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2025 노벨 물리학상에 이은 2025 노벨상 시리즈 2탄!!!🎉🎉이번엔 어떤 노벨상이고 또 어떤 연구가 받았을까?🤔🤔(feat. 2025 요즘과학 여정의 마침표)

우리 몸의 면역 체계는 외부에서 침입하는 바이러스나 세균을 방어하는 중요한 역할을 합니다. 면역은 단순히 강한 것이 좋은 것이 아니라, 나와 남을 정확히 구분하고 적절히 조절하는 균형이 핵심입니다. 만약 치킨이나 쌀과 같은 일상적인 음식에 대해 면역 반응이 일어난다면, 우리는 매번 식사할 때마다 배탈이 날 것입니다. 이러한 구분과 조절이 제대로 이루어지지 않으면 알레르기나 자가면역 질환이 발생할 수 있습니다. 이번 노벨 생리의학상은 바로 이 '나와 남의 구분'과 면역 조절에 대한 연구에 수여되었습니다. 면역 세포는 군대처럼 다양한 역할을 맡고 있습니다. 공격을 담당하는 세포, 명령을 내리는 세포, 감시하는 세포 등으로 나뉘며, 이 중 조절 T세포는 과도한 면역 반응을 억제하는 중요한 역할을 합니다. 조절 T세포가 부족하거나 제대로 작동하지 않으면, 우리 몸은 외부 자극에 과민하게 반응해 아토피나 알레르기, 자가면역 질환 등이 나타날 수 있습니다. 이번 노벨상 수상자들은 조절 T세포의 존재와 그 기능을 분자 생물학적으로 규명해냈습니다. 조절 T세포의 발견은 면역학의 패러다임을 바꾼 중요한 사건입니다. 특히 Foxp3라는 유전자의 돌연변이가 조절 T세포의 생성과 기능에 결정적인 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 유전자가 제대로 작동하지 않으면 심각한 자가면역 질환이 발생할 수 있습니다. 이러한 연구는 면역 체계의 균형이 얼마나 중요한지, 그리고 그 균형을 유지하는 분자적 기전이 무엇인지에 대한 깊은 이해를 제공합니다. 현대 사회는 위생 환경이 크게 개선되면서 면역 체계가 과거와는 다른 도전에 직면하게 되었습니다. 예전에는 기생충이나 세균 감염이 흔했지만, 이제는 너무 깨끗한 환경 탓에 면역 세포가 자기 몸을 공격하는 자가면역 질환이 늘고 있습니다. 조절 T세포와 Foxp3 유전자에 대한 연구는 이러한 현대적 질병의 치료법 개발에 큰 기여를 하고 있습니다. 앞으로 암, 감염병, 알레르기, 장기 이식 등 다양한 분야에서 이 연구가 활용될 전망입니다. 면역학의 발전은 백신 개발과 알레르기 치료에도 큰 영향을 미치고 있습니다. 백신은 면역 체계를 자극해 질병을 예방하는 원리로, 최근에는 mRNA 백신 등 첨단 기술이 도입되고 있습니다. 반면 알레르기와 같은 질환은 면역 반응을 억제하는 전략이 필요하며, 조절 T세포를 인위적으로 분화시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 면역의 강약 조절이 가능해지면서, 질병에 따라 맞춤형 치료가 현실로 다가오고 있습니다.

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생명과학

🤸2025년에도 또 돌아왔다!!🤸 2025 노벨상 시리즈 1탄!!!🎉🎉이번엔 어떤 연구가 수상했을까요? 😱(feat. MC규는 이해했을까?)😱 | 요즘과학

2025년 노벨 물리학상은 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마르티니스 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 이들의 연구는 전기 회로에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화를 발견한 업적으로 인정받았습니다. 기존에는 원자나 전자처럼 미시 세계에서만 관찰되던 양자역학적 현상이, 손바닥 위에 올릴 수 있는 전기 회로와 같은 거시적 시스템에서도 나타날 수 있음을 실험적으로 증명한 것입니다. 이로써 양자역학의 적용 범위가 한층 넓어졌고, 과학계에 큰 반향을 일으켰습니다. 양자 터널링은 입자가 에너지 장벽을 넘을 수 없는 상황에서도, 확률적으로 장벽을 통과하는 현상을 의미합니다. 이는 파동의 성질로 설명할 수 있으며, 실제로 빛이나 전자 등 미시적 입자에서 관찰됩니다. 예를 들어, 프리즘을 이용한 실험에서는 전반사 현상이 깨지면서 빛이 장벽을 통과하는 모습을 볼 수 있습니다. 이러한 양자 터널링은 지문 인식기 등 일상 속 기술에도 활용되고 있습니다. 에너지 양자화는 시스템이 연속적인 에너지를 갖지 못하고, 특정한 값만을 가질 수 있음을 의미합니다. 이는 줄을 양쪽에서 고정하고 흔들었을 때 정상파가 특정 진동수로만 만들어지는 현상과 유사합니다. 전자도 원자 내에서 파동성에 의해 특정 에너지 상태만을 가질 수 있으며, 초전도 회로에서도 이와 같은 에너지 양자화가 관찰됩니다. 연구팀은 이러한 초전도 회로를 통해 인공 원자를 구현했다고 밝혔습니다. 초전도 회로는 전류가 저항 없이 흐르는 특수한 환경에서 만들어집니다. 이 회로에서는 전자들이 쿠퍼 쌍을 이루어 하나의 파동처럼 움직이며, 거시적 양자 상태를 형성합니다. 실험을 위해서는 극저온 환경과 외부 잡음을 차단하는 정교한 장치가 필요합니다. 연구진은 이러한 조건에서 전류의 양자적 진동과 양자 터널링을 관측하는 데 성공하였고, 이는 노벨상 수상의 결정적 근거가 되었습니다. 이러한 연구는 양자 정보 기술의 발전에 큰 기여를 하고 있습니다. 초전도 회로에서 구현되는 인공 원자는 양자 정보의 기본 단위인 큐비트로 활용될 수 있습니다. 큐비트는 0과 1의 상태가 중첩될 수 있으며, 얽힘 현상도 나타납니다. 이로 인해 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 센싱 등 다양한 분야에서 혁신적인 기술 발전이 기대되고 있습니다. 양자 기술은 의료, 제약, 소재, 교통, 항공, 반도체, 국방, 금융 등 다양한 산업에 혁신을 가져올 잠재력을 지니고 있습니다. 특히 양자 컴퓨터는 기존 슈퍼컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 빠르게 해결할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 또한 양자 통신은 안전한 정보 전달을 가능하게 하며, 양자 센싱은 초정밀 측정 기술로 활용될 수 있습니다. 이러한 기술들은 미래 사회의 게임 체인저로 주목받고 있습니다. 양자역학과 양자 기술은 여전히 어렵고 추상적인 개념이 많지만, 반복적인 학습과 체험을 통해 점차 이해할 수 있습니다. 과학관에서는 양자역학의 핵심 개념을 쉽게 접할 수 있는 전시를 준비하고 있으며, 이를 통해 더 많은 사람들이 양자 세계의 신비로움을 경험할 수 있기를 기대합니다. 앞으로 양자 기술이 우리 일상에 더욱 가까워질 것이며, 미래 세대가 이 가능성을 실현해 나갈 것입니다.

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물리학
융합

[대담] 2025 '노벨상 해설강연' 과학톡!(TALK) by 신의철, 박권, 문회리 l 고등과학원&카오스재단

현대 과학의 최전선은 눈에 보이지 않는 미시 세계를 탐구하는 데 집중되어 있습니다. 올해 노벨상 수상 분야들은 물리, 화학, 생리·의학에 이르기까지 공통적으로 인간의 시각을 넘어선 영역을 다루고 있습니다. 물리학의 양자역학, 화학의 분자 구조, 그리고 생명과학의 면역 체계는 모두 직접 볼 수 없지만 우리 존재를 지탱하는 근간입니다. 과학자들은 이러한 보이지 않는 세상을 이해하기 위해 수많은 물리적 분석 도구를 동원하며, 찰나의 순간이나 기공 속에 숨겨진 비밀을 밝혀내기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 화학 분야의 금속-유기 골격체(MOF) 연구는 정교한 분석 기술의 중요성을 잘 보여줍니다. 거대하고 복잡한 결정 구조 내부에 존재하는 미세한 구멍들을 확인하기 위해 X-선이나 전자 회절법 같은 고도의 기술이 필수적입니다. 단순히 물질을 합성하는 것에 그치지 않고, 그 안에서 어떤 반응이 일어나는지를 실시간으로 관찰하려는 화학자들의 갈망은 '인시투(In-situ)' 분석법의 발전으로 이어졌습니다. 이는 보이지 않는 영역을 시각화하려는 인간의 노력이 기술적 한계를 어떻게 극복해 왔는지를 여실히 보여주는 사례라 할 수 있습니다. 생리·의학 분야에서 면역 체계의 조절 기전을 밝히는 과정 역시 보이지 않는 현상을 증명해 나가는 험난한 여정입니다. 세포의 움직임을 실시간으로 관찰하기 어려운 상황에서 연구자들은 기존 지식을 바탕으로 가설을 세우고, 특정 요소를 제거하거나 조작했을 때 나타나는 반응을 확인합니다. 특히 대조군 실험을 통해 논리적 빈틈을 메우는 과정은 과학적 진실에 다가가기 위한 필수적인 절차입니다. 이러한 체계적인 실험 설계는 단순한 관찰을 넘어, 생명 현상의 이면에 숨겨진 근원적인 원리를 이해하고 증명하는 강력한 무기가 됩니다. 물리학 연구자들은 미시 세계를 탐구하면서 종종 자신의 감각이 확장되는 독특한 경험을 하기도 합니다. 복잡한 이론과 실험을 반복하다 보면 보이지 않는 양자역학적 현상이 마치 눈앞에 선명하게 펼쳐지는 듯한 물아일체의 경지에 도달하게 됩니다. 이는 거시 세계의 익숙한 감각이 미시 세계의 논리로 전이되는 과정이며, 결국 보이지 않는 세계와 보이는 세계가 본질적으로 연결되어 있음을 시사합니다. 미시 세계의 끝과 거시 세계의 시작이 맞닿는 그 경계에 대한 연구는 우리 존재의 근원을 묻는 철학적인 질문으로 이어집니다. 관측의 과정에서 발생하는 데이터의 변수나 오류를 대하는 태도는 과학적 발견의 향방을 결정짓기도 합니다. 예를 들어, 실험 결과가 예상과 다를 때 이를 단순한 실패로 치부하지 않고 그 원인을 파고드는 집요함이 필요합니다. 완벽해 보이는 결정 구조 속에 숨겨진 결함이 오히려 촉매 반응의 핵심적인 자리가 되거나 새로운 기능을 부여하는 반전의 계기가 되기 때문입니다. 집단적인 확신 속에서도 의문을 제기하고 보이지 않는 작은 틈새를 발견해 내는 통찰력은, 편견을 극복하고 새로운 지평을 여는 과학자의 가장 중요한 덕목입니다. 최근 인공지능 기술의 비약적인 발전은 과학 연구의 풍경을 바꾸고 있지만, 근원적인 발견의 영역에서는 여전히 인간의 역할이 중추적입니다. AI는 방대한 데이터를 분석하여 패턴을 찾아내고 최적의 조건을 예측하는 데 탁월한 능력을 발휘하지만, 새로운 통찰을 통해 가설을 세우고 우연한 발견을 의미 있는 성과로 연결하는 것은 인간 고유의 영역입니다. 노벨상과 같은 혁신적인 업적은 지엽적인 데이터 처리보다는 근본적인 아이디어와 직관에서 비롯됩니다. 기술적 수단으로서의 AI와 인간의 창의적 사고가 조화를 이룰 때 진정한 과학적 진보가 가능할 것입니다. 양자역학의 핵심 원리인 측정의 문제는 인간과 우주의 관계에 대해 깊은 성찰을 요구합니다. 관측자가 시스템에 개입하는 순간 결과가 변형된다는 사실은, 우리가 우주와 분리된 존재가 아니라 밀접하게 연결된 하나임을 상기시킵니다. 초전도체나 이온 트랩을 이용한 양자 컴퓨터 개발은 이러한 물리적 원리를 현실 세계의 기술로 구현하려는 원대한 시도입니다. 보이지 않는 미시 세계의 법칙을 탐구하는 끝에서 우리는 결국 세상의 본질이 무엇인지, 그리고 인간의 의지가 과학적 진실 형성에 어떤 역할을 하는지에 대한 철학적 해답을 찾아나가게 될 것입니다.

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물리학
화학
생명과학

[강연] 면역반응의 억제: 왜 필요하고 어떻게 이루어 지는가?_by 신의철 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

올해 노벨 생리의학상의 핵심 업적은 면역 반응을 억제하는 '조절 T세포'의 발견과 그 원리를 규명한 것입니다. 우리 몸의 면역계는 외부의 세균이나 바이러스가 침입했을 때 이를 인식하고 공격하여 신체를 보호하는 역할을 수행합니다. 그러나 면역 반응이 필요 이상으로 과도하게 일어나면 오히려 정상적인 세포를 공격하는 자가면역 질환이 발생할 수 있습니다. 조절 T세포는 이러한 면역계의 과도한 활성화를 억제하고 항상성을 유지하는 감시자 역할을 하며, 이는 생명 유지의 근원적 원리를 이해하는 데 중요한 이정표가 되었습니다. 면역계는 다양한 세포들의 협력으로 작동합니다. 대식세포가 적을 잡아먹고 수지상세포가 정보를 전달하면, 도움 T세포와 킬러 T세포가 본격적인 전투를 벌입니다. 이때 조절 T세포는 도움 T세포와 유사한 'CD4'라는 표지자를 가지고 있어 겉보기에는 구분하기 어렵지만, 기능은 정반대로 면역 반응을 가라앉히는 일을 합니다. 연구자들은 1995년 'CD25'라는 추가적인 표지자를 발견함으로써 이 특별한 세포를 식별할 수 있게 되었으며, 이를 통해 면역 억제 기전을 구체적으로 연구할 수 있는 토대를 마련했습니다. 사카구치 시몬 교수는 1980년대부터 조절 T세포의 존재를 추적해 왔습니다. 그는 생후 3일 된 생쥐의 흉선을 제거했을 때 자가면역 질환이 발생하는 현상에 주목했습니다. 실험 결과, 정상적인 생쥐의 특정 T세포를 넣어주면 병의 진행을 막을 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 우리 몸 안에 자가면역 반응을 억제하는 특정 세포군이 존재함을 시사하는 결정적인 증거였습니다. 이후 10년이 넘는 연구 끝에 그는 이 세포가 '조절 T세포'임을 입증하며, 면역학의 오랜 수수께끼였던 자가면역 억제 기전을 세상에 알렸습니다. 조절 T세포의 정체는 'Foxp3'라는 유전자가 발견되면서 더욱 명확해졌습니다. 독립적으로 연구를 진행하던 다른 연구자들은 돌연변이 생쥐와 희귀 자가면역 질환 환자들을 통해 이 유전자의 결함이 심각한 면역 이상을 초래한다는 점을 발견했습니다. 이후 사카구치 시몬 교수는 Foxp3가 조절 T세포의 생성과 기능을 결정하는 '마스터 조절자'임을 입증했습니다. 즉, Foxp3가 발현되어야만 일반적인 T세포가 조절 T세포로 분화할 수 있는 것입니다. 이로써 세포 수준의 발견은 분자 유전학적 근거를 얻으며 확고한 과학적 사실로 자리 잡았습니다. 면역계가 나를 공격하지 않도록 조절하는 원리는 크게 중추 면역 관용과 말초 면역 관용으로 나뉩니다. 중추 면역 관용은 흉선에서 나를 공격할 위험이 있는 T세포를 미리 제거하는 교육 과정입니다. 그러나 이 과정이 완벽하지 않아 일부 위험한 세포들이 몸속으로 흘러나오기도 합니다. 이때 말초 부위에서 이들을 감시하고 억제하는 존재가 바로 조절 T세포입니다. 조절 T세포의 발견은 흉선에서의 1차 방어 이후 우리 몸이 어떻게 2차적으로 면역 평화를 유지하는지에 대한 '말초 면역 관용'의 원리를 완벽하게 설명해 주었습니다. 조절 T세포에 대한 이해는 현대 의학의 치료 패러다임을 바꾸고 있습니다. 자가면역 질환이나 장기 이식 거부 반응이 있는 환자에게는 조절 T세포의 기능을 강화하거나 그 수를 늘려 과도한 공격을 잠재우는 치료법이 연구되고 있습니다. 반대로 암 환자의 경우에는 암세포 주변에 밀집한 조절 T세포가 면역 세포의 공격을 방해하는 것이 문제가 됩니다. 따라서 암 조직 내의 조절 T세포 활성을 선택적으로 낮추면, 우리 몸의 면역계가 다시 암세포를 효과적으로 공격할 수 있게 됩니다. 이는 차세대 면역 항암제 개발의 핵심 전략으로 주목받고 있습니다. 결론적으로 조절 T세포의 발견은 면역계의 단순한 방어 작용을 넘어, 생명체가 스스로를 보호하면서도 과잉 반응을 경계하는 정교한 조율 장치를 갖추고 있음을 보여줍니다. 비록 당장 상용화된 약제는 부족할지라도, 이 세포의 원리를 응용한 치료 기술은 난치병 극복을 위한 밝은 전망을 제시합니다. 인류는 이제 면역 반응을 단순히 켜고 끄는 단계를 지나, 정밀하게 조절하고 관리할 수 있는 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 이번 노벨상 업적은 기초 과학의 발견이 어떻게 인류의 건강과 질병 치료에 기여할 수 있는지를 보여주는 위대한 성과입니다.

