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[댓글이벤트] 😣멸종의 위기는 어디까지 갈 것인가?🔥온난화를 알기 위한 지구순환 이해하기! | 선을 넘는 과학자들

최근 몇 년간 지구의 기후 변화는 점점 더 뚜렷하게 드러나고 있습니다. 산업화 이전과 비교해 지구 평균 기온이 1.5도 상승한 해가 기록되었으며, 이는 세계기상기구와 주요 기후 연구 기관의 자료를 통해 확인되었습니다. 이러한 온도 상승은 단순한 일시적 현상이 아니라, 장기적인 지구 온난화 추세의 일부로 받아들여지고 있습니다. 특히 북극의 온도 상승이 중위도 지역의 기상 패턴에 영향을 미치면서, 우리나라를 포함한 여러 지역에서 이상 기후 현상이 빈번하게 나타나고 있습니다. 기후 변화의 과학적 근거를 마련하기 위해 전 세계 과학자들은 IPCC 보고서를 작성하고 있습니다. 이 보고서는 전 지구적 순환과 기후 변화의 양상을 종합적으로 분석한 결과물로, 우리나라를 비롯한 다양한 국가의 과학자들이 참여하고 있습니다. 기후 모델의 핵심은 모델의 발전에 있습니다. 초기에는 대기와 해양만을 포함한 GCM이 사용되었으나, 현재는 빙권, 생물권, 암석권 등 다양한 요소를 통합한 지구시스템모델(ESM)로 발전하였습니다. 이를 통해 기후 변화의 복잡한 상호작용을 보다 정밀하게 예측할 수 있게 되었습니다. 기후 모델의 발전은 노벨 물리학상 수상자들의 연구를 통해 크게 진전되었습니다. 슈쿠로 마나베 교수와 클라우스 하셀만 교수는 대기와 해양의 상호작용, 그리고 온실가스의 역할을 규명하여 기후 모델의 토대를 마련했습니다. 특히 이산화탄소와 같은 온실가스가 대기 중에 증가할 때 지표면과 대류권의 온도가 어떻게 변화하는지, 그리고 대류가 기후 시스템에 미치는 영향을 과학적으로 설명하였습니다. 이러한 연구는 기후 변화가 단순한 자연 변동이 아니라 인위적 요인에 의해 가속화되고 있음을 보여줍니다. 기후 변화는 생태계에도 심각한 영향을 미치고 있습니다. 최근 조사에 따르면 해양 생물의 대규모 폐사와 멸종 위기가 전 세계적으로 증가하고 있습니다. 또한 극한 기후 현상, 예를 들어 폭염과 산불의 빈도와 강도가 높아지고 있습니다. 온도가 상승하면 토양의 수분이 빠르게 증발하여 땅이 건조해지고, 이로 인해 산불이 발생하면 진화가 어려워지는 환경이 조성됩니다. 이러한 변화는 식량 생산에도 영향을 미쳐, 미래에는 옥수수와 쌀 등 주요 작물의 생산량이 크게 감소할 것으로 예측되고 있습니다. 기후 과학은 예측과 모델링을 통해 미래의 변화를 전망하고 있습니다. 온실가스 배출 시나리오에 따라 2100년까지의 기후 변화를 예측하는데, 각국의 정책과 사회적 노력이 반영된 SSP 시나리오가 활용되고 있습니다. 탄소중립 시나리오인 119 시나리오를 적용할 경우 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있지만, 이를 위해서는 사회 전체의 구조적 변화와 에너지 전환이 필수적입니다. 이러한 예측은 슈퍼컴퓨터와 같은 첨단 기술의 도움으로 더욱 정밀하게 이루어지고 있습니다.

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[강연] 수치해석학, 근사와 과학계산의 예술 1_by 홍영준 / 2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 시즌2 5강 첫 번째 이야기 | 5강 ①

수치해석학은 현실의 복잡한 문제를 해결하기 위해 정확한 해 대신 근사해를 구하는 학문입니다. 우리가 흔히 수학이라고 하면 단 하나의 정답만을 떠올리기 쉽지만, 실제 세상의 문제들은 너무나 방대하고 복잡하여 수식만으로 완벽한 답을 내기 어려운 경우가 많습니다. 이때 수치해석학은 우리가 허용할 수 있는 오차 범위 내에서 가장 정답에 가까운 값을 찾아내는 길잡이 역할을 합니다. 단순히 값을 구하는 것에 그치지 않고, 그 근삿값이 실젯값과 얼마나 차이가 나는지 엄밀하게 분석하는 과정까지 포함하는 것이 이 학문의 본질입니다. 무리수인 루트 2를 예로 들면, 이는 소수점 아래로 무한히 이어지는 숫자입니다. 이를 이해하기 위해 수치해석에서는 점화식과 같은 알고리즘을 활용합니다. 특정 수식에 초기값을 대입하고 그 결과를 다시 대입하는 과정을 반복하면, 결괏값은 점차 루트 2의 실젯값에 무한히 가까워집니다. 이러한 반복적인 계산 과정은 수치해석의 가장 기초적이면서도 핵심적인 원리입니다. 현대에는 이러한 방대한 반복 계산을 컴퓨터가 대신 수행함으로써 과거에는 상상할 수 없었던 정밀한 수치 계산이 가능해졌으며, 이는 모든 공학적 설계의 기초가 됩니다. 수치해석학의 응용 분야는 우리 실생활과 밀접하게 맞닿아 있습니다. 포탄의 궤적을 계산하거나 인공위성을 쏘아 올릴 때, 혹은 심장의 혈류 흐름을 분석할 때도 수치해석적 기법이 필수적으로 사용됩니다. 특히 분야에 따라 허용되는 오차의 범위가 다르다는 점이 흥미롭습니다. 포탄의 경우 수십 센티미터의 오차가 큰 문제가 되지 않을 수 있지만, 의료 분야나 정밀 공학에서는 아주 미세한 오차도 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 수치해석학은 상황에 맞는 정밀도를 확보하기 위해 오차의 크기를 수학적으로 엄격하게 관리하고 예측합니다. 기상 예보의 역사는 수치해석학의 발전 과정을 잘 보여주는 대표적인 사례입니다. 과거 아리스토텔레스 시대에는 구름의 모양을 보고 날씨를 예측하는 패턴 매칭 방식이 주를 이루었습니다. 하지만 19세기 이후 물리 법칙을 담은 방정식이 등장하면서 수치적인 접근이 시작되었습니다. 루이스 리처드슨은 6만 4천 명의 사람이 동시에 계산한다면 날씨를 예측할 수 있을 것이라는 거대한 상상을 하기도 했습니다. 이는 오늘날 슈퍼컴퓨터가 수행하는 복잡한 기상 수치 모델링의 원형이 되었으며, 현대 기상학이 과학적 예측의 영역으로 들어오는 결정적인 계기가 되었습니다. 현대 기상 예보의 핵심인 슈퍼컴퓨터는 폰 노이만의 에니악 등장 이후 비약적으로 발전했습니다. 우리나라도 독자적인 기상 예측 모델인 '한국형 수치예보모델(KIM)'을 개발하여 한국 지형의 특성에 최적화된 예보를 수행하고 있습니다. 기상 모델링은 자연계의 복잡한 현상을 수많은 변수로 표현해야 하기에 매우 난도가 높습니다. 관측 데이터의 오차와 모델 자체의 한계를 극복하며 정확도를 높여가는 과정은 수치해석학이 직면한 거대한 도전이자 성과입니다. 이는 단순한 계산을 넘어 국가적 기술력의 상징이자 재난 대비를 위한 필수적인 과학적 자산이라 할 수 있습니다. 구체적인 기법으로는 뉴턴-랩슨 방법과 수치 적분이 대표적입니다. 뉴턴-랩슨 방법은 비선형 방정식의 해를 찾기 위해 접선을 이용해 정답에 빠르게 접근하는 방식입니다. 반복할수록 오차가 제곱 단위로 줄어드는 놀라운 수렴 속도를 자랑합니다. 또한, 복잡한 곡선의 면적을 구하는 적분 역시 사다리꼴 공식이나 가우스-르장드르 구적법을 통해 효율적으로 계산할 수 있습니다. 이러한 기법들은 무한한 연속의 세계를 컴퓨터가 처리할 수 있는 유한한 이산의 세계로 변환하는 핵심 기술이며, 가성비 높은 계산을 가능하게 하여 공학적 효율성을 극복합니다. 마지막으로 오일러 방법은 미분 방정식을 푸는 가장 직관적인 수치 해법입니다. 시간의 흐름에 따른 변화를 작은 단위로 쪼개어 다음 단계의 상태를 예측하는 이 방식은 현대 인공지능의 기계 학습 원리와도 깊은 연관이 있습니다. 수치해석학은 정답이 없는 것이 아니라, 정답을 향해 끊임없이 다가가는 역동적인 학문입니다. 복잡한 현실 세계를 수학이라는 언어로 번역하고, 이를 다시 컴퓨터가 이해할 수 있는 수치로 바꾸는 이 과정은 미래 과학 기술 발전의 든든한 뿌리가 되고 있습니다. 수치해석은 결국 인간의 지혜를 컴퓨터의 연산력으로 치환하는 가교입니다.

