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날 따라 해봐요~!! 싸돌이와 함께하는 과학관 愛티켓 etiquette!!

과학관을 방문할 때는 즐거움과 호기심이 가득하지만, 안전을 최우선으로 생각해야 합니다. 특히 킥보드와 같은 이동 수단은 과학관 내부에서 사용하지 않고, 지정된 보관소에 두는 것이 중요합니다. 천천히 걸으며 주변을 살피는 습관은 사고를 예방하는 데 큰 도움이 됩니다. 에스컬레이터를 이용할 때는 뛰지 않고, 손잡이를 꼭 잡아 안전하게 이동해야 합니다. 과학관은 다양한 연령층이 함께 관람하는 공간이기 때문에, 아이들과 동반할 경우 더욱 세심한 주의가 필요합니다. 아이가 지치거나 힘들어할 때는 잠시 쉬어가며, 항상 보호자의 시야 안에 두는 것이 좋습니다. 질서 있게 줄을 서고, 자신의 차례를 기다리는 것도 모두가 쾌적하게 관람할 수 있는 기본 예절입니다. 전시관 내부에서는 음식물 섭취가 제한되어 있습니다. 음료나 간식은 전시관 밖에서 즐기고, 전시물을 관람할 때는 손에 들고 있지 않도록 주의해야 합니다. 사진 촬영은 허용되지만, 전시물 안으로 들어가거나 제한선을 넘지 않는 것이 중요합니다. 아름다운 순간을 사진으로 남기되, 전시물과 관람객 모두의 안전을 생각해야 합니다.

국립과천과학관💙싸돌이💙

[강연] 양자 역학은 왜 고양이인가? 신비로운 양자 스핀의 세계 _ by이성빈ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 3강 | 3강

