과학 포털 iKAOS

19 Contents

왜 금속이 나무보다 차갑게 느껴지는 걸까?

냉장고 속 금속 물병과 나무 물병을 동시에 잡았을 때 금속이 더 차갑게 느껴지는 현상은 우리에게 익숙한 경험입니다. 사실 두 물병의 온도는 동일하지만, 우리 몸의 감각은 이를 서로 다르게 받아들입니다. 이는 우리가 온도를 주관적인 느낌으로 판단하기 때문인데, 과학은 이러한 감각적 경험을 넘어서기 위해 온도라는 개념을 정립했습니다. 거시적인 관점에서 온도는 물질의 상태를 나타내는 중요한 지표가 되며 우리 일상을 지탱하는 과학적 토대가 됩니다. 미시적인 관점에서 온도의 정체는 분자들의 역동적인 움직임에 있습니다. 물질을 구성하는 분자들이 얼마나 빠르게 운동하느냐에 따라 온도가 결정되는 것입니다. 분자의 운동이 활발할수록 온도는 올라가며, 반대로 운동이 둔해지면 온도는 내려갑니다. 만약 분자의 운동이 완전히 멈추게 된다면 이론적으로 영하 273.15 ℃에 도달하게 되는데, 이를 더 이상 온도가 내려갈 수 없는 절대 영도라고 부릅니다. 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 에너지의 흐름을 말합니다. 두 물체가 접촉할 때, 빠르게 움직이던 고온의 분자들이 저온의 분자들과 충돌하면서 자신의 에너지를 전달하는 과정이 일어납니다. 이러한 에너지의 전이는 양쪽의 온도가 같아지는 열평형 상태가 될 때까지 지속됩니다. 즉, 온도가 물체의 상태를 나타내는 척도라면, 열은 그 상태를 변화시키기 위해 이동하는 에너지 그 자체라고 이해할 수 있습니다. 과거에는 열의 본질을 정확히 알지 못해 칼로리라는 단위를 별도로 사용했습니다. 하지만 제임스 프레스콧 줄의 연구를 통해 열이 에너지의 한 형태임이 밝혀지면서, 오늘날에는 에너지 단위인 줄(J)을 표준으로 사용하게 되었습니다. 열이 단순한 현상이 아니라 물리적인 에너지라는 사실을 깨닫게 된 것은 과학사에서 매우 중요한 전환점이 되었으며, 이를 통해 현대 물리학의 기틀이 마련되었습니다. 우리가 일상에서 느끼는 따뜻함이나 차가움은 결국 우리 몸과 물체 사이에서 일어나는 에너지의 이동 결과입니다. 겨울철 이불이 우리를 따뜻하게 지켜주는 원리 역시 체온이 외부로 빠져나가는 것을 막아주는 열전달의 차단에 있습니다. 이처럼 당연하게 여겼던 현상들 속에는 분자의 운동과 에너지의 흐름이라는 과학적 원리가 숨어 있습니다. 이러한 원리를 이해해 나갈 때, 우리는 세상을 이전보다 훨씬 더 깊고 풍성한 시각으로 바라볼 수 있게 될 것입니다.

과학플랫폼 SOAK

물리학

[강연] 조화해석학, 음의 세계를 해부하다 2_by 오창근 / 2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 시즌2 3강 두 번째 이야기 | 3강 ②

조화해석학의 핵심은 복잡해 보이는 모든 함수가 단순한 삼각함수들의 결합으로 이루어져 있다는 통찰에서 시작됩니다. 이는 정수론에서 모든 자연수가 소수들의 곱으로 분해되는 원리와 매우 유사합니다. 예를 들어 숫자 6이 2와 3의 곱으로 표현되듯, 우리가 마주하는 복잡한 파동이나 데이터 역시 기본적인 원자인 사인과 코사인 함수의 합으로 쪼개어 이해할 수 있습니다. 이러한 관점은 수학적 대상을 개별적인 단위로 분석하고 재구성할 수 있게 해주는 강력한 도구가 됩니다. 푸리에 급수는 이러한 철학을 수식으로 구현한 것입니다. 급수란 수열을 무한히 더해가는 과정을 의미하며, 푸리에 급수는 특정 함수를 나타내기 위해 다양한 주파수를 가진 삼각함수들을 차례로 쌓아 올립니다. 이때 각 삼각함수 앞에 붙는 계수들은 해당 성분이 전체 함수에서 차지하는 비중을 결정합니다. 기하학적으로 이 계수들은 함수 그래프와 축 사이의 면적을 계산하는 적분 과정을 통해 얻어지며, 이는 복잡한 전체 형상에서 특정 주파수의 에너지가 얼마나 포함되어 있는지를 정밀하게 측정하는 작업과 같습니다. 푸리에의 가설은 당시로서는 매우 파격적이었습니다. 어떤 형태의 함수라도 삼각함수의 합으로 표현할 수 있다는 그의 주장은 이후 100년이 넘는 시간 동안 수학자들의 도전 과제가 되었습니다. 결국 20세기 중반 카를레손에 의해 이 가설은 '거의 모든 곳'에서 성립한다는 사실이 증명되었습니다. 비록 극히 예외적인 경우를 제외하더라도, 우리가 일상에서 접하는 대부분의 연속적인 신호와 현상들이 푸리에의 원리 안에서 완벽하게 설명될 수 있다는 점은 현대 과학기술의 든든한 기초가 되었습니다. 이 이론은 현대의 디지털 생활에 깊숙이 침투해 있습니다. 대표적인 사례가 음성 파일의 압축과 노이즈 캔슬링 기술입니다. 인간의 귀가 듣지 못하는 고주파 성분을 푸리에 해석으로 찾아내어 제거함으로써 음질의 저하 없이 파일 용량을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 또한 외부 소음의 파형을 분석하고 그와 반대되는 위상의 파동을 만들어 상쇄시키는 방식 역시 함수를 개별 주파수 성분으로 분해할 수 있다는 푸리에의 아이디어가 있었기에 가능했습니다. 수학적 추상이 실질적인 편의로 전환된 것입니다. 함수와 방정식의 관계를 이해하는 것 또한 중요합니다. 함수가 입력과 출력 사이의 유기적인 관계를 나타내는 자판기와 같다면, 방정식은 그 함수가 반드시 만족해야 하는 특정한 제약 조건이나 문제라고 할 수 있습니다. 푸리에는 열이 시간에 따라 어떻게 확산되는지를 설명하는 열방정식을 풀기 위해 고심했습니다. 복잡한 미분 방정식의 형태를 띤 이 문제를 해결하기 위해 그는 함수를 삼각함수의 합으로 분해하는 방식을 택했고, 이는 난해한 조건을 단순한 계산의 영역으로 끌어내리는 결정적인 계기가 되었습니다. 열방정식의 해결 과정은 조화해석학의 위력을 잘 보여줍니다. 온도 함수를 사인과 코사인의 무한 합으로 치환하면, 복잡한 미분 연산이 각 성분별 비교 작업으로 단순화됩니다. 이를 통해 특정 시간이 흐른 뒤의 온도 분포를 정확하게 예측할 수 있게 됩니다. 풀기 불가능해 보였던 물리적 현상을 우리가 잘 알고 있는 삼각함수들의 성질을 이용해 정복한 것입니다. 이러한 접근법은 오늘날 전자공학이나 물리학에서 복잡한 시스템의 변화를 예측하고 제어하는 데 필수적인 방법론으로 자리 잡았습니다. 마지막으로 푸리에 변환은 시간의 영역에서 관찰되던 신호를 주파수의 영역으로 옮겨놓는 마법을 부립니다. 이는 단순히 함수를 표현하는 방식을 바꾸는 것을 넘어, 현상을 바라보는 차원 자체를 이동시키는 작업입니다. 시간의 흐름에 따라 변하는 복잡한 파동을 주파수 공간에서의 단순한 점이나 선으로 변환함으로써, 우리는 데이터의 본질적인 특징을 더욱 명확하게 파악할 수 있습니다. 결국 푸리에 해석은 세상을 구성하는 보이지 않는 리듬을 읽어내고, 이를 수학이라는 언어로 재해석하여 인류의 지평을 넓힌 위대한 유산입니다.

오창근

카오스재단카오스강연

수학

[페스티벌+어스] 지속가능한 지구: 기후 by 박록진, 김백민 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