카오스재단카오스강연

생명과학

과연 설탕만 단맛이 나는 걸까?

달콤한 탕후루나 초콜릿 케이크를 보면 입안에 군침이 돌지만, 동시에 늘어날 체중 걱정에 망설여지곤 합니다. 설탕의 단맛을 포기하지 않으면서도 건강을 지킬 방법은 없을까요? 우리 혀에는 미뢰가 있어 음식의 다양한 맛을 감지합니다. 짠맛과 신맛은 특정 이온이 세포로 들어오며 느껴지지만, 단맛과 쓴맛, 감칠맛은 분자 구조를 인식하는 수용체를 통해 전달됩니다. 이러한 미각의 원리를 이해하면 설탕 없이도 단맛을 즐기는 비밀을 풀 수 있습니다. 미각의 신비가 과학적으로 밝혀진 것은 그리 오래되지 않았습니다. 2000년대 초반부터 쓴맛, 단맛, 감칠맛을 느끼는 수용체들이 차례로 발견되었고, 이후 짠맛과 신맛에 관여하는 이온 채널의 정체도 규명되었습니다. 이로써 인간이 느끼는 다섯 가지 기본 맛의 지도가 완성되었습니다. 우리가 흔히 섭취하는 설탕의 주성분인 포도당은 우리 몸의 핵심 에너지원이자 수용체에 즉각적인 반응을 일으키는 고유한 구조를 가지고 있어 우리에게 달콤한 즐거움을 선사합니다. 최근 인기를 끄는 제로 음료에는 설탕 대신 대체 감미료가 들어갑니다. 아스파탐이나 사카린 같은 물질은 설탕보다 훨씬 강렬한 자극을 주면서도 신체에 흡수되는 에너지는 거의 없습니다. 이는 대체 감미료 분자가 혀의 특정 부위와 매우 강력하게 결합하여 뇌에 신호를 보내기 때문입니다. 덕분에 칼로리 걱정 없이도 혀끝에서는 설탕 이상의 달콤함을 만끽할 수 있어 다이어트 식품이나 대체 감미료로 널리 활용되고 있습니다. 서로 다른 구조를 가진 분자들이 어떻게 똑같이 단맛을 낼 수 있는지 의문이 생길 수 있습니다. 이는 우리 몸의 수용체가 특정 형태에만 국한되지 않고 여러 화합물에 반응할 수 있는 포용성을 지녔기 때문입니다. 대체 감미료는 설탕과는 다른 화학적 구성을 가졌음에도 수용체의 활성 부위에 성공적으로 안착하여 신호를 만들어냅니다. 다만 이러한 성분은 매우 강력한 효과를 지니므로, 건강한 식생활을 위해서는 섭취량 조절에 유의해야 합니다. 우리가 느끼는 맛은 분자와 수용체 사이의 정교한 상호작용이 만들어낸 결과물입니다. 최근에는 인공지능 기술인 알파폴드의 등장으로 단백질 구조 예측이 비약적으로 발전하며 미각 연구의 새로운 장이 열렸습니다. 이 기술을 활용하면 수용체의 구조를 정밀하게 분석하여 어떤 물질이 맛을 내는지 시뮬레이션할 수 있습니다. 과학의 발전은 이제 자연의 설탕을 넘어, 더 건강하고 혁신적인 달콤함을 창조하여 우리의 식탁을 더욱 풍성하게 만들어줄 것입니다.

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화학
생명과학
융합

[토크] 과학자가 생각하는 AI 노벨상 수상과 딥시크 논란 | 과학자들의 방과 후 수다 1 | 1편

최근 노벨상 위원회가 인공지능 분야의 공헌자들에게 물리학상과 화학상을 수여한 사건은 학계에 큰 파장을 일으켰습니다. 이는 전통적인 학문의 경계가 허물어지고 있음을 상징적으로 보여줍니다. 특히 단백질 구조를 예측하는 알파폴드와 같은 기술은 바이오 연구 현장에 혁명적인 변화를 가져왔으며, 인공지능이 단순한 도구를 넘어 과학적 발견의 핵심 동력으로 자리 잡았음을 증명했습니다. 이러한 변화는 과거 1990년대 말 컴퓨터 공학이 생물학에 적용되기 시작한 이래로 비약적인 발전을 거듭한 결과입니다. 이제는 물리, 화학, 생물의 구분이 모호해졌으며 질문의 본질에 따라 다양한 학문적 접근이 융합되는 시대가 도래했습니다. 노벨 물리학상을 받은 힌튼과 홉필드 교수의 업적은 인공지능 기술 자체보다는 그 근간이 되는 통계 물리학적 원리에 기반하고 있습니다. 홉필드 모델과 이를 발전시킨 볼츠만 머신은 물리학적 아이디어를 통해 인간의 신경망을 모방한 회로를 구성한 선구적인 시도였습니다. 비록 컴퓨터 과학자로 알려져 있지만, 이들의 연구는 근본적으로 물리학의 법칙을 활용하여 지능의 원리를 탐구했다는 점에서 학술적 정당성을 확보하고 있습니다. 이는 인공지능의 발전이 단순히 공학적 성과에 그치지 않고, 자연의 근본 원리를 탐구하는 기초 과학의 영역과 깊게 맞닿아 있음을 시사합니다. 최근 전 세계를 놀라게 한 딥시크의 등장은 인공지능 개발의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 거대 자본과 수만 개의 GPU를 투입하는 미국의 방식과 달리, 중국의 엔지니어들은 제한된 자원 속에서 소프트웨어 최적화와 스마트한 알고리즘 설계를 통해 효율적인 모델을 만들어냈습니다. 이는 막대한 자본 없이도 창의적인 아이디어와 기술력만 있다면 거대 기업과 경쟁할 수 있다는 희망적인 메시지를 전 세계 젊은 과학자들에게 전달하고 있습니다. 특히 오픈 소스 생태계를 지향하는 이러한 움직임은 기술의 민주화와 혁신의 가속화를 이끄는 중요한 동력이 되고 있습니다. 국가별 과학 기술 생태계의 차이도 주목할 만합니다. 미국이 민간 주도의 혁신을 이끌고 유럽이 규제를 통해 개인정보를 보호한다면, 중국은 개방적인 생태계 구축을 통해 기술 혁신을 꾀하고 있습니다. 특히 딥시크가 선택한 MIT 라이선스와 같은 오픈 소스 전략은 기술 독점을 방지하고 더 큰 혁신을 유도하려는 전략적 선택입니다. 데이터의 활용과 규제 사이의 균형은 향후 국가 경쟁력을 결정짓는 중요한 요소가 될 것입니다. 이러한 생태계의 다양성은 인공지능 기술이 특정 국가나 기업에 종속되지 않고 인류 전체의 자산으로 발전하는 데 기여할 것입니다. 한국 사회의 고질적인 문제인 의대 쏠림 현상은 젊은 인재들이 도전을 주저하게 만드는 사회적 분위기를 반영합니다. 과거에는 아인슈타인이나 호킹 같은 과학자를 꿈꾸며 기초 과학에 투신하는 청년들이 많았으나, 현재는 실패에 대한 두려움과 안정 지향적인 가치관이 지배적입니다. 지속 가능한 발전을 위해서는 남들이 가지 않는 길을 선택하는 이들에 대한 존중과, 실패하더라도 다시 일어설 수 있는 사회적 안전망 구축이 절실합니다. 젊은이들이 거대 자본에 압도당하지 않고 자신만의 영역에서 새로운 가치를 창출할 수 있도록 격려하는 사회적 풍토가 마련되어야 합니다.

신예리, 윤성철, 이현숙, 정하웅

카오스재단과학자들의 방과 후 수다

물리학
생명과학
천문학

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #004 | 이승근 데이터사이언스 대학원 교수

이승근 교수는 생물학, 통계학, 그리고 소프트웨어 엔지니어링이라는 세 가지 서로 다른 분야를 융합하여 자신만의 독자적인 연구 영역을 구축했습니다. 서울대학교 데이터 사이언스 대학원에서 활동 중인 그는 유전 변이와 질병 간의 상관관계를 분석하는 통계적 유전학을 전공하고 있습니다. 학부 시절 생물학을 전공하며 실험의 어려움을 느꼈던 경험과 군 복무 시절 소프트웨어 개발자로 일했던 경력은 그가 데이터 기반의 생물 통계학자로 성장하는 데 중요한 밑거름이 되었습니다. 그의 연구에서 가장 핵심적인 성과는 희귀 유전 변이를 분석하는 새로운 통계적 방법론을 개발한 것입니다. 과거에는 복잡하고 단순하게 처리되던 유전 데이터 분석을 보다 현실적인 시나리오에서 수행할 수 있도록 돕는 소프트웨어를 제작하여 전 세계 연구자들에게 큰 영향을 미쳤습니다. 수천 번 이상 인용된 그의 연구는 단순히 이론에 그치지 않고, 실제 유전 변이가 키나 몸무게 같은 표현형이나 특정 질병에 어떤 영향을 미치는지 예측하는 데 실질적인 도구로 활용되고 있습니다. 최근 과학계의 화두인 인공지능은 바이오 분야에서도 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. DNA의 변이를 해석하고 그 기능을 예측하는 과정뿐만 아니라, 뇌 영상과 같은 복잡한 로 데이터에서 유의미한 특징을 추출하는 데 AI가 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히 노벨 물리학상과 화학상이 AI 선구자들에게 수여된 사례는 인공지능이 기초 과학 전반에 미치는 거대한 영향력을 증명합니다. 이러한 흐름 속에서 데이터 사이언스는 생명 현상을 이해하는 새로운 렌즈로서 그 중요성이 더욱 강조되고 있습니다. 진정한 의미의 융합 연구를 위해서는 서로 다른 분야의 연구자들이 각자의 언어를 이해하고 존중하는 태도가 필수적입니다. 데이터 분석가와 실험 연구자 사이의 협업은 데이터 정제나 배치 이펙트 보정과 같은 실무적인 어려움으로 인해 쉽지 않은 과정이지만, 이를 극복했을 때 비로소 실질적인 성과가 나타납니다. 미국과 한국의 연구 환경 차이에도 불구하고, 다양한 전문가들과의 교류를 통해 연구의 지평을 넓히는 과정은 현대 과학이 지향해야 할 협력의 모델을 잘 보여줍니다. 학계에서 연구자로 살아가는 것은 끊임없는 평가와 인내를 요구하는 과정입니다. 주니어 시절부터 테뉴어를 받기까지의 불안정성을 견뎌내야 하지만, 그 과정에서 얻는 보상은 매우 특별합니다. 자신이 진정으로 탐구하고 싶은 주제를 자유롭게 추구하며, 연구 결과에 자신의 이름을 새길 수 있다는 점은 아카데미만이 줄 수 있는 매력입니다. 이러한 보람을 동력 삼아 꾸준히 정진한다면, 연구자로서 마주하는 수많은 도전은 성장을 위한 소중한 자양분이 될 것입니다.

