과학 포털 iKAOS

10 Contents

[연구뭐하지?] 과학이란 무엇인가? 과학에 대한 철학적 탐구_천현득 교수 | 서울대학교 “과학철학 연구실”

과학학은 과학을 직접 실험하거나 수학적으로 연구하는 대신, 인문학적이고 사회과학적인 관점에서 과학의 본성을 탐구하는 학문입니다. 과학철학자는 나무가 모여 있는 숲을 보듯 한 걸음 물러나 과학사, 과학철학, 과학사회학의 관점에서 과학을 분석합니다. 유전자가 무엇인지와 같은 개념적 질문부터 과학과 사이비 과학을 구분하는 기준, 그리고 생물학이 물리학으로 환원될 수 있는지와 같은 방법론적 문제까지 폭넓게 다룹니다. 이러한 탐구는 우리가 당연하게 받아들이는 과학적 지식의 근간을 다시 생각하게 합니다. 현대 과학철학에서는 토마스 쿤의 철학을 재해석하고 과학적 이해의 조건을 연구하며, 특히 인공지능이 사회에 미치는 영향을 탐구하는 작업이 중요하게 다뤄집니다. 과학적 이해란 단순히 설명을 듣는 것을 넘어 세계를 파악하는 상태를 의미하며, 인공지능 연구에서는 기술의 급격한 발전이 가져올 윤리적 쟁점들을 분석합니다. 이는 과학이 단순히 기술적 진보에 그치지 않고 인간 사회와 어떻게 상호작용하는지를 철학적으로 성찰하는 과정입니다. 복잡한 현대 과학의 흐름 속에서 철학은 길을 잃지 않게 돕는 나침반 역할을 수행합니다. 과학에서 사용하는 과학적 모형은 실제와는 다른 일종의 '거짓말'을 포함하고 있습니다. 예를 들어 물리 문제를 풀 때 마찰력이 없다고 가정하는 것은 현실과 다르지만, 우리는 이 과학적 모형을 통해 정확한 예측과 설명을 수행합니다. 과학철학은 이처럼 과학적 모형이 사실이 아님에도 불구하고 어떻게 우리에게 유용한 과학적 이해를 제공하는지 그 메커니즘을 추적합니다. 추상적인 철학적 논증과 실제 과학 현장의 활동을 연결하는 작업은 과학철학만이 가진 독특한 매력이며, 현실과 밀접하게 맞닿아 있는 철학의 면모를 잘 보여줍니다. 인공지능 윤리는 기술의 자율성과 불투명성에서 비롯되는 다양한 문제를 다룹니다. 자율주행차나 살상 무기 시스템처럼 인간의 직접적인 통제를 벗어난 기술은 책임의 소재를 묻게 하며, 방대한 데이터를 학습하는 과정에서 발생하는 프라이버시 침해나 편향성 문제도 심각합니다. 특히 챗봇이 특정 집단을 차별하거나 사회적 편견을 그대로 반영하는 현상은 기술이 결코 가치 중립적이지 않음을 시사합니다. 이러한 쟁점들을 분석하고 대안을 모색하는 것은 현대 과학기술 사회에서 필수적인 과제입니다. 철학적 사고를 명료하게 만드는 가장 좋은 방법은 자신의 언어로 글을 쓰는 것입니다. 단순히 정보를 습득하는 것을 넘어 질문을 던지며 읽고, 타인의 주장을 합리적으로 재구성해 비판하는 훈련이 필요합니다. 현대 사회는 이미 과학기술이 지배하는 시대이기에, 기술의 활용법을 익히는 것만큼이나 그 근본 원리와 사회적 파급력을 고민하는 철학적 태도가 중요합니다. 과학이 무엇인지 더 근본적으로 질문하는 사람들이 많아질 때, 우리는 기술의 속도에 매몰되지 않고 더 나은 미래를 설계할 수 있을 것입니다.