기후 변화는 이제 먼 미래의 경고가 아닌 현실의 위기로 다가왔습니다. 1880년 산업혁명 이후 지구의 평균 기온은 이미 1.1도 상승했으며, 한반도는 이보다 높은 2도 가까운 상승 폭을 기록하고 있습니다. 이러한 지구 온난화는 단순히 숫자의 변화에 그치지 않고 전 지구적인 폭염, 가뭄, 집중호우와 같은 극단적인 기상 현상을 빈번하게 야기합니다. 북극의 빙하가 녹아내리고 해수면이 상승하는 현상은 생태계 전반의 위기를 초래하며 인류의 생존을 위협하고 있습니다. 우리는 현재 지구 곳곳에서 발생하는 기후 재난을 통해 변화의 시급성을 체감하고 있습니다. 파리 협정의 핵심 목표인 탄소 중립은 인위적인 탄소 배출량과 자연적인 흡수량이 균형을 이루는 상태를 의미합니다. 우리가 배출한 이산화탄소는 숲의 광합성과 해양의 용해 작용을 통해 자연적으로 흡수되는데, 현재는 배출량이 자연의 흡수 능력을 크게 초과하여 대기 중 농도가 계속 높아지고 있습니다. 2050년까지 탄소 중립을 달성하기 위해서는 전력 생산과 운송 수단 등 주요 배출원의 에너지 구조를 근본적으로 전환하여 자연의 흡수 범위 안으로 배출량을 줄여야 합니다. 이는 단순히 배출을 줄이는 것을 넘어 지구 시스템의 순환 원리를 회복하는 과정입니다. 자연의 탄소 흡수 능력은 고정된 것이 아니라 기후 변화와 밀접하게 상호작용하며 변합니다. 최근 빈번해진 대형 산불은 그동안 나무가 흡수했던 탄소를 다시 대기로 방출하는 악순환을 만들고 있으며, 해수 온도의 상승은 바다의 탄소 용해도를 낮추어 흡수 효율을 떨어뜨립니다. 또한 이산화탄소보다 지구 온난화 지수가 25배나 높은 메테인 기체의 농도 증가는 기후 위기를 더욱 가속화하는 요인이 됩니다. 따라서 자연의 흡수 기작에 대한 정밀한 과학적 이해와 감시가 탄소 중립 전략의 필수적인 토대가 되어야 하며, 이를 위해 위성 관측과 같은 첨단 기술의 활용이 중요해지고 있습니다. 기후 위기에 대응하는 과정에서 우리는 탄소 감축뿐만 아니라 변화하는 환경에 적응하는 지혜도 함께 갖추어야 합니다. 지구 온도가 6도 이상 상승하여 인류가 멸종할 것이라는 극단적인 공포에 매몰되기보다는, 과학적 근거에 기반한 합리적인 대응책을 마련하는 것이 중요합니다. 현재의 기술 발전 속도와 국제적인 협력을 고려할 때, 우리는 온도 상승 폭을 관리 가능한 수준으로 억제할 수 있는 시간을 아직 확보하고 있습니다. 비관론에 빠져 포기하기보다는 우리가 처한 상황을 정확히 인식하고, 지속 가능한 성장을 위한 구체적이고 실현 가능한 경로를 설계해야 할 때입니다. 경제 성장과 탄소 배출 사이의 연결고리를 끊어내는 '탈동조화'는 지속 가능한 미래를 위한 핵심 과제입니다. 과거에는 GDP가 높아질수록 탄소 배출도 늘어나는 것이 당연시되었으나, 최근 선진국들을 중심으로 기술 혁신을 통해 경제 성장을 유지하면서도 배출량을 줄이는 사례가 나타나고 있습니다. 기업들은 탄소 발자국을 투명하게 공개하고 친환경 공정을 도입하며 생존을 위한 변화를 꾀하고 있습니다. 소비자 역시 탄소 배출이 적은 제품을 선택함으로써 시장의 흐름을 바꾸는 중요한 역할을 수행할 수 있으며, 이러한 개인의 선택이 모여 기업과 국가의 변화를 이끌어내는 동력이 됩니다. 에너지 전환의 성공은 단순히 재생 에너지 발전소를 많이 짓는 것에 그치지 않고, 이를 뒷받침하는 효율적인 에너지 인프라 구축에 달려 있습니다. 기상 조건에 따라 발전량이 변하는 태양광이나 풍력 에너지의 특성을 고려할 때, 남는 전력을 저장하고 필요한 곳으로 보내주는 지능형 전력망 확충이 필수적입니다. 또한 수소 에너지, 탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS) 등 다양한 창의적 대안들을 검토하고 실용화해야 합니다. 에너지의 생산부터 소비까지 전 과정에서의 효율화와 인프라의 혁신은 기후 위기 극복을 위한 가장 강력한 수단이 될 것이며, 이는 국가 경쟁력과도 직결되는 문제입니다. 기후 위기는 인류에게 커다란 도전이지만, 동시에 새로운 문명으로 도약할 수 있는 기회이기도 합니다. 우리는 인공위성을 활용한 정밀 관측과 고도화된 모델링을 통해 미래 기후를 예측하고 최선의 대응 경로를 찾아가고 있습니다. 개인의 절제와 기업의 혁신, 그리고 국가의 현명한 정책이 조화를 이룰 때 우리는 비로소 지속 가능한 지구를 후손에게 물려줄 수 있습니다. 인류는 언제나 위기 속에서 답을 찾아왔으며, 이번에도 과학적 근거와 연대의 힘을 바탕으로 지구와 공존하는 새로운 길을 개척해 나갈 것입니다. 우리의 작은 실천과 창의적인 사고가 모여 결국 지구를 위한 올바른 답을 완성할 것입니다.

김백민, 박록진

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

지구환경과학

[강연] 꽃은 어떻게 피는가? _ 이일하 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 8강 | 8강

식물은 주변 환경의 변화를 놀라울 정도로 정교하게 감지하며 살아갑니다. 흔히 온도가 계절을 알리는 유일한 신호라고 생각하기 쉽지만, 실제로는 지구의 공전에 따라 규칙적으로 변하는 낮의 길이, 즉 광주기가 더욱 중요한 지표가 됩니다. 식물은 이러한 빛의 정보와 온도 변화를 통합적으로 분석하여 잎을 만드는 영양 생장에서 꽃을 피우는 생식 생장으로 전환할 최적의 시기를 결정하며 생존을 이어갑니다. 광주기가 개화 시기를 결정한다는 사실은 1920년대 메릴랜드 맘모스 담배 연구를 통해 처음으로 밝혀졌습니다. 여름 내내 꽃을 피우지 않고 거대하게 자라기만 하던 담배가 낮의 길이가 짧아지는 초겨울에 접어들어서야 꽃을 피우는 현상이 관찰된 것입니다. 이를 통해 식물은 장일 식물과 단일 식물 등으로 분류되었으며, 이후 연구를 통해 실제로는 낮의 길이보다 중단되지 않는 밤의 길이가 개화에 더 결정적인 역할을 한다는 사실이 증명되었습니다. 식물은 잎을 통해 광주기를 인식하며, 이때 파이토크롬과 같은 광수용체가 눈의 역할을 수행합니다. 잎에서 감지된 빛의 신호는 '플로리겐'이라 불리는 개화 유도 호르몬을 생성하게 만듭니다. 70년 가까이 베일에 싸여 있던 이 호르몬의 정체는 현대 분자유전학 연구를 통해 FT 단백질임이 밝혀졌습니다. 잎에서 만들어진 FT 단백질은 줄기 끝의 정단 분열 조직으로 이동하여 식물의 발달 단계에 극적인 변화를 일으키는 신호탄이 됩니다. 개화는 식물에게 있어 단순한 성장을 넘어 생식 단계로 진입하는 거대한 전환점입니다. 이 과정을 주도하는 핵심 유전자인 'LEAFY'는 정단 분열 조직에서 잎 대신 꽃 기관이 형성되도록 명령합니다. 나선형으로 잎을 만들던 조직이 환형 구조의 꽃을 만들기 시작하는 것입니다. 이 유전자는 진화적으로 매우 잘 보존되어 있어, 포플러나 오렌지 같은 나무에 강제로 발현시키면 어린 묘목 상태에서도 수개월 만에 꽃을 피우는 놀라운 결과를 보여줍니다. 꽃의 복잡한 구조인 꽃받침, 꽃잎, 수술, 암술이 형성되는 원리는 'ABC 모델'로 설명됩니다. 세 가지 유형의 유전자가 단독 혹은 조합으로 작용하여 각 기관의 정체성을 결정하는데, 이는 18세기 괴테가 제안했던 '꽃은 변형된 잎이다'라는 가설을 분자 수준에서 입증한 것입니다. 만약 이 유전자들이 모두 망가지면 식물은 꽃 대신 잎과 유사한 구조물을 만들게 되며, 이는 식물의 형태 형성이 얼마나 정교한 유전적 설계도에 의해 이루어지는지 보여줍니다. 식물의 개화 시기는 유전적인 엑셀과 브레이크 시스템에 의해 조절됩니다. 'CONSTANS(CO)' 유전자가 광주기에 반응하여 개화를 촉진하는 엑셀 역할을 한다면, 'FLC' 유전자는 개화를 억제하는 강력한 브레이크 역할을 합니다. 식물은 자신의 나이와 외부 환경 신호를 이 두 스위치를 통해 통합적으로 인지합니다. 엑셀이 밟히고 브레이크가 풀리는 정교한 균형점이 찾아왔을 때 비로소 식물은 에너지를 집중하여 꽃을 피우는 결단을 내리게 됩니다. 겨울을 거쳐야만 꽃이 피는 '춘화처리' 현상은 식물의 후성유전학적 기억 장치를 보여주는 대표적인 사례입니다. 겨울의 저온은 개화 억제 유전자인 FLC의 스위치를 꽉 잠가버리며, 이 기억은 날이 따뜻해진 뒤에도 유지되어 봄에 꽃이 필 수 있게 합니다. 하지만 최근 지구온난화로 인한 급격한 온도 변화는 이러한 식물의 오랜 리듬을 교란하고 있습니다. 개화 시기의 혼란은 결국 식물과 공생하는 곤충과 생태계 전체에 영향을 미치는 중대한 과제가 되고 있습니다.

이일하

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 식물 씨앗도 잠에 들고 깨어난다 _ by최길주 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 4강 | 4강

