과학 포털 iKAOS

28 Contents

왜 양자 물리는 들어도 이해가 안 될까?

화창한 봄날 호숫가에서 피크닉을 즐기는 여인의 보라색 치마 위에는 작은 벌레 한 마리가 있습니다. 이 벌레는 치마를 구성하는 빨간색 실과 파란색 실을 구분하지 못하며, 세상을 단색의 2차원 평면으로만 인식합니다. 자신의 제한된 경험을 우주 전체로 확대 적용하는 오류를 범하고 있는 셈입니다. 우리 인간 역시 이와 크게 다르지 않습니다. 우리는 1km 밖의 사람을 구별하기 어렵고 아주 작은 미시 세계를 육안으로 볼 수 없는 한계 속에 살고 있습니다. 4차원이나 11차원의 존재를 머리로는 알아도 상상하기 힘든 이유는 우리가 경험할 수 있는 범위가 벌레의 호숫가만큼이나 좁기 때문입니다. 인간이 양자 물리를 접할 때 거대한 벽을 느끼는 이유는 미시 세계가 우리의 직관적 이해를 벗어나 있기 때문입니다. 벌레가 3차원 세계를 진정으로 이해하지 못하듯, 인간도 눈에 보이지 않는 원자 차원의 세상을 완벽히 체감할 수는 없습니다. 양자 물리를 연구하는 물리학자들조차 이를 완벽하게 이해한다고 말하기는 어렵지만, 그들은 실험과 관찰을 통해 그 세계의 법칙을 지식으로 정립해 왔습니다. 이는 마치 담장 너머에서 들려오는 소문만으로 담장 안의 규칙을 알아내는 과정과 같습니다. 스스로도 완전히 이해하기 힘든 규칙을 찾아내어 타인에게 설명할 수 있다는 점은 인간 지성이 가진 놀라운 특징 중 하나입니다. 물리학자들은 눈에 보이는 현상에만 머무르지 않고 보라색 평면 속에서 가느다란 빨간색 실과 파란색 실의 존재를 찾아냈습니다. 신이 인간에게 쉽게 허락하지 않은 미시 세계의 법칙을 알아낸 것입니다. 이제 인류는 단순히 원자의 법칙을 이해하는 수준을 넘어, 원자를 직접 조작하는 경지에 이르렀습니다. 슈퍼컴퓨터로도 해결하기 어려운 난제를 풀 수 있는 양자 컴퓨터를 개발하며 새로운 시대를 열고 있습니다. 비록 우리의 감각은 제한적일지라도, 보이지 않는 세계의 질서를 탐구하고 이를 기술로 구현해낸 양자 물리의 발견은 인간 지성이 거둔 가장 위대한 승리라고 할 수 있습니다.

과학플랫폼 SOAK

물리학

[댓글 이벤트] 나만의 분자 만들기🧪동화같은 나노화학의 세계! 나노화학 Part.2ㅣ선을 넘는 과학자들

물질의 근원은 아주 작은 알갱이들로부터 시작됩니다. 우리는 이를 분자라 부르며, 그 분자를 구성하는 가장 기초적인 단위를 원자라고 정의합니다. 화학의 핵심은 이 원자들이 어떤 방식으로, 몇 개가 연결되느냐를 밝혀내는 데 있습니다. 예를 들어 에탄올은 탄소, 수소, 산소라는 평범한 원소들이 특정 구조로 결합하여 만들어진 결과물입니다. 이처럼 원자의 배열을 이해하고 조절할 수 있게 되면서 인류는 비로소 물질을 직접 설계하고 창조할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 화학자들의 도전은 점차 복잡한 구조를 가진 천연 물질을 인공적으로 합성하는 단계로 나아갔습니다. 대표적인 사례가 바로 비타민 B12입니다. 과거에는 자연에서만 얻을 수 있다고 생각했던 이 복잡한 유기물을 화학자가 실험실에서 하나하나 연결해 만들어냈을 때, 인류는 모든 유기물을 정복했다는 선언을 할 수 있었습니다. 이러한 성과는 노벨상으로 이어졌으며, 이후 과학자들은 물고기의 독인 시가톡신이나 테트로도톡신처럼 자연계에 존재하는 정교하고 치명적인 물질들까지도 자유자재로 합성해내기 시작했습니다. 물질을 만드는 능력이 정점에 달하자 화학자들은 예술적이고 유머러스한 시도를 하기 시작했습니다. 처음부터 바구니 모양을 의도하고 만든 '바스케테인'이나, 펭귄의 형상을 닮은 '펭귀논', 아폴로 우주선을 본뜬 '아폴레인' 등이 그 예입니다. 심지어 나노 크기의 소인 형상을 한 '나노푸티안'을 만들어 왕관이나 요리사 모자를 씌우고, 이들이 서로 손을 잡고 있는 구조를 논문으로 발표하기도 했습니다. 이는 단순히 재미를 넘어, 우리가 원하는 형태의 분자를 원자 단위에서 정밀하게 조립할 수 있다는 기술적 자신감을 보여주는 상징적인 사건들입니다. 이제 시선은 더 작은 세계인 나노화학으로 향합니다. 머리카락 굵기의 수만 분의 일에 불과한 탄소나노튜브는 철처럼 단단하면서도 매우 가벼워 미래 우주 엘리베이터의 핵심 재료로 주목받고 있습니다. 나노 세계는 단순히 크기가 작아지는 것을 넘어, 기존의 물리 법칙과는 다른 독특한 현상들이 나타나는 영역입니다. 원자 크기가 약 0.1나노미터임을 고려할 때, 이 미세한 영역에서 물질을 조립하는 기술은 인류의 건축 기술을 원자 단위로 확장하는 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 나노 세계의 가장 흥미로운 점은 물질의 성질이 크기와 모양에 따라 완전히 변한다는 것입니다. 거시 세계에서 금은 항상 황금색이지만, 나노 단위로 작아지면 입자의 모양에 따라 빨간색, 초록색, 파란색으로 변합니다. 이러한 원리는 고대 로마의 리쿠르고스 컵이나 중세 성당의 스테인드글라스에도 숨어 있습니다. 빛의 방향에 따라 색이 변하거나 화려한 색채를 띠는 이유는 그 안에 금이나 은의 나노 입자가 포함되어 있기 때문입니다. 이처럼 나노화학은 보이지 않는 작은 세계를 통해 우리 세상을 더욱 다채롭고 풍요롭게 만들어가고 있습니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

화학
융합

[강연] 가장 순수한 형태의 파동_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 3강 | 3강

세상을 이해하는 방식에는 여러 가지가 있지만, 물리학은 그 근원적인 원리를 탐구하여 우주의 설계도를 그려내는 학문입니다. 거대한 우주를 가장 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의와 작은 요소들이 모여 전체로서 새로운 성질을 발현하는 창발주의는 물리학을 지탱하는 두 개의 거대한 기둥입니다. 아리스토텔레스가 통찰했듯 전체는 부분의 합보다 크며, 이러한 조화로운 상호작용 속에서 우주의 질서가 유지됩니다. 특히 응집물질물리학은 미시적 세계의 개별 입자들이 어떻게 거시적인 현상을 만들어내는지 그 절묘한 연결 고리를 다루며, 우리가 발을 딛고 있는 이 세상의 실체를 과학적으로 규명하고자 노력합니다. 양자역학의 난해하고 추상적인 개념들은 때로 영화라는 예술 매체를 통해 우리에게 더욱 생생하고 친숙하게 다가옵니다. 영화 '컨택트'에서 주인공이 외계 언어를 배우며 미래를 기억하게 되는 설정이나, '인터스텔라'에서 블랙홀 내부의 시공간을 넘나들며 과거의 자신에게 신호를 보내는 장면은 단순한 상상력을 넘어 양자역학적 세계관을 깊이 있게 투영하고 있습니다. 모든 가능성이 중첩되어 열려 있는 파동의 상태에서 관측을 통해 단 하나의 현실로 확정되는 '파동함수의 붕괴'는 영화 속 인물들이 마주하는 운명적인 선택과 맞닿아 있습니다. 일어날 일은 결국 일어난다는 결정론적 시각과 그 안에서 이루어지는 주체적인 결단은 양자역학이 지닌 철학적 무게를 보여줍니다. 양자역학의 핵심을 한마디로 정의하자면 '우주는 파동이다'라고 요약할 수 있습니다. 우주의 모든 존재는 입자인 동시에 파동의 성질을 지니며, 이를 기술하는 파동함수는 특정 위치에서 입자가 발견될 확률을 결정하는 역할을 합니다. 여기서 주목해야 할 점은 파동함수가 단순한 수치가 아니라 방향과 길이를 가진 '양자 시계'와 같은 벡터 형태라는 사실입니다. 각 공간마다 존재하는 이 보이지 않는 양자 시계들이 서로 더해지고 상쇄되는 과정을 통해 간섭 현상이 일어나며, 이것이 우리가 관측하는 물리적 실체를 형성합니다. 결국 눈에 보이지 않는 복소수 공간의 질서가 현실 세계의 확률적 분포를 지배하고 있는 셈입니다. 영의 이중 슬릿 실험은 양자역학의 신비로움을 가장 극명하게 증명하는 사례로 꼽힙니다. 전자를 하나씩 발사하더라도 충분한 시간이 흐르면 스크린에는 파동 특유의 간섭무늬가 나타나는데, 이는 전자 하나가 두 개의 경로를 동시에 통과하는 중첩 상태에 있음을 의미합니다. 입자 하나가 스스로 분신처럼 나뉘어 경로를 지나고, 다시 만나는 지점에서 각자의 '양자 시계'가 합쳐져 확률의 줄무늬를 만들어내는 과정은 고전 역학의 상식을 완전히 뒤엎습니다. 양자역학적 파동은 관측되기 전까지는 실체적인 위치를 갖지 않으며, 오직 확률적인 중첩 상태로 존재하다가 측정의 순간에 비로소 하나의 입자로 그 모습을 드러내게 됩니다. 원자의 구조를 이해하는 과정에서도 양자역학은 결정적인 해답을 제시합니다. 고전 전자기학의 관점에서는 핵 주변을 도는 전자가 에너지를 방출하며 순식간에 붕괴해야 하지만, 실제 원자는 매우 견고하고 안정적인 구조를 유지합니다. 이는 전자의 궤도가 아무 곳에나 형성되는 것이 아니라 특정한 에너지 값으로만 존재할 수 있는 '양자화' 상태이기 때문입니다. 케플러가 행성의 궤도에서 우주의 조화를 찾으려 했던 시도나 티티우스-보데의 법칙처럼, 물리학자들은 수소 원자의 스펙트럼에서 나타나는 불연속적인 숫자들의 배열을 통해 미시 세계의 엄격한 규칙을 발견했습니다. 이러한 불연속성은 우주가 매끄러운 연속체가 아닌 정교하게 격자화된 질서 위에 서 있음을 시사합니다. 아인슈타인의 광양자 가설은 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 이중성을 밝혀내며 현대 물리학의 새로운 지평을 열었습니다. 이에 영감을 받은 드브로이는 빛뿐만 아니라 전자와 같은 모든 물질 입자도 파동의 성질을 가질 것이라는 대담한 가정을 세웠고, 이는 실험적으로 증명되었습니다. 전자가 원자핵 주변을 돌 때 자신의 꼬리를 무는 정상파 형태를 유지해야 한다는 조건은 보어가 주장했던 각운동량의 양자화를 수학적으로 완벽하게 뒷받침해 줍니다. 입자의 운동량이 파동의 파장과 직접적으로 연결된다는 이 놀라운 발견은 물질의 본질에 대한 인류의 인식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 파동역학의 탄생을 이끄는 기폭제가 되었습니다. 우리가 의자에 앉아 있을 때 바닥으로 꺼지지 않는 이유는 원자 내부가 대부분 비어 있음에도 불구하고 '파울리 배타 원리'에 의해 강력한 단단함을 유지하기 때문입니다. 이처럼 양자역학은 단순히 실험실 안의 추상적인 이론에 머물지 않고, 우리가 존재하는 물리적 실체와 일상의 현상을 설명하는 유일하고도 강력한 도구입니다. 슈뢰딩거 방정식으로 대표되는 파동함수의 동력학은 우주의 보이지 않는 비밀을 정교한 수학적 언어로 풀어내며 현실의 근원을 추적합니다. 보이지 않는 파동의 중첩과 확률의 파동 속에서 움직이는 우주를 깊이 있게 이해하는 것은, 곧 우리 자신과 만물을 구성하는 가장 근본적인 원리에 다가가는 숭고한 여정이라 할 수 있습니다.

박권

카오스재단카오스강연

물리학

[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

[연구뭐하지] 이성근 교수_서울대학교 '지구물질과학 실험실' | 아주 작은 단위로 설명하는 지구 시스템?!

