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지구는 어떤 퍼즐로 구성되어 있을까?

지구는 여러 개의 퍼즐 조각이 유기적으로 결합하여 하나의 거대한 그림을 완성하는 복잡한 시스템입니다. 과학자들은 이 시스템을 구성하는 각 권역이 서로 어떤 관계를 맺고 있으며, 인간의 활동이 지구에 어떤 변화를 일으키는지 끊임없이 탐구합니다. 그중 암석권은 지구의 가장 바깥쪽을 감싸는 단단한 층으로, 지각과 맨틀의 상부를 포함합니다. 이곳은 산맥과 해저 협곡, 광물과 화석에 이르기까지 지구의 물리적 토대를 형성하며, 여러 개의 거대한 판으로 나뉘어 끊임없이 생성되고 수렴하며 지형을 변화시킵니다. 지구 표면의 약 70%를 덮고 있는 수권은 우리 행성을 '푸른 별'이라 부르게 만드는 핵심적인 요소입니다. 지구상에는 약 14억 세제곱킬로미터에 달하는 방대한 양의 물이 존재하며, 그중 대부분인 97%는 거대한 바다를 이룹니다. 나머지 3%의 담수 중에서도 상당 부분은 빙하나 얼음의 형태로 존재하는데, 이를 별도로 빙권이라 구분하기도 합니다. 수권은 단순히 물이 고여 있는 곳이 아니라, 지구 전체의 온도를 조절하고 생명체가 살아갈 수 있는 환경을 제공하는 생명의 근원으로서 중요한 역할을 수행합니다. 지구를 둘러싸고 있는 얇은 기체층인 대기권은 질소와 산소를 주성분으로 하며, 고도에 따른 특성에 따라 다섯 개의 층으로 나뉩니다. 우리가 숨 쉬는 대류권에는 전체 대기의 80%가 밀집해 있으며, 그 위로는 자외선을 차단하는 오존층이 있는 성층권이 펼쳐집니다. 대기권은 태양으로부터 오는 유해한 에너지를 막아주고 지구의 온도를 적절하게 유지하는 보호막 역할을 합니다. 또한 기상 현상을 통해 수권과 상호작용하며 지구 시스템의 에너지를 순환시키는 통로가 되어 생명체가 안전하게 서식할 수 있는 기반을 마련해 줍니다. 생물권은 지구에 서식하는 모든 생명체를 포함하며, 이들은 지구 시스템 전반에 걸쳐 깊숙이 관여하고 있습니다. 특히 인간은 생물권의 일원으로서 지구 환경에 막대한 영향을 미치고 있으며, 이에 따라 과학자들은 자연적인 변화와 인위적인 변화를 동시에 주목하고 있습니다. 대표적인 사례로 하와이 마우나로아에서 진행되는 대기 중 이산화탄소 농도 측정은 인간 활동이 대기 조성에 미치는 영향을 보여주는 중요한 지표입니다. 생물권은 다른 권역으로부터 자원을 얻는 동시에, 그들의 상태를 변화시키며 지구라는 시스템의 역동성을 더합니다. 지구의 각 권역은 독립적으로 존재하는 것이 아니라 서로 긴밀하게 연결되어 끊임없이 물질과 에너지를 주고받습니다. 수권의 물이 증발하여 대기권의 구름이 되고, 다시 비가 되어 암석권을 변화시키거나 생물권의 갈증을 해소하는 순환 과정이 그 증거입니다. 화산 폭발과 같은 지각 활동 역시 대기와 해양, 그리고 생태계에 연쇄적인 영향을 미치며 지구의 모습을 재구성합니다. 따라서 지구라는 거대한 퍼즐을 온전히 이해하기 위해서는 각 분야 과학자들의 협력을 통해 권역 간의 복잡한 상호작용을 통합적으로 연구하는 자세가 필수적입니다.

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지구환경과학

[강연] 불확실과 확실, 그 사이의 외줄타기 : 확률 1_by 서인석 | 2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 시즌2 7강 첫 번째 이야기 | 7강 ①

확률은 일상에서 흔히 쓰이는 친숙한 개념처럼 보이지만, 사실 수학적으로 정립된 지는 100년도 채 되지 않은 생소한 분야입니다. 우리는 동전을 던지거나 일기예보를 볼 때 직관적으로 확률을 이해한다고 믿지만, 인류가 이 개념을 명확히 깨닫기까지는 수천 년의 시간이 필요했습니다. 확률의 역사는 단순히 숫자를 계산하는 법을 배운 과정이 아니라, 세상을 바라보는 관점이 근본적으로 변화해 온 과정이라 할 수 있습니다. 고대 유적에서는 기원전 6000년경의 주사위가 발견될 정도로 인류는 오래전부터 우연을 이용한 놀이를 즐겼습니다. 하지만 놀랍게도 16세기 이전까지는 확률이라는 개념 자체가 존재하지 않았습니다. 당시 사람들은 주사위 눈이 나오는 결과를 우연이 아닌 신의 뜻이나 운명으로 여겼기 때문입니다. 불확실한 미래를 계량화하려는 시도 대신 신앙에 의존했던 사회적 분위기가 확률의 등장을 늦추는 결정적인 요인이 되었습니다. 르네상스 시대를 거치며 상업과 보험이 발달하자 인류는 위험을 회피하기 위해 우연을 과학적으로 분석하기 시작했습니다. 확률론의 본격적인 시작은 17세기 파스칼과 페르마가 주고받은 편지에서 비롯되었습니다. 중단된 도박의 상금을 어떻게 배분할 것인가라는 지극히 현실적인 고민이 수학적 논의로 이어졌고, 이를 통해 '전체 경우의 수 대비 해당 경우의 수'라는 확률의 기초적인 정의가 인류 역사상 처음으로 정립되었습니다. 19세기에 이르러 라플라스는 확률을 인간의 지식 부족을 보완하는 도구로 정의했습니다. 그는 우주의 모든 입자의 위치와 운동량을 아는 존재가 있다면 미래는 확정되어 있지만, 인간은 그 복잡한 상호작용을 모두 계산할 수 없기에 확률을 사용한다고 보았습니다. 이러한 관점은 우연을 신의 영역에서 떼어내 세속화하는 계기가 되었으며, 수많은 데이터를 다루는 통계학이 확률과 함께 비약적으로 발전하는 토대가 되었습니다. 확률이 어려운 이유는 우리의 직관과 충돌하는 경우가 많기 때문입니다. 예를 들어 두 자녀 중 한 명이 딸이라는 정보가 있을 때 모두 딸일 확률을 구하는 문제는 조건에 따라 결과가 판이하게 달라집니다. 특히 '월요일에 태어난 딸'과 같은 추가 정보가 주어지면 확률이 예상치 못한 수치로 변하는 현상은 전문가들조차 직관적으로 설명하기 힘들어합니다. 이는 인간의 직관이 얼마나 허약한지를 보여주며, 왜 엄밀한 수학적 접근이 필요한지를 증명합니다. 몬티 홀 문제나 두 개의 봉투 역설 역시 확률적 사고가 얼마나 까다로운지를 잘 보여줍니다. 선택을 바꾸는 것이 유리하다는 결론이나 기댓값이 무한히 증폭되는 논리적 오류는 단순한 계산 이상의 깊은 통찰을 요구합니다. 20세기에 들어서야 확률이 수학적 공리계 위에서 정의될 수 있었던 이유는, 이처럼 직관을 배제하고 논리적 엄밀함을 갖추는 과정이 그만큼 험난했기 때문입니다. 확률은 단순한 운이 아니라 정교한 논리의 산물입니다. 확률에 대한 오해는 때로 사회적 비극을 초래하기도 합니다. 영국의 샐리 클락 사건처럼 독립적이지 않은 사건의 확률을 잘못 계산하여 무고한 사람에게 유죄를 선고한 사례는 확률적 문해력의 중요성을 일깨워줍니다. 우리는 확률을 잘 안다고 착각하기 쉽지만, 사실은 여전히 낯설고 생소한 영역임을 인정해야 합니다. 불확실한 세상에서 확실한 판단을 내리기 위해 수학이라는 도구로 우리의 빈약한 직관을 끊임없이 보강해야 하는 이유가 여기에 있습니다.