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[강연] 최적화 이론, 인공지능 시대에 비상하다 1_by 권도현 / 2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 시즌2 8강 첫 번째 이야기 | 8강 ①

인공지능은 현대 과학의 정점으로 불리며, 최근 노벨 물리학상과 화학상을 인공지능 연구자들이 휩쓴 사건은 그 위상을 단적으로 보여줍니다. 과거에는 연구 성과가 인정받기까지 수십 년이 걸리기도 했으나, 인공지능 분야는 불과 몇 년 만에 세계적인 인정을 받을 만큼 혁신적인 속도로 발전하고 있습니다. 이러한 인공지능의 놀라운 퍼포먼스 이면에는 복잡한 문제를 효율적으로 해결하기 위한 수학적 원리가 숨어 있는데, 그 핵심이 바로 최적화 이론입니다. 최적화 이론이란 주어진 제약 조건 아래에서 목적 함수가 최솟값이나 최댓값을 가지는 지점을 찾는 과정을 의미합니다. 예를 들어, 특정 예산과 시간 내에 가장 멀리 이동할 수 있는 경로를 찾는 것이 실생활의 최적화 문제입니다. 수학적으로는 변수와 제약 조건을 설정하고, 이를 만족하는 최적의 해를 구하는 수식으로 표현됩니다. 인공지능 역시 방대한 데이터 속에서 가장 정확한 답을 내놓기 위해 이 최적화 과정을 끊임없이 반복하며 학습을 진행합니다. 최적화의 역사에서 중요한 이정표 중 하나는 18세기 몽주가 제안하고 20세기 칸토로비치가 일반화한 최적 운송 이론입니다. 이는 물류 비용을 최소화하기 위해 자원을 어떻게 배분할 것인가를 다루는 학문으로, 칸토로비치는 이 공로로 노벨 경제학상을 수상했습니다. 오늘날 아마존이나 쿠팡 같은 거대 물류 기업들이 효율적인 배송 시스템을 구축할 수 있는 것도 바로 이 이론 덕분입니다. 자원 배분의 효율성을 극대화하는 수학적 모델은 현대 산업 전반의 수익성과 직결됩니다. 최적화는 물리적 현상을 설명하는 데에도 필수적입니다. 중력이 작용하는 상황에서 공이 가장 빠르게 내려오는 경로를 찾는 '최단 강하 곡선' 문제는 변분법이라는 수학 분야를 탄생시켰습니다. 오일러와 라그랑주는 이 곡선을 나타내는 미분 방정식을 찾아내어 복잡한 함수의 최적점을 구하는 기틀을 마련했습니다. 이러한 고전 역학의 수학적 도구들은 오늘날 인공지능이 복잡한 데이터 분포를 이해하고 예측 모델을 설계하는 데 있어 강력한 기반이 되고 있습니다. 인공지능 모델에서 최적화는 '손실 함수'를 최소화하는 과정으로 구체화됩니다. 손실 함수란 인공지능이 예측한 값과 실제 정답 사이의 오차를 나타내는 지표입니다. 모델이 학습한다는 것은 결국 이 오차를 줄여나가는 과정을 의미하며, 수학적으로는 함수의 기울기를 이용해 최저점을 찾아가는 여정입니다. 오차가 작을수록 인공지능은 더 정확한 판단을 내리게 되며, 이를 위해 수학자들은 더 정교한 목적 함수를 설계하고 효율적인 계산 알고리즘을 개발하는 데 매진하고 있습니다. 오차를 줄이는 대표적인 방법은 '경사하강법'입니다. 이는 마치 안대를 쓴 채 그랜드 캐니언의 가장 깊은 골짜기를 찾아가는 과정과 비슷합니다. 현재 위치에서 지면의 경사를 파악해 가장 가파르게 내려가는 방향으로 한 걸음씩 이동하는 방식입니다. 이때 한 번에 이동하는 거리를 '학습률'이라고 부르는데, 이 값이 너무 작으면 학습 속도가 지나치게 느려지고, 너무 크면 최적점을 지나쳐버리는 문제가 발생합니다. 따라서 적절한 학습률을 설정하는 것이 인공지능 성능의 핵심입니다. 현실의 데이터는 매우 복잡하여 함수의 모양이 단순한 볼록 형태가 아닌 경우가 많습니다. 골짜기를 내려가다 보면 중간에 작은 웅덩이에 빠져 더 이상 내려가지 못하는 '지역 최솟값' 문제에 직면하기도 합니다. 이를 극복하기 위해 현대 인공지능은 무작위성을 도입한 '확률적 경사하강법'과 같은 고도화된 기법을 사용합니다. 수학적 엄밀함과 실험적 최적화가 결합된 이러한 노력들은 인공지능이 인간의 지능을 모방하고 초월하는 데 결정적인 역할을 수행하고 있습니다.

권도현

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📍댓글 이벤트! 세계에서 노벨상🏆을 가장 많이 수상한 나라는? 노벨상, 한국 과학자들의 위대한 도전! Part.1 l 선을 넘는 과학자들

노벨상은 매년 전 세계의 이목을 집중시키는 최고의 권위를 가진 상입니다. 최근 한강 작가의 노벨 문학상 수상 소식은 우리 사회에 큰 기쁨과 자부심을 안겨주었으며, 이는 자연스럽게 노벨 과학상에 대한 관심으로 이어지고 있습니다. 노벨상은 단순히 개인의 영예를 넘어 한 국가의 기초 과학 수준과 문화적 역량을 상징하는 지표로 인식되곤 합니다. 이러한 사회적 분위기 속에서 우리는 노벨상이 지닌 진정한 가치와 그 이면에 담긴 과학자들의 헌신적인 노력을 다시금 되새겨볼 필요가 있습니다. 알프레드 노벨의 유언으로 시작된 이 상은 인종이나 국적, 종교에 상관없이 인류에게 가장 큰 공헌을 한 인물에게 수여됩니다. 수상자에게는 업적을 기리는 고유한 디자인의 상장과 순금으로 제작된 메달, 그리고 막대한 규모의 상금이 주어집니다. 특히 상금의 규모가 매우 커서 대중의 관심을 끌기도 하지만, 과학자들에게는 자신의 연구가 인류의 진보에 기여했음을 인정받는 명예가 무엇보다 소중한 가치로 다가옵니다. 이러한 보상은 연구자들이 평생을 바쳐 일궈온 학문적 성과에 대한 합당한 예우라고 할 수 있습니다. 2024년 노벨 과학상의 흐름을 살펴보면 기존의 정설이 파괴되는 흥미로운 변화가 관찰됩니다. 노벨 물리학상과 노벨 화학상 분야에서 인공지능(AI) 연구자들이 상을 휩쓸며 과학과 공학의 경계가 무너지고 있음을 보여주었습니다. 또한 30대의 젊은 연구자가 수상하는가 하면, 90세가 넘은 고령의 과학자가 생애 마지막 순간에 영광을 안기도 했습니다. 이러한 변화는 현대 과학이 더 이상 특정 학문에 국한되지 않고 다양한 분야와 융합하며 역동적으로 발전하고 있음을 시사합니다. 이는 미래의 과학 연구가 나아가야 할 새로운 방향성을 제시하고 있습니다. 국가별 수상 현황을 보면 미국이 압도적인 우위를 점하고 있으며 영국, 독일, 프랑스에 이어 일본이 세계 5위권의 성적을 거두고 있습니다. 아시아에서는 1930년 인도의 라만을 시작으로 일본의 유카와 히데키 등 여러 선구자가 노벨 과학상의 문을 열었습니다. 현재 세계 10위권 내외의 국가들은 보통 10명 이상의 수상자를 배출하고 있는데, 이는 기초 과학에 대한 장기적인 투자와 학문적 전통이 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다. 아시아 국가들의 약진은 서구 중심이었던 과학계의 지형이 점차 변화하고 있음을 증명하는 사례이기도 합니다. 대한민국은 현재 세계 10위권의 과학 기술 역량을 보유하고 있음에도 불구하고 아직 노벨 과학상 수상자를 배출하지 못해 아쉬움이 큽니다. 올해 노벨 생리의학상 후보로 거론되었던 김빛내리 교수와 같은 세계적인 연구자들이 등장하고 있다는 점은 매우 고무적인 현상입니다. 비록 이번에는 최초 발견자가 아니라는 이유로 수상을 놓쳤지만, 연구의 가치가 더욱 깊어짐에 따라 한국 과학자의 수상 가능성은 그 어느 때보다 높아지고 있습니다. 이제는 단기적인 성과에 집착하기보다 과학자들이 창의적인 연구에 몰두할 수 있는 환경을 조성하여 역사적인 도전을 이어가야 할 때입니다.

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📍댓글 이벤트! 과학강국 한국! 노벨상을 받기 위해 우리가 해야할 것은? 노벨상, 한국 과학자들의 위대한 도전! Part.3 l 선을 넘는 과학자들

우리나라의 과학기술 역량은 산업적 측면에서 세계적인 수준에 도달해 있지만, 학문적 성취 면에서는 아직 보완해야 할 점이 많습니다. 노벨상은 인류를 위한 지대한 공헌을 기리는 상으로, 단순히 기존의 것을 개선하는 '추격형' 연구가 아닌 세상에 없던 것을 만드는 '선도형' 연구에 주어집니다. 즉, 1에서 100을 만드는 최고의 연구보다 0에서 1을 창조하는 최초의 연구가 노벨상의 핵심입니다. 이는 국가적 공헌을 넘어 인류 전체를 위한 미지의 영역에 도전하는 노벨 정신과 맞닿아 있습니다. 올해 노벨 생리의학상 수상자인 빅터 앰브로스와 게리 러브컨의 사례는 과학 연구의 본질을 잘 보여줍니다. 이들이 발견한 마이크로RNA는 발표 초기 10여 년 동안 학계의 큰 주목을 받지 못했습니다. 하지만 이들은 외부의 평가에 연연하지 않고 연구 자체에서 느끼는 즐거움과 호기심을 동력 삼아 묵묵히 길을 걸었습니다. 과학적 성취는 보상이나 명예를 좇는 과정이 아니라, 연구 분야에 대한 순수한 흥미와 몰입이 만들어낸 결실이자 행운과도 같은 보상임을 시사합니다. 한국 과학계가 노벨상에 다가가기 위해서는 속도보다 방향에 집중해야 합니다. 단순히 앞선 연구를 빠르게 따라잡는 것이 아니라, 자신만의 독창적인 연구 방향을 설정하는 것이 중요합니다. 이때 스승의 역할은 제자가 자신의 뒤를 따르게 하는 것이 아니라, 제자만의 길을 갈 수 있도록 이끌어주는 내비게이션이 되어야 합니다. 실제로 많은 노벨상 수상자들이 스승과는 전혀 다른 분야를 개척하며 독자적인 업적을 쌓았다는 점은 우리에게 시사하는 바가 매우 큽니다. 창의적인 연구는 서로 다른 분야를 연결하는 지점에서 탄생하기도 합니다. 최근 노벨 물리학상과 화학상이 인공지능과의 융합 연구에 수여된 것처럼, 과학과 인문학 혹은 예술과의 연계는 새로운 시각을 제공합니다. 또한 지류가 아닌 본류, 즉 나무의 가지가 아닌 큰 줄기에 해당하는 근본적인 연구에 집중할 때 노벨상의 가능성은 커집니다. 장기간의 몰입을 가능케 하는 호기심과 태도는 문학이나 과학이나 매한가지이며, 이는 연구자가 지녀야 할 가장 강력한 무기입니다. 노벨상은 과학의 전부가 아니라 거대한 코끼리의 코와 같은 중요한 일부입니다. 한 국가에서 첫 수상자가 나오기 시작하면 일본이나 이스라엘의 사례처럼 연쇄적인 수상이 이어지는 경향이 있습니다. 우리나라도 이제는 과학자를 존중하고 명예를 인정하는 사회적 풍토 속에서 새로운 도약을 준비해야 합니다. 앞선 세대의 지혜를 이어받고 다음 세대를 위해 새로운 길을 여는 '계왕성 개래학'의 자세로 젊은 과학자들이 미지의 세계를 탐험할 때, 한국인 노벨상 수상의 꿈은 현실로 다가올 것입니다.

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[대담] 2024 '노벨상 해설강연' 과학톡!(TALK) by 조정효, 백민경, 이준호 l 고등과학원&카오스재단

최근 노벨 물리학상과 화학상이 인공지능 관련 연구에 수여되면서 과학계에는 새로운 바람이 불고 있습니다. 인공지능은 단순히 계산을 돕는 도구를 넘어, 기존 연구의 한계를 극복하고 지식의 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 특히 수학과 같은 기초 과학 분야에서는 인공지능을 활용해 수십 년간 풀리지 않던 난제들을 해결하려는 시도가 이어지고 있으며, 이는 연구의 시간과 비용을 획기적으로 절감하는 결과로 이어지고 있습니다. 이러한 변화는 과학 전반의 발전 속도를 가속화하며 연구 생태계를 더욱 풍부하게 만들고 있습니다. 연구 현장에서는 이미 'AI 사이언티스트'라 불리는 인공지능이 등장하여 큰 충격을 주고 있습니다. 이 인공지능은 스스로 논문을 읽고 연구 문제를 발굴하며, 코드를 짜고 실험 결과를 해석하여 논문까지 작성하는 수준에 도달했습니다. 단돈 15달러 정도의 비용으로 인간 연구자가 수행하던 절차적인 과정들을 대신 처리할 수 있게 된 것입니다. 이제 과학자들은 단순히 반복적인 업무에 매달리기보다, 인공지능이 아직 흉내 내기 어려운 인간만의 고유한 영역인 상상력을 발휘하는 데 더 집중해야 하는 시점을 맞이하고 있습니다. 생물학 분야에서도 인공지능의 도입은 연구실 문화를 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 과거에는 전자현미경 사진을 일일이 수작업으로 분석하며 수천 시간을 소모해야 했지만, 이제는 딥러닝 기술을 통해 훨씬 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있게 되었습니다. 또한 학생들은 프로그래밍 과정에서 인공지능에게 코드의 뼈대를 요청하거나 버그를 수정하는 등 효율적인 방식으로 연구를 진행합니다. 비록 인공지능의 결과물을 검증하는 인간의 역할은 여전히 중요하지만, 딥러닝을 제외하고는 이제 현대 과학 실험의 속도를 논하기 어려울 정도가 되었습니다. 인공지능의 급격한 발전은 인간의 지능을 뛰어넘을 것인가에 대한 철학적인 질문을 던집니다. 인공지능은 방대한 데이터에서 패턴을 찾아내는 데 탁월한 능력을 보이지만, 인간의 지능은 의식과 연결된 훨씬 복합적인 영역입니다. 과거 과학자들이 보편적인 규칙을 찾아내기 위해 고군분투했던 것처럼, 전혀 관련 없어 보이는 분야를 창의적으로 묶어내는 능력은 여전히 인간의 고유한 자산으로 남아 있습니다. 따라서 인공지능이 특정 과업에서 인간을 앞설지라도, 복합적인 사고와 가치 판단을 내리는 인간의 지능을 완전히 대체하기는 쉽지 않을 것으로 보입니다. 강력한 도구에는 그에 따르는 책임과 윤리적 고민이 필수적입니다. 단백질 디자인이나 유전자 가위 기술처럼 인류에게 큰 이득을 줄 수 있는 기술이 자칫 생화학 무기나 윤리적 문제를 일으키는 도구로 악용될 우려도 존재하기 때문입니다. 따라서 과학계는 인공지능 기술이 인류에게 위협이 되지 않도록 규제와 정책적 가이드라인을 마련하기 위한 사회적 합의를 지속적으로 이끌어내야 합니다. 인공지능이라는 새로운 도구를 주체적으로 활용하면서도, 인간으로서의 가치관과 윤리 의식을 지키는 것이 건강한 과학 기술의 미래를 만드는 길입니다.