양자역학을 떠올릴 때 흔히 '슈뢰딩거의 고양이'를 떠올리지만, 현대 물리학에서 물질의 근본을 이해하는 핵심 열쇠는 바로 '스핀'입니다. 전자의 고유한 각운동량인 스핀은 단순히 회전하는 화살표가 아니라, 양자역학의 신비로움을 가장 잘 보여주는 물리량입니다. 모든 입자는 페르미온이나 보존이라는 분류에 따라 정수 혹은 반정수의 스핀 값을 가지며, 특히 전자는 항상 두 가지 상태 중 하나로 존재합니다. 이러한 스핀의 특성은 우리가 일상에서 사용하는 자석의 원리가 되기도 하며, 미래 기술인 양자 컴퓨터의 핵심 단위인 큐비트를 구성하는 기초가 됩니다. 스핀의 가장 놀라운 점은 관측 결과가 항상 이산적이라는 사실입니다. 고전적인 화살표라면 어느 방향으로든 기울어질 수 있지만, 양자 스핀은 어떤 축으로 측정하더라도 무조건 + 또는 -라는 두 가지 값 중 하나만 나타냅니다. 예를 들어 Z축 방향의 스핀을 X축으로 눕혀 측정하면 고전적으로는 0이 나와야 하지만, 실제 실험에서는 +1과 -1이 각각 절반의 확률로 나타납니다. 이는 양자 세계가 연속적인 값이 아닌 확률적인 상태의 중첩으로 이루어져 있음을 보여주는 결정적인 증거이며, 우리가 상식적으로 생각하는 물리적 직관을 뛰어넘는 지점입니다. 양자 스핀의 세계에서는 관측의 순서가 결과에 결정적인 영향을 미칩니다. 논리학의 명제를 실험에 대입해 보면, Z축 성분을 먼저 측정하느냐 X축 성분을 먼저 측정하느냐에 따라 전체 명제의 참과 거짓 여부가 달라지는 현상이 발생합니다. 이는 고전 역학에서는 상상할 수 없는 일로, 관측 행위 자체가 대상의 상태를 변화시킨다는 양자역학의 본질을 드러냅니다. 특정 방향의 스핀 상태를 확정하는 순간 다른 방향의 정보는 확률적인 안개 속으로 사라지게 되는데, 이것이 바로 현대 물리학의 근간을 이루는 불확정성 원리의 핵심적인 개념입니다. 이론 물리학자들은 이러한 스핀의 복잡한 거동을 설명하기 위해 행렬과 벡터라는 수학적 도구를 사용합니다. 스핀의 상태를 벡터로 표현하고, 관측 장치를 행렬로 나타내어 이들의 연산을 통해 물리적 결과를 예측하는 것입니다. 특히 두 개 이상의 스핀이 서로 상호작용을 시작하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 신비로운 현상이 나타납니다. 멀리 떨어진 두 스핀이 하나의 상태로 묶여 있어, 한쪽을 관측하는 순간 빛의 속도보다 빠르게 다른 쪽의 상태가 결정되는 이 현상은 현대 양자 정보 통신 기술의 이론적 토대가 되어 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꿀 준비를 하고 있습니다. 수많은 스핀이 모인 응집물질물리학의 세계에서는 스핀들 사이의 '눈치 보기'인 상호작용이 중요해집니다. 스핀들은 주변 이웃과 같은 방향을 보거나 반대 방향을 보려는 성질을 가지는데, 격자 구조에 따라 모든 이웃을 만족시킬 수 없는 상황이 발생합니다. 이를 '쩔쩔맴' 현상이라고 부릅니다. 예를 들어 삼각형 격자의 각 꼭짓점에 있는 스핀들이 서로 반대 방향을 향하려 할 때, 마지막 세 번째 스핀은 어느 쪽을 향해야 할지 결정하지 못하고 쩔쩔매게 됩니다. 이러한 갈등 상황은 물질 내에서 매우 복잡하고 독특한 양자 상태를 만들어내는 원동력이 됩니다. 쩔쩔맴 현상이 극에 달하면 물질은 절대영도 근처에서도 정렬되지 못한 채 '양자 스핀 액체'와 같은 기묘한 상태에 머물게 됩니다. 하지만 여기서 더욱 흥미로운 반전이 일어납니다. 보통 온도가 올라가면 무질서해지는 것이 상식이지만, 특정 조건에서는 오히려 온도가 높아질 때 열적 요동에 의해 수많은 가능성 중 하나의 질서가 선택되는 현상이 나타납니다. 이를 '무질서에 의한 질서'라고 합니다. 이는 무질서가 단순히 파괴적인 힘이 아니라, 시스템이 새로운 안정적인 상태를 찾아가도록 돕는 창의적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 물리학의 아름다운 역설입니다. 응집물질물리학은 이처럼 10의 23승 개에 달하는 수많은 전자와 스핀들이 만들어내는 거대한 오케스트라를 연구하는 학문입니다. 이론 물리학자들은 복잡한 수식과 모델링을 통해 보이지 않는 미시 세계의 규칙을 찾아내고, 그 속에서 우주의 진리를 발견하는 희열을 느낍니다. 양자 스핀에 대한 탐구는 단순히 기초 과학의 영역에 머물지 않고, 초전도체나 양자 컴퓨터와 같은 미래 기술의 문을 여는 열쇠가 되고 있습니다. 보이지 않는 작은 스핀 하나가 거대한 물질의 성질을 결정하고 인류의 기술 문명을 진보시키는 과정은 과학이 우리에게 선사하는 가장 경이로운 장면 중 하나일 것입니다.