지구 시스템은 수천 킬로미터에 달하는 거대한 규모를 가지고 있지만, 그 이면에는 원자와 전자 수준의 아주 단순한 원리들이 숨어 있습니다. 서울대학교 지구물질과학 연구실은 지난 20여 년간 복잡해 보이는 행성의 변화 과정을 원자핵이나 전자의 스핀과 같은 미시적인 정보를 통해 정량적으로 설명하려는 노력을 지속해 왔습니다. 거시적인 현상을 단순히 관찰하는 것에 그치지 않고, 이를 관통하는 근본적인 물리 법칙을 찾아내어 복잡한 자연 현상을 명쾌하게 이해하는 것이 연구의 핵심 목표입니다. 지구 내부에서 일어나는 과정들은 대부분 한 번 발생하면 되돌릴 수 없는 비가역적인 특성을 지닙니다. 이러한 복잡성을 전 지구적인 단위의 거시적 관점으로만 바라보기에는 한계가 존재하기에, 연구자들은 자연스럽게 더 작은 단위인 원자의 세계로 시선을 돌리게 됩니다. 미시적 단위에서 얻은 물리·화학적 정보는 거시적인 지구 시스템의 문제를 해결하는 열쇠가 되며, 이 두 정보가 통합될 때 비로소 우리는 지구라는 거대한 시스템을 온전히 이해할 수 있는 학문적 토대를 마련하게 됩니다. 구체적인 연구로는 비정질 규산염 마그마에 납이나 아연 같은 미량 원소를 첨가했을 때 나타나는 물성 변화를 고상 NMR 장비로 분석하는 작업이 이루어집니다. 또한, 현무암질 마그마의 성분 모델을 구축하고 멀티앤빌 프레스라는 기기를 활용해 초고압 환경에서의 구조 변화를 정밀하게 측정하기도 합니다. 이러한 실험들은 극한 환경에서 물질이 어떻게 반응하고 변하는지를 규명함으로써, 지구 내부의 물질 순환과 진화 과정을 과학적으로 증명하는 데 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 이 연구실의 성과는 지질학적 영역을 넘어 신소재 개발이나 물질의 구조적 성질 이해가 필요한 다양한 산업 분야로 확장됩니다. 특히 유리 물질의 구조 변화에 대한 연구는 자연계의 현상뿐만 아니라 우리가 일상에서 흔히 사용하는 스마트폰 강화 유리의 성능 개선과도 밀접하게 연결될 수 있습니다. 기초 과학의 본질적인 질문에 대한 답을 찾는 과정이 결국 첨단 기술의 발전과 새로운 물질의 발견으로 이어지는 가교 역할을 하며, 학문 간의 경계를 허무는 융합적 가치를 창출합니다. 연구실은 지구과학에 국한되지 않고 물리와 화학을 아우르는 폭넓은 주제를 다루며, 자연과학 전반에 호기심을 가진 이들에게 열려 있습니다. 교수님이 직접 실험에 참여하고 연구를 주도하는 솔선수범의 자세는 학생들에게 큰 귀감이 되며, 자유로운 연구 분위기 속에서 각자의 주제를 깊이 있게 탐구할 수 있는 환경이 조성되어 있습니다. 또한, 구성원들이 서로의 연구를 존중하고 건강한 식단과 생활 습관을 공유하는 문화는 연구자들이 장기적으로 학문에 몰입할 수 있게 돕는 든든한 버팀목이 됩니다.

이성근

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

[술술과학] 우주(3): 空하다!

우리가 살고 있는 지구를 4억 분의 1로 축소하는 것부터 시작해 태양계의 광활함을 탐험해 봅니다. 축척을 계속해서 줄여나가면 수성과 금성, 지구를 지나 화성과 목성, 그리고 해왕성까지의 행성들이 차례로 모습을 드러냅니다. 태양계의 진정한 경계라 할 수 있는 오르트 구름에 도달하기 위해서는 무려 4광년에 해당하는 거리를 한 화면에 담아야 할 정도로 축소해야 합니다. 이 거대한 규모 속에서 우리가 아는 행성들은 아주 작은 흔적처럼 보일 뿐이며, 우주는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 넓은 공간을 품고 있습니다. 태양계를 벗어나 가장 가까운 이웃인 알파 센타우리 계에 도달하면 세 개의 별이 공존하는 삼중성계를 만나게 됩니다. 태양과 질량이 비슷한 알파 센타우리 A와 B, 그리고 가장 가까운 별인 적색왜성 프록시마 센타우리가 그 주인공입니다. 프록시마 센타우리는 태양에서 약 4.24광년 떨어져 있으며, 이는 우주적 거리로는 매우 가깝지만 인간의 척도로는 가늠하기 힘든 먼 거리입니다. 이러한 별들의 배치를 통해 우리는 태양계가 우주라는 거대한 바다 속에서 결코 고립된 존재가 아님을 다시 한번 확인하게 됩니다. 우주의 빈 공간이 얼마나 거대한지 실감하기 위해 서울 광화문과 미국 LA 할리우드 거리에 각각 등을 설치하는 비유를 들어보겠습니다. 두 지점 사이의 수만 킬로미터 구간에는 전구 몇 개를 제외하면 아무것도 존재하지 않는 어둠뿐입니다. 이것이 바로 우리 은하의 평균적인 밀도이며, 별과 별 사이에는 상상을 초월하는 공허함이 자리 잡고 있습니다. 칼 세이건의 말처럼 우주에 우리만 있다면 엄청난 공간의 낭비겠지만, 실제 우주는 이미 물질보다 공간이 압도적으로 많은 상태로 존재하고 있습니다. 이러한 광활한 공간의 법칙은 거시 세계뿐만 아니라 원자와 같은 미시 세계에서도 동일하게 발견됩니다. 수소 원자의 경우, 질량의 대부분을 차지하는 원자핵은 전체 크기의 10만 분의 1에 불과할 정도로 작습니다. 만약 원자핵을 운동장 한가운데 놓인 작은 모래알이라고 한다면, 전자는 그로부터 100m나 떨어진 외곽을 돌고 있는 셈입니다. 우리가 만지는 단단한 물체들도 실제로는 그 내부가 텅 비어 있으며, 우리는 물질의 실체가 아닌 원자들 사이의 복잡한 상호작용을 물질의 감촉으로 느끼며 살아가고 있습니다. 태양계와 수소 원자는 구조적으로도 놀라운 유사성을 보입니다. 태양은 태양계 전체 질량의 대부분을 차지하며 중심을 잡고 있고, 원자핵 역시 원자 질량의 거의 전부를 차지하며 중심에 위치합니다. 우주 전체의 밀도를 보더라도 1세제곱미터당 양성자가 단 몇 개에 불과할 정도로 우주는 텅 비어 있습니다. 결국 거대한 은하계부터 작은 원자 하나에 이르기까지, 우주의 본질은 빽빽한 물질이 아니라 끝을 알 수 없는 광대한 공간 그 자체라는 사실을 우리는 이 비유들을 통해 명확히 이해할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

천문학

[COVID-19_talk_10] COVID-19 therapeutics, things are due to atoms_Chaok Seok Professor | 10강

세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질, 핵산, 지질과 같은 분자들의 집합체입니다. 이러한 생명 현상의 핵심은 원자 간의 상호작용, 특히 물과 친한 친수성과 물을 멀리하는 소수성 상호작용에 있습니다. 바이러스 단백질은 소수성 원자들을 안으로 숨기고 친수성 원자들을 겉으로 드러내어 물속에서 특정한 입체 구조를 유지합니다. 이 때문에 바이러스는 비말이나 에어로졸 같은 물방울 형태에서만 안정적으로 존재할 수 있으며, 습도가 높아져 물방울이 무거워지면 지면으로 떨어져 전파력이 낮아지기도 합니다. 치료제의 원리는 바이러스의 특정 단백질에 약물 분자가 강하게 결합하여 그 기능을 마비시키는 데 있습니다. 독감 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질 구멍에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막습니다. 하지만 코로나19 바이러스에는 이와 유사한 단백질이 없기 때문에 타미플루는 효과가 없습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라 역시 코로나19의 프로테아제 단백질과 구조적으로 맞지 않아 기대만큼의 효과를 거두지 못했습니다. 결국 치료제 개발의 핵심은 바이러스 단백질의 정밀한 입체 구조를 파악하는 것입니다. 현재 사용되는 렘데시비르는 바이러스의 RNA 복제 과정을 방해하는 전략을 취합니다. 이 약물은 RNA를 구성하는 분자와 매우 흡사한 모양을 하고 있어, 바이러스의 RNA 중합효소를 속이고 RNA 사슬에 끼어들어 합성을 중단시킵니다. 한편, 많은 연구자가 주목하는 스파이크 단백질은 인간 세포의 수용체와 결합하여 침투의 관문을 여는 역할을 합니다. 이 단백질은 세 개의 동일한 부분이 모여 정삼각형 구조를 이루며, 특정 부분이 위로 올라가는 '업(Up)' 상태가 되었을 때만 인간 세포와 결합할 수 있는 독특한 메커니즘을 가지고 있습니다. 코로나19 바이러스가 사스보다 위협적인 이유는 변이를 통해 결합력과 면역 회피 능력을 동시에 강화했기 때문입니다. 사스와 비교했을 때 코로나19는 스파이크 단백질의 특정 아미노산이 변이되어 인간 수용체인 ACE2와 훨씬 더 강하게 결합합니다. 흥미로운 점은 결합 부위가 노출되는 빈도를 낮추어 인체의 면역 공격을 교묘히 피하면서도, 한 번 결합할 때는 매우 강력하게 달라붙는 전략을 사용한다는 것입니다. 이러한 정밀한 변이는 바이러스가 인간 사회에서 더욱 치명적이고 광범위하게 전파될 수 있는 원동력이 되었습니다. 계산 화학은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 복잡한 단백질 구조와 약물 간의 상호작용을 예측하는 학문입니다. 비록 현재의 예측 정확도가 완벽하지는 않지만, 수백만 개의 후보 물질 중 유망한 것들을 골라내어 실험 비용과 시간을 획기적으로 줄여줍니다. 특히 바이러스는 끊임없이 변이를 일으키므로, 이에 신속하게 대응하기 위해서는 인공지능과 머신러닝을 활용한 계산 화학의 역할이 필수적입니다. 앞으로 계산 화학이 발전한다면 기존 약물의 재창출은 물론, 변종 바이러스에 대비한 차세대 치료제와 백신 설계에 결정적인 기여를 할 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[코로나TALK-10] 코로나시대 빌게이츠가 주목한 분야, 앞으로 노벨상이 유력한 분야_석차옥 교수 | 10강

세상은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질과 핵산 같은 분자들의 집합체입니다. 계산화학자는 실험 가운 대신 컴퓨터를 이용해 이러한 원자 간의 상호작용을 분석합니다. 특히 물 분자와의 관계인 친수성·소수성 상호작용은 바이러스의 형태를 유지하는 핵심적인 힘입니다. 바이러스가 비말이나 에어로졸 상태에서만 생존할 수 있는 이유도 물이 없으면 그 정교한 구조가 무너지기 때문입니다. 이러한 원자 수준의 이해는 치료제 개발의 가장 기초적인 토대가 됩니다. 효과적인 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막는 원리로 작동합니다. 하지만 코로나19에는 타미플루가 효과가 없는데, 이는 유전체 구조상 해당 표적 단백질이 존재하지 않기 때문입니다. 단백질은 아미노산 서열이 3차원 구조로 접히면서 고유한 기능을 갖게 되는데, 약물은 이 구조의 틈새에 정확히 들어맞아야 합니다. 따라서 바이러스마다 다른 단백질 구조를 정확히 파악하는 것이 치료제 설계의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라가 코로나19에 큰 효과를 보지 못한 이유도 단백질 구조의 차이에 있습니다. 두 바이러스 모두 프로테아제를 가지고 있지만, 그 입체적인 모양이 너무나 달라 약물이 제대로 결합하지 못했습니다. 반면 렘데시비르는 RNA 복제 과정을 방해하는 방식으로 어느 정도 성과를 거두었습니다. 바이러스의 RNA 중합효소를 속여 가짜 부품을 끼워 넣음으로써 유전체 합성을 중단시키는 전략입니다. 이처럼 치료제 개발은 원자 단위에서 벌어지는 정교한 속임수와 결합의 싸움입니다. 코로나19 바이러스의 표면에 돋아난 스파이크 단백질은 인간 세포 침투의 첫 관문입니다. 이 단백질의 핵심인 RBD는 평소에는 아래로 향해 면역 체계의 공격을 피하다가, 결합 시에만 위로 올라오는 영리한 전략을 사용합니다. 사스 바이러스와 비교했을 때 코로나19는 RBD의 아미노산 변이를 통해 인간 수용체와 훨씬 더 강하게 결합하도록 진화했습니다. 이러한 구조적 변화와 변이를 원자 수준에서 시뮬레이션하고 예측하는 작업은 변종 바이러스에 대응하기 위한 필수적인 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 현재 컴퓨터를 이용한 구조 예측 기술은 실험적 한계를 보완하며 신약 개발의 속도를 획기적으로 높이고 있습니다. 비록 현재의 정확도가 완벽한 수준은 아니지만, 수백만 개의 후보 물질 중 가능성 있는 것들을 추려냄으로써 막대한 시간과 비용을 절감해 줍니다. 인공지능과 머신러닝 기술의 도입은 이러한 계산화학의 지평을 더욱 넓히고 있습니다. 앞으로 계산화학은 바이러스의 변이를 실시간으로 예측하고, 그에 최적화된 진단제와 치료제를 설계하는 데 있어 인류의 가장 강력한 무기가 될 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[과학을 찾는 사람들] 과학쿠키 1편 : 슈뢰딩거의 질문지 part 1

