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주먹👊으로 시간을 알 수 있다?! 앨리스와 함께 시간⌚에 대해 알아보세요💙ㅣ사이다_저자강연

이상한 나라의 앨리스 이야기를 바탕으로 시간과 달, 그리고 천문학적 현상에 대한 흥미로운 탐구가 시작됩니다. 앨리스는 보름달을 그리는 것이 소원인 천재 소녀 화가로, 달의 모양이 매일 변하는 이유를 궁금해합니다. 그녀는 달나라에서 온 토끼, 시계 장인의 아들인 문의와 함께 시간을 찾아가는 여행을 떠나게 됩니다. 이 과정에서 시간의 나라로 향하며 다양한 인물들과 만나고, 시간의 본질과 그 측정 방법에 대해 알아가게 됩니다. 여행의 첫 장면에서는 앨리스가 해가 지는 시간인 노을을 그리려는 시도가 그려집니다. 노을은 매일 같은 시간, 같은 위치에서 지는 것 같지만 실제로는 그렇지 않다는 사실을 마을의 피터 아저씨가 알려줍니다. 피터 아저씨는 해가 뜨고 지는 시각과 위치가 매일 바뀐다는 점, 그리고 별이나 해의 위치를 관찰해 대략적인 시간을 알 수 있다는 천문학적 지식을 전해줍니다. 각거리를 손으로 재는 방법 등 실생활에서 활용할 수 있는 간단한 측정법도 소개됩니다. 달의 모양이 매일 변하는 현상은 앨리스에게 큰 고민거리였습니다. 그녀는 문의와 함께 달의 변화 원인을 찾기 위해 여행을 계속합니다. 문의는 시계 장인의 아들로, 해시계의 원리와 한계에 대해 잘 알고 있습니다. 해시계는 해가 만드는 그림자를 이용해 시간을 측정하지만, 위치가 바뀌면 정확도가 떨어지는 단점이 있습니다. 이러한 한계를 극복하고자 문의는 지구로 와서 시간의 나라를 찾아가게 됩니다. 이들은 고대 바빌로니아의 12진법과 60진법을 바탕으로 한 시간 체계에 대해 설명합니다. 1시간이 60분, 1분이 60초로 나뉘는 이유, 그리고 한 달의 길이가 일정하지 않은 이유가 하늘을 도는 달의 주기와 관련되어 있음을 알게 됩니다. 달이 지구를 돌며 태양빛을 반사하는 위치에 따라 모양이 달라지는 현상, 즉 달의 위상이 시간과 달력의 기초가 되었음을 이해하게 됩니다. 달의 위상 변화는 태양, 지구, 달의 상대적 위치에 따라 달라집니다. 예를 들어, 달이 지구와 태양 사이에 있을 때는 달의 어두운 면만 보여 달을 볼 수 없고, 이를 삭 또는 그믐이라 부릅니다. 이후 시간이 지나면서 달의 오른쪽이 점차 밝아지며 초승달이 나타나고, 약 15일이 지나면 달이 지구의 반대편에 위치해 보름달이 됩니다. 이러한 달의 변화는 고대부터 인간이 시간을 측정하고 달력을 만드는 데 중요한 역할을 해왔습니다. 문의가 지구로 가져온 태엽 시계는 제대로 작동하지 않아 시간의 나라 여왕이 더 정밀한 시계들을 소개합니다. 시계는 해시계에서 시작해 기계식 시계, 그리고 현대의 전자시계로 발전해왔습니다. 다양한 시간 측정 도구의 발전은 인간이 점점 더 정확하게 시간을 인식하고 활용할 수 있게 해주었습니다. 시간의 개념과 측정 도구의 다양성은 과학과 일상생활 모두에 깊은 영향을 미치고 있습니다.

국립과천과학관책📖저자강연

물리학
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수학
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[강연] 상대성과 절대성 - 과학, 철학, 문화_ by 이상욱 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 6강 | 6강

