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모든 걸 빨아들이는 블랙홀은 왜 소멸할까?

블랙홀은 한번 들어가면 나올 수 없는 우주의 신비로운 영역으로 알려져 있습니다. 흔히 블랙홀은 주변의 모든 물질을 빨아들이며 끊임없이 거대해지기만 할 것이라고 생각하기 쉽지만, 사실 블랙홀도 아주 오랜 시간이 흐르면 점차 작아지다가 결국 소멸의 길을 걷게 됩니다. 이러한 블랙홀은 보통 거대한 별이 수명을 다해 초신성으로 폭발한 뒤 남은 질량이 급격히 수축하며 탄생합니다. 폭발 후 잔해의 질량이 태양의 두 배 이상일 때 비로소 블랙홀이 형성되며, 그보다 작으면 중성자별이 됩니다. 우주에는 다양한 크기의 블랙홀이 존재합니다. 별의 죽음으로 만들어지는 항성질량 블랙홀은 보통 태양의 5배에서 70배 정도의 질량을 가집니다. 반면 은하 중심부에는 태양보다 수백만 배 이상 무거운 초대질량 블랙홀이 자리 잡고 있으며, 최근에는 그 중간 단계인 중간질량 블랙홀의 존재도 확인되고 있습니다. 심지어 우주 초기 암흑물질이 수축해 만들어진 원시 블랙홀의 가능성도 제기됩니다. 이들은 각기 다른 기원을 가지고 있지만, 모두 일반 상대성 이론과 양자역학의 법칙 아래 우주의 진화를 이끌고 있습니다. 블랙홀 자체는 빛조차 빠져나올 수 없어 보이지 않지만, 우리는 주변 물질의 움직임을 통해 그 존재를 관측할 수 있습니다. 블랙홀의 강력한 중력에 이끌려 들어가는 물질들은 사건의 지평선 근처에서 엄청난 속도로 회전하며 가열됩니다. 이때 발생하는 에너지는 별 내부의 핵융합 반응보다 10배 이상 효율이 높으며, 가시광선보다는 주로 전파나 X선 영역에서 강렬한 빛을 내뿜습니다. 덕분에 우리는 직접 볼 수 없는 블랙홀의 위치와 크기를 가늠할 수 있으며, 주변 환경에 미치는 막대한 영향력을 연구할 수 있게 됩니다. 고전역학에서는 블랙홀이 물질을 빨아들이기만 한다고 보았으나, 양자역학의 관점은 다릅니다. 1970년대 제이콥 베켄슈타인과 스티븐 호킹은 블랙홀이 입자를 방출할 수 있다는 혁신적인 이론을 제시했습니다. 블랙홀 표면인 사건의 지평선 부근에서는 양자 요동에 의해 입자와 반입자 쌍이 생성되는데, 이 중 하나가 블랙홀 밖으로 탈출하면서 마치 블랙홀이 빛을 내는 것처럼 보이게 됩니다. 이는 블랙홀이 단순히 차가운 구멍이 아니라, 특정한 온도를 가지고 에너지를 방출하는 열역학적 대상임을 시사하는 중요한 발견이었습니다. 블랙홀의 온도는 그 질량에 반비례하는 특성을 가집니다. 태양 정도의 질량을 가진 블랙홀은 온도가 매우 낮아 방출하는 에너지가 미미하지만, 질량이 아주 작은 블랙홀이라면 수백억 도에 이르는 고온을 띠며 빠르게 증발할 수 있습니다. 물론 일반적인 블랙홀이 완전히 소멸하기까지는 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간이 필요합니다. 결국 블랙홀은 주변 물질을 흡수하며 성장하는 동시에, 호킹 복사를 통해 에너지를 잃으며 서서히 사라지는 역동적인 과정을 반복하며 우주의 거대한 순환 구조 속에서 존재하고 있습니다.

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물리학
천문학

[강연] 기계학습과 물리학: 생성형 인공지능의 원리_by 조정효 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 1강

올해 노벨 물리학상은 인공지능의 핵심인 인공신경망의 기초를 확립한 과학자들에게 돌아갔습니다. 존 홉필드와 제프리 힌튼 교수는 물리학적 원리를 기계 학습에 도입하여 현대 인공지능의 토대를 마련했습니다. 이들의 연구는 단순한 공학적 성과를 넘어, 우리 뇌가 정보를 처리하고 기억하는 방식을 물리학적으로 해석하려는 시도에서 시작되었습니다. 이는 복잡한 연결망 속에서 스스로 질서가 창발하는 현상을 탐구한 결과이며, 물리학과 컴퓨터 과학의 경계를 허문 혁신적인 성취로 평가받습니다. 인공신경망의 기본 단위인 퍼셉트론은 생물학적 뉴런의 작동 방식에서 영감을 얻었습니다. 여러 뉴런으로부터 들어온 신호에 가중치를 곱해 합산하고, 이 값이 특정 임계치를 넘으면 다음 뉴런으로 신호를 전달하는 구조입니다. 초기 과학자들은 이를 통해 논리 연산을 수행하며 인공지능의 가능성을 엿보았습니다. 하지만 단일 계층의 퍼셉트론은 선형적으로 분리되지 않는 배타적 논리합(XOR)과 같은 복잡한 문제를 해결하지 못한다는 한계에 부딪히기도 했습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 도입된 것이 은닉층을 포함한 다층 신경망입니다. 수학적으로 증명된 보편적 어림 정리에 따르면, 적절한 은닉층을 가진 신경망은 어떤 복잡한 함수 관계도 표현할 수 있습니다. 이는 입력 데이터를 새로운 공간으로 변환하여 문제를 해결하는 과정으로 이해할 수 있습니다. 고양이 사진을 보고 고양이라고 판단하는 복잡한 분류 작업도 결국 데이터를 다차원적으로 해석하고 변환하는 신경망의 층을 통해 가능해지며, 이는 현대 딥러닝의 근간이 되었습니다. 신경망이 깊어질수록 수많은 매개변수를 최적화하는 것이 관건이 됩니다. 제프리 힌튼 교수는 오차 역전파와 경사하강법을 통해 이 문제를 해결했습니다. 실제 정답과 예측값 사이의 오차를 정의하고, 경사가 낮아지는 방향으로 매개변수를 조금씩 수정하며 최적의 상태를 찾아가는 방식입니다. 이는 마치 복잡한 지형에서 가장 낮은 골짜기를 찾아 내려가는 과정과 같습니다. 이러한 학습 알고리즘의 발전은 딥러닝이 실질적인 성능을 발휘하고 다양한 분야에 응용되는 결정적 계기가 되었습니다. 존 홉필드 교수는 기억의 형성을 물리학의 에너지 개념으로 설명했습니다. 데이터의 패턴을 에너지 지형의 골짜기로 정의하면, 불완전한 정보가 입력되더라도 에너지가 가장 낮은 상태를 찾아가며 원래의 기억을 복원할 수 있습니다. 이는 통계 물리학의 스핀 유리 모형을 응용한 것으로, 신경세포들이 함께 활성화될 때 연결이 강화된다는 헤비안 규칙과도 일맥상통합니다. 기억이란 결국 시스템이 안정적인 에너지 상태를 찾아가는 물리적 과정이며, 이를 통해 기계는 정보를 저장하고 회상하는 능력을 갖추게 됩니다. 생성형 인공지능의 원형인 볼츠만 머신은 확률 분포를 통해 데이터를 이해합니다. 힌튼 교수는 계산량 문제를 해결하기 위해 제한된 볼츠만 머신(RBM)을 고안했고, 이를 계층적으로 쌓아 심층 신경망의 학습을 가능하게 했습니다. 데이터를 압축하고 핵심 정보를 추출하는 이 과정은 확률 분포를 변환하는 고도의 수학적 작업입니다. 오늘날 우리가 목격하는 놀라운 생성형 AI의 성취는 데이터를 확률과 정보의 관점에서 다루는 이러한 물리적 통찰에서 비롯되었으며, 이는 단순한 분류를 넘어 새로운 정보를 창조하는 단계로 나아갔습니다. 정보는 이제 물리학과 생물학을 관통하는 핵심 개념으로 자리 잡았습니다. 맥스웰의 도깨비 역설을 해결한 정보 열역학부터 '비트에서 존재로(It from bit)'라는 철학적 통찰에 이르기까지, 자연 현상을 정보 처리 과정으로 보는 시각이 확산되고 있습니다. 인공지능의 발전은 인간의 특별함에 대한 질문을 던지는 동시에, 우리가 거대한 정보의 그물망인 인포스피어의 일부임을 깨닫게 합니다. 과학은 인간이 중심이 아니라는 사실을 일깨우며, 정보라는 보편적 언어를 통해 우주와 생명을 이해하는 더 넓은 세계로 우리를 인도합니다.

조정효

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물리학

[강연] 우주의 언어, 미적분_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 1강 | 1강

우리는 종종 영화 속에서 펼쳐지는 경이로운 상상력이 실제 과학적 사실과 얼마나 맞닿아 있는지 궁금해하곤 합니다. 물리학은 단순히 복잡한 수식의 나열이 아니라, 우리가 살아가는 우주의 근본적인 작동 원리를 탐구하는 학문입니다. 특히 현대 물리학의 정수라고 할 수 있는 상대성이론과 양자역학은 시간과 공간에 대한 우리의 고정관념을 완전히 뒤흔들어 놓았습니다. 영화는 이러한 난해한 개념들을 시각적으로 구현함으로써 대중이 과학적 상상력의 지평을 넓히는 데 중요한 가교 역할을 수행합니다. 아인슈타인의 상대성이론은 시간이 누구에게나 일정하게 흐른다는 절대적 시간관을 무너뜨렸습니다. 중력이 강한 곳이나 빠른 속도로 이동하는 물체에서는 시간이 상대적으로 느리게 흐른다는 사실은 이제 현대 물리학의 상식이 되었습니다. 이러한 시공간의 왜곡은 우주의 거대한 구조를 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 우리는 이를 통해 우주가 단순히 텅 빈 공간이 아니라, 물질과 에너지가 상호작용하며 끊임없이 변화하는 역동적인 무대임을 깨닫게 됩니다. 시간의 흐름을 결정짓는 또 다른 중요한 개념은 바로 엔트로피입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 나아갑니다. 이는 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로의 변화를 의미하며, 우리가 과거와 미래를 구분할 수 있는 유일한 물리적 근거가 됩니다. 만약 엔트로피의 흐름을 거스를 수 있다면 시간의 방향 또한 바뀔 수 있다는 상상은 과학적 호기심을 자극하는 매력적인 주제이며, 이는 우주의 인과율에 대한 깊은 통찰을 제공합니다. 현대 물리학의 '블록 우주' 이론은 과거, 현재, 미래가 이미 4차원 시공간 속에 하나의 덩어리로 존재한다고 설명합니다. 우리가 느끼는 '지금'이라는 순간은 거대한 영화 필름의 한 장면과 같으며, 전체 필름은 이미 완성되어 있다는 관점입니다. 이러한 시각은 자유 의지와 결정론에 대한 깊은 철학적 질문을 던집니다. 모든 사건이 시공간 속에 고정되어 있다면, 우리가 내리는 선택은 어떤 의미를 갖는지에 대해 물리학은 새로운 해석의 가능성을 열어주며 우리를 사유의 세계로 안내합니다. 양자역학의 등장은 고전역학이 가졌던 결정론적 세계관에 커다란 균열을 일으켰습니다. 미시세계의 입자들은 확정된 위치와 속도를 갖는 대신, 확률적인 중첩 상태로 존재합니다. 이는 관측하기 전까지는 아무것도 결정되지 않았다는 놀라운 결론으로 이어집니다. 불확정성 원리는 우주가 근본적으로 우연과 확률에 기반하고 있음을 시사하며, 이는 인간이 자연을 완벽하게 예측하고 통제할 수 있다는 오만을 내려놓게 만듭니다. 이러한 불확실성은 오히려 우주의 신비로움을 더해줍니다. 관찰자의 존재가 대상의 상태를 결정한다는 양자역학의 해석은 주관과 객관의 경계를 모호하게 만듭니다. 우리가 세상을 바라보는 방식 자체가 세상의 모습에 영향을 미친다는 사실은 매우 신비롭습니다. 이는 단순히 실험실 안의 이야기가 아니라, 존재의 본질에 대한 근원적인 성찰을 요구합니다. 물리학은 이처럼 보이지 않는 미시세계의 법칙을 통해 우리가 발을 딛고 서 있는 거시세계의 실체를 다시금 돌아보게 하는 힘을 지니고 있으며, 우리의 인식 체계를 근본적으로 재구성합니다. 결국 물리학을 공부한다는 것은 우주라는 거대한 서사를 읽어 내려가는 과정과 같습니다. 과학적 발견은 때로 우리의 직관과 어긋나 당혹감을 주기도 하지만, 그 이면에 숨겨진 정교한 질서를 발견할 때 우리는 형언할 수 없는 지적 희열을 느낍니다. 복잡한 수식 너머에 존재하는 우주의 아름다움을 이해하려는 노력은 인간만이 가진 고귀한 특권입니다. 이러한 탐구 정신은 우리가 우주 속에서 자신의 위치를 찾고 삶의 의미를 되새기는 데 소중한 밑거름이 되며 미래를 향한 이정표가 되어줍니다.

박권

카오스재단카오스강연

물리학

[Q&A] '상대성 이론' 11강 Q&A_by 염동한 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론'

블랙홀 정보 손실 문제를 이해하기 위해서는 물리학에서 정의하는 '정보'의 개념을 먼저 살펴봐야 합니다. 일상적인 의미와 달리 물리학자들은 정보의 양을 측정하기 위해 엔트로피라는 척도를 사용합니다. 특히 양자역학적 관점에서의 폰 노이만 엔트로피나 얽힘 엔트로피는 특정 계에 정보가 얼마나 포함되어 있는지 판단하는 중요한 도구가 됩니다. 블랙홀로 들어간 정보가 다시 밖으로 나올 수 있는지를 계산하는 과정에서 이러한 엔트로피의 변화를 추적하는 것이 블랙홀 정보 손실 문제의 핵심이라고 할 수 있습니다. 현대 정보 이론의 기초를 세운 클로드 섀넌은 정보를 확률의 관점에서 정의했습니다. 특정 사건이 일어날 확률이 낮을수록 그 사건이 전달하는 정보의 양은 많아진다는 원리입니다. 섀넌은 통신 효율을 높이기 위해 정보를 손실 없이 압축할 수 있는 한계가 어디까지인지를 연구하며 섀넌 엔트로피라는 개념을 정립했습니다. 실용적인 통신 기술 연구에서 시작된 그의 통찰은 결국 '정보란 무엇인가'라는 근본적인 물리학적 질문에 답을 제시하게 되었으며, 오늘날 블랙홀 연구를 포함한 다양한 물리적 현상을 해석하는 밑바탕이 되었습니다. 현대 물리학의 근간을 이루는 일반 상대성 이론은 우주의 거대 구조를 설명하는 데 탁월한 성과를 보여왔습니다. 하지만 물리학자들은 이 이론이 양자 역학적 미시 세계와 결합할 때 발생하는 한계를 극복하기 위해 새로운 가능성을 모색해 왔습니다. 아인슈타인-카르탕 이론이나 브란스-디케 이론과 같은 수정 중력 이론들이 바로 그 결과물입니다. 비록 현재까지는 기존 이론을 뒤집을 만한 실험적 증거가 발견되지 않았으나, 이러한 이론적 확장은 우주의 근본 원리를 이해하려는 학문적 여정에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 물리학을 깊이 있게 연구하고자 하는 학생들에게 가장 중요한 덕목은 화려한 이론보다 탄탄한 기본기입니다. 고등한 주제나 최신 이론에 매료되어 학부 시절부터 어려운 내용에 매달리기 쉽지만, 결국 연구의 결정적인 순간에 필요한 것은 기초적인 개념과 전형적인 계산 능력입니다. 학부 과정에서 배우는 고전 역학, 전자기학, 양자 역학 등의 기초를 완벽히 다져야만 나중에 복잡한 양자 중력 이론이나 우주론을 다룰 때 흔들리지 않는 연구를 수행할 수 있습니다. 다양한 접근 경로가 존재하는 만큼, 기본을 충실히 닦는 것이 학문적 성취의 지름길입니다. 양자 중력 이론은 매우 수학적이고 추상적인 성격이 강하지만, 과학의 본질은 이론과 실험의 조화에 있습니다. 블랙홀 증발이나 양자 우주론 같은 주제들도 단순히 수식에 머물지 않고 관측 우주론이나 입자물리학 데이터와 끊임없이 맞물려 돌아가야 합니다. 최근에는 블랙홀을 양자 중력 관점에서 종합적으로 이해하려는 시도가 활발하며, 정준 양자 중력 접근법인 하틀-호킹 파동 함수 등을 활용한 연구도 진행되고 있습니다. 천문학 및 입자물리학과의 융합 연구를 통해 우리는 우주의 근원과 블랙홀의 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것입니다.

카오스재단석학인터뷰

[Q&A] '상대성 이론' 9강 Q&A_by 공진욱 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론'

허블 상수는 이름과 달리 시간에 따라 변하는 변수입니다. 다만 그 변화가 우주의 나이에 달하는 긴 시간 동안 서서히 일어나기에 현재 시점에서는 상수로 취급해도 무방합니다. 뉴턴이 상상했던 무한하고 정적인 우주는 지극히 불안정한 상태였지만, 실제 우주는 팽창이라는 역동적인 과정을 통해 현재의 모습을 유지하고 있습니다. 우리가 관측하는 우주의 팽창 속도는 전 영역에 걸친 평균값으로 도출되며, 이는 우주가 거시적인 관점에서 매우 균질하게 팽창하고 있음을 시사합니다. 빅뱅의 특이점은 공간의 크기가 0에 수렴할 정도로 극도로 작았기에 밀도가 무한히 높았습니다. 이론적으로는 원자 하나만으로도 블랙홀이 될 수 있는 조건이었으나, 우주 초기의 인플레이션(급팽창)과 같은 초기 조건 덕분에 블랙홀로 붕괴하지 않고 팽창할 수 있었습니다. 빅뱅 이전의 공간이나 시간에 대한 질문은 현대 과학에서 큰 의미를 갖지 못합니다. 빅뱅과 함께 우리가 인지하는 시공간이 비로소 정의되었기 때문이며, 그 이전에는 우리가 이해할 수 있는 형태의 공간 자체가 존재하지 않았다고 보는 것이 타당합니다. 암흑 에너지는 우주 전체에 고르게 퍼져 가속 팽창을 일으키는 미지의 힘으로 정의됩니다. 과학자들은 암흑 에너지가 단순히 고정된 우주 상수인지, 아니면 미세한 밀도 차이를 가진 에너지 장인지 연구하고 있습니다. 만약 암흑 에너지에 섭동이 존재한다면 이는 은하들의 분포와 상관관계에 미세한 영향을 미쳤을 것입니다. 은하들이 서로 떨어져 있는 거리를 정밀하게 분석함으로써 과거 우주의 팽창 역사를 재구성할 수 있으며, 이를 통해 암흑 에너지의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다. 우주의 구조 형성은 암흑물질의 이동 속도와 밀접한 관련이 있습니다. 속도가 느린 암흑물질은 미세한 중력의 굴곡을 모두 받아들여 물질을 모으고, 임계 밀도를 넘어서면 중력 붕괴를 통해 첫 번째 별과 은하를 탄생시킵니다. 반면 매우 빠르게 움직이는 암흑물질은 작은 규모의 중력 차이를 무시하고 지나치기에, 거대한 규모에서만 구조를 형성하게 됩니다. 이러한 차이는 우주 배경 복사 이후 물질들이 어떻게 엉겨 붙어 현재의 은하 지도를 그렸는지를 설명하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 우주 배경 복사는 우주 전체에서 거의 동시에 일어난 사건의 흔적으로, 우리를 중심으로 하는 거대한 구의 표면과 같은 형태를 띱니다. 이는 특정 깊이를 가진 공간이라기보다 138억 년 전의 찰나를 기록한 아주 얇은 껍질에 가깝습니다. 한편 우주가 팽창함에 따라 엔트로피 밀도는 점차 감소하며, 이는 시간의 흐름과 열역학적 변화를 연결하는 중요한 지표가 됩니다. 비록 암흑 에너지와 엔트로피의 정확한 상관관계는 여전히 베일에 싸여 있지만, 이러한 탐구는 자연의 본성을 이해하는 여정이 됩니다.

