있습니다. 당시에는 컴퓨터라는 개념조차 없었지만, 시대를 앞서간 수학적 통찰이 수십 년 뒤 산업의 필수적인 도구가 된 것입니다. 따라서 당장의 유용성을 따지기보다 학문 그 자체의 깊이를 추구하는 것이 결국 미래의 혁신을 위한 가장 단단한 밑거름이 됩니다. 수학적 모델링은 수학이 단순한 숫자의 나열이 아니라 세상을 설명하는 과학의 언어임을 증명합니다. 연구 과정에서 마주하는 수많은 난관과 증명의 어려움은 연구자에게 고통을 주기도 하지만, 이를 극복하고 얻어낸 결과는 무엇과도 바꿀 수 없는 보람을 선사합니다. 좋은 수학은 언젠가 반드시 유용하게 쓰일 것이라는 믿음 아래 묵묵히 연구에 매진하는 태도가 중요합니다. 이러한 끈기 있는 탐구 정신이야말로 기초과학이 인류 문명에 기여하는 가장 근본적인 방식이며 연구자가 지녀야 할 진정한 가치입니다.

배형옥, 하승열

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 물리법칙은 자연에 존재하는가, 인간이 만든 것인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 1부 1강 | 1부 ①

자연 법칙이 실재하는 것인지, 아니면 인간이 만들어낸 발명품인지에 대한 논의는 과학의 본질을 꿰뚫는 핵심적인 질문입니다. 역사적으로 '자연 법칙'이라는 개념은 17세기 유럽에서 본격적으로 등장했습니다. 당시 사람들은 유대교와 기독교 전통 속에서 입법자로서의 신이 세상에 부여한 규칙이 있다고 믿었습니다. 그 이전 시대에는 무생물인 자연이 인간의 법처럼 어떤 법칙을 따른다는 생각 자체가 생소하거나 희화화의 대상이 되기도 했습니다. 즉, 자연 법칙은 특정 시대의 종교적, 사회적 배경 속에서 탄생한 개념적 틀이라고 볼 수 있습니다. 데카르트와 뉴턴 같은 근대 과학의 선구자들은 신이 우주를 창조할 때 부여한 변하지 않는 법칙을 찾는 것을 과학의 사명으로 삼았습니다. 이들은 운동량 보존의 법칙이나 만유인력의 법칙에 깊은 종교적 의미를 부여하며, 이를 신의 예지와 지배의 증거로 보았습니다. 하지만 흥미로운 점은 이러한 법칙들이 우리가 일상에서 경험하는 복잡한 자연 그대로를 묘사하기보다는, 마찰이 없는 진공 상태나 완벽한 타원 궤도와 같이 고도로 추상화되고 이상화된 수학적 공간을 전제로 성립되었다는 사실입니다. 실제로 갈릴레오의 자유 낙하 법칙이나 유전 법칙을 살펴보면, 실제 실험 데이터가 법칙과 완벽히 일치하는 경우는 드뭅니다. 공기 저항이나 유전적 변수 등 현실의 복잡성 때문에 수치는 항상 미세하게 어긋나기 마련입니다. 그럼에도 과학자들은 복잡한 현상에서 핵심적인 요소를 뽑아내어 단순한 수학적 관계로 정립합니다. 이러한 관점에서 본다면 법칙은 자연 속에 숨겨져 있던 것을 그대로 발견한 것이라기보다, 인간이 자연을 이해하기 위해 창의적으로 설계한 모델에 가깝다고 할 수 있습니다. 반면 물리학의 관점에서는 법칙을 자연에 내재된 패턴의 발견으로 정의합니다. 우리가 관찰하는 수많은 현상 속에는 일정한 규칙성이 존재하며, 과학은 이를 수식의 형태로 포착해내는 과정입니다. 비록 우리가 인식하는 패턴이 비례 관계와 같은 단순한 형태에서 시작할지라도, 이는 자연의 근본적인 작동 원리를 반영합니다. 좋은 법칙일수록 더 넓은 범위에 적용되며, 상황이 바뀌어도 변하지 않는 보편성을 지닙니다. 뉴턴의 법칙이 지상을 넘어 천체의 운동까지 설명해낸 것이 그 대표적인 사례입니다. 20세기에 들어서며 과학계는 '법칙'이라는 용어 대신 '원리'나 '이론'이라는 표현을 더 자주 사용하기 시작했습니다. 상대성 이론이나 양자 역학의 원리들은 과거의 법칙들보다 훨씬 심오하고 정확하게 자연의 실재에 다가갑니다. 현대 물리학자들은 우리가 아직 모든 것을 알지는 못하지만, 정밀한 실험 데이터를 통해 진정한 자연 법칙에 점점 가까워지고 있다고 믿습니다. 현재의 이론이 특정 조건에서만 유효한 '유효 이론'일지라도, 그것은 분명 실재하는 자연의 질서를 반영하고 있습니다. 법칙의 실재성을 뒷받침하는 강력한 근거 중 하나는 바로 과학의 예견 능력입니다. 우리가 의자에 앉을 때 의자가 존재함을 의심하지 않듯, 법칙에 따라 예견된 현상이 실제로 일어난다는 사실은 그 법칙이 자연에 실재함을 증명합니다. 만약 법칙이 인간의 자의적인 구성물에 불과하다면, 그 법칙을 바탕으로 세워진 현대 문명과 기술적 성취는 불가능했을 것입니다. 법칙은 우리가 자연이라는 거대한 시스템을 이해하고 신뢰할 수 있게 만드는 실질적인 토대가 됩니다. 결국 자연 법칙을 둘러싼 논쟁은 과학이 자연을 '발견'하는 것인지 '발명'하는 것인지에 대한 철학적 성찰로 귀결됩니다. 과학은 복잡한 자연 현상을 인간의 언어와 수학으로 해석하는 창조적인 활동인 동시에, 우리 외부에 실재하는 객관적인 진리를 추구하는 여정이기도 합니다. 법칙이 인간의 필터를 거쳐 정의된다는 점과 자연에 근본적인 질서가 존재한다는 점은 서로 배타적인 것이 아니라, 과학이라는 거대한 지적 체계를 지탱하는 두 축이라고 할 수 있습니다.

이강영, 홍성욱

카오스재단마스터클래스

물리학
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[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

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