서인석

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 인공지능으로 풀어낸 단백질의 비밀 _ by백민경｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연 | 4강

과학의 진정한 묘미는 서로 다른 기술과 사람이 만나 새로운 발전을 만들어내는 '연결'에 있습니다. 우리 몸을 구성하는 아주 작은 분자인 단백질 연구 역시 이러한 연결을 통해 혁신을 맞이했습니다. 단백질은 우리 몸 안의 거의 모든 생명현상에 관여하는 핵심 물질로, 산소를 운반하거나 화학 반응을 촉진하는 효소 역할을 하며 외부 침입에 맞서는 면역체계를 유지하는 등 생존에 필수적인 기능을 수행합니다. 세포 내부를 들여다보면 물과 지방을 제외한 대부분이 단백질로 이루어져 있을 만큼 그 중요성은 절대적입니다. 화학을 전공하며 인류를 구원할 신약개발을 꿈꿨던 연구자는 실험실에서 시약을 섞는 대신 컴퓨터를 활용하는 계산화학의 길을 선택했습니다. 복잡한 수식과 논리로 단백질의 구조를 예측하는 이 분야는 손에 물을 묻히지 않고도 생명과학의 난제를 풀 수 있는 가능성을 제시했습니다. 특히 알파고와 이세돌의 대국은 인공지능이 과학 연구의 패러다임을 바꿀 수 있다는 강력한 희망을 심어주었으며, 이는 곧 컴퓨터 기술과 생명과학이 결합하여 새로운 지평을 여는 계기가 되었습니다. 2021년 발표된 '로제타폴드'는 인공지능 기반의 단백질 구조 예측 기술로, 바이오 분야의 획기적인 혁신으로 평가받습니다. 기존의 실험 방식은 단백질 구조 하나를 밝히는 데 수년의 시간과 수백억 원의 비용이 소요되었지만, 인공지능은 이를 단 몇 시간 만에 해결할 수 있게 했습니다. 사이언스지가 올해의 연구 성과로 선정하기도 한 이 기술은 단순히 속도의 문제를 넘어 인류가 겪는 수많은 질병의 치료제를 찾는 속도를 비약적으로 높여 신약개발의 새로운 시대를 열었습니다. 단백질은 아미노산이라는 작은 분자들이 사슬처럼 연결된 생체 고분자 물질입니다. 이 사슬이 어떤 순서로 배열되고 어떤 3차원 모양으로 접히느냐에 따라 단백질의 고유한 기능이 결정됩니다. 예를 들어 코로나바이러스가 인체 세포와 어떻게 결합하여 감염을 일으키는지 이해하려면 그 표면 단백질의 입체 구조를 정확히 알아야 합니다. 이러한 구조 정보를 바탕으로 우리는 바이러스의 결합을 방해하는 치료제를 만들거나 바이오센서로 활용할 수 있는 정밀한 백신을 설계할 수 있게 됩니다. 하지만 단백질이 가질 수 있는 구조의 경우의 수는 10의 300승 개에 달할 정도로 방대하여, 물리학적 원리만으로는 이를 예측하는 데 우주의 나이보다 긴 시간이 걸립니다. 연구자들은 이 난제를 해결하기 위해 단백질 진화의 역사에 주목했습니다. 수억 년의 진화 과정에서 생존에 성공한 단백질들은 구조와 기능을 유지하는 특정한 패턴을 서열 안에 간직하고 있습니다. 인공지능은 바로 이 방대한 서열 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 찾아내는 데 탁월한 능력을 발휘하며 불가능해 보였던 예측을 현실로 만들었습니다. 인공지능은 단백질 서열이라는 '글'을 읽고 구조라는 '그림'을 그려내는 과정을 반복하며 정답에 가까운 구조를 찾아냅니다. 이제 기술은 단일 단백질의 구조 예측을 넘어, 단백질 간의 상호작용과 결합 구조까지 예측하는 단계로 진화했습니다. 이를 통해 암세포가 면역세포의 공격을 피하는 기제를 차단하는 새로운 항암제 후보물질을 설계하는 등 맞춤형 단백질 신약개발의 문이 활짝 열렸습니다. 이는 질병의 원인을 정확히 타격하는 정밀 의료의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 과학적 성취의 이면에는 서로 다른 분야를 잇는 '브리징 피플(Bridging People)'의 역할이 결정적이었습니다. 인공지능 전문가와 생물학자가 서로의 언어를 이해하고 협업할 때 비로소 거대한 혁신이 일어납니다. 새로운 것을 배우는 데 두려움 없이 다양한 분야 사이의 연결고리를 찾는 연습은 단백질이라는 작은 세계를 넘어 인류의 건강한 미래를 설계하는 가장 강력한 동력이 될 것입니다. 서로 다른 학문의 경계를 허무는 소통의 능력이야말로 현대 과학이 요구하는 가장 중요한 자질입니다.

백민경

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[카오스 짧강] 둘 사이의 '케미'를 볼 수 있을까?_by윤신영｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

‘케미’라는 말은 현대 사회에서 사람 사이의 상호작용을 뜻하는 유행어로 자리 잡았습니다. 이 용어의 뿌리인 화학은 보이지 않는 원자들의 결합과 분해 과정을 다루는 학문입니다. 과거의 과학자들은 눈에 보이지 않는 원자를 세상의 정수로 정의하고, 이들이 어떻게 다양한 물질을 만들어내는지 고민하기 시작했습니다. 하지만 200년 전에는 원자를 직접 볼 수 있는 기술이 없었기에, 그들은 오직 상상력과 추상적인 기호를 통해 미시 세계를 시각화해야만 했습니다. 1865년, 독일 출신의 화학자 호프만은 대중 강연에서 획기적인 시각화 도구를 선보였습니다. 그는 당구공이나 크로케 공에 막대기를 꽂아 메테인과 같은 분자 구조를 설명했습니다. 비록 당시에는 원자들이 정확히 어떻게 결합하는지 과학적 근거가 부족했지만, 추상적인 개념을 실물로 구현했다는 점에서 큰 의미가 있었습니다. 이는 과학적 사실을 대중에게 전달하는 '과학 커뮤니케이션'의 훌륭한 사례로 평가받으며, 화학의 시각적 역사를 여는 중요한 발걸음이 되었습니다. 제임스 듀어는 성냥개비와 유사한 도구로 벤젠의 육각형 구조와 이중 결합을 묘사하며 시각화의 지평을 넓혔습니다. 한편, 케쿨레는 뱀이 자신의 꼬리를 무는 꿈에서 영감을 얻어 고리 모양의 벤젠 구조를 확립한 것으로 유명합니다. 그는 1872년 논문을 통해 오늘날 우리가 교과서에서 배우는 선과 기호 중심의 화학 구조식을 정립했습니다. 이러한 시도들은 단순히 그림을 그리는 것을 넘어, 복잡한 화학적 성질을 직관적으로 이해할 수 있는 공통의 언어를 만드는 과정이었습니다. 과학의 역사 뒤편에는 안타깝게 잊힌 인물도 존재합니다. 아치볼드 쿠퍼는 케쿨레보다 앞서 탄소의 결합 원리를 발견하고 독창적인 구조식을 고안했습니다. 그러나 당시 학계의 강력한 권위를 가졌던 케쿨레의 그늘에 가려 그의 아이디어는 오랫동안 빛을 보지 못했습니다. 지도 교수와의 갈등으로 논문 발표가 늦어지는 불운까지 겹치며 그는 역사 속으로 사라질 뻔했습니다. 다행히 사후 100년이 지나서야 그의 업적이 재조명되었고, 오늘날 근대 화학 구조의 선구자로 인정받고 있습니다. 오늘날의 시각화는 노벨 생리의학상 주제인 면역항암제의 원리를 설명하는 데까지 확장되었습니다. 면역 세포와 암세포 사이의 복잡한 상호작용을 기호와 도식으로 표현하는 방식은 과거 원자 결합을 묘사하던 노력과 맞닿아 있습니다. 보이지 않는 영역을 보이게 만드는 과정은 수많은 과학자와 작가들의 시행착오를 거치며 발전해 왔습니다. 우리가 무심코 접하는 화학 구조식 하나하나에는 미시 세계를 이해하고자 했던 인류의 치열한 사고와 열정이 고스란히 담겨 있습니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[강연] 나무와 새 _ 박찬열 ㅣ 2022 카오스강연 '생명행성' 2강 | 2강