홍영준

카오스재단카오스강연

수학

[명강리뷰] 저건 다 뭐지? - 별과 은하의 기원 _ by이석영｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 4강

인류 역사상 가장 오래된 질문은 아마도 밤하늘을 바라보며 던진 "저건 다 뭐지?"일 것입니다. 아주 먼 옛날부터 우리는 머리 위에서 반짝이는 천체들을 보며 경외심과 궁금증을 느껴왔습니다. 과거에는 별들이 대기권 바로 위에 있는 가까운 존재라고 생각하기도 했지만, 이제 우리는 그것들이 상상할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 거대한 항성이라는 사실을 알고 있습니다. 이러한 근원적인 호기심은 단순히 지적 탐구에 그치지 않고, 우주의 존재가 나 자신과 어떤 상관이 있는지에 대한 질문으로 이어지며 인류 문명을 발전시키는 중요한 원동력이 되었습니다. 1990년, 인류는 대기의 방해를 받지 않고 우주를 더 선명하게 관측하기 위해 허블 우주 망원경을 궤도에 올렸습니다. 천문학자들은 아무것도 발견되지 않았던 어두운 우주의 한 구석을 4개월 동안 끈질기게 관측하는 '허블 딥 필드' 프로젝트를 수행했습니다. 초속 8km로 지구를 공전하며 태양빛을 피해 눈을 감았다 뜨기를 반복하는 극한의 조건 속에서도, 망원경은 동일한 지점을 정밀하게 응시했습니다. 무모해 보일 수도 있었던 이 도전은 우주에 대한 우리의 인식을 완전히 뒤바꿔 놓는 놀라운 결과를 가져오는 계기가 되었습니다. 관측 결과, 아무것도 없을 것이라 예상했던 좁은 공간에는 수많은 은하가 가득 차 있었습니다. 특히 이때 발견된 은하들은 약 100억 년 전의 모습을 간직한 '아기 은하'들로, 오늘날의 늠름한 은하들과 달리 작고 찌그러진 형태를 띠고 있었습니다. 이는 우주에 시작이 있었으며, 은하 또한 긴 세월에 걸쳐 성장하고 진화해 왔음을 증명하는 결정적인 증거가 되었습니다. 100억 년이라는 기나긴 시간을 건너온 희미한 빛은 우리에게 우주 초기의 역동적인 탄생 과정을 생생하게 전달해 주었습니다. 하지만 은하가 왜 하필 피자처럼 얇고 넓은 원반 형태를 띠는지에 대해서는 여전히 의문이 남았습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 슈퍼컴퓨터를 활용해 3,000만 시간이라는 방대한 계산 과정을 거쳐 우주 형성 과정을 시뮬레이션했습니다. 복잡한 물리 법칙과 초기 우주 조건을 입력하자, 놀랍게도 우리가 관측한 것과 유사한 나선 은하들이 스스로 만들어지기 시작했습니다. 이는 은하의 독특한 구조가 우연이 아니라, 우주를 지배하는 정교한 물리적 원리에 의해 필연적으로 탄생한 결과임을 과학적으로 입증한 것입니다. 우주는 138억 년이라는 방대한 시간 동안 수많은 별의 탄생과 죽음을 반복하며 생명에 필요한 원소들을 축적해 왔습니다. 1,000억 개의 은하와 그 속의 수많은 별은 결코 낭비된 공간이 아니라, 우리라는 생명체가 존재하기 위해 반드시 필요했던 거대한 패키지와 같습니다. 마치 뻥튀기 기계에서 수만 개의 강냉이가 한꺼번에 쏟아져 나오듯, 이 광활한 우주의 모든 구성 요소는 빅뱅이라는 하나의 시작점에서 동시에 잉태되었습니다. 결국 우리는 우주가 오랜 세월 공들여 빚어낸 가장 귀하고 경이로운 결과물인 셈입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[페스티벌+어스] 우주에서 본 지구 by 폴윤, 전은지 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