지구는 흔히 푸른 행성이라 불리지만, 그 푸름의 실체는 광활한 바다와 더불어 육지를 뒤덮은 식물의 생명력에서 기인합니다. 식물은 단순히 풍경의 일부가 아니라 지구 생태계의 근간을 이루는 존재입니다. 이들은 태양 에너지를 유기물로 변환하여 모든 생명체에게 에너지를 공급하는 생산자 역할을 수행합니다. 우리가 숨 쉬는 산소 또한 식물의 광합성 결과물이라는 점을 상기할 때, 식물 없는 지구는 상상조차 할 수 없습니다. 식물은 지구의 역사를 지탱해 온 가장 위대한 생존자입니다. 수억 년 전 식물이 바다에서 육지로 올라온 사건은 지구 역사상 가장 극적인 전환점 중 하나였습니다. 초기 육상 식물은 척박한 환경에 적응하기 위해 뿌리와 줄기, 잎이라는 정교한 구조를 발달시켰습니다. 이러한 진화 과정은 대기 중의 이산화탄소 농도를 조절하고 기후를 안정시키는 데 결정적인 기여를 했습니다. 식물의 등장은 다른 생명체들이 육지에서 번성할 수 있는 터전을 마련해주었으며, 오늘날 우리가 보는 풍요로운 자연의 시작이 되었습니다. 이는 생명 진화의 거대한 흐름을 바꾼 혁명이었습니다. 식물은 움직이지 못하기 때문에 수동적인 존재로 오해받기 쉽지만, 사실 그들은 매우 역동적이고 지능적인 생존 전략을 구사합니다. 주변 환경의 변화를 민감하게 감지하고, 빛의 방향이나 중력에 반응하며 최적의 성장 조건을 찾아냅니다. 또한 화학 물질을 분비하여 해충의 공격을 알리거나 이웃 식물과 정보를 교환하기도 합니다. 이러한 식물의 소통 방식은 우리가 미처 알지 못했던 생명의 신비로움을 보여주며, 식물을 바라보는 우리의 관점을 완전히 바꾸어 놓습니다. 그들은 정적인 존재가 아닌, 치열하게 소통하는 생명체입니다. 광합성은 지구상에서 일어나는 가장 경이로운 화학 반응 중 하나입니다. 식물은 엽록소를 통해 태양 에너지를 흡수하고, 물과 이산화탄소를 결합하여 포도당을 만들어냅니다. 이 과정에서 배출되는 산소는 지구 대기를 정화하고 모든 호흡하는 생명체의 생존을 가능하게 합니다. 식물이 수행하는 이 정교한 에너지 전환 시스템은 인류가 꿈꾸는 지속 가능한 에너지 기술의 궁극적인 모델이기도 합니다. 자연의 공장이라 불리는 식물의 잎 속에서는 지금 이 순간에도 생명의 기적이 쉼 없이 일어나고 있습니다. 생물 다양성의 관점에서 식물은 수많은 생명체에게 서식처와 먹이를 제공하는 안식처입니다. 숲의 거대한 나무부터 길가의 작은 풀꽃에 이르기까지, 각기 다른 식물들은 고유한 생태적 지위를 차지하며 복잡한 그물망을 형성합니다. 특정 식물 종의 멸종은 그와 연결된 곤충, 새, 포유류의 생존을 위협하며 결국 생태계 전체의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 따라서 식물의 다양성을 보존하는 것은 단순히 식물을 지키는 것을 넘어 지구 전체의 건강을 유지하는 필수적인 과제입니다. 식물은 생태계라는 거대한 건축물을 지탱하는 주춧돌입니다. 인류의 문명은 식물과 떼려야 뗄 수 없는 관계를 맺으며 발전해 왔습니다. 농경의 시작은 인류가 정착 생활을 하고 사회를 형성하는 계기가 되었으며, 식물로부터 얻은 식량과 약재, 목재는 인류 생존의 필수 자원이었습니다. 현대에 이르러서도 식물은 정서적 안정과 치유를 제공하는 반려 식물로서 우리 곁을 지키고 있습니다. 식물은 단순한 자원을 넘어 인류의 역사와 문화를 관통하는 동반자이며, 우리가 존중하고 보호해야 할 소중한 생명체입니다. 식물과의 공존은 인류가 지속하기 위한 필수적인 선택입니다. 기후 위기와 환경 파괴가 가속화되는 오늘날, 식물의 가치는 그 어느 때보다 중요하게 부각되고 있습니다. 이산화탄소를 흡수하고 지구 온난화를 늦추는 식물의 능력은 인류가 직면한 위기를 극복할 수 있는 가장 강력한 열쇠입니다. 우리는 식물이 보내는 신호에 귀를 기울이고, 그들이 건강하게 살아갈 수 있는 환경을 조성해야 합니다. 식물 행성 지구의 미래는 곧 우리 인류의 미래와 직결되어 있음을 명심해야 합니다. 자연과 공존하는 지혜를 배울 때 비로소 우리는 지속 가능한 내일을 꿈꿀 수 있으며, 식물은 그 길을 안내하는 이정표가 될 것입니다.

최길주

카오스재단카오스강연

생명과학

[과학자가 쓴 과학책 #26] 김항배_태양계가 200쪽의 책이라면 ㅣ 태양계를 200쪽의 책 안에 담을 수 있을까?

과학은 복잡한 세상을 이해하기 위해 '모형'이라는 도구를 사용합니다. 모형은 대상의 실제 모습을 완벽하게 재현하기보다는, 우리가 대상을 어떻게 이해하고 있는지를 보여주는 방식입니다. 이론 물리학자들이 복잡한 암소를 단순한 구형으로 가정(구형 암소)하고 문제를 해결하듯, 과학적 탐구는 본질적인 요소를 추출하여 단순화하는 과정에서 시작됩니다. 이러한 단순화는 우리가 우주라는 거대한 대상을 인간의 지성으로 파악할 수 있게 돕는 핵심적인 전략입니다. 우리가 흔히 접하는 태양계 그림은 행성들이 오밀조밀 모여 있는 모습이지만, 실제 태양계는 상상 이상으로 공허합니다. 태양을 14cm 크기의 자몽이라고 가정하면, 지구는 15m 떨어진 곳에 놓인 1.3mm 크기의 좁쌀에 불과합니다. 가장 먼 해왕성은 450m나 떨어져 있어, 실제 비율로 태양계를 구현하려면 거대한 공원이 필요할 정도입니다. 이러한 공간적 거리감을 직접 느껴보는 것은 우리가 우주를 인식하는 방식에 커다란 변화를 가져다줍니다. 인류는 아주 오래전부터 밤하늘에서 별들 사이를 움직이는 '행성'의 존재를 인식하고 그 규칙성을 연구해 왔습니다. 메소포타미아와 이집트, 그리스 문명을 거치며 축적된 관측 데이터는 정교한 수식과 기하학적 모형으로 발전했습니다. 특히 프톨레마이오스의 천동설은 비록 현대의 관점에서는 틀렸을지라도, 당시의 관측 사실을 설명하기 위해 고안된 매우 과학적이고 정교한 체계였습니다. 이는 인간이 우주의 질서를 찾으려 노력해 온 역사의 산물입니다. 17세기 갈릴레오가 망원경으로 하늘을 바라보면서 천문학은 새로운 국면을 맞이했습니다. 금성의 위상 변화와 토성의 고리를 직접 목격하며 지동설에 대한 확신을 얻었고, 이는 뉴턴의 만유인력 법칙으로 이어져 천체 운동의 원리를 완벽하게 설명하게 되었습니다. 하늘의 행성과 지상의 물체가 동일한 물리 법칙을 따른다는 발견은 인류 지성사에서 가장 혁명적인 사건 중 하나였으며, 이를 통해 우리는 태양계를 단순한 관찰 대상이 아닌 물리적 실체로 이해하게 되었습니다. 우주 탐사는 지구의 중력을 벗어나는 초속 11km의 탈출 속도를 확보하는 것에서 시작됩니다. 하지만 더 먼 행성으로 나아가기 위해서는 태양의 중력까지 극복해야 하며, 이는 엄청난 에너지와 시간을 필요로 합니다. 1970년대 보이저 프로젝트는 행성의 중력을 이용해 속도를 높이는 '스윙바이' 기술을 활용하여 이 한계를 극복했습니다. 170년에 한 번 찾아오는 행성 배열의 기회를 포착한 이 여정은 인류가 태양계의 끝자락까지 시야를 넓히는 결정적인 계기가 되었습니다. 태양계의 행성들이 저마다 다른 모습을 띠게 된 결정적인 이유는 형성 당시의 온도와 '동결선'의 위치에 있습니다. 태양과 가까운 안쪽 영역은 온도가 높아 물이 기체 상태로 존재했기에 무거운 암석 중심의 암석 행성들이 형성되었습니다. 반면 동결선 바깥쪽은 물과 메탄이 얼음 형태로 존재할 수 있어 거대한 기체 행성들이 탄생할 수 있었습니다. 이처럼 행성의 운명은 태양으로부터의 거리에 의해 결정되었으며, 이는 우주의 다른 별들에서도 보편적으로 나타나는 현상일 것입니다. 보이저 1호가 태양계를 떠나며 뒤돌아 찍은 '창백한 푸른 점' 사진은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 광활하고 공허한 우주 속에서 지구는 단 한 픽셀의 작은 점에 불과하지만, 그 안에는 인류의 모든 역사와 생명이 담겨 있습니다. 밖에서 바라본 지구의 모습은 우리가 발을 딛고 있는 이 땅이 얼마나 소중하고 특별한지를 깨닫게 합니다. 태양계의 광활한 빈 공간을 느껴보는 과정은 결국 우리 자신과 우리가 사는 세상을 새로운 시각으로 바라보는 여정이라 할 수 있습니다.

김항배

카오스재단읽다과학

천문학

[강연] 온도, 촉각 수용체 발견, 통증이 없는 삶 가능할까? by 오석배 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 1강

우리가 세상을 인지하는 가장 기본적인 방식은 오감을 통한 자극의 수용입니다. 그중에서도 온도와 촉각은 생존과 직결된 아주 중요한 감각입니다. 뜨거운 물체에 닿았을 때 즉각적으로 손을 떼거나, 부드러운 바람을 느끼는 과정은 우리 몸속의 정교한 센서들이 작동한 결과입니다. 오랫동안 인류는 이러한 감각이 어떻게 전기적 신호로 변환되어 뇌에 전달되는지 그 구체적인 메커니즘을 밝혀내고자 노력해 왔습니다. 이러한 탐구는 생명과학의 핵심적인 과제 중 하나였습니다. 2021년 노벨 생리의학상은 바로 이 감각의 수수께끼를 풀어낸 과학자들에게 돌아갔습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신을 활용해 우리가 열을 감지하는 원리를 규명했습니다. 그는 캡사이신에 반응하는 특정 유전자를 찾아내어 'TRPV1'이라는 이온 통로를 발견했습니다. 이 발견은 단순히 매운맛을 이해하는 것을 넘어, 우리 몸이 유해한 수준의 열을 어떻게 통증으로 인식하는지를 과학적으로 증명한 획기적인 사건으로 기록되었습니다. TRPV1은 특정 온도 이상에서 문이 열리며 이온을 통과시키는 단백질입니다. 이를 통해 열 자극이 전기 신호로 바뀌어 신경계를 타고 뇌로 전달됩니다. 흥미로운 점은 캡사이신 분자가 이 수용체에 결합하면, 실제 온도가 높지 않음에도 불구하고 우리 뇌는 뜨거움을 느낀다는 사실입니다. 이러한 연구는 온도감각과 통증이 분자 수준에서 어떻게 연결되어 있는지를 명확히 보여주었으며, 감각 생리학 분야에 새로운 지평을 열어주었다는 평가를 받고 있습니다. 온도뿐만 아니라 물리적인 압력을 감지하는 메커니즘 역시 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 아뎀 파타푸티안 교수는 세포에 물리적인 자극을 가했을 때 반응하는 유전자를 추적한 끝에 '피에조(PIEZO) 통로'를 발견했습니다. 피에조는 그리스어로 압력을 뜻하는 단어에서 유래했으며, 세포막이 눌리거나 당겨질 때 열리는 이온 통로입니다. 이 발견으로 우리는 가벼운 접촉부터 깊은 압박까지 다양한 촉각을 인지하는 생물학적 기초를 명확하게 갖게 되었습니다. 피에조 통로의 역할은 단순히 피부의 촉각에만 국한되지 않습니다. 우리 몸 내부의 혈압 조절이나 방광의 팽창 정도를 감지하는 등 내부 장기의 상태를 파악하는 데도 핵심적인 역할을 수행합니다. 또한 자신의 팔다리가 어디에 위치해 있는지 인지하는 고유수용감각에도 깊이 관여합니다. 이처럼 물리적 자극을 감지하는 시스템은 우리 몸의 항상성을 유지하고 복잡한 움직임을 제어하는 데 필수적인 요소임이 밝혀졌으며, 이는 인체 신비의 한 축을 담당합니다. 이러한 기초 과학적 발견은 현대 의학에서 통증 치료의 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 만성 통증이나 신경병증성 통증으로 고통받는 환자들에게 TRPV1이나 피에조 통로를 조절하는 약물은 혁신적인 치료제가 될 수 있습니다. 특정 감각 수용체만을 표적으로 삼아 부작용을 최소화하면서도 효과적으로 통증을 제어하려는 연구가 현재 활발히 진행 중입니다. 이는 감각의 원리를 이해하는 것이 곧 인류의 고통을 줄이고 삶의 질을 높이는 길임을 시사하는 대목입니다. 감각 수용체의 발견은 인간이 환경과 상호작용하는 근본적인 방식을 이해하게 해주었습니다. 우리가 느끼는 따뜻함, 시원함, 그리고 부드러운 촉감 뒤에는 수억 년의 진화 과정을 거쳐 완성된 정교한 분자 기계들이 숨어 있습니다. 노벨 생리의학상이 주목한 이 연구들은 생명과학의 근원적인 질문에 답을 던졌을 뿐만 아니라, 미래의 정밀 의료를 향한 중요한 이정표가 되었습니다. 앞으로도 감각의 신비는 계속해서 밝혀질 것이며 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것입니다.