천현득

카오스재단연구뭐하지

융합

[강연] 뉴턴역학, 중요한 것은 변화의 변화다_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 2강 | 2강

물리학의 세계관은 크게 두 가지 흐름으로 나뉩니다. 전체를 작은 부분으로 나누어 본질을 파악하려는 환원주의와, 작은 것들이 모여 큰 시스템을 이룰 때 개별 요소에는 없던 새로운 성질이 나타난다는 창발론이 그것입니다. 아리스토텔레스는 '전체는 부분의 합보다 크다'고 말했으며, 응집물질 물리학자 앤더슨은 '많을수록 다르다'는 명제로 창발 현상을 설명했습니다. 우주를 온전히 이해하기 위해서는 이 두 관점의 조화가 필수적이며, 이는 현대 물리학이 복잡한 자연 현상을 탐구하는 근본적인 토대가 됩니다. 뉴턴 역학의 핵심은 단순히 위치가 변하는 속도가 아니라, 속도가 변하는 가속도에 주목했다는 점에 있습니다. '변화의 변화'를 뜻하는 가속도는 힘과 질량의 관계를 정의하는 F=ma 공식으로 집약됩니다. 이는 현대 물리학을 출발시킨 결정적인 지점이자, 자연의 운동을 수학적 구조로 들여다보게 만든 혁명이었습니다. 뉴턴은 과감한 추측을 통해 눈에 보이지 않는 힘의 작용 원리를 정립했으며, 그 안에는 놀랍게도 훗날 등장할 양자역학의 씨앗이 이미 담겨 있었습니다. 갈릴레오 갈릴레이는 사고 실험을 통해 관성의 법칙을 우아하게 증명해냈습니다. 그는 비탈길을 내려온 공이 다시 반대편 비탈길을 올라가는 현상을 관찰하며, 마찰이 없는 수평면에서는 물체가 영원히 등속 운동을 유지할 것이라고 통찰했습니다. 이는 '운동을 유지하려면 힘이 필요하다'는 당시의 상식을 뒤집는 대담한 발견이었습니다. 이러한 직관적 사고는 아인슈타인의 상대성 이론으로 이어지는 물리학적 전통이 되었으며, 실험 데이터 너머의 진리를 꿰뚫어 보는 과학적 방법론의 정수를 보여줍니다. 뉴턴은 땅에서 벌어지는 사과의 낙하와 하늘에서 벌어지는 달의 공전이 동일한 법칙에 지배받는다는 사실을 증명했습니다. 그는 달이 지구로 끊임없이 '추락'하고 있지만, 동시에 수직 방향의 관성 속도를 유지하기 때문에 궤도를 돌고 있다고 설명했습니다. 이는 케플러가 발견한 행성 운동 법칙을 수학적으로 완벽하게 뒷받침하는 결과였습니다. 천상의 신성함과 지상의 평범함을 하나의 물리 법칙으로 통합한 뉴턴의 성취는 인류가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 자연은 목적을 가진 것처럼 가장 효율적인 경로를 선택합니다. 페르마의 원리에 따르면 빛은 최단 시간에 도달할 수 있는 경로를 따라 굴절하며, 이는 입자의 운동에서도 '최소 작용의 원리'로 나타납니다. 라그랑주 역학은 운동 에너지와 위치 에너지의 차이인 라그랑지안을 통해 물체의 궤적을 설명합니다. 이는 뉴턴의 방식보다 철학적으로 심오할 뿐만 아니라, 복잡한 다체 문제를 다룰 때 훨씬 편리한 도구가 됩니다. 우주가 특정 물리량을 최소화하려는 방향으로 움직인다는 사실은 매우 경이로운 대목입니다. 해밀턴 역학은 위치와 운동량을 동등한 지위로 격상시켜 물리학의 지평을 넓혔습니다. 해밀토니안은 시스템의 전체 에너지를 의미하며, 이를 통해 입자의 동역학을 기하학적인 위상 공간에서 이해할 수 있게 해줍니다. 위치가 입자적인 성질을 대표한다면, 운동량은 파동적인 성질과 깊은 연관이 있습니다. 이 두 요소를 대칭적으로 다루는 해밀턴의 방식은 훗날 양자역학의 파동-입자 이중성을 담아내는 완벽한 그릇이 되었습니다. 현대 양자역학의 모든 계산이 해밀토니안에서 시작되는 이유가 바로 여기에 있습니다. 고전 역학의 정점인 최소 작용의 원리는 양자역학의 '경로 적분' 개념으로 이어집니다. 고전적인 입자는 단 하나의 최적 경로만을 선택하는 것처럼 보이지만, 양자 세계의 입자는 가능한 모든 경로를 동시에 지나갑니다. 이러한 경로들이 서로 간섭하며 중첩되는 과정을 통해 우리가 관측하는 거시적인 운동 법칙이 도출되는 것입니다. 결국 뉴턴에서 시작된 고전 역학은 양자역학으로 가는 징검다리였으며, 두 세계는 단절된 것이 아니라 깊은 수학적 연계성을 통해 하나의 거대한 우주 원리를 공유하고 있습니다.