백민경, 이준호, 조정효

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[강연] 사람이 곧 벌레라니: miRNA의 발견과 진화적 의미_by 이준호 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 3강

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm에 불과한 아주 작은 생물이지만, 현대 생물학에서 인간을 이해하는 데 결정적인 역할을 해왔습니다. 2024년 노벨 생리의학상은 이 작은 벌레에서 유전자 조절의 새로운 원리인 마이크로 RNA를 발견한 두 과학자에게 돌아갔습니다. 예쁜꼬마선충은 그 이름처럼 우아한 생명체는 아닐지 모르나, 단순한 구조 속에 복잡한 생명의 신비를 품고 있어 지금까지 네 차례나 노벨상의 주인공이 되었습니다. 이 작은 유기체를 통해 우리는 인간의 발생과 질병을 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 예쁜꼬마선충이 과학의 무대에 오른 것은 1960년대 시드니 브레너의 혜안 덕분이었습니다. 그는 발생과 신경계의 비밀을 밝히기 위해 대장균보다 복잡하면서도 연구하기 쉬운 모델로 이 벌레를 선택했습니다. 이후 과학자들은 수정란에서 성체에 이르기까지 모든 세포의 분열 과정을 기록한 '세포 계보'를 완성했습니다. 이는 생명체의 모든 세포가 언제, 어디서, 무엇이 되는지를 완벽하게 파악한 인류 최초의 성과였습니다. 이러한 기초 연구는 유전자가 생명 현상을 어떻게 조절하는지 탐구하는 든든한 토대가 되었습니다. 세포 계보를 연구하던 중 과학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 매번 똑같은 위치와 시간에 특정 세포들이 죽어 나가는 현상이 관찰된 것입니다. 이는 세포가 환경이 나빠서 죽는 것이 아니라, 유전적으로 결정된 '프로그램된 세포 사멸' 과정을 거친다는 것을 의미했습니다. 131개의 세포가 정해진 운명에 따라 사라지는 이 현상은 인간의 암이나 퇴행성 질환을 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 죽음조차 생명의 정교한 계획 일부라는 사실은 현대 의학에 엄청난 영감을 주었으며, 이는 예쁜꼬마선충 연구가 거둔 첫 번째 노벨상의 결실이었습니다. 예쁜꼬마선충 연구는 RNA 간섭 현상과 녹색 형광 단백질(GFP)의 활용이라는 혁신적인 도구들을 과학계에 선물했습니다. RNA 간섭은 특정 유전자의 기능을 억제하여 그 역할을 규명하는 강력한 방법론이 되었고, GFP는 살아있는 세포 안에서 단백질의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었습니다. 이러한 기술적 진보는 생명과학의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 각기 다른 분야를 연구하던 과학자들이 우연히 발견한 이 부산물들은, 결국 인류가 질병의 원인을 찾고 치료제를 개발하는 데 없어서는 안 될 필수적인 자산이 되었습니다. 올해 노벨상의 핵심인 마이크로 RNA의 발견은 발생의 '시간'을 연구하던 엉뚱한 호기심에서 시작되었습니다. 빅터 앰브로스와 게리 러브컨은 세포의 계보가 반복되거나 건너뛰는 돌연변이 유전자인 lin-4와 lin-14를 연구했습니다. 두 과학자는 서로의 연구 데이터를 공유하며 놀라운 사실을 알아냈습니다. 아주 작은 크기의 lin-4 RNA가 큰 lin-14 mRNA에 결합하여 단백질 합성을 방해한다는 것이었습니다. 이는 단백질 정보가 없는 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 정교하게 조절할 수 있다는 사실을 세상에 처음으로 알린 역사적 순간이었습니다. 마이크로 RNA의 발견은 생명과학의 근본 원리인 '생명 중심 원리(Central Dogma)'에 새로운 화살표를 추가했습니다. DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 정보의 흐름 속에, 마이크로 RNA라는 조절자가 개입하여 특정 단백질의 생성을 억제한다는 메커니즘이 밝혀진 것입니다. 처음에는 예쁜꼬마선충에게만 국한된 특이한 현상으로 치부되기도 했으나, 이후 let-7과 같은 마이크로 RNA가 인간을 포함한 다양한 생물종에 보존되어 있다는 사실이 확인되었습니다. 이로써 마이크로 RNA는 생명체의 발생과 분화를 조절하는 보편적인 원리로 자리 잡게 되었습니다. 과학의 역사는 때로 무지함이 축복이 될 수 있음을 보여줍니다. 게리 러브컨의 말처럼, 모르는 것을 하나씩 알아가는 과정에서의 즐거움과 끈질긴 호기심이 위대한 발견을 낳았습니다. 예쁜꼬마선충이라는 작은 벌레를 30년 넘게 들여다본 과학자들의 집념은 결국 인간을 이해하는 거대한 지표가 되었습니다. 바늘 하나로 코끼리를 쓰러뜨리듯, 작은 발견을 끝까지 추적하여 생명의 신비를 밝혀낸 이들의 여정은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 세상을 향한 끝없는 질문과 그 답을 찾아가는 즐거운 모험입니다.

이준호

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생명과학

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

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

조정효

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물리학

[강연] 2024 '노벨상 해설강연' by 조정효, 백민경, 이준호 l 고등과학원&카오스재단

2024년 노벨 물리학상은 인공지능의 기초를 닦은 존 홉필드와 제프리 힌턴에게 돌아갔습니다. 이들은 물리학의 통계적 원리를 활용해 인공신경망이 정보를 저장하고 학습하는 초기 모델을 고안했습니다. 홉필드 모델은 물리학의 에너지 지평 개념을 도입하여 불완전한 정보에서 원래의 패턴을 복원하는 기억의 원리를 설명했습니다. 이는 현대 딥러닝의 이론적 토대가 되었으며, 물리학적 통찰이 어떻게 첨단 기술의 근간이 될 수 있는지를 보여주는 상징적인 사례로 평가받습니다. 인공신경망은 이제 단순한 계산 도구를 넘어 인간의 지능을 모사하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 제프리 힌턴은 홉필드의 아이디어를 확장하여 볼츠만 머신과 오차 역전파 알고리즘을 발전시켰습니다. 그는 데이터의 확률 분포를 학습하는 생성 모델의 원형을 제시하며, 인공지능이 단순한 분류를 넘어 새로운 정보를 생성할 수 있는 가능성을 열었습니다. 특히 층을 깊게 쌓은 심층신경망의 학습 가능성을 증명함으로써 오늘날의 생성형 AI 시대를 가능케 했습니다. 이러한 성과는 물리학적 통찰이 복잡한 데이터 처리 시스템의 효율성을 극대화하는 데 결정적인 역할을 했음을 시사합니다. 이는 인공지능 발전의 역사에서 물리학이 수행한 중추적인 역할을 다시금 확인시켜 줍니다. 노벨 화학상은 단백질 구조 예측과 설계 분야에서 혁신을 일으킨 데이비드 베이커, 데미스 허사비스, 존 점퍼가 수상했습니다. 단백질은 생명 현상을 수행하는 핵심 일꾼으로, 그 기능을 이해하려면 복잡하게 접힌 3차원 구조를 파악하는 것이 필수적입니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 인공지능을 활용해 수십 년간 난제로 남아있던 구조 예측 문제를 해결했습니다. 이는 실험에 수년이 걸리던 작업을 단 몇 분 만에 처리할 수 있게 함으로써 생명과학 연구의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이제 과학자들은 방대한 단백질 데이터를 바탕으로 생명의 신비를 더욱 빠르게 파헤치고 있습니다. 데이비드 베이커 교수는 인공지능을 활용해 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하는 데 성공했습니다. 그는 단백질이 형성되는 물리적 원리를 바탕으로 특정 기능을 수행할 수 있는 아미노산 서열을 계산해내는 '로제타'와 'RF디퓨전' 모델을 개발했습니다. 이를 통해 질병 치료를 위한 정밀 약물 전달체나 환경 오염을 해결할 플라스틱 분해 효소 등을 맞춤형으로 제작할 수 있는 길이 열렸습니다. 단백질 설계 기술의 발전은 인류가 직면한 난치병과 환경 문제를 해결할 강력한 무기가 될 것입니다. 이는 기초 과학의 원리가 인공지능이라는 도구를 만나 실질적인 인류의 혜택으로 전환된 사례입니다. 노벨 생리의학상은 예쁜꼬마선충 연구를 통해 마이크로RNA를 발견한 빅터 앰브로스와 게리 러브컨에게 수여되었습니다. 이들은 아주 작은 벌레인 선충의 발생 과정을 추적하던 중, 단백질 정보를 담고 있지 않은 아주 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 조절한다는 사실을 우연히 발견했습니다. 이는 기존의 생명 중심 원리에서 설명하지 못했던 새로운 유전자 조절 층위를 밝혀낸 것입니다. 아주 단순한 생명체에 대한 호기심이 생명 과학의 근본적인 원리를 뒤흔드는 거대한 발견으로 이어진 셈입니다. 이 발견은 생명체가 얼마나 정교한 시스템을 통해 스스로를 통제하는지 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 마이크로RNA는 선충뿐만 아니라 인간을 포함한 고등 생물에게도 진화적으로 잘 보존되어 있으며, 세포의 성장과 분화에 결정적인 역할을 합니다. 특정 마이크로RNA의 이상은 암이나 유전병 등 다양한 질병의 원인이 되기도 합니다. 이 발견은 유전자가 단순히 단백질을 만드는 설계도에 그치지 않고, 그 발현 시기와 양을 정밀하게 조절하는 복잡한 시스템임을 증명했습니다. 현재는 이를 활용한 새로운 진단 기술과 치료제 개발 연구가 활발히 진행되며 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 작은 분자 하나가 생명 현상의 거대한 흐름을 조절한다는 사실은 현대 의학에 새로운 지평을 열어주었습니다. 2024년 노벨상은 과학의 새로운 도구로서 인공지능의 위상을 공고히 하는 동시에, 기초 과학의 끈질긴 탐구 정신이 얼마나 중요한지를 일깨워 줍니다. 인공지능은 방대한 데이터를 분석하고 예측하는 강력한 도구이지만, 그 도구를 어디에 사용할지 결정하고 새로운 질문을 던지는 것은 여전히 인간의 몫입니다. 물리학, 화학, 생물학의 경계가 허물어지는 융합의 시대에서, 기초 과학에 대한 깊은 이해와 창의적인 상상력은 인류의 지식을 확장하고 미래의 난제를 해결하는 가장 확실한 열쇠가 될 것입니다. 과학자들의 끊임없는 도전은 인공지능이라는 날개를 달고 더욱 먼 미래를 향해 나아가고 있습니다.

백민경, 이준호, 조정효

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물리학
화학
생명과학

[토크] 인간vs인공지능, 노벨상의 주인공은?!_과학자들의 방과 후 수다_2편 | 2편

비만이 전염된다는 연구 결과는 매우 흥미로운 시사점을 던져줍니다. 통계에 따르면 가장 친한 친구가 비만일 경우 본인이 비만이 될 확률이 57%나 높아지며, 형제나 배우자 사이에서도 유사한 경향이 나타납니다. 이는 단순히 바이러스처럼 옮는 것이 아니라, 함께 식사하고 어울리는 과정에서 생활 습관과 가치관이 비슷해지기 때문입니다. 이러한 '사회적 전염' 현상은 우리가 맺고 있는 사회적 관계가 개인의 신체적 상태와 건강에 얼마나 깊은 영향을 미치는지를 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 비만의 사회적 전염 이면에는 우리 몸속 미생물 생태계인 '마이크로바이옴'이 존재합니다. 장내에 서식하는 수많은 미생물은 우리가 섭취한 음식물을 바탕으로 다양한 대사 산물을 만들어내며 건강과 질병의 상태를 결정짓습니다. 나쁜 장내 세균이 내뿜는 물질은 비만뿐만 아니라 대사성 질환의 직접적인 원인이 되기도 합니다. 결국 건강을 유지한다는 것은 단순히 칼로리를 조절하는 것을 넘어, 우리 몸 안의 미생물들이 건강한 균형을 이룰 수 있도록 관리하는 정교한 과정이라 할 수 있습니다. 최근 제약 시장에서 가장 주목받는 분야는 GLP-1 계열의 비만 치료제입니다. 본래 제2형 당뇨병 치료를 목적으로 개발되었으나, 뛰어난 체중 감량 효과가 입증되면서 항암제 시장을 위협할 정도로 거대한 규모로 성장했습니다. 비만은 단순한 외모의 문제를 넘어 암, 심장병, 염증성 질환 등 수많은 병증의 근원이기에 이를 해결하는 치료제의 등장은 인류 건강 증진에 획기적인 기여를 하고 있습니다. 특히 부작용이 상대적으로 적다는 점은 이 약물이 대중적인 관심을 받는 주요한 이유가 됩니다. 과학적 업적의 가치를 인정하는 최고의 영예인 노벨상은 시대의 흐름에 따라 그 평가 기준이 조금씩 변해왔습니다. 때로는 독창적인 발견을 한 사람보다 이를 실생활에 응용하여 큰 파급력을 일으킨 연구자가 주목받기도 하며, 수상 인원 제한으로 인해 뛰어난 공헌자가 제외되는 논란이 발생하기도 합니다. 하지만 노벨상의 본질은 결국 인류에게 지대한 공헌을 한 발견을 기리는 데 있습니다. 최근 mRNA 백신 기술의 수상 사례처럼, 과학이 인류가 직면한 거대한 문제를 해결하는 방식에 대한 가치가 점점 더 중요해지고 있습니다. 인공지능 기술의 비약적인 발전은 이제 과학 연구의 패러다임 자체를 바꾸고 있습니다. 구글 딥마인드가 개발한 '알파폴드'는 생물학의 오랜 난제였던 단백질 구조 예측을 성공적으로 수행하며 신약 개발과 분자 생물학 연구에 혁신을 가져왔습니다. 이제 과학자들은 실험실에서 직접 구조를 분석하기에 앞서 AI가 예측한 데이터를 활용하여 연구의 효율성을 극대화합니다. 이러한 도구의 등장은 인간의 지적 능력을 확장하며, 과거에는 상상하기 힘들었던 속도로 지식의 지평을 넓히는 중요한 전환점이 되고 있습니다. 하지만 거대 언어 모델 중심의 AI 발전에는 명확한 한계와 과제도 존재합니다. 모델의 크기를 키울수록 기하급수적으로 늘어나는 전력 소모와 고품질 학습 데이터의 고갈 문제는 지속 가능성에 대한 의문을 제기합니다. 단순히 규모를 확장하는 것만으로는 진정한 지능의 진보를 이루기 어렵다는 지적도 나옵니다. 복잡계 과학의 관점에서 볼 때, 진정한 지능은 개별 요소들의 단순한 합이 아니라 그들 사이의 유기적인 상호작용을 통해 자연스럽게 발현되는 '창발'의 결과물이어야 하기 때문입니다. 과학은 인간의 경험 세계를 확장하고 우리가 보지 못했던 영역을 보게 해주는 숭고한 활동입니다. 제임스 웹 우주망원경이 우주의 기원을 탐구하며 인류의 시야를 넓히듯, 과학은 끊임없이 새로운 질문을 던지며 진보합니다. 그러나 모든 가치가 데이터와 논리로만 설명되는 것은 아닙니다. 와인 한 잔의 가치가 수치화된 점수보다 함께 마시는 사람과의 즐거운 교감에 의해 결정되듯, 과학적 발견 역시 인간의 삶과 따뜻하게 연결될 때 진정한 의미를 갖습니다. 결국 과학의 궁극적인 목적은 인류의 삶을 더 풍요롭게 만드는 데 있습니다.