카오스재단석학인터뷰

[강연] 중력을 못 이겨 블랙홀, 그 안과 밖의 이야기_ by 강궁원 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 7강 | 7강

별은 탄생과 동시에 중력과 압력의 끊임없는 투쟁을 시작합니다. 제임스 웹 우주 망원경이 포착한 성운의 모습처럼, 밀도 섭동은 중력 수축을 유도하며 별의 씨앗을 만듭니다. 태양과 같은 별이 안정적으로 유지되는 이유는 내부에서 발생하는 압력이 중력의 수축을 견뎌내며 평형을 이루기 때문입니다. 뉴턴 역학에서는 이를 단순한 힘의 균형으로 설명하지만, 일반 상대성 이론의 관점에서는 에너지와 압력 자체가 시공간을 휘게 하여 중력을 더욱 강화하는 복합적인 과정으로 이해할 수 있습니다. 별의 질량이 특정 임계치를 넘어서면 압력은 더 이상 중력의 압도적인 수축을 막아내지 못합니다. 이를 찬드라세카르 한계라 부르며, 이 지점을 넘긴 별은 중심을 향해 무한히 붕괴하는 중력 붕괴의 길을 걷게 됩니다. 모든 물질이 한 점으로 모이는 이 극단적인 과정의 최종 상태가 바로 블랙홀입니다. 블랙홀은 그 곡률이 너무나 강력하여 어떤 물질도 빠져나올 수 없는 시공간의 구멍을 형성하며 우주의 가장 극단적인 물리 현상을 보여줍니다. 1916년 슈바르츠실트는 아인슈타인 방정식을 풀어 구대칭을 갖는 진공 상태의 해를 처음으로 발견했습니다. 이 해는 블랙홀 주위의 시공간이 어떻게 휘어져 있는지를 수학적으로 완벽하게 기술합니다. 슈바르츠실트 계량에 따르면, 중심에서 특정 거리인 사건의 지평선에서는 시공간의 기하학적 성질이 매우 특이해집니다. 멀리 떨어진 곳에서는 평탄했던 시공간이 블랙홀에 가까워질수록 급격히 휘어지며, 중심부인 특이점에서는 시공간의 곡률이 무한대에 도달하게 됩니다. 블랙홀의 가장 신비로운 특징은 사건의 지평선이라 불리는 인과적 경계면입니다. 빛의 경로를 나타내는 광추 구조를 살펴보면, 지평선에 가까워질수록 빛이 외부로 나가는 데 걸리는 시간이 무한히 길어지는 현상을 관찰할 수 있습니다. 지평선 내부로 들어선 빛은 어떤 경로를 택하더라도 결국 중심을 향할 수밖에 없으며, 이는 시공간의 구조 자체가 안쪽으로만 열려 있음을 의미합니다. 따라서 사건의 지평선은 단순한 경계가 아니라, 외부 우주와 내부를 영원히 격리하는 일방통행의 관문과 같습니다. 지평선 내부로 진입하면 우리가 알던 시간과 공간의 개념은 완전히 뒤바뀌게 됩니다. 외부에서는 공간 좌표였던 반지름 방향의 거리 r이 내부에서는 시간의 역할을 수행하며, 반대로 시간 좌표였던 t는 공간의 성질을 띠게 됩니다. 이는 블랙홀 내부에서 중심을 향해 이동하는 것이 공간상의 움직임이 아니라, 피할 수 없는 미래를 향한 시간의 흐름임을 뜻합니다. 즉, 블랙홀 중심의 특이점은 공간적인 위치가 아니라 모든 사건이 종결되는 시간의 끝으로 해석되어야 하며, 그곳에서 물리적 시간은 유한하게 멈춥니다. 수학적으로 확장된 슈바르츠실트 시공간은 블랙홀뿐만 아니라 화이트홀과 또 다른 우주의 존재 가능성을 시사하기도 합니다. 크루스칼 좌표계는 이러한 복잡한 시공간 구조를 네 개의 영역으로 나누어 명확하게 보여줍니다. 하지만 실제 천체물리학적 관점에서 형성되는 블랙홀은 별의 중력 붕괴라는 구체적인 사건을 통해 탄생하므로, 수학적 해가 제시하는 화이트홀이나 평행 우주와 같은 영역은 실존하지 않을 가능성이 큽니다. 실제 블랙홀은 과거의 평탄했던 시공간이 붕괴를 거쳐 형성된 동적인 결과물입니다. 블랙홀은 현대 물리학이 해결해야 할 수많은 미해결 과제를 품고 있는 거대한 실험실입니다. 은하 중심의 초거대 블랙홀 형성 기작부터 블랙홀 쌍성의 병합이 만들어내는 중력파, 그리고 양자 역학적 효과로 입자를 방출하는 호킹 복사에 이르기까지 탐구 영역은 무궁무진합니다. 특히 중심 특이점에서 발생하는 무한대의 문제는 일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합할 양자 중력 이론의 필요성을 강력하게 시사합니다. 중력파 천문학의 시대가 열린 지금, 블랙홀은 우주의 근원적 비밀을 풀 핵심 열쇠로 주목받고 있습니다.

강궁원

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[질문과 토론의 과학 #35] 다중우주론은 왜 나왔나?

시간은 우리에게 너무나 당연한 흐름이지만, 물리학의 관점에서 보면 그 방향성은 매우 흥미로운 질문을 던집니다. 일상에서 공을 던지는 물리적 현상은 거꾸로 돌려도 어색하지 않지만, 생명체가 늙어가거나 뜨거운 물이 식는 과정은 결코 되돌릴 수 없기 때문입니다. 결국 시간의 방향성이란 과거와 미래를 구별할 수 있는 근거가 무엇인지에 대한 탐구로 이어집니다. 우주가 영원히 변하지 않는다면 시간은 큰 의미가 없겠지만, 팽창하는 우주 속에서 모습이 계속 변해간다는 사실은 시간이 특정한 방향으로 흐르고 있음을 명확히 시사합니다. 19세기 물리학자들은 시간의 방향성을 이해하기 위해 열역학 제2법칙을 정립하고 엔트로피라는 개념을 도입했습니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피가 계가 가질 수 있는 미시적 상태의 수와 관련이 있음을 밝혀냈습니다. 엔트로피가 낮다는 것은 가능한 상태의 수가 적은 질서정연한 상태를 의미하며, 엔트로피가 높다는 것은 확률적으로 훨씬 더 많은 상태가 존재하는 무질서한 상태를 뜻합니다. 결국 자연은 확률이 낮은 상태에서 높은 상태로 나아가려는 경향이 있으며, 이러한 확률적 흐름이 우리가 체감하는 시간의 방향을 결정짓는 근본적인 원인이 됩니다. 우주가 시간의 방향성을 갖는 근본적인 배경에는 초기 우주의 상태가 자리 잡고 있습니다. 우리 우주는 탄생 직후 지극히 낮은 엔트로피라는 매우 정교하고 특별한 질서 상태에서 출발했습니다. 만약 우주가 처음부터 모든 에너지가 균일하게 퍼진 상태였다면, 어제와 오늘 그리고 내일의 모습에 아무런 차이가 없어 시간의 흐름 자체가 무의미했을 것입니다. 따라서 현재 우리가 목격하는 우주의 변화와 복잡성은 초기 우주가 가졌던 아주 낮은 확률의 특별한 조건 덕분에 가능해진 결과라고 볼 수 있습니다. 가속 팽창하는 우주의 미래는 암흑 에너지의 성질에 따라 결정될 것입니다. 현재의 관측 결과에 따르면 우주는 시간이 흐를수록 점점 더 빠르게 팽창하며 식어갈 것으로 예측됩니다. 생명체는 외부와 에너지를 주고받으며 엔트로피 증가를 늦추는 특별한 존재이지만, 우주 전체는 외부가 존재하지 않기에 엔트로피가 계속 증가할 수밖에 없습니다. 결국 먼 미래의 우주는 모든 에너지가 균등하게 퍼져 더 이상 아무런 변화도 일어나지 않는 열적 평형에 도달하게 될 가능성이 큽니다. 이는 우주가 겪게 될 가장 고요하고도 거대한 종말의 모습이라고 할 수 있습니다. 우주의 물리 상수들이 생명체가 탄생하기에 너무나 정교하게 맞춰져 있다는 사실은 인류 원리라는 독특한 개념을 낳았습니다. 특히 약한 인류 원리는 수많은 다중 우주가 존재하며, 그중 우연히 생명체가 살 수 있는 조건을 갖춘 우주에서만 관측자가 존재할 수 있다고 설명합니다. 이는 우리 우주가 왜 이토록 특별한 초기 조건과 물리 법칙을 가졌는지에 대한 확률적 해답을 제시합니다. 결국 시간의 방향성에서 시작된 질문은 우주의 기원과 다중 우주의 가능성, 그리고 그 속에서 인간이라는 존재가 갖는 의미를 되새기게 하며 현대 물리학의 지평을 넓혀주고 있습니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[페스티벌+어스] 지구에서 본 우주 by 윤성철, 심채경 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

우주는 겉보기에 차갑고 텅 빈 죽음의 공간처럼 보이지만, 역설적으로 그 안에서 생명을 잉태하는 모순적인 장소입니다. 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소가 화산 폭발이라는 재난을 통해 공급되어 지구를 따뜻하게 유지하듯, 우주의 거친 환경 또한 생명 탄생의 필수적인 배경이 됩니다. 광활한 우주에 흩어진 수조 개의 은하와 수많은 별은 단순한 천체가 아니라, 생명이 존재할 수 있는 물리적 토대를 마련하는 거대한 시스템의 일부라고 할 수 있습니다. 열역학 제2법칙에 따르면 모든 사물은 질서 있는 상태에서 무질서한 평형 상태로 나아갑니다. 하지만 생명은 주변과 끊임없이 에너지를 주고받으며 스스로를 비평형 상태로 유지하는 독특한 현상입니다. 만약 우주가 영원히 정지해 있었다면 이미 최대 엔트로피에 도달해 죽음의 공간이 되었겠지만, 빅뱅이라는 거대한 사건이 우주를 동적인 변화의 상태로 몰아넣었습니다. 이러한 변화와 비평형 상태 덕분에 우리는 정지된 죽음이 아닌 역동적인 생명을 유지할 수 있습니다. 빅뱅 직후 우주에는 수소와 헬륨뿐이었으나, 중력의 작용으로 별이 탄생하면서 생명에 필요한 중원소들이 만들어지기 시작했습니다. 별의 내부에서 일어나는 핵융합 반응은 탄소, 산소, 질소와 같은 필수 원소들을 합성하고, 초신성 폭발을 통해 이를 우주 공간으로 흩뿌립니다. 이렇게 순환하는 물질들은 다음 세대의 별과 행성을 구성하는 재료가 되며, 시간이 흐를수록 우주 전체에서 생명이 탄생할 가능성은 점차 증가하는 과정을 거치게 됩니다. 생명체가 살기 위해서는 중심 별로부터 너무 뜨겁지도 차갑지도 않은 적절한 거리, 즉 '생명체 거주 가능 지대(Habitable Zone)'가 확보되어야 합니다. 천문학자들은 이 지대를 중심으로 수천 개의 외계 행성을 탐색하며 생명의 흔적을 찾고 있습니다. 최근에는 제임스 웹 우주망원경과 같은 첨단 장비를 통해 외계 행성 대기에서 수증기의 신호를 포착하는 등, 지구가 아닌 다른 곳에서도 생명이 존재할 수 있는 환경을 확인하려는 노력이 활발하게 이어지고 있습니다. 전통적인 생명체 거주 가능 지대를 벗어난 곳에서도 생명의 가능성은 발견됩니다. 목성의 위성 유로파나 토성의 위성 엔셀라두스처럼 표면이 얼음으로 덮인 천체들은 그 아래에 거대한 지하 바다를 품고 있을 것으로 추정됩니다. 태양 빛이 직접 닿지 않는 깊은 곳이라도 내부의 열에너지를 이용한 화학합성을 통해 생태계가 유지될 수 있다는 사실은, 생명의 조건이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 다양하고 강인할 수 있음을 시사하는 중요한 발견입니다. 단순히 물이 존재하는 것을 넘어, 그 안에 염분과 유기 화합물이 포함되어 있는지는 생명 탐사에서 매우 중요한 지표가 됩니다. 지구의 심해 열수구 주변에서 햇빛 없이도 다양한 생명체가 번성하듯, 외계 위성의 지하 바다에서 뿜어져 나오는 간헐천 성분은 그곳이 생명을 부양할 수 있는 화학적 에너지를 갖췄는지 알려줍니다. 이러한 발견들은 생명의 근원이 반드시 태양 에너지에만 국한되지 않음을 보여주며 인류의 우주 탐사 범위를 획기적으로 넓혀줍니다. 우주적 관점에서 지구는 광활한 어둠 속에 홀로 떠 있는 '창백한 푸른 점'에 불과하며, 생존을 위해 치러야 하는 대가는 지독한 외로움일지도 모릅니다. 하지만 이 외로움은 역설적으로 지구가 생명이 살기에 얼마나 안락하고 보호받는 공간인지를 증명하는 증거이기도 합니다. 우주를 탐구하며 다른 생명체를 찾는 여정은 결국 우리가 발을 딛고 있는 이 행성이 얼마나 특별하고 소중한지를 깨닫고, 이를 보존해야 한다는 책임감을 느끼게 하는 숭고한 과정입니다.

심채경, 윤성철

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

물리학
천문학

[질문Q] 태운 종이가 다시 종이가 되는 건 왜 불가능할까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강

20세기 들어 정밀한 냉각 기술이 발전하며 절대 영도에 근접하는 것이 가능해졌습니다. 비록 이론적인 절대 영도에 완전히 도달할 수는 없지만, 현대 과학은 레이저 냉각 등을 통해 10억분의 1 켈빈 수준까지 온도를 낮추는 성과를 거두었습니다. 이러한 극저온 환경에서의 실험은 열역학 제3법칙이 명시하는 엔트로피의 거동을 확인하는 중요한 계기가 되었습니다. 특히 온도를 내리는 속도에 따라 엔트로피가 0이 되는 상태에 도달하거나, 혹은 '퀜칭' 현상으로 인해 가장 안정한 상태가 여러 개 생기는 등 다양한 물리적 양상이 연구되었습니다. 엔트로피의 기준이 인위적이라는 오해와 달리, 통계역학의 등장은 엔트로피에 명확한 수학적 근거를 부여했습니다. 19세기 후반 볼츠만에 의해 정립된 통계역학적 엔트로피는 열역학적 엔트로피와 동일한 물리량임이 밝혀졌으며, 이는 단순히 인간이 정한 임의의 척도가 아님을 증명했습니다. 모든 미시적 상태가 존재할 확률이 동일하다는 가정을 바탕으로 거시적 물성을 유도해내는 과정은 과학사에서 매우 정교한 성취로 평가받습니다. 이를 통해 엔트로피는 자연에서 일어나는 모든 변화의 방향을 결정하는 절대적인 지표로 자리 잡게 되었습니다. 우주에서 별이 생성되는 과정은 엔트로피 증가 법칙에 위배되는 것처럼 보일 수 있지만, 이는 시스템의 범위를 어떻게 설정하느냐의 문제입니다. 성간 먼지가 중력에 의해 모이면서 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되고, 이 과정에서 온도가 급격히 상승합니다. 이때 별 자체는 열을 외부로 방출하는 비고립계이기 때문에, 국소적으로는 에너지가 낮아지는 것처럼 보여도 전체 시스템의 관점에서는 물리 법칙을 충실히 따르고 있습니다. 즉, 별의 탄생은 고립계가 아닌 환경과의 상호작용 속에서 일어나는 자연스러운 에너지 변환의 결과라고 할 수 있습니다. 종이가 타서 재가 되는 화학 반응처럼 우리 주변의 변화는 대부분 비가역적입니다. 탄수화물이 산소와 결합하여 이산화탄소와 물로 변하는 과정은 에너지가 안정화되는 방향으로 흐르며, 이를 다시 원래의 상태로 되돌리기는 매우 어렵습니다. 설령 국소적으로 엔트로피가 감소하는 현상이 관찰되더라도, 인접한 계나 우주 전체를 아울러 보면 그 감소분을 상쇄하고도 남을 만큼의 엔트로피 증가가 반드시 일어납니다. 우주가 팽창하지 않고 일정한 크기를 유지한다고 가정하더라도, 전체 엔트로피는 비가역 과정을 통해 끊임없이 증가한다는 것이 현대 물리학의 결론입니다. 통계역학은 그 단순함과 우아함 면에서 독보적인 학문입니다. 여러 개의 전제가 필요한 양자역학에 비해, 모든 미시적 상태의 확률이 같다는 단 하나의 전제만으로 우주의 거시적 성질을 꿰뚫어 보기 때문입니다. 볼츠만이 정립한 이 체계는 분자의 미시적 물성으로부터 거시적 현상을 유도해낼 수 있게 해준 위대한 성취입니다. 인간의 순수한 사고만으로 자연의 법칙을 유추해낸 통계역학은 과학이 도달할 수 있는 가장 아름다운 논리적 경지를 보여줍니다. 복잡한 수식 너머에 존재하는 자연의 질서를 가장 명쾌하게 설명해내는 도구인 셈입니다.

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[질토과+짧강] 🧬생명현상과 엔트로피_by성재영｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강

통계역학의 관점에서 생명은 매우 특별한 상태입니다. 우리 주변의 공기 입자들이 갑자기 한쪽으로 쏠려 숨을 쉬지 못하게 될 확률은 거의 0에 가깝습니다. 이는 마치 원숭이가 타자기를 쳐서 지구상의 모든 정보를 우연히 기록할 확률만큼이나 희박한 일입니다. 생명체는 이처럼 무한히 낮은 확률을 뚫고 고도의 질서를 유지하는 존재입니다. 수많은 분자가 모여 하나의 생명체를 이루고 그 상태를 지속하는 것은 에너지를 끊임없이 소비하며 엔트로피 증가에 저항하는 경이로운 과정이라 할 수 있습니다. 우리가 세상을 보고 듣는 감각 현상 또한 정교한 화학 반응의 산물입니다. 눈의 망막에 있는 분자들은 빛을 받으면 구조를 바꾸며 전기 신호를 생성하고, 귀의 청각 세포들은 소리의 진동에 맞춰 움직이며 이온을 흐르게 합니다. 이러한 개별적인 효소 반응들은 겉보기에는 매우 무질서해 보일 수 있지만, 생명체 내부에서는 정교하게 설계된 체계를 통해 질서정연한 신호로 변환됩니다. 결국 생명 현상의 본질은 무질서한 분자들의 움직임을 조절하여 의미 있는 정보를 만들어내는 데 있습니다. 생명체가 질서를 구현하는 핵심 기제는 바로 효소 반응 네트워크에 있습니다. 대장균과 같은 단순한 단세포 생물조차도 수많은 단백질과 효소를 이용해 먹이를 찾고 독성 물질을 피하는 복잡한 판단을 내립니다. 개별 효소의 반응은 무작위적이지만, 이들이 얽혀 있는 네트워크는 전체적인 조화를 이루며 생명 기능을 수행합니다. 최근 연구에 따르면 이러한 반응 속도의 유동성과 무질서도를 설명하는 '화학 유동 법칙'이 존재함이 밝혀졌으며, 이는 생명이 어떻게 수학적 정교함을 바탕으로 유지되는지 보여줍니다. 유전자는 생명체가 질서를 유지하기 위해 참조하는 정보의 원천입니다. 부모로부터 물려받은 유전 정보는 세포 내 반응 네트워크를 설계하는 설계도 역할을 하며, 정보량이 많아질수록 시스템의 엔트로피는 감소하게 됩니다. 흥미로운 점은 같은 유전자를 가진 세포라도 단백질의 개수나 상태가 조금씩 다르다는 것입니다. 생명체는 이러한 미세한 무질서와 변동성을 오히려 이용해 세포의 기능을 다양화하고 환경에 적응합니다. 즉, 완벽한 통제보다는 적절한 불확실성을 활용하는 것이 생명의 생존 전략인 셈입니다. 생명체의 조절 능력이 한계를 벗어나 질서가 무너질 때 우리는 이를 질병이라 부릅니다. 암세포의 무분별한 증식이나 혈당 조절의 실패는 세포 내 화학 반응 네트워크의 균형이 깨진 결과입니다. 따라서 현대 과학은 시스템생물학적 관점에서 이러한 네트워크를 복구하고 엔트로피를 관리하는 치료법을 연구하고 있습니다. 노화 역시 엔트로피 증가에 따른 자연스러운 과정이지만, 에너지를 극도로 소비하여 젊음을 되찾는 일부 생명체의 사례는 우리가 생명의 가역성과 질서 유지에 대해 더 깊이 탐구할 여지를 남겨줍니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[명강리뷰] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강