NASA는 우주의 신비를 밝히고 외계 생명체의 존재 여부를 확인하며, 궁극적으로 우리 지구를 보호하기 위해 다양한 탐사를 수행합니다. 이러한 활동은 단순히 과학적 호기심을 충족하는 데 그치지 않고, 새로운 기술과 지식을 창출하여 국가의 인적 자원을 풍성하게 만드는 역할을 합니다. 특히 시민들의 관심과 지지는 막대한 예산이 투입되는 우주 탐사를 지속 가능하게 만드는 가장 중요한 원동력이 됩니다. 과학적 사고를 하는 국민이 늘어날수록 국가의 생산성과 미래 경쟁력은 더욱 강화될 것이며, 이는 곧 인류 전체의 발전으로 이어집니다. 1969년 아폴로 11호의 달 착륙 이후 인류는 이제 '아르테미스' 프로젝트를 통해 다시 한번 달로 향하고 있습니다. 과거의 탐사가 국가 간의 기술 경쟁이었다면, 현재는 대한민국을 포함한 여러 국가와 민간 기업이 협력하여 새로운 우주 경제권을 형성하는 것이 핵심입니다. 특히 이번 미션은 인류 최초의 여성 우주인을 달에 보내는 상징적인 의미를 담고 있으며, 달 궤도 정거장인 '게이트웨이'를 건설하여 향후 화성 탐사를 위한 전진 기지로 활용할 계획입니다. 이는 인류가 지구를 넘어 우주로 거주지를 확장하는 중요한 발판이 될 것입니다. 화성 탐사는 생명체의 흔적을 찾는 여정에서 가장 중요한 위치를 차지합니다. 퍼서비어런스 로버는 과거 호수였던 제제로 크레이터에서 토양 샘플을 채취하며 고대 생명체의 단서를 추적하고 있습니다. 2030년대에는 이 샘플들을 지구로 가져오는 '샘플 리턴 미션'이 예정되어 있으며, 이는 외계 생명체 존재 여부에 대한 인류의 오랜 질문에 답을 줄 것입니다. 또한 화성 탐사는 지구와 유사한 환경이었던 화성이 왜 척박하게 변했는지 연구함으로써, 우리 지구의 미래 기후 변화를 예측하고 대비하는 데 결정적인 힌트를 제공하는 거울 역할을 합니다. 우주 탐사선이 행성에 안전하게 착륙하기 위해서는 '희박 유동'이라는 특수한 물리 현상을 깊이 있게 이해해야 합니다. 우주 공간은 완전한 진공이 아니라 기체 입자가 매우 적은 상태로 존재하는데, 이곳에서는 우리가 흔히 아는 연속체 역학의 법칙이 더 이상 적용되지 않습니다. 입자 하나하나의 움직임을 추적하는 볼츠만 방정식을 통해 유동을 해석해야만 탐사선이 겪게 될 저항과 열을 정확히 예측할 수 있습니다. 이러한 미시적인 분석은 고성능 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션을 통해 이루어지며, 극한 환경에서 작동하는 우주 비행체를 설계하는 필수 기초가 됩니다. 행성 진입 단계인 EDL(진입, 하강, 착륙)은 우주 탐사에서 가장 난도가 높은 과정으로 꼽힙니다. 탐사선이 대기권에 진입할 때 발생하는 마찰열은 태양 표면 온도보다 높으며, 속도는 마하 40에 달할 정도로 엄청납니다. 이때 희박 유동 해석을 바탕으로 한 열 보호 설계가 제대로 이루어지지 않으면 탐사선은 순식간에 파괴될 수 있습니다. 스페이스X의 재사용 로켓 기술 역시 이러한 재진입 과정에서의 열과 충격을 견디는 정밀한 설계 덕분에 가능해졌으며, 이는 우주 여행의 비용을 획기적으로 낮추고 빈도를 높이는 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 우주 탐사 기술은 우리도 모르는 사이에 일상생활 곳곳에 깊숙이 스며들어 인류의 삶을 풍요롭게 만들고 있습니다. 안경의 긁힘 방지 코팅, 정수기의 정밀 필터 시스템, 운동화의 충격 완화 소재, 그리고 침대의 메모리폼은 모두 우주인의 안전과 편의를 위해 개발된 기술에서 파생된 것입니다. 또한 도로의 미끄럼 방지 홈이나 무선 전동 공구 역시 NASA의 탐사 과정에서 탄생한 혁신적인 결과물입니다. 이처럼 우주를 향한 도전은 단순히 먼 미래의 이야기가 아니라, 현재 우리가 누리는 삶의 질을 높이고 일상의 안전을 지키는 데 직접적인 기여를 하고 있습니다. 인류가 우주로 나아가는 이유는 지적 호기심이라는 본능적인 욕구와 더불어, 지구라는 한정된 자원을 넘어선 새로운 가능성을 찾기 위함입니다. 달의 희귀 광물 자원 탐사나 초저궤도 위성을 활용한 차세대 통신망 구축은 인류 경제의 영역을 우주로 확장하는 실질적인 변화를 이끌고 있습니다. 대항해 시대의 탐험가들이 신대륙을 찾아 나섰던 것처럼, 지금의 우주 탐사는 후손들을 위한 새로운 삶의 터전과 자원을 준비하는 숭고한 과정입니다. 결국 우주는 우리가 어디에서 왔는지, 그리고 앞으로 어디로 나아가야 할지를 알려주는 거대한 이정표와 같습니다.

전은지, Paul Yun(폴윤)

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

지구환경과학
천문학

[인터뷰] 손석우_날씨는 기분 기후는 성품 ㅣ 지금 오존층은 더 이상 파괴되고 있지 않다?

날씨와 기후의 차이는 흔히 기분과 성품에 비유되곤 합니다. 내일의 기분을 맞히기는 매우 어렵지만, 한 사람의 성품을 깊이 이해하면 그의 장기적인 행동 양식을 어느 정도 예측할 수 있는 것과 같은 이치입니다. 최근에는 인공지능과 슈퍼컴퓨터 기술의 비약적인 발전 덕분에 기후 예측의 정확도가 점진적으로 향상되고 있습니다. 특히 천리안 위성 데이터 해석이나 예보 데이터 보정에 인공지능 기술이 적극적으로 활용되면서, 과거에는 놓쳤던 미세한 기상 변화까지 포착하여 미래 기후를 더욱 정밀하게 내다볼 수 있게 되었습니다. 지구 온난화로 인한 해수면 온도 상승은 태풍의 발생과 강도에 결정적인 영향을 미칩니다. 따뜻해진 바다는 태풍에 더 많은 수증기를 공급하여 그 위력을 강화하며, 제트기류의 북상으로 인해 태풍이 과거보다 더 높은 위도까지 진입할 수 있는 환경을 조성합니다. 이는 단순히 태풍의 물리적 위력이 강해지는 것을 넘어, 실제로 인간 사회에 막대한 피해를 주는 상륙 태풍의 수가 늘어날 수 있음을 의미합니다. 따라서 기후 변화에 따른 태풍의 경로 변화와 그로 인한 잠재적 피해 규모에 대한 정량적인 연구가 그 어느 때보다 절실한 시점입니다. 기후 위기의 본질은 단순히 평균 기온이 서서히 오르는 것이 아니라, 기후 변동성이 극심해지는 데 있습니다. 기록적인 폭우가 쏟아졌던 해 바로 다음에 장마라고 부르기 민망할 정도의 가뭄이 찾아오는 식의 양극단적인 기상 이변이 빈번해지는 것이 특징입니다. 이러한 변동성은 산불 발생 조건에도 큰 영향을 미치는데, 폭염과 가뭄이 겹치며 바짝 마른 지표면은 작은 불씨만으로도 대형 화재로 이어지기 쉽습니다. 결국 홍수와 가뭄, 폭염과 산불이라는 서로 상반된 재해들이 기후 변화라는 하나의 뿌리에서 비롯되어 우리 일상을 위협하고 있습니다. 국제 사회는 몬트리올 의정서를 통해 오존층 파괴 문제를 성공적으로 해결해 온 경험이 있습니다. 이제는 파리 기후 협정을 통해 지구 온난화를 억제하기 위한 새로운 도전에 직면해 있습니다. 산업화 이전 대비 기온 상승 폭을 1.5도 이내로 제한하려는 이 협정은 각국의 탄소 중립 선언과 구체적인 이행 계획을 포함하고 있습니다. 특히 저개발 국가에 대한 경제적 보상 방안까지 마련되어 있어 과거 교토 의정서보다 훨씬 진일보한 체계를 갖추었습니다. 이러한 국제적 약속이 실질적인 성과로 이어지기 위해서는 전 지구적인 감시와 협력이 필수적입니다. 대한민국이 진정한 기후 선진국으로 거듭나기 위해서는 독자적인 탄소 감시 시스템과 기후 모델 확보가 시급합니다. 현재는 해외 모델을 수정하여 사용하는 경향이 크지만, IT 강국이라는 이름에 걸맞게 우리만의 기술로 탄소 배출을 정밀하게 관측하고 예측할 수 있는 시스템을 구축해야 합니다. 기후 변화를 단순한 현상이 아닌 '기후 위기'라는 실존적 위협으로 인식하는 패러다임의 전환도 필요합니다. 정확한 과학적 정보를 바탕으로 개인이 문제를 이해하고 공동체가 함께 대응해 나갈 때, 비로소 지속 가능한 미래를 위한 실질적인 변화를 이끌어낼 수 있을 것입니다.