박권

카오스재단카오스강연

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' 6강 Q&A_by 이상욱 ｜ 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론'

우리가 흔히 사용하는 천동설과 지동설이라는 용어는 과학사적으로 정교한 수정이 필요합니다. 영어의 '헬리오센트릭'과 '지오센트릭'은 각각 태양 중심설과 지구 중심설을 의미하는데, 이는 단순히 무엇이 우주의 중심에 있느냐를 다룹니다. 흥미로운 점은 코페르니쿠스의 태양 중심설조차 현대적 의미의 지동설과는 거리가 있다는 사실입니다. 당시에는 뉴턴의 만유인력 개념이 없었기에, 지구가 스스로 도는 것이 아니라 에테르로 구성된 천구에 얹혀서 움직인다고 보았습니다. 즉, 코페르니쿠스 체계 역시 하늘이 움직인다는 원리에 기반한 또 다른 형태의 천동설이었던 셈입니다. 현대 물리학의 관점에서 미래로의 시간 여행은 이론적으로 매우 명확하며 실질적인 현상입니다. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론에 따르면, 광속에 가까운 속도로 이동하거나 블랙홀처럼 중력이 매우 강한 곳을 다녀오면 시간 지연 효과가 발생합니다. 이는 단순히 상상이 아니라 우리가 매일 사용하는 GPS 위성 신호 계산에도 반영되는 실제적인 물리 효과입니다. 영화 '인터스텔라'에서 묘사된 것처럼, 강한 중력권에서 짧은 시간을 보낸 이가 궤도에 머물던 이보다 훨씬 젊은 상태로 재회하는 상황은 물리 법칙 안에서 충분히 가능한 미래로의 시간 여행의 모습입니다. 과학을 바라보는 철학적 시각은 크게 환원주의와 다원주의로 나뉩니다. 환원주의자들은 복잡한 자연 현상 배후에 단순하고 근본적인 하나의 원리가 존재한다고 믿으며, 이를 발견하는 것을 과학의 최종 목표로 삼습니다. 반면 다원주의자들은 과학 이론을 세계를 이해하기 위해 인간이 고안한 '인식적 도구'로 파악합니다. 생물학, 화학, 물리학이 각자의 영역에서 현상을 설명하는 방식이 다르듯, 하나의 절대적인 틀로 세상을 재단하기보다는 여러 이론이 상호 모순 없이 공존하며 현상을 풍부하게 설명하는 것이 더 바람직하다고 보는 입장입니다. 토마스 쿤의 저서 '과학 혁명의 구조'는 과학 철학의 고전으로 꼽히지만, 많은 독자가 그 난해함에 어려움을 겪곤 합니다. 여기에는 흥미로운 배경이 숨어 있는데, 본래 이 책은 수천 페이지에 달하는 방대한 연구 결과를 백과사전의 한 챕터로 싣기 위해 핵심 논리만을 추려 압축한 요약본이기 때문입니다. 상세한 설명이 생략된 채 뼈대만 남은 문장들로 구성되다 보니 문장 사이의 간극을 메우기가 쉽지 않은 것입니다. 이러한 맥락을 이해한다면, 쿤이 제시한 패러다임의 전환이라는 개념이 얼마나 치열한 역사적 고찰 끝에 정립된 것인지 새롭게 다가옵니다. 과학은 인류 역사 속에서 고립되어 발전한 것이 아니라, 사회 문화적 배경 및 사상사적 흐름과 끊임없이 상호작용하며 성장해 왔습니다. 따라서 과학의 내용을 정확하게 이해하는 것은 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어, 우리가 발을 딛고 있는 세계상을 파악하는 필수적인 과정입니다. 예술이나 철학 등 다른 분야와의 접점을 찾는 시도 역시 과학적 사실에 대한 정교한 이해가 뒷받침될 때 더욱 풍성한 결실을 볼 수 있습니다. 현대 과학이 보여주는 세계의 복잡성을 수용하고 폭넓은 시각으로 탐구할 때, 우리는 비로소 지식의 진정한 가치를 발견하게 될 것입니다.