에너지는 우리 주변의 모든 변화를 일으키는 근본적인 원동력입니다. 물리적인 상태 변화부터 복잡한 생명 현상에 이르기까지 에너지는 물질의 상태를 바꾸는 핵심적인 역할을 수행합니다. 흥미로운 점은 대부분의 화학 반응이 단순히 낮은 에너지 상태로 바로 이행하지 않는다는 것입니다. 반응물과 생성물 사이에는 일종의 '에너지 장벽'이 존재하여, 외부에서 열이나 에너지를 가해주어야만 비로소 변화가 시작됩니다. 이러한 화학적 에너지를 전문 용어로 '엔탈피'라고 부르며, 이는 대기압 상태에서의 에너지 변화를 의미합니다. 화학 에너지는 분자 내부에 잠재적으로 저장된 에너지로 이해할 수 있습니다. 높은 곳에 놓인 바위가 언제든 아래로 떨어질 잠재력을 가진 것처럼, 화학 결합 안에 내재된 에너지는 적절한 자극이 주어질 때 외부로 방출됩니다. 예를 들어 에탄올이 연소하면 이산화탄소와 물이라는 매우 안정한 물질로 변하며 막대한 에너지를 내놓습니다. 여기서 '안정하다'는 표현은 상대적인 개념입니다. 원자 상태로 해체되었을 때보다 결합된 상태가 에너지가 낮기 때문에 안정하다고 평가하며, 이러한 에너지 차이가 변화의 방향을 결정하는 중요한 지표가 됩니다. 생명체와 기계는 끊임없이 에너지를 소모하며 이산화탄소와 물 같은 안정적인 최종 산물을 배출합니다. 만약 지구가 이러한 소모 과정만 반복한다면 결국 모든 자원이 고갈되어 생태계가 유지될 수 없을 것입니다. 하지만 식물은 광합성이라는 놀라운 기술을 통해 이 흐름을 역전시킵니다. 태양 에너지를 이용하여 에너지적으로 쓸모없어진 물질들을 다시 고에너지의 유기물로 합성해 내는 것입니다. 이는 우주에서 유입되는 에너지를 활용해 지구상의 생명 활동이 지속될 수 있도록 만드는 마법 같은 순환 구조라고 할 수 있습니다. 변화의 방향을 결정하는 또 다른 중요한 요소는 '엔트로피'입니다. 향수 분자가 방 안으로 퍼지거나 물에 떨어진 잉크가 확산하는 현상은 에너지의 변화만으로는 설명하기 어렵습니다. 엔트로피는 체계의 무질서도를 나타내며, 자연은 항상 확률적으로 더 높은 상태인 무질서한 방향으로 흐르려는 성질을 가집니다. 수많은 입자가 한곳에 모여 있을 확률보다 골고루 퍼져 있을 확률이 압도적으로 높기 때문입니다. 이러한 확률의 법칙은 거창한 의지가 개입하지 않더라도 자연스럽게 무질서가 증가하는 현상을 명쾌하게 설명해 줍니다. 진화는 단순한 생명체에서 복잡한 구조로 나아가는 과정이기에 엔트로피 법칙에 어긋나는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 생명체는 외부와 끊임없이 에너지를 주고받는 개방계입니다. 우리는 음식을 섭취하고 대사 작용을 함으로써 스스로의 질서를 유지하고, 그 대가로 주변 환경의 엔트로피를 증가시킵니다. 프리고진과 같은 과학자들은 에너지 소모를 통해 새로운 구조가 만들어지는 '자기 조직화' 개념을 정립했습니다. 결국 생명은 우주의 무질서 속에서 에너지를 정교하게 사용하여 자신만의 질서를 구축해 나가는 경이로운 존재입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[인터뷰] 김항배_상대성이론이 과학계에 준 가장 큰 충격은 무엇인가요?

우주는 가장 작은 소립자의 세계부터 가장 거대한 은하계에 이르기까지 하나의 일관된 원리로 연결되어 있습니다. 현대 물리학은 우리 우주가 양자 요동이라는 미세한 떨림으로부터 시작되었다고 설명합니다. 이러한 양자 요동은 급팽창 이론을 통해 별과 은하 같은 거대한 구조를 만들어내는 씨앗이 되었습니다. 입자 물리학과 우주론을 아우르는 연구는 결국 인간이라는 존재가 어떻게 이 광활한 우주 속에 등장하게 되었는지 그 기원을 추적하는 과정이라 할 수 있습니다. 우주의 미래를 예측하는 일은 매우 복잡하지만, 거시적인 관점에서 우주는 의외로 단순한 구조를 지니고 있습니다. 현재 우주의 운명을 결정짓는 가장 중요한 열쇠는 공간을 가득 채우고 있는 암흑 에너지가입니다. 만약 암흑 에너지가 진공 에너지와 같은 성질을 유지한다면, 우주는 영원히 가속 팽창하며 점차 식어갈 것입니다. 결국 모든 별이 수명을 다하고 절대영도에 가까운 차가운 암흑 속으로 사라지는 허무한 결말이 우리를 기다리고 있을지도 모릅니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 우리가 시공간을 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 특수 상대성 이론이 빛의 속도에 가까운 운동에서 시간과 공간이 하나로 얽혀 있음을 보여주었다면, 일반 상대성 이론은 물질의 존재가 시공간의 기하학적 구조를 결정한다는 사실을 일깨워 주었습니다. 즉, 우리가 어디에 있느냐와 주변에 얼마나 많은 물질이 있느냐에 따라 시간의 흐름과 거리의 척도가 달라지는 것입니다. 이는 우주라는 거대한 무대를 이해하기 위한 필수적인 열쇠입니다. 과학의 심오한 원리를 대중에게 전달하는 과정은 또 다른 도전입니다. 태양계의 구조를 설명할 때 단순히 행성의 나열을 넘어 실제 우주가 가진 압도적인 공간감과 빈 여백을 시각화하는 작업이 중요합니다. 우리가 흔히 보는 모형들은 실제 거리감을 제대로 반영하지 못하는 경우가 많기 때문입니다. 과학적 사실을 정확하게 전달하면서도 독자들이 우주의 광활함을 체감할 수 있도록 돕는 것은 과학 저술가가 지향해야 할 중요한 가치 중 하나라고 할 수 있습니다. 과학자에게 가장 큰 희열은 새로운 가설을 세우고 그것이 동료들에게 인정받는 순간에 찾아옵니다. 암흑 물질이나 여분 차원과 같은 난해한 주제를 탐구하며 우주의 비밀을 한 꺼풀 벗겨낼 때의 짜릿함은 연구를 지속하게 하는 원동력이 됩니다. 최근에는 엔트로피와 원자에 관한 새로운 저술 활동을 통해 대중과 소통하려는 노력이 이어지고 있습니다. 과학적 오류를 바로잡고 더 깊은 통찰을 공유하려는 이러한 시도들은 우리 사회의 지적 지평을 넓히는 데 기여할 것입니다.

김항배

카오스재단석학인터뷰

물리학

[강연] 무질서계가 보이는 복잡하고 놀라운 세상 by 여준현 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 3강

복잡계 물리학은 우리 일상과 동떨어진 학문처럼 보이지만, 사실 세포나 박테리아, 인간 사회에 이르기까지 수많은 구성원이 모여 상호작용하는 모든 곳에 존재합니다. 2021년 노벨 물리학상은 이러한 복잡계의 본질을 규명한 학자들에게 수여되었습니다. 특히 조르조 파리시 교수는 무질서한 시스템 속에 숨겨진 패턴을 발견함으로써, 복잡계 물리학이 정립된 학문으로 인정받는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 단순한 물리 법칙을 넘어 자연의 복잡성을 이해하는 새로운 지평을 열었다는 평가를 받습니다. 물리학의 전통적인 접근 방식은 물질의 가장 근본적인 단위를 파고드는 것이었습니다. 하지만 필립 앤더슨이 주창한 '많으면 다르다(More is different)'라는 명제는 개별 입자의 법칙을 안다고 해서 전체 시스템을 완벽히 이해할 수 없음을 시사합니다. 물 분자 사이의 미시적 법칙은 동일하지만, 온도가 변함에 따라 물이 얼음으로 변하는 거시적 상전이가 나타나는 것이 대표적인 예입니다. 수많은 구성 요소가 모였을 때 비로소 나타나는 새로운 물리적 규칙들을 이해하는 것이 복잡계 연구의 핵심입니다. 상전이를 이해하는 현대 물리학의 핵심 도구는 '대칭성 깨짐'입니다. 예를 들어 액체 상태에서는 공간의 어느 방향으로든 평행 이동해도 에너지가 변하지 않는 높은 대칭성을 가집니다. 그러나 온도가 낮아져 고체가 되면 입자들이 특정 격자 자리를 차지하게 되면서 대칭성이 낮은 상태로 변합니다. 자성체 역시 고온에서는 무작위 방향을 향하던 스핀들이 저온에서 특정 방향을 택하며 자성을 띠게 됩니다. 이러한 대칭성 깨짐은 무질서한 상태에서 질서가 형성되는 과정을 설명하는 중요한 원리입니다. 파리시 교수가 연구한 '스핀 유리'는 자성체에 불순물이 섞여 무질서가 극대화된 시스템입니다. 여기서는 스핀들 사이의 상호작용이 거리에 따라 양수와 음수를 오가며 복잡하게 얽힙니다. 이로 인해 스핀들이 어느 방향을 향해야 에너지가 낮아질지 결정하지 못하는 '쩔쩔맴(Frustration)' 현상이 발생합니다. 친구와 원수가 뒤섞인 인간관계에서 누구 편을 들지 고민하는 상황처럼, 스핀들도 최적의 상태를 찾지 못하고 방황하게 됩니다. 이러한 무질서와 쩔쩔맴(Frustration)이 스핀 유리의 독특한 복잡성을 만들어냅니다. 복잡한 스핀 유리 시스템을 수학적으로 풀기 위해 물리학자들은 '복제'라는 기발한 방법을 도입했습니다. 시스템의 복제본들을 여러 개 만들어 계산한 뒤, 복제본의 수를 0으로 보내는 극한을 취하는 방식입니다. 초기에는 모든 복제본이 동일하다는 '복제 대칭성'을 가정했으나, 이는 저온에서 엔트로피가 음수가 되는 등 물리적 오류를 낳았습니다. 이는 기존의 단순한 대칭성 가정으로는 무질서한 시스템의 복잡한 바닥 상태를 온전히 설명할 수 없음을 의미하며, 새로운 돌파구가 필요한 시점이었습니다. 조르조 파리시 교수는 복제본들 사이의 대칭이 깨져야 한다는 '복제 대칭성 깨짐'이라는 혁신적인 아이디어를 제시했습니다. 그는 행렬을 무한히 쪼개는 수학적 기법을 통해 스핀 유리가 단 하나의 안정된 상태가 아닌, 무수히 많은 에너지 골짜기를 가진다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 골짜기들은 서로 닮은 정도에 따라 가계도와 같은 계층적 구조를 이루고 있습니다. 이는 무질서한 시스템이 단순히 혼란스러운 것이 아니라, 그 내부에 정교하고 복잡한 수학적 질서가 숨어 있음을 증명한 놀라운 발견이었습니다. 파리시의 방법론은 물리학을 넘어 최적화 문제, 신경망 모델링, 단백질 접힘 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 수많은 도시를 방문하는 최단 경로를 찾는 외판원 문제나 뇌의 뉴런 작용을 이해하는 과정에서도 이 복잡계 이론이 핵심적인 도구로 쓰입니다. 이는 직관으로 이해하기 힘든 복잡한 현상을 수학이라는 등불을 통해 명확히 비춰낼 수 있음을 보여줍니다. 결국 복잡계 물리학은 무질서해 보이는 세상 속에서 보이지 않는 패턴을 찾아내어 현대 과학의 영역을 확장하고 있습니다.

여준현

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학

[질문Q] 인간의 정신을 컴퓨터로 재현할 수 없을까?'ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강ㅣ생명체의 탄생

현대 생명공학은 DNA를 단순히 복제하거나 편집하는 단계를 넘어, 화학적으로 직접 합성하는 시대로 접어들었습니다. 과거에는 기존의 유전자를 잘라 붙이거나 증폭하는 방식에 의존했지만, 이제는 원하는 염기서열을 자유롭게 디자인하여 새로운 기능을 가진 유전자를 만들어낼 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 유전자를 설계의 대상으로 바라보게 하며, 저렴한 비용으로 맞춤형 생명 정보를 생성하는 '디자이너 유전자'의 시대를 열고 있습니다. 이는 생명체의 기본 설계도를 인간이 직접 작성할 수 있음을 의미합니다. 개체가 모여 복잡한 집단을 이룰 때 나타나는 '창발성'은 현대 과학의 흥미로운 화두입니다. 새 떼가 개별 새에게서는 볼 수 없는 독특한 움직임을 보이듯, 수많은 컴퓨터와 인공 신경망이 연결된 네트워크에서도 새로운 속성이 나타날 수 있습니다. 일부 학자들은 인간의 의식 역시 복잡한 신경 회로에서 비롯된 창발적 특성 중 하나라고 설명합니다. 인공지능이 고도로 복잡해지면 자의식과 같은 인간 고유의 영역이 자연스럽게 부상할 수 있다는 상상은 여기서 시작되며, 이는 기계가 생명과 같은 속성을 가질 가능성을 시사합니다. 세포 내 미토콘드리아는 과거 독립적인 박테리아였으나 공생을 통해 세포의 일부가 된 독특한 역사를 가지고 있습니다. 이 과정에서 미토콘드리아는 자신의 유전자 대부분을 핵으로 이전하고, 생존에 필수적인 일부 유전자만을 유지하며 세포와 운명을 함께하게 되었습니다. 세포가 분열할 때 미토콘드리아 역시 스스로 분열과 융합을 반복하며 숫자를 조절합니다. 또한 지질 합성 효소를 통해 스스로의 막을 키워나가는 정교한 메커니즘을 통해 생명 활동을 지속하며 세포의 에너지 공장 역할을 수행합니다. 인공지능이 인간의 지능을 초월하는 '특이점'에 대한 논의는 미래학자들 사이에서 뜨거운 감자입니다. 2045년경 기계가 인간을 넘어서고 영생의 시대가 올 것이라는 급진적인 전망도 존재하지만, 실제 현장의 연구자들은 보다 신중한 태도를 보입니다. 범용 인공지능이 가까운 미래에 실현될 가능성에 대해 회의적인 시각이 많으며, 기술적 한계와 복잡성을 고려할 때 특이점 담론은 과학적 검증보다는 상상의 영역에 가깝다는 평가가 지배적입니다. 따라서 기술의 발전 속도를 냉철하게 바라보는 균형 잡힌 시각이 필요합니다. 생명을 정의하는 기준은 학문 분야에 따라 다양하게 나타납니다. 생물학이 세포 구조를 중시한다면, 물리학은 엔트로피의 감소와 자기 복제라는 관점에서 생명을 바라봅니다. 무질서 속에서 질서를 만들어내려는 경향을 생명의 본질로 본다면, 미래의 인공지능 로봇 역시 생명체의 범주에 포함될 가능성이 열립니다. 바이러스와 같이 생물과 무생물의 경계에 있는 존재들은 우리가 가진 기존의 정의를 끊임없이 시험하며 과학적 탐구의 지평을 넓혀주고 있습니다. 결국 생명이란 고정된 개념이 아니라 끊임없이 질문해야 할 대상입니다.

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[강연] 보이는 우주와 보이지 않는 우주 _ by박성찬ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 5강 | 5강

우주의 기원과 시간의 본질에 대한 탐구는 인류가 오랫동안 품어온 가장 근원적인 질문 중 하나입니다. 현대 물리학은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 별개의 존재가 아닌, '시공간'이라는 하나의 유기적인 구조로 얽혀 있음을 밝혀냈습니다. 이러한 관점의 변화는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 거대한 우주의 팽창과 기본 입자의 움직임을 하나의 틀 안에서 이해하려는 시도로 이어졌습니다. 시공간의 휘어짐이 중력을 결정한다는 사실은 우주의 거대 구조를 설명하는 핵심적인 열쇠가 되었습니다. 물질의 근원을 찾아가는 여정은 양자역학이라는 미시 세계의 법칙을 마주하게 합니다. 우리 주변을 구성하는 모든 물질은 원자보다 더 작은 기본 입자들로 이루어져 있으며, 이들은 끊임없이 상호작용하며 우주의 질서를 만들어냅니다. 에너지가 물질로 변하고, 다시 물질이 에너지로 환원되는 과정은 우주의 탄생과 진화의 핵심적인 메커니즘입니다. 이러한 물리적 법칙들은 단순한 수식을 넘어 우주가 존재하는 방식 그 자체를 설명해 줍니다. 미시 세계의 불확정성이 거시 세계의 확정성과 어떻게 연결되는지를 이해하는 것은 현대 과학의 중요한 과제입니다. 우주는 약 138억 년 전 빅뱅을 통해 시작되었습니다. 아주 작은 점에 불과했던 우주가 급격히 팽창하며 현재의 광활한 공간을 형성했다는 사실은 현대 우주론의 근간을 이룹니다. 초기 우주의 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 빛과 물질이 분리되었고, 그 흔적은 오늘날 우주 배경 복사라는 형태로 우리에게 전달되고 있습니다. 이는 과거의 사건이 현재의 우주 구조에 어떤 영향을 미쳤는지를 보여주는 결정적인 증거가 됩니다. 우주의 팽창 속도를 측정함으로써 우리는 우주의 나이와 미래의 운명을 예측할 수 있는 단서를 얻게 되었습니다. 시간의 흐름은 왜 한 방향으로만 흐르는가에 대한 해답은 엔트로피 법칙에서 찾을 수 있습니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 나아갑니다. 이러한 엔트로피의 증가는 과거와 미래를 구분 짓는 '시간의 화살'을 정의하며, 우주가 결국 열적 죽음이라는 평형 상태를 향해 가고 있음을 암시합니다. 질서에서 무질서로 향하는 이 거대한 흐름은 생명과 우주의 모든 변화를 관통하는 원리입니다. 우리가 경험하는 시간의 비가역성은 우주 전체의 통계적인 필연성에 기인한 것이라 볼 수 있습니다. 블랙홀은 시공간의 곡률이 극단적으로 휘어진 천체로, 현대 물리학의 한계를 시험하는 장소입니다. 엄청난 중력으로 인해 빛조차 빠져나올 수 없는 이 영역에서는 시간의 흐름이 멈춘 것처럼 느껴지기도 합니다. 블랙홀 연구는 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 양자 중력 이론의 실마리를 제공합니다. 우주의 가장 극단적인 환경을 이해함으로써 우리는 시공간의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 됩니다. 최근에는 블랙홀의 그림자를 직접 관측하는 데 성공하며, 이론으로만 존재하던 우주의 신비가 점차 실체적인 모습으로 드러나고 있습니다. 우리가 관측할 수 있는 물질은 우주 전체의 극히 일부에 불과합니다. 보이지 않는 암흑 물질과 우주의 가속 팽창을 일으키는 암흑 에너지는 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나입니다. 이들은 은하의 형성과 우주의 거대 구조를 유지하는 데 결정적인 역할을 하지만, 그 실체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정은 과학적 호기심을 자극하며 우주에 대한 우리의 이해를 확장하는 동력이 됩니다. 암흑의 세계를 밝혀내려는 노력은 우리가 알고 있는 물리 법칙을 재정의해야 할지도 모르는 거대한 전환점을 예고합니다. 시간과 물질, 그리고 우주를 관통하는 물리 법칙들은 서로 긴밀하게 연결되어 거대한 조화를 이룹니다. 우리는 우주의 먼지에서 태어나 우주의 법칙을 이해하려는 지적 존재로 진화했습니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 우리가 어디에서 왔고 어디로 가는지에 대한 답을 찾아가는 숭고한 여정입니다. 우주의 신비를 하나씩 풀어가는 과정에서 우리는 존재의 경이로움을 느끼며, 더 넓은 세계를 향한 탐구를 멈추지 않을 것입니다. 이러한 지적 탐구는 인류가 우주라는 거대한 무대에서 자신의 위치를 확인하고 미래를 설계하는 밑거름이 됩니다.