오석배

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[술술과학] 우주(5): 티끌 모아 별

밤하늘을 수놓는 별들은 저마다의 색을 띠고 있습니다. 천문학에서는 이를 'Oh Be A Fine Girl, Kiss Me'라는 문구로 기억하기 쉽게 분류하는데, 이는 별의 스펙트럼형을 나타냅니다. 별의 색깔을 결정하는 핵심 요소는 바로 표면 온도입니다. 가장 뜨거운 별은 푸른색을 띠는 O형이며, 온도가 낮아질수록 백색, 황색을 거쳐 붉은색의 M형으로 변합니다. 이러한 온도의 차이는 결국 별이 탄생할 때의 질량에 의해 결정됩니다. 질량이 크고 무거운 별일수록 내부 압력이 높아져 더 뜨겁고 푸른 빛을 내뿜게 되는 원리입니다. 별들의 세계를 체계적으로 이해하기 위해 천문학자들은 '헤르츠스프룽-러셀 도표', 즉 색-밝기표를 사용합니다. 이 도표의 가로축은 별의 색깔을, 세로축은 별 본래의 밝기인 절대등급을 나타냅니다. 도표를 가로지르는 대각선 영역에는 우주 별의 대부분을 차지하는 '주계열성'이 위치합니다. 우리 태양 역시 이 주계열성에 속하는 평범한 황색 별입니다. 주계열성 내에서는 왼쪽 상단으로 갈수록 크고 밝은 푸른 별이 위치하며, 오른쪽 하단으로 갈수록 작고 어두운 붉은 별들이 자리 잡고 있어 별의 질량과 밝기 사이의 상관관계를 명확히 보여줍니다. 별의 일생은 탄생 시의 무게에 따라 극적으로 달라집니다. 태양과 같은 보통 크기의 별들은 수소 연료를 모두 소진하면 몸집을 수백 배로 불리며 적색거성 단계에 진입합니다. 이때 태양의 표면은 지구 궤도에 육박할 정도로 거대해지며, 이후 외곽의 물질을 행성상 성운으로 방출합니다. 남겨진 중심부는 중력에 의해 수축하여 지구 크기 정도의 백색왜성이 됩니다. 백색왜성은 더 이상 핵융합을 하지 않지만, 엄청난 고온과 고압 상태를 유지하며 서서히 식어갑니다. 이 과정에서 내부의 탄소와 산소가 결정화되어 거대한 다이아몬드와 같은 구조를 형성하기도 합니다. 백색왜성이 형태를 유지할 수 있는 비결은 전자들이 서로 밀어내는 힘인 '전자축퇴압'에 있습니다. 하지만 이 힘으로 버틸 수 있는 질량에는 한계가 있는데, 이를 '찬드라세카르 한계'라고 부르며 태양 질량의 약 1.4배에 해당합니다. 만약 쌍성계에서 동반성의 물질을 흡수하여 이 한계를 넘어서게 되면 백색왜성은 Ia형 초신성으로 강력하게 폭발합니다. 반면, 처음부터 태양보다 훨씬 무거웠던 별들은 초신성 폭발을 거쳐 중성자별이나 블랙홀로 진화합니다. 별의 종말은 단순히 사라지는 것이 아니라, 우주의 물리 법칙이 허용하는 극한의 상태로 변모하는 과정입니다. 우주에서 가장 흔한 별은 작고 어두운 적색왜성입니다. 이들은 질량이 작아 핵융합 속도가 매우 느리기 때문에 수명이 1조 년 이상에 달할 정도로 깁니다. 너무나 긴 수명 탓에 인류는 아직 적색왜성의 죽음을 직접 목격하지 못했으며, 시뮬레이션을 통해 이들이 먼 미래에 청색왜성을 거쳐 흑색왜성으로 변할 것이라 추측할 뿐입니다. 밤하늘의 별들은 겉보기에 비슷해 보일지라도, 그 이면에는 갈색왜성부터 초거성까지 상상을 초월하는 다양성이 존재합니다. 별의 탄생과 죽음을 연구하는 과정은 결국 우주의 거대한 질서와 그 비밀을 풀어가는 인간의 경이로운 여정이라 할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

천문학

[강연] 별, 그 위대한 삶의 이야기 _ by김용철ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 5강 | 5강

밤하늘을 수놓는 별들은 단순히 빛나는 점이 아닙니다. 천문학에서 별, 즉 항성은 자체 중력으로 뭉쳐진 가스 덩어리이며, 내부의 에너지원을 통해 스스로 빛을 내는 천체를 의미합니다. 우리는 별에 직접 가볼 수 없기에 오직 별빛만을 통해 그들의 이야기를 듣습니다. 빛을 파장별로 나누어 분석하는 분광학은 별의 온도, 성분, 자전 속도 등 수많은 정보를 제공하는 열쇠가 됩니다. 이를 통해 우리는 멀리 떨어진 천체의 물리적 상태를 정밀하게 파악할 수 있습니다. 태양의 빛을 프리즘에 통과시키면 무지개색 띠 사이에 수많은 검은 선들이 나타납니다. 이 흡수선들은 별의 대기를 구성하는 원소들이 특정한 파장의 빛을 흡수한 흔적입니다. 과거에는 우주가 지구와 전혀 다른 물질로 이루어졌다고 믿었으나, 분광 분석을 통해 태양 역시 지구와 같은 원소들로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 다만 그 비율이 다를 뿐이며, 태양의 대부분은 수소와 헬륨으로 이루어져 있다는 사실은 현대 천문학의 기초가 되었습니다. 별의 색깔은 표면 온도를 나타내는 가장 직관적인 지표입니다. 푸른 별은 붉은 별보다 훨씬 뜨거우며, 이는 물체가 온도에 따라 방출하는 빛의 파장이 달라지기 때문입니다. 천문학자들은 별의 밝기와 색깔을 평면에 나타낸 헤르츠스프룽-러셀도(H-R도)를 통해 별들을 분류합니다. 놀랍게도 대부분의 별은 대각선 방향의 '주계열' 영역에 모여 있는데, 이는 별들이 일생의 대부분을 이 안정적인 단계에서 보내기 때문입니다. 별이 수십억 년 동안 일정한 밝기를 유지할 수 있는 비결은 내부의 핵융합 반응에 있습니다. 중심부의 엄청난 압력과 온도 속에서 수소 원자핵들이 결합하여 헬륨이 되며 막대한 에너지를 방출합니다. 하지만 연료는 무한하지 않기에 별은 필연적으로 죽음을 맞이합니다. 에너지가 고갈됨에 따라 별의 구조는 변하며, 이는 겉모습인 밝기와 색깔의 변화로 이어집니다. 결국 별의 일생은 중력과 내부 에너지가 벌이는 거대한 균형의 역사라고 할 수 있습니다. 별의 운명을 결정하는 가장 핵심적인 요소는 태어날 때의 질량입니다. 태양과 비슷한 질량의 별들은 수명을 다하면 붉고 거대한 적색 거성으로 팽창했다가, 외곽층을 우주로 날려 보내고 중심부에 탄소와 산소로 이루어진 백색 왜성을 남깁니다. 반면 태양보다 훨씬 무거운 별들은 철까지 핵융합을 진행하며 더욱 역동적인 진화를 겪습니다. 질량에 따라 별은 조용한 종말을 맞이하거나, 우주에서 가장 격렬한 폭발을 일으키며 사라지기도 합니다. 철은 핵융합을 통해 에너지를 얻을 수 있는 마지막 단계의 원소입니다. 무거운 별의 중심에 철이 쌓이면 더 이상 에너지를 내지 못하고 중력 붕괴를 일으켜 초신성 폭발로 이어집니다. 이 찰나의 순간에 금이나 은처럼 철보다 무거운 원소들이 만들어지며 우주 공간으로 흩뿌려집니다. 초신성 폭발은 단순한 파괴가 아니라, 새로운 세대의 별과 행성을 탄생시키기 위한 재료를 공급하는 우주의 거대한 재활용 과정이기도 합니다. 우리는 흔히 스스로를 별과 무관한 존재로 여기지만, 우리 몸을 구성하는 탄소, 질소, 산소 등은 모두 과거 어느 별의 내부에서 만들어진 것들입니다. 수십억 년 전 폭발한 별의 잔해인 '별먼지'가 모여 지구를 형성했고, 그 위에서 생명체가 탄생했습니다. 결국 인간은 우주를 관찰하고 이해하는 지적인 별먼지인 셈입니다. 밤하늘의 별을 바라보는 것은 우리 존재의 근원을 확인하는 일이며, 우주와 우리가 하나로 연결되어 있음을 깨닫는 숭고한 경험입니다.