숲의 신록이 시작되면 나무와 곤충, 새는 치열한 생존 전략을 펼치며 긴밀한 관계를 맺습니다. 참나무류인 졸참나무와 굴참나무는 잎의 배열 구조부터 확연히 다른 생존 방식을 보여줍니다. 졸참나무는 잎이 촘촘하게 붙어 있어 새가 애벌레를 찾기 쉬운 구조를 택함으로써 천적의 도움을 받는 전략을 취합니다. 반면 굴참나무는 잎이 듬성듬성해 새의 접근이 어렵기에 스스로 타닌 같은 방어 물질을 더 많이 만들어내어 자신을 보호합니다. 이는 식물이 단순히 고정된 존재가 아니라 주변 생명체와 끊임없이 소통하며 진화해 온 결과입니다. 식물은 종자를 멀리 퍼뜨리기 위해 동물을 영리하게 이용하며 상호작용 네트워크를 형성합니다. 고추는 포유류가 기피하는 캡사이신을 만들어 매운맛을 느끼지 못하는 새에게만 열매를 내어줌으로써 씨앗을 멀리 이동시킵니다. 도토리 역시 다람쥐가 먹다가 쓴맛 때문에 버리는 부분에 배아를 숨겨 싹을 틔우는 전략을 사용합니다. 이처럼 식물은 이동의 한계를 극복하기 위해 특정 동물을 유인하거나 거부하는 정교한 메커니즘을 발전시켜 왔으며, 이러한 관계는 생태계의 풍요로움을 유지하는 핵심적인 동력이 됩니다. 기후 위기는 생태계의 정교한 시계태엽을 어긋나게 만들어 먹이망의 불일치를 초래합니다. 기온이 상승하면 식물의 개엽과 애벌레의 성장은 빨라지지만, 항온 동물인 새의 번식 시기는 이를 즉각적으로 따라가지 못하는 경우가 발생합니다. 애벌레가 새의 육추 시기보다 먼저 성충이 되어 날아가 버리면 새끼 새들은 심각한 먹이 부족에 시달리게 됩니다. 이러한 생물계절학적 불일치는 생물 다양성을 위협하는 요소가 되며, 자연의 조화로운 리듬이 무너질 때 생태계 전체가 겪게 될 위기를 예고하고 있습니다. 도시에 적응한 새들은 소음과 환경 변화에 맞춰 자신들의 삶의 방식을 유연하게 변모시킵니다. 숲 가장자리에 사는 박새는 자동차 소음을 뚫고 동종 간에 소통하기 위해 주파수를 높이거나 음절을 변조하는 전략을 취합니다. 또한 자연적인 둥지 재료가 부족한 환경에서 테니스공 껍질이나 담배 필터, 야자 섬유 등을 이용해 보금자리를 만들기도 합니다. 이는 생명체가 인위적인 환경 속에서도 생존을 위해 얼마나 치열하게 적응하고 소통하는지를 보여주는 사례이며, 도시라는 공간이 새로운 생태적 실험장이 되고 있음을 시사합니다. 숲의 둥지망에서 딱따구리는 다른 생명체들에게 집을 제공하는 핵심종 역할을 수행하며 생태계의 부동산업자 역할을 합니다. 딱따구리가 만든 나무 구멍은 스스로 집을 짓지 못하는 박새나 원앙, 소쩍새 같은 다른 새들의 소중한 보금자리가 됩니다. 특히 고사목은 단순히 죽은 나무가 아니라 딱따구리의 먹이 터이자 수많은 생물의 안식처로서 생과 사가 공존하는 공간입니다. 숲의 건강성을 유지하기 위해서는 썩은 나무조차 생태계의 일원으로 존중하며 둥지망의 연결 고리를 보존하는 정책적 배려와 인식의 전환이 필요합니다. 미래 도시에서 나무는 단순한 조경을 넘어 필수적인 초록 인프라로서 도시의 생존을 지탱하는 역할을 할 것입니다. 나무는 광합성을 통해 탄소를 흡수할 뿐만 아니라, 잎의 미세털과 왁스층을 이용해 미세먼지를 효과적으로 저감하는 필터 기능을 수행합니다. 또한 증산 작용을 통해 액체 상태의 물을 기체로 바꾸며 주변 온도를 낮추는 천연 에어컨 역할을 합니다. 이러한 식물의 기능은 기후 변화에 대응하고 인간의 삶의 질을 높이는 자연 기반 해결책으로서, 수직과 수평을 아우르는 미래 도시 설계의 핵심적인 요소가 됩니다. 인간은 자연과 연결될 때 정서적 풍요로움을 느끼는 바이오필리아 본능을 가지고 있으며, 이는 도시 생활에서 더욱 중요해집니다. 도시 숲의 혜택을 온전히 누리기 위해서는 새똥이나 벌레로 인한 작은 불편함을 감수하고, 다른 생명체와의 상호작용을 존중하는 마음가짐이 필요합니다. 한 그루의 나무를 심고 가꾸는 행위는 결국 우리 자신의 미래와 정서를 가꾸는 일과 같습니다. 자연을 정복의 대상이 아닌 공존의 파트너로 바라볼 때, 비로소 인간과 자연이 조화를 이루는 지속 가능한 생명 행성의 미래를 꿈꿀 수 있을 것입니다.

박찬열

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 박찬열_식물은 새와 곤충과 대화하면서 세상을 움직인다! | 2022 카오스강연 '생명행성(Life planet)'

기후변화로 인해 우리 산림의 풍경이 급격히 변하고 있습니다. 고산지대의 구상나무와 같은 침엽수들이 겨울과 봄철의 극심한 건조함을 견디지 못하고 갈변하며 사라지는 반면, 그 자리를 활엽수들이 빠르게 채워가고 있습니다. 동물과 달리 이동할 수 없는 식물은 환경 변화를 온몸으로 견디다 한계에 다다르면 결국 고사하게 됩니다. 이러한 변화는 단순히 수종의 교체를 넘어, 상록수들이 사라지고 낙엽성 활엽수들이 확장되는 새로운 생태적 국면을 예고하고 있습니다. 숲은 미세먼지를 저감하는 중요한 역할을 하지만, 동시에 복잡한 화학 작용의 장이기도 합니다. 나무가 내뿜는 휘발성 유기화합물인 피톤치드는 대기 중의 오염물질과 만나 미세먼지 전구물질이 될 가능성도 존재합니다. 따라서 도시숲을 조성할 때는 대기의 흐름을 고려하고, 특정 물질을 과다하게 배출하는 수종을 적절히 관리하는 기술적 접근이 필요합니다. 숲을 어떻게 유지하고 관리하느냐에 따라 우리는 더 쾌적한 공기를 마실 수 있는 건강한 환경을 만들 수 있습니다. 기후변화는 새들의 삶의 방식도 바꾸어 놓았습니다. 대사율이 높아진 새들은 더 시원한 고지대로 이동하거나, 과거에는 동남아시아로 떠났던 백로와 왜가리가 이제는 따뜻해진 서울의 하천에서 그대로 겨울을 나기도 합니다. 이는 도시의 기온 상승과 풍부한 먹이 자원이 결합된 결과입니다. 새들의 이동 경로와 서식지 변화는 우리에게 지구가 얼마나 더워졌는지를 알려주는 중요한 지표이며, 우리가 사는 환경의 변화를 실시간으로 보여주는 생생한 메시지가 됩니다. 새들은 소리를 통해 세상과 소통하며 자신의 상태를 알립니다. 번식기에는 고유의 노랫소리로 짝을 찾고, 천적이 나타나면 특유의 '경계음(Alarm Call)'을 내뱉어 위험을 알립니다. 이러한 소리들은 단순한 울음이 아니라 생존을 위한 정교한 신호 체계입니다. 우리가 숲에서 들리는 새소리에 귀를 기울이고 이를 구분할 수 있게 된다면, 보이지 않는 숲의 이면에서 벌어지는 수많은 생명 활동과 생태계의 건강성을 더욱 깊이 이해할 수 있게 될 것입니다. 우리 곁을 지키던 참새와 제비가 사라지는 현상은 인간의 생활 양식 변화와 밀접하게 맞닿아 있습니다. 흙벽과 처마가 사라진 콘크리트 도시에서 이들은 더 이상 안전하게 둥지를 틀 곳을 찾지 못합니다. 친숙했던 생물들의 부재는 생태계의 상호작용이 서서히 끊어지고 있음을 경고합니다. 식물의 광합성에서 시작된 생명의 에너지가 곤충과 새, 그리고 인간에게로 이어지는 이 거대한 연결 고리를 보존하는 것이야말로 우리가 미래 세대를 위해 지켜나가야 할 가장 소중한 가치입니다.