우리가 당연하게 여기는 균질한 시간과 공간의 개념은 사실 인류 역사에서 그리 오래된 것이 아닙니다. 뉴턴 역학이 등장하기 전까지 인류는 장소마다 성격이 다르고 물질의 존재에 따라 공간이 결정된다고 믿었습니다. 현대인이 x, y, z축으로 이루어진 텅 빈 공간과 일정하게 흐르는 시간을 직관적으로 받아들이는 것은 근대 과학 교육의 결과물입니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 이러한 뉴턴적 상식을 뒤흔들며 등장했지만, 그 상식조차도 과거의 과학 혁명이 만들어낸 하나의 이론적 틀이었음을 이해하는 것이 중요합니다. 고대와 중세의 공간 개념은 물질이 담기는 그릇이 아니라 물질 그 자체의 연장선상에 있었습니다. 아리스토텔레스적 세계관에서 진공이 존재할 수 없었던 이유는 물질이 없는 곳에는 공간도 존재할 수 없다는 논리 때문이었습니다. 이는 우주의 끝에서 손을 뻗을 수 있느냐는 철학적 논쟁으로 이어졌으며, 당시 학자들은 물질적 존재가 없는 우주 바깥에는 공간이라는 개념 자체가 성립할 수 없다고 보았습니다. 이러한 관계론적 공간관은 훗날 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 물질과 시공간이 얽혀 있다는 생각과 묘하게 맞닿아 있습니다. 코페르니쿠스의 지동설은 단순한 사고의 전환을 넘어선 거대한 도전이었습니다. 당시 사람들에게 지구가 움직인다는 사실을 설득하기 위해서는 지상계와 천상계의 물리 법칙이 다르다는 고대적 공간관을 완전히 깨뜨려야 했습니다. 지구가 엄청난 속도로 자전하고 공전함에도 우리가 왜 어지러움을 느끼지 못하는지, 흙과 같은 무거운 원소가 왜 우주의 중심이 아닌 태양 주위를 도는지에 대한 물리적 해답이 필요했기 때문입니다. 결국 새로운 공간 개념의 정착은 뉴턴 역학이 등장하여 이러한 난제들을 체계적으로 해결하기 전까지 수백 년의 시간이 걸린 험난한 과정이었습니다. 아인슈타인 이전에도 4차원이나 시간 여행에 대한 상상은 대중 문화와 수학계에 널리 퍼져 있었습니다. H.G. 웰스의 소설 '타임머신'은 특수 상대성 이론보다 10년 앞서 발표되었으며, 당시 사람들은 시간을 의식의 흐름에 따른 네 번째 축으로 이해하곤 했습니다. 또한 '플랫랜드'와 같은 작품을 통해 3차원을 넘어서는 초월적인 공간에 대한 수학적 상상력이 신비주의와 결합하기도 했습니다. 아인슈타인의 위대함은 이러한 막연한 상상을 물리적 실체로 바꾼 것이 아니라, 전자기학과 역학 사이의 모순을 해결하기 위해 시간과 공간의 결합이라는 구체적인 물리적 필연성을 도출해낸 데 있습니다. 특수 상대성 이론의 핵심은 관찰자의 운동 상태에 따라 시간과 공간이 상대적으로 변한다는 점에 있지만, 동시에 그 변화의 방식이 '절대적'이라는 역설을 담고 있습니다. 로렌츠 변환이라는 수학적 규칙에 의해 시간의 지연과 길이의 수축이 정확하게 결정되기 때문입니다. 이는 단순히 주관적인 기분에 따라 시간이 다르게 느껴진다는 의미가 아니라, 서로 다른 관성계에서 물리 법칙이 동일하게 유지되어야 한다는 갈릴레오의 상대성 원리를 전자기학의 영역까지 확장한 결과입니다. 아인슈타인은 시공간을 재정의함으로써 물리학의 두 거대 이론 사이의 충돌을 우아하게 해결했습니다. 일반 상대성 이론에 이르면 시공간은 물질이 담기는 배경을 넘어 물질과 상호작용하는 역동적인 실체가 됩니다. 물질의 분포가 시공간의 곡률을 결정하고, 휘어진 시공간이 다시 물질의 운동을 결정하는 구조는 고대의 관계론적 공간관을 현대적으로 부활시킨 것과 같습니다. 하지만 이러한 일반 상대성 이론조차 아직 양자역학과 완벽하게 통합되지 못했다는 한계를 지닙니다. 미시 세계를 다루는 양자장 이론은 시공간의 구조와 물질의 분포가 긴밀하게 연결된 상대성 이론의 특징을 온전히 담아내지 못하고 있으며, 이는 현대 물리학이 해결해야 할 가장 큰 숙제로 남아 있습니다. 과학 이론은 현상을 예측하는 도구를 넘어 세계의 객관적 실재를 설명하는 근본 이론을 지향해야 합니다. 아인슈타인이 양자역학의 성공에도 불구하고 비판적인 태도를 견지했던 이유는, 과학이 단순히 계산 결과를 맞히는 '현상론'에 머물지 않고 인과적 실재를 명확히 규명해야 한다고 믿었기 때문입니다. 시공간이 절대적인 실재인지 아니면 물질 간의 관계에 의한 구성물인지에 대한 철학적 논쟁은 지금도 물리학의 최전선에서 계속되고 있습니다. 이러한 메타적인 질문들은 상대성 이론을 넘어 모든 것을 설명하는 통합 이론으로 나아가는 과정에서 여전히 중요한 이정표 역할을 하고 있습니다.

이상욱

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물리학
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[술술과학] 기준에 따라 달라지는 신기한 좌표계, 갈릴레이 변환｜특수상대론#1

우리가 세상을 바라볼 때 목격하는 현상은 절대적인 사실이라기보다 관찰자의 관점에 따른 결과물인 경우가 많습니다. 특수 상대성 이론의 기초가 되는 상대성 원리는 바로 이러한 관점의 차이에서 시작됩니다. 예를 들어, 초속 1 m로 움직이는 무빙워크 위에 서 있는 사람과 그 밖에서 지켜보는 사람의 시선은 서로 다릅니다. 무빙워크 밖의 관찰자에게는 무빙워크 위의 사람이 움직이는 것으로 보이지만, 함께 타고 있는 사람에게는 서로 정지해 있는 것처럼 느껴집니다. 이처럼 운동은 누구를 기준으로 하느냐에 따라 그 양상이 다르게 정의되며, 이는 물리학의 가장 기본적인 출발점이 됩니다. 속도의 덧셈과 뺄셈은 일상적인 물리 현상을 설명하는 가장 직관적인 법칙입니다. 시속 100 km로 달리는 기차 안에서 기차 진행 방향으로 공을 던지면, 기차 밖의 관찰자에게 공의 속도는 기차의 속도와 공의 속도가 합쳐진 시속 200 km로 측정됩니다. 반대로 기차 진행 방향과 반대로 공을 던지면 기차 밖에서는 공의 속도가 줄어든 것처럼 보이거나, 상황에 따라서는 공이 제자리에 멈춘 것처럼 보일 수도 있습니다. 이러한 속도 덧셈 공식은 우리가 공간과 운동을 이해하는 기본적인 틀을 제공하며, 오랫동안 고전 역학을 지탱해 온 핵심적인 토대가 되어 왔습니다. 상대성 이론을 깊이 있게 이해하기 위해서는 좌표계라는 개념을 명확히 해야 합니다. 좌표계는 나를 원점에 두고 세상을 펼쳐 놓은 관찰자의 시점입니다. 우리가 사는 3차원 세상을 단순화하여 1차원 직선상의 운동으로 한정하고, 여기에 시간이라는 축을 추가하면 시공도라는 새로운 그래프가 탄생합니다. 시공도 위에서 정지해 있는 물체는 공간적으로는 움직이지 않지만, 시간은 끊임없이 흐르기 때문에 시간축을 따라 이동하는 자취를 남깁니다. 이처럼 시간과 공간을 하나의 틀 안에서 결합하여 바라보는 시각은 현대 물리학이 우주를 해석하는 방식에 있어 매우 중요한 전환점이 됩니다. 서로 다른 관찰자가 측정한 사건의 위치와 시간을 연결해 주는 수학적 규칙을 변환이라고 부릅니다. 고전 물리학에서는 이를 갈릴레이 변환이라 하며, 관찰자 사이의 상대 속도를 이용해 좌표를 변환합니다. 이때 가장 중요한 가정은 누구에게나 시간은 동일하게 흐른다는 절대 시간의 개념입니다. 무빙워크 밖의 사람이나 안의 사람이나 시계는 똑같이 움직인다는 상식에 기반한 것입니다. 하지만 이러한 갈릴레이 변환은 일상적인 저속의 세계에서는 완벽해 보이지만, 빛의 속도에 가까워지는 극한의 상황에서는 우리의 직관을 벗어나는 예상치 못한 한계에 부딪히게 됩니다. 아인슈타인은 빛의 속도가 어떤 관찰자에게나 일정하다는 사실에 주목하며 기존의 상식을 뒤엎었습니다. 빛의 속도로 달리면서 빛을 보더라도 빛은 여전히 초속 30만 km로 멀어집니다. 이는 갈릴레이의 속도 덧셈 공식이 빛의 영역에서는 성립하지 않음을 의미합니다. 결국 절대적인 시간과 공간이라는 뉴턴식 가정은 무너지고, 빛의 속도를 불변으로 유지하기 위해 시간과 공간이 관찰자에 따라 유동적으로 변하는 로렌츠 변환이 등장하게 됩니다. 특수 상대성 이론은 이처럼 고정관념을 깨는 통찰을 통해 우주의 진정한 작동 원리를 우리에게 명확히 보여줍니다.