카오스재단석학인터뷰

[카오스 술술과학] 뉴런, 도대체 왜 이렇게 생긴거야? | 카오스 브레인 오디세이(1)

모든 생명체의 기본 단위는 세포이지만, 뇌와 신경계를 구성하는 신경세포인 뉴런은 그 형태부터가 매우 독특합니다. 19세기 후반 스페인의 신경학자 산티아고 라몬 이 카할은 현미경을 통해 이 기묘한 세포들을 관찰하며 3,000점이 넘는 세밀한 그림을 남겼습니다. 그는 뉴런이 마치 생체 전깃줄처럼 전기 신호를 전달하는 역할을 한다고 추측했습니다. 머리카락 지름의 50분의 1도 안 되는 가느다란 돌기들이 정보를 전달하기 위해 최적화된 구조를 갖추고 있다는 사실은 현대 뇌과학의 위대한 출발점이 되었습니다. 20세기 초 뇌과학계는 뉴런의 존재 여부를 두고 거대한 논쟁에 휩싸였습니다. 카할은 뇌가 독립된 뉴런들로 구성되어 있다는 '뉴런 독트린'을 주장한 반면, 카밀로 골지는 뇌가 거대한 그물처럼 연결된 네트워크 구조라는 '신경 그물설'을 고수했습니다. 흥미롭게도 두 사람은 1906년 노벨 생리의학상을 공동 수상하는 영광을 안았지만, 시상식장에서도 서로의 이론이 옳다며 치열하게 대립했습니다. 이 논쟁은 단순히 세포의 형태를 넘어, 부분을 통해 전체를 설명하려는 환원주의와 전체적인 연결성을 강조하는 관점의 충돌이기도 했습니다. 뇌의 기능을 바라보는 시각은 특정 부위가 특정 역할을 수행한다는 국소주의와 전체가 협력한다는 분산주의로 나뉩니다. 18세기 말 프란츠 갈이 제창한 골상학은 두개골의 모양으로 성격과 지능을 파악할 수 있다는 국소주의적 발상에서 시작되었습니다. 이후 폴 브로카가 언어를 담당하는 '브로카 영역'을 발견하면서 국소주의는 정점에 달했습니다. 비록 골상학은 과학적 근거가 부족한 것으로 판명되었지만, 뇌의 각 부위가 고유한 기능을 담당한다는 생각은 현대 뇌과학의 중요한 한 축을 형성하며 발전해 왔습니다. 시간이 흐르며 뇌를 이해하기 위해서는 개별 뉴런뿐만 아니라 그들의 연결 패턴인 네트워크에 주목해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 1940년대 도널드 헵은 학습과 기억의 본질이 개별 뉴런의 활동이 아닌, 뉴런들이 서로 연결된 신경망의 변화에 있음을 입증했습니다. 이는 빛이 입자이면서 동시에 파동인 것처럼, 뇌 역시 뉴런이라는 기본 단위와 네트워크라는 활동 체계가 공존하는 복잡계임을 시사합니다. 결국 뇌는 국소적인 기능 수행과 전체적인 협력이 조화를 이루는 역동적인 시스템인 셈입니다. 인간의 뇌에는 약 천억 개의 뉴런이 존재하며, 이들이 형성하는 수백 조 개의 시냅스 연결망을 '커넥톰'이라 부릅니다. 이 거대한 지도는 한 개인의 정체성을 결정하는 핵심적인 요소로 평가받습니다. 20세기가 우주 정복의 시대였다면, 21세기는 인류 최후의 미스터리인 뇌를 탐험하는 '브레인 오디세이'의 시대입니다. 소우주와도 같은 뇌의 복잡한 매트릭스 속에서 자아와 의식이 어떻게 탄생하는지 탐구하는 여정은, 우리가 누구인지에 대한 근원적인 해답을 찾는 과정이 될 것입니다.

카오스재단술술과학

뇌인지과학

[카오스 술술과학] 다중우주 (2) : 우주는 무한한가?