이성빈

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 윤성철_ 천문학자가 외계생명체가 있다고 믿는 강력한 이유! | 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA'

우주는 아무것도 없는 상태에서 시작되었지만, 그 안에는 이미 인간의 의식과 지능이 탄생할 수 있는 놀라운 가능성이 내재되어 있었습니다. 천문학자의 관점에서 우주의 물리적인 끝이 어디인지보다 더 흥미로운 질문은 우주가 품고 있는 가능성의 한계가 어디까지인가 하는 점입니다. 별과 블랙홀, 초신성을 거쳐 생명과 인간을 만들어낸 우주가 그 너머에 또 어떤 경이로운 현상을 숨기고 있을지 탐구하는 과정은 학문적으로 매우 큰 동기 부여를 제공합니다. 이러한 무한한 가능성이야말로 우주를 가장 아름답고 신비롭게 만드는 핵심적인 요소라고 할 수 있습니다. 별은 단순히 밤하늘에서 반짝이는 아름다운 존재를 넘어, 우리 존재의 근원이자 모든 것의 고향이라고 할 수 있습니다. 지구와 인체를 구성하는 다양한 원소들의 기원이 별의 활동에 맞닿아 있으며, 우리가 생명을 유지하는 데 필요한 모든 에너지의 근원 역시 태양이라는 별의 빛에서 비롯됩니다. 과학적인 측면에서 별은 생명체의 모태이자 어머니와 같은 존재로, 우주의 화학적 역사를 고스란히 담고 있습니다. 따라서 별을 연구하는 것은 곧 우리 자신의 뿌리를 찾는 과정이며, 우주라는 거대한 생태계 속에서 인간이 차지하는 위치를 이해하는 중요한 열쇠가 됩니다. 초신성은 별이 수명을 다해 폭발하며 엄청난 빛을 내뿜는 현상으로, 우주의 화학적 진화를 이해하는 데 결정적인 역할을 합니다. 빅뱅 직후 우주에는 수소와 헬륨뿐이었으나, 초신성 폭발을 통해 산소나 철과 같은 중원소들이 생성되어 우주 전역으로 퍼져나갔습니다. 또한 이 폭발은 주변 물질에 자극을 주어 새로운 별이 탄생하는 계기를 마련하기도 합니다. 즉, 초신성은 한 별의 죽음인 동시에 새로운 생명과 천체가 태어나는 역동적인 역사의 현장입니다. 이러한 과정을 통해 우리는 우주가 어떻게 변화해 왔으며, 현재의 복잡한 물질 세계가 어떻게 형성되었는지 파악할 수 있습니다. 외계 생명체의 존재 여부에 대해 많은 이들이 궁금해하지만, 광활한 우주의 크기를 고려할 때 외계 지성체가 어딘가에 존재할 확률은 매우 높습니다. 우리가 그들을 만나지 못하는 이유는 단순히 별과 별 사이의 거리가 너무나 멀기 때문이라는 물리적인 한계에 기인합니다. 외계 지성체에 대한 관심은 결국 '우리는 어디에서 왔는가'라는 인간 본연의 질문과 맞닿아 있으며, 우리 역시 우주의 관점에서는 외계 생명체의 일종이라는 사실을 깨닫게 합니다. 이러한 호기심은 인류가 지구라는 작은 행성을 넘어 더 넓은 세계로 시야를 확장하고, 생명의 본질을 깊이 있게 성찰하도록 이끌어 줍니다. 과학은 단순히 변하지 않는 법칙을 찾는 학문이 아니라, 질서와 혼돈이 공존하는 우주의 비가역적인 역사를 추적하는 과정입니다. 특히 무거운 별의 진화 과정은 우주의 역사를 이해하는 데 핵심적인 역할을 하며, 이러한 천체들이 만들어내는 역동적인 현상은 우리 존재의 근원을 설명해 줍니다. 대학의 지식은 상아탑에 갇혀 있지 않고 대중과 공유될 때 진정한 가치를 지니며, 이는 사회적 합의를 이끌어내는 중요한 토대가 됩니다. 우주를 바라보는 시각을 넓히는 것은 결국 인류가 서로 협력하여 더 나은 미래를 설계하고, 존재의 경이로움을 함께 나누는 숭고한 여정입니다.

윤성철

카오스재단2021 카오스강연 'SPACE OPERA'

천문학

[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.