과학은 흔히 어렵고 지루하다는 편견에 부딪히곤 하지만, 과학 유튜버 과학쿠키는 단순히 재미를 넘어 과학의 본질을 전달하는 데 집중합니다. 특히 물리학처럼 눈에 보이지 않는 추상적인 개념들을 설명할 때, 그는 직접 그린 그림을 활용하여 머릿속의 이미지를 직관적으로 시각화합니다. 이러한 방식은 복잡한 수식이나 이론에 가려진 물리 법칙을 대중이 더 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 낙서처럼 시작된 작은 그림들이 모여 과학의 진입장벽을 낮추고 대중과의 접점을 넓히는 중요한 역할을 수행합니다. 현대 물리학의 거장 알베르트 아인슈타인은 실험보다 사고 실험과 통찰을 통해 우주의 비밀을 예견한 인물입니다. 그는 방대한 지식을 조합하여 인류가 미처 생각지 못한 새로운 이론을 정립했으며, 그가 머릿속에서 계산해낸 결과들은 훗날 실제 실험을 통해 증명되며 전 세계를 놀라게 했습니다. 이론 물리학자로서 그가 느꼈을 지적 쾌감은 현대 과학 문명의 발달을 이끄는 원동력이 되었습니다. 보이지 않는 것을 보는 그의 천재적인 직관은 오늘날까지도 많은 과학도에게 깊은 영감을 주며 과학적 탐구의 가치를 증명하고 있습니다. 리처드 파인만은 과학적 업적만큼이나 교육자로서의 열정으로 존경받는 과학자입니다. 그의 '물리학 강의'는 단순히 지식을 나열하는 것을 넘어, 과학자가 어떤 과정을 거쳐 진리에 도달했는지를 독자가 함께 탐구할 수 있도록 구성되어 있습니다. 복잡한 물리 법칙을 타인에게 이해시키기 위해 쏟은 그의 노력은 빌 게이츠를 비롯한 수많은 이들에게 감동을 주었습니다. 파인만의 사례는 과학이 소수 전문가의 전유물이 아니라, 적절한 설명과 열정만 있다면 누구나 공유할 수 있는 지적 자산임을 보여주며 과학의 대중화에 큰 획을 그었습니다. 양자역학은 인간 지성이 도달한 가장 위대한 승리 중 하나로 꼽힙니다. 비록 확률이라는 개념이 직관적으로 받아들이기 어렵고 수식이 복잡할지라도, 그 본질적인 문장은 매우 철학적이고 명료합니다. 우리는 양자역학의 모든 원리를 완벽히 이해하지 못하더라도 이미 실생활에서 이를 폭넓게 활용하고 있습니다. 스마트폰의 터치패드부터 전자레인지, 현대 문명의 핵심인 반도체에 이르기까지 양자역학이 적용되지 않은 곳을 찾기란 쉽지 않습니다. 이는 미시 세계의 법칙이 거시 세계의 기술 혁신을 이끌어내어 인류의 삶을 근본적으로 변화시킨 결과입니다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 그 원자들의 상호작용을 설명하는 학문이 바로 양자역학입니다. 20세기 초에 정립된 이 이론은 슈뢰딩거의 고양이 실험을 통해 그 기묘한 특성을 잘 보여줍니다. 관찰하기 전까지는 삶과 죽음이 중첩되어 있다는 이 역설적인 사고 실험은 미시 세계의 논리가 우리가 아는 상식과 얼마나 다른지를 시사합니다. 비록 상식적으로는 이해하기 힘든 현상일지라도, 이러한 물리 법칙을 탐구하고 증명해 나가는 과정 자체가 인류가 우주를 이해하기 위해 걸어온 위대한 여정이며 지적 도전이라 할 수 있습니다.

국립과천과학관과학을 찾는👀사람들

물리학

[과학자가 쓴 과학책#2] 불멸의 원자 by이강영 | KAOS X 공원생활 특집

이강영 교수의 저서 '불멸의 원자'는 현대 물리학의 정수를 우아한 문체로 담아낸 과학 에세이집입니다. 저자는 물리학자로서의 전문성을 바탕으로 원자, 쿼크, 힉스 입자 등 최첨단 물리학의 지형을 대중의 눈높이에서 조망합니다. 특히 이 책은 단순히 지식을 전달하는 데 그치지 않고, 과학자들의 삶과 그들이 추구했던 불멸의 꿈을 입체적으로 그려냅니다. 독자들은 어떤 페이지를 펼치더라도 현대 물리학이 밝혀낸 우주의 신비로운 풍광을 마주하며, 과학이라는 학문이 가진 지적인 매력에 깊이 빠져들게 됩니다. 진공에 대한 인류의 탐구는 17세기 마그데부르크 반구 실험을 통해 시각적인 충격을 주며 시작되었습니다. 폰 게리케는 공기를 뺀 구리 공이 서른 마리의 말이 당겨도 떨어지지 않는 모습을 보여줌으로써 진공의 강력한 위력을 증명했습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 원자의 운동을 위해 진공의 존재를 처음 제안한 이래, 아리스토텔레스의 철학과 뉴턴의 절대 공간 개념이 충돌하며 진공의 정의는 끊임없이 진화해 왔습니다. 이는 단순히 비어 있는 공간을 넘어 실재의 본질을 묻는 질문이었습니다. 현대 물리학에서 진공은 단순히 비어 있는 상태가 아니라 가장 낮은 에너지 상태를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물질은 곧 에너지이므로, 진공이 되기 위해서는 모든 물질이 제거되어야 합니다. 하지만 물질이 없다고 해서 완전히 비어 있는 것은 아닙니다. 우주 공간은 빅뱅의 흔적인 우주배경복사라는 빛으로 가득 차 있으며, 우리가 보는 진공은 사실 전자기파에 의해 정의된 상태에 불과합니다. 즉, 진공은 관찰하는 척도에 따라 그 모습이 달라지는 역동적인 공간입니다. 진공의 모습은 자연의 네 가지 기본 힘에 따라 각기 다른 얼굴을 드러냅니다. 중력의 관점에서 진공은 시공간의 휘어짐이 전혀 없는 완벽하게 평평한 상태를 의미하며, 이는 물질과 시공간의 상호작용이 최소화된 지점입니다. 반면 원자핵을 결합하는 강한 핵력의 세계에서 진공은 훨씬 복잡한 수학적 구조를 가집니다. 강한 핵력에 의한 진공은 여러 상태가 존재할 수 있으며, 우리 우주는 그중 가장 간단한 형태의 진공을 선택하고 있는 것으로 보입니다. 이러한 다양성은 진공이 우주의 근본 원리와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 약한 핵력의 영역에 이르면 진공의 개념은 더욱 신비로워집니다. 힉스 입자는 약한 핵력의 진공 상태를 결정하며, 이 과정에서 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 우리가 경험하는 물질 세계의 성질들이 사실은 이 특수한 진공 상태에서 비롯된 결과물인 셈입니다. 결국 마그데부르크 반구 속 비어 있던 공간은 현대 물리학의 눈으로 볼 때 에너지가 요동치고 힘의 법칙이 살아 숨 쉬는 장소였습니다. 진공에 대한 이해의 변화는 우리가 우주를 바라보는 패러다임이 얼마나 깊고 넓어졌는지를 잘 보여줍니다.

이강영

카오스재단읽다과학

물리학

[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

[2019전국과학송경연대회] (중등) 기도, The elements

과학은 많은 학생들에게 높은 벽처럼 느껴지곤 합니다. 특히 복잡한 원소 기호와 화학 반응식을 마주할 때면 막막함과 두려움이 앞서기 마련입니다. 하지만 과학을 단순히 암기해야 할 과목이 아니라, 우리 주변의 세상을 이해하는 도구로 받아들인다면 이야기는 달라집니다. 어려운 이론도 리듬과 멜로디에 실어 즐겁게 학습하다 보면, 어느덧 과학은 기피의 대상이 아닌 흥미로운 탐구의 영역으로 변모하게 됩니다. 물질의 근본을 이해하기 위해서는 원소, 원자, 분자의 개념을 명확히 구분하는 것이 중요합니다. 원소는 더 이상 나누어지지 않는 물질의 기본 성분을 의미하며, 세상의 모든 만물을 구성하는 기초가 됩니다. 원자는 이러한 원소를 구성하는 가장 작은 입자이며, 분자는 물질의 고유한 성질을 유지하는 가장 작은 입자입니다. 이들의 관계를 명확히 정립하는 것이 화학 공부의 첫걸음이자, 복잡한 화학 현상을 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 전하를 띤 입자인 이온의 세계 또한 흥미롭습니다. 중성 상태의 원자가 전자를 얻거나 잃으면서 양이온과 음이온으로 변하게 되는데, 이들은 서로 강하게 끌어당기며 새로운 물질을 만들어냅니다. 특히 특정한 양이온과 음이온이 만나 물에 녹지 않는 고체를 형성하는 과정을 앙금 생성 반응이라 합니다. 이러한 반응은 우리 눈으로 직접 확인할 수 있는 화학적 변화의 대표적인 사례로, 이론으로만 배우던 과학을 시각적으로 경험하게 해줍니다. 많은 이들이 과학을 어렵게 느끼는 이유는 추상적인 개념들이 한꺼번에 쏟아지기 때문입니다. 그러나 차근차근 원리를 파악하고 나면, 흩어져 있던 지식들이 하나의 체계로 연결되는 즐거움을 맛볼 수 있습니다. 시험 점수에 일희일비하기보다는 과학적 사고방식을 기르는 데 집중한다면, 어느 순간 스스로의 실력이 몰라보게 향상된 것을 발견하게 될 것입니다. 포기하지 않고 도전하는 자세야말로 학문적 성취를 이루는 가장 확실한 방법입니다. 결국 과학 공부의 목적은 정답을 맞히는 것을 넘어, 우리가 사는 세상을 더 깊이 있게 바라보는 데 있습니다. 원소 하나하나가 모여 거대한 우주를 이루듯, 작은 지식들이 쌓여 세상을 보는 넓은 시야를 만들어줍니다. 어렵게만 느껴졌던 학문이 친숙하게 다가오는 순간, 학습은 더 이상 고통이 아닌 새로운 발견의 기쁨이 됩니다. 자신감을 가지고 탐구의 세계에 발을 내디딘다면, 누구나 기대 이상의 놀라운 성취를 거둘 수 있을 것입니다.