신예리, 윤성철, 이현숙, 정하웅

카오스재단과학자들의 방과 후 수다

물리학
생명과학
천문학

[강연] 위상수학의 놀라운 응용, 데이터도 모양이 있다? 1_by 최수영 / 2024 봄 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 9강 첫 번째 이야기 | 9강 ①

수학은 영화 속에서 천재들의 삶을 조명하거나 거대한 우주의 신비를 푸는 열쇠로 자주 등장합니다. 영화 '인터스텔라'에서 종이를 접어 펜을 꽂는 장면은 광활한 우주를 단순한 기하학적 대상이 아닌, 접고 펼 수 있는 위상수학적 공간으로 이해하게 해줍니다. 이처럼 수학은 우리가 세상을 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓습니다. 단순히 숫자를 계산하는 학문을 넘어, 공간의 본질적인 구조를 탐구하는 위상수학은 현대 과학의 다양한 분야에서 새로운 영감을 제공하며 그 영역을 넓혀가고 있습니다. 위상수학은 기존의 관점과는 완전히 다른 새로운 시각으로 공간을 바라보는 학문입니다. 과거에는 너무 난해하여 실생활 응용이 어려울 것이라 여겨졌으나, 최근에는 물리학과 데이터 분석 등 여러 분야에서 놀라운 성과를 거두고 있습니다. 2016년 노벨 물리학상 수상이나 허준이 교수의 필즈상 수상 배경에도 위상수학적 관점이 핵심적인 역할을 했습니다. 복잡한 데이터 속에서 유의미한 구조를 찾아내는 '위상 데이터 분석(TDA)'은 현대 사회의 방대한 정보를 해석하는 강력한 도구로 자리 잡으며 수학의 실용성을 증명하고 있습니다. 18세기 수학자 오일러는 다면체의 꼭짓점, 모서리, 면의 개수 사이에 일정한 규칙이 있음을 발견했습니다. 그는 친구 골드바흐에게 보낸 편지에서 꼭짓점의 수에서 모서리의 수를 빼고 면의 수를 더하면 항상 2가 된다는 사실을 밝히며, 왜 이 간단한 진리를 이제야 알았는지 한탄하기도 했습니다. 이 공식은 단순한 산술적 계산을 넘어 공간의 연결 관계를 정의하는 '오일러 지표'의 시초가 되었습니다. 이는 기하학이 길이와 각도라는 고전적 틀에서 벗어나, 공간의 본질적인 연결성에 주목하게 된 역사적인 전환점이었습니다. 위상수학에서 가장 중요한 개념 중 하나는 '불변량'입니다. 이는 공간을 구부리거나 늘려도 변하지 않는 고유한 값을 의미합니다. 예를 들어, 동그란 고무줄을 가위로 자르면 그 형태가 선으로 변하면서 오일러 지표가 달라지게 됩니다. 수학적으로 두 공간의 불변량이 다르다는 것은, 아무리 주무르고 변형해도 결코 같은 모양이 될 수 없음을 뜻합니다. 이러한 원리는 우리가 일상에서 마주하는 다양한 형태들이 본질적으로 어떻게 다른지를 명확하게 구분해 주는 강력한 논리적 근거가 되며, 공간에 대한 인류의 이해를 한 차원 높여주었습니다. 수학자들은 수식에서 단순한 계산 이상의 아름다움을 발견하곤 합니다. 세상에서 가장 아름다운 정리로 꼽히는 오일러 공식은 전혀 관련 없어 보이는 다섯 가지 상수인 0, 1, e, i, π를 하나의 짧은 식으로 완벽하게 연결합니다. 또한, 두 번째로 아름답다고 평가받는 오일러 다면체 공식은 복잡한 입체 도형의 본질을 꿰뚫는 간결함을 보여줍니다. 이처럼 추상적이고 고차원적인 개념들이 서로 맞물려 하나의 진리로 수렴하는 과정에서 수학자들은 깊은 희열을 느낍니다. 수학은 결국 복잡한 세상을 가장 단순하고 우아한 언어로 설명하려는 노력의 산물입니다.

최수영

카오스재단2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다'

수학

[강연] 방황의 끝에서 내가 만난 현대 수학 : 구조와 관계 1_by 박형주 / 2024 봄 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 4강 첫 번째 이야기 | 4강 ①

위대한 과학자의 길은 흔히 고독한 연구의 연속이라 생각하기 쉽습니다. 하지만 물리학자 이휘소 박사를 추모하는 강연에서 만난 젊은 트호프트 박사의 이야기는 이러한 편견을 깨뜨려 주었습니다. 그는 동료 과학자들과의 깊은 유대감과 공동의 성취가 얼마나 큰 가치를 지니는지 강조했습니다. 학문적 성과 뒤에 숨겨진 뜨거운 동지애는 누군가에게는 평생을 바칠 학문의 길로 들어서는 결정적인 전환점이 되기도 합니다. 과학은 혼자 하는 것이 아니라, 서로의 지혜를 나누며 함께 나아가는 과정임을 깨닫는 순간 새로운 세계가 열립니다. 이휘소 박사는 한국인 물리학자 중 노벨상에 가장 근접했다는 평가를 받는 인물입니다. 화학공학으로 시작해 물리학으로 전향한 그는 유학 시절 탁월한 재능을 인정받아 세계적인 연구소에서 수많은 업적을 남겼습니다. 비록 40대 초반이라는 젊은 나이에 안타까운 사고로 생을 마감했지만, 그가 남긴 학문적 유산은 여전히 후대 과학자들에게 큰 영감을 주고 있습니다. 그의 삶은 단순한 천재성을 넘어, 진리를 향한 열정과 헌신이 무엇인지를 보여주는 상징과도 같습니다. 이러한 위대한 선구자의 발자취는 다음 세대의 꿈을 키우는 밑거름이 됩니다. 수학의 세계에는 '빅 매스(Big Math)'라는 화두가 존재합니다. 이는 단순히 논문을 쓰기 위한 지엽적인 연구가 아니라, 학문의 근본적인 흐름을 바꾸는 거대한 주제에 도전하는 정신을 의미합니다. 20세기 최고의 수학적 기획이라 불리는 '랭글랜즈 프로그램'은 수많은 수학자에게 영감을 주었으며, 이를 통해 수학의 여러 분야가 하나로 연결되는 놀라운 경험을 선사했습니다. 방황하던 시기에 만난 이러한 거대한 비전은 한 개인의 인생을 수학자의 길로 이끄는 강력한 이정표가 됩니다. 큰 꿈을 품고 본질을 꿰뚫는 연구에 매진하는 태도는 모든 학문의 지향점입니다. 한국 수학계의 거목인 이임학 교수와 그의 제자 임덕상 교수의 이야기는 역경을 이겨낸 학문적 의지를 잘 보여줍니다. 전쟁과 가난이라는 혹독한 환경 속에서도 주경야독하며 학업을 이어간 이들은 짧은 유학 기간에도 불구하고 세계적인 학문적 성취를 이루어냈습니다. 특히 대수학 분야에서 이들이 남긴 족적은 한국 수학의 위상을 높이는 데 결정적인 역할을 했습니다. 스승의 가르침이 제자에게 이어지고, 그 제자가 다시 세계적인 학자로 성장하는 과정은 학문의 계보가 어떻게 형성되는지를 보여주는 감동적인 사례입니다. 현대 수학의 주요 분야인 대수기하학은 기하학적 대상을 대수적인 방법으로 분석하는 학문입니다. 이는 마치 칸딘스키나 몬드리안 같은 추상 화가들이 사물의 외형 너머에 숨겨진 본질적인 구조를 탐색하는 과정과 닮아 있습니다. 미술 작품 속의 점, 선, 면이 이루는 조화는 수학자가 추구하는 구조의 명징성과 궤를 같이합니다. 복잡한 현상 속에서 명확한 질서를 찾아내려는 노력은 예술과 수학 모두가 공유하는 가치입니다. 이러한 시각으로 세상을 바라볼 때, 우리는 수학이 단순한 계산을 넘어 세상을 이해하는 아름다운 언어임을 깨닫게 됩니다.

박형주

카오스재단2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다'

수학

[강연] mRNA, 차세대 건강 혁명의 주역_by 안광석 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 1강

2023년 노벨 생리의학상은 코로나19 팬데믹 상황에서 인류를 구한 mRNA 백신 개발의 주역들에게 돌아갔습니다. 헝가리 출신의 카탈린 카리코와 미국의 드루 와이즈만 박사가 그 주인공입니다. 이들의 연구는 단순히 전염병에 대응하는 수단을 넘어, 현대 의학의 패러다임을 바꾸는 혁신적인 성과로 평가받습니다. 수많은 생명을 구한 이 기술의 이면에는 한 과학자의 끈질긴 집념과 열정이 숨어 있습니다. 이번 수상은 과학적 발견이 우리 삶에 얼마나 직접적인 영향을 미칠 수 있는지를 보여주는 상징적인 사건입니다. 과거의 백신 제조 방식은 매우 노동 집약적이고 시간이 오래 걸리는 작업이었습니다. 바이러스를 증식시키기 위해 수많은 유정란에 주사기로 바이러스를 주입하고 다시 추출하는 과정을 거쳐야 했기 때문입니다. 하지만 1980년대 이후 분자생물학이 발전하면서 병원체 전체가 아닌 특정 성분만을 활용하는 방식이 가능해졌습니다. 특히 mRNA 기술은 생산 공정을 표준화할 수 있어 신속하고 비용이 저렴하며, 다양한 바이러스와 세균에 즉각적으로 적용할 수 있는 강력한 장점을 지니고 있습니다. mRNA 연구의 선구자인 카탈린 카리코 박사의 여정은 결코 순탄하지 않았습니다. 헝가리에서 미국으로 이민을 떠날 당시, 그녀는 전 재산인 1,000달러를 어린 딸의 테디베어 인형 속에 숨겨야 할 정도로 절박한 상황이었습니다. 미국에 도착한 후에도 비정규직 연구원으로서 불안정한 삶을 이어갔으며, mRNA 연구에 대한 학계의 냉대와 무관심을 견뎌야 했습니다. 하지만 그녀는 mRNA가 질병 치료의 핵심이 될 것이라는 확신을 굽히지 않았고, 이러한 믿음은 훗날 인류를 구하는 거대한 발견의 씨앗이 되었습니다. mRNA 기술의 가장 큰 난관은 인위적으로 만든 RNA를 체내에 주입했을 때 발생하는 강력한 염증 반응이었습니다. 카리코와 와이즈만 박사는 우리 몸의 천연 RNA인 tRNA에는 염증이 일어나지 않는다는 점에 주목했습니다. 연구 결과, tRNA에 포함된 '슈도우리딘'이라는 변형 염기가 면역 반응을 회피하는 열쇠임을 밝혀냈습니다. 이 발견을 통해 염증 반응 없이 단백질 생산 효율을 수십 배 이상 높인 변형 mRNA를 제작할 수 있게 되었으며, 이는 백신 상용화를 가능케 한 결정적인 돌파구가 되었습니다. 놀라운 발견에도 불구하고 카리코 박사는 소속 대학으로부터 교수 자질이 부족하다는 평가를 받으며 해고 통보를 받는 수모를 겪었습니다. 연구비 수주 실패와 논문 거절이 반복되는 상황에서도 그녀는 과학자로서의 자존심을 지키며 연구를 지속했습니다. 결국 그녀는 독일의 바이오엔테크로 자리를 옮겨 자신의 기술을 믿어주는 동료들을 만났고, 7년 뒤 전 세계를 휩쓴 코로나19에 대항하는 화이자 백신을 탄생시켰습니다. 이는 단기적인 성과에 매몰된 현대 학계에 인내와 기초 연구의 중요성을 일깨워주는 사례입니다. mRNA 기술의 잠재력은 코로나19 백신에 국한되지 않습니다. 이 기술은 암 치료 분야에서도 혁신적인 변화를 예고하고 있습니다. 환자의 암세포에서만 나타나는 특이 단백질 정보를 mRNA에 담아 주입하면, 우리 몸의 면역 체계가 암세포를 직접 공격하도록 유도할 수 있습니다. 이미 30년 전부터 암 치료용으로 연구되어 온 이 플랫폼은 향후 심장 질환, 뇌 질환 등 다양한 난치병 치료제로 확대될 전망입니다. 이제 우리는 mRNA를 통해 질병을 예방하는 시대를 넘어 적극적으로 치료하는 새로운 의학적 시대로 진입하고 있습니다. 과학은 천재들만의 전유물이 아니라, 실패를 두려워하지 않는 인내와 집념의 산물입니다. 카리코 박사는 과학 연구를 조정 경기에 비유하며, 결승선을 보지 못하더라도 동료를 믿고 노를 젓는 과정 자체가 중요하다고 강조합니다. 수많은 거절과 무시 속에서도 묵묵히 자신의 길을 걸어온 그녀의 삶은 우리에게 깊은 감동을 줍니다. 진정한 혁신은 화려한 조명 아래서가 아니라, 아무도 알아주지 않는 실험실에서 묵묵히 흘린 땀방울을 통해 완성된다는 사실을 그녀의 노벨상 수상이 증명하고 있습니다.

안광석

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생명과학

[강연] 초고속 현상 연구를 위한 극한의 빛, 아토초 펄스_by 김경택 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 2강

2023년 노벨 물리학상은 인류가 도달할 수 있는 가장 짧은 시간 단위인 '아토초'의 세계를 연 과학자들에게 수여되었습니다. 아토초는 100경 분의 1초라는 상상조차 하기 힘든 찰나의 순간으로, 물질 내부에서 전자가 움직이는 역동적인 과정을 포착하기 위해 반드시 필요한 시간대입니다. 우리가 일상에서 경험하는 밀리초나 마이크로초를 넘어, 분자의 회전을 관측하는 펨토초보다도 천 배나 더 짧은 이 극한의 시간은 현대 물리학이 미시 세계를 탐구하는 방식에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 초고속 현상을 정밀하게 측정하기 위해서는 관찰하려는 현상보다 더 짧은 시간 폭을 가진 도구가 필요합니다. 19세기 에드워드 마이브리지가 말의 달리는 모습을 촬영해 네 발이 모두 땅에서 떨어지는 순간을 포착했듯이, 과학자들은 셔터 스피드를 높이는 대신 아주 짧은 빛의 펄스를 만드는 데 집중했습니다. 기계적 셔터나 전기 신호로는 도달할 수 없는 나노초 이하의 영역을 탐구하기 위해, 빛의 결이 일정한 레이저 기술이 도입되면서 초고속 측정의 역사는 새로운 국면을 맞이하게 되었습니다. 레이저의 발명은 빛의 위상을 정렬하여 강력하고 짧은 에너지를 집중시킬 수 있게 했습니다. 특히 펨토초 레이저는 여러 주파수 성분의 위상을 하나로 맞추는 '모드 잠금' 기술을 통해 분자의 화학 반응을 실시간으로 관찰하는 길을 열었습니다. 하지만 원자 내부에서 전자가 이동하는 찰나를 보기에는 펨토초조차 너무 긴 시간이었고, 과학자들은 이 한계를 극복하기 위해 더 높은 주파수와 넓은 스펙트럼을 가진 새로운 형태의 빛을 생성하기 위한 연구를 지속해 왔습니다. 아토초 과학의 결정적인 단초는 안 륄리에 교수가 발견한 '고차 조화파' 현상에서 시작되었습니다. 강력한 레이저를 기체 원자에 조사했을 때, 원자에서 튀어나온 전자가 다시 결합하며 원래 레이저 주파수의 수십 배에 달하는 에너지를 방출하는 현상이 발견된 것입니다. 이 과정은 이온화, 가속, 재결합이라는 세 단계를 거치며 매 반 주기마다 반복되는데, 여기서 발생하는 빛은 펨토초보다 훨씬 넓은 주파수 대역을 가지고 있어 아토초 단위의 짧은 펄스를 생성할 수 있는 물리적 기반이 되었습니다. 고차 조화파가 발견된 이후에도 이를 실제 아토초 펄스로 증명하는 데는 정밀한 측정 기술이 필요했습니다. 피에르 아고스티니 교수는 양자 간섭 효과를 이용해 이 빛들의 위상이 일치하는지를 측정하는 데 성공했습니다. 서로 다른 경로를 거친 전자의 확률 함수가 간섭하는 현상을 분석함으로써, 인류는 마침내 250아토초라는 극도로 짧은 빛의 펄스가 실제로 존재함을 확인했습니다. 이는 이론적 가설을 넘어 실험적으로 아토초의 영역에 발을 들인 역사적인 순간으로 기록되었습니다. 연속적인 펄스 열 중에서 단 하나의 아토초 펄스만을 골라내는 기술은 페렌츠 크라우스 교수에 의해 완성되었습니다. 레이저 전기장의 절대 위상을 정밀하게 제어함으로써 단일 아토초 펄스를 생성하고, 이를 통해 레이저 빛 자체의 파형을 직접 측정하거나 원자 내 전자의 이온화 지연 시간을 계산할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 아인슈타인의 광전 효과에서 발생하는 미세한 시간 차이를 실제로 측정하는 등 양자 역학의 근본적인 질문들에 답하는 강력한 도구가 되었습니다. 2023년 노벨 물리학상은 단순히 짧은 빛을 만든 것을 넘어, 전자의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있는 '현미경'을 인류에게 선사했다는 점에 큰 의의가 있습니다. 펨토초 수준에 머물러 있던 인류의 관측 능력을 아토초 수준으로 끌어올림으로써, 반도체 공정의 고도화나 생명 현상의 근원적 이해 등 미래 과학 기술의 토대를 마련했습니다. 극한의 짧은 찰나를 지배하려는 과학자들의 도전은 이제 물질의 성질을 자유롭게 제어하고 새로운 물리 법칙을 발견하는 단계로 나아가고 있습니다.