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물리학

[인생과학책 #7] SF 재밌게 읽는 법 - SF를 처음 읽는 사람들에게

최근 SF 소설이 큰 인기를 끌고 있지만, 생소한 용어와 설정 때문에 거리감을 느끼는 독자들도 많습니다. 하지만 과학자들에게 SF는 단순한 소설 이상의 의미를 갖습니다. 과학자들이 '만약 이렇다면 어떻게 될까?'라는 질문을 가지고 실험실에서 답을 찾는다면, SF 작가들은 같은 질문을 던지되 실험으로 증명할 수 없는 영역까지 상상력의 지평을 넓힙니다. 이러한 상상력은 때로 미래를 예측하는 도구가 되기도 하며, 우리가 미처 깨닫지 못한 자연의 섭리를 새로운 시각으로 바라보게 합니다. 현대 SF의 거장으로 불리는 테드 창은 철저한 과학적 지식을 바탕으로 한 '하드 SF'의 정수를 보여줍니다. 그의 대표작인 '당신 인생의 이야기'는 외계 언어를 통해 시공간을 바라보는 관점의 변화를 다룹니다. 우리는 보통 시간을 과거에서 미래로 흐르는 선형적인 것으로 인식하지만, 소설 속 외계인은 시작과 끝을 동시에 인지하는 방식으로 우주를 이해합니다. 이러한 설정은 페르마의 원리와 같은 물리 법칙과 맞닿아 있어, 독자들에게 지적인 즐거움과 함께 존재에 대한 깊은 사유를 선사합니다. 만약 하드 SF의 높은 문턱이 부담스럽다면 켄 리우의 작품을 추천합니다. 그는 프로그래머와 변호사라는 독특한 이력을 가진 작가로, 과학적 상식에 매몰되지 않고 환상 문학과 순수 문학의 경계를 자유롭게 넘나듭니다. 특히 그의 단편들은 기술 그 자체보다 기술이 인간의 삶과 감정에 어떤 영향을 미치는지에 집중합니다. 그의 소설은 때로 마음을 울리는 따뜻한 감수성을 담고 있어, SF가 차갑고 딱딱한 장르라는 편견을 깨뜨리며 누구나 쉽게 몰입할 수 있는 매력을 지니고 있습니다. SF의 또 다른 매력은 기상천외한 설정과 유머, 그리고 한국적인 감수성에서도 발견됩니다. 더글러스 애덤스의 작품처럼 황당하면서도 기발한 상상력으로 가득 찬 코미디 SF가 있는가 하면, 김초엽이나 정소연 작가처럼 차분한 문체로 우리 곁의 현실을 따뜻하게 보듬는 한국 SF도 존재합니다. 이들은 우주 전쟁이나 외계인의 침공 같은 거대한 사건 대신, 타인에 대한 이해와 공감이라는 보편적인 가치를 SF라는 틀 안에서 아름답게 그려내며 독자들에게 깊은 위로를 전합니다. 마지막으로 필립 K. 딕과 같은 거장들의 작품은 '현실과 자아'라는 근원적인 질문을 던집니다. 그의 소설들은 수많은 영화의 원작이 될 만큼 독창적인 세계관을 자랑하며, 우리가 당연하게 믿고 있는 현실이 과연 실재하는 것인지 끊임없이 의심하게 만듭니다. 결국 SF는 미래를 빌려 현재를 비판하고 풍자하는 가장 완벽한 거울입니다. 물리적 제약이 없는 상상력의 세계를 여행하다 보면, 우리는 오히려 우리가 발을 딛고 서 있는 이 현실을 더욱 선명하게 이해하게 될 것입니다.

김상욱, 김용대, 오혜연, Daniel D.Lee(다니엘 리)

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융합

[정말 읽었니?#2] 김형도 교수 “[시간의 역사] 읽을 때 주의사항 있습니다!”