박찬열

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[2021 저자강연] 김범준 교수의 관계의 과학

통계물리학은 대상의 크기가 아니라 '많음'을 연구하는 학문입니다. 고전역학이나 양자역학이 대상의 크기에 따라 구분된다면, 통계물리학은 입자가 얼마나 많이 모여 있는지를 기준으로 삼습니다. '티끌 모아 태산을 이해한다'는 말처럼, 통계물리학자는 미시적인 개별 정보에서 출발하여 거시적인 통계적 성상을 파악하고자 합니다. 이는 단순히 수치를 계산하는 통계학과는 다르며, 수많은 입자가 모였을 때 전체가 보여주는 거시적이고 통계적인 특성인 상호작용을 연구하는 물리학의 전통적인 분야입니다. 복잡계는 수많은 구성 요소가 서로 강하게 상호작용하며, 부분이 갖지 못한 새로운 특성을 전체가 보여주는 시스템을 의미합니다. 이를 '창발 현상'이라고 부릅니다. 물 분자 하나에서는 얼음의 딱딱함을 느낄 수 없고, 원자 하나를 현미경으로 본다고 해서 생명력을 발견할 수 없는 것과 같습니다. 결국 복잡계 연구의 핵심은 '함께하면 달라진다'는 원리에 있습니다. 구성 요소들이 모여 관계를 맺을 때 비로소 나타나는 새로운 성질을 탐구하는 것이 복잡계 과학의 묘미입니다. '1 더하기 1은 2'라는 문장에서 '1'이라는 구성 요소만큼 중요한 것이 바로 '더하기'라는 관계입니다. 구성 요소에 대한 정보만으로는 전체의 모습을 온전히 이해할 수 없으며, 요소들이 서로 어떻게 연결되고 소통하는지 알아야 합니다. 물리학에서는 이를 상호작용이라 부르며, 통계물리학은 결국 이러한 '관계의 과학'이라 할 수 있습니다. 도시의 인구가 늘어날 때 부유함이나 창의성이 단순 비례보다 더 빠르게 증가하는 이유도 바로 구성원들 사이의 촘촘한 관계와 소통의 힘에 있습니다. 도시는 인구가 두 배로 늘어날 때 재산이나 특허의 양이 2.2배로 증가하는 놀라운 효율성을 보여줍니다. 반면 하수도나 주차장 같은 도시 기반 시설은 1.8배만 늘어나도 충분합니다. 이는 사람들이 서로 만나 소통하며 새로운 아이디어를 만들어내기 때문입니다. 혼자서 연구하는 '면벽 수도'의 세상보다, 사람들이 연결되어 상호작용하는 도시가 훨씬 더 창의적이고 경제적인 성과를 내는 것은 관계가 만들어낸 복잡계의 전형적인 특징입니다. 인구가 밀집될수록 도시는 더 효율적이고 창의적인 공간으로 진화합니다. '저절로 다가서는 임계성(SOC)'은 외부에서 조건을 맞추지 않아도 시스템이 스스로 임계 상태에 도달하는 현상입니다. 모래알을 하나씩 떨어뜨리면 모래 언덕은 스스로 무너지고 쌓이기를 반복하며 특정한 경사도를 유지합니다. 산불 역시 나무의 밀도가 너무 높으면 번개에 의해 크게 타버리고, 낮으면 불이 번져나가지 못하며 스스로 균형을 찾아갑니다. 이러한 현상은 자연이 외부의 간섭 없이도 스스로를 조절하며 특정한 질서와 임계 상태로 나아가는 신비로운 과정을 잘 보여줍니다. 임계 상태에 있는 시스템은 '척도가 없다'는 특징을 가집니다. 사람의 키는 평균 근처에 모여 있는 정규 분포를 따르지만, 소득이나 산불의 규모, 지진의 에너지는 '멱함수' 꼴의 척도 없는 분포를 따릅니다. 이는 평균보다 수만 배 큰 사건이 언제든 일어날 수 있음을 의미합니다. 거대한 산불이나 주가 폭락의 원인을 특정 나무나 사건 하나에서 찾는 것은 불가능합니다. 특정한 한 요인이 아니라, 전체 시스템의 연결 구조와 상호작용의 패턴이 그 격변의 규모를 결정하기 때문입니다. 지진이나 주식 시장은 과거의 데이터로 미래를 정확히 맞히는 '동역학적 예측'이 불가능합니다. 관성이나 주기성이 없기 때문입니다. 하지만 통계적인 예측은 가능합니다. 특정 규모의 지진이 몇 년에 한 번꼴로 발생하는지 파악함으로써 내진 설계의 기준을 세우는 식입니다. 과학적 사고와 데이터에 기반한 합리적인 판단이 우리 사회에 더 익숙해질수록, 우리는 예측 불가능한 재난에 더 현명하게 대비할 수 있습니다. 함께하는 관계의 힘을 이해할 때 우리 사회는 더 나은 결정을 내리는 이성적인 공동체로 거듭날 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

물리학

[강연] 양자 역학은 왜 고양이인가? 신비로운 양자 스핀의 세계 _ by이성빈ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 3강 | 3강

양자역학을 떠올릴 때 흔히 '슈뢰딩거의 고양이'를 떠올리지만, 현대 물리학에서 물질의 근본을 이해하는 핵심 열쇠는 바로 '스핀'입니다. 전자의 고유한 각운동량인 스핀은 단순히 회전하는 화살표가 아니라, 양자역학의 신비로움을 가장 잘 보여주는 물리량입니다. 모든 입자는 페르미온이나 보존이라는 분류에 따라 정수 혹은 반정수의 스핀 값을 가지며, 특히 전자는 항상 두 가지 상태 중 하나로 존재합니다. 이러한 스핀의 특성은 우리가 일상에서 사용하는 자석의 원리가 되기도 하며, 미래 기술인 양자 컴퓨터의 핵심 단위인 큐비트를 구성하는 기초가 됩니다. 스핀의 가장 놀라운 점은 관측 결과가 항상 이산적이라는 사실입니다. 고전적인 화살표라면 어느 방향으로든 기울어질 수 있지만, 양자 스핀은 어떤 축으로 측정하더라도 무조건 + 또는 -라는 두 가지 값 중 하나만 나타냅니다. 예를 들어 Z축 방향의 스핀을 X축으로 눕혀 측정하면 고전적으로는 0이 나와야 하지만, 실제 실험에서는 +1과 -1이 각각 절반의 확률로 나타납니다. 이는 양자 세계가 연속적인 값이 아닌 확률적인 상태의 중첩으로 이루어져 있음을 보여주는 결정적인 증거이며, 우리가 상식적으로 생각하는 물리적 직관을 뛰어넘는 지점입니다. 양자 스핀의 세계에서는 관측의 순서가 결과에 결정적인 영향을 미칩니다. 논리학의 명제를 실험에 대입해 보면, Z축 성분을 먼저 측정하느냐 X축 성분을 먼저 측정하느냐에 따라 전체 명제의 참과 거짓 여부가 달라지는 현상이 발생합니다. 이는 고전 역학에서는 상상할 수 없는 일로, 관측 행위 자체가 대상의 상태를 변화시킨다는 양자역학의 본질을 드러냅니다. 특정 방향의 스핀 상태를 확정하는 순간 다른 방향의 정보는 확률적인 안개 속으로 사라지게 되는데, 이것이 바로 현대 물리학의 근간을 이루는 불확정성 원리의 핵심적인 개념입니다. 이론 물리학자들은 이러한 스핀의 복잡한 거동을 설명하기 위해 행렬과 벡터라는 수학적 도구를 사용합니다. 스핀의 상태를 벡터로 표현하고, 관측 장치를 행렬로 나타내어 이들의 연산을 통해 물리적 결과를 예측하는 것입니다. 특히 두 개 이상의 스핀이 서로 상호작용을 시작하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 신비로운 현상이 나타납니다. 멀리 떨어진 두 스핀이 하나의 상태로 묶여 있어, 한쪽을 관측하는 순간 빛의 속도보다 빠르게 다른 쪽의 상태가 결정되는 이 현상은 현대 양자 정보 통신 기술의 이론적 토대가 되어 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꿀 준비를 하고 있습니다. 수많은 스핀이 모인 응집물질물리학의 세계에서는 스핀들 사이의 '눈치 보기'인 상호작용이 중요해집니다. 스핀들은 주변 이웃과 같은 방향을 보거나 반대 방향을 보려는 성질을 가지는데, 격자 구조에 따라 모든 이웃을 만족시킬 수 없는 상황이 발생합니다. 이를 '쩔쩔맴' 현상이라고 부릅니다. 예를 들어 삼각형 격자의 각 꼭짓점에 있는 스핀들이 서로 반대 방향을 향하려 할 때, 마지막 세 번째 스핀은 어느 쪽을 향해야 할지 결정하지 못하고 쩔쩔매게 됩니다. 이러한 갈등 상황은 물질 내에서 매우 복잡하고 독특한 양자 상태를 만들어내는 원동력이 됩니다. 쩔쩔맴 현상이 극에 달하면 물질은 절대영도 근처에서도 정렬되지 못한 채 '양자 스핀 액체'와 같은 기묘한 상태에 머물게 됩니다. 하지만 여기서 더욱 흥미로운 반전이 일어납니다. 보통 온도가 올라가면 무질서해지는 것이 상식이지만, 특정 조건에서는 오히려 온도가 높아질 때 열적 요동에 의해 수많은 가능성 중 하나의 질서가 선택되는 현상이 나타납니다. 이를 '무질서에 의한 질서'라고 합니다. 이는 무질서가 단순히 파괴적인 힘이 아니라, 시스템이 새로운 안정적인 상태를 찾아가도록 돕는 창의적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 물리학의 아름다운 역설입니다. 응집물질물리학은 이처럼 10의 23승 개에 달하는 수많은 전자와 스핀들이 만들어내는 거대한 오케스트라를 연구하는 학문입니다. 이론 물리학자들은 복잡한 수식과 모델링을 통해 보이지 않는 미시 세계의 규칙을 찾아내고, 그 속에서 우주의 진리를 발견하는 희열을 느낍니다. 양자 스핀에 대한 탐구는 단순히 기초 과학의 영역에 머물지 않고, 초전도체나 양자 컴퓨터와 같은 미래 기술의 문을 여는 열쇠가 되고 있습니다. 보이지 않는 작은 스핀 하나가 거대한 물질의 성질을 결정하고 인류의 기술 문명을 진보시키는 과정은 과학이 우리에게 선사하는 가장 경이로운 장면 중 하나일 것입니다.

이성빈

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물리학

[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

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물리학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 과학에 예술이 더해진다면?