셰익스피어의 햄릿은 호두 껍질 속에 갇혀서도 자신을 무한한 공간의 제왕이라 생각할 수 있다고 말했습니다. 이는 유한한 존재가 무한을 꿈꾸는 인간의 역설적인 상황을 잘 보여줍니다. 실제로 우주가 유한한지 혹은 무한한지에 대한 질문은 인류를 오랫동안 괴롭혀온 난제입니다. 유한하다면 그 너머의 경계가 무엇인지 설명하기 어렵고, 무한하다면 밤하늘이 별빛으로 가득 차 밝아야 한다는 올베르스의 역설에 직면하게 됩니다. 현대 과학은 이 모순을 해결하기 위해 고무풍선의 표면 같은 모델을 제시하기도 했지만, 여전히 시공간의 기원과 경계에 대한 근본적인 의문은 남아 있습니다. 최근 과학계에서는 이러한 난제를 해결하기 위해 '다중 우주'라는 거대한 상상력을 동원하고 있습니다. 우리가 속한 우주가 더 큰 시공간의 일부이거나, 우리와 유사한 우주가 무수히 존재한다고 가정하는 것입니다. 다중 우주론을 도입하면 유한과 무한의 충돌을 비교적 매끄럽게 설명할 수 있습니다. 우리 우주는 특정한 시점에 시작된 유한한 공간이지만, 그 외부나 이전에는 또 다른 우주들이 존재한다고 보는 방식입니다. 이는 아인슈타인의 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 얽혀 있음을 이해하게 되면서 더욱 설득력을 얻었으며, 외부 관측자의 시선에서는 무한한 공간이 내부에서는 유한한 시간으로 인식될 수 있다는 해석을 가능하게 합니다. 다중 우주의 가장 기본 모델인 '누비이은 다중 우주'는 무한한 공간 속에 우리가 볼 수 있는 영역이 한정되어 있다는 점에서 출발합니다. 빛의 속도가 유한하기 때문에 우리는 약 460억 광년 거리의 '관측 가능한 우주'만을 인지할 수 있습니다. 마치 무빙워크 위를 달리는 빛처럼, 우주가 팽창하는 동안 빛이 이동한 거리는 시간의 흐름보다 훨씬 길어집니다. 이러한 관측 가능한 우주들을 하나의 조각보처럼 이어 붙인 것이 바로 누비이은 다중 우주의 모습입니다. 무한한 공간 속에서 이러한 우주 조각들이 반복된다면, 확률적으로 우리 우주와 동일한 입자 배열을 가진 공간이 반드시 존재하게 된다는 놀라운 결론에 도달하게 됩니다. 만약 우주가 오로지 물질의 배열로만 결정된다는 환원주의적 관점을 수용한다면, 무한한 다중 우주 속에는 나와 완벽하게 동일한 존재가 무한히 존재해야 합니다. 무한이라는 개념 앞에서는 아무리 낮은 확률이라도 반드시 실현되기 때문입니다. 이는 단순히 비슷한 존재가 아니라, 나의 모든 기억과 선택, 현재의 상황까지 똑같이 공유하는 도플갱어가 우주 곳곳에 편재함을 의미합니다. 어떤 이들에게는 이것이 영생의 희망으로 다가올 수 있겠지만, 다른 이들에게는 똑같은 인생이 반복된다는 공포로 느껴질 수도 있습니다. 결국 이러한 상상은 현재의 삶에 최선을 다해야 한다는 철학적 성찰로 이어지며, 나의 노력이 우주적 자아들의 가치를 결정한다는 책임감을 부여합니다. 다중 우주론은 양자역학의 해석 문제와도 깊게 연관되어 있습니다. 관측에 의해 파동 함수가 붕괴한다는 코펜하겐 해석의 모호함을 해결하기 위해 등장한 '다세계 해석'은 선택의 순간마다 우주가 갈라진다고 설명합니다. 물리학자 스티븐 와인버그는 현재의 양자역학을 '다윈 이전의 생물학'에 비유하며, 우리가 아직 우주의 진정한 원리를 깨닫지 못한 상태임을 시사했습니다. 다중 우주는 모든 가능성이 실현되는 공간이기에, 그 안에는 상상할 수 없는 고통이 실현되는 악몽 같은 세계도 존재할 것입니다. 햄릿의 말처럼 무한한 공간의 제왕이 되는 것은 매혹적이지만, 그 무한함이 가져올 악몽까지 감당해야 하는 것이 다중 우주가 우리에게 던지는 묵직한 질문입니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[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