카오스재단'도대체'시리즈

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 술술수학] 리만가설(2): 리만가설에 미치다

리만 가설은 수학 역사상 가장 매혹적이면서도 고통스러운 수수께끼로 남아 있습니다. 독일의 수학자 힐베르트는 사후 500년 뒤에 깨어난다면 가장 먼저 이 가설의 증명 여부를 묻고 싶다고 했으며, 하디는 자신의 첫 번째 소망으로 이를 꼽았습니다. 라마누잔과 존 내쉬 같은 천재들조차 이 문제로 인해 육체적, 정신적 고통을 겪었을 만큼 그 위력은 대단합니다. 페르마의 마지막 정리와 푸앵카레 추측이 해결된 지금도 리만 가설은 여전히 난공불락의 요새처럼 버티고 있습니다. 소수의 규칙성을 찾으려는 노력은 유클리드와 오일러를 거쳐 가우스에 이르러 큰 전환점을 맞이했습니다. 1792년 가우스는 소수의 개수를 추측할 수 있는 '소수 정리'를 제안하며, 수가 커질수록 소수의 밀도가 로그 함수에 반비례한다는 사실을 통찰했습니다. 하지만 가우스는 이를 직관적으로 추측했을 뿐 엄밀하게 증명하지는 못했습니다. 이후 수많은 수학적 거성들이 릴레이를 하듯 이 소수의 분포 문제를 해결하기 위해 자신의 생애를 바치며 연구에 매달려 왔습니다. 가우스의 제자였던 리만은 1859년 발표한 논문에서 '리만 제타 함수'를 도입하며 소수 정리 증명의 실마리를 제공했습니다. 리만 가설은 단순히 소수의 개수를 대략적으로 파악하는 것을 넘어, n까지의 소수를 정확하게 셀 수 있는 유일한 식을 완성하려는 시도입니다. 오늘날 이 가설에는 10억 원의 상금이 걸려 있으며, 19세기 수학자들 사이에서는 이를 증명하는 자가 영생을 얻는다는 말이 돌 정도로 수학계에서 차지하는 위상이 절대적이라고 할 수 있습니다. 리만 가설의 핵심은 제타 함수의 무한히 많은 영점들이 복소평면상의 1/2 축 위에 일렬로 늘어서 있다는 가정에 있습니다. 이 영점들은 각각 소리의 파동과 같은 역할을 수행하며, 이 파동들을 모두 합치면 소수 분포의 오차가 점차 줄어들어 결국 0에 수렴하게 됩니다. 마치 악기를 목표 음에 맞춰 미세하게 조율하는 과정과도 같습니다. 만약 단 하나의 영점이라도 이 축을 벗어난다면 파동이 너무 커져 조율이 불가능해지며, 소수의 불규칙성을 설명할 방법도 사라지게 됩니다. 역설적이게도 리만 제타 함수 영점들의 완벽한 질서는 소수가 가진 극도의 무질서와 임의성을 대변합니다. 가우스가 예견했듯 소수는 동전 던지기와 같은 무작위성을 띠고 있으며, 리만 가설은 바로 그 임의성을 수학적으로 설명해 줍니다. 만약 이 가설이 거짓으로 판명된다면 현대 수학의 근간이 흔들리는 대재앙이 닥칠 것이라는 우려가 나올 정도입니다. 전 세계 수학자들을 잠 못 들게 하는 이 난제는 여전히 인류가 정복해야 할 가장 거대한 지적 산맥으로 남아 있습니다.