스티븐 호킹의 '시간의 역사'는 현대 과학자가 대중을 위해 집필한 기념비적인 과학 입문서입니다. 이 책은 출간 당시부터 종교나 철학이 아닌, 당대 최고의 과학자가 우주와 시간을 어떻게 바라보는지에 대한 대중적 궁금증을 자아냈습니다. 비록 모든 내용을 완벽히 이해하기는 쉽지 않지만, 현대 과학의 발전 과정을 엿보는 기회로 삼는다면 충분한 가치가 있습니다. 한 페이지라도 새로운 배움을 얻겠다는 마음가짐으로 접근한다면, 이론 물리학자의 깊은 사유를 경험하는 소중한 기회가 될 것입니다. 양자역학의 세계에서는 고전 역학에서 불가능한 '터널링' 현상이 일어납니다. 컵 안의 구슬이 갑자기 밖으로 튀어나오는 것과 같은 이 현상을 설명하기 위해 호킹은 '허수의 시간'이라는 독특한 개념을 도입했습니다. 허수의 시간이 적용된 시공간에서는 복잡한 양자역학적 현상들이 명쾌하게 설명되며, 이는 우리 우주의 기원을 이해하는 중요한 열쇠가 됩니다. 호킹은 이러한 비유를 통해 우주의 시작이 마치 양자역학적 확률에 의해 갑작스럽게 발생했을 가능성을 제안하며 독자들을 심오한 물리 법칙의 세계로 안내합니다. 시간 여행은 많은 이들의 상상력을 자극하지만, 물리학적으로는 매우 엄격한 제약이 따릅니다. 수학자 괴델은 아인슈타인의 방정식을 풀어 시간이 고리처럼 얽힌 우주의 가능성을 제시했으나, 우리가 관측하는 실제 우주에서 이러한 일이 일어날 확률은 극히 희박합니다. 특히 원인과 결과가 분명해야 한다는 '인과율'은 현대 물리학을 지탱하는 핵심 원칙입니다. 만약 과거를 바꾸는 식의 시간 여행이 가능하다면 이 인과율이 무너지게 되므로, 현재의 물리 법칙 안에서 우리가 꿈꾸는 자유로운 시간 여행은 사실상 불가능에 가깝다고 볼 수 있습니다. 20세기 후반 과학계는 '모든 것의 이론'을 통해 우주의 모든 비밀을 풀 수 있을 것이라는 낙관론에 빠져 있었습니다. 하지만 우주가 가속 팽창한다는 사실과 함께 암흑 에너지의 존재가 확인되면서, 우리가 아는 물질은 전 우주의 4%에 불과하다는 사실이 드러났습니다. 이러한 발견은 과학자들에게 지적 겸손함을 일깨워 주었습니다. 비록 우주 배경 복사를 관측하고 별의 탄생 원리를 이해하는 등 인류가 거둔 성취는 위대하지만, 여전히 우리가 모르는 96%의 영역은 현대 과학이 나아가야 할 먼 길을 상기시켜 줍니다. 아인슈타인이 꿈꿨던 '모든 것의 이론'은 여전히 미완의 과제로 남아 있으며, 이는 과학적 탐구에 있어 성급한 통합보다 신중한 접근이 필요함을 시사합니다. 스티븐 호킹은 세계적인 석학임에도 불구하고 자신의 강한 주장을 대중서에 담아내는 파격적인 면모를 보였습니다. 그는 이론 물리학자의 사고방식을 대중에게 전달하려 노력했으며, 인간적인 매력을 지닌 연구자로서 과학의 대중화에 크게 기여했습니다. '시간의 역사'는 단순한 지식 전달을 넘어, 미지의 우주를 향한 인류의 야심 찬 도전과 열정을 보여주는 소중한 길잡이입니다.

김형도

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물리학
천문학

[정말 읽었니?#1] 김상욱 교수 “[시간의 역사], 물리학도만 읽어라!”

스티븐 호킹의 '시간의 역사'는 과학 교양 서적 중 가장 많이 팔린 베스트셀러로 꼽히지만, 역설적으로 대중이 그 내용을 온전히 이해하기에는 매우 어려운 책입니다. 저자의 인간적인 승리 서사가 책의 인기에 기여했을지 모르나, 정작 그 안에 담긴 시공간과 물리학의 최첨단 이론은 전공자조차 학부 시절에 포기할 만큼 난해합니다. 물리학자로서 충분한 경험을 쌓은 뒤에야 비로소 이해되는 이 책을 무작정 읽기보다는, 독자의 눈높이에 맞춘 다른 대안을 찾는 것이 지식 습득의 측면에서 훨씬 효율적일 수 있습니다. 어려운 고전 대신 현대 물리학을 더 친절하게 설명하는 책들이 많습니다. 브라이언 그린의 '엘러건트 유니버스'는 상대적으로 상세한 설명을 제공하며, 최근에는 카를로 로벨리의 저서들이 큰 주목을 받고 있습니다. 로벨리는 뛰어난 인문학적 소양을 바탕으로 양자 중력 이론과 같은 복잡한 주제를 비유를 통해 편안하게 풀어냅니다. 비록 특정 연구 분야에 치중된 면이 있더라도, 물리학의 본질적인 즐거움을 느끼고 싶다면 난해한 벽에 부딪히기보다 이러한 현대적 해설서들을 먼저 접해보는 것을 추천합니다. 현대 물리학은 세상의 근간을 이루는 기본 입자들을 통해 우주를 설명하고자 합니다. 현재 우리는 대부분의 입자를 이해하고 있지만, 거시 세계를 지배하는 중력은 아직 입자 물리학의 표준 모형 안에 온전히 통합되지 않은 상태입니다. 물리학자들이 꿈꾸는 모든 것의 이론은 바로 이 중력을 다른 기본 상호작용들과 하나의 틀로 묶어내는 양자 중력 이론을 지향합니다. 비록 이 이론이 완성된다고 해서 인간의 삶이나 복잡한 생명 현상까지 모두 해명할 수는 없겠지만, 우주의 설계도를 이해하려는 과학적 도전은 계속될 것입니다. 물리학자들이 언급하는 '신'의 개념은 일반적인 종교적 대상과는 거리가 멉니다. 아인슈타인을 비롯한 많은 과학자가 신을 말할 때, 이는 인격신이 아니라 우주를 관통하는 정교한 물리 법칙에 대한 관용적인 표현에 가깝습니다. 법칙은 그 자체로 존재할 뿐, 그것을 설계한 주체를 상정하는 것은 과학의 영역을 벗어난 질문일 수 있습니다. 물리학은 '누가' 만들었느냐는 의문보다는 우주가 어떤 원리로 작동하는지에 집중하며, 신이라는 단어를 빌려 자연의 경이로움과 질서 정연한 법칙의 존재를 설명하고자 합니다. 양자역학의 관점에서 보면 빛이 파동이자 입자인 광자로 이루어져 있듯, 중력 또한 입자적 성질을 가질 것으로 예측됩니다. 중력의 진동인 중력파는 이미 관측에 성공했지만, 이를 양자화한 가상의 입자인 '중력자'를 발견하는 것은 아직 먼 미래의 과제입니다. 현재의 기술력으로는 중력파를 겨우 측정하는 단계에 머물러 있어 중력자의 실체를 증명하기는 어렵지만, 물리학자들은 우주의 보편성을 믿습니다. 만약 외계 문명이 존재한다면 그들 역시 우리와 같은 물리 법칙을 발견하고, 비슷한 고민을 담은 과학 이론을 발전시켰을 것입니다.