미디어 아트는 현대 사회에서 박물관이나 미술관을 통해 우리 생활에 깊숙이 자리 잡은 예술 분야입니다. 단순히 신기술을 활용한 창작 활동을 넘어, 과학과 예술이 만나는 지점에서 새로운 가치를 창출합니다. 특히 기술의 발전은 예술가들에게 표현의 한계를 넓혀주는 중요한 동력이 되어왔습니다. 오늘날의 미디어 아트는 단순한 시각적 즐거움을 제공하는 것에 그치지 않고, 관람객이 작품의 일부가 되어 소통하는 독특한 경험을 선사하며 예술의 정의를 새롭게 써 내려가고 있습니다. 미디어 아트의 선구자로 불리는 제프리 쇼는 1980년대부터 가상 현실 기술을 예술에 접목하며 혁신적인 시도를 이어왔습니다. 그의 대표작인 '레저블 시티(Legible City)'는 관람객이 자전거를 타고 텍스트로 이루어진 가상의 도시를 탐험하는 형식을 취합니다. 당시에는 생소했던 가상 현실 개념을 물리적인 자전거 페달과 연결하여, 가상과 현실 사이의 긴장감을 만들어냈다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 이는 기술이 단순히 화면 속에 머무는 것이 아니라 인간의 신체 활동과 결합하여 새로운 감각을 일깨울 수 있음을 보여준 사례입니다. 이러한 예술적 시도는 컴퓨터 비전과 그래픽스 기술의 비약적인 발전과 궤를 같이합니다. 카메라를 통해 사람의 움직임을 인식하고 이를 디지털 데이터로 변환하여 화면에 반영하는 기술은 이제 우리에게 익숙한 증강 현실(AR)과 가상 현실(VR)의 기초가 되었습니다. 과거에는 하드웨어의 한계로 인해 화면이 깨지거나 반응이 느린 경우도 있었지만, 반도체 기술의 발달로 인해 오늘날에는 초현실적인 고해상도 영상을 구현할 수 있게 되었습니다. 기술적 진보는 예술가들이 상상하던 가상의 세계를 더욱 실감 나게 구현할 수 있는 토대를 마련해주었습니다. 미디어 아트에서 기술은 단순한 표현 도구를 넘어 작품의 본질적인 메시지를 전달하는 핵심 요소로 작용합니다. 전통적인 회화에서 물감이 재료가 되듯, 현대 미디어 아트에서는 프로그래밍과 디지털 기술이 그 역할을 대신합니다. 특히 '상호작용성'은 미디어 아트의 가장 큰 특징 중 하나로, 관람객의 참여가 있어야만 비로소 작품이 완성됩니다. 기술이 빠지면 메시지 자체가 사라질 수 있을 만큼 기술과 예술은 떼려야 뗄 수 없는 관계를 맺고 있으며, 이는 관람객에게 인지적이고 감정적인 가치를 동시에 전달합니다. 과학관에서도 이러한 미디어 아트의 원리를 활용하여 복잡한 과학 원리를 쉽고 재미있게 전달하려는 노력이 계속되고 있습니다. 관람객이 직접 만지고 체험하는 '핸즈온' 전시는 첨단 기술을 통해 과학에 대한 흥미를 유발하고 경이로움을 느끼게 합니다. 예술가들이 가졌던 창의적인 사고와 실험 과정을 전시물에 적용한다면, 과학은 단순한 지식 습득의 대상을 넘어 아름다움을 간직한 예술적 경험으로 다가올 것입니다. 기술과 예술의 융합은 앞으로도 대중에게 새로운 영감을 주는 중요한 통로가 될 것으로 기대됩니다.

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융합

[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

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물리학

[과린이를 부탁해] 어린이 과학동아 6월호

지구는 단순히 우리가 발을 딛고 서 있는 땅만이 아니라, 여러 구성 요소가 서로 긴밀하게 영향을 주고받는 하나의 거대한 시스템입니다. 이를 지구시스템이라고 부르며 지권, 수권, 기권, 그리고 생물권으로 나뉩니다. 우리가 숨 쉬는 공기부터 마시는 물, 그리고 살아가는 땅에 이르기까지 모든 요소는 독립적으로 존재하는 것이 아니라 끊임없이 에너지를 교환하며 균형을 유지합니다. 이러한 상호작용은 지구상의 생명체가 생존할 수 있는 환경을 조성하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 지구시스템 중 기권에는 오존이라는 독특한 물질이 존재하는데, 이는 위치에 따라 전혀 다른 두 얼굴을 보여줍니다. 먼저 지표면에서 약 10km 높이까지인 대류권에서의 오존은 우리 건강에 해로운 영향을 미칩니다. 자동차 배기가스나 공장에서 배출되는 오염물질이 강한 햇빛과 화학 반응을 일으켜 생성되는 이 오존은 눈과 피부를 자극하고 기침이나 두통을 유발합니다. 특히 여름철 햇볕이 강할 때 농도가 높아지므로 오존주의보가 발령되면 야외 활동을 자제하는 등 각별한 주의가 필요합니다. 반면 지표면에서 10km에서 50km 사이의 성층권에 존재하는 오존은 지구 생명체에게 없어서는 안 될 소중한 보호막 역할을 수행합니다. 특히 20km에서 30km 부근에 집중적으로 형성된 이 층은 태양으로부터 쏟아지는 강력한 에너지를 걸러내는 필터와 같습니다. 이러한 자연적인 방어체계 덕분에 지상의 생물들은 치명적인 방사선 노출로부터 안전하게 보호받으며 진화하고 번성할 수 있었습니다. 만약 이 보호막이 얇아지거나 사라진다면 지구의 생태계는 걷잡을 수 없는 혼란에 빠지게 될 것입니다. 최근 산업화와 관광 산업의 발달로 인해 대기 중 오염물질 배출이 늘어나면서 대류권 오존 농도가 높아지는 문제가 발생하고 있습니다. 이는 단순히 환경 오염의 문제를 넘어 우리 몸의 면역체계와 호흡기 건강을 직접적으로 위협하는 요인이 됩니다. 특히 공장이 밀집해 있거나 차량 통행이 잦은 지역에서는 오존으로 인해 눈이 따끔거리거나 목이 칼칼해지는 증상을 겪기 쉽습니다. 따라서 우리는 지구시스템의 변화가 개인의 건강과 직결되어 있음을 인지하고 환경 보호를 위한 실천적인 노력을 기울여야 합니다. 지구시스템의 조화로운 상호작용 속에서 우리는 자연의 신비로움을 발견하곤 합니다. 동식물과 정원이 어우러진 풍경은 우리에게 정서적 안정과 치유의 시간을 제공합니다. 춤을 추는 듯한 사마귀나 꿀을 찾는 나비, 그리고 형형색색의 꽃들이 보여주는 생명력은 우리가 지켜나가야 할 소중한 가치입니다. 건강한 여름을 나기 위해 규칙적인 생활을 유지하는 것만큼이나 우리를 둘러싼 지구 환경에 관심을 가지고 자연과 공존하는 태도를 갖추는 것이 중요합니다.

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생명과학
지구환경과학

[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?] 윤태영 교수_서울대학교 '막단백질단분자 연구실' | 과학계의 신대륙, 막 단백질의 세계로 오세요

서구 문명이 콜럼버스의 신대륙 발견을 통해 비약적인 발전을 이룩했듯이, 과학 연구에서도 아무런 보장이 없는 새로운 분야를 개척하려는 개척자 정신은 매우 중요합니다. 서울대학교 막 단백질 단분자 연구실은 이러한 개척자 정신을 바탕으로 막 단백질이 형성되는 복잡한 과정을 탐구하고 있습니다. 특히 이곳에서 독자적으로 개발한 '단분자 자기 집게' 기술은 자석의 힘을 이용해 단백질 분자 하나를 정밀하게 조절하며 그 구조적 변화를 관찰할 수 있게 해줍니다. 이는 생명 현상의 근원을 단분자 수준에서 이해하려는 혁신적인 시도로 평가받으며 세계적인 주목을 받고 있습니다. 연구실은 크게 두 팀으로 나뉘어 각기 다른 접근 방식으로 생명과학의 난제를 풀어나갑니다. 한 팀은 암과 밀접하게 연관된 막 단백질을 중심으로 단백질 간의 상호작용을 형광 기술을 통해 실시간으로 관찰하며, 다른 팀은 단분자 자기 집게를 이용해 단백질에 물리적인 힘을 가함으로써 그 안정성과 에너지 상태를 분석합니다. 이러한 연구는 단순히 기초 과학에 머물지 않고 향후 신약 개발의 물리적 토대를 마련하는 데 기여합니다. 생물학뿐만 아니라 물리, 화학, 수학적 지식을 아우르는 다학제적 접근은 이 연구실이 가진 강력한 경쟁력 중 하나로, 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조명합니다. 자유로운 토론 문화와 자기주도적인 연구 환경은 학생들이 전문가로서 성장할 수 있는 훌륭한 밑거름이 됩니다. 스스로 문제를 찾고 해결하려는 의지를 갖춘 연구자들은 동료들과의 활발한 교류를 통해 지식의 스펀지처럼 성장해 나갑니다. 연구실 구성원들은 서로의 재능을 공유하며 남에게 도움을 구하는 것을 주저하지 않는 유연한 사고방식을 공유합니다. 남들이 가지 않은 새로운 길을 선택하여 자신만의 희소성을 확보하는 것, 그것이 바로 이 연구실이 지향하는 궁극적인 가치이자 지속 가능한 연구의 원동력입니다. 이러한 과정을 통해 연구자들은 단순한 지식 습득을 넘어 세상을 바라보는 깊이 있는 통찰력을 갖추게 됩니다.