김용철

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 미지의 세계, 바다의 탐구 by나한나｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 2강

바다는 인류에게 여전히 거대한 미지의 세계로 남아 있습니다. 과거 19세기 영국 해군의 챌린저호가 지구 둘레의 세 배가 넘는 거리를 항해하며 바다의 깊이와 생물을 탐사했던 것이 현대 해양학의 시초가 되었습니다. 오늘날의 탐사는 연구선뿐만 아니라 인공위성과 첨단 무인 장비를 활용하여 과거보다 훨씬 정밀하게 이루어집니다. 과학자들은 망망대해에서 위도와 경도를 지표 삼아 바닷물의 성질과 운동, 그리고 그 변화가 지구 전체에 미치는 영향을 끊임없이 추적하며 푸른 심연 속에 감춰진 비밀을 하나씩 밝혀내고 있습니다. 21세기 해양 탐사의 핵심은 무인 관측 장비인 '아르고 플로트'의 활용에 있습니다. 약 1미터 높이의 이 장비는 스스로 부력을 조절하며 수심 2,000미터까지 내려가 바다의 수온과 염분을 정밀하게 측정합니다. 약 10일 주기로 심해와 표층을 오가며 수집된 데이터는 인공위성을 통해 육상 연구소로 실시간 전송됩니다. 현재 전 세계 바다에는 4,000개에 가까운 아르고 플로트가 떠다니며 인간이 직접 가기 힘든 깊은 바다의 정보를 쉼 없이 보내오고 있으며, 이는 해양의 수직적 구조와 물리적 특성을 이해하는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 바닷물은 한자리에 머물지 않고 끊임없이 움직이며 지구의 환경을 조절합니다. 표층의 해류가 주로 바람에 의해 형성된다면, 깊은 바다의 순환은 온도와 염분 차이에 따른 밀도 변화로 인해 발생합니다. 극지방에서 차가워지고 염분이 높아진 바닷물은 무거워져 심해로 가라앉으며, 이 거대한 흐름은 전 지구를 연결하는 '컨베이어 벨트'처럼 작동합니다. 이러한 해수의 순환은 지구의 열에너지를 골고루 분산시키는 중요한 역할을 하며, 바다의 운동 원리를 파악하는 것은 복잡한 기후 시스템의 변화를 예측하는 데 있어 매우 중요한 기초 연구가 됩니다. 해양의 물리적 변화는 생태계와 인류 경제에도 직접적인 영향을 미칩니다. 엘니뇨 현상으로 태평양의 따뜻한 해수층이 이동하면 가다랑어와 같은 어종의 서식지도 함께 변하며, 이는 도서 국가들의 어업 경제에 큰 변동을 가져옵니다. 특히 기후 변화로 인해 지구에 쌓인 잉여 에너지의 약 90%가 바다로 흡수되고 있다는 사실은 매우 중요합니다. 이로 인해 해빙이 녹고 해수면이 상승하며, 우리나라 주변 해역처럼 특정 지역의 수온이 급격히 상승하는 등 바다는 현재 기후 위기의 최전선에서 지구의 변화를 온몸으로 받아내며 경고의 메시지를 보내고 있습니다. UN은 2021년부터 2030년까지를 '해양과학 10년'으로 지정하여 미래의 깨끗하고 안전한 바다를 위한 전 지구적 연구를 독려하고 있습니다. 놀랍게도 전 세계 바다의 80% 이상은 여전히 인간의 발길이 닿지 않은 미지의 영역으로 남아 있습니다. 우리가 알고 있는 것보다 모르는 것이 훨씬 많은 이 거대한 공간은 미래 세대에게 무궁무진한 탐구의 기회를 제공합니다. 지구 환경에 대한 지적 호기심을 발휘하여 스스로 질문을 던지고 해답을 찾아가는 과정은, 급변하는 환경 속에서 인류가 바다와 공존하기 위해 반드시 지속해야 할 숭고한 여정입니다.

나한나

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학

[강연] 딥러닝으로 엘니뇨 예측하기 _ by함유근 | 2020 가을 카오스강연 'Ai X' 4강 | 4강

엘니뇨는 적도 태평양의 해수면 온도가 평년보다 0.5도 이상 높은 상태가 6개월 이상 지속되는 현상을 말합니다. 페루 어부들이 수온 변화로 물고기가 잡히지 않는 시기에 붙인 이름에서 유래한 이 현상은 단순한 지역적 변화를 넘어 전 지구적인 기후 시스템에 막대한 영향을 미칩니다. 엘니뇨가 발생하면 인도네시아와 호주에는 극심한 가뭄과 산불이 발생하고, 남미 지역에는 폭우와 홍수가 이어지는 등 이상기후가 빈번해집니다. 우리나라도 엘니뇨의 영향권에서 자유롭지 못하며, 겨울철 기온이 상승하거나 강수량이 증가하는 등 뚜렷한 기상 변화를 겪게 됩니다. 기후 예측은 내일의 날씨를 맞히는 것보다 훨씬 긴 시간 규모의 변화를 다루는 도전적인 과제입니다. 기존에는 지구를 격자로 나누어 구름, 강수, 해류 등 복잡한 물리 과정을 계산하는 수치 모델을 주로 사용해 왔습니다. 하지만 이러한 수치 모델은 수십만 줄의 코드로 이루어져 있어 실제 지구의 모든 프로세스를 완벽하게 구현하기 어렵습니다. 또한, 초기 상태의 아주 작은 차이가 결과에서 거대한 차이를 만들어내는 '나비효과'로 인해 예측 기간이 길어질수록 정확도가 급격히 떨어지는 한계가 있었습니다. 특히 6개월 이상의 중장기 예측은 기후학자들에게 여전히 어려운 숙제였습니다. 최근에는 이러한 한계를 극복하기 위해 인공지능, 특히 딥러닝 기술이 기후 예측 분야에 도입되고 있습니다. 엘니뇨 예측에는 이미지 인식에 탁월한 성능을 보이는 합성곱 신경망(CNN) 기법이 주로 활용됩니다. 엘니뇨는 특정 지점의 수온 변화뿐만 아니라 서태평양, 인도양, 대서양 등 전 지구적인 해수면 온도 분포의 상관관계를 파악하는 것이 중요하기 때문입니다. 2차원 또는 3차원 지도 형태의 데이터를 분석하여 복잡한 패턴 속에서 엘니뇨의 전조 현상을 찾아내는 인공지능의 능력은 기존 수치 모델이 놓치기 쉬운 미세한 신호들을 포착하는 데 매우 효과적이라는 사실이 증명되었습니다. 딥러닝 모델을 학습시키기 위해서는 방대한 양의 데이터가 필요하지만, 관측된 기후 데이터는 역사적으로 매우 한정적입니다. 엘니뇨는 1년에 단 한 번 발생 여부가 결정되기에 실제 가용 샘플은 170여 개에 불과합니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 '전이 학습'이라는 기법을 도입했습니다. 이는 수치 모델 시뮬레이션이 생성한 수많은 가상 엘니뇨 데이터를 먼저 학습시킨 뒤, 그 지식을 실제 관측 데이터에 적용하는 방식입니다. 비록 가상 데이터에 오차가 있더라도 기본적인 물리 메커니즘을 학습하는 데는 충분하며, 이를 통해 데이터 부족 문제를 해결하고 모델의 예측 성능을 획기적으로 높일 수 있었습니다. 딥러닝 기반의 예측 모델은 기존 수치 모델보다 훨씬 앞선 성능을 보여주었습니다. 기존 시스템이 약 1년 정도의 예측 신뢰도를 가졌다면, 인공지능 모델은 이를 18개월까지 연장하는 데 성공했습니다. 1년 반 앞을 내다볼 수 있다는 것은 사회적, 경제적으로 엄청난 가치를 지닙니다. 이상기후에 대비해 재난 방지 시스템을 정비할 충분한 시간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 곡물 가격 변동에 선제적으로 대응하여 경제적 손실을 최소화할 수 있기 때문입니다. 실제로 1997년이나 2015년의 강력한 엘니뇨 사례에서도 딥러닝 모델은 매우 높은 정확도로 미래를 예측해 내는 성과를 거두었습니다. 인공지능의 예측 결과가 단순히 통계적 우연이 아님을 증명하기 위해 '히트맵' 분석 기법이 사용됩니다. 이는 인공지능이 데이터의 어느 부분을 중점적으로 보고 판단을 내렸는지 시각화하는 기술입니다. 분석 결과, 딥러닝 모델은 엘니뇨 발생 1년 전 서태평양의 따뜻한 해수 분포나 대서양의 특정 온도 패턴을 주목하고 있었습니다. 이는 기존 기후학계에서 밝혀낸 물리적 메커니즘과 일치하는 결과로, 인공지능이 엉뚱한 정보가 아닌 과학적 근거에 기반하여 결과를 도출하고 있음을 시사합니다. 이러한 설명 가능한 인공지능 기술은 블랙박스로 불리던 딥러닝 모델의 신뢰성을 높이는 핵심적인 역할을 수행합니다. 인공지능 기술은 이제 엘니뇨의 발생 여부를 넘어, 발생 위치에 따른 다양한 유형의 엘니뇨를 구분하는 단계까지 발전했습니다. 중태평양 엘니뇨와 동태평양 엘니뇨는 육지에 미치는 영향이 서로 다르기에 이를 정확히 구분하는 것은 매우 중요합니다. 앞으로 딥러닝 기법은 태풍의 강도 변화, 극한 강수, 장마 패턴 등 더욱 다양한 기후 현상을 예측하는 데 폭넓게 적용될 전망입니다. 인공지능은 기후학자의 자리를 대체하는 것이 아니라, 복잡한 지구 시스템을 이해하고 미래의 불확실성에 대비하는 강력한 도구로서 인류의 생존과 번영에 기여하는 동반자가 될 것입니다.