국립과천과학관공모전&대회🎉

화학

[강연] 전기와 자기가 만났을 때: 자석에 전류를 흘리면? _ by김갑진｜2019 가을 강연 '도대체 都大體' | 4강

인류 문명의 발전은 전기를 다루기 시작하면서 비약적인 도약을 이루었습니다. 고대 그리스의 탈레스가 호박을 문질러 정전기를 발견한 이래, 인류는 보이지 않는 힘의 실체를 파악하기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 19세기 볼타 전지 발명과 패러데이 전자기 유도 법칙은 현대 문명을 지탱하는 전력 시스템의 근간이 되었습니다. 전기와 자기는 단순한 자연 현상을 넘어, 오늘날 우리가 사용하는 스마트폰부터 자동차에 이르기까지 모든 전자기기의 작동 원리를 제공하며 현대인의 삶과 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 요소로 자리 잡았습니다. 맥스웰은 흩어져 있던 전기와 자기의 법칙들을 맥스웰 방정식으로 통합하며 물리학의 거대한 이정표를 세웠습니다. 그의 이론에 따르면 전기장은 자기장을 만들고, 변화하는 자기장은 다시 전기장을 유도하며 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 이러한 상호작용은 전자기파라는 형태로 공간을 가로질러 빛의 속도로 전달되며, 우리가 보는 빛 또한 전자기파의 일종임을 밝혀냈습니다. 맥스웰 방정식은 세상의 모든 전자기적 현상을 단 네 줄의 수식으로 설명할 수 있음을 보여주었으며, 이는 현대 물리학이 추구하는 대통합 이론의 선구적인 모델이 되었습니다. 아인슈타인은 상대성 이론을 통해 전기와 자기가 관찰자의 운동 상태에 따라 다르게 보일 뿐, 본질적으로 같은 현상임을 증명했습니다. 정지한 관찰자에게는 전기장으로 보이는 것이 움직이는 관찰자에게는 자기장으로 느껴질 수 있다는 사실은 물리 법칙의 보편성을 새롭게 정의했습니다. 이는 자기력이 전기력의 상대론적 효과에 불과하다는 혁신적인 통찰을 제공했습니다. 아인슈타인의 이러한 시각은 전기와 자기를 개별적인 힘이 아닌 전자기력이라는 하나의 통합된 실체로 이해하게 만들었으며, 현대 전자기학의 철학적 토대를 더욱 공고히 다졌습니다. 전기와 자기의 근원을 추적하면 원자 속의 전자와 마주하게 됩니다. 전자는 음의 전하를 띠고 흐르며 전류를 만들 뿐만 아니라, 스핀이라는 고유한 물리량을 통해 자성을 나타냅니다. 스핀은 전자가 스스로 회전하는 것과 유사한 성질을 지니며, 이로 인해 모든 전자는 아주 작은 자석과 같은 역할을 수행합니다. 원자 내 전자들이 특정 방향으로 정렬될 때 비로소 우리가 아는 자석의 힘이 나타나게 됩니다. 결국 우리 주변의 모든 물질은 미시적인 수준에서 끊임없이 회전하고 정렬하는 전자들의 스핀 상호작용에 의해 그 성질이 결정되는 셈입니다. 2007년 노벨 물리학상을 안겨준 거대 자기저항(GMR) 효과의 발견은 전자의 전하뿐만 아니라 스핀을 정보 처리에 활용하는 스핀트로닉스 시대를 열었습니다. 자성체의 정렬 방향에 따라 전자의 흐름이 바뀌는 이 현상은 하드디스크의 기록 밀도를 획기적으로 높이는 데 결정적인 기여를 했습니다. 기존의 전자공학이 전자의 흐름만을 제어했다면, 스핀트로닉스는 전자의 회전 방향까지 조절함으로써 더 빠르고 효율적인 정보 저장을 가능케 했습니다. 이는 현대 정보화 사회에서 폭발적으로 증가하는 데이터를 저장하고 처리하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 최근의 스핀트로닉스 연구는 전류뿐만 아니라 열이나 빛, 심지어 물체의 회전을 통해서도 스핀을 제어하는 단계에 이르렀습니다. 온도 차이를 이용해 스핀의 흐름을 만드는 스핀 제베크 효과나, 전자가 이동하며 스핀 방향에 따라 휘어지는 스핀 홀 효과 등은 물리계의 신비로운 현상들을 보여줍니다. 특히 나노 기술의 발전으로 원자 층 단위에서 스핀을 조절할 수 있게 되면서, 이론적으로만 존재하던 현상들이 실험적으로 증명되고 있습니다. 이러한 발견들은 전기와 자기가 만났을 때 발생하는 무궁무진한 가능성을 시사하며 차세대 소자 개발의 밑거름이 되고 있습니다. 4차 산업혁명 시대의 핵심 자산인 데이터를 유지하기 위해서는 막대한 에너지가 소모됩니다. 스핀트로닉스는 전하의 이동 없이 스핀의 정보만을 전달함으로써 열 발생을 최소화하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 나노 자석을 이용한 초저전력 메모리 기술은 미래의 데이터 센터와 인공지능 연산 장치의 에너지 문제를 해결할 열쇠로 주목받고 있습니다. 보이지 않는 작은 스핀에 대한 탐구는 단순한 호기심을 넘어 인류의 지속 가능한 발전을 위한 기술적 혁신으로 이어지며, 미래 과학의 새로운 지평을 넓혀가고 있습니다.

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 물질에서 생명으로의 변신 by김상욱 | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기' 변신 (2) | 2부

우주의 탄생과 초신성의 폭발을 거쳐 만들어진 원소들은 주기율표라는 질서정연한 체계를 이룹니다. 이 원소들은 마치 레고 블록처럼 서로 결합하여 물이나 소금 같은 새로운 물질을 만들어내며, 더 나아가 생명이라는 정교한 작품을 탄생시킵니다. 물리학적 관점에서 생명은 결국 원자들의 변신과 조합으로 이루어진 결과물입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 아주 오래전 별의 내부에서 만들어져 지구로 온 것이기에, 우리는 모두 별에서 온 후예라고 할 수 있습니다. 물리학자가 생명을 이야기하는 것은 낯설게 느껴질 수 있지만, 양자물리학의 거장 슈뢰딩거는 이미 1944년에 '생명이란 무엇인가'라는 질문을 던졌습니다. 생명체 또한 원자로 구성되어 있기에 그 본질을 이해하려면 원자의 세계를 들여다보아야 합니다. 생명은 우주에서 가장 흔한 원소들인 수소, 탄소, 질소, 산소로 이루어져 있습니다. 이는 생명이 우주의 보편적인 질서 속에서 탄생했음을 의미하며, 물리학적 법칙을 통해 생명의 신비를 풀어낼 수 있는 근거가 됩니다. 우리 몸의 97%를 차지하는 네 가지 원소는 각기 독특한 역할을 수행합니다. 수소는 가장 단순하면서도 풍부한 원소로 에너지를 만드는 핵심 역할을 하며, 탄소는 네 개의 팔을 이용해 복잡한 유기물의 뼈대를 형성합니다. 질소는 생명 현상의 병목 구간을 담당하고, 산소는 전자를 강력하게 끌어당기는 성질을 통해 생명 활동에 필요한 에너지를 방출하게 합니다. 이러한 원소들의 화학적 결합과 상호작용이 모여 비로소 살아 움직이는 생명체의 기초가 마련되는 것입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주의 무질서도는 항상 증가하지만, 생명체는 에너지를 사용하여 자신의 질서를 유지합니다. 생명은 외부에서 에너지를 받아들여 끊임없이 자신을 보수하고 정돈하는 과정을 거칩니다. 우리가 숨을 쉬는 호흡 과정은 사실 세포 수준에서 일어나는 '천천히 타오르는 연소'와 같습니다. 산소가 전자를 가져오며 발생하는 에너지는 생명체가 무질서로 향하는 자연의 흐름을 거스르고 고유한 질서를 유지할 수 있게 해주는 원동력이 됩니다. 세포 내부에서 벌어지는 복잡한 화학 반응들은 누군가의 지시가 아닌, 분자들의 무작위적인 움직임과 충돌을 통해 일어납니다. 물속에서 엄청난 속도로 움직이는 분자들은 적절한 시기에 서로를 만나 반응을 일으키며 생명 활동을 이어갑니다. 이는 마치 수많은 망치가 공중에 날아다니다가 필요할 때 손에 잡히는 것과 같은 확률적인 과정입니다. 따라서 생명체는 영양분을 섭취하여 분자의 농도를 유지하고, 적절한 체온을 유지함으로써 이러한 분자들의 운동을 활발하게 만들어야 합니다. 최초의 생명체는 에너지를 스스로 만들기 어려운 환경에서 탄생했을 가능성이 큽니다. 심해의 열수 분출구는 수소 이온 농도 차이가 자연적으로 존재하여 외부의 도움 없이도 에너지를 공급받을 수 있는 최적의 장소였습니다. 이곳의 작은 기포들은 오늘날 세포의 크기와 유사하며, 초기 생명체가 에너지를 얻고 복제를 시작할 수 있는 요람이 되어주었습니다. 생명은 이처럼 척박해 보이는 환경에서도 물리학적인 에너지 구배를 활용하여 그 위대한 첫걸음을 내디뎠을 것으로 추정됩니다. 생명의 또 다른 본질인 복제는 DNA라는 정교한 정보 체계를 통해 이루어집니다. DNA는 원자 수준에서 정보를 저장하며, 10억 개당 단 하나의 오류만을 허용할 정도로 놀라운 정확성을 자랑합니다. 이러한 복제 시스템은 완벽을 지향하지만, 때때로 발생하는 변이는 생명체가 환경에 적응하며 다양성을 확보하는 계기가 됩니다. 결국 생명은 원자로 만들어진 정교한 화학 기계이며, 물리 법칙에 따라 자기를 유지하고 복제하며 진화해 온 우주의 경이로운 결과물이라고 할 수 있습니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 물질의 기원 - 빅뱅에서 희토류까지 _ by윤성철｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 3강 | 3강

우리 존재의 근원은 무엇일까요? 흔히 정신이나 이데아 같은 추상적인 가치를 숭고하게 여기지만, 사실 우리의 본질을 결정하는 것은 물질입니다. 우리가 느끼는 사랑, 기쁨, 슬픔과 같은 감정조차도 결국 원자와 분자의 정교한 상호작용이 만들어낸 결과물입니다. 현대 과학은 우주의 모든 현상을 입자의 운동으로 설명하며, 인류 문명의 발전 역시 청동과 철, 반도체와 같은 물질의 발견과 궤를 같이해 왔습니다. 따라서 물질의 기원을 탐구하는 여정은 곧 '우리는 어디에서 왔는가'라는 궁극적인 질문에 답을 찾아가는 과정이라고 할 수 있습니다. 우주는 정지해 있지 않고 끊임없이 운동하며 변화합니다. 20세기 초, 허블과 르메트르는 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 사실을 발견하며 우주 팽창의 시대를 열었습니다. 시간을 거꾸로 돌리면 우주의 모든 질량은 하나의 점으로 수렴하게 되는데, 이를 '원시 원자'라고 부릅니다. 초기 우주는 상상할 수 없을 만큼 뜨겁고 밀도가 높았으며, 빛과 입자가 서로 뒤섞인 수프와 같은 상태였습니다. 이러한 역동적인 시작은 우주가 영원불변할 것이라는 과거의 믿음을 깨뜨리고, 물질이 탄생할 수 있는 시공간적 배경을 마련해 주었습니다. 빅뱅 직후의 짧은 순간 동안 우주에서는 최초의 핵합성이 일어났습니다. 조지 가모프와 그의 동료들은 초기 우주의 높은 온도와 밀도 속에서 수소와 헬륨이 만들어지는 과정을 이론적으로 규명했습니다. 하지만 빅뱅에 의한 핵합성은 단 3분이라는 짧은 시간 동안만 허용되었습니다. 우주가 급격히 팽창하며 온도가 낮아졌기 때문입니다. 이로 인해 우주에는 수소와 헬륨만이 압도적인 비율로 존재하게 되었고, 탄소나 철과 같이 더 무거운 원소들이 만들어지기 위해서는 별이라는 거대한 용광로가 등장할 때까지 오랜 기다림이 필요했습니다. 별의 내부에서는 수소를 헬륨으로, 다시 헬륨을 더 무거운 원소로 바꾸는 연금술이 펼쳐집니다. 특히 생명의 근간이 되는 탄소의 탄생은 매우 극적인 과정을 거칩니다. 프레드 호일은 세 개의 헬륨 핵이 동시에 충돌하여 탄소가 되는 '3중 알파 반응'을 설명하며, 탄소 원자가 가진 특수한 공명 에너지 준위 덕분에 우리가 존재할 수 있음을 밝혀냈습니다. 만약 탄소 핵의 공명 에너지 준위가 조금만 달랐더라도 우주에는 생명체가 존재할 수 없었을 것입니다. 이처럼 별은 자신의 몸을 태워 산소, 질소, 규소 등 문명과 생명에 필요한 원소들을 차곡차곡 만들어냈습니다. 철보다 무거운 금이나 백금, 희토류 같은 원소들은 일반적인 별의 진화 과정만으로는 설명하기 어렵습니다. 철은 원자핵 중 가장 안정한 상태이기에 더 이상의 핵융합이 자발적으로 일어나지 않기 때문입니다. 이러한 귀금속들은 초신성 폭발이나 중성자별의 충돌과 같은 우주의 가장 격렬한 사건을 통해 탄생합니다. 특히 최근 관측된 중성자별의 충돌 현상인 '킬로노바'는 엄청난 양의 중성자를 방출하며 금과 같은 무거운 원소들을 우주로 흩뿌리는 현장을 확인시켜 주었습니다. 우리가 소중히 여기는 보석들은 사실 우주의 거대한 폭발이 남긴 흔적인 셈입니다. 우주는 별의 탄생과 죽음을 통해 물질을 끊임없이 순환시킵니다. 늙은 별이 폭발하며 내뿜은 중원소들은 우주 공간의 가스 구름과 섞여 다음 세대의 별과 행성을 만드는 재료가 됩니다. 시간이 흐를수록 우주에는 수소와 헬륨 이외의 무거운 원소 함량이 높아지며, 이는 생명체가 탄생할 확률이 점점 커졌음을 의미합니다. 우리 태양계 역시 이전 세대 별들이 남긴 유산을 물려받아 형성되었습니다. 우주의 역사는 단순히 시간이 흐르는 과정이 아니라, 복잡하고 정교한 물질들이 축적되어 생명의 가능성을 넓혀온 진화의 기록이라고 볼 수 있습니다. 우리가 마시는 물 한 잔에는 빅뱅의 수소와 별의 산소가 공존하고 있습니다. 우리 몸속을 흐르는 피의 철분과 DNA의 탄소 역시 수십억 년 전 어느 이름 모를 별의 내부에서 만들어진 것입니다. 우리는 10억 분의 1이라는 미세한 비대칭을 뚫고 살아남은 입자들의 후예이며, 우주의 모든 역사를 몸소 체현하고 있는 귀한 존재입니다. 비록 인간의 삶은 우주의 시간에 비하면 찰나에 불과하지만, 우리를 구성하는 원자 하나하나에는 우주의 시작부터 현재까지 이어진 장대한 서사가 담겨 있습니다. 우리는 모두 별에서 온 아이들이며, 그 자체로 우주의 신비를 품고 있습니다.