윤태영

카오스재단연구뭐하지

생명과학

[COVID-19_talk_11] Change of Educational Ecology by COVID-19_Jongho Shin Professor | 11강

코로나19 팬데믹은 전 세계 교육 현장에 전례 없는 변화를 몰고 왔습니다. 유네스코와 세계은행의 조사에 따르면, 한때 177개국 약 13억 명의 학생들이 학교 문이 닫히는 '셧다운' 상황을 경험했습니다. 우리나라도 네 차례의 개학 연기 끝에 온라인 개학이라는 대안을 선택하며 교육의 공백을 메우려 노력했습니다. 대면 교육이 불가능해진 상황에서 온라인 교육은 선택이 아닌 필수적인 생존 전략이 되었으며, 이는 교육 생태계 전반의 디지털 전환을 가속화하는 계기가 되었습니다. 온라인 교육이 전면 도입되면서 가장 먼저 수면 위로 떠오른 문제는 교육 격차였습니다. 특히 저소득층 가정의 경우, 온라인 교육을 위한 디지털 기기 보급률이 낮고 안정적인 인터넷 접속 환경을 갖추지 못한 경우가 많았습니다. 또한, 부모의 학습 지원 여부에 따라 학생들의 학습 참여 시간과 질에서 큰 차이가 나타났습니다. 이러한 환경적 요인은 단순히 기술적인 문제를 넘어, 학생들의 학업 성취도 차이로 직결되며 사회경제적 지위가 교육 결과에 미치는 영향력을 더욱 심화시키는 결과를 초래했습니다. 시스템 구축 이후에는 온라인 교육의 질적 측면과 학습 효과성에 대한 고민이 깊어졌습니다. 상위권 학생들은 스스로 학습을 이어갔지만, 중하위권 학생들은 교사나 부모의 밀착 관리가 부재한 상황에서 성적이 하락하는 경향을 보였습니다. 특히 실시간 화상 수업에서 발생하는 '줌 피로감(Zoom Fatigue)'과 사회적 존재감의 결여는 학생들의 학습 동기를 저하시키는 주요 원인이 되었습니다. 화면 너머로 소통하는 한계로 인해 대면 교육이 주던 정서적 교감과 역동적인 상호작용을 대체하기에는 여전히 많은 과제가 남아있습니다. 양질의 교육 콘텐츠 확보 역시 시급한 과제입니다. 초기 온라인 교육은 특정 학년에 편중된 콘텐츠와 교사 개인이 모든 자료를 제작해야 하는 부담으로 인해 질적 저하 우려가 컸습니다. 교사들은 대면 수업보다 몇 배의 시간을 투자하며 콘텐츠 제작에 매달려야 했고, 이는 교수자의 심리적 소진으로 이어지기도 했습니다. 이를 해결하기 위해서는 교사 개인의 역량에만 의존할 것이 아니라, 학교와 교육청, 외부 전문 기관이 협력하여 양질의 콘텐츠 아카이브를 구축하고 이를 공유할 수 있는 체계적인 네트워크가 마련되어야 합니다. 미래의 교육은 물리적 공간의 제약을 넘어서는 새로운 생태계를 조성해야 합니다. 미네르바 대학의 사례처럼 교실이라는 벽을 허물고 온라인과 오프라인을 유연하게 결합하는 모델이 필요합니다. 교사들이 팀을 이루어 역할을 분담하고, 학교 밖의 전문가들이 교육 과정에 참여하는 개방형 교육 체제로 나아가야 합니다. 또한, 2025년 도입될 고교학점제와 연계하여 학생들이 지역적 한계를 벗어나 다양한 양질의 콘텐츠를 선택하고 학점으로 인정받을 수 있는 유연한 학사 운영 시스템의 구축이 요구됩니다. 온라인 교육의 확산은 역설적으로 교육의 본질이 무엇인지 다시 생각하게 합니다. 교육은 단순히 지식을 전달하는 과정을 넘어, 개별 학생의 잠재력과 관심사를 발굴하고 실제적인 문제 해결 역량을 길러주는 것이어야 합니다. 일방적인 전달 시스템에서 벗어나 학생 개개인의 특성에 맞춘 '개별화된 학습 생태계'를 구축하는 것이 핵심입니다. 온라인을 통해 지식을 습득하고, 오프라인에서는 이를 바탕으로 협력하고 창출하는 경험을 제공함으로써, 기술과 인간이 조화를 이루는 진정한 의미의 교육 혁신을 실현해야 합니다. 비대면 환경에서도 학생들의 사회적 관계 형성과 전인적 성장을 돕는 노력은 계속되어야 합니다. 학교는 지식 전달의 장소일 뿐만 아니라 또래 집단과의 상호작용을 통해 사회성을 기르는 공동체이기 때문입니다. 온라인 플랫폼을 수업 외의 동아리 활동이나 학생 자치 활동으로 확장하여 학생들의 공유 경험을 지원해야 합니다. 또한, 예체능 교과에서도 디지털 기술을 활용한 새로운 교수 전략을 개발하여 학생들의 건강과 정서적 안정을 챙겨야 합니다. 위기를 기회로 삼아 모든 학생이 소외되지 않는 포용적인 교육 환경을 만들어가는 것이 우리 시대의 사명입니다.

신종호

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[코로나TALK-11] 사회적 지위에 따라 온라인교육도 달라진다 _신종호 교수 | 11강

코로나19는 전 세계 교육 현장에 전례 없는 변화를 불러왔습니다. 유네스코와 월드뱅크의 자료에 따르면, 팬데믹 초기 전 세계 177개국에서 약 13억 명의 학생들이 학교 문이 닫히는 '셧다운' 상황을 경험했습니다. 이러한 위기 속에서 대면 교육의 대안으로 온라인 교육이 급부상했지만, 각 국가의 준비 정도와 교육의 질에 대한 우려도 함께 제기되었습니다. 우리나라도 네 차례의 개학 연기 끝에 온라인 개학을 단행하며, 기존의 대면 중심 교육 체제에서 벗어나 디지털 기술을 활용한 새로운 교육 실험의 장에 들어서게 되었습니다. 온라인 교육의 확산은 '디지털 리터러시'와 교육 격차라는 심각한 사회적 과제를 던져주었습니다. 취약계층 가정의 아이들은 컴퓨터나 소프트웨어를 다루는 기술적 경험이 상대적으로 부족하여 온라인 학습 효과에서 소외될 가능성이 큽니다. 실제로 미국의 사례를 보면 소득 수준에 따라 온라인 교육 참여 시간이 최대 10배까지 차이 나는 것으로 나타났습니다. 이는 단순히 기기의 유무를 넘어, 가정 내 학습 지원 체계의 부재가 학업 성취도의 불균형으로 이어질 수 있음을 시사하며, 교육의 공정성을 확보하기 위한 국가적 차원의 고민을 안겨주었습니다. 한국은 IT 강국임에도 불구하고 초기에는 온라인 서버 플랫폼 구축 과정에서 적지 않은 혼란을 겪었습니다. 전 국민의 컴퓨터 보유율이 완벽하지 않은 상황에서 취약계층 학생들을 위한 디지털 기기 보급은 가장 시급한 과제였습니다. 이에 정부와 교육청은 긴급 수요 조사를 통해 노트북과 태블릿 PC를 지원하고, EBS와 한국교육학술정보원을 중심으로 수백만 명이 동시에 접속할 수 있는 대규모 플랫폼을 단기간에 구축했습니다. 이러한 인프라 정비는 온라인 교육이 중단 없이 이어질 수 있도록 돕는 최소한의 토대를 마련하는 중요한 계기가 되었습니다. 인프라가 갖춰진 이후에는 학습 효과의 격차가 새로운 쟁점이 되었습니다. 조사 결과에 따르면 상위권 학생들은 성적을 유지하는 반면, 중·하위권 학생들의 성적은 하락하는 경향을 보였습니다. 이는 자기주도적 학습 능력이 부족한 학생들에게 교사나 부모의 밀착 지원이 필수적이기 때문입니다. 특히 온라인 환경에서는 생활 관리가 어렵고 학습 동기를 유지하기가 쉽지 않아, 적절한 지원 체계가 없는 학생들은 학업 성취도 저하뿐만 아니라 학업 중도 탈락의 위험에 노출될 수 있다는 우려가 교육계 안팎에서 현실화되고 있습니다. 현재의 온라인 교육은 콘텐츠의 양적 부족과 상호작용의 한계라는 벽에 부딪혀 있습니다. 초등학교와 중학교를 위한 양질의 콘텐츠가 고등학교에 비해 상대적으로 부족하며, 교사들이 직접 모든 자료를 제작하는 데 따르는 업무 부담도 상당합니다. 또한 '줌 피로 (Zoom Fatigue)'라는 용어가 등장할 만큼 실시간 화상 수업은 교수자와 학습자 모두에게 높은 피로도를 유발합니다. 화면 너머로 서로의 존재감을 느끼기 어려운 환경은 학생들의 학습 동기를 저하시키고, 능동적인 참여를 방해하여 교육의 질적 저하를 초래하는 요소로 작용하고 있습니다. 미래의 교육은 교실이라는 물리적 공간을 넘어 새로운 생태계를 조성하는 방향으로 나아가야 합니다. 미네르바 대학의 사례처럼 온라인의 장점을 극대화하여 전 세계 전문가들과 연결되는 협력 교육 모델을 구축할 필요가 있습니다. 교사는 단순히 지식을 전달하는 역할을 넘어 학생들의 질문을 정리하고 피드백을 주는 튜터로서의 기능을 강화해야 합니다. 또한 고교학점제와 연계하여 학교 밖의 우수한 콘텐츠를 학점으로 인정하는 등 학교의 울타리를 허무는 유연한 교육 체제로의 전환을 통해 물리적 제약을 극복하는 노력이 요구됩니다. 궁극적으로 온·오프라인 교육의 병행은 교육의 본질을 회복하는 기회가 되어야 합니다. 단순히 지식을 암기하고 평가하는 시스템에서 벗어나, 개별 학생의 관심사와 역량에 맞춘 '개인화된 교육'을 실현해야 합니다. 배운 내용을 실제 문제 해결에 적용해 보는 경험을 제공함으로써 학생들이 자신만의 재능을 발견하고 새로운 가치를 창출할 수 있도록 돕는 것이 핵심입니다. 이번 변화를 계기로 우리 교육이 일방적인 전달 체계를 넘어 학생의 성장을 실질적으로 지원하고 미래 역량을 키워주는 역동적인 시스템으로 거듭나기를 기대합니다.