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수학

[석학인터뷰] 박창범_ 과학자들은 근원적인 질문에 답하기 위해 노력하고 있어요 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

우주론은 우리가 보고 느끼는 모든 자연의 시작과 진화 과정을 탐구하는 학문입니다. 우주가 유한한지 혹은 무한한지, 그 안에 담긴 물질들이 시간에 따라 어떻게 변화하며 현재의 아름다운 천체들을 형성했는지를 밝혀내는 거대한 각본과도 같습니다. 특히 우리나라의 고인돌 문화에는 이러한 천문학적 탐구의 흔적이 깊게 새겨져 있습니다. 고인돌의 정렬과 그 위에 새겨진 별자리 그림은 우리 민족이 아주 오래전부터 정밀한 과학적 사고를 바탕으로 우주를 관측해 왔음을 보여줍니다. 이러한 천문 방위와 별자리의 모티브는 고구려 고분 벽화를 거쳐 조선 시대까지 수천 년간 이어지며 독자적인 문화적 자부심의 근원이 되었습니다. 과학의 여러 분야 중에서도 천문학, 그중에서도 우주론을 전공으로 선택한 이유는 세상의 모든 이치인 삼라만상을 공부하고 싶었기 때문입니다. 어린 시절부터 과학을 먼저 공부해야 나중에 다른 학문으로 지평을 넓힐 수 있을 것이라는 확신이 있었고, 그 선택은 지금까지도 연구를 지속하게 하는 원동력이 되었습니다. 60대에 접어든 지금도 건강이 허락하는 한 멈추지 않고 연구를 이어가고자 하는 열정은 여전합니다. 인류가 태초부터 던져온 우주에 대한 근원적인 질문들에 답하기 위해, 그리고 아직 다 하지 못한 연구 과제들을 완수하기 위해 매 순간을 소중히 여기며 학문적 여정을 계속해 나갈 것입니다. 인류 역사를 돌이켜보면 우주의 기원과 시간에 대한 근원적인 질문들은 초기에는 주로 신화의 형태로 나타났습니다. 하지만 1917년 아인슈타인과 드지터가 우주를 설명하는 최초의 수학적 모형을 제시하면서 현대 우주론의 서막이 올랐습니다. 이후 지난 100년 동안 우주 배경 복사의 발견과 우주 팽창의 증명, 그리고 수많은 천체의 관측을 통해 우리는 우주의 실체에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 현대 우주론은 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 수많은 과학자가 우주의 비밀을 풀기 위해 어떤 사고의 과정을 거치고 도전해 왔는지를 보여주는 인류 지성사의 결정체라고 할 수 있습니다.

박창범

카오스재단카오스강연

물리학
지구환경과학

[강연] 자연에 숨어 있는 질서를 찾아서 (1) _ by하승열 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 2강 | 2강 ①