윤성철

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

[석학인터뷰]김상욱_ 생명은 생화학 기계다! | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기'

과학 대중화 활동의 시작은 이공계 위기 극복이라는 실용적인 목적에서 비롯되었습니다. 초기에는 학생들이 과학과 수학에 친숙해지기를 바라는 마음으로 시간을 쪼개어 활동했지만, 시간이 흐르며 그 목적은 점차 사회적 가치로 확장되었습니다. 우리 사회가 겪은 여러 위기를 목격하며 합리적 사고의 중요성을 절감하게 된 것입니다. 합리적 사고가 사회 전반에 뿌리내린다면 더 나은 세상을 만들 수 있다는 믿음이 생겼고, 이는 곧 더 활발한 저술과 소통으로 이어지는 원동력이 되었습니다. 대중과의 소통은 과학자로서의 시야를 넓히는 계기가 되었습니다. 대학원 시절까지는 전공 지식에 매몰되어 일반적 수준의 문화 예술을 향유하는 데 그쳤으나, 다양한 사람들과 교류하며 인문학적 소양의 필요성을 깊이 체감했습니다. 과학 지식만으로는 설명하기 어려운 삶의 여러 국면을 마주하며 틈틈이 책을 읽고 공부하는 시간을 가졌습니다. 이러한 노력은 과학을 단순한 지식이 아닌 하나의 문화적 소양으로 전달하는 데 큰 밑거름이 되었으며, 소통의 즐거움과 보람을 일깨워 주었습니다. 과학의 본질은 합리성에 있지만, 그것이 과학만의 전유물은 아닙니다. 철학 역시 오랜 역사 동안 논리적이고 합리적 체계를 구축해 왔으며, 과학은 넓은 의미에서 철학의 한 부분이라 할 수 있습니다. 다만 과학이 철학이나 수학과 구별되는 결정적인 지점은 반드시 물질적 증거에 기반한다는 사실입니다. 아무리 논리적 가설이라도 실제 관측과 실험을 통해 증명되지 않으면 과학적 사실로 인정받기 어렵습니다. 이러한 엄격한 물질적 증거 중심의 사고방식이야말로 과학이 지닌 독특한 합리성의 핵심입니다. 현대 과학이 직면한 가장 거대한 질문 중 하나는 바로 생명의 기원입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 주변의 무생물과 다를 바 없는 물질이지만, 특정한 방식으로 조합되었을 때 비로소 생명이라는 경이로운 현상을 일으킵니다. 왜 하필 이러한 조합이 생명력을 갖게 되는지에 대해 인류는 아직 명확한 답을 찾지 못했습니다. 여러 가설과 추론이 존재할 뿐, 원자가 생명으로 변모하는 구체적인 과정은 여전히 풀리지 않은 수수께끼로 남아 있습니다. 이는 과학자들이 끊임없이 탐구해야 할 미지의 영역입니다. 물리학자의 시선으로 바라보는 생명은 생물학자의 관점과는 또 다른 통찰을 제공합니다. 양자역학의 거장 에르빈 슈뢰딩거가 '생명이란 무엇인가'를 통해 DNA 구조 발견의 단초를 제공했듯이, 물리학적 접근은 생명의 신비를 푸는 새로운 열쇠가 될 수 있습니다. 비록 타 분야에 대한 도전이 실수를 동반할지라도, 원자 단위에서 생존과 번식을 수행하는 생화학 기계로서의 생명을 탐구하는 과정은 그 자체로 가치가 있습니다. 이러한 시도는 우리가 세상을 이해하는 방식을 확장하고 새로운 지적 지평을 열어줄 것입니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 세상을 만드는 원자는 동그랄까, 길쭉할까, 우글쭈글할까? _ by이영민｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 2강 | 2강 ①

양자역학은 우리가 눈으로 보는 거시 세계와는 전혀 다른 미시 세계의 법칙을 다룹니다. 흔히 양자역학이라고 하면 불연속성이나 불확정성 같은 개념을 떠올리며 어렵게 느끼곤 하지만, 이는 단순히 무작위적인 현상을 말하는 것이 아닙니다. 슈뢰딩거 방정식을 통해 도출되는 파동 함수는 입자가 존재할 수 있는 영역을 수학적인 확률로 보여주며, 이를 통해 물질의 근본적인 성질을 규명합니다. 이러한 양자역학적 관점은 현대 화학이 원자와 분자의 상호작용을 이해하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 불확정성 원리는 측정이 부정확하다는 한계를 말하는 것이 아니라, 입자의 위치와 운동량이 파동 함수의 형태에 의해 본질적으로 연결되어 있음을 시사합니다. 파동 함수가 특정 지점에 집중될수록 위치는 명확해지지만 운동량의 범위는 넓어지며, 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이는 입자가 어느 한 곳에 고정된 것이 아니라 공간상에 넓게 퍼져 존재할 수 있음을 의미합니다. 따라서 양자역학은 확률이라는 언어를 빌려 미시 세계의 역동적인 질서를 가장 정교하게 기술하는 방법론이라 할 수 있습니다. 원자의 모양에 대한 질문은 양자역학에서 매우 흥미로운 주제입니다. 수소 원자의 경우 가장 안정한 상태에서는 구형의 대칭적인 모습을 띠지만, 외부에서 빛과 같은 에너지를 가해 전자의 상태를 변화시키면 길쭉하거나 우글쭈글한 다양한 형태로 변할 수 있습니다. 즉, 원자의 모양은 고정된 실체가 아니라 전자가 처한 에너지 상태와 파동 함수의 결합 방식에 따라 결정되는 역동적인 결과물입니다. 이러한 이해는 원자들이 어떻게 서로 결합하여 복합한 분자를 형성하는지 설명하는 출발점이 됩니다. 분자의 형성은 원자들이 서로 다가가 에너지가 가장 낮은, 즉 가장 안정한 상태를 찾아가는 과정입니다. 원자핵 사이의 거리가 적절히 유지될 때 전자들은 두 핵 사이를 공유하며 결합을 형성하는데, 이는 마치 견우와 직녀가 까마귀 다리를 밟고 만나는 오작교의 원리와 비슷합니다. 너무 멀면 결합이 일어나지 않고 너무 가까우면 핵끼리의 반발력으로 인해 불안정해지므로, 분자는 전자의 분포가 만들어내는 가장 '행복한 거리'에서 그 고유한 구조를 유지하게 됩니다. 우리가 실제로 관측하는 분자의 모양은 원자핵의 위치보다는 전자의 분포에 의해 결정됩니다. X선 산란 실험 등을 통해 분자를 들여다보면, 전자가 밀집된 영역이 분자의 실질적인 외형을 형성하고 있음을 알 수 있습니다. 예를 들어 물 분자와 나트륨 이온은 전자 수가 같아 겉모습이 비슷하게 보일 수 있는데, 이는 화학적 성질을 결정하는 핵심 요소가 바로 전자의 배치에 있음을 보여줍니다. 결국 분자의 세계에서 형태란 전자가 그리는 확률의 지도와 같습니다. 화학 반응은 본질적으로 결합의 재구성이며, 이는 에너지를 통해 전자의 분포를 변화시킴으로써 일어납니다. 빛이나 열을 가하면 안정한 상태에 있던 전자가 불안정한 상태로 전이되면서 기존의 결합이 끊어지고 새로운 구조가 만들어집니다. 자외선이 인체에 해로운 이유도 강한 에너지를 가진 빛 입자가 DNA 속의 전자 배치를 강제로 바꾸어 화학적 변형을 일으키기 때문입니다. 이처럼 에너지가 물질과 상호작용하며 변화를 이끌어내는 과정이 화학의 역동성을 상징합니다. 현대 사회에서 '화학 물질'이라는 단어는 종종 공포의 대상이 되곤 하지만, 사실 우리 주변의 모든 물질은 화학적 원리로 이루어져 있습니다. 천연물이라고 해서 무조건 안전하고 합성물이라고 해서 위험하다는 이분법적 사고는 과학적 사실과 거리가 멍니다. 물조차도 과도하게 섭취하면 치명적일 수 있듯이, 중요한 것은 물질의 본질이 화학적이냐 아니냐가 아니라 그 독성과 위험성을 어떻게 관리하느냐에 있습니다. 과학적 이해를 바탕으로 물질을 바라볼 때 우리는 비로소 막연한 불안감에서 벗어낼 수 있습니다.

박재우, 이영민

카오스재단카오스강연

화학

[강연] H ψ = E ψ _김상욱 교수_3강 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리' | 1강 ③

20세기 현대 물리학의 여정은 전자기학이라는 새로운 학문을 탐구하며 시작되었습니다. 맥스웰이 전자기파를 예측하고 헤르츠가 이를 실험으로 증명하면서 인류는 무선 통신의 시대를 맞이했습니다. 당시 과학자들은 빛이 파동이라는 사실을 확신하며 이를 바탕으로 세상을 이해하려 노력했습니다. 하지만 이러한 확신은 곧 거대한 혁명의 파도에 직면하게 됩니다. 전자기학의 발전은 단순히 기술적 진보에 그치지 않고, 물질의 근본을 파헤치는 양자역학이라는 새로운 문을 여는 열쇠가 되었습니다. 1905년 아인슈타인은 빛이 입자일지도 모른다는 파격적인 가설을 제시하며 광전 효과를 설명했습니다. 당시 물리학계는 빛을 파동으로 정의하고 있었기에, 뉴턴의 고전적인 입자설을 다시 꺼내든 그의 주장은 엄청난 용기가 필요한 일이었습니다. 아인슈타인은 빛의 에너지가 양자화된 덩어리인 광자로 이루어져 있다고 보았으며, 이는 훗날 노벨 물리학상의 영예를 안겨주었습니다. 이 발견은 고전 역학의 틀을 흔들기 시작했고, 빛의 이중성이라는 현대 물리학의 핵심 개념으로 나아가는 중요한 이정표가 되었습니다. 원자의 내부 구조를 밝히려는 노력은 러더퍼드의 알파 입자 산란 실험을 통해 결실을 맺었습니다. 그는 금박에 알파 입자를 쏘아 보내는 실험을 통해 원자의 중심에 아주 작고 단단한 핵이 존재한다는 사실을 발견했습니다. 이는 원자가 텅 비어 있으며 대부분의 질량이 핵에 집중되어 있다는 현대적 원자 모형의 기초가 되었습니다. 하지만 전자가 핵 주위를 도는 태양계 모델은 전자기학적으로 불안정하여 곧 붕괴해야 한다는 모순에 부딪혔습니다. 이 난제를 해결하기 위해 물리학자들은 고전 역학과는 전혀 다른 새로운 규칙을 찾아야만 했습니다. 닐스 보어는 전자가 정해진 궤도에서만 존재하며, 궤도를 이동할 때만 에너지를 흡수하거나 방출한다는 '정상 상태' 개념을 도입했습니다. 이는 원자가 왜 붕괴하지 않고 안정적으로 유지되는지를 설명하는 획기적인 가정이었습니다. 보어의 모형은 수소 원자의 스펙트럼을 완벽하게 설명해냈지만, 왜 전자가 특정 궤도에만 머물러야 하는지에 대한 근본적인 이유는 여전히 베일에 싸여 있었습니다. 이후 드브로이가 전자를 파동으로 바라보는 물질파 이론을 제안하면서, 원자 세계를 이해하는 시각은 입자에서 파동으로 다시 한번 확장되었습니다. 1920년대 중반, 하이젠베르크와 슈뢰딩거는 각각 행렬 역학과 파동 역학이라는 서로 다른 수학적 체계를 통해 양자역학을 완성했습니다. 하이젠베르크는 관측 가능한 양들 사이의 관계에 집중하여 불연속적인 변화를 설명했고, 슈뢰딩거는 전자의 파동적 성질을 기술하는 방정식을 세웠습니다. 겉보기에 전혀 달라 보였던 두 이론은 수학적으로 동일함이 증명되었으며, 이를 통해 물리학자들은 미시 세계를 정밀하게 계산할 수 있는 강력한 도구를 갖게 되었습니다. 이는 인류가 자연을 바라보는 방식이 연속성에서 불연속성으로 전환된 역사적 사건이었습니다. 막스 보른은 슈뢰딩거의 파동 함수를 확률적으로 해석하며 결정론적 세계관에 종지부를 찍었습니다. 전자의 위치는 확정된 것이 아니라 확률적으로만 존재하며, 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 위치와 운동량을 동시에 정확히 아는 것은 불가능함이 밝혀졌습니다. 측정 과정에서 발생하는 비결정론적 특성은 객관적 실재를 믿었던 아인슈타인과 같은 과학자들에게 큰 충격을 주었습니다. "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"는 아인슈타인의 반박에도 불구하고, 양자역학은 실험적 증명을 통해 현대 과학의 가장 견고한 토대로 자리 잡았습니다. 양자역학은 단순히 이론에 머물지 않고 현대 문명의 모습을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 반도체의 원리를 규명하여 컴퓨터와 스마트폰의 시대를 열었으며, 화학 결합의 본질을 이해하게 함으로써 분자 생물학과 신소재 공학의 발전을 이끌었습니다. 우리 몸을 이루는 탄소 결합부터 우주의 별들이 내뿜는 빛에 이르기까지, 양자역학이 설명하지 못하는 영역은 거의 없습니다. 비록 미시 세계와 거시 세계를 잇는 통합의 과제가 남아 있지만, 양자역학은 여전히 우리가 우주의 신비를 풀어나가는 데 있어 가장 강력하고 아름다운 언어로 기능하고 있습니다.