함유근

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[연구뭐하지?] 안진호 교수 _서울대학교 '빙하고기후 연구실' | 남극 4000m 아래를 뚫는 이유

남극과 그린란드의 빙하는 지구의 과거 기후를 고스란히 간직한 타임캡슐과 같습니다. 빙하고기후연구실에서는 수천 미터 깊이의 빙하 코어를 시추하여 그 속에 갇힌 과거의 공기를 분석함으로써 당시의 대기 조성과 온도를 복원합니다. 산업혁명 이후 지구 온도는 약 1도 상승했으며, 이러한 변화가 자연적인 변동과 어떻게 다른지 이해하는 것은 미래 기후 변화를 예측하고 대응 정책을 수립하는 데 필수적인 기초 자료가 됩니다. 특히 UN 산하 IPCC 보고서 집필에 참여하며 과학적 근거를 바탕으로 인류의 미래를 위한 정책적 실천을 이끌어내고 있습니다. 빙하 시추를 통해 얻은 거대한 얼음 기둥인 빙하 코어는 단순한 얼음 덩어리가 아닙니다. 이 안에는 수만 년 전의 공기가 보존되어 있어, 당시의 대기 화학 조성과 온실가스 농도에 대한 정밀한 정보를 제공합니다. 이러한 데이터를 분석하면 과거 기후 시스템의 작동 원리를 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 진행 중인 빙하의 융해 속도와 그에 따른 해수면 상승 문제를 깊이 있게 이해할 수 있습니다. 이는 해안 도시의 안전과 직결되는 매우 중요한 연구 분야라고 할 수 있습니다. 연구의 지평은 빙하를 넘어 시베리아와 알래스카의 영구 동토층으로까지 확장됩니다. 기온 상승으로 영구 동토층이 융해되며 그 속에 갇혀 있던 유기물이 이산화탄소와 메탄 같은 온실가스로 배출되고 있는데, 이를 정밀하게 측정하여 기후 변화의 가속화 정도를 파악합니다. 또한 탄소, 질소, 산소의 동위원소비를 분석함으로써 온실가스가 화석 연료에서 기인한 것인지, 혹은 해양이나 육상에서 발생한 것인지 그 기원을 추적하여 국가별 배출량 파악과 감축 전략 수립에 기여하고 있습니다. 서울대학교 빙하고기후연구실은 해양, 지질, 대기 등 지구환경과학의 전 분야를 아우르는 융합적인 연구 환경을 제공합니다. 소수 정예로 운영되는 연구실 특성상 교수님과 학생 간의 긴밀한 소통과 피드백이 활발하게 이루어지며, 구성원들 사이의 학구적인 유대감도 매우 끈끈합니다. 특히 지질학 등 인접 학문 배경을 가진 학생들도 선배들의 세심한 지도를 통해 낯선 연구 환경에 빠르게 적응할 수 있도록 돕는 따뜻한 분위기를 갖추고 있습니다. 기후 연구는 때로 남극과 같은 극한의 현장에서 이루어지기에 연구자에게는 대담한 도전 정신이 요구됩니다. 낯설고 위험한 환경에서도 침착하게 대처할 수 있는 용기와 더불어, 실험 결과가 뜻대로 나오지 않을 때의 스트레스를 견뎌낼 수 있는 인내심이 필요합니다. 무엇보다 자연 현상에 대한 깊은 호기심이 가장 중요한 자질이며, 이를 과학적으로 증명해내기 위한 물리, 화학, 수학, 생물학적 기초 지식을 갖추어야 합니다. 이러한 열정을 가진 연구자들이 모여 지구의 미래를 밝히는 소중한 연구를 이어가고 있습니다.

안진호

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

[카오스 술술과학] 에너지와 엔트로피, 안정과 자유

자연의 변화를 이끄는 두 기둥은 에너지와 엔트로피입니다. 에너지는 낮은 곳으로 흐르며 안정을 추구하고, 엔트로피는 무질서한 방향으로 증가하며 자유를 갈망합니다. 이는 마치 인간 사회에서 보수와 진보, 혹은 결혼을 통한 안정과 개인의 자유 사이의 갈등과도 닮아 있습니다. 자연은 이 상충하는 두 가치를 동시에 고려하며 변화의 방향을 결정합니다. 안정과 자유가 동시에 늘어나는 변화는 필연적으로 일어나지만, 두 가치가 충돌할 때는 정교한 타협점이 필요하게 됩니다. 안정과 자유 사이의 타협을 결정하는 결정적인 요인은 바로 온도입니다. 얼음이 물이 되고 다시 수증기가 되는 과정은 에너지를 얻어 불안정해지지만, 대신 분자 운동의 자유를 얻는 과정입니다. 낮은 온도에서는 에너지가 낮은 안정된 상태가 유리하지만, 온도가 높아질수록 엔트로피가 주는 자유의 가중치가 커집니다. 결국 온도는 자연이 어느 쪽의 손을 들어줄지 결정하는 저울의 눈금과 같은 역할을 수행하며, 물질의 상태 변화를 이끄는 보이지 않는 지휘자가 됩니다. 과학자 윌라드 깁스는 에너지와 엔트로피를 통합하여 변화의 자발성을 예측하는 '깁스 자유 에너지' 개념을 정립했습니다. 이는 계가 가진 전체 에너지에서 엔트로피로 인해 손실되는 에너지를 제외하고, 실제로 유용하게 쓸 수 있는 에너지를 의미합니다. 깁스 자유 에너지 변화량이 음수일 때 반응은 비로소 자발적으로 일어납니다. 이 공식은 복잡한 자연 현상을 수치화하여 예측 가능하게 만들었으며, 화학 반응뿐만 아니라 생명 현상의 근본 원리를 이해하는 데에도 핵심적인 도구가 되었습니다. 열역학 법칙은 우주 전체의 운명을 예언합니다. 에너지는 보존되지만 엔트로피는 끊임없이 증가하며, 온도는 결국 절대 영도를 향해 수렴합니다. 팽창하는 우주 속에서 에너지 밀도는 낮아지고 모든 물질은 해체되어 결국 '열적 죽음'이라는 정지 상태에 이르게 됩니다. 산업혁명기의 작은 열기관 연구에서 시작된 이 원리들이 거대한 우주의 탄생과 종말을 설명한다는 사실은 경이롭습니다. 우주는 질서에서 무질서로, 뜨거움에서 차가움으로 흐르며 자신의 마지막을 향해 나아갑니다. 생명체는 외부에서 낮은 엔트로피를 섭취함으로써 국소적인 질서를 유지하며 살아갑니다. 하지만 생명의 모든 활동은 필연적으로 열 손실을 동반하며 우주 전체의 무질서를 가속화합니다. 정보를 저장하고 처리하는 과정에서도 에너지는 열로 소산되며, 이러한 비가역적인 과정이 모여 우리가 느끼는 시간의 흐름과 인과관계를 만들어냅니다. 미시적인 무작위 운동이 거시적인 인과 법칙으로 변모하는 과정 속에서, 에너지와 엔트로피는 시간이라는 환상을 실체화하는 근원적인 힘으로 작용하게 됩니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[석학인터뷰] 이필진_ 다중우주요? 우리가 생각하는 다중우주는 그게 아니에요 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

초끈 이론은 아인슈타인이 꿈꿨던 모든 근본적인 힘을 하나의 체계로 통합하려는 시도에서 탄생했습니다. 이는 단순한 이론을 넘어 새로운 물리 법칙들을 담아낼 수 있는 거대한 패러다임으로 평가받습니다. 현대 물리학이 직면한 가장 큰 과제인 중력과 양자역학의 결합을 가능하게 한다는 점에서 이 이론은 여전히 과학계의 핵심적인 연구 대상으로 남아 있습니다. 우주의 근본 원리를 이해하려는 인류의 노력이 집약된 이 체계는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 대중 매체에서 묘사하는 다중우주와 달리, 물리학자들이 말하는 다중우주는 광활한 바다에 흩어져 있는 고립된 섬 우주들과 같습니다. 우리 우주는 그 수많은 섬 우주 중 하나에 불과하며, 각 섬 우주는 서로 너무 멀리 떨어져 있어 일반 상대성 이론에 따르면 어떠한 교류도 불가능합니다. 심지어 다른 섬 우주에는 우리와 전혀 다른 물리 법칙이 적용될 수도 있습니다. 비록 우리가 관측하거나 도달할 수는 없지만, 이러한 다중우주는 우주의 전체적인 구조를 이해하려는 현대 물리학의 중요한 흐름 중 하나로 자리 잡고 있습니다. 우주의 탄생 초기에는 미세한 밀도 요동이 존재했습니다. 이러한 양자 요동은 중력의 작용을 통해 시간이 흐르며 거대한 변화를 일으켰습니다. 중력은 물질이 많은 곳으로 더 많은 물질을 끌어당기는 성질이 있어, 밀도가 높은 곳은 점점 더 무거워지고 낮은 곳은 빈 공간이 되었습니다. 이러한 과정을 거쳐 은하와 별, 행성이 형성되었으며 결국 우리와 같은 생명체가 존재할 수 있는 환경이 만들어졌습니다. 즉, 우리 존재의 근원은 우주 초기의 아주 작은 양자 요동에 맞닿아 있습니다. 만약 우주 초기에 이러한 밀도 요동이 없었다면, 빅뱅 이후 137억 년이라는 시간은 은하가 만들어지기에 턱없이 부족했을 것입니다. 양자 요동이 없었다면 우주는 아무것도 없는 텅 빈 상태로 남았을지도 모릅니다. 다행히도 지난 40여 년간의 이론 물리학 연구와 정밀한 관측 결과는 이러한 가설들이 실제 우주의 모습과 매우 잘 일치함을 보여주고 있습니다. 중력과 양자역학이 우주 형성 과정에서 수행한 역할에 대한 새로운 이해는 인류에게 우주를 바라보는 완전히 새로운 시각을 제공했습니다. 일반 상대성 이론은 발표 이후 수많은 검증을 거치며 그 정당성을 입증해 왔지만, 양자역학과의 결합이라는 근원적인 미제는 여전히 남아 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 지난 수십 년 동안 일반 상대성 이론을 어떻게 수정하고 보완해야 하는지에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 이번 논의를 통해 우리는 현대 물리학의 기초가 되는 이론들이 어떻게 발전해 왔는지, 그리고 우주의 비밀을 풀기 위해 과학자들이 어떤 질문을 던지고 있는지 깊이 있게 살펴보고자 합니다.