수학은 흔히 추상적이고 난해한 학문으로 여겨지지만, 사실 우리 삶과 자연의 질서를 이해하는 가장 강력한 도구입니다. 많은 이들이 학창 시절 수학을 공부하며 이 학문을 어디에 쓸 수 있을지 고민하곤 합니다. 하지만 수학은 공학이나 물리학 등 다양한 분야로 뻗어 나갈 수 있는 기초 체력을 제공합니다. 특히 실험에 소질이 없더라도 논리적인 사고와 수식만으로 세상의 원리를 탐구할 수 있다는 점은 수학만이 가진 독특한 매력입니다. 고등학교 시절 선생님의 조언처럼 수학을 먼저 공부하면 나중에 더 많은 일을 할 수 있다는 말은, 복잡한 현대 사회를 살아가는 우리에게 여전히 유효한 통찰을 제공합니다. 자연의 아름다움 속에는 우리가 미처 깨닫지 못한 정교한 질서가 숨어 있습니다. 스페인의 몬세라트 산이나 이탈리아의 해안 절벽처럼 경이로운 풍경들은 단순한 우연의 산물이 아닙니다. 천재 건축가 안토니 가우디는 자연의 모든 것이 곡선적이라는 사실에 주목하여, 당시의 직선적인 고딕 양식에서 탈피한 혁신적인 건축물들을 남겼습니다. 가우디가 추구했던 유기적인 형태는 자연이 가진 본연의 모습을 투영한 것이며, 이는 우리가 자연을 관찰할 때 느끼는 경외감의 원천이기도 합니다. 이러한 자연의 복잡한 곡선과 형태를 이해하려는 노력은 결국 과학과 수학의 탐구로 이어지게 됩니다. 수학은 자연의 현상을 설명하는 과학의 언어 역할을 수행합니다. 과학자들은 복잡한 자연 현상을 관찰한 뒤 이를 방정식으로 표현하는 '모델링' 과정을 거칩니다. 시간이 연속적으로 흐른다고 가정하는 상미분방정식이나, 시간을 이산적으로 파악하는 차분방정식 등이 대표적인 도구입니다. 이러한 수식들을 엄밀하게 증명하고 시뮬레이션하는 과정은 복잡한 시스템의 변화를 추적하는 핵심적인 단계가 됩니다. 이를 통해 우리는 눈에 보이지 않는 자연의 법칙을 구체적인 수치로 확인하고, 현상의 이면에 숨겨진 원리를 논리적으로 규명할 수 있는 힘을 얻게 됩니다. 우리가 살아가는 세상은 수많은 요소가 서로 얽혀 상호작용하는 '복잡계' 시스템입니다. 태양계의 행성 운동부터 도로 위의 교통 흐름, 그리고 우리 뇌 속 뉴런의 활동에 이르기까지 모든 것은 독립적으로 존재하지 않습니다. 이러한 복잡계에서는 개별 요소들의 합보다 더 큰 효과가 나타나는 '집단 현상'이 발생하곤 합니다. 새 떼의 군집 비행인 플로킹(Flocking)이나 여러 요소가 박자를 맞추는 동기화 현상이 그 예입니다. 서로 간의 긴밀한 관계와 협력을 통해 무질서 속에서 새로운 질서가 출현하는 과정은 복잡계 연구의 핵심이며, 이는 단순한 산술적 계산을 넘어선 관계의 중요성을 우리에게 일깨워 줍니다. 과거 영화 속 상상에 불과했던 자율주행 자동차나 하늘을 나는 이동 수단은 이제 현실로 다가오고 있습니다. 이러한 기술적 진보의 이면에는 복잡한 시스템 내의 무질서, 즉 카오스 속에서 질서를 찾아내려는 수학적 노력이 깃들어 있습니다. 최근에는 기계공학이나 통계학 등에서 각광받는 '불확실성 정량화(UQ)'라는 분야를 통해 예측 불가능한 변수들을 수학적으로 관리하려는 시도가 활발히 이루어지고 있습니다. 자연 속에 숨겨진 질서를 찾고 이를 기술로 구현하는 과정은 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것입니다. 수학은 결국 미래를 여는 열쇠이자, 복잡한 세상을 이해하는 가장 정교한 지도입니다.

하승열

카오스재단카오스강연

수학

[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] 2016 서울대 자연과학대 공개강연 '무질서에서 질서로' (1)