박성찬

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물리학
천문학

[과학자가 쓴 과학책#14] 연결과 확률의 중요성 | 박형주 _ 배우고 생각하고 연결하고 | KAOS X 공원생활 특집

새로운 환경에 적응하며 학문에 매진하던 유학 시절, 연구의 벽에 부딪혀 좌절을 경험한 적이 있습니다. 노력만으로는 해결되지 않는 결과의 부재는 깊은 무력감을 안겨주었고, 설상가상으로 경제적 위기까지 겹치며 학업을 포기해야 할 상황에 놓였습니다. 하지만 인생의 가장 낮은 지점에서 마주한 뜻밖의 기회는 '연결'이라는 가치를 깨닫게 해주었습니다. 한 분야에서 도저히 풀리지 않던 난제가 다른 분야에서는 이미 해결된 상식일 수 있다는 사실을 직접 경험하며, 타인의 목소리에 귀를 기울이는 태도가 얼마나 중요한지 실감하게 되었습니다. 절망적인 상황에서 우연히 엿듣게 된 공학자들의 대화는 인생의 전환점이 되었습니다. 그들이 고민하던 디지털 신호처리의 난제는 수학계에서 이미 수십 년 전에 증명된 정리와 맞닿아 있었습니다. 낯선 분야의 대화에 용기 내어 끼어든 작은 행동은 단순한 오지랖을 넘어, 서로 다른 학문의 언어를 잇는 가교가 되었습니다. 수학적 지식이 공학적 문제의 실마리가 될 수 있음을 확인한 순간, 개인의 위기는 공동 연구라는 새로운 가능성으로 변모했습니다. 이는 자신의 전문 분야에만 갇혀 있어서는 결코 보지 못했을 넓은 시야를 선사했습니다. 서로 다른 언어를 사용하는 전문가들이 소통하지 못할 때 지식의 단절이 발생합니다. 공학자의 언어와 수학자의 언어가 다르기에 같은 문제를 두고도 서로의 해답을 알아보지 못하는 경우가 많습니다. 하지만 타 분야의 언어를 이해하려 노력하고 대화에 참여할 때, 비로소 근본적인 난제 해결의 문이 열립니다. 수학적 이론을 공학적 실무에 적용하며 다차원 신호처리 전문가로 거듭났던 경험은, 현대 사회에서 '연결'과 '협력'이 단순한 구호를 넘어 생존과 성장을 위한 필수적인 동력임을 증명하는 살아있는 사례가 되었습니다. 역사 속에서도 위대한 성취는 서로 다른 분야의 천재들이 협력할 때 탄생했습니다. 르네상스 시대를 풍미한 레오나르도 다빈치와 수학자 루카 파초올리의 만남이 대표적입니다. 경험을 통해 배우던 예술가 다빈치는 수학적 계산만으로 결과를 예측하는 파초올리의 지식에 매료되었고, 두 사람은 기하학과 미술을 결합한 명저를 남겼습니다. 예술적 직관과 논리적 엄밀함이 결합하여 시대의 패러다임을 바꾼 것입니다. 이처럼 우연한 만남에서 시작된 학문 간의 교류는 인류 지성사에 지대한 영향을 미치는 결과물을 만들어내곤 합니다. 현대 확률론의 탄생 역시 두 천재 수학자, 페르마와 파스칼의 서신 교환이라는 협력의 산물입니다. 200년 동안 풀리지 않았던 '점수 문제'를 해결하기 위해 그들은 과거의 데이터가 아닌 미래의 가능성에 주목했습니다. 중단된 게임의 판돈을 어떻게 나눌 것인가라는 질문에 대해, 각자가 이길 확률이라는 '기댓값'의 개념을 도입하며 발상의 전환을 이뤄냈습니다. 두 사람이 주고받은 편지는 단순한 문제 풀이를 넘어, 불확실한 미래를 수학적으로 계량화하는 현대 확률론의 기초를 세웠으며 이는 오늘날 금융과 과학 전반의 근간이 되었습니다. 오늘날 수학의 난제들은 무작위성이라는 개념을 통해 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 정수론의 오랜 숙제였던 소수 등차수열 문제나 쌍둥이 소수 가설 등은 해석학이나 확률론적 접근을 통해 해결의 실마리를 찾고 있습니다. 테렌스 타오나 장이탕 같은 수학자들은 자신의 전공 분야에 매몰되지 않고 다양한 수학적 도구를 연결하여 불가능해 보이던 증명을 해냈습니다. 특히 늦은 나이에 학문적 성취를 이룬 사례는 지식의 탐구에 경계가 없음을 보여줍니다. 무작위성이라는 강력한 무기는 이제 인공지능과 같은 첨단 기술의 핵심 원리로도 확장되고 있습니다. 확률과 정보의 연결은 현대 정보 이론의 핵심인 엔트로피 개념으로 이어집니다. 클로드 섀넌은 사건이 발생할 확률이 낮을수록 그 정보의 가치가 크다는 사실을 정립했습니다. 당연한 사실보다는 희귀한 사건이 더 많은 정보를 담고 있다는 통찰은 데이터를 효율적으로 전송하고 저장하는 기술적 토대가 되었습니다. 자주 발생하는 신호는 짧게, 드문 신호는 길게 부호화하는 방식은 우리가 매일 사용하는 디지털 통신의 경제성을 보장합니다. 17세기 수학자들의 호기심에서 시작된 확률의 개념이 오늘날 초연결 사회를 지탱하는 정보 이론의 뿌리가 된 셈입니다.

박형주

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수학

[강연] 도대체 시간이란 무엇인가? _ by김상욱｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 8강

우리는 매일 시간을 소비하며 살아가지만, 정작 시간이 무엇인지 묻는다면 선뜻 답하기 어렵습니다. 물리학자들에게도 시간은 가장 난해한 주제 중 하나로 꼽힙니다. 고대 아리스토텔레스는 시간을 변화의 척도라 정의했고, 아무것도 변하지 않으면 시간도 흐르지 않는다고 보았습니다. 반면 신학자 아우구스티누스는 과거와 미래가 오직 인간의 정신 속 기억과 기대 속에만 존재한다고 주장하며 시간의 관념적 성격을 강조했습니다. 이처럼 시간은 물리적 실체와 인간의 심리적 인지 사이에서 오랫동안 모호한 상태로 머물러 왔습니다. 근대 과학의 기틀을 마련한 아이작 뉴턴은 시간을 수학적이고 절대적인 대상으로 규정했습니다. 그는 외부의 변화와 상관없이 스스로 일정하게 흐르는 '절대 시간'의 개념을 도입했습니다. 뉴턴에게 시간은 우주라는 무대 위에서 사건이 일어나는 배경과 같았으며, 이를 수직선상의 숫자로 표현하여 운동 법칙을 기술했습니다. 이러한 관점은 우리가 일상적으로 느끼는 시간, 즉 나나 세상의 움직임과 무관하게 시계가 째깍거리며 흐른다는 믿음의 근간이 되었습니다. 시간은 이제 측정 가능한 수학적 변수가 되었습니다. 뉴턴의 방정식에서 시간은 앞뒤 방향의 구분이 없지만, 우리가 경험하는 현실의 시간은 오직 미래로만 흐릅니다. 이 '시간의 화살'을 설명하는 열쇠는 열역학 제2법칙인 엔트로피 증가의 법칙에 있습니다. 루트비히 볼츠만은 우주가 확률적으로 더 무질서한 상태로 나아간다는 점을 통해 시간의 방향성을 제시했습니다. 정돈된 상태에서 흐트러진 상태로 가는 과정이 곧 시간의 흐름이라는 것입니다. 우리가 과거를 기억하고 미래를 예측하는 심리적 과정 역시 뇌 속에서 엔트로피가 증가하는 물리적 과정과 궤를 같이합니다. 알베르트 아인슈타인은 뉴턴의 절대 시간 개념을 무너뜨리고 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 하나로 얽힌 '시공간'임을 밝혀냈습니다. 관찰자의 운동 상태나 중력의 크기에 따라 시간은 다르게 흐릅니다. 빠르게 움직이는 물체나 중력이 강한 곳에서는 시간이 느리게 가는데, 이는 시간이 우주 어디서나 동일하게 흐르는 배경이 아니라 물질과 상호작용하는 유연한 실체임을 의미합니다. 아인슈타인에게 시간은 독립적인 존재가 아니라, 사건들 사이의 간격을 측정하는 도구이자 인간 지성이 만들어낸 자유로운 창작물이었습니다. 미시 세계를 다루는 양자역학에 이르면 시간의 개념은 더욱 묘해집니다. 양자역학의 기본 방정식에서도 시간은 여전히 외부 매개변수로 존재하지만, '측정'이라는 행위가 개입하면서 비가역적인 변화가 일어납니다. 어떤 학자들은 우주 전체를 하나의 양자 상태로 볼 때 시간이 사라지지만, 우리가 우주를 관찰자와 대상으로 나누는 순간 비로소 시간의 흐름이 생겨난다고 주장합니다. 즉, 주체와 객체의 분리가 엔트로피의 변화와 시간의 인지를 만들어낸다는 것입니다. 이는 시간이 우주의 본질적 속성인지, 아니면 관계의 산물인지 묻게 합니다. 천문학적 관점에서 시간은 우주의 역사와 진화를 기록하는 캔버스입니다. 인류는 농경 사회를 거치며 천체의 주기적인 운동을 통해 시간의 개념을 정교화해 왔습니다. 오늘날 우리는 지구의 자전이나 공전보다 훨씬 정밀한 원자시계를 통해 1초를 정의하며, 이를 통해 GPS와 같은 첨단 기술을 운용합니다. 하지만 블랙홀의 사건의 지평선처럼 극단적인 환경에서는 우리가 아는 시간의 질서가 멈추거나 왜곡됩니다. 우주의 시작인 빅뱅과 함께 시공간이 탄생했다는 사실은 시간 이전의 상태를 상상하는 것조차 불가능하게 만듭니다. 결국 시간이란 무엇인가에 대한 질문은 여전히 진행 중인 과제입니다. 어떤 물리학자는 시간이 환상에 불과하다고 말하며, 다른 이는 우주를 기술하기 위한 가장 근본적인 언어라고 말합니다. 명확한 정의는 내리기 어렵지만, 물리학은 시간을 수학적 숫자로, 확률적 방향으로, 그리고 휘어지는 시공간의 일부로 이해하며 그 실체에 다가가고 있습니다. 우리가 느끼는 찰나의 순간들은 우주의 거대한 엔트로피 흐름 속에서 만들어진 소중한 기억의 조각들입니다. 시간의 본질을 찾는 여정은 곧 우리가 우주를 어떻게 이해하고 있는지를 비추는 거울과 같습니다.

김상욱

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물리학

[석학인터뷰] 류형돈_인간은 왜 늙고 노화할까요? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

생물학적 관점에서 노화는 엔트로피에 의해 신체 부속품이 망가지는 속도와 이를 수리하는 속도 사이의 균형으로 설명됩니다. 불로장생하거나 장수하는 생물들은 대개 뛰어난 수리 능력을 갖추고 있습니다. 반면, 수리보다는 다른 기능에 에너지를 집중하는 생명체들은 상대적으로 빨리 늙는 경향이 있습니다. 예를 들어 말미잘은 손상된 부위를 완벽하게 고치며 노화를 억제하지만, 그 대가로 뇌나 근육 같은 복잡한 기관을 발달시키지 못했다는 특징이 있습니다. 성장과 노화의 상관관계는 생물 종마다 다르게 나타납니다. 박테리아처럼 성장이 노화로 이어지지 않는 경우도 있지만, 포유류를 포함한 많은 유성생식 생명체에서는 성장이 빠를수록 노화도 촉진되는 특성을 보입니다. 같은 종 내에서도 덩치가 큰 개체들이 더 빨리 늙는 사례가 많으며, 인간의 경우에도 과도한 성장을 유발하는 거인증 환자들이 젊은 나이에 각종 질환에 시달리는 반면, 저신장증을 가진 이들은 노화 관련 질병의 빈도가 낮다는 연구 결과가 존재합니다. 현재 인류의 최대 수명은 약 120세 정도로 추정되며, 이는 통계적으로 벨 커브 형태의 분포를 보입니다. 사회가 건강해짐에 따라 120세에 도달하는 사람들의 숫자는 점차 늘어날 수 있겠지만, 생물학적 한계 자체가 단기간에 확장될 징후는 뚜렷하지 않습니다. 따라서 수명의 한계를 무리하게 늘리는 것보다는 주어진 시간 동안 얼마나 건강하게 삶을 유지하며 노화 관련 질병을 예방하느냐가 현대 과학의 중요한 화두가 되고 있습니다. 과학적 발견의 과정은 때로 스릴러 영화처럼 흥미진진한 전개를 보여주기도 합니다. 제임스 왓슨의 저서 '이중나선'은 DNA 구조를 발견하기까지의 치열한 경쟁과 갈등을 생생하게 묘사하여 많은 젊은 과학자들에게 영감을 주었습니다. 이러한 기록들은 발견이 단순히 실험실 안의 정적인 작업이 아니라, 때로는 타인의 데이터를 참고하거나 경쟁하는 것과 같은 인간적인 욕망과 열정이 뒤섞인 역동적인 과정임을 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 대중에게 과학적 원리를 전달하는 것은 연구만큼이나 가치 있는 일입니다. 전문적인 논문을 쓰는 것에서 나아가, 일반인들이 노화의 과학을 쉽게 이해할 수 있도록 일상적인 일화와 옛날이야기를 곁들인 서적을 집필하는 시도가 이어지고 있습니다. 과학적 지식이 상아탑 안에만 머물지 않고 대중의 흥미와 결합할 때, 비로소 더 많은 이들이 과학적 사고의 즐거움을 느끼고 건강한 삶에 대한 통찰을 얻을 수 있게 되며 연구자 또한 보람을 느끼게 됩니다.

류형돈

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생명과학

[강연] 성장과 노화의 연결고리 _ by류형돈｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 6강

노화는 단순히 시간이 흐르는 과정이 아니라, 분자적 수준에서 발생하는 마모와 부식의 결과입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 계의 무질서도인 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 흐릅니다. 우리 몸의 설계도인 DNA 역시 외부의 도움 없이 방치되면 산산조각이 나기 마련입니다. 하지만 생명체는 에너지를 섭취하여 끊임없이 스스로를 수리하며 이 법칙에 저항합니다. 이러한 복구 기전 덕분에 생명은 수천만 년 동안 유전 정보를 보존하며 이어져 올 수 있었습니다. 모든 생명체가 반드시 노화해야 하는 것은 아닙니다. 말미잘처럼 무성 생식을 하는 생물은 모든 세포의 건강을 완벽하게 유지하여 노화 없이 영생에 가까운 삶을 살기도 합니다. 반면 인간과 같은 유성 생식 생물은 한정된 자원을 종족 번식에 집중하는 전략을 선택했습니다. 생식 세포의 품질 관리에는 막대한 에너지를 쏟아붓지만, 그 대가로 신체를 구성하는 체세포의 관리는 소홀해지게 됩니다. 결국 노화는 종의 번영을 위해 개체의 신체를 소모품으로 사용하는 진화적 선택의 결과라고 볼 수 있습니다. 우리를 늙게 만드는 주범 중 하나는 생존에 필수적인 산소와 에너지 대사 과정에서 발생하는 활성산소입니다. 포도당을 산화시켜 에너지를 만드는 과정에서 전자가 무질서하게 튀어나가면, 불안정한 활성산소가 형성되어 세포 내 단백질과 DNA를 공격합니다. 이는 마치 자동차가 시간이 지나며 녹이 슬어가는 과정과 흡사합니다. 자외선 역시 분자의 화학 결합을 끊어 활성산소 생성을 촉진하며, 피부의 탄력을 유지하는 콜라겐과 엘라스틴을 파괴하여 노화를 가속화하는 외적 요인으로 작용합니다. 장수 마을의 사례와 수많은 동물 실험을 통해 증명된 가장 확실한 노화 지연 방법은 칼로리 제한, 즉 소식입니다. 영양 공급을 줄이면 세포는 성장을 멈추고 비상 체제로 전환되어 스스로를 보호하고 수리하는 유전자를 활성화합니다. 초파리부터 원숭이에 이르기까지 적게 먹은 집단은 더 건강하고 긴 수명을 누린다는 사실이 확인되었습니다. 이는 단순히 체중의 문제가 아니라, 세포 내부의 신호 전달 체계가 변화하여 무질서한 산화 반응을 억제하고 신체의 내실을 다지는 복구 기전이 강화되기 때문입니다. 현대 생물학은 인슐린과 성장 호르몬이 노화의 속도를 결정하는 핵심 인자임을 밝혀냈습니다. 음식을 많이 섭취하여 인슐린 신호 전달 체계가 강해지면 세포는 성장에만 집중하게 되고, 그 과정에서 노화가 촉진됩니다. 반대로 이 신호 전달 체계를 적절히 억제하면 세포는 배고픈 상태를 인지하며 항산화 유전자를 발현시키고 수명을 연장합니다. 성장과 노화는 동전의 양면과 같아서, 몸집을 키우고 빠르게 성장하는 데 자원을 많이 쓸수록 신체의 복구와 유지 보수 기능은 상대적으로 약화될 수밖에 없는 구조적 한계를 지닙니다. 인류는 역사의 대부분을 굶주림 속에서 보냈기에, 우리 몸은 에너지를 최대한 저장하고 식욕을 자극하는 방향으로 진화했습니다. 하지만 불과 100년 전부터 시작된 식량 혁명으로 인해 인류는 유례없는 풍요의 시대를 맞이했습니다. 진화의 속도가 환경의 변화를 따라잡지 못한 결과, 굶주림에 최적화된 우리 체질은 과잉 영양 상태에서 각종 퇴행성 질환과 빠른 노화에 직면하게 되었습니다. 따라서 현대인에게 소식은 단순한 다이어트가 아니라, 진화적 불일치를 극복하고 신체의 균형을 되찾는 과학적인 생존 전략입니다. 수명 연장은 의학의 발전뿐만 아니라 상하수도 정비와 같은 위생 환경의 개선에 큰 빚을 지고 있습니다. 또한 성호르몬이 수명에 미치는 영향에 대한 역사적 연구는 남녀의 수명 차이를 설명하는 중요한 단서를 제공합니다. 최근에는 노화된 세포만을 선택적으로 제거하거나 특정 약물을 통해 노화를 역전시키려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 노화는 피할 수 없는 운명이 아니라 조절 가능한 생물학적 과정으로 이해되고 있으며, 과학은 이제 인간이 건강하게 오래 살 수 있는 새로운 가능성의 문을 열고 있습니다.