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (3) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ③

마음의 실체에 대한 논의는 인류 역사상 가장 오래된 질문 중 하나입니다. 최근 과학 기술의 비약적인 발전으로 인해 마음을 뇌의 물리적 작용으로 환원하려는 시도가 활발해지고 있습니다. 특히 신경과학자들은 뇌의 신경 회로를 분석함으로써 불안, 스트레스, 공포와 같은 기본적인 감정은 물론, 갈증이나 배고픔 같은 본능적 동기가 어디에서 비롯되는지 밝혀내고 있습니다. 이는 마음이 곧 뇌라는 현대 신경과학의 핵심적인 입장과 맞닿아 있으며, 인간의 정신 활동을 생물학적 기반 위에서 이해하려는 노력의 일환입니다. 환원주의적 관점에서는 예쁜꼬마선충과 같은 단순한 생명체의 신경계를 연구함으로써 복잡한 인간의 마음을 이해할 수 있는 단초를 찾고자 합니다. 신경세포 하나하나의 활동이 모여 전체적인 시스템의 특성을 만들어내는 '창발적 특성'은 뇌과학의 중요한 연구 대상입니다. 물 분자가 모여 물의 성질을 띠듯, 신경세포들이 연결되어 의식과 마음을 형성한다는 논리입니다. 이러한 접근은 뇌의 특정 부위를 자극하여 우울증이나 중독 증상을 완화하는 등 실질적인 치료 가능성을 제시하며 과학적 설득력을 얻고 있습니다. 하지만 심리학적 관점에서는 이러한 물리적 환원주의에 대해 신중한 입장을 보입니다. 동물의 신경 회로를 조작하여 나타나는 행동 변화가 곧 인간의 복잡한 마음과 동일하다고 단정 짓기에는 무리가 있다는 지적입니다. 예를 들어, 쥐의 공격성이나 성적 행동을 유도하는 실험 결과가 인간의 사회적 관계나 고차원적인 심리 현상을 온전히 설명해주지는 못합니다. 마음은 신체 및 뇌와 연결되어 있지만, 그 자체로 독자적인 작동 원리를 지닌 영역일 수 있으며, 뇌의 병변만으로 설명되지 않는 심리적 고통이 존재하기 때문입니다. '커넥톰(Connectome)'은 뇌 속 신경세포들의 복잡한 연결망을 뜻하며, 최근에는 '나는 나의 커넥톰이다'라는 주장이 제기될 만큼 중요하게 다뤄집니다. 이는 유선 및 무선 통신을 포함한 고도의 신경 활동이 곧 자아를 형성한다는 믿음에 기반합니다. 기술의 발전 속도가 예상보다 빨라지면서 뇌의 지도를 완벽히 그려낼 수 있다면 인간의 본질을 이해할 수 있을 것이라는 기대감이 커지고 있습니다. 그러나 이러한 하드웨어적 분석이 인간의 주관적 경험과 영혼의 영역까지 모두 포괄할 수 있을지에 대해서는 여전히 뜨거운 논쟁이 이어지고 있습니다. 30년 후인 2047년의 뇌과학은 지금과는 비교할 수 없을 정도로 진보할 것으로 예측됩니다. 낙관적인 전망에 따르면, 비파괴적인 방식으로 뇌의 신경 발화 활성을 정밀하게 읽어내고 특정 신경세포를 선택적으로 자극하여 뇌 기능을 향상시키는 기술이 보편화될 수 있습니다. 이는 치매나 알츠하이머와 같은 난치성 질환 정복에 기여할 뿐만 아니라, 인간의 인지 능력을 획기적으로 확장하는 계기가 될 것입니다. 과학자들은 이러한 기술적 진보가 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것이라고 확신하며 연구에 매진하고 있습니다. 반면, 기술의 진보가 반드시 인간 마음에 대한 깊은 이해로 이어지지는 않을 것이라는 회의적인 시각도 존재합니다. 지난 수십 년간 뇌과학 분야에서 수많은 발견이 있었음에도 불구하고, 실제 임상 현장에서 치매나 정신 질환을 완벽히 이해하고 치료하는 데에는 여전히 한계가 명확하기 때문입니다. 인간의 행동과 심리는 단순히 신경 자극의 결과물이라기보다 사회적 관계와 환경 속에서 형성되는 복잡한 산물입니다. 따라서 기술적 성취에만 매몰되기보다는 인간 본연의 가치와 마음의 고유한 특성을 놓치지 않는 균형 잡힌 시각이 필요합니다. 결국 뇌와 마음에 대한 탐구는 서로 다른 학문적 배경을 가진 전문가들이 소통하고 협력하는 '통섭'의 과정을 필요로 합니다. 생물학적 데이터와 심리학적 통찰이 만날 때 비로소 인간이라는 거대한 신비에 다가갈 수 있습니다. 과학을 발전시키는 원동력은 단순한 기술의 진보를 넘어, 인간이 얼마나 자유롭게 상상하고 그 상상을 공유하며 구체화할 수 있느냐에 달려 있습니다. 미래의 뇌과학은 뇌의 구조를 밝히는 것을 넘어, 인간이 누구인지에 대한 근본적인 답을 찾아가는 여정이 되어야 할 것입니다.