서울대학교 자연과학대학은 1994년부터 기초과학의 대중화를 위해 20년이 넘는 시간 동안 공개 강연을 이어오고 있습니다. 특히 최근에는 청소년과 일반인까지 대상을 확대하며 단순한 지식 전달을 넘어 한 편의 공연과 같은 몰입감 넘치는 무대를 선보이고 있습니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 학생들과 기초과학에 열정을 가진 시민들이 한자리에 모여 지적 탐구를 공유하는 이 장은, 우리 사회에 과학적 소양을 뿌리내리게 하는 소중한 전통으로 자리 잡았습니다. 세계적인 연구소의 권위는 그곳을 거쳐 간 위대한 과학자의 이름으로 증명되곤 합니다. 찰스 다윈과 같은 인물이 영국의 과학적 위상을 높였듯, 우리나라도 세계를 빛낼 독보적인 과학자를 배출해야 한다는 사명감을 가지고 있습니다. 총장실에 걸린 다윈의 사진은 미래의 꿈나무들이 대한민국을 넘어 세계 무대에서 우뚝 서기를 바라는 간절한 염원을 상징합니다. 이러한 강연을 통해 청소년들이 원대한 꿈을 품고 과학의 미래를 밝히는 주인공으로 성장하기를 기대합니다. 과학 기술의 발전은 우리가 인지하지 못하는 사이 일상의 풍경을 획기적으로 바꾸어 놓았습니다. 드론은 이미 생활 곳곳에서 편리함을 제공하고 있으며, 무인 자동차 기술은 운전을 단순한 기술이 아닌 휴식과 독서의 시간으로 변화시키고 있습니다. 스마트워치와 같은 웨어러블 기기가 대중화되면서 기술은 더욱 개인의 삶에 밀착되었습니다. 이러한 변화의 이면에는 자연의 원리를 탐구하는 자연과학과 이를 실현하는 공학적 노력이 맞물려 있으며, 이는 인류의 삶을 더욱 윤택하게 만드는 근간이 됩니다. 자연과학자를 움직이는 가장 강력한 동력은 명예나 보상보다는 세상의 이치를 진정으로 알고 싶어 하는 순수한 호기심입니다. 우주와 자연이 어떤 법칙에 따라 움직이는지, 그리고 무질서 속에서 어떻게 질서가 형성되는지를 밝혀내는 과정은 그 자체로 숭고한 도전입니다. 과학은 단순히 정답을 찾는 과정이 아니라, 자연이 우리에게 던지는 약속과 법칙을 이해하려는 노력입니다. 이러한 탐구 정신은 개인의 지적 만족을 넘어 우리 사회가 나아갈 방향을 제시하는 중요한 지표가 됩니다. '과학자의 꿈과 도전'이라는 대주제는 꿈을 가진 이가 필연적으로 마주하게 될 도전의 과정을 상징하며, 이는 무질서한 세상 속에서 질서를 찾아가는 숭고한 여정입니다. 이번 강연을 통해 참가자들이 자연의 섭리를 이해하고 인류에 기여할 미래 과학자로서의 포부를 다지기를 기대합니다. 오늘 심은 지적 호기심의 씨앗이 훗날 세상을 바꾸는 거대한 혁신의 나무로 성장하기를 진심으로 응원하며, 지식의 습득을 넘어 새로운 탐구의 길로 나아가는 계기가 되기를 바랍니다.

성낙인

카오스재단서울대자연과학공개강연

[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] 패널토의 및 대담 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (7)