손석우

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학

[강연] 기후학자가 노벨물리학상을 수상한 이유? by 국종성 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 2강

기후 연구는 단순히 대기와 해양의 물리적 현상을 관찰하는 지구과학의 영역을 넘어, 이제는 식물의 호흡과 같은 생태적 요소까지 고려하는 거대한 융합 학문으로 진화했습니다. 우리가 살고 있는 지구에 대한 깊은 호기심과 관심을 가진 사람이라면 누구나 이 여정에 동참할 수 있습니다. 특히 현대 기후학은 다양한 학문적 배경을 가진 이들이 모여 복잡한 지구 시스템을 다각도로 분석하는 융합적 사고를 요구합니다. 이러한 통합적 접근은 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 해결하는 데 필수적인 토대가 되며, 미래의 기후학자들에게 가장 필요한 덕목이기도 합니다. 소중한 지구를 대상으로 직접적인 실험을 할 수 없기에, 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상의 지구인 '기후 모형'을 만듭니다. 이는 지구의 물리적 과정을 정교한 수학적 방정식으로 표현하여 미래의 변화를 진단하는 도구입니다. 전 지구를 격자로 쪼개어 수천만 개의 미분 방정식을 푸는 이 과정에는 엄청난 성능의 슈퍼컴퓨터가 동원됩니다. 10만 줄 이상의 복잡한 코드로 이루어진 기후 모형은 인류가 지구 시스템을 이해하고 미래의 기후 위기에 대비하기 위해 수십 년간 개발해 온 정교한 과학적 산물이자, 미래를 내다보는 창과 같습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후학자들에게 수여된 사건은 과학계에 큰 영감을 주었습니다. 이는 기후 시스템이 물리학적으로 매우 정교한 복잡계임을 인정함과 동시에, 기후 위기가 인류가 직면한 가장 시급하고 거대한 위협이라는 강력한 메시지를 담고 있습니다. 노벨 재단은 지구 온난화를 물리적으로 모델링하고 그 변동성을 정량화하여 신뢰할 수 있는 예측을 가능하게 한 공로를 높이 평가했습니다. 이는 기후학이 현대 물리학의 중요한 한 축으로서 인류의 생존과 직결된 학문임을 공표한 것이며, 우리가 당장 실천해야 할 과제임을 일깨워주는 상징적인 사건입니다. 슈쿠로 마나베 교수는 1960년대에 이미 세계 최초로 3차원 대기 대순환 모형을 개발하며 현대 기후 예측의 기틀을 마련했습니다. 그는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지표 온도가 약 2.4℃ 상승할 것이라는 놀라운 예측을 내놓았는데, 이는 수십 년 뒤의 현대적 관측치와도 매우 유사합니다. 특히 이산화탄소 증가 시 성층권 온도가 하락할 것이라는 그의 통찰은 훗날 실제 관측을 통해 증명되었습니다. 이는 기후 변화가 태양 활동의 변화가 아닌, 인간 활동에 의한 온실가스 배출 때문임을 밝히는 결정적인 과학적 근거가 되어 회의론자들의 주장을 잠재웠습니다. 클라우스 하셀만 교수는 무질서해 보이는 날씨의 변동 속에서 어떻게 장기적인 기후 예측이 가능한지에 대한 해답을 제시했습니다. 그는 대기의 빠른 변화가 해양과 같은 느린 시스템에 축적되는 과정을 수학적으로 증명하며 기후 예측의 토대를 마련했습니다. 이는 아인슈타인의 브라운 운동 개념을 기후 연구에 적용한 혁신적인 시도였습니다. 해양과 대기가 서로 시그널을 주고받으며 엘니뇨와 같은 거대한 기후 흐름을 만들어내는 과정을 이해하게 됨으로써, 인류는 무작위적인 날씨의 소음 속에서도 기후라는 거대한 질서의 방향성을 읽어낼 수 있게 되었습니다. 하셀만 교수의 또 다른 위대한 업적은 기후 변화의 원인을 규명하는 '최적 지문법'을 개발한 것입니다. 이는 관측된 기후 패턴 중에서 인간 활동에 의한 영향을 정밀하게 찾아내는 기술입니다. 최근 빈번해진 이상 기후가 단순한 자연적 변동인지, 아니면 인위적인 온난화 때문인지를 과학적으로 판별할 수 있게 된 것입니다. 이러한 연구는 기후 변화의 확률적 위험성을 정량화하여 정책 결정자들이 방파제 높이를 조절하거나 탄소 중립 전략을 세우는 데 실질적인 데이터를 제공합니다. 즉, 과학이 사회적 의사결정에 기여할 수 있는 강력한 도구를 마련해 준 셈입니다. 노벨상 수상은 기후 연구의 끝이 아니라 인류에게 주어진 새로운 숙제의 시작을 의미합니다. 우리는 여전히 지구 시스템의 임계점이 어디인지, 탄소 중립 이후 지구가 과거의 상태로 회복될 수 있는지에 대해 명확한 답을 찾고 있습니다. 급격한 기후 변화에 따른 생태계의 반응과 지구가 받는 지속적인 기후 스트레스는 우리가 앞으로 풀어야 할 거대한 수수께끼입니다. 기후학자들이 닦아놓은 과학적 토대 위에서, 이제는 전 인류가 지혜를 모아 지구의 지속 가능한 미래를 위한 실천적인 해답을 찾아나가야 합니다. 이번 수상은 그 여정을 독려하는 인류의 응원과도 같습니다.

국종성

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

지구환경과학

[인터뷰] 박창범_암흑에너지는 있다!ㅣ 2021 봄 카오스강연 'GREAT DEBATE 우주론대토론'

밤하늘의 별을 바라보는 것은 누구에게나 아름다운 경험이지만, 천문학자에게 그 빛은 단순한 감상을 넘어 탐구의 대상이 됩니다. 수학적 원리와 물리 법칙을 통해 별의 움직임을 이해하던 단계를 지나, 실제로 우주의 천체들을 연구한다는 사실은 무엇보다 가슴 벅찬 일입니다. 특히 가을 하늘에 옹기종기 모여 빛나는 좀생이별, 즉 플레이아데스 성단은 동북아시아 사람들에게 오랫동안 사랑받아온 천체로, 연구자에게도 늘 특별한 영감을 주는 존재입니다. 우주의 신비를 풀기 위해 현대 천문학은 정밀한 시뮬레이션을 활용합니다. 먼저 우주가 어떻게 팽창하고 천체가 생성되는지를 결정하는 초기 조건을 설정한 뒤, 이를 거대한 메모리와 빠른 속도를 갖춘 슈퍼컴퓨터에 입력합니다. 중력과 유체역학적 힘을 모두 고려하여 이 방대한 데이터를 진화시키면, 관측 데이터라는 단편적인 스냅샷으로는 알 수 없었던 천체 형성의 전 과정을 시간의 흐름에 따라 상세히 분석할 수 있게 됩니다. 한국 연구진이 주도한 '호라이즌 5' 시뮬레이션은 기존의 중력 중심 연구를 넘어 가스의 흐름을 다루는 유체역학까지 포함한 세계 최대 규모의 프로젝트입니다. 이는 기존 시뮬레이션보다 약 10배나 큰 규모로, 은하의 진화와 우주 거대 구조의 변화를 동시에 관찰할 수 있는 최초의 시도를 가능케 했습니다. 현재는 은하의 외부 구조를 분해하는 수준이지만, 향후 분해능을 더 높인다면 별의 탄생과 은하의 성장을 한 화면에서 목격하는 혁신적인 연구가 실현될 것입니다. 이러한 거대 시뮬레이션은 국제적인 협력과 연구원들의 헌신적인 노력이 있었기에 가능했습니다. 프랑스와 영국 팀의 코드를 바탕으로 국내 연구진이 성능을 10배 이상 개선했으며, KISTI 슈퍼컴퓨팅 센터에서 약 1년이라는 긴 시간 동안 계산을 수행했습니다. 예상치 못한 시스템 부하나 소프트웨어의 버그를 해결하기 위해 밤을 지새우며 고군분투한 연구자들의 열정은, 방대한 데이터를 학술적 가치로 전환하는 가장 강력한 원동력이 되었습니다. 우주론은 대상을 쪼개어 이해하는 분석의 학문이라기보다, 여러 관측적 근거를 바탕으로 거대한 체계를 완성하는 과정입니다. 현재의 우주 모형은 수많은 관측 데이터와 수치 실험의 결과가 촘촘하게 얽혀 형성된 견고한 기둥과 같습니다. 따라서 우주론의 변혁은 단 하나의 발견으로 급격히 일어나는 것이 아니라, 방대한 자료에 대한 신중한 검증과 상호 비교를 통해 서서히, 그리고 깊이 있게 진행되는 종합적인 과학의 결실이라 할 수 있습니다.