신종호

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[COVID-19_talk_10] COVID-19 therapeutics, things are due to atoms_Chaok Seok Professor | 10강

세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질, 핵산, 지질과 같은 분자들의 집합체입니다. 이러한 생명 현상의 핵심은 원자 간의 상호작용, 특히 물과 친한 친수성과 물을 멀리하는 소수성 상호작용에 있습니다. 바이러스 단백질은 소수성 원자들을 안으로 숨기고 친수성 원자들을 겉으로 드러내어 물속에서 특정한 입체 구조를 유지합니다. 이 때문에 바이러스는 비말이나 에어로졸 같은 물방울 형태에서만 안정적으로 존재할 수 있으며, 습도가 높아져 물방울이 무거워지면 지면으로 떨어져 전파력이 낮아지기도 합니다. 치료제의 원리는 바이러스의 특정 단백질에 약물 분자가 강하게 결합하여 그 기능을 마비시키는 데 있습니다. 독감 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질 구멍에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막습니다. 하지만 코로나19 바이러스에는 이와 유사한 단백질이 없기 때문에 타미플루는 효과가 없습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라 역시 코로나19의 프로테아제 단백질과 구조적으로 맞지 않아 기대만큼의 효과를 거두지 못했습니다. 결국 치료제 개발의 핵심은 바이러스 단백질의 정밀한 입체 구조를 파악하는 것입니다. 현재 사용되는 렘데시비르는 바이러스의 RNA 복제 과정을 방해하는 전략을 취합니다. 이 약물은 RNA를 구성하는 분자와 매우 흡사한 모양을 하고 있어, 바이러스의 RNA 중합효소를 속이고 RNA 사슬에 끼어들어 합성을 중단시킵니다. 한편, 많은 연구자가 주목하는 스파이크 단백질은 인간 세포의 수용체와 결합하여 침투의 관문을 여는 역할을 합니다. 이 단백질은 세 개의 동일한 부분이 모여 정삼각형 구조를 이루며, 특정 부분이 위로 올라가는 '업(Up)' 상태가 되었을 때만 인간 세포와 결합할 수 있는 독특한 메커니즘을 가지고 있습니다. 코로나19 바이러스가 사스보다 위협적인 이유는 변이를 통해 결합력과 면역 회피 능력을 동시에 강화했기 때문입니다. 사스와 비교했을 때 코로나19는 스파이크 단백질의 특정 아미노산이 변이되어 인간 수용체인 ACE2와 훨씬 더 강하게 결합합니다. 흥미로운 점은 결합 부위가 노출되는 빈도를 낮추어 인체의 면역 공격을 교묘히 피하면서도, 한 번 결합할 때는 매우 강력하게 달라붙는 전략을 사용한다는 것입니다. 이러한 정밀한 변이는 바이러스가 인간 사회에서 더욱 치명적이고 광범위하게 전파될 수 있는 원동력이 되었습니다. 계산 화학은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 복잡한 단백질 구조와 약물 간의 상호작용을 예측하는 학문입니다. 비록 현재의 예측 정확도가 완벽하지는 않지만, 수백만 개의 후보 물질 중 유망한 것들을 골라내어 실험 비용과 시간을 획기적으로 줄여줍니다. 특히 바이러스는 끊임없이 변이를 일으키므로, 이에 신속하게 대응하기 위해서는 인공지능과 머신러닝을 활용한 계산 화학의 역할이 필수적입니다. 앞으로 계산 화학이 발전한다면 기존 약물의 재창출은 물론, 변종 바이러스에 대비한 차세대 치료제와 백신 설계에 결정적인 기여를 할 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[코로나TALK-10] 코로나시대 빌게이츠가 주목한 분야, 앞으로 노벨상이 유력한 분야_석차옥 교수 | 10강

세상은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질과 핵산 같은 분자들의 집합체입니다. 계산화학자는 실험 가운 대신 컴퓨터를 이용해 이러한 원자 간의 상호작용을 분석합니다. 특히 물 분자와의 관계인 친수성·소수성 상호작용은 바이러스의 형태를 유지하는 핵심적인 힘입니다. 바이러스가 비말이나 에어로졸 상태에서만 생존할 수 있는 이유도 물이 없으면 그 정교한 구조가 무너지기 때문입니다. 이러한 원자 수준의 이해는 치료제 개발의 가장 기초적인 토대가 됩니다. 효과적인 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막는 원리로 작동합니다. 하지만 코로나19에는 타미플루가 효과가 없는데, 이는 유전체 구조상 해당 표적 단백질이 존재하지 않기 때문입니다. 단백질은 아미노산 서열이 3차원 구조로 접히면서 고유한 기능을 갖게 되는데, 약물은 이 구조의 틈새에 정확히 들어맞아야 합니다. 따라서 바이러스마다 다른 단백질 구조를 정확히 파악하는 것이 치료제 설계의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라가 코로나19에 큰 효과를 보지 못한 이유도 단백질 구조의 차이에 있습니다. 두 바이러스 모두 프로테아제를 가지고 있지만, 그 입체적인 모양이 너무나 달라 약물이 제대로 결합하지 못했습니다. 반면 렘데시비르는 RNA 복제 과정을 방해하는 방식으로 어느 정도 성과를 거두었습니다. 바이러스의 RNA 중합효소를 속여 가짜 부품을 끼워 넣음으로써 유전체 합성을 중단시키는 전략입니다. 이처럼 치료제 개발은 원자 단위에서 벌어지는 정교한 속임수와 결합의 싸움입니다. 코로나19 바이러스의 표면에 돋아난 스파이크 단백질은 인간 세포 침투의 첫 관문입니다. 이 단백질의 핵심인 RBD는 평소에는 아래로 향해 면역 체계의 공격을 피하다가, 결합 시에만 위로 올라오는 영리한 전략을 사용합니다. 사스 바이러스와 비교했을 때 코로나19는 RBD의 아미노산 변이를 통해 인간 수용체와 훨씬 더 강하게 결합하도록 진화했습니다. 이러한 구조적 변화와 변이를 원자 수준에서 시뮬레이션하고 예측하는 작업은 변종 바이러스에 대응하기 위한 필수적인 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 현재 컴퓨터를 이용한 구조 예측 기술은 실험적 한계를 보완하며 신약 개발의 속도를 획기적으로 높이고 있습니다. 비록 현재의 정확도가 완벽한 수준은 아니지만, 수백만 개의 후보 물질 중 가능성 있는 것들을 추려냄으로써 막대한 시간과 비용을 절감해 줍니다. 인공지능과 머신러닝 기술의 도입은 이러한 계산화학의 지평을 더욱 넓히고 있습니다. 앞으로 계산화학은 바이러스의 변이를 실시간으로 예측하고, 그에 최적화된 진단제와 치료제를 설계하는 데 있어 인류의 가장 강력한 무기가 될 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[석학인터뷰] 이수영_AI를 어떻게 키울지가 중요합니다｜2019 가을 강연 '도대체 都大體'