김경택

카오스재단카오스크로스

물리학

[강연] 양자점, 색에 대한 생각을 바꾸다_by 이광렬 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 3강

세상은 다채로운 색으로 가득 차 있지만, 이 색을 인지하기 위해서는 반드시 빛이 필요합니다. 2023년 노벨 화학상은 '양자점'이라 불리는 아주 작은 반도체 입자를 발견하고 발전시킨 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 양자점은 나노기술의 상징적인 물질로, 탄소 나노튜브와 함께 현대 과학의 지평을 넓힌 핵심 소재입니다. 빛의 파장과 진동수에 따라 에너지가 결정되듯, 양자점은 그 크기에 따라 독특한 광학적 성질을 나타내며 우리가 색을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 물질이 빛을 내는 원리를 이해하려면 원자 내부의 전자를 살펴봐야 합니다. 전자는 특정한 에너지 상태를 가진 '오비탈'이라는 공간에 존재하며, 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 이동할 때 그 차이만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출합니다. 수소 원자의 스펙트럼이나 밤하늘의 오로라 역시 전자가 에너지를 얻었다가 다시 안정된 상태로 돌아오며 내뿜는 빛의 결과물입니다. 이러한 현상은 분자나 네트워크 구조를 가진 고체 물질에서도 동일하게 나타나며, 물질의 고유한 색을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 수많은 원자가 모여 네트워크를 이루면 각각의 오비탈이 겹쳐지며 '전자띠'를 형성합니다. 전자가 가득 찬 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이의 간격을 '띠간격'이라고 부르는데, 이 간격의 크기에 따라 도체, 반도체, 부도체가 구분됩니다. 특히 반도체는 이 간격이 가시광선 영역에 걸쳐 있어 독특한 색을 띨 수 있습니다. 하지만 전통적인 과학에서는 물질의 색을 그 물질만이 가진 고유한 성질로 정의해 왔으며, 입자의 크기가 작아질 때 나타나는 변화에 대해서는 명확한 답을 내놓지 못했습니다. 리처드 파인만은 나노세계에 숨겨진 흥미로운 현상이 많을 것이라 예견했습니다. 나노입자는 수천에서 수만 개의 원자가 뭉쳐진 아주 작은 입자로, 현미경 기술의 발달 덕분에 비로소 그 실체가 드러나기 시작했습니다. 에키모프는 유리 속에서 자라나는 반도체 입자의 크기에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라진다는 사실을 발견했고, 브루스는 이를 이론적으로 증명했습니다. 입자가 작아질수록 전자가 움직일 수 있는 공간이 좁아지면서 띠간격이 넓어지고, 결과적으로 더 짧은 파장의 푸른 빛을 내게 되는 것입니다. 이론적 발견을 넘어 양자점을 실제로 활용하기 위해서는 입자의 크기를 정밀하게 조절하며 합성하는 기술이 필요했습니다. 바웬디 교수는 유기 용매 속에서 계면활성제를 이용해 나노입자의 성장을 제어하는 획기적인 방법을 개발했습니다. 이를 통해 과학자들은 원하는 크기의 양자점을 자유자재로 얻을 수 있게 되었으며, 빨간색부터 보라색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현하는 데 성공했습니다. 이는 기초 과학의 호기심이 실험실의 성과를 거쳐 우리 손안의 실질적인 물질로 탄생하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 양자점 기술이 대중화된 데에는 기업의 역할이 컸습니다. 특히 삼성은 카드뮴과 같은 유해 물질을 배제하면서도 효율이 높은 양자점을 개발하고, 이를 대량 생산하는 공정을 완성하여 세계 최초로 양자점 디스플레이를 상용화했습니다. 양자점은 빛의 순도가 매우 높아 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 백라이트의 빛을 효율적으로 변환하여 총천연색을 만들어냅니다. 이러한 상업적 성공은 나노기술이 단순한 이론에 머물지 않고 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 혁신적인 도구로 자리 잡았음을 증명하는 사례입니다. 양자점의 응용 분야는 디스플레이를 넘어 의료 진단과 센서 기술로 확장되고 있습니다. 특정 세포에 결합하는 항체를 양자점에 부착하면 암세포의 위치를 정확히 파악하거나 적외선 투시를 통해 정밀한 수술을 돕는 등 바이오 분야에서도 혁신을 일으키고 있습니다. 이 모든 성과는 '나노입자의 띠간격은 어떠한가'라는 순수한 기초 과학적 질문에서 시작되었습니다. 미래의 과학 기술 혁신 역시 이러한 나노과학의 토대 위에서 탄생할 것이며, 새로운 세대의 과학자들이 그 주인공이 될 것입니다.

이광렬

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화학

[강연] 2023 '노벨상 해설강연' by 안광석, 김경택, 이광렬 l 고등과학원&카오스재단

2023년 노벨 생리의학상은 인류를 팬데믹의 공포에서 구원한 mRNA 백신 기술에 수여되었습니다. 카탈린 카리코와 드루 와이즈만 박사는 뉴클레오사이드 염기 변형이라는 획기적인 발견을 통해 외부 mRNA가 체내에서 일으키는 과도한 염증 반응을 억제하는 데 성공했습니다. 이 기술은 단순히 코로나19 대응을 넘어 암 치료와 유전병 극복을 위한 차세대 의학 혁명의 토대를 마련했다는 점에서 그 가치가 매우 높습니다. 카탈린 카리코 박사의 여정은 과학적 집념이 무엇인지 보여줍니다. 그녀는 연구비 중단과 해고라는 모진 시련 속에서도 mRNA 치료제에 대한 확신을 굽히지 않았습니다. 슈도우리딘을 이용한 염기 변형 기술은 당시 학계에서 외면받았으나, 결국 단백질 생산 효율을 높이고 면역 거부 반응을 해결하는 열쇠가 되었습니다. 한 과학자의 끈질긴 인내심이 전 세계 수백만 명의 생명을 구하는 기적으로 이어진 셈입니다. 물리학 분야에서는 찰나의 순간을 포착하려는 인류의 도전이 결실을 맺었습니다. 아토초 펄스는 100경 분의 1초라는 상상조차 하기 힘든 짧은 시간 폭을 가진 빛입니다. 이는 원자 내부에서 빛의 속도에 가깝게 움직이는 전자의 역학을 관찰할 수 있게 해주는 유일한 도구입니다. 아토초 과학의 등장은 정지된 사진처럼 전자의 움직임을 포착함으로써 물질의 근본적인 성질을 이해하는 새로운 지평을 열었습니다. 아토초 펄스 생성의 핵심은 고차 조화파라는 현상에 있습니다. 초강력 레이저를 기체 원자에 쏘아 전자를 이온화시키고 다시 결합하는 과정에서 발생하는 이 빛은 기존 펨토초 레이저의 한계를 뛰어넘었습니다. 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 안 릴리에 교수는 실험적 방법을 통해 단일 아토초 펄스를 측정하고 제어하는 데 성공했습니다. 이로써 인류는 미시 세계의 초고속 현상을 직접 제어할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 노벨 화학상은 나노 세계의 보석이라 불리는 양자점의 발견과 발전에 돌아갔습니다. 양자점은 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 변하는 독특한 반도체 결정입니다. 이는 '물질의 색은 고유한 성질'이라는 기존의 상식을 뒤엎는 발견이었습니다. 입자의 크기를 조절하는 것만으로도 빨간색부터 파란색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현할 수 있게 된 것입니다. 이러한 양자 역학적 특성은 나노 기술의 무한한 가능성을 상징합니다. 양자점 기술이 실험실을 넘어 우리 삶에 들어오기까지는 정밀한 합성 기술의 발전이 필수적이었습니다. 문지 바웬디 교수는 유기 용매 내에서 균일한 크기의 양자점을 대량으로 생산할 수 있는 공정을 확립했습니다. 이후 이 기술은 디스플레이 산업과 결합하여 QLED TV와 같은 상업적 성공으로 이어졌습니다. 기초 과학의 호기심에서 시작된 연구가 기업의 기술력과 만나 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 선순환 구조를 보여준 대표적 사례입니다. 2023년 노벨상 수상 업적들은 공통적으로 수십 년에 걸친 기초 과학 연구의 중요성을 시사합니다. 당장의 경제적 이익이나 가시적인 성과에 매몰되지 않고, 자연의 근본 원리를 탐구하는 과학자들의 순수한 열정이 혁신의 원동력이 되었습니다. 과학은 단거리 경주가 아니라 긴 호흡으로 이어지는 마라톤과 같습니다. 기초 과학에 대한 지속적인 관심과 인내심 있는 지원만이 인류의 미래를 밝히는 새로운 발견을 가능하게 할 것입니다.

김경택, 안광석, 이광렬

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물리학
화학
생명과학

[용어사전] 아바타 속 '언옵테늄'! 꿈의 물질 상온 초전도체에 대해_초전도체(superconductor)

1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스는 액체 헬륨을 이용해 수은의 온도를 낮추던 중 놀라운 현상을 목격했습니다. 온도가 극도로 낮아지자 수은의 전기저항이 사실상 0이 된 것입니다. 본래 전기는 도체 내부를 흐르는 전자의 흐름이며, 이 과정에서 다른 물질의 방해를 받아 손실이 발생하는 전기저항이 존재하기 마련입니다. 하지만 오네스는 특정 온도 이하에서 전기저항이 완전히 사라지는 초전도 현상을 처음으로 발견해냈습니다. 이러한 특성을 가진 물질을 초전도체라고 부르며, 이는 전력 손실 없는 에너지 전달의 가능성을 열어준 역사적인 순간이었습니다. 초전도체는 강력한 자기장을 형성할 수 있어 병원의 MRI나 핵융합로, 입자 가속기 등 첨단 과학 분야에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 그러나 초기 발견 당시 초전도 현상은 섭씨 영하 268.9도라는 극저온에서만 발생하여 실용화에 한계가 있었습니다. 1957년 발표된 BCS 이론은 초전도 현상이 30 켈빈 이상의 온도에서는 일어날 수 없다고 예측하기도 했습니다. 하지만 1986년 35 켈빈에서 작동하는 물질이 발견되면서 기존 이론의 한계를 넘어섰고, 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 끊임없는 연구를 이어오고 있습니다. 만약 일상적인 온도에서 작동하는 상온 초전도체가 상용화된다면 인류의 삶은 혁명적으로 변화할 것입니다. 장거리 송전 시 발생하는 전력 손실이 완전히 사라지고, 에너지를 무한정 저장할 수 있는 장치가 마련되어 에너지 효율이 극대화됩니다. 또한 값비싼 냉각 장치가 필요 없어져 자기부상열차나 MRI 같은 고가의 기술들을 훨씬 저렴하고 편리하게 이용할 수 있게 됩니다. 초전도체 연구는 이미 수많은 노벨상 수상자를 배출했을 만큼 과학계의 핵심 과제입니다. 여전히 풀리지 않은 원리와 무궁무진한 가능성을 품은 초전도체는 그야말로 세상을 바꿀 꿈의 물질이라 할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

물리학

[강연] 나와 세상을 연결해주는 '뇌'비게이션 _ by곽지현｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연 | 1강

뇌과학은 수학, 인공지능, 심리학, 철학 등 다양한 학문이 융합되어야만 정복할 수 있는 거대한 미지의 영역입니다. 우리는 태어날 때부터 3차원 공간에 존재하며, 생존을 위해 끊임없이 길을 찾고 공간을 탐색하는 행위를 무의식적으로 반복합니다. 이러한 목적 지향적 길 찾기는 먹이를 구하고 포식자를 피하는 생존의 필수 요소입니다. 현대인은 스마트폰의 GPS 기술에 의존해 자신의 위치를 파악하지만, 자연계의 수많은 생명체는 별도의 기기 없이도 뇌의 기능을 통해 자신의 위치와 목적지 사이의 관계를 정교하게 계산하며 살아갑니다. 공간 인지에 대한 탐구는 오래전부터 철학자와 심리학자들의 주요 관심사였습니다. 독일의 철학자 칸트는 시공간 인식이 경험에서 얻어지는 것이 아니라 인간이 본능적으로 가지고 태어나는 본유적인 능력이라고 보았습니다. 이후 심리학자 에드워드 톨먼은 복잡한 미로를 통과하는 쥐의 행동을 관찰하며 '인지 지도'라는 개념을 정립했습니다. 이는 생명체가 머릿속에 공간에 대한 지도를 그려 위치와 경로를 파악한다는 이론입니다. 우리가 지나온 길을 눈을 감고도 생생하게 떠올릴 수 있는 이유는 뇌 속에 이러한 인지 지도가 표상되어 있기 때문입니다. 2014년 노벨 생리의학상은 뇌 속의 위치 결정 시스템인 '뇌 GPS'를 발견한 과학자들에게 돌아갔습니다. 존 오키프 교수는 해마에서 특정 장소에 도달했을 때만 반응하는 '장소 세포'를 발견하여 공간 인지의 실마리를 찾았습니다. 이어 모세르 부부 교수는 해마와 연결된 내후각 피질에서 정육각형의 기하학적 패턴으로 발화하는 '격자 세포'를 찾아냈습니다. 장소 세포가 특정 지점에 대한 정보를 제공한다면, 격자 세포는 공간 전체의 좌표 체계를 형성합니다. 이 세포들은 설치류뿐만 아니라 인간의 뇌에서도 동일하게 존재함이 입증되었습니다. 뇌에는 장소 세포와 격자 세포 외에도 길 찾기를 돕는 다양한 특화 세포들이 존재합니다. 머리 방향에 따라 반응하는 '머리 방향 세포', 장애물과의 거리를 인지하는 '경계면 세포', 그리고 이동 속도를 감지하는 '속도 세포' 등이 유기적으로 작동하며 완벽한 내비게이션 시스템을 구축합니다. 또한 우리는 평면적인 공간뿐만 아니라 3차원 공간을 인지하는 능력도 갖추고 있습니다. 박쥐나 쥐를 대상으로 한 연구에 따르면, 뇌는 계단을 오르내리거나 날아다니는 상황에서도 3D 장소 세포를 통해 입체적인 공간 정보를 정확하게 처리합니다. 이러한 뇌의 내비게이션 시스템은 질병 연구에서도 매우 중요한 의미를 갖습니다. 알츠하이머 치매 환자의 경우, 독성 단백질인 아밀로이드 베타가 해마와 내후각 피질에 가장 먼저 쌓이기 시작합니다. 이로 인해 기억 중추와 길 찾기 세포들이 사멸하면서 심각한 기억 장애와 함께 방향 감각 상실 증상이 나타납니다. 치매 환자들이 길을 잃고 배회하는 현상은 단순한 기억력 감퇴를 넘어, 뇌 속의 GPS 장치가 물리적으로 손상되었음을 보여주는 증거입니다. 따라서 길 찾기 능력의 변화는 치매의 조기 진단을 위한 중요한 지표가 될 수 있습니다. 뇌과학의 성과는 공학적 응용으로도 이어지고 있습니다. 자율주행 자동차와 로봇 공학은 뇌의 내비게이션 원리를 모방하여 더욱 스마트한 시스템을 구축하고자 합니다. 특히 뇌세포의 활동을 수학적으로 모사한 인공 신경망은 기존 인공지능보다 훨씬 적은 에너지와 학습량으로도 효율적인 공간 탐색을 수행할 수 있습니다. 뇌의 기전을 반영한 반도체나 제어 알고리즘은 인간의 개입 없이도 스스로 목적지를 찾아가는 로봇 기술의 핵심적인 토대가 됩니다. 이는 생물학적 뇌에 대한 이해가 어떻게 첨단 기술의 발전으로 이어지는지를 잘 보여줍니다. 최근 연구에 따르면 뇌에는 공간뿐만 아니라 시간의 흐름을 인지하는 '시간 세포'도 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 해마와 내후각 피질은 시간, 공간, 그리고 기억이라는 세 가지 요소를 통합하여 우리가 세상을 이해하고 경험을 저장하는 방식을 결정합니다. 뇌비게이션 연구는 인간에 대한 깊은 이해를 제공할 뿐만 아니라, 질병 치료와 미래 기술 발전의 가교 역할을 수행합니다. 뇌 속의 신비로운 지도를 탐구하는 과정은 결국 우리가 누구이며 세상과 어떻게 연결되어 있는지를 밝혀내는 여정이며, 이는 인류의 지적 지평을 넓히는 중요한 발걸음이 될 것입니다.