박창범

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[강연] 에필로그: 21세기 천문학 _ by이석영ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 10강 | 10강

인류는 아주 오래전부터 근원적인 질문을 던져왔습니다. 화가 폴 고갱이 그의 작품 제목으로 남긴 '우리는 어디에서 왔는가, 우리는 무엇인가, 우리는 어디로 가는가'라는 질문은 비단 예술가뿐만 아니라 모든 인류가 공유하는 궁극적인 화두입니다. 현대 천문학은 이 철학적인 질문에 대해 과학적인 답을 찾아가는 여정입니다. 138억 년이라는 장대한 우주의 역사를 추적하며, 우리는 단순히 밤하늘의 별을 바라보는 것을 넘어 우리 존재의 뿌리를 탐구하고 있습니다. 이러한 탐구는 인류가 우주라는 거대한 무대에서 어떤 위치에 있는지를 깨닫게 해줍니다. 보이저 1호와 2호가 태양계의 경계를 넘어 성간 우주로 나아갔지만, 인류의 직접적인 탐사에는 한계가 명확합니다. 가장 가까운 별인 알파 센타우리까지 현재의 속도로 가려 해도 10만 년이 걸리기 때문입니다. 그래서 우리는 빛과 전파를 통해 우주를 이해합니다. 빅뱅 이론은 우주가 한 점에서 시작되어 급격히 팽창했다는 과학적 바탕을 제공하며, 아인슈타인의 상대성 이론과 함께 현대 우주론의 기틀을 마련했습니다. 이는 우리가 직접 가볼 수 없는 먼 우주까지도 물리 법칙을 통해 조망할 수 있는 지도를 선사했습니다. 우주 초기에서 온 가장 오래된 빛인 우주 배경 복사는 빅뱅 이론의 결정적인 증거입니다. 1948년 가모프의 예언 이후, 펜지어스와 윌슨에 의해 발견된 이 신호는 오늘날 플랑크 우주 망원경을 통해 정밀한 지도로 재탄생했습니다. 지구의 영향을 받지 않는 라그랑주 점 위에서 관측된 이 지도는 우주 전역에서 오는 절대 온도 3도의 미세한 복사 에너지를 보여줍니다. 이 신호 속에는 초기 우주의 밀도 변화와 에너지 구조에 대한 방대한 정보가 숨겨져 있어, 우주의 탄생 비밀을 푸는 가장 강력한 열쇠가 됩니다. 우주 배경 복사 속에 숨겨진 미세한 온도 변화는 마치 악기가 내는 조화 진동과 같습니다. 오보에가 하나의 음을 낼 때 여러 배음이 섞여 아름다운 소리를 만드는 것처럼, 초기 우주의 급팽창 과정에서 발생한 진동은 오늘날 7개의 뚜렷한 신호로 분석됩니다. 이는 우주가 무작위로 형성된 것이 아니라, 정교한 물리 법칙에 따라 조율되었음을 시사합니다. 수학적 분석을 통해 추출된 이 신호들은 우주의 기하학적 구조가 평평하다는 사실과 함께 초기 우주의 팽창 과정을 생생하게 증명하며 현대 우주론의 신뢰도를 높여줍니다. 현대 천문학의 '조화 모형'은 우리가 아는 물질이 우주 전체 에너지의 단 4%에 불과하다는 놀라운 사실을 알려줍니다. 나머지 대부분은 정체를 알 수 없는 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 비록 눈에 보이지 않지만, 이들은 중력을 통해 우주의 거대 구조를 형성하고 팽창 속도를 조절하는 핵심적인 역할을 합니다. 우리가 인지하는 원자 중심의 세계는 거대한 우주의 아주 일부분일 뿐이며, 보이지 않는 요소들이 조화롭게 맞물려 현재의 우주를 지탱하고 있다는 점은 인간의 지적 호기심과 경이로움을 동시에 자아냅니다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션은 우주론적 가설을 시각적으로 검증하는 강력한 도구입니다. 수천 대의 컴퓨터를 연결해 수년에 걸쳐 계산한 결과, 초기 우주의 미세한 밀도 차이가 거대한 은하와 별들을 만들어내는 과정이 재현되었습니다. 별들은 내부의 핵융합을 통해 탄소, 산소, 철과 같은 필수 원소들을 제조하고, 죽음을 맞이하며 이를 우주로 환원합니다. 태양과 지구, 그리고 우리 몸을 구성하는 원소들은 모두 초신성 폭발의 잔해에서 온 것이기에, 인류는 진정으로 '초신성의 후예'이자 우주가 빚어낸 걸작이라 할 수 있습니다. 21세기 천문학은 제임스 웹 우주 망원경과 거대 마젤란 망원경을 통해 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 이제 우리는 외계 행성을 직접 관측하고 생명체의 흔적을 찾으며, 양자 컴퓨팅과 핵융합 기술을 통해 우주 탐사의 영역을 넓혀갈 것입니다. 천문학은 단순한 과학을 넘어 음악, 미술, 철학이 어우러진 종합 예술인 '오페라'와 같습니다. 인류가 어디에서 왔는지 알아낸 지난 세기를 지나, 이제 우리는 어디로 향할 것인지에 대한 답을 찾기 위해 능동적으로 우주라는 무대 위로 나아가며 새로운 미래를 설계하고 있습니다.

이석영

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현한 가상 우주와 은하 _ by신지혜ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 8강 | 8강