김상욱

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물리학
천문학

[과학자가 쓴 과학책#1] 떨림과 울림 by김상욱 | KAOS X 공원생활 특집 | 김태훈의 게으른 책읽기

물리학은 단순히 딱딱한 학문이 아니라 만물의 이치를 탐구하는 학문입니다. 고대 철학자 탈레스가 만물의 근원을 물이라 정의했듯, 인류는 끊임없이 세상이 무엇으로 구성되어 있는지 질문해 왔습니다. 현대 물리학은 이 거대한 우주를 수학적 법칙으로 설명하려는 노력을 이어가고 있습니다. 이는 보이지 않는 근원적인 질서가 존재할 것이라는 믿음에서 출발하며, 복잡한 현상 이면의 본질을 꿰뚫어 보려는 철학적 태도와도 맞닿아 있습니다. 우리는 흔히 우리가 보고 느끼는 것이 객관적인 실체라고 믿지만, 물리학의 관점에서 보면 이는 감각 기관을 통한 해석의 결과일 뿐입니다. 빛이 물체에 반사되어 망막에 맺히고 전기 신호로 변환되는 과정은 본질을 이해하기 위한 물리적 절차입니다. 렌즈를 통과한 빛이 굴절되듯 우리의 인식도 왜곡될 수 있음을 깨닫는 순간, 비로소 사물의 본질에 다가갈 수 있습니다. 물리학은 이처럼 건조한 기계적 진동의 세계를 인간적인 영역으로 연결하는 가교 역할을 합니다. 과학은 인류가 우주의 중심이 아니라는 사실을 깨닫게 하며 문명을 성숙시켜 왔습니다. 인간은 38억 년이라는 긴 진화의 역사 속에서 탄생한 수많은 생명체 중 하나이며, 광활한 우주의 작은 행성에 거주하는 원자의 집합체입니다. 이러한 사실은 때로 인간의 자존심을 건드리며 불편함을 주기도 하지만, 우리가 누구인지에 대한 명확한 답을 제시합니다. 과학이 알려주는 존재의 본질을 바탕으로 우리는 어떻게 살 것인가라는 인문학적 질문에 대한 답을 스스로 찾아나가야 합니다. 사회적 위기 상황에서 과학적 사고는 더욱 빛을 발합니다. 팬데믹과 같은 혼란 속에서 인간은 공포를 해소하기 위해 희생양을 찾으려는 본능적인 속성을 드러내곤 합니다. 그러나 과학은 진정한 적이 누구인지 명확히 지목해 줍니다. 바이러스라는 실체를 규명하고 대응 방안을 제시함으로써, 근거 없는 미신이나 혐오에 빠지지 않도록 돕는 것입니다. 호모 사피엔스 전체가 단결하여 공동의 적과 싸워야 한다는 이성적인 판단은 바로 과학적 사실에 근거할 때 가능해집니다. 우주가 수학이라는 언어로 기술된다는 사실은 그 자체로 기적과 같습니다. 인간의 뇌는 광활한 우주를 이해하기보다는 지구라는 환경에서 생존하고 사회적 관계를 맺는 데 최적화되어 진화했습니다. 따라서 양자역학이나 시공간의 휘어짐 같은 개념이 우리의 상식과 충돌하는 것은 당연한 결과입니다. 하지만 인간의 이해 범위를 넘어서는 현상일지라도 수학적 법칙 안에서 완벽하게 작동한다면, 우리는 자신의 한계를 인정하고 우주의 법칙에 맞추어 사고를 확장하는 노력을 기울여야 합니다. 물리학은 세상을 바라보는 두 가지 흥미로운 방식을 제안합니다. 하나는 현재의 상태가 다음 순간을 결정한다는 인과론적 관점이며, 다른 하나는 시작과 끝을 정해두고 전체 경로를 조망하는 목적론적 관점입니다. 후자의 방식은 마치 미래를 알고 현재를 사는 듯한 시각을 제공하며, 우리의 선형적인 시간 개념을 뒤흔듭니다. 이러한 물리적 통찰은 테드 창의 소설처럼 인문학적 상상력과 결합하여, 삶과 우주를 바라보는 우리의 시야를 다차원적으로 넓혀주는 계기가 됩니다. 결국 물리학을 공부한다는 것은 세상을 더 선명하게 바라보는 눈을 갖는 과정입니다. 비록 물리학이 인간의 복잡한 사회적 문제나 감정적인 갈등을 직접 해결해 줄 수는 없지만, 우리가 발을 딛고 서 있는 세계의 규칙을 이해하게 함으로써 삶의 불확실성을 걷어내 줍니다. 객관적인 물리 세계와 주관적인 인문학적 가치가 조화를 이룰 때, 우리는 비로소 우주라는 거대한 무대 위에서 자신의 위치를 정확히 파악하고 더 나은 삶의 방향을 설정할 수 있게 될 것입니다.