곽지현

카오스재단서울대자연과학공개강연

뇌인지과학

[강연] 2022 '노벨상 해설강연' by 정충원, 김재완, 이동환 l 고등과학원&카오스재단

2022년 노벨 생리의학상은 멸종한 고인류의 유전체를 해독하여 인류 진화의 비밀을 밝힌 성과에 돌아갔습니다. 스반테 페보 교수는 수만 년 전의 화석에서 DNA를 추출하고 분석하는 고유전체학이라는 새로운 분야를 개척했습니다. 이를 통해 현생 인류가 아프리카에서 기원하여 전 세계로 퍼져나가는 과정에서 네안데르탈인과 같은 고인류와 유전적으로 섞였다는 사실이 과학적으로 증명되었습니다. 이는 우리가 누구이며 어디에서 왔는가라는 근원적인 질문에 대해 유전학적인 답을 제시한 혁신적인 성과로 평가받습니다. 고인류 유전체 연구는 단순히 과거를 밝히는 데 그치지 않고 현대인의 건강과 질병 이해에도 기여합니다. 아프리카 밖의 현대인들은 유전체의 약 2%를 네안데르탈인으로부터 물려받았으며, 티베트인의 고지대 적응 유전자는 데니소바인에게서 유래한 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 유전적 유산은 면역 체계나 환경 적응력에 중요한 역할을 하며, 인류가 다양한 환경에 적응하며 생존해 온 역사를 보여줍니다. 결국 우리는 순수한 단일 계통이 아니라 여러 고인류의 역사가 얽혀 만들어진 존재임을 알 수 있습니다. 노벨 물리학상은 양자 얽힘이라는 기묘한 현상을 실험적으로 증명한 성과를 기렸습니다. 아인슈타인이 '유령 같은 원격 작용'이라 부르며 의구심을 가졌던 양자 얽힘은, 멀리 떨어진 두 입자가 빛보다 빠른 상관관계를 갖는 현상을 의미합니다. 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 차일링거는 벨 부등식 위배 실험을 통해 양자역학의 예측이 옳음을 입증했습니다. 이는 고전적인 물리 법칙을 뛰어넘는 양자 세계의 본질을 확인한 사건으로, 현대 물리학의 패러다임을 바꾸고 새로운 기술적 토대를 마련한 계기가 되었습니다. 양자 얽힘의 실증은 단순한 이론적 확인을 넘어 양자 정보 과학이라는 새로운 시대를 열었습니다. 과거의 양자역학이 반도체나 레이저 같은 하드웨어 발전에 기여했다면, 이제는 양자 상태 그 자체를 정보의 단위로 사용하는 소프트웨어와 운영 체제의 영역으로 확장되고 있습니다. 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신, 양자 센서 등은 기존 기술로는 불가능했던 계산과 보안을 가능하게 할 것으로 기대됩니다. 이는 정보 통신 기술의 한계를 극복하고 미래 산업의 지형을 바꿀 핵심적인 동력이 될 것이며 젊은 세대의 창의력에 그 미래가 달려 있습니다. 노벨 화학상은 분자들을 마치 단추를 채우듯 쉽고 정확하게 결합하는 '클릭 화학'의 시대를 열었습니다. 배리 샤플리스와 모르텐 멜달은 복잡한 과정 없이도 높은 수율과 선택성으로 두 분자를 연결하는 반응을 개발했습니다. 이는 마치 레고 블록을 조립하듯 원하는 구조를 효율적으로 만들어낼 수 있게 하여 합성 화학의 패러다임을 실용 중심으로 전환했습니다. 클릭 화학은 신약 개발이나 신소재 합성 과정에서 발생하는 불필요한 부산물을 줄이고 시간을 단축하는 등 화학 공정 전반에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 캐롤라인 베르토지는 클릭 화학의 개념을 살아있는 생명체 내부로 확장하여 '생체 직교 화학'을 완성했습니다. 이는 생명체 고유의 화학 반응을 방해하지 않으면서도 특정 분자만을 선택적으로 표지하거나 결합하는 기술입니다. 이를 통해 세포 표면의 당사슬 구조를 관찰하거나 암세포만을 추적하여 약물을 전달하는 정교한 치료가 가능해졌습니다. 자연이 진화 과정에서 사용하지 않은 화학 결합을 인간이 발명하여 생체 시스템에 적용함으로써, 생물학과 화학의 경계를 허물고 질병 치료의 새로운 가능성을 제시한 것입니다. 과학은 단순히 지식을 축적하는 과정을 넘어, 보이지 않는 세계를 탐구하고 연결하는 인류의 끊임없는 도전입니다. 고인류의 뼈에서 추출한 DNA 조각부터 양자의 기묘한 얽힘, 그리고 분자 간의 정교한 클릭에 이르기까지, 올해의 노벨상은 서로 다른 분야가 어떻게 연결되어 인류의 지평을 넓히는지 보여줍니다. 과학자들은 여전히 호기심을 동력 삼아 실패를 두려워하지 않고 미지의 영역으로 나아갑니다. 이러한 탐구 정신은 우리 사회를 지탱하는 등불이 되어, 미래의 예기치 못한 문제들에 대한 해답을 제시할 것입니다.

김재완, 이동환, 정충원

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물리학
화학
생명과학

[명강리뷰] 화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가? _ by박태현｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 10강

냄새는 단순히 하나의 화학 물질로 정의하기 어려운 복합적인 현상입니다. 장미 향기는 수많은 물질의 조합이며, 심지어 '인돌'처럼 단일한 성분이라도 농도에 따라 은은한 재스민 향에서 불쾌한 냄새로 변하기도 합니다. 과거 과학자들은 분자 구조만으로 냄새를 해석하려 했으나 번번이 실패했습니다. 이는 냄새가 물질 그 자체가 아니라, 우리 몸의 감각 기관이 받아들이는 정보의 패턴이기 때문입니다. 후각은 생명체가 지상으로 올라오기 전부터 가졌던 가장 원초적이고도 신비로운 감각입니다. 인간은 시각, 청각, 촉각과 같은 물리적 감각과 미각, 후각이라는 화학적 감각을 동시에 사용합니다. 현대 기술은 카메라나 마이크를 통해 물리적 정보를 완벽하게 디지털화했지만, 화학적 정보를 감지하는 장치는 여전히 오리무중이었습니다. 스마트폰으로 사진을 찍고 소리를 녹음할 수는 있어도 냄새를 맡거나 맛을 볼 수는 없는 이유가 여기에 있습니다. 후각은 오랫동안 베일에 싸여 있었으며, 우리 코와 혀를 대신할 전자 장비의 개발은 과학계의 오랜 숙제와도 같았습니다. 2004년 노벨 생리의학상을 통해 후각의 메커니즘이 분자 수준에서 밝혀지며 새로운 전기가 마련되었습니다. 인간의 코에는 약 400종의 후각 수용체가 존재하며, 특정 냄새 분자가 이들과 결합하여 만들어내는 '조합 패턴'이 뇌에 전달되어 냄새로 인지됩니다. 이는 마치 수많은 수용체가 손을 들어 특정 신호를 만드는 것과 같으며, 일종의 QR 코드와 같은 정보 체계를 형성합니다. 이러한 발견은 냄새를 화학 성분이 아닌 데이터의 패턴으로 이해하게 함으로써 바이오 전자코 개발의 이론적 토대가 되었습니다. 바이오 전자코는 생명공학과 나노 기술의 정교한 융합으로 탄생합니다. 인간의 후각 수용체 유전자를 세포에 도입하여 발현시킨 뒤, 이를 나노 소낭으로 분리하여 탄소 나노튜브와 결합합니다. 냄새 분자가 수용체와 결합할 때 발생하는 미세한 전기 신호의 변화를 포착함으로써, 인간의 코와 유사한 방식으로 냄새를 감지하는 것입니다. 이 기술은 단순히 냄새를 맡는 것을 넘어, 생물학적 수용체의 민감도를 전자 소자의 정밀함과 결합하여 보이지 않는 화학 정보를 가시화하는 혁신을 보여줍니다. 미래의 바이오 전자코는 의료, 식품, 환경 등 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 이끌 것입니다. 날숨만으로 암을 진단하거나 식품의 신선도를 실시간으로 파악하고, 재난 현장에서 실종자를 찾는 등 그 활용도는 무궁무진합니다. 나아가 냄새 정보를 디지털 코드로 변환하여 전송할 수 있게 된다면, 우리는 시각과 청각을 넘어 후각까지 공유하는 진정한 오감 스마트폰 시대를 맞이하게 될 것입니다. 미지의 영역이었던 화학적 감각이 기술과 만나 우리의 삶을 더욱 풍요롭고 안전하게 만들어줄 날이 머지않았습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

2022 노벨 생리의학상, 올해의 🏆수상자는 과연 누구?👏👏 ㅣ해썰이 있는 과학뉴스

매년 찬바람이 불어오는 시기가 되면 전 세계의 이목은 노벨상 수상자 발표에 집중됩니다. 2022년 노벨 생리의학상의 영예는 고유전체학의 창시자로 불리는 스반테 페보 교수에게 돌아갔습니다. 그는 수만 년 전 멸종한 인류의 유전체를 분석하여 현대 인류의 기원을 밝혀내는 혁신적인 성과를 거두었습니다. 유전학자이자 생화학자인 그는 불가능해 보였던 고대 인류의 DNA 복원을 통해 인류 진화 연구의 새로운 지평을 열었으며, 이는 과학계에 큰 충격을 안겨주었습니다. 과거에는 수만 년 된 뼈에서 유전자를 추출하는 것이 불가능하다고 여겨졌습니다. 시간이 흐르며 DNA가 손상될 뿐만 아니라, 주변의 박테리아나 현대인의 유전자에 의해 쉽게 오염되기 때문입니다. 스반테 페보 교수는 이러한 한계를 극복하기 위해 세포 내 미토콘드리아 DNA에 주목했습니다. 그는 뼈의 내부에서 오염되지 않은 샘플을 채취하고 정밀한 분석 기술을 도입하여, 마침내 현대인과는 다른 네안데르탈인만의 고유한 유전 정보를 찾아내는 데 성공했습니다. 그의 연구는 인류 진화에 대한 기존의 통념을 완전히 뒤바꾸어 놓았습니다. 과거에는 인류가 직선적인 형태로 진화했다고 믿었으나, 페보 교수는 네안데르탈인과 데니소바인 등 여러 인류가 동시대에 공존했음을 입증했습니다. 특히 2010년에는 손가락뼈 하나만으로 새로운 인류인 데니소바인의 존재를 세상에 알리기도 했습니다. 이러한 발견은 인류의 역사가 단순히 하나의 줄기가 아니라, 여러 갈래로 나뉘고 다시 합쳐지는 복잡한 과정이었음을 보여주는 중요한 증거가 되었습니다. 가장 놀라운 사실은 현대 인류의 몸속에 멸종한 고대 인류의 흔적이 남아 있다는 점입니다. 연구 결과에 따르면, 사하라 이남의 아프리카인을 제외한 전 세계 현대인은 약 2%에서 6%의 네안데르탈인 유전자를 보유하고 있습니다. 이는 우리 조상들이 네안데르탈인과 서로 교류하며 번식했다는 결정적인 증거입니다. 우리는 순수한 호모 사피엔스가 아니라, 고대 인류와의 만남을 통해 형성된 복합적인 존재라는 사실이 유전학적으로 증명된 셈입니다. 인류의 기원을 찾는 여정은 단순히 과거를 돌아보는 것을 넘어 '우리는 누구인가'라는 근원적인 질문에 답하는 과정입니다. 비록 이러한 연구가 당장의 실생활을 획기적으로 바꾸는 기술은 아닐지라도, 우주의 근원을 탐구하는 물리학처럼 인간 존재의 뿌리를 이해하는 데 필수적인 가치를 지닙니다. 스반테 페보의 성취는 과학이 인간의 정체성을 탐구하는 가장 강력한 도구가 될 수 있음을 보여주었으며, 앞으로도 인류 진화의 비밀을 푸는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학