우주는 인류에게 끊임없는 질문을 던져온 대상입니다. 하지만 은하의 형성과 진화는 수십억 년이라는 방대한 시간 동안 일어나기에, 인간의 짧은 생애 동안 그 과정을 직접 관측하는 것은 불가능에 가깝습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 과학자들은 가상 우주를 구현하는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용합니다. 시뮬레이션 속에서 연구자들은 공간과 시간의 제약을 벗어나 은하를 뜯어보고 돌려보며, 우주의 조물주가 된 것처럼 그 진화의 비밀을 파헤칩니다. 우리가 속한 우리 은하의 구조를 파악하는 일은 마치 숲속에서 숲 전체의 지도를 그리는 것과 같습니다. 17세기 갈릴레오가 은하수가 별로 이루어졌음을 발견한 이래, 인류는 별의 연주시차를 이용해 은하의 3D 구조를 측량해 왔습니다. 우리 은하는 약 4~5개의 나선팔을 가진 원반 형태이며, 중심부의 핵 팽대부와 이를 감싸는 별 헤일로로 구성됩니다. 이러한 구조적 특징을 이해하는 것은 외부 은하의 생성 원리를 파악하는 중요한 기초가 됩니다. 우주는 거대한 거미줄이나 거품 같은 독특한 그물망 구조를 이루고 있습니다. 이를 '우주 거대 구조'라 부르며, 은하들이 밀집한 필라멘트 영역과 텅 빈 보이드 영역으로 나뉩니다. 현재의 우주 표준 모형에 따르면, 우주는 대폭발 이후 가속 팽창을 거듭해 왔으며 그 중심에는 눈에 보이지 않는 암흑 물질과 암흑 에너지가 존재합니다. 특히 암흑 물질은 일반 물질보다 5~6배나 많아 중력적으로 우주의 뼈대를 형성하는 결정적인 역할을 수행합니다. 우주 초기의 미세한 밀도 차이는 오늘날 거대한 은하를 탄생시킨 씨앗이 되었습니다. 우주 배경 복사에서 발견되는 10만 분의 1 정도의 미세한 온도 변화는 당시 물질의 밀도 요동을 의미합니다. 중력은 밀도가 높은 곳으로 더 많은 물질을 끌어당겼고, 시간이 흐름에 따라 이 요동은 점점 커져 중력적으로 결박된 거대 구조물을 형성했습니다. 결국 초기 우주의 양자 요동이 수천억 개의 은하가 빛나는 현재의 우주를 만들어낸 근원이 된 셈입니다. 수천억 개의 입자가 상호작용하는 다체 문제를 해결하기 위해서는 막강한 계산 능력이 필수적입니다. 컴퓨터의 연산 능력이 2년마다 두 배씩 증가한다는 무어의 법칙은 우주론 시뮬레이션의 규모를 비약적으로 키워왔습니다. 현대 과학자들은 수천 개의 프로세서를 동시에 사용하는 병렬 처리 기술과 슈퍼컴퓨터를 동원해 가상 우주를 정밀하게 묘사합니다. 이는 단순한 수치 계산을 넘어, 이론적 가설을 실험실에서 검증하듯 우주의 진화를 재현하는 유일한 실험 방식입니다. 은하의 모습을 더욱 사실적으로 구현하기 위해서는 중력뿐만 아니라 가스의 유체역학적 움직임과 별의 탄생 과정을 고려해야 합니다. 특히 초신성 폭발이나 활동성 은하핵에서 방출되는 에너지는 주변 가스를 밀어내어 폭발적인 별 탄생을 조절하는 '에너지 환원' 작용을 합니다. 이러한 복잡한 물리 현상을 수치 알고리즘으로 정밀하게 설계할 때 비로소 시뮬레이션 속의 가상 은하는 실제 망원경으로 관측한 은하와 구분하기 어려울 정도로 정교한 모습을 갖추게 됩니다. 한국 연구진이 주도한 '호라이즌 런 5(HR5)'는 현존하는 세계 최대 규모의 우주론적 유체역학 시뮬레이션 중 하나로 꼽힙니다. 이 프로젝트는 우주 거대 구조와 은하의 형성을 동시에 구현하며 현대 우주론의 신뢰성을 검증하는 데 크게 기여했습니다. 관측 천문학이 우주의 현재와 과거를 포착한다면, 시뮬레이션은 그 인과 관계를 설명하는 이론적 토대를 제공합니다. 두 분야의 유기적인 협력은 인류가 우주의 기원을 이해하는 여정에 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

신지혜

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천문학

[연구뭐하지] 이원종 교수_서울대학교 '격자게이지이론연구실' | 시공간을 유한하게 쪼개는 격자게이지이론

현대 물리학에서 시공간은 본래 연속적인 개념이지만, 이를 컴퓨터로 구현하기에는 자유도가 무한하다는 한계가 있습니다. 격자게이지이론은 이러한 시공간을 유한한 격자 형태로 쪼개어 컴퓨터 프로그래밍이 가능하도록 만드는 혁신적인 방법론입니다. 연구자들은 복잡한 자연의 강력 현상을 수치화하여 계산한 뒤, 격자 간격을 다시 영으로 수렴시키는 과정을 통해 우리가 실제로 살아가는 연속적인 시공간의 물리적 결과를 도출해냅니다. 이는 기존의 해석적인 방법으로는 풀기 어려웠던 복잡한 방정식들을 해결하는 핵심적인 열쇠가 되어 현대 물리학의 발전을 이끌고 있습니다. 물리학의 세계는 새로운 이론을 제안하는 이론 물리와 이를 객관적으로 검증하는 실험 물리로 나뉩니다. 격자게이지이론 연구실은 손으로 직접 계산하기 어려운 이론치들을 슈퍼컴퓨터를 활용해 정밀하게 산출해내는 역할을 수행합니다. 이렇게 도출된 이론치가 실험치와 일치하는지 확인함으로써 현대 물리학의 근간인 표준 모형의 정밀도를 검증하며, 기존 이론이 가진 잠재적인 문제점이나 새로운 물리 법칙의 가능성을 깊이 있게 탐구합니다. 이론과 실험의 간극을 메우는 이러한 작업은 우주의 근본 원리를 이해하는 데 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 연구진은 엡실론 K 파라미터나 메존의 붕괴 상수와 같은 정밀한 물리량들을 계산하기 위해 직접 슈퍼컴퓨터를 설계하고 구축합니다. 시중의 부품들을 직접 조립하고 운영체제를 설치하며 연구에 최적화된 계산 환경을 만드는 과정은 그 자체로 거대한 도전입니다. 때로는 컴퓨터를 구축하는 데에만 수년의 시간이 소요되기도 하지만, 이러한 과정을 통해 연구자들은 물리학적 지식뿐만 아니라 고도의 전산 능력까지 겸비하게 됩니다. 성경 속 지명을 딴 컴퓨터들은 지금 이 순간에도 우주의 신비를 풀기 위한 방대한 연산을 묵묵히 수행하며 연구의 든든한 버팀목이 되어줍니다. 연구실의 교육 철학은 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 학계에서 독자적으로 생존할 수 있는 연구자를 양성하는 데 집중되어 있습니다. 지도 교수의 엄격한 훈련 방식은 학생들이 자신의 연구 결과에 대해 누구에게도 의존하지 않고 스스로 증명해낼 수 있는 역량을 갖추게 하려는 의도에서 비롯됩니다. 이러한 혹독한 과정은 연구자가 학계의 리더로서 성장하기 위한 필수적인 밑거름이 됩니다. 자유로운 토론 분위기와 서로의 시간을 존중하는 문화 속에서 학생들은 점차 한 사람의 당당한 과학자로서 주체성을 확립해 나가며 미래의 연구를 준비합니다. 격자게이지이론의 길은 과거 프린스턴 대학교와 컬럼비아 대학교 시절, 컴퓨터를 활용한 물리 연구의 비전을 제시받았던 경험에서 시작되었습니다. 양성자의 질량이나 하드론의 특성을 직접 계산해낼 수 있다는 사실은 연구자들에게 커다란 지적 호기심과 재미를 선사합니다. 이론적으로만 존재하던 이론치들을 컴퓨터를 통해 구체화하고, 이를 실제 실험 결과와 대조해보는 과정은 물리학이 가진 본연의 매력을 보여줍니다. 비록 과정은 어렵고 복잡할지라도 우주의 근본 원리를 수치로 증명해가는 여정은 과학자들에게 멈출 수 없는 열정의 원동력이 되어줍니다.

이원종

카오스재단연구뭐하지

물리학
천문학

[강연] 수학역사상 가장 유명한 난제 리만가설 (6) _ by기하서 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 3강 | 3강 ⑥