김상욱

카오스재단읽다과학

물리학

[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

[카오스 술술과학] 도대체 무한이란 무엇인가?(3)-2: 절대적 무한, 연속체 가설

무한이라는 개념은 인류의 지성사에서 가장 매혹적이면서도 난해한 주제 중 하나입니다. 1878년 게오르크 칸토어는 '연속체 가설'을 통해 무한에도 크기가 있다는 혁명적인 생각을 발표했습니다. 자연수의 집합인 '알레프 제로'와 실수의 집합인 '알레프 원' 사이에 또 다른 무한 집합은 존재하지 않는다는 것이 이 가설의 핵심입니다. 칸토어는 무한을 단순히 끝이 없는 상태가 아니라, 엄밀한 수학적 질서를 가진 체계로 정립하려 노력했습니다. 이는 당시 수학계에 엄청난 파장을 일으켰으며, 무한의 신비를 푸는 열쇠로 여겨졌습니다. 연속체 가설을 이해하기 위해 집합의 부분집합 개수를 구하는 원리를 적용해 볼 수 있습니다. 원소가 세 개인 집합의 부분집합이 2의 세제곱인 것처럼, 자연수 집합의 모든 부분집합 개수는 2의 알레프 제로 승이 됩니다. 흥미롭게도 이 값은 모든 실수의 개수와 일치합니다. 칸토어는 자연수보다 큰 무한인 실수의 세계를 탐구하며, 무한에도 서열이 존재함을 보여주었습니다. 하지만 그는 알레프 제로와 알레프 원 사이에 다른 무한이 없다는 사실을 끝내 증명하지 못했고, 이 난제는 그를 평생 괴롭히며 정신적인 고통을 안겨주기도 했습니다. 이후 20세기에 들어서며 연속체 가설은 현대 수학의 가장 중요한 문제로 부상했습니다. 1940년 쿠르트 괴델은 이 가설이 거짓임을 증명할 수 없다는 것을 밝혀냈고, 1963년 폴 코언은 반대로 참임을 증명할 수 없다는 사실을 입증했습니다. 결국 연속체 가설은 기존의 공리 체계 안에서는 참과 거짓을 판별할 수 없는 '결정 불가능한' 명제임이 드러난 것입니다. 이는 괴델의 불완전성 정리를 뒷받침하는 완벽한 사례가 되었으며, 우리가 믿어온 수학적 진리의 절대성에 대해 깊은 의문을 던지는 계기가 되었습니다. 무한의 문제는 필연적으로 시간과 의식의 영역으로 확장됩니다. 수학적 무한이 영원에 다가가는 추상적 도구라면, 인간의 의식은 그 과정에서 '자기 언급의 역설'이라는 기묘한 순환 고리에 빠지게 됩니다. "이 문장은 거짓이다"라는 명제나 이발사의 역설처럼, 자신을 포함하는 논리는 참과 거짓의 경계를 무너뜨립니다. 더글러스 호프스테터는 이를 '영원한 황금 노끈'이라 불렀으며, 이러한 역설적 상황은 바흐의 음악이나 에셔의 그림 속에서도 반복적으로 나타나며 인간 지성의 한계와 신비를 동시에 보여줍니다. 시간 여행에 관한 역설들 역시 무한의 역설만큼이나 흥미롭습니다. 과거로 돌아가 자신의 존재를 부정하게 되는 '할아버지 역설'이나 정보의 근원을 알 수 없게 되는 '정보의 역설'은 인과율의 붕괴를 경고합니다. 심지어 이자율이 0보다 크다는 사실 자체가 시간 여행이 불가능함을 시사한다는 경제학적 관점도 존재합니다. 결국 시간과 무한은 인간의 의식 없이는 정의하기 어려운 신비로운 실체입니다. 유한한 삶을 사는 우리가 무한을 꿈꾸고 영원을 갈망하는 것은, 찰나의 순간 속에 무한한 사랑과 의미를 담아낼 수 있기 때문일지도 모릅니다.

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물리학

[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.

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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

[석학인터뷰] 김상욱_ 이론물리학자를 바보로 만드는 방법이 있다? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

과학자는 합리적인 사고방식을 통해 사회에 기여할 수 있는 존재입니다. 우리 사회가 겪어온 여러 어려움 속에서 과학이 수행해야 할 중요한 역할은 사람들이 세상을 더 이성적으로 바라보게 돕는 것입니다. 과학적 사고는 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 현상을 객관적으로 분석하고 판단하는 태도를 길러줍니다. 이러한 합리성이 사회 전반에 뿌리내릴 때 우리는 비로소 더 나은 미래를 향해 나아갈 수 있습니다. 과학의 본질은 결국 세상을 이해하려는 인간의 의지와 맞닿아 있으며, 이는 우리 공동체의 성숙을 이끄는 밑거름이 됩니다. 양자역학의 핵심은 우리가 대상에 대해 모든 것을 완벽하게 알 수 없다는 '본질적인 무지'에 있습니다. 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는 상보성 원리는 인간의 이해력을 넘어서는 자연의 근본적인 모습입니다. 과학자들은 우리가 관측할 수 있는 것만을 토대로 대상을 기술하는 실용적인 입장을 취합니다. 대상의 완벽성을 가정하기보다, 우리가 알 수 없는 부분은 남겨둔 채 이해 가능한 영역 안에서 최선을 다해 우주를 설명하려 노력합니다. 이러한 태도는 지식의 한계를 인정하면서도 진리를 추구하는 과학의 겸손함을 보여줍니다. 물리학자들은 미시 세계를 다루는 양자역학이 결국 거시 세계의 고전 역학까지 모두 설명할 수 있을 것이라고 믿습니다. 비록 수학적으로 이를 완벽하게 증명하고 실생활에 적용하는 과정은 매우 복잡하고 어렵지만, 새로운 이론은 언제나 이전의 이론을 포함하며 발전해 왔습니다. 현재 물리학이 직면한 과제는 이 두 세계 사이의 관계를 더욱 매끄럽고 실용적으로 연결하는 것입니다. 모든 물질에 적용되는 보편적인 법칙을 찾아내려는 노력은 우주의 질서를 하나로 통합하려는 과학자들의 오랜 꿈이자 끊임없는 도전 과제이기도 합니다. 우주는 멈춰 있는 것처럼 보이지만 사실 끊임없이 진동하고 있습니다. 물리학에서 대칭은 에너지나 질량 보존 법칙과 같은 중요한 원리들과 깊이 연결되어 있으며, 이는 우주를 기술하는 법칙의 근간이 됩니다. 또한 우리가 보는 물질은 겉보기에 꽉 차 있는 듯해도 실제로는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 동시에 그 빈 공간은 눈에 보이지 않는 전자기장이나 중력장과 같은 '장'으로 가득 차 있습니다. 이처럼 우주는 맥락에 따라 텅 비어 있기도 하고 꽉 차 있기도 한 역설적이고도 흥미로운 공간입니다. 시간은 물리학에서 가장 기본이 되는 개념 중 하나이지만, 역설적으로 그 본질이 무엇인지에 대해서는 여전히 명확한 답을 내리지 못하고 있습니다. 시간과 공간을 바탕으로 물질의 이론을 구축해 왔음에도 불구하고, 시간의 정체는 이론물리학자들에게도 가장 어려운 질문으로 남아 있습니다. 시간을 이해하려는 노력은 단순히 물리 법칙을 탐구하는 것을 넘어 종교와 예술 등 인류가 쌓아온 지혜를 총동원해야 하는 거대한 작업입니다. 인간이 시간을 바라보는 총체적인 모습을 정리하는 과정은 우주의 신비에 한 걸음 더 다가가는 계기가 될 것입니다.

김상욱

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물리학

[카오스 술술과학] 진화 타임머신, Evol호!