이필진

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (3) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ③

생체 시계의 핵심인 피리어드 단백질은 인산화라는 과정을 통해 분해됩니다. 이 과정은 마치 고속도로와 정체된 도로처럼 두 가지 경로로 나뉘는데, 어느 위치에 인산화가 일어나는지에 따라 단백질의 운명이 결정됩니다. 특정 위치에 인산화가 되면 단백질 구조가 급격히 변하며 즉각 분해되는 '시한폭탄' 같은 역할을 하고, 다른 위치에서는 완만한 변화를 거쳐 천천히 분해됩니다. 이러한 인산화 스위치 모델은 생체 시계가 일정한 주기를 유지하는 근본적인 원리를 설명해 줍니다. 복잡한 미분 방정식을 통해 구현된 이 모델은 실제 실험 데이터에서 나타나는 독특한 계단 모양의 곡선을 완벽하게 재현해냈습니다. 특히 온도가 변해도 생체 시계의 주기가 일정하게 유지되는 '온도 보상' 원리를 수학적으로 밝혀낸 점이 주목할 만합니다. 온도가 낮아지면 화학 반응이 느려지지만, 인산화 스위치가 분해 경로의 비율을 조절하여 전체적인 속도를 유지하는 것입니다. 이는 지난 60년간 생명과학계의 미스터리였던 현상을 수학적 통찰로 풀어낸 쾌거라 할 수 있습니다. 우리의 생체 시계는 외부의 빛 정보와 긴밀하게 연결되어 끊임없이 동기화됩니다. 해외여행 시 겪는 시차 적응 문제는 한국 시간에 맞춰진 내부 시계와 현지의 외부 빛 정보가 충돌하며 발생합니다. 보통 하루에 한 시간 정도만 스스로 조절되기에 완전한 적응에는 긴 시간이 필요하지만, 수학적 모델링을 활용하면 최적의 빛 노출 시간을 계산해 적응 속도를 높일 수 있습니다. 빛은 단순한 조명이 아니라 우리 몸의 시계 장치를 조절하는 가장 강력한 외부 신호로 작용하기 때문입니다. 생체 시계의 불균형은 단순한 피로를 넘어 암, 당뇨, 우울증 등 심각한 질병의 원인이 되기도 합니다. 특히 교대 근무자나 노화로 인해 시계 기능이 약해진 경우 이러한 위험에 더 노출됩니다. 이를 해결하기 위해 특정 시간에 약물을 투여하여 시계를 조절하는 '시간 요법(크로노테라피)' 연구가 활발히 진행 중입니다. 항암제나 예방 접종조차 투여 시간에 따라 효과가 수배 이상 차이 날 수 있다는 사실은, 우리 몸이 24시간 내내 동일한 상태가 아님을 시사하며 시간 중심 치료의 중요성을 강조합니다. 신약 개발 과정에서 수학자와 물리학자, 의학자가 협력하는 '어벤져스' 팀의 역할은 매우 중요합니다. 생체 시계를 타깃으로 하는 약물은 투여 시점에 따라 효과가 극명하게 달라지며, 때로는 외부의 빛 정보와 약물이 서로 충돌하며 복잡한 반응을 보이기도 합니다. 실험 쥐를 대상으로 한 연구에서 빛이 약물의 효과를 상쇄하려는 현상이 관찰된 것처럼, 생체 시스템은 매우 정교한 항상성을 유지하려 노력합니다. 이러한 복잡한 상호작용을 이해하는 것이 미래 정밀 의료의 핵심이 될 것입니다.

김재경

카오스재단카오스강연

생명과학
수학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (1) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ①

기후 변화는 흔히 아주 천천히 진행되는 현상으로 여겨지지만, 과학계에서는 지구가 어느 순간 급격하게 변할 수 있다는 '티핑 포인트' 개념에 주목하고 있습니다. 영화 '설국열차'나 '인터스텔라'에서 묘사된 낯선 지구의 모습은 단순한 상상력이 아니라, 우리가 마주할 수 있는 현실적인 미래일지도 모릅니다. 이러한 급격한 변화는 인류에게 거대한 위협이 될 수 있지만, 그 이면에는 흥미로운 과학적 원리들이 숨어 있습니다. 우리는 극한의 환경 변화 가능성을 충분히 이해하고 연구함으로써, 다가올 미래를 대비할 소중한 시간을 벌 수 있습니다. 최근 100여 년간의 기상 관측 기록을 살펴보면 지구의 온도는 꾸준히, 그리고 최근 들어서는 매우 급격하게 상승하고 있습니다. 특히 2016년은 관측 역사상 가장 뜨거웠던 해로 기록되었으며, 상위 기록 대부분이 21세기에 집중되어 있다는 사실은 온난화의 심각성을 여실히 보여줍니다. 엘니뇨와 같은 자연적인 기후 변동이 온난화 추세와 결합하면서 특정 시기에는 온도가 정체되는 것처럼 보이기도 하지만, 전체적인 흐름은 명확합니다. 산업혁명 이후 인간 활동에 의한 온실가스 배출은 이제 부인할 수 없는 기후 변화의 핵심 원인이 되었습니다. 지구 온난화의 가장 가시적인 증거는 전 세계 곳곳에서 빙하가 사라지고 있다는 점입니다. 과거 1900년대 초반과 현재의 사진을 비교해 보면, 거대한 빙하가 있던 자리가 호수로 변하거나 메마른 산등성이가 드러난 모습을 쉽게 발견할 수 있습니다. 이러한 빙하의 소멸은 단순히 경관의 변화에 그치지 않고 해수면 상승이라는 직접적인 위협으로 이어집니다. 지난 100년 동안 전 지구 평균 해수면은 약 20cm 상승했으며, 최근에는 그 속도가 더욱 빨라지고 있습니다. 이는 해안가 저지대 국가들에게는 생존이 걸린 기후 난민 문제로 직결되고 있습니다. 해수면 상승의 원인은 크게 두 가지로, 육지 빙하의 유입과 바닷물의 열팽창입니다. 지구 해양의 평균 깊이가 약 4,000m에 달하기 때문에, 해수 온도가 올라가 물이 아주 미세하게만 팽창해도 전체 해수면은 수십 미터 이상 상승할 수 있는 잠재력을 가집니다. 특히 남극과 그린란드의 거대한 육지 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 최대 120m까지 높아질 수 있다는 계산이 나옵니다. 반면 북극의 해빙은 이미 바다에 떠 있는 상태라 녹더라도 수위에 직접적인 영향을 주지 않는데, 이는 기후 시스템의 복잡하고도 정교한 원리를 잘 보여주는 사례입니다. 온난화는 단순히 평균 기온을 높이는 것에 그치지 않고, 기후의 변동성을 키워 이상 기후의 빈도와 강도를 강화합니다. 지구가 진자 운동을 한다고 가정할 때, 평균 온도의 상승은 진자의 축이 이동하는 것이며 변동성의 확대는 진폭이 커지는 것과 같습니다. 이로 인해 과거에는 드물었던 극심한 폭염, 가뭄, 산불과 같은 극한 현상들이 이제는 일상적인 위협이 되고 있습니다. 인간 활동이 이러한 재난을 직접적으로 창조하는 것은 아니지만, 발생 가능성을 현저히 높이고 있다는 점에서 우리는 기후 변화에 대한 경각심을 늦추지 말아야 합니다.

국종성

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 왜 지구인가? (2) _ 이강근, 이상묵 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 1강 | 1강 ②

지구 내부는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 뜨겁고 거대한 에너지를 품고 있습니다. 수만 개의 관측 자료를 통해 분석한 결과, 지구 중심부의 온도는 섭씨 5,000도에서 6,000도에 달하며 여기서 방출되는 열류량은 무려 44~47테라와트에 이릅니다. 지구가 보유한 전체 내부 에너지는 인류가 수백만 년 동안 사용할 수 있는 양보다 훨씬 많으며, 현재의 냉각 속도로는 70억 년이 지나도 완전히 식지 않을 것으로 보입니다. 이러한 막대한 에너지는 지진이나 화산 활동의 근원이 되지만, 지구 전체가 가진 에너지 규모에 비하면 거대한 지진조차 아주 작은 일부에 불과할 정도로 압도적입니다. 지구의 겉을 감싸고 있는 암석은 열전도도가 매우 낮아 내부의 열이 밖으로 쉽게 빠져나가지 못하게 막아주는 역할을 합니다. 이로 인해 지구 내부에서는 열을 분산시키기 위한 거대한 대류 현상이 일어나며, 그 위에 떠 있는 판들이 서로 부딪히고 이동하게 됩니다. 이러한 역동적인 움직임은 에베레스트나 알프스와 같은 거대한 산맥을 형성하고, 하와이나 제주도 같은 화산섬을 만들어내는 원동력이 됩니다. 비록 일 년에 몇 센티미터라는 느린 속도로 움직이지만, 수천만 년의 시간이 흐르면 대륙의 위치를 수천 킬로미터나 이동시킬 만큼 강력한 힘을 발휘하며 지구의 지형을 바꿉니다. 화산 활동은 인류에게 큰 위협이 되기도 하는데, 2010년 아이슬란드 화산 폭발은 유럽 전역의 항공 대란을 일으키며 그 위력을 실감케 했습니다. 특히 일본의 온타케 화산 사례처럼 철저한 모니터링 속에서도 예기치 못한 폭발이 발생해 인명 피해를 주기도 합니다. 우리에게는 백두산의 분화 가능성이 중요한 화두이며, 과거 946년경의 대분화는 인류를 위협할 수준인 슈퍼볼케이노에 근접한 규모였습니다. 2011년 동일본 대지진 당시 1,100km 떨어진 제주도의 지하수 수위가 2m나 출렁였던 사실은 지구 내부의 에너지가 얼마나 광범위하고 강력하게 연결되어 있는지를 잘 보여주는 사례입니다. 현재 인류는 지질학적 재해뿐만 아니라 기후 변화와 자원 고갈이라는 더 큰 위기에 직면해 있습니다. 인구 급증으로 인해 에너지와 식량, 물의 수요가 폭발적으로 늘어났고, 이는 온실가스 배출과 지하수 고갈로 이어지고 있습니다. 전 세계 68개의 지구 모델을 통한 시뮬레이션 결과, 각국이 탄소 감축 약속을 이행하더라도 지구 온도는 산업화 이전보다 상승할 것으로 예측됩니다. 특히 지구 온도가 2도 이상 상승하면 시베리아 동토의 메탄 방출과 남극 빙하 해빙 등 우리가 제어할 수 없는 연쇄적인 위기가 닥칠 수 있다는 경고가 이어지고 있어 마지노선을 지키기 위한 노력이 절실합니다. 지구상의 물 부족 현상은 이미 심각한 수준으로, 인도와 캘리포니아, 중국 등지에서는 지하수 수위가 급격히 낮아지고 있습니다. 이러한 문제는 특정 국가의 노력만으로는 해결할 수 없는데, 기후 변화와 자원 문제는 국경이 없는 전 지구적인 사안이기 때문입니다. 예를 들어 특정 지역의 농업 용수 부족은 전 세계적인 식량 파동으로 이어질 수 있으며, 이는 곧 인류 전체의 생존 문제와 직결됩니다. 결국 우리는 지구 내부의 역동적인 변화를 이해하는 것을 넘어, 인류가 직면한 환경적 한계를 극복하기 위해 글로벌 리더십을 발휘하고 공동의 대응책을 마련해야 하는 중요한 시점에 서 있습니다.