리만 가설은 소수의 분포를 설명하는 수학계의 거대한 난제이자 인류 지성의 척도라고 할 수 있습니다. 만약 외계 지성체가 지구를 방문한다면, 우리는 그들이 이 가설을 알고 있는지 묻는 것만으로도 그들의 지적 수준을 가늠할 수 있을 것입니다. 리만 가설을 중요하게 여긴다는 것은 그들이 우리와 유사한 지적 한계와 유한성을 공유하고 있음을 의미합니다. 반면, 이 가설에 전혀 관심이 없다면 그들은 무한을 너무나 당연하게 다루는, 인간과는 차원이 다른 존재일 가능성이 큽니다. 인간이 리만 가설에 집착하는 근본적인 이유는 우리가 죽음을 피할 수 없는 유한한 존재이기 때문입니다. 우리는 제한된 삶 속에서 무한한 소수의 규칙성을 찾으려 끊임없이 애쓰며, 그 과정에서 수학이라는 도구를 통해 경이로운 상상력을 발휘합니다. 만약 모든 소수의 개수와 성질을 실시간으로 파악할 수 있을 만큼 전지전능한 존재라면, 리만 가설은 애초에 고민의 대상조차 되지 않았을 것입니다. 결국 이 난제는 인간의 유한함과 무한을 향한 갈망이 만나는 지점에 놓여 있으며, 우리의 지적 호기심을 자극합니다. 인공지능의 비약적인 발전이 리만 가설 해결의 새로운 열쇠가 될 수 있을지에 대해서는 학계에서도 의견이 분분합니다. 현재의 기술력으로는 수학 연구의 보조적인 수단에 불과하지만, 미래에 진정으로 수학적 사고를 수행하는 AI가 등장한다면 상황은 완전히 달라질 것입니다. 만약 AI가 인간 수학자를 능가하여 이 난제를 해결한다면, 이는 수학의 역사에서 거대한 전환점이 될 것입니다. 하지만 리만 가설이 단순히 계산적인 차원을 넘어 제타 함수론과 같은 심오한 이론적 토대 위에서 인간의 통찰력과 함께 해결되기를 바라는 것이 많은 수학자의 희망입니다. 만약 리만 가설이 참이 아니라 거짓으로 판명된다면 수학계는 어떤 변화를 맞이하게 될까요? 대부분의 수학자는 가설이 참일 것이라 굳게 믿지만, 만약 실수부가 1/2이 아닌 비자명 영점이 단 하나라도 발견된다면 그 충격은 상상 이상일 것입니다. 특히 정수론을 깊이 연구하는 학자들에게는 엄청난 상실감과 학문적 혼란을 안겨줄 수 있습니다. 그러나 역설적으로 가설이 틀렸음을 증명하는 과정에서 예상치 못한 새로운 수학적 발견이 이루어지고, 수학의 세계는 이전보다 훨씬 더 다채롭고 흥미로운 방향으로 흘러갈지도 모릅니다. 리만 가설은 단순히 하나의 문제를 넘어 현대 수학의 수많은 분야와 거미줄처럼 긴밀하게 연결되어 있습니다. 이를 해결하려는 끊임없는 시도는 제타 함수론이나 L-함수 이론의 폭발적인 발전을 이끌어냈으며, 이는 정수론의 정밀한 정보들을 이해하는 데 결정적인 역할을 하고 있습니다. 비록 수십 년간의 도전이 당장 눈에 보이는 결실을 보지 못했을지라도, 이 탐구 과정에서 파생된 수학적 개념들은 그 자체로 인류 지성사에 거대한 가치를 지닙니다. 리만 가설은 여전히 수학의 찬란한 성배로 남아 우리를 끝없는 무한의 세계로 인도하고 있습니다.

기하서, 김영원

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (3) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ③

기후 시스템에서 '티핑 포인트'란 물이 100도에서 끓기 시작하듯, 서서히 변화하던 시스템이 어느 순간 급격하고 돌이킬 수 없는 상태로 접어드는 지점을 의미합니다. 이는 마치 공이 담긴 바구니가 기울어지다 결국 옆 바구니로 옮겨가는 과정과 같습니다. 일단 이 지점을 넘어서면 우리가 이전에 경험하지 못했던 전혀 새로운 기후 환경이 펼쳐지게 됩니다. 과학자들은 이를 하나의 안정 상태에서 다른 상태로 전이되는 결정적인 찰나로 정의하며, 지구 시스템의 급격한 변화를 경고하고 있습니다. 현재 기후 과학계에서 주목하는 티핑 포인트의 임계 온도는 지구 평균 기온 상승 폭 1.5도에서 2도 사이입니다. 이는 단순히 특정 지역의 날씨 변화가 아니라 지구 전체의 평균적인 에너지 균형이 무너지는 시점을 뜻합니다. 유엔 산하 기구인 IPCC는 이 수치를 논의의 기준점으로 삼아 기후 변화의 위험성을 경고하고 있습니다. 비록 정확한 지점에 대한 논란은 있으나, 온난화가 진행될수록 예상치 못한 급격한 변화가 일어날 가능성이 커진다는 점에는 대다수의 전문가가 동의하고 있습니다. 과거 지구는 태양 활동의 변화에 따라 수만 년에 걸쳐 서서히 빙하기와 간빙기를 오갔습니다. 하지만 현대의 기후 변화는 인간 활동에 의한 온실가스 배출이라는 강력한 외력이 작용하면서 그 속도가 유례없이 빨라졌습니다. 자연적인 변동성의 범위를 넘어선 인위적인 압력은 지구라는 시스템을 탁자 끝으로 밀어내는 힘과 같습니다. 이러한 급격한 변화는 지구가 스스로 적응하고 회복할 시간을 주지 않으며, 결과적으로 티핑 포인트에 도달하는 시점을 앞당기는 결정적인 원인이 되고 있습니다. 지구 시스템의 견고함에 대해서는 전문가들 사이에서도 의견이 나뉩니다. 한쪽에서는 지구가 작은 외력에도 쉽게 깨질 수 있는 연약한 시스템이라고 주장하는 반면, 다른 쪽에서는 수만 년의 역사 속에서 거대한 변화를 견뎌온 강인한 회복력을 강조합니다. 실제로 빙하기와 간빙기 사이의 큰 온도 차이에도 지구는 생태계를 유지하며 버텨왔습니다. 그러나 현재의 온난화 속도가 과거의 자연적 변화보다 훨씬 빠르다는 점은 지구가 가진 음의 피드백, 즉 스스로를 치유하는 능력이 한계에 다다를 수 있다는 우려를 낳습니다. 기후 과학자들은 이러한 복잡한 지구의 미래를 예측하기 위해 방대한 관측 자료와 기후 모델을 활용합니다. 위성과 부표 등을 통해 수집된 대기, 해양, 육지의 데이터를 분석하고, 이를 물리 방정식으로 변환하여 슈퍼컴퓨터로 계산합니다. 지구를 수많은 격자로 나누어 각 지점에서의 변화를 시뮬레이션함으로써 이산화탄소 농도 증가에 따른 미래의 모습을 그려내는 것입니다. 비록 모든 물리 현상을 완벽히 이해할 수는 없기에 불확실성이 존재하지만, 이는 인류가 미래 기후에 대비할 수 있는 가장 과학적인 도구입니다. 만약 영화처럼 기후 재앙이 닥친다면 지구는 다시 회복될 수 있을까요? 화산 폭발 사례에서 보듯 지구는 에너지를 우주로 방출하며 스스로 온도를 낮추는 회복 기제를 갖추고 있습니다. 하지만 이산화탄소는 한 번 배출되면 대기 중에 오래 머물며 지속적으로 영향을 미치기 때문에 회복에 수백 년에서 수만 년이 걸릴 수도 있습니다. 더욱이 회복된 지구가 지금과 같은 모습일지는 장담할 수 없습니다. 열대 지역이 확장되거나 사막화가 심화된, 인류에게 낯선 새로운 안정 상태로 변모할 가능성도 존재하기 때문입니다. 기후 변화를 막기 위한 공학적 대안으로 '지구 공학'이 논의되기도 합니다. 성층권에 에어로졸을 뿌려 태양광을 차단하거나 바다에 철분을 뿌려 플랑크톤을 증식시키는 방식 등이 대표적입니다. 그러나 이러한 기술적 개입은 생태계 파괴나 국제적 분쟁과 같은 예상치 못한 부작용을 초래할 위험이 큽니다. 결국 가장 근본적이고 안전한 해결책은 티핑 포인트에 도달하기 전에 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것입니다. 지구가 스스로의 회복력을 잃기 전에 인류의 적극적인 노력이 절실한 시점입니다.