김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] 분자사용설명서 (1) _ 김지환 교수 | 2017 겨울 카오스 마스터 클래스 2017 겨울 카오스 마스터클래스 '화학' | 1강

화학은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 대중에게는 종종 위험하거나 난해한 학문으로 인식되곤 합니다. 많은 이들이 화학을 단순히 주기율표를 외우거나 실험실에서 물질을 섞는 요리와 같은 과정으로 생각하지만, 실제 화학자가 바라보는 세계는 훨씬 더 광범위하고 정교합니다. 화학은 단순히 유해물질을 다루는 학문이 아니라, 지구상의 모든 물질이 어떻게 구성되고 변하는지를 탐구하는 기초과학의 핵심입니다. 이러한 오해를 넘어 화학의 진정한 가치를 이해하는 것이 현대과학을 바라보는 첫걸음이 될 것입니다. 화학이 중요한 이유는 그것이 막대한 경제적 가치를 창출하는 첨단산업의 근간이기 때문입니다. 물리학이 하나의 방정식으로 세상을 정의하려 노력한다면, 화학은 수많은 분자가 얽힌 복잡한 시스템을 이해하기 위해 수만 개의 방정식을 동시에 풀어내는 과정을 거칩니다. 분자의 크기가 커질수록 물리 법칙만으로는 설명하기 어려운 영역이 나타나며, 화학자들은 이를 통해 새로운 물질의 특성을 규명합니다. 이는 기초과학으로서의 역할뿐만 아니라 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 실용적인 해결책을 제시하는 과정이기도 합니다. 현대 화학 연구의 핵심은 '3M 원칙'이라 불리는 세 가지 원칙, 즉 합성(Make), 측정(Measure), 모델링(Model)으로 요약할 수 있습니다. 과거의 화학이 단순히 새로운 물질을 만들어내는 요리에 가까웠다면, 오늘날에는 만들어진 물질의 특성을 정밀하게 분석하고, 실험이 불가능한 영역은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측합니다. 이러한 체계적인 접근 방식을 통해 화학자들은 보이지 않는 미시세계의 법칙을 현실의 기술로 구현해냅니다. 이는 단순한 실험을 넘어 논리적 추론과 첨단기술이 결합된 고도의 지적 활동입니다. 화학 연구의 대부분은 분자의 구조와 그에 따른 반응성을 탐구하는 데 집중되어 있습니다. 분자는 그 구조가 어떻게 생겼느냐에 따라 성질과 활동 방식이 결정되는데, 이를 '분자공학'의 관점에서 설계하고 조절하는 것이 핵심입니다. 예를 들어 신약개발 과정에서는 수만 개의 후보 물질 중 최적의 구조를 찾아내기 위해 15년 이상의 긴 시간을 투자하기도 합니다. 또한 디스플레이나 배터리 분야에서도 원하는 색상이나 효율을 얻기 위해 분자 구조를 미세하게 조정하며, 이러한 노력은 우리 삶을 바꾸는 혁신적인 제품들로 이어집니다. 분자가 형성되는 과정을 이해하기 위해서는 두 가지 핵심적인 물리 법칙인 쿨롱 법칙과 에너지 안정성 원리를 알아야 합니다. 양전하와 음전하가 서로 끌어당기는 힘은 원자와 분자를 결합시키는 근본적인 동력이 되며, 모든 물질은 에너지가 높은 불안정한 상태에서 에너지가 낮은 안정한 상태로 변하려는 성질을 가집니다. 화학자들은 이러한 자연의 섭리를 바탕으로 물질의 자발적인 변화를 예측하고 제어합니다. 복잡해 보이는 화학 반응의 이면에는 이처럼 단순하고 명쾌한 물리적 원리가 굳건히 자리 잡고 있는 것입니다. 원자의 내부를 들여다보면 양성자와 중성자로 이루어진 핵, 그리고 그 주위를 도는 전자가 존재합니다. 과거에는 전자가 행성처럼 일정한 궤도를 따라 움직인다고 생각했지만, 현대물리학과 현대화학은 이를 '전자 구름'인 오비탈로 설명합니다. 아주 작은 미시세계의 입자들은 고전역학의 지배를 받는 것이 아니라 양자역학의 지배를 받기 때문에, 전자의 위치를 정확히 알 수 없고 오직 확률적으로만 예측할 수 있습니다. 이러한 양자역학적 이해는 화학이 단순한 물질의 조합을 넘어 우주의 근본 원리를 탐구하는 학문임을 보여줍니다. 오늘날의 화학은 벤젠 고리와 같은 단순한 분자 구조를 넘어 그래핀, 리튬 배터리, 생체 분자 등 거대하고 복잡한 영역으로 확장되고 있습니다. 에너지 문제 해결부터 난치병 치료를 위한 신약설계에 이르기까지, 화학자의 시선은 인류가 직면한 거대 담론들을 향해 있습니다. 식물을 키우며 생명 현상을 연구하거나 새로운 에너지저장장치를 개발하는 등 화학의 경계는 이미 다른 학문들과 밀접하게 융합되어 있습니다. 결국 화학은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에서 시작해 가장 큰 변화를 이끌어내는 학문이라 할 수 있습니다.

김지환

카오스재단마스터클래스

화학

[카오스 술술과학] 만물의 기원(수정본)

빅뱅 직후의 초기 우주는 우리가 상상할 수 있는 물질이 전혀 존재하지 않는 상태였습니다. 무한히 작은 공간에 무한대에 가까운 에너지만이 응축되어 있었으며, 그 온도는 상상할 수 없을 만큼 뜨거웠습니다. 마치 물이 끓어 수증기가 되듯, 극도의 고온 상태에서는 모든 물질이 에너지의 형태로 존재합니다. 하지만 우주가 폭발적으로 팽창하면서 온도가 낮아지기 시작했고, 아인슈타인의 상대성 이론인 E=mc² 원리에 따라 거대한 에너지는 비로소 물질로 변하기 시작했습니다. 우주가 팽창하며 온도가 더욱 떨어지자 소립자들이 결합하여 양성자와 중성자가 만들어졌습니다. 빅뱅 후 단 3분 만에 최초의 원자핵이 형성되었고, 약 38만 년이 흐른 뒤에는 전자와 결합하여 온전한 원자가 탄생했습니다. 138억 년이라는 우주의 장대한 역사 속에서 이는 찰나에 불과한 순간이었지만, 만물을 구성하는 위대한 재료가 준비된 결정적인 사건이었습니다. 충분히 낮아진 온도 덕분에 원자들은 서로 충돌하는 것을 넘어 결합할 수 있는 환경을 갖추게 되었습니다. 원자들이 서로 결합하여 최초의 분자가 탄생한 것은 생명의 역사에서 성의 탄생과 비견될 만큼 중요한 변화입니다. 암수가 만나 새로운 개체가 태어나듯, 서로 다른 원자가 만나면 본래의 성질은 사라지고 전혀 새로운 특징을 가진 분자가 나타납니다. 수소와 산소가 만나 생명의 근원인 물이 되고, 탄소와 만나 이산화탄소가 되는 식입니다. 현재까지 발견된 118종의 원소들은 이러한 조합을 통해 1억 종이 넘는 다양한 분자를 만들어내며 우주의 풍요로움을 구성하고 있습니다. 원소들이 조합되어 분자를 만드는 방식은 우리가 매일 사용하는 키보드와 매우 흡사합니다. 키보드 자판 하나하나가 글자 하나를 의미하듯, 원소 주기율표의 각 원소는 우주의 기본 단위입니다. 낱글자가 모여 단어가 되어야 비로소 구체적인 의미가 생기는 것처럼, 원자들 역시 정교하게 조합되어 분자가 되었을 때 비로소 과학적인 질서와 생명력을 갖게 됩니다. 약 100여 개의 원소만으로 온갖 정보를 담아내는 키보드처럼, 우주는 최소한의 재료로 무한한 가능성을 창조해낸 것입니다. 우주의 보편적인 원리 중 하나는 물질의 크기가 작을수록 그들을 묶어주는 힘이 강력하다는 점입니다. 이 강력한 결합력 덕분에 우주의 온도가 점차 낮아짐에 따라 에너지로부터 소립자, 원자, 분자가 차례대로 형성될 수 있었습니다. 만약 이 힘의 균형이 달랐다면 만물은 존재할 수 없었을 것입니다. 결국 만물의 기원은 빅뱅의 거대한 에너지이며, 점진적인 냉각 과정을 통해 에너지가 물질로 응축되면서 지금의 아름답고 복잡한 우주가 완성되었습니다.

카오스재단술술과학

화학

[카오스 술술과학] 분자는 얼마나 작을까?

분자는 물질의 고유한 특성을 유지하는 가장 작은 단위입니다. 예를 들어 물 분자인 H2O를 더 쪼개면 수소와 산소가 되어 물의 성질을 잃게 됩니다. 분자의 세계는 매우 다양하여, 수소처럼 아주 작은 것부터 헤모글로빈처럼 원자가 만 개나 포함된 거대한 고분자까지 존재합니다. 특히 고분자는 단백질이나 DNA 같은 생체 분자뿐만 아니라 인간이 발명한 나일론, 플라스틱, 합성 고무 등 우리 주변의 수많은 물질을 구성하며 현대 문명의 기초가 되고 있습니다. 일반적인 분자는 10의 -9승 미터 단위인 나노 세계에 속해 있어 육안으로는 도저히 가늠할 수 없을 만큼 작습니다. 가장 흔한 물 분자의 크기는 약 4 옹스트롬에 불과한데, 이는 우리가 일상에서 접하는 그 어떤 물체보다도 미세한 수준입니다. 이처럼 극도로 작은 입자들이 모여 거대한 물질을 이룬다는 사실은 경이롭기까지 합니다. 분자의 크기를 실감하기 위해서는 단순히 수치를 나열하는 것보다 우리가 익히 알고 있는 거시적인 대상들과 비교해 보는 과정이 반드시 필요합니다. 물 한 컵에 담긴 분자의 수를 상상해 보면 그 미세함을 실감할 수 있습니다. 물 분자를 3억 배 확대하면 테니스공 크기가 되는데, 같은 비율로 테니스공을 확대하면 지구 크기가 됩니다. 즉, 테니스공 표면에 놓인 물 분자 하나는 지구 표면에 놓인 테니스공 하나와 같은 비중인 셈입니다. 또한 70억 인구가 매초 5개씩 분자를 센다 해도 물 한 컵 분량을 다 세는 데 1억 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 보이지 않는 작은 단위들이 모여 우리 삶의 모든 화학적 현상을 만들어냅니다.

카오스재단술술과학

화학

[카오스 술술과학] 과학의 중간계, 다양성의 제왕!

우리가 마주하는 세상은 정교한 레고 작품보다 훨씬 복잡하고 아름다운 구조를 지니고 있습니다. 레고가 부품에서 곧장 완성품이 되는 것과 달리, 우리 세계는 세 단계의 정교한 과정을 거쳐 형성됩니다. 가장 먼저 기본 입자들이 모여 원자를 구성하고, 이 원자들이 다시 결합하여 분자를 만들며, 최종적으로 우리가 보는 만물이 탄생합니다. 이때 기본 입자의 설계도라 할 수 있는 표준 모형의 17종 기본 입자와 118종의 원소를 정리한 주기율표는 우주를 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 화학은 바로 이러한 원소들이 결합하여 만들어내는 무한한 분자의 세계를 다루는 학문이라 할 수 있습니다. 사물의 크기를 기준으로 세계를 탐험해 보면 놀라운 미시 세계가 펼쳐집니다. 인간이 맨눈으로 볼 수 있는 한계인 0.1mm 수준에는 머리카락 굵기나 유글레나 같은 세포 생물이 존재합니다. 현미경의 도움을 받아 더 깊이 들어가면 미세먼지와 세균이 활동하는 영역을 지나, 바이러스가 나타나는 나노미터 단위에 도달하게 됩니다. 여기서 더 작아지면 본격적인 분자와 원자의 세상이 시작되는데, 원자의 크기인 10⁻¹⁰m는 인간이 시각적으로 인지할 수 있는 최후의 보루와 같습니다. 그 너머에는 크기를 가늠하기 힘든 양성자와 점과 같은 전자, 쿼크의 영역이 자리 잡고 있습니다. 학문의 체계에서 화학은 단순함을 탐구하는 물리학과 복잡성을 다루는 생물학 사이의 가교 역할을 수행합니다. 매우 단순한 기본 입자로부터 어떻게 이토록 복잡한 생명 현상이 출현했는지는 인류 최대의 수수께끼 중 하나이며, 화학은 그 변화가 시작되는 핵심 지점에 위치합니다. 흥미롭다는 뜻의 영어 단어 '인터레스트(Interest)'가 '사이에 존재한다'는 라틴어 어원에서 유래했듯, 물질계와 생명계를 이어주는 화학의 위치는 그 자체로 매우 매력적입니다. 단순한 물리 법칙이 생명의 경이로움으로 변모하는 그 경계에서 화학은 우주의 신비를 푸는 중요한 단서를 제공하며 우리를 더 깊은 탐구의 세계로 안내합니다.