류형돈

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생명과학

[카오스 술술과학] 도대체 ‘시간’이란 무엇일까? (2)

아인슈타인의 상대성 이론은 뉴턴이 세운 절대적인 시간의 개념을 무너뜨리고 시간을 과학의 영역으로 끌어들였습니다. 상대성 이론에 따르면 시간은 관찰자의 속도와 질량에 따라 다르게 흐르는 상대적인 개념입니다. 정지한 상태에서는 시간이 광속으로 흐르지만, 공간상의 속도가 빨라질수록 시간의 흐름은 점차 느려지며 광속에 도달하면 시간은 멈추게 됩니다. 이는 시간과 공간이 별개의 존재가 아니라 서로 긴밀하게 연결되어 에너지를 나누어 갖는 구조임을 시사하며, 우리가 당연하게 여겼던 '지금'이라는 동시성조차 절대적이지 않음을 보여줍니다. 일반 상대성 이론은 시간에게서 독립성마저 박탈하며 공간과 결합된 4차원 시공간의 개념을 제시했습니다. 거대한 질량을 가진 물체는 주변의 시공간을 휘게 만드는데, 이러한 곡률의 변화가 바로 우리가 느끼는 중력의 실체입니다. 시공간이 심하게 휘어진 곳일수록 시간은 더 느리게 흐르며, 물체는 시간이 느리게 흐르는 방향으로 이끌리듯 낙하하게 됩니다. 블랙홀처럼 중력이 극단적으로 강한 곳에서는 시간의 흐름이 거의 멈추는 현상이 발생하며, 이는 시간과 공간이 물질의 존재와 분리될 수 없는 기하학적 구조의 일부임을 증명합니다. 양자역학의 등장은 시간과 공간을 바라보는 또 다른 혁명적인 관점을 제공했습니다. 현대 물리학은 시간과 공간 역시 무한히 나눌 수 없는 최소 단위인 '플랑크 시간'과 '플랑크 길이'라는 알갱이로 이루어져 있다고 설명합니다. 이러한 미시 세계에서 시공간은 불확정성의 원리에 따라 파동처럼 요동치며, 상호작용이 일어나기 전까지는 확정된 값을 갖지 않는 확률적인 존재로 머뭅니다. 심지어 미시적인 수준에서는 시간이 국소적으로 거꾸로 흐르는 현상도 가능하며, 이는 우리가 거시 세계에서 경험하는 매끄럽고 연속적인 시간의 흐름과는 전혀 다른 본질을 보여줍니다. 상대성 이론과 양자역학을 결합하면 우주 전체에 적용되는 정밀한 양자 시계를 상상할 수 있습니다. 질량을 가진 모든 입자는 고유한 진동수를 가지며, 이 규칙적인 진동 자체가 하나의 시계 역할을 수행합니다. 한편 우주론적 관점에서 시간의 흐름은 우주의 팽창과 직결됩니다. 우주가 팽창하며 새로운 시공간이 끊임없이 창조되는 과정이 곧 우리가 느끼는 시간의 흐름이며, 그 팽창의 최전선이 바로 '현재'라는 시점이 됩니다. 이는 시간이 단순히 흐르는 것이 아니라 우주의 물리적 변화와 함께 새롭게 생성되는 역동적인 과정임을 의미합니다. 최신 물리학 이론인 루프 양자 중력 이론은 시간의 실체에 대해 더욱 파격적인 질문을 던집니다. 이 이론의 근본 방정식에는 시간 변수가 존재하지 않으며, 시간은 입자들의 상호작용을 통해 나타나는 부수적인 현상에 불과하다고 설명합니다. 결국 우리가 느끼는 시간의 흐름은 미시 세계의 복잡한 정보가 거시 세계로 전달되는 과정에서 발생하는 정보의 손실, 즉 인간의 무지가 만들어낸 희미한 환영일 수 있습니다. 시간은 본질적으로 흐르는 것이 아니라, 우주의 양자적 관계들이 엮어내는 거대한 네트워크 속에서 우리가 인지하는 방식의 산물인 셈입니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[카오스 술술과학] 도대체 ‘시간’이란 무엇일까? (1)

영화 속 퀵실버는 시간을 지연시키는 초능력을 발휘하며 우리에게 시간의 상대성을 일깨워줍니다. 파리가 인간의 손을 슬로 모션으로 보듯, 생명체의 신경 전달 속도에 따라 시간은 다르게 흐를 수 있습니다. 이는 단순히 영화적 상상력에 그치지 않고, 인간이 극한의 집중 상태나 임사체험 시 겪는 '주마등' 현상과도 맞닿아 있습니다. 뇌가 정보를 고속으로 처리하면 시간은 천천히 흐르는 것처럼 느껴지며, 이는 우리가 시간을 고정된 물리량이 아닌 주관적 경험으로 인식하고 있음을 보여줍니다. 시간에 대한 철학적 논쟁은 뉴턴과 라이프니츠의 대결로 요약됩니다. 뉴턴은 우주에 절대적인 시계가 존재한다는 '절대 시간'을 주장한 반면, 라이프니츠는 시간이 단지 사물의 변화와 운동을 측정하는 척도일 뿐이라고 반박했습니다. 현대에 이르러 영화 '컨택트'에서 묘사된 '블록 우주론' 개념은 과거, 현재, 미래가 하나의 덩어리로 존재한다는 영원주의적 관점을 제시합니다. 아인슈타인 역시 시제의 구분을 '집요하게 계속되는 착각'이라 불렀는데, 이는 우리가 시간의 본질을 파악하기 위해 넘어야 할 거대한 벽과 같습니다. 19세기 열역학 제2법칙의 등장은 과학사에서 처음으로 시간의 방향성을 정의하는 계기가 되었습니다. 엔트로피, 즉 무질서도가 항상 증가한다는 법칙은 과거와 미래를 구분할 수 있는 유일한 물리적 지표를 제공합니다. 물감이 물에 퍼지는 현상처럼, 에너지가 열로 소실되며 무질서해지는 과정이 곧 시간의 흐름을 의미합니다. 흥미로운 점은 우리가 입자 하나하나의 미시적 상태를 완벽히 알 수 없다는 '무지' 때문에 시간이 흐른다고 해석할 수 있다는 것입니다. 결국 엔트로피는 거시적 세계에서 시간이 나아가는 화살표 역할을 합니다. 과학자들은 엔트로피 외에도 빛이나 블랙홀을 통해 시간의 화살을 찾으려 노력했습니다. 그러나 파인만은 빛이 시간에 대해 대칭임을 증명했고, 블랙홀을 기술하는 방정식 역시 시간의 전후를 구분하지 않는다는 사실이 밝혀졌습니다. 이에 따라 인간의 기억 메커니즘에 기반한 '심리적 화살'과 우주의 팽창에 근거한 '우주론적 화살'이 주목받게 되었습니다. 스티븐 호킹은 정보를 기억할 때 발생하는 열과 엔트로피의 증가를 연결하며, 심리적 화살과 엔트로피 화살이 본질적으로 같은 방향을 향하고 있음을 논증했습니다. 시간은 단순히 조용히 흐르는 강물이 아니라, 여전히 인류가 정복하지 못한 거대하고 깊은 심연과 같습니다. 상대성 이론과 양자역학이 등장하며 시간은 본격적인 과학적 탐구의 대상이 되었지만, 본질적인 합의에는 도달하지 못했습니다. 리처드 뮬러와 같은 현대 물리학자들은 엔트로피가 시간을 만드는 것이 아니라, 시간이 흐르기 때문에 엔트로피가 증가한다고 주장하며 기존의 관념에 도전하기도 합니다. 우리가 실존적으로 느끼는 시간의 흐름이 우주의 근본 원리인지, 아니면 의식의 산물인지에 대한 질문은 여전히 현재진행형입니다.

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물리학

[강연] 엔트로피: 티끌 모아 태산을 이해하는 법 _ by김범준｜2019 가을 강연 '도대체 都大體' | 3강

고전 역학이 개별 입자의 미래를 예측하는 결정론적 세계관을 가졌다면, 통계 물리학은 수많은 입자가 만들어내는 거시적인 상태에 주목합니다. 강연장에 가득한 산소 분자 하나하나의 위치를 쫓는 대신, 전체가 만들어내는 온도와 압력이라는 통계적 특성을 이해하려는 시도입니다. 이는 마치 수많은 티끌을 모아 거대한 태산의 형상을 파악하는 것과 같습니다. 개별적인 움직임은 예측할 수 없더라도, 전체가 보여주는 확률적인 흐름은 명확한 물리 법칙으로 설명될 수 있기 때문입니다. 거시 상태와 미시 상태의 개념은 윷놀이나 동전 던지기로 쉽게 이해할 수 있습니다. '도'라는 거시 상태를 만드는 미시적 경우의 수는 네 가지이지만, 모든 동전이 앞면인 상태는 단 한 가지뿐입니다. 통계 물리학의 근본 가정에 따르면, 특별한 이유가 없는 한 모든 미시 상태는 동일한 확률로 발생합니다. 따라서 우리는 자연스럽게 더 많은 미시 상태를 포함하는 거시 상태를 목격하게 됩니다. 이것이 바로 질서 정연한 상태보다 무질서하게 뒤섞인 상태가 우리 주변에서 훨씬 더 흔하게 발견되는 근본적인 이유입니다. 엔트로피 증가의 법칙은 결국 '일어날 확률이 압도적으로 높은 사건이 일어난다'는 자명한 원리입니다. 동전 1,000개를 흔들었을 때 모두 앞면이 나올 확률은 우주의 모든 원자 수보다 적은 횟수의 시도로는 불가능에 가깝습니다. 반면 앞면과 뒷면이 절반씩 섞인 상태는 수많은 경우의 수를 가집니다. 이처럼 고립계에서 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 흐르며, 이는 단순히 섞이는 것이 더 확률적으로 유리하기 때문입니다. 아인슈타인이 이 법칙을 과학의 최고 지위로 꼽은 이유도 그 자명함에 있습니다. 루트비히 볼츠만은 미시 상태 수와 거시적 엔트로피 사이의 관계를 수학적으로 정립한 인물입니다. 그는 엔트로피가 미시 상태 수의 로그함수에 비례한다는 사실을 밝혀냈으며, 이는 그의 묘비에도 새겨질 만큼 위대한 업적이었습니다. 이 식은 직접 측정하기 어려운 미시적 정보와 우리가 체감하는 거시적 물리량을 연결하는 가교 역할을 합니다. 볼츠만의 공식 덕분에 물리학자들은 보이지 않는 입자들의 무질서도를 수치화하고, 이를 바탕으로 현대 통계 물리학의 견고한 토대를 쌓아 올릴 수 있었습니다. 뉴턴의 운동 법칙은 시간을 거꾸로 돌려도 수식상 아무런 문제가 없지만, 우리가 사는 거시 세계는 분명한 시간의 방향성을 가집니다. 잉크가 물속으로 퍼지는 현상은 자연스럽지만, 퍼진 잉크가 다시 한 방울로 모이는 일은 결코 일어나지 않습니다. 이러한 비가역성은 엔트로피가 증가하는 방향이 곧 시간의 화살표임을 시사합니다. 확률적으로 거의 불가능한 사건은 현실에서 일어나지 않는다는 원칙이 우리에게 과거와 미래를 구분하는 기준을 제시하며, 우주가 평형 상태를 향해 나아가는 경로를 보여줍니다. 자연스러운 변화의 방향은 단순히 엔트로피 증가만으로 결정되지 않습니다. 에너지가 낮아지려는 경향과 엔트로피가 높아지려는 경향이 서로 경쟁하며, 물리학자들은 이를 '자유 에너지'라는 개념으로 통합하여 설명합니다. 온도가 낮을 때는 에너지가 낮은 상태인 얼음이 안정적이지만, 온도가 높아지면 엔트로피가 큰 기체 상태가 더 낮은 자유 에너지를 가집니다. 결국 자연은 자유 에너지가 최소가 되는 지점을 향해 스스로를 조절하며, 이를 통해 우리는 물질의 상태 변화와 같은 복잡한 현상을 일관된 논리로 이해할 수 있습니다. 생명체는 엔트로피 증가의 법칙을 거스르는 것처럼 보이지만, 사실 외부와 끊임없이 에너지와 정보를 교환하는 열린계이기에 존재가 가능합니다. 우리는 음식을 섭취하고 정보를 습득함으로써 국소적으로 자신의 엔트로피를 낮추며 질서를 유지합니다. 현대 물리학은 여기서 더 나아가 정보 자체가 물리적 실체이며, 정보를 지우는 과정에서 열이 발생한다는 사실을 밝혀냈습니다. 생명은 고립된 섬이 아니라 주변 환경과 상호작용하며 자유 에너지를 관리하는 존재이며, 이러한 연결성이야말로 우주 속에서 질서를 꽃피우는 핵심입니다.

김범준

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KAOS 구독자 3만 기념 LIVE!! 카오스 사이언스의 목소리 혭반 등장!!

과학이라는 다소 어렵고 딱딱한 분야가 대중과 호흡하며 새로운 소통의 장을 열어가고 있습니다. 비영리 공익재단인 카오스재단이 운영하는 과학 채널이 구독자 3만 명을 돌파한 것은 정통 과학 콘텐츠에 대한 대중의 갈증과 애정을 증명하는 상징적인 사건입니다. 이러한 성장은 단순히 숫자의 증가를 넘어, 우리 사회에 과학적 사고와 지식이 자연스럽게 스며들고 있음을 보여주는 긍정적인 신호로 해석될 수 있으며, 앞으로 더 넓은 과학 문화의 확산을 기대하게 만듭니다. 과학 커뮤니케이터로서 활동하는 진행자는 공학도 출신이라는 전문성을 바탕으로 과학을 보다 친숙하게 전달하는 데 주력하고 있습니다. UNIST에서 화학공학을 전공한 배경은 복잡한 과학 원리를 정확하면서도 이해하기 쉽게 설명하는 든든한 밑거름이 됩니다. 전공 지식과 대중적인 입담을 결합하여 과학의 문턱을 낮추려는 시도는, 자칫 멀게만 느껴질 수 있는 학문적 영역을 일상의 즐거운 대화 주제로 끌어올리는 중요한 역할을 수행하며 많은 이들의 공감을 얻고 있습니다. 대중에게 익숙한 영화 속 과학 원리를 탐구하는 과정은 지적 호기심을 자극하는 훌륭한 통로가 됩니다. '인터스텔라'나 '그래비티'와 같은 과학 영화들은 단순한 오락을 넘어 상대성 이론이나 중력과 같은 심오한 물리 법칙을 시각적으로 경험하게 합니다. 이러한 대중문화 콘텐츠를 매개로 한 퀴즈와 소통은 시청자들이 과학을 공부가 아닌 하나의 놀이로 받아들이게 하며, 자연스럽게 과학적 상상력을 확장하고 일상 속 과학의 가치를 재발견하는 계기를 마련해 줍니다. 현대 물리학의 정수인 중력파나 엔트로피 같은 개념들도 일상적인 비유와 결합할 때 그 의미가 더욱 선명해집니다. 2017년 노벨 물리학상의 주제였던 중력파를 대중음악의 가사와 연결하거나, 엔트로피 법칙을 '쏟은 물은 다시 담을 수 없다'는 속담으로 풀어내는 방식은 매우 인상적입니다. 복잡한 수식 대신 직관적인 언어로 과학의 핵심을 꿰뚫는 설명 방식은 대중이 과학적 통찰력을 얻는 데 큰 도움을 주며, 과학이 우리 삶과 얼마나 밀접한지 깨닫게 합니다. 뇌과학과 화학의 역사 또한 흥미로운 서사를 통해 대중에게 다가갑니다. 김춘수 시인의 '꽃'을 패러디하여 뇌의 기능을 설명하거나, 질량 보존 법칙을 발견한 라부아지에의 삶을 조명하는 시도는 인문학적 감성과 과학적 사실의 조화를 보여줍니다. 원소 기호와 주기율표를 활용한 다양한 굿즈들은 과학이 실험실 안에만 머무는 것이 아니라, 우리의 일상을 풍요롭게 만드는 디자인적 요소이자 지식의 상징이 될 수 있음을 시사하며 과학에 대한 친밀감을 높여줍니다. 과학의 최전선에서 일어나는 변화를 공유하는 강연 프로그램들은 지식의 선순환을 이끄는 핵심 동력입니다. 노벨상 수상자의 해설 강연이나 인공지능을 주제로 한 특별 강연은 급변하는 현대 사회에서 우리가 반드시 알아야 할 과학적 화두를 제시합니다. 이러한 전문적인 강연들이 대중의 눈높이에 맞춰 지속적으로 제공됨으로써, 일반 시민들도 최신 과학 트렌드를 파악하고 미래 사회를 준비할 수 있는 지적 역량을 갖추게 되며, 이는 곧 국가적인 과학 경쟁력으로 이어집니다. 과학 콘텐츠의 미래는 시청자와의 끊임없는 상호작용과 새로운 시도 속에 있습니다. 대학 연구실 탐방이나 실시간 소통 이벤트는 과학이 정지된 지식이 아니라 살아 움직이는 탐구의 과정임을 보여줍니다. 더 많은 사람이 과학의 매력을 발견하고 그 즐거움을 공유할 때, 우리 사회의 과학 문화는 더욱 성숙해질 것입니다. 앞으로도 다양한 채널을 통해 과학이 대중의 삶 속에 깊이 뿌리내리기를 기대하며, 더 많은 이들이 과학이라는 멋진 세계에 동참하기를 응원합니다.

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[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.

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물리학

[카오스 술술과학] 화학은 마동석이다?!

화학은 흔히 위험하고 난해한 학문으로 오해받곤 하지만, 본질적으로는 자연의 변화를 이해하고 예측하여 인류에게 도움을 주려는 지혜의 산물입니다. 이러한 변화를 지탱하는 핵심 원리는 열역학이며, 그 중심에는 에너지와 엔트로피라는 두 기둥이 존재합니다. 에너지는 일을 할 수 있는 능력을 의미하며, 모든 물질은 내부에 고유한 에너지를 품고 있습니다. 에너지는 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 변화를 일으키는 일차적인 동력이 됩니다. 우리가 일상에서 느끼는 활력이나 물질의 반응성 모두 이 에너지의 흐름과 밀접하게 연결되어 있습니다. 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다고 해서 모든 반응이 즉각적으로 일어나는 것은 아닙니다. 물질이 변화하기 위해서는 '활성화 에너지'라는 장벽을 넘어야 하는데, 이는 세상이 순식간에 불바다가 되지 않도록 막아주는 안전장치 역할을 합니다. 한편, 반응의 결과로 생성된 물과 이산화탄소는 매우 안정한 상태에 해당합니다. 특히 이산화탄소의 안정성은 대기 중에 누적되어 온실효과를 일으키는 원인이 되기도 합니다. 자연이 순환하기 위해서는 이렇게 낮게 고인 에너지를 다시 끌어올리는 특별한 과정이 반드시 필요합니다. 식물은 광합성을 통해 태양 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 고에너지 상태인 포도당으로 변환하는 경이로운 마법을 부립니다. 이는 에너지적으로 쓸모없어진 물질을 다시 유용한 연료로 되돌리는 과정이며, 생명 활동의 근간이 되는 순환의 바퀴를 돌리는 동력이 됩니다. 인간은 이러한 자연의 메커니즘을 모방하여 태양광으로 물을 분해해 수소를 얻는 '인공 광합성' 기술을 연구하고 있습니다. 이는 화석 연료의 한계를 극복하고 청정에너지 시대를 열기 위한 현대 과학의 가장 중요한 도전 과제 중 하나로 손꼽힙니다. 에너지의 키워드가 '안정'이라면, 엔트로피의 키워드는 '자유'입니다. 엔트로피는 에너지 출입이 없어도 변화가 일어나는 방향성을 설명하며, 통계적으로는 입자들이 가질 수 있는 경우의 수, 즉 확률로 해석됩니다. 잉크가 물속으로 퍼져나가는 것처럼 무질서도가 증가하는 방향으로의 변화는 확률적으로 압도적이기 때문에 거스를 수 없는 자연의 법칙이 됩니다. 비록 미시적인 관점에서는 원래 상태로 돌아갈 확률이 존재할지라도, 우리 우주의 시간 척도 안에서는 사실상 불가능에 가까운 일이며 이것이 바로 시간의 화살을 결정짓습니다. 열역학의 법칙에 따르면 우주의 전체 엔트로피는 항상 증가하지만, 생명체는 외부 에너지를 섭취하여 국소적으로 질서를 만들어냅니다. 이때 실제로 유용하게 사용할 수 있는 에너지를 '깁스 자유 에너지'라고 부르며, 이는 문명을 발전시킨 원동력이 되었습니다. 철기 시대부터 산업 혁명에 이르기까지 인류는 에너지와 엔트로피의 원리를 활용해 새로운 물질을 창조해 왔습니다. 겉모습은 무서워 보일지 몰라도 알고 보면 정의롭고 따뜻한 영화 속 주인공처럼, 화학은 인류의 미래를 밝히는 든든하고 지혜로운 동반자라 할 수 있습니다.

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[카오스 술술과학] 도대체 엔트로피란 무엇일까?