2016년 서울대학교 자연과학 공개 강연의 대미를 장식한 대담은 '과학자의 꿈과 도전'이라는 주제로 진행되었습니다. 화학부 신석민 교수님의 사회 아래 물리천문학부 박혜윤 교수님, 수리과학부 이기헌 대학원생, 생명과학부 도경완 학부생이 한자리에 모여 과학에 대한 열정과 고민을 나누었습니다. 서로 다른 전공과 세대를 아우르는 이들은 과학이라는 공통분모를 통해 자신들의 삶과 학문적 지향점을 진솔하게 풀어내었습니다. 강연장의 열기는 마지막까지 식지 않았으며, 참석자들은 과학자들이 전하는 생생한 현장의 이야기에 깊이 공감하며 귀를 기울였습니다. 이번 강연의 핵심 키워드인 '무질서에서 질서로'에 대해 패널들은 각자의 학문적 관점을 제시했습니다. 수학은 복잡한 현상 속에서 단순한 패턴을 발견하고 이를 논리적인 언어로 서술하는 과정이며, 생명과학은 엔트로피 법칙 속에서도 질서를 유지하며 복잡성을 키워가는 생명체의 신비로움을 다룹니다. 무질서해 보이는 자연현상 이면에 숨겨진 아름다운 법칙을 찾아내는 과정이야말로 과학이 가진 진정한 매력임을 확인하는 시간이었습니다. 이러한 질서를 이해하려는 노력은 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어 자연의 본질에 다가가는 숭고한 여정입니다. 과학자의 길을 걷게 된 계기는 거창한 이론보다는 소소한 호기심에서 시작된 경우가 많았습니다. 밤하늘의 별을 보며 우주를 동경하거나, 뇌의 작동 원리에 의문을 품고, 집 옥상에서 위험천만한 화학 실험을 감행하던 어린 시절의 기억들이 그들을 과학의 세계로 이끌었습니다. 다큐멘터리를 보며 생명의 경이로움을 느꼈던 경험이나 수학이 가진 근원적인 설명력에 매료된 순간들은, 불확실한 미래 속에서도 과학자라는 꿈을 포기하지 않게 만드는 강력한 원동력이 되었습니다. 작은 호기심의 씨앗이 자라나 인류의 지식 지평을 넓히는 거대한 나무가 된 셈입니다. 과학자로 성장하는 과정은 결코 순탄치만은 않습니다. 여성 과학자로서 겪는 환경적 제약이나 대학원 과정에서의 학문적 고뇌, 그리고 학부생이 느끼는 진로에 대한 불안감은 모든 과학도가 마주하는 현실적인 도전입니다. 하지만 패널들은 다양성이 존중될 때 과학이 더욱 풍요로워질 수 있다고 강조합니다. 남성 중심적인 문화에서 벗어나 새로운 시각을 도입하고, 한국인으로서 특정 분야의 전문가가 되겠다는 자부심을 갖는 것은 과학계의 발전을 위해 매우 중요한 요소입니다. 어려움 속에서도 긍정적인 마음가짐을 유지하는 것이 과학자에게 필요한 덕목임을 시사합니다. 꿈에 대한 확신이 서지 않을 때 어떻게 해야 하느냐는 질문에 대해, 신석민 교수님은 '함께 꾸는 꿈'의 중요성을 역설했습니다. 혼자서 모든 짐을 짊어지기보다는 동료들과 함께 고민하고 힘을 합칠 때, 불확실성은 도전의 기회로 바뀔 수 있습니다. 과학은 단순히 지식을 습득하는 과정이 아니라, 끊임없이 질문을 던지고 그 해답을 찾아가는 긴 여정입니다. 이 과정에서 동료들과 나누는 유대감과 격려는 연구의 고단함을 잊게 하고 다시금 앞으로 나아갈 수 있는 에너지를 제공합니다. 혼자가 아닌 함께일 때 과학자의 꿈은 더욱 견고해지고 현실에 가까워집니다. 자연과학을 전공하면 경제적으로 어려울 것이라는 편견에 대해서도 심도 있는 논의가 이루어졌습니다. 물리학이나 수학 같은 기초과학은 금융, 게임, IT 등 다양한 산업 분야로 진출할 수 있는 탄탄한 사고의 기초가 됩니다. 100세 시대를 살아가는 현대인에게 과학적 사고방식은 변화하는 환경에 적응하고 문제를 해결하는 핵심 역량이 됩니다. 단순히 일자리를 구하는 수단을 넘어, 세상을 바라보는 논리적인 틀을 갖추는 것이 과학 교육이 지향해야 할 진정한 가치입니다. 과학은 굶주림의 길이 아니라, 세상을 더 넓고 깊게 이해하며 자아를 실현하는 풍요로운 길입니다. 대담의 마무리는 미래 과학이 해결해야 할 도전적인 과제들로 채워졌습니다. 상대성이론과 양자역학을 통합할 수 있는 새로운 수학적 언어의 개발, 뇌의 신비를 밝히는 신경세포 연구, 그리고 생태학과 동물 행동학 같은 거시적 생물학 분야의 개척 등은 다음 세대 과학자들이 짊어져야 할 몫입니다. 과학자의 꿈은 정체된 것이 아니라 시대의 흐름에 따라 계속해서 진화하며, 이러한 도전을 멈추지 않을 때 인류의 지식 지평은 더욱 넓어질 것입니다. 오늘 대담에 참여한 학생들의 눈빛에서 우리는 인류의 미래를 밝힐 새로운 과학의 희망을 발견할 수 있었습니다.

박혜윤, 신석민

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학
화학
생명과학