카오스재단술술과학

물리학
융합

[석학인터뷰] 고재현 ─ 빛을 공부하는 이유 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리'

하늘을 올려다보면 태양과 빛이 만들어내는 보석 같은 현상들을 마주하게 됩니다. 무지개나 햇무리, 구름이 오색빛으로 물드는 채운과 같은 아름다운 풍경 이면에는 빛의 마술이 숨어 있습니다. 이러한 현상을 과학적으로 탐구하는 분야가 바로 분광학입니다. 분광학은 빛을 파장이나 색깔별로 분류하여 그 안에 담긴 원자나 분자의 고유한 특성을 파악하는 학문입니다. 모든 원자와 분자는 자신만의 고유 진동수를 가지고 있으며, 분광학은 이를 통해 물질의 정체를 밝혀내는 중요한 열쇠가 됩니다. 분광학은 단순히 이론에 머물지 않고 우리 삶의 다양한 영역에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 전통적으로는 수만 광년 떨어진 항성이나 은하를 구성하는 원소의 조성을 파악하는 데 필수적인 도구였습니다. 하지만 그 활용 범위는 우주에만 국한되지 않습니다. 현대 사회에서는 보이지 않는 미세한 증거를 포착하거나, 귀중한 예술 작품의 진위를 판별하는 정밀한 분석 도구로도 널리 쓰입니다. 이처럼 거대한 우주부터 미세한 사물까지 진실을 규명하는 과정은 분광학만이 가진 독보적인 매력입니다. 물리학의 역사에서 빛은 이론적 발전을 이끌어온 핵심적인 존재였습니다. 뉴턴의 고전 역학부터 아인슈타인의 상대성 이론, 그리고 미시 세계를 다루는 양자역학의 탄생에 이르기까지 빛의 속성은 언제나 연구의 중심에 있었습니다. 우주의 기원과 자연의 근원을 파헤치는 물리학은 결국 우리 존재의 이유를 찾아가는 과정이며, 빛은 그 길을 안내하는 가장 명확한 지표가 되어줍니다. 이러한 학문적 탐구는 우리가 세상을 바라보는 관점을 넓혀주고 깊은 통찰을 제공하며 삶을 풍요롭게 만듭니다.

고재현

카오스재단석학인터뷰

물리학

[강연] 과학에서 '본다'는 것은 무엇인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 1부 2강 | 1부 ②

과학에서 '본다'는 개념은 단순히 시각적 정보를 수용하는 단계를 넘어 실체적 진실을 탐구하는 과정으로 확장되었습니다. 과거에는 육안으로 확인 가능한 것만을 존재의 증거로 삼았으나, 현대 물리학은 보이지 않는 미시 세계와 거대 우주를 탐구하며 인식의 지평을 넓혔습니다. 이제 본다는 것은 빛의 파장을 이용한 직접적인 관찰을 넘어, 다양한 물리적 상호작용을 통해 대상의 정보를 추출하고 해석하는 고도의 지적 활동으로 정의됩니다. 원자와 같은 미시 입자는 빛의 파장보다 작아 원리적으로 가시광선으로는 볼 수 없습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 X선이나 전자빔을 활용하여 원자의 정보를 시각화하는 방식을 고안했습니다. 이는 인간의 생물학적 한계를 기술적 도구로 보완한 사례입니다. 중성미자나 블랙홀처럼 전자기 상호작용을 하지 않거나 신호를 주지 않는 존재들 역시, 그들이 주변에 미치는 영향이나 약한 상호작용을 포착함으로써 간접적으로 '보는' 것이 가능해졌습니다. 현대 입자 물리학에서 힉스 보존과 같은 입자를 관측할 때, 과학자들이 실제로 마주하는 것은 화려한 이미지가 아니라 검출기에서 발생하는 전기적 신호와 숫자 데이터입니다. 대중에게 공개되는 입자 궤적 그림은 이해를 돕기 위한 시각적 재구성에 불과하며, 과학적 본질은 오차가 적은 데이터를 정확하게 정의하고 추출하는 데 있습니다. 즉, 과학적 관찰의 핵심은 시각적 형상을 만드는 것이 아니라 신뢰할 수 있는 물리적 수치를 확보하는 과정이라 할 수 있습니다. 과학적 관찰에서 도구의 중요성은 갈릴레오의 망원경 사용 이후 결정적인 전환점을 맞이했습니다. 하지만 도구를 통해 본 것이 항상 객관적인 실재를 보장하는 것은 아닙니다. 갈릴레오가 그린 달의 분화구 그림이나 헤켈의 배아 발생도는 관찰자의 이론적 배경이나 믿음이 투영된 결과물이기도 했습니다. 이는 과학적 관찰이 단순히 렌즈를 통해 들어오는 빛을 수동적으로 받아들이는 것이 아니라, 관찰자의 패러다임에 따라 재구성될 수 있음을 시사합니다. 새로운 관측 기구의 신뢰성을 확보하기 위해 과학자들은 '미세 조정(Calibration)'이라는 과정을 거칩니다. 이미 알고 있는 대상을 새로운 기구로 측정하여 기존의 결과와 비교함으로써 기구의 타당성을 검증하는 것입니다. 전자현미경이나 원자현미경으로 얻은 이미지가 실제 미시 세계의 모습이라고 확신할 수 있는 이유는, 이러한 엄밀한 조작과 검증 과정이 뒷받침되기 때문입니다. 따라서 과학적 '봄'은 기구와 이론, 그리고 실험적 조작이 결합된 복합적인 산물입니다. DNA의 이중나선 구조나 뇌 영상 이미지(fMRI)는 일반인의 눈에는 모호한 형체로 보일 수 있지만, 훈련된 과학자는 그 안에서 유의미한 패턴을 읽어냅니다. 여기에는 고도의 이론적 해석과 암묵지가 개입됩니다. 특히 뇌 영상의 경우, 특정 부위의 활성화는 복합적인 데이터 처리와 해석 과정을 거쳐 도출된 결과물입니다. 이처럼 과학적 이미지는 있는 그대로의 자연을 비추는 거울이라기보다, 이론이라는 렌즈를 통해 정제된 지식의 표현에 가깝습니다. 결국 과학에서 본다는 것은 인간이라는 생물학적 존재가 가진 한계를 극복하려는 끊임없는 시도입니다. 과학자들은 데이터의 객관성을 추구하면서도, 동시에 직접 보고 싶어 하는 인간 본연의 욕구를 지니고 있습니다. 관찰의 과정에는 이론적 합의와 사회적 검증, 그리고 과학자들의 인내와 논쟁이 수반됩니다. 과학적 발견은 자연이 스스로 드러내는 것이 아니라, 인간이 정교한 도구와 이론을 통해 자연과 대화하며 얻어낸 값진 해석의 결과입니다.

이강영, 홍성욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

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

우리가 살아가는 거시 세계와 눈에 보이지 않는 미시 세계를 나누는 명확한 기준은 존재하지 않습니다. 보통 인간의 맨눈으로 식별할 수 없는 원자나 분자의 영역을 미시 세계라고 부르며, 이곳에서는 우리가 익히 알고 있는 고전 물리학의 법칙이 더 이상 통용되지 않습니다. 미시 세계는 단순히 크기가 작은 영역을 넘어, 인간이 평생 쌓아온 시각적 경험과 상식이 통하지 않는 낯설고 새로운 물리적 법칙이 지배하는 공간입니다. 따라서 이 세계를 이해하기 위해서는 기존의 편견을 버리고 자연 그 자체의 모습을 있는 그대로 받아들이는 태도가 필요합니다. 과학자들은 남들이 보지 못하는 새로운 세계를 탐구하며 형언할 수 없는 감동을 느낍니다. 국가나 기업의 지원을 받아 정교한 장비를 만들고, 이를 통해 인류 역사상 누구도 본 적 없는 단분자의 형광 이미지를 포착하는 과정은 마치 미지의 영역을 촬영하는 셀카와도 같습니다. 어두운 실험실에서 모니터를 통해 빛나는 단분자를 마주할 때, 과학자들은 수십억 명의 인구가 수천 년 동안 세어야 할 만큼 방대한 존재들 속에서 단 하나의 본질을 찾아냈다는 희열을 느낍니다. 이러한 소소하면서도 거창한 즐거움이 바로 과학을 지속하게 하는 강력한 원동력이 됩니다. 초고해상도 형광 현미경 기술이 노벨 화학상을 받은 이유는 물리적인 회절 한계를 화학적 방법으로 극복했기 때문입니다. 단순히 성능이 좋은 기계를 만든 것을 넘어, 형광 물질의 성질을 이용해 빛을 조절함으로써 100년 넘게 불가능하다고 여겨졌던 벽을 허물었다는 점이 핵심입니다. 이는 기술적 진보가 새로운 과학적 발견을 이끄는 결정적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 사례입니다. 이처럼 화학적 원리를 통해 물리적 법칙의 한계를 뛰어넘는 시도는 인류가 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 변화시켰으며, 의학이나 생명 과학 등 다양한 분야의 발전을 이끄는 토대가 되었습니다. 양자역학은 등장한 지 100년이 다 되어가며 이론적으로는 많은 정리가 이루어졌지만, 여전히 인간의 직관으로는 이해하기 어려운 영역입니다. 우리가 거시 세계에서의 경험에만 익숙해져 있기 때문에 미시 세계의 현상들이 낯설게 느껴지는 것은 당연한 결과입니다. 현대 과학에서 양자역학은 그 자체의 옳고 그름을 따지기보다, 이를 활용하여 다양한 자연 현상을 연구하는 도구로 널리 사용되고 있습니다. 존재의 유무를 묻는 인식론적 질문들은 여전히 학문적 호기심을 자극하며, 측정의 한계를 넘어서려는 끊임없는 시도들은 우리가 인지할 수 있는 우주의 범위를 조금씩 넓혀가고 있습니다. 미시 세계를 탐구하는 것은 마치 우주선을 타고 전혀 다른 차원의 우주로 여행을 떠나는 것과 같습니다. 우리가 알고 있는 거대한 우주와는 또 다른 질서가 존재하는 이 작은 우주는 과학자들에게 무한한 영감과 즐거움을 선사합니다. 사물을 바라보는 시각을 조금씩 바꾸어 나갈 때 우리가 인지하는 세상의 스펙트럼은 더욱 넓어지며, 생각의 범주 또한 확장될 수 있습니다. 아주 작은 것들의 눈으로 세상을 바라보는 경험은 결국 인간과 자연의 본질을 더 깊이 이해하게 해줍니다. 이러한 탐구의 여정은 앞으로도 계속될 것이며, 우리를 더욱 놀라운 진리의 세계로 안내할 것입니다.