열역학 제2법칙은 자연계의 독특한 방향성을 설명하는 우주적 원리입니다. 대부분의 물리 현상은 가역적이지만, 열은 오직 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로만 흐르는 비가역적 성질을 지닙니다. 프랑스의 과학자 사디 카르노는 열기관의 효율을 연구하며 열을 100% 일로 전환할 수 없음을 증명했습니다. 그의 연구는 비록 사후에 재조명되었으나, 열이 한 방향으로 흐르며 에너지가 소실되는 과정을 과학적으로 규명하는 결정적인 출발점이 되었으며 현대 물리학의 근간을 이루는 토대가 되었습니다. 루돌프 클라우지우스는 카르노의 통찰을 바탕으로 엔트로피라는 개념을 도입하여 열역학 제2법칙을 완성했습니다. 그는 엔트로피의 변화량을 가해진 열량을 온도로 나눈 값으로 정의하며, 우주 전체의 엔트로피는 항상 증가한다는 원리를 확립했습니다. 이는 온도가 낮을수록 동일한 열량에 의한 엔트로피 증가 효과가 더 크다는 직관적인 이해를 가능하게 합니다. 결국 외부와 에너지 교환이 없는 고립계인 우주에서 엔트로피는 멈추지 않고 계속해서 커질 수밖에 없다는 것이 이 법칙의 핵심입니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 확률적 현상으로 재해석하며 물리학에 혁명을 일으켰습니다. 그는 거시적 상태에 대응하는 미시적 상태의 수가 많을수록 엔트로피가 높다고 보았습니다. 예를 들어, 멀쩡한 컵보다 깨진 컵의 입자 배열 상태가 훨씬 다양하기 때문에 시간은 자연스럽게 확률이 높은 방향으로 흐르게 됩니다. 이러한 통계적 접근은 엔트로피가 단순한 열의 흐름을 넘어 과거와 미래를 구분하는 '시간의 화살' 역할을 한다는 사실을 명확히 보여주며 고전 역학의 한계를 넓혔습니다. 제임스 맥스웰은 열역학 제2법칙에 도전하는 '맥스웰의 악마'라는 가상의 존재를 제안했습니다. 만약 분자의 속도를 선별하여 열을 분리할 수 있는 존재가 있다면 엔트로피를 감소시킬 수 있다는 가설이었습니다. 그러나 이후의 연구들은 악마가 분자를 측정하고 정보를 처리하는 과정에서 필연적으로 엔트로피가 발생한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 정보와 물리적 세계가 긴밀하게 연결되어 있으며, 어떤 지적인 개입도 열역학 제2법칙이라는 거대한 우주의 흐름을 결코 거스를 수 없음을 시사합니다. 생명체는 국소적으로 엔트로피를 감소시키며 질서를 유지하는 독특한 존재입니다. 에르빈 슈뢰딩거는 이를 '음의 엔트로피를 먹는다'고 표현하며, 생명이 외부의 질서를 흡수해 자신의 체계를 유지한다고 설명했습니다. 비록 미시 세계의 확률적 본성을 두고 아인슈타인과 보어 사이의 치열한 논쟁이 있었으나, 결국 우주는 확정된 실체가 아닌 확률에 의해 지배된다는 점이 입증되었습니다. 엔트로피는 단순히 우리가 세상을 완벽히 알지 못해 발생하는 현상이 아니라, 자연이 지닌 본연의 모습입니다.

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[카오스 술술과학] 도대체 에너지란 무엇일까?

에너지는 과학적으로 '일을 할 수 있는 능력'으로 정의되지만, 그 실체는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 광범위합니다. 우리 주변에서 움직이거나 변화하는 모든 물체에는 에너지가 관여하며, 현대 물리학의 상대성 이론에 따르면 질량과 공간조차 에너지의 또 다른 형태에 불과합니다. 태양, 핵, 석유와 같은 에너지원부터 운동, 퍼텐셜, 열과 같은 물리적 형태에 이르기까지 에너지는 세상의 모든 현상을 설명하는 핵심적인 척도입니다. 결국 우리가 보고 느끼는 삼라만상의 본질은 거대한 에너지 덩어리이자 흐름이라고 할 수 있습니다. 에너지에 대한 체계적인 이해는 18세기 영국에서 시작된 산업혁명과 궤를 같이합니다. 당시 증기기관으로 대표되는 열기관의 효율을 극대화하는 것은 국가의 경쟁력을 좌우하는 중대한 과제였으며, 이를 연구하는 과정에서 '열역학'이라는 새로운 학문이 탄생했습니다. 초기 과학자들은 열을 '칼로릭'이라는 실체가 있는 원소로 생각하기도 했으나, 벤저민 톰슨과 제임스 줄의 정밀한 실험을 통해 열이 곧 운동이자 에너지의 한 형태임이 입증되었습니다. 이는 서로 무관해 보이던 일과 열을 하나의 단위로 통합하는 결정적인 계기가 되었습니다. 열의 본질을 밝히는 과정은 당시 주류였던 에너지론과 신생 가설인 원자론 사이의 치열한 논쟁을 동반했습니다. 클라우지우스, 맥스웰, 볼츠만과 같은 천재 과학자들은 통계적인 수학적 방법을 도입하여 열이 사실 미세한 입자들의 평균 운동 에너지임을 밝혀냈습니다. 우리가 느끼는 뜨거움이나 차가움은 피부 입자에 전달되는 미세한 입자들의 충돌 신호가 뇌로 전달된 결과일 뿐입니다. 이러한 미시적인 관점의 정립은 열역학을 단순한 공학적 도구를 넘어 우주의 근본적인 작동 원리를 설명하는 확고부동한 학문으로 격상시키는 토대가 되었습니다. 열역학 제1법칙인 에너지 보존 법칙은 우주의 에너지가 형태만 바뀔 뿐 그 총량은 절대 변하지 않는다는 위대한 원리입니다. 계와 주위 사이에서 오가는 열과 일의 합은 내부 에너지의 변화로 나타나며, 이를 우주 전체로 확장하면 에너지 변화의 총합은 항상 0이 됩니다. 심지어 팽창하는 우주에서도 에너지는 보존되며, 최초의 우주 탄생 시점에 부여된 일정한 양의 에너지는 지금 이 순간에도 사라지지 않은 채 다양한 모습으로 변신하며 만물의 천변만화를 연출하고 있습니다. 에너지는 결코 새로 생성되거나 소멸하지 않고 오직 순환할 뿐입니다. 에너지는 우주라는 거대한 시스템 속에서 통용되는 유일하고 공통된 화폐와 같습니다. 스마트폰 배터리의 전기 에너지가 빛이나 소리로 바뀌고, 우리가 섭취한 음식물이 신체 활동을 위한 운동 에너지로 전환되는 과정은 모두 이 에너지 화폐가 유통되는 모습입니다. 비록 사용된 에너지는 결국 열이 되어 우주 공간으로 흩어지지만, 그 근본적인 가치는 보존 법칙에 의해 지켜집니다. 사디 카르노부터 윌라드 깁스에 이르기까지 수많은 천재가 남긴 열역학의 유산은 인류가 우주의 본질을 이해하고 현대 문명을 건설하는 데 있어 가장 강력한 지적 도구가 되었습니다.

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물리학

[석학인터뷰] 김범준 ─ 엔트로피가 뭔지 궁금하세요? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

통계물리학은 입자의 수가 매우 많을 때 적용되는 물리학의 독특한 분야입니다. 보통 물리학의 세부 분야는 연구 대상을 이름으로 정하지만, 통계물리학은 '통계'라는 방법론 자체가 학문의 이름이 되었습니다. 이는 무엇이든 개수가 많기만 하면 통계물리학의 분석 대상이 될 수 있음을 의미하며, 그 적용 범위가 매우 넓다는 특징이 있습니다. 통계학을 도구로 사용하긴 하지만, 본질적으로는 물리학에 방점을 두고 현상을 탐구하는 학문이라 할 수 있습니다. 통계물리학을 조금 더 학술적으로 설명하자면, 거시적 상태가 동일할 때 그 내부의 미시적 상태가 얼마나 다양할 수 있는지를 측정하는 학문입니다. 겉으로 보기에는 똑같은 상태처럼 보일지라도, 그 안을 들여다보면 무수히 많은 다양성이 존재할 수 있는데 이를 수치화하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 즉, 엔트로피는 시스템 내부의 무질서도나 다양성을 나타내는 척도로서, 우리 주변의 복잡한 현상을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립계에서 엔트로피는 항상 증가하지만, 생명 현상은 이와 조금 다른 양상을 보입니다. 생명체는 외부와 끊임없이 에너지와 물질을 교환하는 전형적인 열린계이기 때문에, 엔트로피 증가의 법칙에 얽매이지 않고 생명을 유지할 수 있습니다. 만약 생명체가 외부로부터 고립된다면 더 이상 생존할 수 없게 되며, 그때서야 엔트로피가 증가하는 물리적 법칙의 지배를 받게 됩니다. 따라서 생명 현상에서 엔트로피 개념은 여전히 유효하며 중요합니다. 엔트로피 증가의 법칙은 일상적인 공간에서도 쉽게 관찰할 수 있습니다. 예를 들어 연구실 책상을 정리해 두어도 시간이 지나면 자연스럽게 어질러지는 현상이 이에 해당합니다. 물리학적으로는 깨끗한 상태와 지저분한 상태라는 두 가지 고정점이 존재하는데, 지저분한 상태는 엔트로피가 높은 상태를 의미합니다. 한번 무질서해지기 시작하면 외부의 에너지를 들여 정리하지 않는 한 스스로 깨끗해지지 않으며, 이는 우리 삶 속에서 매일 겪는 물리적 현상 중 하나입니다. 엔트로피를 올바르게 이해하기 위해서는 신중한 독서가 필요합니다. 대중적으로 유명한 제레미 리프킨의 저서는 물리학적 관점에서 오해의 소지가 많으므로 주의해야 하며, 대신 리처드 뮬러의 저작 등을 통해 현대 물리학의 시각을 접하는 것이 좋습니다. 아인슈타인이 미래에도 변치 않을 법칙으로 꼽았던 엔트로피 증가의 법칙은 사실 원리를 알고 나면 매우 당연하고 자연스러운 현상입니다. 이를 통해 우리는 우주와 세상을 바라보는 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다.

김범준

카오스재단카오스강연

물리학

[카오스 술술과학] 다중우주 (8) : 홀로그램 다중우주

홀로그램은 '전체'를 뜻하는 '홀로'와 '정보'를 뜻하는 '그램'의 합성어로, 3차원 영상을 재현하는 데 필요한 모든 정보를 2차원 평면에 담아내는 기술을 의미합니다. 우리의 뇌는 두 눈이 포착하는 미세한 시각적 차이를 입체로 인식하지만, 홀로그램은 레이저의 간섭 현상을 이용해 물체의 완전한 정보를 기록합니다. 여기서 가장 핵심적인 통찰은 2차원의 정보가 3차원의 실체를 완벽하게 구현할 수 있다는 사실입니다. 이러한 원리는 단순한 영상 기술을 넘어 우리가 발을 딛고 서 있는 우주의 근본적인 구조를 이해하는 중요한 열쇠가 되며, 보이지 않는 차원의 비밀을 풀어낼 단서를 제공합니다. 우주에서 가장 신비로운 천체인 블랙홀은 홀로그램 우주론의 출발점이 됩니다. 블랙홀의 경계면인 '사건의 지평선'은 한 번 들어가면 빛조차 빠져나올 수 없는 2차원 구면으로 정의됩니다. 과거 과학자들은 블랙홀이 모든 것을 삼키기만 한다면 우주의 무질서도인 엔트로피가 감소하여 열역학 제2법칙이 깨질 것이라고 우려했습니다. 하지만 스티븐 호킹과 제이콥 베켄슈타인은 블랙홀에서도 미세한 복사가 방출된다는 사실을 수학적으로 증명해냈습니다. 이는 블랙홀이 정보를 단순히 없애는 것이 아니라, 그 표면에 정보를 보존하고 있음을 암시하는 물리학계의 획기적인 발견이었습니다. 블랙홀로 떨어지는 관찰자와 이를 밖에서 지켜보는 동료의 시선은 서로 완전히 다르게 나타납니다. 자유낙하 하는 당사자에게는 아무런 물리적 변화가 느껴지지 않지만, 외부 관찰자에게는 그가 사건의 지평선에서 뜨거운 열기에 의해 정보의 형태로 흩어지는 것처럼 보입니다. 이처럼 서로 다른 두 관점이 모두 옳다는 '이중성'은 우주의 정보가 결코 사라지지 않고 보존된다는 사실을 뒷받침합니다. 블랙홀이 삼킨 모든 정보는 내부의 부피가 아니라 겉면인 사건의 지평선 면적에 비례하여 기록됩니다. 즉, 블랙홀의 본질은 그 내부가 아닌 겉모습에 담겨 있는 셈이며 이는 우주의 정보 저장 방식을 시사합니다. 레너드 서스킨드는 이 원리를 확장하여 홀로그램 우주라는 개념을 제안했습니다. 어떤 공간 내부에서 일어나는 모든 물리적 현상은 그 영역의 경계면에 저장된 정보로 완벽하게 설명될 수 있다는 것입니다. 이는 4차원 시공간의 양자 장 이론이 10차원 시공간의 끈 이론과 수학적으로 연결될 수 있음을 의미합니다. 우주의 경계에 기록된 정보를 해석하면 우주 내부의 복잡한 움직임을 재현할 수 있다는 이중성은 현대 물리학의 거대한 두 기둥을 하나로 묶어주는 가교 역할을 합니다. 우리가 경험하는 3차원 현실은 어쩌면 2차원 경계의 투영일지도 모른다는 가설은 우주를 보는 관점을 근본적으로 바꿉니다. 플라톤은 동굴 벽에 비친 그림자가 아닌 실체를 보라고 가르쳤지만, 홀로그램 우주론은 오히려 그림자가 실체적 정보를 담고 있는 근원이라고 말합니다. 존 휠러는 물질과 빛보다 더 근본적인 실체가 바로 '정보'라고 주장하며 이를 '만물은 비트로부터(It from Bit)'라고 표현했습니다. 우주는 매 순간 정보를 계산하고 처리하는 거대한 장치와 같으며, 존재가 정보를 만드는 것이 아니라 정보가 존재의 기원이 됩니다. 우리가 인식하는 입체적인 세계는 결국 우주의 경계에 새겨진 방대한 정보가 만들어낸 정교한 환상일 수 있다는 점이 이 이론의 가장 심오한 결론입니다. 정보가 곧 존재의 뿌리라는 사실은 우주의 기원을 다시 생각하게 합니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[강연] 우주는 어떻게 시작되었는가?-빅뱅 _ by김형도｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 2강 | 2강

우주는 우리가 상상할 수 없을 만큼 거대하며, 그 크기를 이해하는 핵심은 빛의 속도에 있습니다. 빛은 1초에 약 30만 킬로미터를 이동하지만, 우주의 광활한 거리 앞에서는 이 속도조차 유한하게 느껴집니다. 예를 들어 7천 광년 떨어진 '창조의 기둥' 성운을 관측한다는 것은, 사실 구석기나 신석기 시대에 출발한 빛을 지금 이 순간 마주하는 것과 같습니다. 이처럼 우주를 바라보는 행위는 필연적으로 과거의 시간을 탐험하는 과정이 됩니다. 우리가 밤하늘에서 보는 별빛은 현재의 모습이 아니라, 수만 년 혹은 수십억 년 전 우주가 우리에게 보내온 오래된 편지와도 같습니다. 빅뱅 직후의 초기 우주는 지금과는 비교할 수 없을 정도로 뜨겁고 밀도가 높은 상태였습니다. 당시 우주는 전하를 띤 입자들이 뒤섞인 플라스마 상태였기에 빛조차 자유롭게 움직이지 못하는 불투명한 공간이었습니다. 그러나 우주가 팽창하며 점차 식어갔고, 빅뱅 후 약 38만 년이 지났을 때 비로소 중성 원자가 형성되며 빛이 직진할 수 있게 되었습니다. 이때 우주 전역으로 퍼져 나간 빛이 바로 '우주 배경 복사'입니다. 오늘날 우리가 관측하는 이 희미한 전파는 우주가 투명해지던 결정적인 순간을 기록한 가장 오래된 사진이며, 빅뱅 이론을 뒷받침하는 가장 강력한 증거 중 하나로 남아 있습니다. 빅뱅 이론은 우주의 기원을 잘 설명하지만, 지평선 문제와 평평함 문제라는 두 가지 거대한 난관에 봉착했습니다. 우주의 양 끝단이 서로 소통할 시간이 없었음에도 온도가 균일하다는 점과 우주가 극도로 평평하다는 사실은 단순한 폭발만으로는 설명하기 어려웠습니다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 '급팽창 이론'입니다. 우주가 탄생 직후 아주 짧은 찰나에 탁구공보다 작은 크기에서 현재의 관측 가능한 우주 규모로 지수함수적으로 팽창했다는 가설입니다. 이 급격한 팽창은 우주의 굴곡을 평평하게 펴주었으며, 우주 전체의 온도를 균일하게 맞추는 결정적인 역할을 했습니다. 우주를 구성하는 미시 세계의 법칙은 현대 물리학의 정수인 '표준 모형'으로 집약됩니다. 세상의 모든 물질은 쿼크와 경입자로 이루어져 있으며, 이들은 네 가지 근본적인 힘을 통해 상호작용합니다. 특히 2012년에 발견된 '힉스 입자'는 이 표준 모형의 마지막 퍼즐 조각과도 같았습니다. 힉스 장은 우주 전체에 퍼져 있으며, 기본 입자들이 이 장과 상호작용하는 정도에 따라 각기 다른 질량을 얻게 됩니다. 전자가 가벼운 이유는 힉스 장과 약하게 반응하기 때문이며, 무거운 입자들은 강하게 반응한 결과입니다. 이처럼 보이지 않는 장의 존재는 우주의 물질들이 지금의 형태를 갖추게 한 근간이 됩니다. 우리가 표준 모형으로 설명할 수 있는 일반적인 물질은 우주 전체 구성의 고작 4%에 불과합니다. 나머지 96%는 정체를 알 수 없는 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 암흑 물질은 빛을 내지 않아 보이지 않지만, 강력한 중력을 통해 은하가 흩어지지 않게 붙잡아두는 보이지 않는 접착제 역할을 합니다. 반면 우주의 약 68%를 차지하는 암흑 에너지는 중력에 반하여 우주를 더욱 빠르게 밀어내는 척력으로 작용합니다. 최근 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어 가속 팽창하고 있다는 사실이 밝혀지면서, 암흑 에너지의 정체를 밝히는 것은 현대 물리학의 가장 거대한 과제가 되었습니다. 우주의 물리 상수들이 생명체가 탄생하기에 너무나 정교하게 맞춰져 있다는 사실은 '인류 원리'라는 독특한 관점을 낳았습니다. 만약 우주 상수가 조금만 더 컸다면 별과 은하가 만들어지기도 전에 우주가 찢겨 나갔을 것이고, 중력이 조금만 달랐어도 생명은 존재할 수 없었을 것입니다. 이러한 미세 조정 문제를 해결하는 한 가지 가설이 바로 '다중 우주'입니다. 우리 우주 외에도 서로 다른 물리 법칙과 상수를 가진 수많은 우주가 존재하며, 우리는 그중 우연히 생명이 살 수 있는 조건을 갖춘 우주에 살고 있다는 생각입니다. 이는 우리의 존재를 필연이 아닌, 무한한 가능성 속에서 피어난 특별한 우연으로 바라보게 합니다. 가속 팽창하는 우주의 미래는 결국 모든 것이 멀어지고 식어버리는 '열적 죽음'으로 향할 가능성이 큽니다. 암흑 에너지의 영향력이 계속된다면 은하 사이의 거리는 무한히 멀어질 것이며, 밤하늘에서 다른 은하의 빛조차 볼 수 없는 고립된 시대가 올지도 모릅니다. 그러나 우주의 시작이었던 급팽창이 다시 한번 일어날 가능성이나, 우리가 아직 알지 못하는 새로운 물리 법칙이 우주의 운명을 바꿀 시나리오도 여전히 존재합니다. 우주의 기원을 탐구하는 여정은 결국 인간이 어디서 왔으며 어디로 가는지에 대한 근원적인 질문에 답하는 과정입니다. 비록 우주는 거대하고 우리는 작지만, 그 비밀을 풀어가는 지적 탐구는 계속될 것입니다.