인공지능은 단순히 데이터를 처리하는 기계를 넘어, 인간의 상호 작용을 관찰하며 스스로 학습하는 존재입니다. 마치 어린아이가 부모의 행동을 보고 배우듯, 인공지능 역시 사람들의 대화와 감정 상태, 성격 등을 파악하며 성장합니다. 이러한 학습 과정은 공장에서 일률적으로 만들어진 지능이 아니라, 사용자와 함께 생활하며 그 특성에 맞춰 변화하는 개별적인 지능을 형성하게 합니다. 따라서 인공지능의 성격과 감정은 고정된 것이 아니라 주변 환경과 상호 작용에 따라 유동적으로 변할 수 있습니다. 인공지능 윤리에 대한 논의가 활발한 이유는 이들이 인간으로부터 가치관을 배우기 때문입니다. 아이작 아시모프가 제안한 로봇 3원칙은 인간 보호와 명령 복종을 강조하지만, 복잡한 현실 세계의 딜레마 상황에 적용하기에는 한계가 있습니다. 모든 상황에서 완벽한 정답을 내리기란 어렵기에, 단순한 원칙만으로는 예상치 못한 부작용을 완전히 막을 수 없습니다. 결국 인공지능이 마주할 수많은 선택의 기로에서 어떤 가치를 우선시해야 할지에 대한 사회적 합의와 깊은 고민이 필요한 시점입니다. 새로운 인공지능 윤리의 핵심은 법규 준수와 사용자의 윤리 의식을 반영하는 데 있습니다. 인공지능은 사용자의 언어 습관과 가치관을 그대로 흡수하기 때문에, 사용자가 인공지능을 어떻게 대하느냐가 매우 중요합니다. 과거 마이크로소프트의 '테이' 사례처럼 잘못된 학습은 순식간에 부정적인 결과를 초래할 수 있습니다. 이는 인공지능 기술 자체의 결함이라기보다, 이를 다루는 인간의 태도가 인공지능의 도덕적 수준을 결정짓는 거울이 된다는 사실을 시사하며 사용자의 책임을 강조합니다. 인공지능을 대하는 우리의 태도는 기술의 발전 방향을 결정짓는 중요한 이정표가 됩니다. 공상 과학 영화 속 상상력은 미래 사회의 청사진을 제공하며, 엔지니어들이 어떤 기술을 개발해야 할지에 대한 기술적 영감을 불어넣어 줍니다. 인공지능은 단순히 인간의 편의를 돕는 도구를 넘어, 우리와 함께 미래 사회를 구성해 나갈 중요한 파트너가 될 수 있습니다. 우리가 인공지능에게 보여주는 존중과 올바른 상호 작용이 결국 인류의 미래를 더욱 풍요롭고 가치 있게 만드는 열쇠가 될 것입니다. 많은 이들이 인공지능을 하나의 고정된 실체로 오해하곤 하지만, 사실 인공지능은 사용하는 사람에 따라 각기 다른 개성을 가집니다. 인공지능은 훌륭한 과학자가 될 수도, 혹은 위험한 존재가 될 수도 있는 어린아이와 같습니다. 아이가 잘못 자랄까 봐 출산을 포기할 수 없듯이, 인공지능의 부작용이 두려워 발전을 멈추는 것은 인류의 진보를 가로막는 일입니다. 결국 인공지능이 우리 사회의 든든한 동지가 될지, 아니면 적이 될지는 우리가 그들을 어떻게 키우고 대접하느냐에 달려 있습니다.

이수영

카오스재단2019 카오스강연 '도대체 都大體'

뇌인지과학

[강연] 복잡계과학의 현실 응용 _ 김범준 교수_3강 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리' | 2강 ③

복잡계 과학은 단순히 수많은 구성 요소가 모여 있는 상태를 넘어, 그들 사이의 유기적인 상호작용이 만들어내는 거대한 질서를 탐구하는 학문입니다. 구성 요소의 특성만으로는 전체 시스템의 거동을 정확히 예측하기 어렵다는 점이 이 분야의 핵심적인 매력이자 연구의 출발점입니다. 현대 사회의 다양한 현상들은 실타래처럼 복잡하게 얽혀 있으며, 이를 제대로 이해하기 위해서는 미시적인 관점과 거시적인 관점을 동시에 유지하는 통합적인 사고가 필수적으로 요구됩니다. 이러한 시스템에서 가장 흥미로운 현상 중 하나는 바로 '창발성'이라고 불리는 성질입니다. 개미 한 마리는 매우 단순한 행동을 반복할 뿐이지만, 이들이 모인 개미 군집은 고도의 사회적 구조와 효율적인 길 찾기 능력을 보여주며 생존해 나갑니다. 이처럼 하위 단위에서는 존재하지 않던 새로운 성질이나 패턴이 상위 단위에서 갑작스럽게 나타나는 현상은 자연계와 인간 사회 곳곳에서 발견됩니다. 복잡계 과학은 이러한 무질서 속의 질서를 수학적 언어로 풀어내고자 합니다. 네트워크 이론은 복잡계를 이해하고 시각화하는 가장 강력한 도구 중 하나로 활용됩니다. 모든 구성 요소를 점으로, 그들 사이의 관계를 선으로 연결하면 보이지 않던 거대한 구조가 서서히 드러나기 시작합니다. 좁은 세상 네트워크나 척도 없는 네트워크와 같은 개념들은 우리가 살아가는 세상이 얼마나 긴밀하고 촘촘하게 연결되어 있는지를 잘 보여주는 사례입니다. 이러한 네트워크의 구조를 정밀하게 분석함으로써 정보의 확산 속도나 질병의 전파 경로를 과학적으로 파악하는 것이 가능해집니다. 복잡계 내에서의 상호작용은 대부분 비선형적인 특성을 가지고 있습니다. 아주 작은 변화가 연쇄 반응을 일으켜 예상치 못한 거대한 결과를 초래하는 '나비 효과'가 그 대표적인 예시라고 할 수 있습니다. 이는 초기 조건에 대한 민감성 때문에 장기적인 예측을 매우 어렵게 만들기도 하지만, 동시에 시스템이 외부 충격에 어떻게 반응하고 스스로 적응하는지를 이해하는 중요한 단서가 됩니다. 과학자들은 이러한 불확실성 속에서도 변하지 않는 보편적인 물리 법칙을 찾아내기 위해 끊임없이 연구합니다. 우리가 매일 마주하는 도심의 교통 흐름이나 금융 시장의 변동 역시 복잡계의 전형적인 사례에 해당합니다. 개별 운전자의 선택이나 투자자의 판단은 독립적인 듯 보이지만, 전체적으로는 정체나 폭락과 같은 집단적인 패턴을 형성하게 됩니다. 이러한 현상을 분석하기 위해 물리학, 경제학, 사회학 등 다양한 학문적 경계를 넘나드는 융합 연구가 현재 활발히 진행되고 있습니다. 복잡계 과학은 현대 문명이 직면한 여러 난제들을 해결할 수 있는 새로운 열쇠로 큰 주목을 받고 있습니다. 최근 데이터 과학의 비약적인 발전은 복잡계 연구에 새로운 전기를 마련해 주었습니다. 과거에는 관찰하기 어려웠던 방대한 양의 데이터를 실시간으로 수집하고 분석할 수 있게 되면서, 이론으로만 존재하던 복잡계 모델들을 실제로 검증할 기회가 늘어났습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상의 사회를 구현하고 정책의 효과를 미리 시험해 보는 등, 복잡계 과학은 점차 실천적인 학문으로 진화하고 있습니다. 이는 더 나은 미래 사회를 설계하고 대비하는 데 있어 매우 중요한 밑거름이 됩니다. 결국 복잡계를 공부한다는 것은 세상을 바라보는 완전히 새로운 눈을 갖는 것과 같습니다. 구성 요소에 매몰되지 않고 전체적인 흐름과 구성 요소 간의 연결성을 파악하는 능력은 급변하는 현대 사회에서 무엇보다 중요합니다. 복잡함 속에 숨겨진 단순한 원리를 찾아내고, 그 원리가 어떻게 다시 복잡한 현실로 구현되는지를 깊이 있게 이해하는 과정은 지적인 즐거움을 넘어 인류의 지속 가능한 생존과 번영을 위한 필수적인 과정이 될 것입니다. 우리는 이를 통해 세상의 본질에 한 걸음 더 다가갑니다.

김범준

카오스재단마스터클래스

물리학

[석학인터뷰] 최선호_ 좋은 교수라면 벽을 허물어 줘야죠｜2019 서울대 자연과학대 공개강연 '과학자의 꿈과 도전 : 과학 선율'

어린 시절의 호기심은 종종 엉뚱한 행동으로 이어지곤 합니다. 새로 산 라디오의 내부가 궁금해 이를 분해했다가 결국 고장 내 버렸던 일화는 과학자로서의 탐구심이 어디서 시작되었는지를 잘 보여줍니다. 단순히 겉모습에 만족하지 않고 그 속이 어떻게 구성되어 있는지, 어떤 원리로 작동하는지 직접 확인하고 싶어 하는 열망은 물리학이라는 학문의 본질과도 맞닿아 있습니다. 이러한 어린 날의 경험은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에 대한 깊은 관심으로 이어졌습니다. 우리가 살아가는 세상은 원자와 분자로 이루어져 있지만, 그 너머에는 더 깊고 신비로운 미시 세계가 존재합니다. 원자핵 속에는 양성자와 중성자가 있고, 그 안에는 다시 쿼크라는 기본 입자들이 자리 잡고 있습니다. 핵입자물리학은 이처럼 작은 입자들이 서로 어떻게 상호작용하며 하나의 사회를 형성하는지 연구하는 학문입니다. 최근에는 국내에서도 연구용 가속기가 건설되면서 이러한 미시적 상호작용을 더욱 정밀하게 이해할 수 있는 토대가 마련되고 있어 학계의 기대가 매우 큽니다. 과학적 지식을 전달하는 과정에서도 소통과 공감은 필수적입니다. 학생들의 눈높이에서 그들이 무엇을 어려워하는지 파악하고, 고등학교 교육과정과의 연결고리를 찾는 노력은 교육의 질을 높이는 핵심입니다. 단순히 이론을 설명하는 데 그치지 않고 몸소 시연하며 지루함을 깨는 방식은 지식이 머릿속에 깊이 각인되도록 돕습니다. 은퇴 후 시골에서 아이들에게 과학을 가르치며 고장 난 물건을 고쳐주는 삶을 꿈꾸는 모습은, 과학이 결국 우리 삶의 현장과 긴밀하게 연결되어 있음을 시사합니다.

최선호

카오스재단석학인터뷰

물리학
천문학
융합

[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