진화론은 우주론만큼이나 인류가 고안해 낸 가장 극적인 아이디어 중 하나입니다. 생명체가 아주 조금씩 변화하며 새로운 종으로 분화한다는 이 이론은 언뜻 황당하게 들릴 수 있지만, 우리 자신의 삶을 돌이켜보면 이해의 실마리를 찾을 수 있습니다. 세 살 아이가 여든 살 노인이 되는 과정처럼, 매일의 변화는 눈에 띄지 않지만 수십 년이 흐르면 완전히 다른 모습이 됩니다. 생명은 멈추지 않고 아주 조금씩, 그러나 확실하게 변화를 거듭하며 긴 역사를 만들어냅니다. 수만 년 전 늑대에서 갈라져 나온 수백 종의 개들을 떠올려 보면 진화의 힘을 실감하게 됩니다. 가상의 타임머신 '에볼호'를 타고 과거로 거슬러 올라가면, 우리는 수많은 생명체와 조우하게 됩니다. 약 700만 년 전에는 침팬지와의 공통 조상을 만나고, 더 거슬러 올라가 7,000만 년 전에는 원숭이들과의 공통 조상을 마주하게 됩니다. 이 여정은 인간이 홀로 존재하는 것이 아니라, 지구상의 수많은 영장류 및 포유류와 깊은 혈연관계로 얽혀 있음을 보여줍니다. 시간의 단위가 '억 년'으로 바뀌면 진화의 여정은 더욱 역동적으로 변합니다. 3억 년 전후로는 파충류와 조류, 그리고 양서류와의 공통 조상을 차례로 만나게 됩니다. 4억 년이 넘어서면 타임머신은 바닷속을 달리기 시작하며, 폐어나 실러캔스 같은 희귀한 물고기들의 조상과 마주합니다. 6억 년 전에는 바다 밑을 기어 다니던 기이한 모습의 곤충 조상을 만나게 되는데, 이는 오늘날 지구를 가득 채운 수십만 종의 곤충들이 하나의 뿌리에서 시작되었음을 상기시킵니다. 생명의 역사를 더 깊이 파고들수록 생명체들의 크기는 점차 작아져 육안으로는 볼 수 없는 세계에 진입합니다. 타임머신의 창을 현미경 모드로 전환해야만 비로소 꾸물거리는 미생물들의 활기찬 움직임을 관찰할 수 있습니다. 약 35억 년 전에는 식물뿐만 아니라 고세균이나 박테리아와의 공통 조상까지 만나게 됩니다. 이 시점의 조상들은 우리와 형태적으로 너무나 다르지만, 생명의 설계도를 공유하는 엄연한 가족의 일원으로서 그 존재감을 드러내며 생명의 신비를 더해줍니다. 마지막으로 38억 년 전의 과거에 도달하면 모든 생명체가 하나의 점으로 수렴하는 경이로운 순간을 맞이합니다. 지구상의 모든 종이 공유하는 마지막 공통 조상인 '루카(LUCA)'를 만나는 지점입니다. 루카로부터 시작된 생명의 줄기는 수십억 년의 세월을 거치며 거대한 나무처럼 뻗어 나가 현재의 다양한 생태계를 이루었습니다. 대기권 밖에서 바라본 지구의 모든 생명체는 결국 하나의 거대한 가족이며, 우리는 그 유구한 역사의 한 페이지를 장식하고 있는 소중한 존재입니다.

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생명과학

[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

[석학인터뷰] 김재경_ 생물학에 시간의 개념을 도입하다 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다'

수학은 단순한 숫자의 나열을 넘어 생명 현상의 복잡한 원리를 규명하는 강력한 도구로 활용됩니다. 특히 미분 방정식은 시간에 따라 변화하는 생체 내의 역동적인 움직임을 분석하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 우리 몸속에서 암세포가 증식하는 속도나 전이 과정을 수학적 모델링을 통해 질병의 진행 양상을 정밀하게 예측할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 전통적인 생물학적 관찰만으로는 파악하기 어려운 생명 현상의 근본적인 속성들을 수치화하고 체계적으로 이해할 수 있는 새로운 지평을 열어줍니다. 생체 시계 연구는 기존 생물학 연구에서 상대적으로 간과되었던 '시간'이라는 개념을 중요한 변수로 도입했습니다. 항암제를 투여할 때 아침, 점심, 저녁 중 어느 시간대에 주느냐에 따라 치료 효과가 현저히 달라진다는 사실은 생체 시계의 중요성을 잘 보여줍니다. 우리 몸의 대사와 면역 체계가 시간에 따라 주기적으로 변화하기 때문에, 이러한 생체 시계를 수학적으로 분석하면 최적의 치료 시점을 결정하는 정밀 의료가 가능해집니다. 이는 생명 과학에 시간이라는 차원을 더해 더욱 입체적인 연구를 가능케 하는 혁신적인 시도라고 할 수 있습니다. 수학자로서의 정체성을 '친구'라고 정의하는 태도는 학문 간의 경계를 허무는 협력의 중요성을 시사합니다. 실험 연구자들이 난관에 부딪혔을 때 수학적 지식으로 도움을 주고, 언제든 고민을 나눌 수 있는 동반자가 되는 것이 현대 과학이 지향해야 할 모습입니다. 새로운 분야를 개척하는 과정에는 주변의 우려와 불확실성이 따르기 마련이지만, 타인과 소통하며 문제를 해결해 나가는 과정은 학문적 성취를 넘어 더 나은 과학 생태계를 만드는 밑거름이 됩니다. 결국 학문적 지식은 타인의 어려움을 해결하는 따뜻한 도구가 될 때 그 가치가 더욱 빛납니다.

김재경

카오스재단2018 카오스강연 '모든 것의 수數다'

생명과학
수학

[강연] 빛과 함께하는 시간여행 (1) _이명균 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 6강 | 6강 ①