김성연, 이준호, 황상민

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (2) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ②

우주와 같은 거대한 세계에 대한 호기심은 인간의 유한함을 자각하게 하지만, 작은 세계에 대한 관심은 자연의 작동 원리를 파헤치려는 열망에서 시작됩니다. 복잡한 현상을 낱낱이 분해하여 이해하려는 '환원주의'는 현대 과학의 근간을 이룹니다. 전체를 이해하기 위해 각 부분을 나누어 분석하고 이를 다시 합치는 과정은 복잡한 자연을 단순화하여 연구할 수 있게 해줍니다. 이러한 미시세계 탐구는 단순히 작은 것을 보는 행위를 넘어, 자연의 본질적인 메커니즘을 이해하는 첫걸음이 됩니다. 과거 인류는 흑사병과 같은 질병을 신의 벌이나 나쁜 공기 탓으로 돌리며 초자연적인 현상으로 이해하곤 했습니다. 하지만 현미경의 발달로 병원균의 존재가 드러나면서 인류의 인식은 혁명적인 변화를 맞이했습니다. 보이지 않던 작은 존재들이 질병의 원인임을 깨닫게 되자, 자연 현상을 과학적이고 합리적인 모델로 설명할 수 있게 된 것입니다. 이는 과학과 철학, 종교를 구분 짓는 중요한 계기가 되었으며, 초자연적인 설명 없이도 자연을 온전히 이해할 수 있다는 확신을 인류에게 심어주었습니다. 미시세계를 들여다보는 일은 때로 낯설고 충격적인 시각적 경험을 선사합니다. 마이크로칩을 든 개미의 모습이나 우리 몸속의 작은창자 융모, 시신경 혈관 등은 일상적인 눈으로는 결코 볼 수 없는 정교한 구조를 드러냅니다. 이러한 미세 구조를 관찰하는 것은 단순히 호기심을 충족하는 데 그치지 않고, 질병의 원인을 찾거나 생명 활동의 에너지가 공급되는 과정을 이해하는 등 실질적인 해결책을 제시합니다. 더 작은 것을 보려는 인간의 욕구는 결국 과학적 진보를 이끄는 강력한 동력이 됩니다. 현미경의 성능을 결정짓는 핵심 요소는 가까이 있는 두 물체를 구분해내는 '공간 분해능'에 있습니다. 하지만 광학 현미경은 빛의 회절 현상으로 인해 약 200나노미터 이하의 물체는 관찰할 수 없다는 '회절 한계'라는 벽에 부딪히게 됩니다. 19세기 후반 물리학자 아베가 정립한 이 원리는 오랫동안 광학 현미경의 절대적인 한계로 여겨져 왔습니다. 제아무리 비싸고 정밀한 장비를 사용하더라도 가시광선을 사용하는 한 파동의 원초적인 특성인 회절을 극복하는 것은 불가능해 보였습니다. 광학 현미경의 한계를 극복하기 위해 등장한 대안이 바로 전자 현미경입니다. 전자가 입자인 동시에 파동이라는 성질을 이용해, 에너지를 높여 파장을 짧게 만듦으로써 분해능을 획기적으로 높인 것입니다. 전자 현미경은 광학 현미경이 보지 못했던 원자 수준의 세계를 열어주었지만, 시료 손상과 같은 단점도 존재합니다. 그럼에도 불구하고 과학자들은 여전히 광학 현미경의 가능성에 미련을 버리지 않고 있습니다. 안 된다고 여겨지는 한계를 극복하려는 도전 정신이 과학의 역사를 새로 쓰고 있습니다.