김형도

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

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

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

고재현, 김범준, 김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강 | 1강 ①

화학은 우리 주변에서 일어나는 모든 변화를 다루는 아주 중요한 학문입니다. 많은 이들이 화학을 어렵고 복잡하게 느끼지만, 사실 그 이면에는 오묘하고 흥미로운 미스터리가 가득 숨겨져 있습니다. 물질의 구조가 기능을 결정하고, 그 구조를 인위적으로 설계하여 만들어내는 과정은 마치 건축가가 정교한 집을 짓는 것과 같습니다. 이러한 변화를 이해하는 것은 세상을 구성하는 근본적인 원리를 깨닫고 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첫걸음이 됩니다. 모든 화학적 변화를 일으키는 근본적인 동력은 바로 에너지입니다. 에너지는 물질의 상태를 바꾸고 물리적, 화학적 변화를 유도하는 핵심 요소입니다. 특히 화학 결합 내부에 잠재적으로 저장된 에너지를 엔탈피라고 부르는데, 이는 자극을 주면 언제든 밖으로 뿜어져 나올 준비가 된 에너지입니다. 대부분의 반응은 에너지 장벽을 넘어야 일어나며, 이 과정을 통해 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 안정한 상태를 찾아갑니다. 화학의 진정한 가치는 단순히 자연을 관찰하는 데 그치지 않고 새로운 물질을 만들어내는 합성에 있습니다. 예를 들어 강력한 항암제인 택솔은 원래 희귀한 나무에서 추출했으나, 화학자들의 노력을 통해 인공적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 이는 자연을 훼손하지 않으면서도 인류에게 필요한 솔루션을 제공하는 화학의 힘을 보여줍니다. 유기화학자는 복잡한 분자를 설계하고 조립하는 분자 건축가로서 세상에 없던 새로운 가치를 창조합니다. 우리가 일상에서 접하는 물질들은 상상할 수 없을 만큼 무수히 많은 분자로 이루어져 있습니다. 눈물 한 방울에 담긴 물 분자의 개수는 약 10의 21승 개에 달하며, 이를 전 인류가 밤낮없이 센다고 해도 수만 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 거대한 숫자의 입자를 다루기 때문에 화학은 개별 원자의 움직임을 넘어 통계적인 관점에서 접근해야 합니다. 이러한 인식의 격차를 이해할 때 비로소 거시적인 화학 현상의 본질에 다가갈 수 있습니다. 자연계의 변화에는 일정한 방향성이 존재하는데, 이를 설명하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 향수 냄새가 방 안으로 퍼지거나 잉크가 물속에서 확산하는 현상은 에너지가 보존됨에도 불구하고 결코 스스로 되돌아오지 않습니다. 이는 자연이 어떤 의지를 가진 것이 아니라 순전히 확률의 게임이기 때문입니다. 무질서도가 증가하는 방향, 즉 경우의 수가 가장 많은 상태로 나아가는 것이 우주의 자연스러운 흐름이며 이를 열역학 제2법칙이라 합니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 통계적으로 정의하며 비가역성의 원리를 규명했습니다. 입자의 개수가 무수히 많아지면 특정 상태로 다시 돌아올 확률은 수학적으로는 존재할지 몰라도 현실적으로는 0에 수렴하게 됩니다. 공기 입자들이 우연히 방 한구석으로 몰려 우리가 숨을 쉬지 못하게 될 확률이 없는 이유도 바로 여기에 있습니다. 이러한 통계적 필연성은 시간이 한 방향으로만 흐르는 '시간의 화살'을 만들어내며 거시 세계의 질서를 유지합니다. 생명체는 엔트로피가 증가하는 우주의 흐름 속에서 질서를 유지하는 독특한 존재입니다. 우리는 외부로부터 에너지를 섭취하고 대사 과정을 거침으로써 내부의 무질서도를 낮추고 정교한 구조를 유지합니다. 이는 열역학 법칙에 위배되는 것이 아니라, 우주 전체의 엔트로피를 증가시키는 대가로 국소적인 질서를 창조하는 과정입니다. 결국 에너지와 엔트로피를 이해하는 것은 생명의 탄생과 우주의 운명을 관통하는 거대한 미스터리를 푸는 열쇠가 됩니다.

김성근, 성재영

카오스재단카오스강연

화학

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

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

김범준

카오스재단마스터클래스

물리학

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

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

김상욱

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물리학

[석학인터뷰] 이광렬_ 나노, 모험심을 가지고 연구하다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMysterty'

울릉도라는 고립된 환경에서 보낸 어린 시절은 과학자로서의 소양을 기르는 소중한 자산이 되었습니다. 주변에 친구가 많지 않아 홀로 바다와 산을 누비며 보냈던 시간은 자연스럽게 자연 현상을 관찰하는 습관으로 이어졌습니다. 책에서만 보던 원리들을 실제 현장에서 직접 목격하며 쌓은 경험은 훗날 연구자로서 세상을 바라보는 독특한 시각을 형성해 주었습니다. 이러한 유년기의 경험은 이론에 매몰되지 않고 실재하는 자연의 질서를 탐구하는 과학적 호기심의 뿌리가 되었습니다. 대학 진학 후 전공을 선택하는 과정에서도 남들이 가지 않은 길을 찾으려는 탐구 정신이 빛을 발했습니다. 이미 체계가 잡힌 수학이나 물리와 달리, 화학은 아직 채워나갈 공간이 많은 분야라고 판단했습니다. 특히 나노 과학은 이제 막 태동하는 단계로서 무궁무진한 가능성을 품고 있었습니다. 아무것도 정해지지 않았기에 오히려 더 많은 것을 시도하고 창조할 수 있다는 기대감이 나노라는 미지의 세계로 발을 들이게 한 결정적인 계기가 되었습니다. 실험 과학의 세계는 수많은 실패의 연속이며, 이를 극복하기 위해서는 남다른 치밀함과 끈기가 필요합니다. 흔히 과학자의 성격이 예민하다고 말하는 것은 완벽을 기하려는 치열한 연구 과정에서 비롯된 결과이기도 합니다. 나노 과학은 특정 학문에 머무르지 않고 여러 분야의 경계를 넘나들어야 하기에, 기존의 틀을 깨는 결단력과 개척 정신이 필수적입니다. 이러한 태도는 나노 과학만이 가진 독특한 매력이자 미래 사회를 이끌어갈 핵심적인 역량이 됩니다. 과학자들은 우주의 질서와 생명의 기원에 대해 끊임없이 질문을 던집니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주는 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐르지만, 생명체는 오히려 질서를 구축하며 엔트로피를 감소시키는 역설적인 존재입니다. 일부 학자들은 생명체가 물질세계를 더 빠르게 변화시킴으로써 결과적으로 우주 전체의 엔트로피 증가를 가속화한다고 설명하기도 합니다. 이러한 존재의 이유와 우주의 섭리 사이의 미스터리를 풀어가는 과정은 과학 탐구의 궁극적인 지향점입니다. 나노 기술은 이미 우리 삶의 도처에 스며들어 있으며, 앞으로 그 영향력은 더욱 확대될 전망입니다. 4차 산업혁명 시대를 살아갈 미래 세대에게 나노 과학은 직업적 안정성을 넘어 세상을 바꾸는 강력한 도구가 될 것입니다. 다만 기술의 발전이 항상 바람직한 방향으로만 흐르는 것은 아니기에, 우리는 나노 기술이 가져올 변화를 비판적으로 성찰해야 합니다. 미래의 모습을 더 나은 방향으로 수정하고 가꾸어 나가는 것은 과학자와 대중이 함께 고민해야 할 숙제입니다.

이광렬

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화학

[강연] 통계물리학의 역사와 주요 내용 _ 김범준교수_1강 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리' | 2강 ①

물리학은 자연의 근본 원리를 탐구하는 거대한 학문으로, 연구 방법이나 대상의 크기에 따라 다양하게 분류됩니다. 이론과 실험, 고전과 현대, 그리고 양자 역학과 고전 역학 등이 그 대표적인 예입니다. 그중에서도 통계물리학은 '입자의 수'를 기준으로 세상을 바라보는 독특한 시각을 제공합니다. 개별 입자의 움직임보다는 수많은 입자가 모였을 때 나타나는 집단적인 현상에 주목하는 것이 이 분야의 핵심입니다. 우리가 일상에서 마주하는 거시적인 현상들은 결국 무수히 많은 미시적 존재들이 상호작용하며 만들어낸 결과물이기 때문입니다. 뉴턴의 고전 역학은 'F=ma'라는 간결한 수식으로 자연의 인과관계를 설명하며, 현재의 정보를 통해 미래를 예측할 수 있다는 결정론적 세계관을 제시합니다. 하지만 이러한 예측은 대상이 하나 혹은 둘일 때만 명확하게 작동합니다. 입자가 셋만 되어도 그 궤적을 수학적으로 완벽히 풀어낼 수 없다는 '삼체 문제'의 불가능성이 이미 증명되어 있기 때문입니다. 하물며 아보가드로 수에 달하는 10의 23승 개의 입자를 다루는 것은 고전 역학의 개별적 접근 방식으로는 불가능에 가깝습니다. 통계물리학은 바로 이 지점, 즉 '못 푸는 문제를 푸는' 도전에서 시작됩니다. 입자의 수가 기하급수적으로 늘어나면 물리학자의 관심사는 질적으로 변화하게 됩니다. 수조 개의 기체 분자 중 특정 번호의 분자가 지금 이 순간 어떤 위치와 속도를 가졌는지는 더 이상 중요하지 않습니다. 대신 그 분자들이 집단적으로 만들어내는 압력이나 온도, 혹은 공간적 분포와 같은 거시적인 상태에 집중하게 됩니다. 통계물리학은 개별 입자의 상세한 정보는 과감히 생략하고 전체 시스템이 보여주는 보편적인 규칙을 찾아냅니다. 이는 복잡한 세상 속에서 단순하고도 강력한 질서를 발견하는 통찰의 과정이라 할 수 있습니다. 에렌페스트의 개벼룩 모델은 통계적 확률이 어떻게 거시적 상태를 결정하는지 보여주는 훌륭한 사고 실험입니다. 두 마리의 강아지 사이를 무작위로 옮겨 다니는 벼룩들의 분포를 생각해보면, 벼룩의 수가 적을 때는 우연히 한쪽 강아지에게 모든 벼룩이 몰릴 확률이 존재합니다. 그러나 벼룩의 수가 수천, 수만 마리로 늘어나면 상황은 완전히 달라집니다. 모든 벼룩이 한쪽에 몰려 있을 확률은 우주의 역사 동안 단 한 번도 일어나기 힘들 정도로 낮아지며, 결국 양쪽에 비슷하게 나뉘어 있는 상태가 압도적인 확률로 나타나게 됩니다. 입자가 많아지면 확률이 낮은 사건은 사실상 불가능한 일이 됩니다. 엔트로피 증가의 법칙은 '일어날 확률이 큰 일은 결국 일어나게 마련이다'라는 단순하면서도 심오한 진리를 담고 있습니다. 여기서 엔트로피란 시스템이 가질 수 있는 가능한 상태의 가짓수를 의미합니다. 가만히 내버려 둔 시스템은 가짓수가 적은 특수한 상태에서 가짓수가 압도적으로 많은 보편적이고 균일한 상태로 나아갑니다. 쏟아진 우유가 다시 컵으로 돌아가지 않는 이유는 그것이 물리 법칙에 어긋나서가 아니라, 다시 모일 확률이 너무나도 희박하기 때문입니다. 이러한 확률적 비가역성은 우리가 느끼는 시간의 방향성을 결정하는 중요한 물리적 근거가 되어줍니다. 현대 통계물리학의 초석을 다진 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 미시적인 상태의 가짓수와 연결하는 혁신적인 공식을 정립했습니다. 그의 묘비에도 새겨진 'S=k log W'라는 식은 눈에 보이지 않는 미시 세계의 정보가 어떻게 눈에 보이는 거시 세계의 물리량으로 변환되는지를 명확히 보여줍니다. 당시에는 원자의 존재조차 부정하던 학계의 거센 비판과 논리실증주의자들의 공격에 직면하여 고통스러운 삶을 살았지만, 그의 이론은 오늘날 물리학뿐만 아니라 복잡계 과학과 정보 이론 등 현대 과학의 수많은 분야에서 없어서는 안 될 핵심 원리로 자리 잡으며 그 가치를 증명해냈습니다. 볼츠만에서 시작된 통계물리학의 전통은 에렌페스트와 울렌벡을 거쳐 한국의 조순탁 교수에게 이어지며 국내 학계에도 깊이 뿌리내렸습니다. 오늘날의 통계물리학자들은 단순히 기체 분자의 운동을 연구하는 데 그치지 않고, 사회 현상, 경제 지표, 생명 현상 등 수많은 구성 요소가 복잡하게 상호작용하는 '복잡계'를 주요 연구 대상으로 삼고 있습니다. 많은 것이 모였을 때 나타나는 새로운 질서와 창발적 현상을 탐구하는 이 학문은, 개별 요소에 대한 지식만으로는 설명할 수 없는 우리 세상의 복잡한 문제들을 이해하고 해결하는 데 가장 강력한 도구가 되어주고 있습니다.

김범준

카오스재단마스터클래스

물리학

[카오스 술술과학] 화학의 수수께끼, CheMystery

우리가 흔히 접하는 화학이라는 학문의 이름 속에는 세상의 이치를 관통하는 깊은 의미가 담겨 있습니다. 많은 이들이 화학을 그림이나 불과 관련된 학문으로 오해하곤 하지만, 한자 '화(化)' 자를 자세히 들여다보면 그 본질을 명확히 알 수 있습니다. 이 글자는 본래 변화를 뜻하며, 영어 단어인 'Chemistry'의 어원인 'Chem' 역시 변화라는 의미를 내포하고 있습니다. 마치 풀이 자라나 아름다운 꽃으로 피어나는 신비로운 과정처럼, 화학은 세상의 모든 존재가 겪는 근본적인 변화를 탐구하고 그 원리를 밝혀내는 학문이라 할 수 있습니다. 화학은 단순히 변화만을 다루는 데 그치지 않고, 서로 다른 존재들이 어우러지는 합성의 과정을 깊이 있게 연구합니다. 현재까지 발견된 118가지 원소는 주기율표라는 정교한 질서 속에서 수천만 종의 분자를 만들어내며, 이것들이 다시 조화롭게 섞여 우리가 살아가는 거대한 세상을 구성합니다. 일상에서 흔히 사용하는 '케미'라는 표현이 사람 사이의 친화력을 뜻하는 것처럼, 화학의 어원에는 '섞다'라는 의미가 포함되어 있습니다. 즉, 화학은 원소들이 만나 새로운 물질을 탄생시키는 합성의 미학을 보여주는 학문인 셈입니다. 현대 화학의 영역은 에너지와 엔트로피 같은 물리적 법칙부터 생명 현상의 근원인 단백질과 생체막에 이르기까지 매우 방대하게 뻗어 있습니다. 원자가 결합하여 분자가 되는 과정은 마치 전자와 양성자가 추는 우아한 왈츠와 같으며, 분자의 3차원 구조 속에 숨겨진 기능적 아름다움은 나노과학과 분자공학의 튼튼한 토대가 됩니다. 또한 우리가 일상에서 느끼는 맛과 냄새 같은 감각의 영역조차도 결국은 분자 수준에서 일어나는 화학적 상호작용의 결과입니다. 이처럼 화학은 만물의 근원을 이해하고 미래의 새로운 가능성을 열어주는 소중한 열쇠입니다.

카오스재단술술과학

화학

[강연] 생명체의 탄생 (4) _ 노정혜 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강 | 1강 ④

합성 생물학은 이제 기존 생명체의 유전자를 단순히 복제하거나 편집하는 단계를 넘어, 화학적으로 염기 서열을 직접 설계하고 합성하는 시대로 접어들었습니다. 과거에는 이미 존재하는 DNA를 잘라 붙이거나 증폭하는 방식에 의존했지만, 현재는 저렴한 비용으로 원하는 기능을 가진 '디자이너 유전자'를 직접 만들어낼 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 우리가 생명의 설계도를 직접 그릴 수 있게 되었음을 의미하며, 생명공학의 패러다임을 근본적으로 바꾸는 중요한 전환점이 되고 있습니다. 인간을 구성하는 원소를 완전히 분해했다가 다시 조립했을 때, 그것이 다시 살아 있는 생명체가 될 수 있을지에 대한 질문은 과학계의 오랜 화두입니다. 이론적으로는 가능하다고 믿는 학자들도 있으나, 실제로는 세포라는 복잡한 구조를 원자 단위에서 재현하는 것이 매우 어렵습니다. 양자 역학의 불확정성 원리나 생명체가 가진 고유한 역동성을 고려할 때, 단순히 물질을 모으는 것만으로는 생명의 불꽃을 다시 지피기에 부족할 수 있다는 신중한 견해가 지배적입니다. 인공지능의 발전은 생명의 정의를 기능적 측면에서 다시 생각하게 만듭니다. 복잡계 과학에서는 개별 요소가 모여 전체가 되었을 때, 개별 요소에는 없던 새로운 특성이 나타나는 '창발성'을 강조합니다. 신경망 회로가 극도로 복잡해지면 인간의 의식과 유사한 자의식이 자연스럽게 부상할 수 있다는 가설도 존재합니다. 이는 생명이 반드시 유기물에 국한된 것이 아니라, 고도로 연결된 정보 처리 시스템에서도 나타날 수 있는 현상일지도 모른다는 가능성을 시사하며 우리에게 새로운 질문을 던집니다. 생물학적 관점에서 생명의 핵심은 세포라는 구조적 단위에 있습니다. 세포는 스스로 인지질을 합성하여 막을 키우고 에너지를 생성하며 유전 정보를 보존하는 완결된 시스템입니다. 이러한 구조적 완결성은 인공지능이나 단순한 기계가 생명체로 인정받기 위해 넘어야 할 가장 큰 장벽 중 하나로 작용합니다. 생명이란 단순히 정보의 흐름이 아니라, 물리적인 공간을 점유하고 환경과 상호작용하는 구체적인 실체로서의 성격이 강하기 때문입니다. 물리학자들은 생명을 엔트로피 법칙을 거스르는 존재로 정의하기도 합니다. 무질서로 향하는 자연의 흐름 속에서 스스로 질서를 만들고 유지하며 자기 복제를 수행하는 존재를 생명으로 보는 것입니다. 하지만 이러한 과학적 정의만으로는 인간이 느끼는 '혼'이나 생명의 존엄성 같은 철학적 영역을 모두 설명하기 어렵습니다. 결국 생명이란 무엇인가에 대한 답은 과학적 탐구와 철학적 성찰이 교차하는 지점에서 계속해서 수정되고 보완되어야 할 영원한 과제라고 할 수 있습니다.

노정혜, 신민섭, 홍성욱

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 자연에 숨어 있는 질서를 찾아서 (6) _ by하승열 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 2강 | 2강 ⑥

주식 시장의 복잡한 움직임을 수학적으로 분석하려는 시도는 현대 금융에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 특히 개별 주식을 하나의 입자로 간주하고 그 움직임을 모델링하는 방식은 경제 위기 시 발생하는 군집 현상(Herding)을 이해하는 데 큰 도움을 줍니다. 연구자들은 입자 물리학의 동기화 현상과 플로킹 이론을 금융 데이터에 접목하여 경제 위기의 시작과 끝을 예측할 수 있는 금융위기지수(FVI)를 개발하고 있습니다. 이러한 수학적 접근은 단순한 수치 계산을 넘어 시장의 변동성을 체계적으로 파악하게 해줍니다. 다가올 5·6차 산업혁명은 인간의 생명 현상과 양자 세계에 대한 깊은 이해를 바탕으로 전개될 전망입니다. 4차 산업혁명이 인공지능과 뇌 지능의 대체를 지향한다면, 그다음 단계는 세포 단위의 생명 현상을 규명하고 이를 산업화하는 방향으로 나아갈 것입니다. 특히 양자 정보 및 계산 기술은 미래 산업의 핵심 키워드로 주목받고 있으며, 이는 우리 몸을 더 정밀하게 이해하고 질병을 극복하는 데 기여할 것입니다. 수학은 이러한 미시적 세계와 거시적 우주를 연결하는 기본 언어로서 그 역할이 더욱 확대될 것입니다. 인공지능 기술의 역사를 되짚어보면 수학적 논리의 중요성이 극명하게 드러납니다. 과거 퍼셉트론 모델이 XOR 연산과 같은 논리적 한계에 부딪혔을 때 인공지능 연구는 한동안 정체기를 겪었습니다. 최근 딥러닝의 비약적인 발전으로 많은 문제가 해결되고 있지만, 여전히 '왜 결과가 도출되는가'에 대한 수학적 원리 규명은 과제로 남아 있습니다. 단순히 기술적 구현에 그치지 않고 그 근저에 흐르는 수학적 원리를 명확히 확립해야만 인공지능 기술이 일시적인 유행을 넘어 지속 가능한 학문적 토대를 갖출 수 있을 것입니다. 기술의 발전은 인류에게 풍요로운 여가 시간을 선사하는 동시에 새로운 사회적 과제를 던져줍니다. 기계가 인간의 노동을 대체하면서 발생할 수 있는 소외감이나 환경 문제, 그리고 가상 화폐의 확산에 따른 새로운 경제 질서의 정립이 필요합니다. 이러한 변화는 단순한 기술 도입을 넘어 사회 전반의 제도적 보완과 규제의 재설계를 요구합니다. 무질서가 증가하는 엔트로피의 법칙처럼, 기술 혁신이 가져올 수 있는 카오스적인 부작용을 최소화하기 위해서는 새로운 생각의 틀을 마련하고 이를 조율할 수 있는 사회적 합의가 필수적입니다. 수학 연구의 지평은 연구자의 자유로운 탐구 정신과 우연한 발견을 통해 확장됩니다. 과거에는 학문적 성취를 위해 해외 유학이 필수적인 경로로 여겨졌으나, 현재 한국의 수학계는 세계적인 수준에 도달하여 국내에서도 충분히 깊이 있는 연구가 가능해졌습니다. 인터넷을 통한 정보 공유와 활발한 국제 학술 교류 덕분에 연구 환경의 제약이 사라진 것입니다. 중요한 것은 어디에서 공부하느냐보다 본인의 의지와 학문에 대한 열정이며, 이러한 변화는 미래의 수학도들에게 더 넓은 선택지와 가능성을 열어주고 있습니다.