가을의 정취가 깊어가는 가운데 우리는 빛과 함께하는 특별한 시간 여행을 떠날 수 있습니다. 일상에서 벗어나 칠레의 세로 톨롤로와 같은 외딴 천문대에서 바라보는 은하수는 경이로운 우주의 신비를 보여줍니다. 현대 문명의 화려한 불빛에 가려진 밤하늘의 별빛은 단순한 시각적 즐거움을 넘어 우주의 기원과 역사를 탐구하는 출발점이 됩니다. 우리는 망원경이라는 도구를 통해 공간을 가로질러 날아온 빛을 마주하며, 그 속에 담긴 머나먼 과거의 이야기를 읽어내는 여정을 시작하게 됩니다. 아인슈타인은 1905년 특수 상대성 이론을 통해 시간과 공간에 대한 인류의 인식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 그는 빛의 속도가 누가 보더라도 일정하다는 대담한 가정을 세웠는데, 이는 당시의 상식으로는 이해하기 힘든 파격적인 발상이었습니다. 이 이론에 따르면 물체가 빛의 속도에 가깝게 빠르게 움직일수록 시간은 천천히 흐르고 물체의 길이는 짧아지는 현상이 발생합니다. 이러한 단순한 가정에서 출발한 과학적 통찰은 우리가 일상에서 경험할 수 없는 우주의 신비로운 법칙들을 수학적으로 증명해 냈습니다. 빛의 속도는 초속 약 30만 킬로미터로 매우 빠르지만 무한하지는 않습니다. 아인슈타인은 이 유한한 속도가 우주에서 정보가 전달될 수 있는 가장 빠른 한계라고 정의했습니다. 여기서 도출된 유명한 공식인 E=mc²은 에너지가 곧 질량이며, 질량이 곧 에너지라는 본질적인 관계를 설명합니다. 이 공식은 단순히 이론에 머물지 않고 밤하늘의 별들이 어떻게 수십억 년 동안 거대한 에너지를 내뿜으며 빛날 수 있는지, 즉 핵융합 반응의 원리를 이해하는 결정적인 열쇠를 제공해 줍니다. 우주의 거대한 규모를 고려할 때 빛의 속도가 유한하다는 사실은 매우 흥미로운 결과를 낳습니다. 멀리 떨어진 천체에서 출발한 빛이 우리 눈에 도달하기까지는 상당한 시간이 걸리기 때문입니다. 예를 들어 1광년 떨어진 별을 본다는 것은 그 별의 1년 전 모습을 보는 것과 같습니다. 따라서 우리는 더 먼 우주를 관측할수록 더 깊은 과거의 시간을 들여다보게 됩니다. 이는 현실에서 가능한 과거로의 여정이며, 우주의 역사를 직접 목격하는 유일한 방법이기도 합니다. 결국 망원경은 단순한 관측 기구를 넘어 과거로 향하는 도구라고 할 수 있습니다. 우리는 렌즈를 통해 공간을 가로질러 날아온 빛을 붙잡아 수억 년 전 은하의 모습을 관찰합니다. 현재 우리가 보는 우주의 모습은 사실 각기 다른 과거의 조각들이 모여 이루어진 거대한 파노라마와 같습니다. 빛이 우리에게 다가오는 것과 우리가 우주를 향해 나아가는 것은 상대적인 관점에서 동일한 의미를 지닙니다. 이처럼 빛을 통한 탐구는 인류가 시공간의 제약을 넘어 우주와 소통하는 경이로운 통로가 됩니다.

이명균

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[강연] 지구의 기원 (1) - 하루는 왜 24시간일까 _ 최덕근 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 3강 | 3강 ①

우리가 흔히 말하는 역사 시대는 인류가 문자로 기록을 남기기 시작한 약 6,000년 전부터를 의미합니다. 하지만 지구의 나이가 약 46억 년임을 고려하면, 역사 시대는 전체 지구 역사의 찰나에 불과합니다. 지질학적으로는 지구가 탄생한 시점부터 현재까지를 지질 시대로 정의하지만, 실제로 연구할 수 있는 가장 오래된 암석의 나이는 약 40억 년 전의 것입니다. 따라서 지구가 탄생한 직후부터 약 6억 년 동안의 기록은 암석으로 남아 있지 않은 '기록 없는 시대'입니다. 이 시기를 이해하기 위해서는 지질학적 상상력과 과학적 추론이 필요합니다. 현대 지질학은 지구를 단순한 암석 덩어리가 아닌 지권, 수권, 기권, 생물권이 상호작용하는 하나의 거대한 시스템으로 파악합니다. 우리가 발을 딛고 사는 지권은 반지름 약 6,370km의 고체 지구로, 산소, 철, 규소, 마그네슘이라는 네 가지 원소가 전체의 94%를 차지하고 있습니다. 그 위를 물과 공기가 덮고 있으며, 그 사이에서 수많은 생명이 살아가고 있습니다. 지구의 역사를 공부한다는 것은 단순히 돌을 연구하는 것을 넘어, 과거의 바다와 대기, 그리고 그 속에 살았던 생명체들이 어떻게 변화하며 오늘날에 이르렀는지를 밝혀내는 과정입니다. 우리가 일상에서 사용하는 '하루 24시간'이라는 단위는 고대 이집트와 그리스 학자들에 의해 정의된 인위적인 약속입니다. 과학적으로 하루는 지구가 스스로 한 바퀴 도는 자전 주기를 의미하는데, 기준을 어디에 두느냐에 따라 태양일과 항성일로 나뉩니다. 태양을 기준으로 하는 태양일은 지구가 공전하는 거리만큼 더 돌아야 하기에 약 24시간이 걸리지만, 먼 별을 기준으로 하는 항성일은 약 23시간 56분입니다. 이처럼 시간의 정의는 지구의 자전과 공전이라는 천문학적 운동에 기초하고 있으며, 이는 우주 속 지구의 위치를 확인하는 중요한 척도가 됩니다. 놀랍게도 과거 지구의 하루는 지금보다 훨씬 짧았습니다. 미국의 고생물학자 존 웰스는 산호 화석의 성장선을 분석하여 이 사실을 증명해냈습니다. 산호는 광합성 활동에 따라 매일 미세한 골격을 형성하는데, 계절에 따른 성장 속도 차이가 나무의 나이테처럼 기록됩니다. 연구 결과, 약 4억 년 전 데본기 산호 화석에는 1년의 날수가 약 400일로 기록되어 있었습니다. 이는 당시 지구가 지금보다 훨씬 빠르게 자전했음을 의미하며, 조석력 등의 영향으로 지구의 자전 속도가 수억 년에 걸쳐 서서히 느려져 왔음을 보여주는 결정적인 증거입니다. 지구의 자전 속도는 지금도 만 년에 약 0.2초씩 느려지고 있으며, 아주 먼 미래에는 자전이 멈출지도 모릅니다. 하지만 그보다 먼저 태양의 수명이 다할 것이기에 인류가 당장 걱정할 일은 아닙니다. 중요한 것은 생명체가 출현하기 이전, 즉 화석 기록조차 없는 지구의 탄생 초기 모습을 어떻게 재구성하느냐는 점입니다. 이를 위해서는 지구뿐만 아니라 달과 태양계 전체의 형성 과정을 통합적으로 이해해야 합니다. 지구의 어린 시절을 추적하는 여정은 결국 우리가 어디에서 왔으며, 이 행성이 어떻게 생명의 요람이 되었는지를 찾아가는 과정과 같습니다.

최덕근

카오스재단카오스강연

지구환경과학