이강근, 이상묵

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 바다의 비밀 - 심해탐사 (1) _ 김웅서 한국해양과학기술원 책임연구원 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 8강 | 8강 ①

바다는 인류에게 언제나 경외와 호기심의 대상이었습니다. 특히 수심 깊은 곳의 심해는 오랫동안 미지의 영역으로 남아 있었으며, 많은 이들에게 무한한 상상력의 원천이 되었습니다. 어린 시절 읽었던 과학 소설이나 바닷가에서 우연히 마주친 야광충의 신비로운 빛은 과학자들에게 탐구의 길을 열어주는 중요한 계기가 되기도 합니다. 1mm 남짓한 작은 생물이 자극을 받아 내뿜는 푸른 빛은 단순한 자연 현상을 넘어, 거대한 바다 세계로 향하는 비밀의 문을 여는 첫 번째 열쇠와 같습니다. 과거 사람들은 바다 끝에 거대한 폭포가 있어 배가 추락할 것이라 믿거나, 심해에 크라켄과 같은 거대 괴물이 살고 있다고 상상하며 두려워했습니다. 이러한 공포는 바다에 대한 지식이 부족했던 시절의 산물이지만, 현대 과학의 눈으로 보면 그 상상력 속에 일말의 진실이 숨어 있음을 알 수 있습니다. 과학자들은 때로 소설 속의 오류를 찾아내는 직업병을 발휘하기도 하지만, 동시에 수백 년 전의 기록이 현대 해양 과학의 발견과 놀라울 정도로 일치한다는 사실에 경탄하며 연구를 이어가고 있습니다. 심해 탐사의 상징과도 같은 잠수함 '노틸러스호'의 이름은 살아 있는 화석이라 불리는 앵무조개에서 유래되었습니다. 앵무조개는 몸속의 격벽에 공기를 채워 부력을 조절하는 독특한 원리를 가지고 있는데, 이는 오늘날 현대 잠수함이 수심을 조절하는 방식과 동일합니다. 자연에서 배운 지혜가 공학적 설계로 이어진 대표적인 사례입니다. 이처럼 심해는 단순히 깊은 물속이 아니라, 생명체가 가혹한 환경에 적응하기 위해 진화시켜 온 정교한 생존 전략과 과학적 원리가 집약된 거대한 실험실과 같습니다. 심해의 거대 생물 중 하나인 대왕오징어는 오랫동안 전설 속의 존재로만 여겨졌습니다. 죽어서 해안가로 밀려온 사체만 발견되던 이 신비로운 생물은 2006년에 이르러서야 비로소 살아 있는 모습이 카메라에 포착되었습니다. 몸길이가 최대 20m에 달하고 농구공보다 큰 눈을 가진 대왕오징어의 실체는 인간의 상상력이 결코 과장이 아니었음을 증명했습니다. 빛이 거의 들지 않는 어두운 심해에서 생존하기 위해 거대한 눈을 갖게 된 이들의 모습은 심해라는 환경이 생명체에게 어떤 변화를 요구하는지를 잘 보여줍니다. 과학적으로 심해는 대륙붕의 한계인 수심 200m보다 깊은 곳을 의미하며, 이는 전체 바다의 약 90%를 차지합니다. 바닷속으로 깊이 들어갈수록 햇빛의 파장에 따라 붉은색부터 차례로 흡수되고, 가장 멀리 도달하는 푸른색만이 남아 온 세상을 파랗게 물들입니다. 수심 1,000m를 넘어서면 완전한 암흑의 세계가 펼쳐지는데, 이곳은 냉장고 속보다 춥고 엄청난 수압이 지배하는 공간입니다. 이러한 극한 환경 속에서도 생명체들은 스스로 빛을 내거나 퇴화된 감각을 대신할 새로운 능력을 갖추며 자신들만의 생태계를 구축하고 있습니다.

김웅서

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 지구 내부 비정질 마그마의 숨겨진 질서 _ 이성근 교수| 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (3) | 2강

비정질 물질은 결정질과 달리 원자 배열에 반복되는 규칙이 없는 상태를 의미합니다. 우리가 흔히 보는 수정과 같은 결정질은 정교한 격자 구조를 가지지만, 비정질은 정보가 희석된 듯한 넓은 피크를 보여주어 그 구조를 파악하기가 매우 어렵습니다. 이러한 무질서함 때문에 비정질의 원자 구조를 규명하는 일은 현대 과학의 거대한 난제로 꼽혀왔습니다. 하지만 이 무질서해 보이는 상태 속에서도 원자들은 특정한 에너지 상태를 유지하며 존재하며, 그들만의 독특한 체계를 형성하고 있습니다. 원자 간의 상호작용은 에너지 준위로 나타나며, 이는 물질의 물리적 성질을 결정하는 가장 근본적인 요소가 됩니다. 입자들이 서로 가까워지거나 멀어짐에 따라 에너지가 변하고, 특정 조건에서 가장 안정적인 상태를 찾아가는 과정은 마치 복잡한 인간관계의 역동성과도 닮아 있습니다. 연구자들은 광자와 전자의 상호작용을 정밀하게 측정하여 이러한 미세한 에너지 변화를 분석합니다. 이를 통해 눈에 보이지 않는 원자 단위의 구조를 파악하고 물질이 가진 본질적인 특성을 이해하려는 노력을 지속하고 있습니다. 지구 형성 초기에는 표면 전체가 녹아 있는 거대한 마그마 바다가 존재했으며, 이는 현재의 지각과 맨틀, 핵으로 층상화되는 중요한 과정을 거쳤습니다. 지하 깊은 곳으로 내려갈수록 압력은 기하급수적으로 증가하며, 이러한 극한의 환경은 마그마의 성질을 근본적으로 변화시킵니다. 수백만 기압에 달하는 압력 아래에서 마그마를 구성하는 원자들은 지표면과는 전혀 다른 새로운 배열을 형성하게 됩니다. 이러한 미시적 변화는 결국 지구 전체의 밀도 분포와 행성의 진화라는 거시적인 결과로 이어지는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 모든 물질은 주어진 온도와 압력 조건에서 가장 안정적인 상태를 선택하며 자신의 형태를 바꿉니다. 우리가 일상에서 경험하는 물이 기압에 따라 끓는점이 변하는 것처럼, 지구 내부의 광물들도 깊이에 따라 원자 주변의 산소 개수가 변하는 배위수 변화를 겪게 됩니다. 예를 들어 규소 주변의 산소가 4개에서 6개로 늘어나는 현상은 고압 환경에서 살아남기 위한 물질의 본질적인 변신이라 할 수 있습니다. 이러한 상전이 과정은 지구 내부의 역동적인 변화를 이해하는 데 있어 매우 중요한 학술적 토대를 제공합니다. 비정질 마그마의 점성도는 압력이 높아짐에 따라 단순히 증가하거나 감소하지 않고 매우 복잡한 비선형적 양상을 보입니다. 이러한 이상 현상을 명확히 이해하기 위해서는 마그마의 원자 구조를 직접 관찰해야 하지만, 고압 환경에서 비정질 상태를 유지하며 데이터를 얻는 것은 기술적으로 매우 까다로운 작업입니다. 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)과 같은 첨단 장비를 활용해 극한의 압력을 가하면서 빛의 산란이나 흡수를 측정하는 방식은 이 난제를 해결하는 중요한 도구가 됩니다. 이를 통해 우리는 베일에 싸인 지구 내부의 유체 거동을 파악할 수 있습니다. 다성분계로 이루어진 복잡한 마그마 연구에서 발견된 가장 놀라운 성과는 바로 '보편적 규칙'의 발견입니다. 압력이 증가함에 따라 마그마 내의 비가교 산소(NBO) 농도가 화학적 조성에 상관없이 일정한 곡선을 그리며 감소한다는 사실이 실험을 통해 증명되었습니다. 무질서하고 복잡해 보이던 비정질 마그마의 세계 속에도 압력이라는 외부 변수에 일정하게 반응하는 정교한 질서가 숨어 있었던 것입니다. 연구자들은 이 발견에 '찬란한 질서'라는 이름을 붙여 자연이 가진 조화로움과 과학적 발견의 기쁨을 동시에 표현하고자 했습니다. 원자 단위에서 발견한 이러한 작은 규칙들은 지구 맨틀의 규소 결핍 문제나 거대 마그마 저장소의 존재를 설명하는 강력한 과학적 근거가 됩니다. 미시적인 입자들의 정보가 하나둘 모여 행성 규모의 진화 과정을 이해하는 거대한 지도가 완성되는 셈입니다. 결국 지구라는 거대한 시스템의 근원을 이해하는 길은 가장 작은 원자들의 움직임과 그들이 맺고 있는 상호작용을 세밀하게 관찰하는 것에서 시작됩니다. 이러한 연구는 우리가 발을 딛고 있는 이 땅의 과거와 미래를 연결하는 소중한 학문적 자산이 될 것이며 과학적 탐구의 본질을 보여줍니다.

이성근

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학