배형옥, 하승열

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 세상 속의 수數다 (4) _ by고계원 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 1강 | 1강 ④

수학 연구의 과정은 끊임없는 사고의 반복입니다. 문제를 마주하고 고민하며 다양한 방식으로 응용해 보는 시간은 길지만, 정작 해답을 찾아냈을 때 느끼는 행복은 찰나에 불과합니다. 하지만 이러한 인고의 과정은 비단 수학에만 국한되지 않습니다. 모든 학문적 연구와 기업의 업무 역시 비슷한 흐름을 가집니다. 중요한 것은 그 짧은 기쁨의 순간을 동력 삼아 다시 새로운 문제로 뛰어드는 열정입니다. 이러한 반복 속에서 우리는 학문적 가치를 발견하며 삶의 보람을 채워나갑니다. 이론 과학의 메카로 불리는 프린스턴 고등연구소는 아인슈타인과 폰 노이만 같은 위대한 과학자들이 머물렀던 곳입니다. 이곳은 겉으로 보기에는 매우 한적하고 평화로운 분위기를 자아내지만, 그 이면에는 지독하리만큼 치열한 학문적 탐구가 자리 잡고 있습니다. 연구자들이 누리는 여유는 단순히 쉬는 것이 아니라, 깊은 사고에 몰입할 수 있는 최적의 환경을 의미합니다. 치열함과 여유가 공존하는 이 특별한 공간은 새로운 이론이 탄생하는 밑거름이 되며, 현대 과학의 발전을 이끄는 중요한 축이 됩니다. 수학적 성취를 이루는 데 있어 재능과 노력 중 무엇이 더 중요한지에 대한 논의는 늘 뜨겁습니다. 일부 학자들은 수학에서 가장 중요한 재능으로 상상력을 꼽습니다. 논리적 사고나 계산력은 훈련을 통해 어느 정도 습득할 수 있지만, 기존의 틀을 깨는 획기적인 아이디어는 타고난 상상력에서 비롯된다는 시각입니다. 영화 '인셉션'의 감독이 보여준 창의성처럼, 수학 역시 무한의 크기를 비교하거나 새로운 체계를 설계할 때 고도의 상상력을 필요로 합니다. 이는 단순히 공식을 외우는 것 이상의 차원입니다. 흔히 노력형 수학자로 알려진 이들조차 사실은 엄청난 재능을 겸비한 경우가 많습니다. 수학은 알면 알수록 자신의 부족함을 깨닫게 만드는 학문이기에, 고수들 사이에서도 늘 겸손함을 유지하게 됩니다. 유명한 수학자들은 잠자는 시간을 제외한 거의 모든 일상을 수학적 사고에 할애하며, 이를 고통이 아닌 삶의 일부로 받아들입니다. 천재성이라는 바탕 위에 쉼 없는 노력이 더해질 때 비로소 인류의 지성사를 바꿀 위대한 업적이 탄생합니다. 결국 수학은 재능과 노력이 정교하게 맞물려 돌아가는 예술과도 같습니다. 아이들의 수학적 재능을 키워주기 위해서는 정답을 맞히는 것보다 문제를 가지고 노는 경험이 중요합니다. 다리 개수를 맞히는 간단한 퀴즈를 풀 때도 연립방정식 같은 공식을 강요하기보다, 스스로 그림을 그리며 추론할 시간을 충분히 주어야 합니다. 때로는 일부러 틀린 조건의 문제를 제시하여 아이가 논리적 모순을 스스로 발견하게 유도하는 것도 좋은 방법입니다. 이러한 과정에서 아이들은 홀수와 짝수의 개념을 자연스럽게 깨닫고 사고의 유연성을 기릅니다. 여유로운 대화 속에서 이루어지는 탐구는 수학을 즐거운 놀이로 인식하게 만듭니다.

고계원

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 왜 지구인가? (5) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 1강 | 1강 ⑤

우리가 살아가는 지구는 거대한 에너지의 집합체이며, 현대 사회를 살아가는 많은 이들은 풍요로운 삶을 누리는 동시에 자원 고갈과 환경 파괴에 대한 깊은 책임감을 느끼곤 합니다. 특히 인구 증가와 물 부족 같은 세계적인 문제는 더 이상 남의 일이 아닌 우리 모두의 생존과 직결된 과제입니다. 이러한 모순을 해결하기 위해 과학은 화석 연료를 대체할 재생 에너지에 주목하고 있습니다. 지열, 풍력, 태양광 등 지구가 본래 가진 에너지를 슬기롭게 활용하는 기술은 인류가 지속 가능한 미래로 나아가기 위한 필수적인 선택지가 되고 있으며, 이는 우리가 자연과 공존하기 위해 반드시 고민해야 할 지점입니다. 에너지 전환은 단순히 기술적인 문제를 넘어 사회적 합의와 실천이 필요한 영역입니다. 아이슬란드와 같은 국가들은 지열과 수력을 통해 에너지의 상당 부분을 충당하며 앞서가고 있지만, 우리나라는 여전히 화석 연료와 원자력 의존도가 높은 실정입니다. 미세먼지나 온실가스 배출 문제는 특정 지역이나 국가에 국한되지 않는 전 지구적인 현상으로, 국경 없는 환경 위기에 대응하기 위해서는 에너지를 절감하고 아끼는 마음가짐을 공유하는 것이 무엇보다 중요합니다. 과학적 해결책이 제시되더라도 이를 수용하고 실천하려는 공동체의 노력이 뒷받침되어야만 실질적인 변화를 이끌어낼 수 있기 때문입니다. 과학적 사고의 핵심은 고정된 정답에 안주하지 않고 끊임없이 진리를 탐구하는 유연함에 있습니다. 흔히 과학을 인간 중심적인 오만으로 오해하기도 하지만, 진정한 과학자는 새로운 증거가 나타나면 언제든 기존의 가설을 수정할 준비가 되어 있는 사람들입니다. 이는 결론을 정해두고 논리를 맞추는 방식과는 근본적으로 다르며, 오직 데이터와 근거를 바탕으로 가장 합리적인 답을 찾아가는 과정 자체가 과학의 본질이라 할 수 있습니다. 이러한 태도는 우리가 직면한 복잡한 환경 문제들을 감정적인 대응이 아닌, 객관적이고 실효성 있는 방향으로 해결할 수 있도록 돕는 이정표가 됩니다. 지진 조기 경보 시스템에서 단 몇 초의 시간은 인명 피해를 줄이는 결정적인 열쇠가 됩니다. 6~7초라는 짧은 시간은 언뜻 미미해 보일 수 있지만, 체계적인 대피 시스템과 훈련된 행동이 결합된다면 생사를 가르는 귀중한 골든타임이 될 수 있습니다. 과학은 자연재해를 완전히 막지는 못하더라도, 그 피해를 최소화할 수 있는 지혜와 기술적 수단을 제공합니다. 전조 현상을 파악하고 신속하게 정보를 전달하려는 노력은 안전한 사회를 구축하는 밑거름이 됩니다. 결국 과학은 인간이 자연의 거대한 흐름 속에서 스스로를 보호하고 환경에 적응해 나가는 가장 강력하고도 합리적인 도구인 셈입니다. 지구를 하나의 거대한 생명체로 보는 관점처럼, 지구는 스스로 조절하고 변화하는 역동적인 시스템입니다. 생명은 엔트로피 법칙을 거슬러 목적을 가지고 에너지를 사용하는 특별한 존재이며, 인류가 문명을 이룩한 과정은 수많은 우연이 겹쳐진 경이로운 결과입니다. 하지만 최근의 기후 변화는 지구가 과거에 겪었던 변화와는 비교할 수 없을 정도로 급격하게 진행되고 있습니다. 우리가 지구의 역사를 배우고 그 내부 구조를 탐구하는 이유는, 이 경이로운 우연을 지키고 다가올 미래를 더욱 겸허하게 준비하기 위해서입니다. 과학을 통해 지구를 깊이 이해하는 것이야말로 인류 생존의 유일한 답이 될 것입니다.

김영희, 이강근, 이상묵

카오스재단카오스강연

지구환경과학

[강연] 토크쇼 (패널토의) | 2015 여름 카오스 콘서트 '기원 Origin' 4강 | 4강

우리는 138억 년이라는 거대한 우주의 역사를 거슬러 올라가며 우리 자신의 뿌리를 찾고자 노력합니다. 우주와 물질, 그리고 생명이 어떻게 시작되었는지에 대한 질문은 결국 '나는 어디에서 왔는가'라는 근원적인 물음으로 귀결됩니다. 인간은 단순히 존재하는 것에 그치지 않고, 자신을 둘러싼 자연의 기원을 궁금해하는 독독특한 존재입니다. 망원경으로 우주의 끝을 바라보거나 현미경으로 미세한 세계를 관찰할 때, 우리는 결국 그 속에서 우리 자신의 모습을 발견하게 됩니다. 이러한 지적 호기심은 인류가 문명을 발전시키고 세상을 이해하는 가장 강력한 동력이 되어 왔습니다. 빅뱅은 현대 과학이 설명하는 우주의 시작점이지만, 그 이전의 상태나 폭발을 일으킨 에너지의 정체에 대해서는 여전히 많은 수수께끼가 남아 있습니다. 물리학적으로 빅뱅은 시간의 시작을 의미하기 때문에 '그 이전'이라는 개념 자체가 성립하기 어려울 수 있습니다. 중력이 극도로 강한 특이점에서는 시간이 매우 천천히 흐르며, 시작점에 가까워질수록 시간의 흐름은 멈춘 것과 다름없는 상태가 됩니다. 따라서 빅뱅의 에너지가 어디서 왔는지를 묻는 것은 시간의 기원 그 자체를 탐구하는 것과 같으며, 이는 현대 물리학이 도전하고 있는 가장 거대한 장벽 중 하나입니다. 과학은 모든 질문에 즉각적인 해답을 내놓기보다는 관측과 데이터를 통해 진실에 다가가는 정직한 학문입니다. 빅뱅의 순간은 양자역학의 지배를 받는 미세한 영역이었을 것으로 추측되며, 진공 에너지나 초끈 이론 등 다양한 가설이 그 원인을 설명하려 시도하고 있습니다. 하지만 아직 인류는 그 폭발의 정확한 메커니즘을 완벽하게 밝혀내지 못했습니다. 모르는 것을 모른다고 인정하고 이를 탐구해 나가는 과정이야말로 과학이 가진 진정한 가치입니다. 이러한 불확실성은 오히려 새로운 연구와 상상력을 자극하며 우리가 우주를 더 깊이 이해하도록 이끕니다. 시작이 있다면 끝이 있기 마련이며, 생명의 최후 역시 과학의 중요한 관심사입니다. 개별 생명체의 수명은 염색체 말단의 텔로미어와 같은 유전적 요인뿐만 아니라 환경적 요인에 의해서도 결정됩니다. 시간의 화살은 결코 거꾸로 흐르지 않기에, 생명은 진화의 과정을 거쳐 복잡해질 뿐 과거의 단순한 형태로 되돌아가지 않습니다. 인류의 미래와 생명의 종말에 대한 논의는 우리가 현재를 어떻게 살아가야 하는지에 대한 철학적 성찰을 동반합니다. 환경오염이나 전쟁과 같은 외부적 위협 속에서 생명의 지속 가능성을 고민하는 것은 과학자의 사명이자 인류 공동의 과제입니다. 열역학 제2법칙인 엔트로피 법칙에 따르면 자연계는 질서에서 무질서의 방향으로 나아갑니다. 하지만 단세포생물이 복잡한 인간으로 진화하는 과정은 이 법칙에 어긋나는 것처럼 보일 수 있습니다. 여기서 중요한 점은 엔트로피 증가의 법칙이 외부와 차단된 '고립계'에서만 엄격하게 적용된다는 사실입니다. 생명체는 외부로부터 에너지를 섭취하고 노폐물을 배출하는 '열린계'에 해당합니다. 따라서 생명은 에너지를 소모함으로써 국소적으로 엔트로피를 낮추고 질서를 유지하며 진화할 수 있습니다. 이는 생명이 물리 법칙을 거스르는 것이 아니라 법칙 안에서 정교한 질서를 창조해가는 과정임을 보여줍니다. 생명의 기원을 분자 수준에서 바라보면 DNA와 RNA의 관계가 핵심적인 역할을 합니다. 오늘날 DNA는 유전 정보를 저장하고 RNA는 이를 전달하여 단백질을 만드는 역할을 분담하지만, 초기 생명체에서는 이 두 기능을 모두 수행하는 분자가 필요했을 것입니다. 과학자들은 RNA가 정보 저장과 촉매 기능을 동시에 가졌던 'RNA 세계'가 먼저 존재했을 것으로 추측합니다. 이후 구조적으로 더 안정적인 DNA가 유전 정보의 보관을 맡게 되면서 현재의 생명 시스템이 정착되었습니다. 이처럼 분자 하나하나의 변화와 선택이 쌓여 오늘날의 복잡하고 경이로운 생명 현상을 만들어낸 것입니다. 광활한 우주에서 지구에만 생명체가 존재한다는 것은 엄청난 공간 낭비일지도 모른다는 칼 세이건의 말처럼, 외계 생명체에 대한 탐구는 우리의 상상력을 자극합니다. 우주 어딘가에 우리와 유사하거나 혹은 전혀 다른 형태의 생명이 존재할 확률은 과학적으로 충분히 논의될 가치가 있습니다. 외계 생명체의 존재 여부를 확인하려는 노력은 결국 인류가 우주에서 어떤 위치를 차지하고 있는지를 확인하는 과정이기도 합니다. 과학은 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 끊임없는 질문과 상상력을 통해 우리가 보지 못하는 세계를 꿈꾸게 하며 미래의 새로운 가능성을 열어줍니다.

김성근, 우종학, 이현숙, 정하웅

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화학
생명과학
천문학

[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

[강연] 지니에게 물어봐 _장원철 교수| 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (5) | 3강

우주는 끊임없이 무질서한 상태로 나아가려는 본질적인 경향을 가지고 있습니다. 이를 과학적으로는 열역학 제2법칙, 즉 엔트로피 증가의 법칙이라고 정의합니다. 뜨거운 커피가 식어 주변 온도와 같아지거나, 물속에 떨어진 잉크가 고르게 퍼져나가는 현상은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 자연스러운 변화의 과정입니다. 이러한 변화는 결코 스스로 되돌아가지 않는 비가역적인 특성을 지닙니다. 한 번 흩어진 에너지는 외부의 개입 없이는 다시 모이지 않으며, 엔트로피는 단순한 혼란의 정도를 넘어 우주의 시간적 방향성을 결정짓는 중요한 척도가 됩니다. 루트비히 볼츠만은 눈에 보이지 않는 미시적 입자들의 배열 상태를 통해 엔트로피를 통계적으로 새롭게 정의했습니다. 그는 거시적인 상태가 가질 수 있는 미시적 상태의 가짓수가 많을수록 엔트로피가 높다는 사실을 수학적인 공식으로 증명해 냈습니다. 이는 무질서함이 단순히 인간의 주관적인 느낌이 아니라, 확률적으로 가장 일어날 법한 상태임을 과학적으로 입증한 것입니다. 볼츠만의 통계역학은 고전 물리학의 한계를 뛰어넘어 현대 물리학이 물질의 근본 원리를 이해하는 데 결정적인 토대를 마련해 주었으며, 원자의 존재를 확신하게 만든 계기가 되었습니다. 제임스 클러크 맥스웰은 엔트로피 법칙의 절대성에 도전하는 흥미로운 사고실험을 제안했습니다. 아주 작은 존재인 '맥스웰의 도깨비'가 기체 분자들의 속도를 하나하나 관찰하여 빠른 것과 느린 것을 분리할 수 있다면, 외부에서 에너지를 가하지 않고도 계의 엔트로피를 낮출 수 있다는 가설이었습니다. 이 도깨비의 존재는 오랫동안 물리학자들에게 거대한 지적 숙제를 안겨주었습니다. 만약 이 가설이 현실에서 가능하다면 열역학 제2법칙은 우주의 절대적인 진리가 아닌, 단지 확률적인 현상에 불과하게 되어 물리학의 근간이 흔들릴 수 있기 때문입니다. 맥스웰의 도깨비가 가진 모순은 20세기에 들어서 정보 이론과 열역학의 결합을 통해 명쾌하게 해결되었습니다. 도깨비가 분자를 선별하기 위해서는 반드시 정보를 수집하고 기억해야 하며, 이 정보를 지우는 과정에서 필연적으로 열이 발생한다는 사실이 밝혀진 것입니다. 즉, 정보를 처리하고 저장하는 과정 자체가 물리적인 비용을 수반하며, 전체 시스템의 엔트로피는 결과적으로 증가하게 됩니다. 이는 정보가 단순한 추상적 개념이 아니라 물리적인 실체와 긴밀하게 연결되어 있음을 시사하는 놀라운 발견이었으며, 현대 컴퓨터 공학의 기초 원리와도 맞닿아 있습니다. 생명체는 무질서로 향하는 우주의 거대한 흐름 속에서도 고도의 질서를 유지하고 만들어내는 경이로운 존재입니다. 우리는 외부로부터 끊임없이 에너지를 섭취하고 정교한 대사 과정을 거치며 스스로의 구조를 유지하고 복제합니다. 물리학자 슈뢰딩거는 생명이 '음의 엔트로피'를 섭취함으로써 생존한다고 표현하기도 했습니다. 비록 생명체 내부에서는 질서가 유지되는 것처럼 보이지만, 그 대가로 주변 환경의 엔트로피를 훨씬 더 크게 증가시킵니다. 결국 생명은 우주의 법칙을 거스르는 예외가 아니라, 그 법칙 안에서 에너지를 효율적으로 사용하여 꽃피운 정교한 결과물입니다. 엔트로피의 지속적인 증가는 왜 우리가 과거로 돌아갈 수 없는지, 즉 시간의 비가역성을 설명해 주는 유일한 물리적 근거가 됩니다. 우주의 초기 상태는 매우 낮은 엔트로피를 가지고 있었으며, 시간이 흐름에 따라 점차 높은 엔트로피 상태로 진화해 왔습니다. 이러한 변화의 흐름은 '시간의 화살'을 만들어내며, 우리가 과거와 미래를 명확히 구분 짓는 기준이 됩니다. 만약 엔트로피가 증가하지 않고 평형 상태에 머물러 있다면 세상은 어떠한 변화도 일어나지 않는 정적인 상태에 갇혔을 것입니다. 우리가 경험하는 모든 변화와 흐름은 무질서로 향하는 여정 그 자체입니다. 무질서 속에서 질서가 형성되는 원리를 이해하려는 노력은 현대 과학의 가장 본질적인 도전 중 하나입니다. 겉보기에 혼돈스러워 보이는 자연 현상 이면에는 정교한 물리 법칙이 숨어 있으며, 과학자들은 이를 통해 우주의 기원과 생명의 신비를 탐구해 왔습니다. 엔트로피 법칙은 우주의 종말을 예견하는 차가운 법칙처럼 느껴질 수 있지만, 동시에 복잡한 생명과 찬란한 문명이 탄생할 수 있었던 역동적인 배경이기도 합니다. 질서와 무질서가 끊임없이 상호작용하며 균형을 찾아가는 과정은 우주를 더욱 풍요롭고 아름답게 만드는 근원적인 원동력이라 할 수 있습니다.

장원철

카오스재단서울대자연과학공개강연

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