김성근, 심상희

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (4) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ④

현미경의 발명은 인류가 생명의 근원을 바라보는 방식을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 17세기 로버트 훅은 코르크 조각을 관찰하며 작은 방 모양의 구조에 '세포'라는 이름을 붙였고, 레벤후크는 직접 깎은 렌즈로 미생물의 존재를 처음으로 세상에 알렸습니다. 이러한 발견은 질병이 신의 저주가 아닌 미세한 생명체에 의한 것임을 깨닫게 하는 전환점이 되었습니다. 보이지 않는 미시 세계를 시각화하려는 인간의 끊임없는 열망은 현대 생명 과학의 기초를 다지는 가장 중요한 동력이 되었습니다. 새로운 관측 기술의 등장은 항상 새로운 과학적 발견을 예고합니다. 과학자들에게 혁신적인 기기는 단순히 도구를 넘어 인류의 지식 지평을 넓히는 열쇠와 같습니다. 과거에는 상상조차 할 수 없었던 미시 세계의 역동적인 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 우리는 생명 현상의 본질에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 첨단 현미경 기술은 보이지 않는 진실을 드러냄으로써 과학의 진보를 이끄는 가장 강력한 무기가 되고 있으며, 이는 미래 과학의 방향을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 우리가 일상에서 보는 금의 황금색은 원자 하나가 가진 고유한 색이 아닙니다. 개별 원자는 가시광선을 흡수하는 방식이 달라 색이 없다고 볼 수 있지만, 수많은 원자가 모여 상호작용을 시작하면 비로소 특정한 색을 띠게 됩니다. 금 원자가 약 1억 개 정도 모여 일정한 크기를 형성할 때 우리가 아는 찬란한 노란색이 나타나는 것입니다. 이는 물질의 성질이 개별 단위가 아닌 집합체로서의 상호작용을 통해 결정된다는 오묘한 과학적 원리를 잘 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 흥미롭게도 물질의 크기를 나노 단위로 쪼개면 우리가 알던 색과는 전혀 다른 모습이 나타납니다. 예를 들어 순금을 나노 입자로 만들면 붉은색 용액으로 변하는데, 이는 표면에서 일어나는 나노 효과인 플라스몬 현상 때문입니다. 귀금속의 가치는 그 영롱한 색에 있지만, 과학적 관점에서 보면 그 색조차 입자의 크기와 배열에 따라 변하는 가변적인 현상일 뿐입니다. 이러한 나노 세계의 특성은 물질을 바라보는 우리의 고정관념을 깨뜨려 주며 새로운 기술적 가능성을 제시합니다. 원자의 내부를 들여다보면 거시 세계의 상식과는 동떨어진 놀라운 광경이 펼쳐집니다. 원자는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있으며, 그 질량의 대부분은 아주 작은 원자핵에 집중되어 있습니다. 운동장 한가운데 놓인 모래알 하나가 원자핵이라면 나머지 공간은 전자가 헤엄치는 광활한 빈터와 같습니다. 하지만 이 텅 빈 공간은 전자의 상호작용으로 인해 다른 물질이 쉽게 침범할 수 없는 견고한 경계를 형성합니다. 미시 세계는 이처럼 비어 있음과 가득 참이 공존하는 신비로운 곳입니다. 현대 과학은 이제 인간의 의식과 정신 작용이라는 미지의 영역에 도전하고 있습니다. 과거에는 영혼의 영역이라 여겨졌던 생각과 감정조차 뇌 속 신경세포들의 복잡한 신호 전달 과정으로 이해하려는 시도가 이어지고 있습니다. 뇌 회로를 정밀하게 매핑하는 프로젝트는 인간의 사고 체계가 어떻게 작동하는지 과학적 기반 위에서 규명하고자 합니다. 비록 정신의 모든 비밀을 풀기에는 아직 갈 길이 멀지만, 인지 과학의 발전은 인간에 대한 이해를 새로운 차원으로 끌어올리고 있습니다. 영화 속 아이언맨처럼 새로운 원소를 창조하는 것은 물리 법칙상 매우 어려운 일이지만, 분자의 세계는 여전히 무궁무진한 가능성을 품고 있습니다. 인류는 지난 수십 년간 수천만 개의 새로운 분자를 합성하며 물질의 진화를 이끌어 왔습니다. 과거에 절대 불가능하다고 믿었던 광학적 한계들이 기술의 발전으로 깨졌듯이, 오늘의 과학적 상식 또한 내일의 새로운 발견에 의해 뒤바뀔 수 있습니다. 과학은 고정된 정답을 찾는 과정이 아니라, 끊임없이 질문하며 한계를 극복해 나가는 여정입니다.

김성근, 심상희

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 물질의 기원 by김성근 | 2015 여름 카오스 콘서트 '기원 Origin' 2강 | 2강

우주의 기원을 탐구하다 보면 우리는 필연적으로 물질의 기원과 마주하게 됩니다. 138억 년 전 빅뱅의 순간, 현재 우리 몸을 구성하는 수소 원자핵들이 탄생했다는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 우리는 단순히 수십 년을 산 존재가 아니라, 우주의 시작과 함께 태어난 유구한 역사의 산물인 셈입니다. 이러한 관점은 인간을 포함한 모든 생명체가 우주라는 거대한 흐름 속에서 어떻게 형성되었는지 이해하는 중요한 출발점이 됩니다. 물질은 질량을 가지고 있으며 더 작은 입자들로 이루어진 다층적인 구조를 지닙니다. 마치 러시아 인형(마트료시카)처럼, 물질을 쪼개면 분자가 나오고, 이를 다시 나누면 원자와 원자핵, 그리고 궁극적으로는 소립자인 쿼크에 도달하게 됩니다. 과학자들은 이 보이지 않는 미시 세계의 구성 요소들이 어떻게 결합하여 우리 눈에 보이는 거시적인 세상을 만들어내는지 연구하며, 우주의 내용물을 채우는 물질의 본질을 파헤치고 있습니다. 우주에는 물질뿐만 아니라 그에 대응하는 반물질도 존재할 수 있다는 대칭성의 원리가 숨어 있습니다. 입자와 반입자가 만나면 서로 소멸하며 거대한 에너지를 빛의 형태로 방출하는데, 이는 아인슈타인의 상대성 이론인 질량-에너지 등가 원리로 설명됩니다. 우리가 관찰하는 우주는 대부분 일반적인 물질로 이루어져 있지만, 보이지 않는 우주 저편에는 반물질로 구성된 또 다른 세계가 존재할지도 모른다는 상상은 현대 물리학의 흥미로운 화두 중 하나입니다. 빅뱅 직후의 초기 우주는 상상을 초월할 정도로 뜨겁고 에너지가 응축된 상태였습니다. 하지만 우주가 팽창하면서 온도가 급격히 낮아졌고, 이 과정에서 에너지는 입자로 응축되기 시작했습니다. 수증기가 식어 물방울이 맺히듯, 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자가 되고, 다시 전자가 붙어 안정적인 원자가 형성되었습니다. 이러한 냉각과 응축의 과정은 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어, 생명으로 나아가는 물질적 토대를 마련한 결정적인 사건이었습니다. 원자들이 서로 결합하여 분자를 형성하는 과정은 마치 개인이 모여 가정을 이루는 것과 비슷합니다. 주기율표상의 100여 개 원소는 컴퓨터 키보드의 자판과 같아서, 이들을 어떻게 조합하느냐에 따라 수억 가지의 화학적 특성을 지닌 물질이 탄생합니다. 분자 상태가 되어서야 비로소 고유한 화학적 성질이 나타나며, 이러한 다양성은 우주가 단순한 원소의 집합을 넘어 복잡하고 정교한 화학적 진화의 단계로 진입했음을 의미합니다. 생명의 설계도인 DNA를 구성하는 염기들이 특정 종류로 제한된 이유는 분자의 안정성 때문입니다. 아데닌과 같은 염기는 빛 에너지를 받아 들뜬 상태가 되어도 금방 평정심을 되찾아 원래의 안정된 상태로 돌아오는 성질이 있습니다. 만약 쉽게 흥분하고 변하는 분자가 유전 정보를 담았다면, 생명은 외부 자극에 의해 끊임없이 훼손되었을 것입니다. 자연은 가장 냉철하고 안정적인 분자를 선택함으로써 수억 년 동안 생명의 정보를 안전하게 보존해 왔습니다. 단백질을 이루는 아미노산이 왜 모두 왼손잡이 형태인 'L-아미노산(왼손잡이형)'인지는 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 실험실에서는 왼손과 오른손 형태가 똑같이 만들어지지만, 지구상의 모든 생명체는 오직 한쪽 방향만을 선택했습니다. 이는 초기 우주에서 발생한 아주 미세한 대칭성의 파괴가 진화 과정을 거치며 증폭된 결과일지도 모릅니다. 이처럼 물질의 기원에서 시작된 탐구는 생명의 독특한 비대칭성을 거쳐, 다시 우주의 근원적인 법칙으로 우리를 인도합니다.

김성근

카오스재단카오스콘서트

화학

[강연] 물질의 기원 (4) - 패널토의 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ④

우주의 시작은 거대한 에너지의 분출이었습니다. 빅뱅의 순간, 형체도 없던 순수한 에너지는 찰나의 시간 속에 물질과 빛으로 변모하며 우주의 역사를 써 내려가기 시작했습니다. 이 과정에서 탄생한 기본 입자들은 오늘날 우리가 보는 모든 만물의 근간이 되었습니다. 초기 우주의 높은 온도와 밀도 속에서 에너지가 질량을 가진 입자로 응축되는 과정은 현대 과학이 밝혀낸 가장 경이로운 사건 중 하나입니다. 이러한 변화는 단순한 물리적 현상을 넘어, 무(無)에서 유(有)가 창조되는 우주적 오케스트라의 서막과도 같았습니다. 물질의 최소 단위로 알려진 쿼크는 현대 물리학의 핵심적인 연구 대상입니다. 특히 업 쿼크와 다운 쿼크는 양성자와 중성자를 구성하는 가장 중요한 요소로, 이들의 조합에 따라 원자핵의 성질이 결정됩니다. 흥미로운 점은 쿼크가 단독으로 존재하지 않고 강력한 핵력에 의해 서로 묶여 있다는 사실입니다. 아무리 강한 에너지를 가해도 이들을 개별적으로 떼어낼 수 없다는 점은 자연이 설계한 정교한 질서를 보여줍니다. 이는 마치 원자핵이라는 견고한 성벽 안에 갇혀 외부로 나오지 못하는 입자들의 운명을 상징하는 듯합니다. 동양 철학의 노자는 '도가 하나를 낳고, 하나가 둘을, 둘이 셋을 낳아 만물이 된다'고 말했습니다. 이는 현대 과학의 관점에서도 놀라운 통찰을 제공합니다. 빅뱅의 에너지가 빛과 물질로 나뉘고, 다시 양성자, 중성자, 전자의 세 가지 기본 요소로 조합되면서 비로소 우리가 아는 복잡한 세상이 만들어졌기 때문입니다. 피자나 고양이, 그리고 우리 자신에 이르기까지 우주의 모든 존재는 결국 이 세 가지 입자의 변주곡이라 할 수 있습니다. 세 가지 요소가 결합하여 무한한 다양성을 만들어내는 과정은 과학과 철학이 만나는 지점이기도 합니다. 우주 초기에는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었습니다. 만약 두 물질의 양이 완벽하게 일치했다면, 서로 충돌하여 빛으로 소멸하고 현재의 우주는 존재하지 않았을 것입니다. 그러나 기적적으로 물질이 반물질보다 10억분의 1 정도 더 많이 살아남았고, 그 미세한 차이가 오늘날 우리가 발을 딛고 서 있는 물질 세계를 형성했습니다. 이 신비로운 비대칭성은 과학자들이 여전히 풀고자 노력하는 우주의 거대한 수수께끼 중 하나입니다. 우리가 존재한다는 사실 자체가 10억분의 1이라는 희박한 확률이 만들어낸 결과인 셈입니다. 우리가 단단한 물체를 만질 때 느끼는 감각은 사실 원자와 원자 사이의 직접적인 접촉이 아닙니다. 원자의 내부는 태양계처럼 대부분 텅 비어 있으며, 원자핵은 아주 작은 영역만을 차지하고 있습니다. 우리가 무언가를 '만진다'고 느끼는 것은 손가락 끝의 전자와 물체 표면의 전자가 서로 밀어내는 전기적 반발력과 파울리 배타 원리 때문입니다. 즉, 우리는 우주의 텅 빈 공간 속에서 입자들의 힘이 만들어내는 정교한 상호작용을 촉각이라는 감각으로 해석하고 있는 것입니다. 만짐의 본질은 결국 전자 구름과 전자 구름이 만나는 보이지 않는 힘의 대결입니다. 과학은 끊임없이 더 작은 세계를 탐구하며 물질을 쪼개어 왔습니다. 쿼크와 렙톤이 현재로서는 가장 기본적인 입자로 여겨지지만, 초끈 이론과 같은 현대 물리학은 그 너머의 세계를 수학적으로 그려내고 있습니다. 비록 실험적으로 검증하기에는 기술적 한계가 존재하지만, 과학자들은 자연의 법칙이 단순하고 아름다울 것이라는 믿음을 바탕으로 진리를 추구합니다. 복잡한 현상을 관통하는 하나의 명쾌한 원리를 찾아내는 과정은 과학이 지닌 최고의 미학입니다. 인간의 지성이 도달할 수 있는 한계가 어디인지 묻는 과정 자체가 인류 문명을 발전시키는 원동력이 됩니다. 우주의 기원을 탐구하는 여정은 인간을 겸허하게 만듭니다. 138억 년 전의 뜨거운 가스 속에서 만들어진 입자들이 오늘날 우리의 몸을 구성하고 있다는 사실은 우리가 우주와 연결되어 있음을 상기시킵니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 자연이 남긴 정교한 설계도를 한 장씩 읽어 내려가는 인내의 과정입니다. 완성된 결과물보다 그 속에 담긴 원리와 진화의 과정을 이해할 때, 우리는 비로소 우주라는 거대한 무대의 진정한 의미를 깨닫게 됩니다. 과학적 탐구는 결국 우리가 어디에서 왔으며, 이 거대한 우주 속에서 어떤 존재인지를 찾아가는 끝없는 질문의 연속입니다.

고계원, 김성근, 김희준, 정하웅

카오스재단카오스강연

물리학
천문학