김성근

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[석학인터뷰] 교수님처럼 글을 잘 쓰려면 어떻게 해야하나요?- KAOS 최재천 국립생태원장 인터뷰 영상

생명의 기원을 밝히는 일은 과학계에서 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 생명이 처음 탄생하던 순간을 직접 목격한 이가 없기에, 우리는 현재 관찰 가능한 데이터만을 바탕으로 과거를 유추할 수밖에 없습니다. 종교적 설명이나 외계 유입설은 언뜻 명쾌해 보이지만, 이는 근본적인 발생 원리에 대한 과학적 해답이 되기 어렵습니다. 외계에서 생명이 왔다고 가정하더라도 그 생명이 어디서 어떻게 시작되었는지에 대한 질문은 여전히 남기 때문입니다. 결국 우리는 지구라는 환경 안에서 생명이 태동한 과정을 논리적으로 추적해야만 합니다. 좋은 글을 쓰는 비결은 타고난 재능보다는 치열한 퇴고의 과정에 있습니다. 마감 기한을 스스로 앞당겨 설정하고, 완성된 초고를 수십 번 다시 읽으며 다듬는 정성이 필요합니다. 특히 글을 소리 내어 읽었을 때 느껴지는 리듬감은 독자에게 의미를 전달하는 핵심적인 요소입니다. 귀로 들었을 때 매끄럽지 않거나 호흡이 끊기는 문장은 과감히 수정해야 합니다. 글쓴이가 스스로 읽기에 불편함이 없을 때까지 고치고 또 고치는 반복적인 노력이 뒷받침될 때, 비로소 독자의 마음을 움직이는 생동감 넘치는 문장이 탄생하게 됩니다. 자연과학의 여러 분야 중 생물학은 독특한 위치를 차지합니다. 물리학이나 화학이 대상을 더 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의적 접근에 집중한다면, 생물학은 그 분석된 요소들을 다시 하나로 묶어내는 종합력을 요구합니다. 세포 하나를 들여다보는 분석력도 중요하지만, 그 세포들이 모여 하나의 생명체를 이루고 나아가 생태계 속에서 상호작용하는 전체적인 그림을 그릴 수 있어야 합니다. 생명의 오묘함은 단순히 부분을 합친 것 이상의 복잡성을 지니고 있기에, 이를 이해하기 위해서는 분석력과 종합력의 균형이 필수적입니다. 생물학적 탐구는 미시적인 세계와 거시적인 세계를 동시에 아우르는 매력을 지니고 있습니다. 분석력만을 강조하는 학문적 풍토에서 벗어나, 쪼개진 파편들을 연결하여 생명이라는 거대한 퍼즐을 완성해 나가는 과정은 지적 호기심을 자극하기에 충분합니다. 이러한 종합력은 생명 현상의 본질을 꿰뚫어 보는 힘이 됩니다. 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어 생명체가 살아가는 방식과 그 의미를 탐구하는 일은 인간이 자연을 이해하는 가장 깊이 있는 방법 중 하나입니다. 분석력과 종합력을 넘나드는 통찰력은 생물학자가 갖춰야 할 최고의 덕목입니다. 현대 과학에서 생물학의 역할은 갈수록 중요해지고 있습니다. 기후 위기나 질병 등 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 생명 시스템에 대한 다각적인 이해가 필요하기 때문입니다. 분석적인 데이터에 기반하면서도 전체적인 조화를 고려하는 생물학적 접근 방식은 미래 과학의 핵심적인 방법론이 될 것입니다. 자연의 섭리를 존중하며 생명의 기원부터 현재의 다양성까지 아우르는 학문적 여정은 우리에게 세상을 바라보는 새로운 눈을 제공합니다. 지적 치열함과 종합력을 통해 우리는 생명의 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.

최재천

카오스재단석학인터뷰

융합