국종성, 예상욱, 최용상

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 우리 뇌를 흉내 낸 알파고 by감동근 | 2016 가을 카오스 콘서트 '뇌 vs AI' 3부 | 3부 ①

1997년, 세계 체스 챔피언 가리 카스파로프가 IBM의 슈퍼컴퓨터 딥블루에게 패배한 사건은 인공지능 역사의 상징적인 순간이었습니다. 당시 물리학을 공부하던 한 학생은 이 대결을 지켜보며 인공지능 개발이라는 새로운 꿈을 품게 되었습니다. 딥블루의 승리는 단순히 기계의 승리를 넘어, 인간의 전유물이라 여겨졌던 지적 영역에 컴퓨터가 발을 들이기 시작했음을 알리는 신호탄이었습니다. 이후 인공지능 기술은 비약적으로 발전하며 인간의 언어와 복잡한 규칙을 이해하는 단계로 나아갔습니다. IBM의 또 다른 인공지능 왓슨은 퀴즈쇼 '제퍼디'에서 인간 챔피언들을 압도하며 자연어 처리의 가능성을 보여주었습니다. 인간이 사용하는 언어는 맥락에 따라 의미가 변하고 은유나 상징이 가득하여 컴퓨터가 이해하기 매우 까다롭습니다. 하지만 왓슨은 문학적 비유를 파악하고 복잡한 질문의 의도를 정확히 분석해냈습니다. 이는 인공지능이 단순한 데이터 검색을 넘어, 인간의 사고 체계와 유사한 방식으로 정보를 처리하고 이해할 수 있음을 증명한 사례로 평가받습니다. 바둑 인공지능 알파고의 등장은 인공지능의 패러다임을 다시 한번 바꾸어 놓았습니다. 바둑은 경우의 수가 우주의 원자 수보다 많아 무차별 탐색으로는 정복이 불가능한 영역이었습니다. 알파고는 이를 해결하기 위해 확률적 접근법인 몬테카를로 방법과 인간의 뇌를 모사한 딥러닝 기술을 결합했습니다. 특히 수많은 기보를 학습하고 스스로 대국하며 실력을 키우는 강화 학습은 인공지능이 인간의 직관과 유사한 판단력을 갖추게 하는 핵심적인 역할을 수행했습니다. 이세돌 9단과 알파고의 대결은 인간의 직관과 기계의 계산력이 충돌한 역사적 사건이었습니다. 우리는 흔히 직관을 인간만의 고유한 능력이라 생각하지만, 어쩌면 직관은 모든 경우의 수를 계산할 수 없는 한계를 극복하기 위한 방편일지도 모릅니다. 알파고는 학습하지 않은 생소한 상황에서 치명적인 오류를 범하기도 했지만, 특정 분야에서는 이미 인간의 창의성을 뛰어넘는 행마를 보여주기도 했습니다. 이는 지능의 본질이 무엇인지에 대해 우리에게 깊은 질문을 던집니다. 인공지능이 인간을 능가하는 시대가 다가오면서 우리는 새로운 준비가 필요합니다. 체스의 사례에서 보듯, 기계는 이미 특정 영역에서 인간보다 더 창의적인 해결책을 제시하고 있습니다. 이러한 변화 속에서 가장 중요한 덕목은 유연성과 겸손함입니다. 내가 항상 틀릴 수 있다는 열린 마음으로 인공지능과 공존하는 방법을 고민해야 합니다. 미래 세대에게는 정해진 정답을 가르치기보다, 변화하는 환경에 적응하고 인공지능을 도구 삼아 새로운 가치를 창출하는 능력을 길러주어야 합니다.

감동근

카오스재단카오스콘서트

뇌인지과학
수학
융합

[강연] 뇌공학의 미래와 사이보그의 탄생 by임창환 | 2016 가을 카오스 콘서트 '뇌 vs AI' 3부 | 3부 ②

영화 <트랜센던스>는 인간의 의식을 컴퓨터에 업로드하여 영생을 누리는 흥미로운 상상을 보여줍니다. 이러한 기술이 현실에서 가능해지려면 고도화된 인공지능과 이를 뒷받침할 슈퍼컴퓨터, 그리고 인간의 뇌에서 생각을 정밀하게 읽어내는 기술이 필수적입니다. 영화 속 주인공은 수많은 단어를 읽으며 발생하는 음성과 뇌파를 데이터화하여 인공지능을 학습시키는데, 이는 마치 알파고가 기보를 학습하듯 뇌의 시냅스 연결 강도를 디지털로 재현하는 과정과 유사합니다. 현대 과학은 이처럼 뇌의 복잡한 신경망 구조를 모방한 심층 신경망 기술을 통해 인간의 사고 과정을 데이터로 변환하는 연구를 지속하고 있습니다. 인간의 뇌는 약 1,000억 개의 뉴런을 단 20와트의 저전력으로 구동하는 지구상에서 가장 효율적인 하드웨어입니다. 반면 기존의 폰 노이만 구조 컴퓨터는 연산 장치와 메모리가 분리되어 있어 정보를 주고받는 과정에서 막대한 에너지 손실과 시간 지연이 발생합니다. 이를 극복하기 위해 뇌의 시냅스 구조를 모방하여 정보 처리와 저장이 동시에 일어나는 '뉴로모픽 칩' 연구가 활발히 진행 중입니다. 미국의 'SyNAPSE' 프로젝트와 같은 신경 모방 시스템은 인간 뇌의 효율성을 하드웨어적으로 구현하려는 시도로, 장차 자비스와 같은 고성능 인공지능 비서가 탄생할 수 있는 기술적 토대가 될 것입니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술은 뇌에서 발생하는 신경 신호를 해석하여 외부 기기를 제어하거나 의사를 전달하는 일종의 '뇌 번역기' 역할을 수행합니다. 이미 2000년대 초반부터 사지마비 환자의 운동 피질에 전극을 삽입하여 마우스 커서를 움직이거나 다관절 로봇 팔을 자유자재로 조종하는 실험이 성공을 거두었습니다. 이는 특정 동작을 상상할 때 나타나는 고유한 뇌파 패턴을 지문 인식처럼 데이터베이스화하여 실시간으로 대조하는 원리를 이용합니다. 이 기술은 운동 의도뿐만 아니라 주관적인 선택이나 감정 상태까지 읽어낼 수 있어, 의사소통이 어려운 환자들에게 새로운 삶의 기회를 제공할 것입니다. 우리의 뇌는 눈앞의 시각 정보가 시각 피질의 신경세포와 일대일로 대응하는 '시각 위상'이라는 독특한 특징을 가지고 있습니다. 이를 활용하면 사람이 현재 보고 있는 장면이나 심지어 꿈꾸는 내용까지 영상으로 재구성하는 것이 이론적으로 가능해집니다. 최근에는 뇌의 복잡한 굴곡을 따라 밀착되는 유연한 전극 기술이 개발되어 뇌 정보를 메모리 카드에 저장하거나 반대로 외부 정보를 뇌에 주입하는 연구도 탄력을 받고 있습니다. 실제로 쥐의 해마에 칩을 장착해 손실된 장기 기억을 복원하는 실험이 성공하면서, 인간의 인지 능력을 증폭시키고 난치성 뇌 질환을 치료하는 데 획기적인 전기가 마련되었습니다. 뇌공학과 인공지능의 결합은 미래의 교육 현장과 사회 구조를 근본적으로 변화시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 학생의 집중도와 이해도, 감정 상태를 실시간으로 파악하는 인공지능 교사는 개별 학습자에게 최적화된 인터랙티브 교육을 제공할 수 있습니다. 하지만 기술의 비약적인 발전과 함께 뇌 정보 해킹, 기술 독점에 따른 사회적 불평등, 그리고 디지털화된 자아의 정체성 문제와 같은 윤리적 고민도 깊어지고 있습니다. 트랜스휴머니즘이라는 새로운 시대적 흐름 속에서 우리는 기술적 성취를 넘어 인간의 존엄성을 지키기 위한 사회적 합의와 윤리적 가이드라인을 정립하는 데 지혜를 모아야 합니다.

임창환

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