[명강리뷰] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강

나치 독일 시절, 게르만 민족 우월주의를 내세운 히틀러는 유대인 과학자들의 노벨상 수상을 탐탁지 않게 여겼습니다. 결국 노벨상 메달을 몰수하라는 명령이 내려졌고, 물리학자 막스 폰 라우에와 제임스 프랑크의 메달을 보관하던 닐스 보어 연구소는 큰 위기에 처했습니다. 이때 헝가리 출신의 화학자 헤베시는 화학적 지식을 활용해 메달을 지키기로 결심합니다. 그는 금의 형태를 완전히 없애 독일군의 눈을 피하려는 기발한 아이디어를 냈고, 이는 과학 역사에 남을 흥미로운 일화가 되었습니다. 헤베시가 선택한 방법은 금을 액체 상태로 녹여 보관하는 것이었습니다. 금은 화학적으로 매우 안정된 귀금속이라 일반적인 용액에는 녹지 않지만, 염산과 질산을 섞은 '왕수'에는 녹습니다. 그는 세 개의 노벨상 메달을 왕수에 녹여 평범한 용액처럼 보이게 만든 뒤 선반에 두었습니다. 전쟁이 끝난 후, 그는 용액 속에 숨어있던 금을 다시 금속 형태로 되돌려 놓았습니다. 이는 원소 자체가 사라지거나 변하지 않는다는 화학적 확신이 있었기에 가능한 일이었습니다. 금이 왕수에 녹는 과정은 본질적으로 전자를 잃는 '산화' 반응입니다. 질산이 금에서 전자를 빼앗으면, 염산의 염화 이온이 이온화된 금을 둘러싸 안정화합니다. 반대로 전자를 다시 얻으면 원래의 금속으로 돌아오는 '환원'이 일어납니다. 화학에서 산화와 환원은 항상 동시에 발생하며, 이는 전자의 이동을 통해 물질의 성질이 변하는 핵심 원리입니다. 화학자들은 눈에 보이는 형태보다 그 이면에 숨겨진 전자의 흐름과 본질적인 변환에 주목하며 물질의 세계를 이해합니다. 전자의 이동만큼 중요한 것이 바로 양성자의 역할입니다. 우리 주변의 산과 염기는 양성자의 이동에 의해 결정됩니다. 물 분자 사이에서 양성자가 오가며 산성이나 염기성을 띠게 되는데, 양성자를 내놓기 쉬우면 산성, 받기 쉬우면 염기성이라 부릅니다. 흥미롭게도 양성자를 받기 쉬운 염기는 전자가 풍부한 특성을 가집니다. 이처럼 전자와 양성자는 마치 바늘과 실처럼 서로 협력하며 자연계의 수많은 놀라운 현상을 만들어내는 주인공 역할을 수행하고 있습니다. 자연에서 전자와 양성자의 협업이 가장 빛나는 순간은 광합성입니다. 식물은 태양빛을 흡수해 전자를 들뜨게 만들고, 이 에너지를 이용해 물에서 전자를 빼앗아 산소를 배출합니다. 이때 이동하는 전자는 양성자를 끌어당겨 막 안팎의 농도 차이를 만듭니다. 이 농도 차이가 마치 수력 발전처럼 에너지를 생성하여 생명 활동의 에너지 화폐인 ATP를 만들어냅니다. 식물은 이 과정을 통해 매년 엄청난 양의 이산화탄소를 고정하며 지구의 에너지 순환을 책임지는 거대한 화학 공장 역할을 합니다. 마이클 패러데이는 양초가 타는 과정을 통해 화학적 산화의 본질을 설명했습니다. 양초의 유기물이 산소와 결합하며 전자를 주고받는 과정은 우리 몸이 호흡을 통해 에너지를 얻는 원리와 본질적으로 같습니다. 다만 양초는 열을 내며 타오르고, 생명체는 정교한 구조를 통해 뜨겁지 않게 에너지를 추출한다는 차이가 있을 뿐입니다. 전기화학은 바로 이러한 전자의 흐름을 정교하게 제어하고 측정하여, 화학 에너지를 깨끗한 전기 에너지로 변환하려는 학문적 노력이라 할 수 있습니다. 현대 과학의 큰 숙제 중 하나는 수소 자동차와 같은 연료전지의 효율을 높이는 것입니다. 생명체는 효소를 통해 산소 환원 반응을 완벽하게 수행하지만, 인공적인 장치에서는 여전히 백금과 같은 고가의 촉매에 의존하고 있습니다. 100년이 넘는 연구에도 불구하고 백금을 대체할 최적의 물질을 찾는 것은 여전히 과학계의 '성배'를 찾는 것과 같습니다. 하지만 전자와 양성자의 상호작용을 더 깊이 이해한다면, 우리는 언젠가 가장 효율적이고 깨끗한 에너지를 얻는 길을 찾게 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 인류가 초래한 기후 변화, 예측 가능했는가? _by손석우｜2022 서울대 자연과학 공개강연 '과학 동행' | 2부 ②

지구환경과학은 땅과 바다, 그리고 하늘에서 일어나는 모든 자연 현상을 탐구하는 학문입니다. 특히 매일의 날씨와 기후 변화는 현대 사회에서 가장 중요한 연구 주제로 꼽힙니다. 이러한 흐름 속에서 2021년 노벨 물리학상은 기후 연구의 중요성을 전 세계에 알리는 역사적인 계기가 되었습니다. 세 분의 수상자 중 마나베 슈쿠로 박사와 클라우스 하셀만 박사는 평생을 기상학 연구에 헌신해온 인물들로, 복잡한 기후 시스템을 물리적으로 규명한 공로를 인정받아 영예를 안았습니다. 기상학에 대한 인류의 관심은 고대 그리스 아리스토텔레스의 '메테오롤로지카'에서 시작되었습니다. 이후 19세기 수학자 푸리에는 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지 정량적으로 계산하기 시작했습니다. 그는 태양 에너지와 복사 에너지의 균형만으로는 현재의 온난한 기온을 설명할 수 없다는 사실을 발견했습니다. 푸리에는 지구에서 빠져나가는 에너지를 붙잡는 '무언가'가 존재할 것이라는 가설을 세웠고, 이는 훗날 온실 효과라는 개념의 기초가 되었습니다. 푸리에가 예견한 '무언가'의 정체는 화학자 틴들에 의해 밝혀졌습니다. 그는 실험을 통해 대기의 대부분을 차지하는 질소와 산소가 아닌, 아주 적은 양의 이산화탄소와 수증기가 적외선을 흡수한다는 사실을 확인했습니다. 이어 아레니우스 박사는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지구 기온이 약 6도 정도 상승할 것이라는 정량적 예측을 내놓았습니다. 비록 당시에는 빙하기를 이해하려는 목적이었으나, 이는 온실 기체가 기후를 결정하는 핵심 요소임을 입증한 선구적인 연구였습니다. 마나베 슈쿠로 박사는 이전의 단순한 에너지 균형 모델을 획기적으로 개선했습니다. 그는 복사 에너지뿐만 아니라 공기의 대류와 수증기의 잠열 방출을 복합적으로 고려한 기후 모델을 개발했습니다. 1967년 발표된 그의 연구는 이산화탄소 증가 시 지표면 온도는 상승하고 성층권 온도는 하강한다는 온실 효과의 특성을 명확히 증명했습니다. 특히 그는 40여 년 전에 이미 북극 지역에서 가장 강한 온난화가 나타날 것임을 예측했는데, 이는 오늘날 우리가 목격하고 있는 현실과 놀라울 정도로 일치합니다. 클라우스 하셀만 박사는 날씨와 기후의 상관관계를 이론적으로 규명하고, 기후 변화의 원인을 탐지하는 '기후 지문법'을 제안했습니다. 이는 현재 나타나는 기후 변화가 자연적인 변동인지, 아니면 인류의 활동에 의한 것인지를 통계적으로 구분하는 방법론입니다. 그의 연구 덕분에 과학자들은 지난 100여 년간의 기온 상승이 화산 폭발이나 태양 활동 같은 자연적 요인이 아닌, 인간이 배출한 온실 기체 때문라는 사실을 명백하게 입증할 수 있게 되었습니다. 최신 IPCC 보고서는 지구 온난화가 인간에 의한 것임이 '명백하다'는 표현으로 단정 짓고 있습니다. 산업화 이전 대비 지구 평균 기온은 이미 약 1.09도 상승했으며, 이로 인해 전례 없는 기상 이변이 속출하고 있습니다. 미래 기후 시나리오에 따르면, 우리가 탄소 중립을 달성하더라도 과거의 기온으로 완전히 돌아가는 것은 불가능에 가깝습니다. 하지만 2050년까지 탄소 중립에 성공한다면 기온 상승 폭을 1.5도 이내로 억제하여 최악의 재앙은 막을 수 있다는 희망적인 분석도 공존합니다. 기후 변화 연구는 단순한 지적 호기심에서 시작되어 이제는 인류의 생존이 걸린 절박한 과제가 되었습니다. 노벨상 수상자들은 입을 모아 과학적 근거에 기반한 빠른 행동을 촉구하고 있습니다. 문제가 닥친 후에야 대응하는 것이 아니라, 이미 확보된 과학적 데이터를 바탕으로 지금 당장 변화를 만들어내야 한다는 것입니다. 기후 위기는 더 이상 남의 이야기가 아닌 우리 모두의 이야기이며, 다음 세대를 위해 우리가 반드시 관심을 가지고 해결해야 할 시대적 사명입니다.

손석우

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학

[강연] 제29회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학동행'2 by정현석, 손석우 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

자연과학은 우리가 발을 딛고 있는 이 세계의 본질을 탐구하는 여정입니다. 2022년 UN이 지정한 '세계 기초과학의 해'를 맞아 진행된 이번 논의는 '과학과의 동행'이라는 주제 아래 기초과학의 가치를 재조명합니다. 미지의 영역을 향해 끊임없이 질문을 던지는 과정 자체가 인류에게 가장 소중한 가치가 됩니다. 이러한 탐구는 당장의 경제적 이득을 목적으로 하지 않더라도, 결국 인간의 본성에 부합하며 인류 전체에 유익한 결과를 가져다주는 밑거름이 됩니다. 우리가 아는 것보다 모르는 것이 훨씬 더 많다는 사실을 인정하는 데서 진정한 과학적 진보가 시작됩니다. 양자역학은 현대 물리학에서 가장 비직관적이면서도 매혹적인 분야로 꼽힙니다. 빛이 입자인지 파동인지에 대한 오랜 논쟁은 양자역학의 탄생과 함께 새로운 국면을 맞이했습니다. 단일 광자는 반거울을 통과할 때 어느 한 경로를 선택하는 입자처럼 행동하면서도, 관측되지 않을 때는 두 경로를 동시에 지나는 파동처럼 간섭 현상을 일으킵니다. 이러한 '양자 중첩' 상태는 우리가 일상에서 경험하는 논리적 범주를 뛰어넘습니다. 관측하는 순간 상태가 결정되는 이 기묘한 현상은 미시 세계의 기본 원리이며, 우리가 보지 않을 때 자연이 어떻게 행동하는지에 대한 심오한 통찰을 제공합니다. 양자 중첩의 개념을 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 놀라운 현상에 도달합니다. 멀리 떨어져 있는 두 입자가 서로의 상태를 즉각적으로 결정하는 이 현상은 아인슈타인이 '유령 같은 원거리 작용'이라 부르며 의구심을 표했을 만큼 파격적이었습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 국소적 실재론의 한계가 증명되면서, 우리는 이제 우주가 근본적으로 서로 얽혀 있다는 사실을 받아들이게 되었습니다. 이는 단순히 물리적 현상을 넘어 우리의 세계관을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이러한 양자적 상관관계는 현대 정보 기술의 패러다임을 바꿀 핵심 자원으로 주목받고 있습니다. 양자 기술을 현실에 구현하기 위한 과학자들의 노력은 '결어긋남'과의 전쟁이라 할 수 있습니다. 거시 세계의 물체는 외부 환경과 끊임없이 상호작용하며 양자적 특성을 쉽게 잃어버리기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 온도를 극도로 낮추거나 우주 공간을 활용하는 등 다양한 시도가 이어지고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 '큐비트' 기반의 양자 컴퓨터와 도청이 불가능한 양자 암호 통신은 이미 실험실을 넘어 실용화의 단계로 나아가고 있습니다. 비록 완벽한 양자 컴퓨터의 시대까지는 시간이 필요하겠지만, 잡음이 존재하는 현재의 기술 수준에서도 고전 컴퓨터가 풀지 못하는 난제들을 해결하려는 도전은 계속됩니다. 기후 변화는 이제 단순한 변화를 넘어 인류의 생존을 위협하는 '기후 위기'의 시대로 접어들었습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후 과학자들에게 수여된 것은 이 분야가 정통 물리학의 중요한 한 축임을 전 세계에 공표한 사건이었습니다. 기후에 대한 탐구는 19세기 푸리에의 에너지 균형 연구와 틴들의 온실 기체 발견에서 시작되어 아레니우스의 정량적 분석으로 이어졌습니다. 이들은 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지, 그리고 이산화탄소 농도가 기온에 어떤 영향을 미치는지에 대한 과학적 토대를 마련했습니다. 이러한 선구적인 연구들은 현대 기후 모델링의 출발점이 되었습니다. 현대 기후 과학은 정교한 컴퓨터 모델을 통해 지구의 미래를 예측합니다. 마나베 박사가 개발한 기후 모델은 대류와 복사 에너지의 상호작용을 물리 법칙으로 구현하여 온실 효과를 증명해 냈습니다. 또한 하셀만 박사가 제안한 '지문법'은 최근의 급격한 온난화가 자연적인 변동이 아닌 인류의 활동에 의한 것임을 통계적으로 명백히 규명했습니다. 현재 북극의 빙하가 녹고 기상 이변이 속출하는 현상은 수십 년 전 과학자들이 모델을 통해 예견했던 결과와 놀라울 정도로 일치합니다. 이는 기후 위기가 막연한 추측이 아니라 엄밀한 과학적 근거에 기반한 현실임을 시사합니다. 과학은 불확실한 미지의 영역을 확실한 지식의 영역으로 옮겨오는 인류의 가장 강력한 도구입니다. 양자 세계의 비밀을 파헤쳐 기술의 한계를 돌파하고, 기후 모델을 통해 지구의 위기를 진단하는 과정은 모두 미래 세대와의 지속 가능한 동행을 위한 노력입니다. 이제는 과학적 발견을 넘어 실천적인 행동이 필요한 시점입니다. 탄소 중립을 향한 국가적 대응과 더불어, 과학의 본질을 이해하고 그 가치를 공유하는 공동체의 노력이 뒷받침되어야 합니다. 과학자들의 끊임없는 질문과 도전이 계속되는 한, 우리는 더 나은 미래를 향한 희망의 실마리를 놓지 않을 것입니다.

손석우, 정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학
지구환경과학

[인터뷰] 오석배_과학적으로도 난제 중의 난제, ‘고통’

통증은 단순히 신체가 아픈 물리적 반응을 넘어선 매우 복잡한 현상입니다. 우리는 흔히 통증을 하나의 단순한 감각으로 여기기 쉽지만, 실제로는 신경계의 다양한 반응이 얽혀 있는 결과물입니다. 최근 노벨 생리의학상을 받은 연구들이 통각 수용체를 밝혀내며 큰 진전을 이루었으나, 이는 통증의 전체 모습 중 일부분에 불과합니다. 뇌와 신경계의 상호작용이 복합적으로 관여하기 때문에 통증을 완벽하게 제어하는 것은 현대 과학에서도 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 연구자들은 이 보이지 않는 고통의 실체를 밝히기 위해 지금도 끊임없이 노력하고 있습니다. 만성 통증 환자들은 사고나 질병 이후에도 지속적인 고통을 호소하지만, 그 원인을 명확히 규명하기는 쉽지 않습니다. 자율신경계의 이상이나 교감신경의 과도한 활성화 등 다양한 가설이 존재하나, 환자마다 통증의 양상과 원인이 천차만별이기 때문입니다. 현재는 통증을 객관적으로 측정할 수 있는 수단이 부족하여 의학적 진단과 치료에 한계가 있습니다. 동물 모델을 통한 기전 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 실제 환자들에게 적용 가능한 성공적인 치료법을 개발하는 데는 더 많은 시간이 필요합니다. 원인을 모르는 고통은 환자들에게 심리적인 좌절감까지 안겨주기도 합니다. 통증의 원인은 신경 손상부터 감염증, 암, 당뇨병에 이르기까지 매우 다양합니다. 심지어 과거의 에이즈 감염이 나중에 신경통으로 이어지는 경우도 있어, 이를 단순히 만성 통증이라는 하나의 범주로 묶기에는 무리가 있습니다. 우리가 흔히 사용하는 아스피린이나 타이레놀은 주로 염증을 줄여 통증을 간접적으로 완화하는 방식이며, 마약성 진통제는 강력하지만 중독과 내성이라는 치명적인 부작용을 안고 있습니다. 따라서 각 환자의 발병 원인에 맞춘 정밀한 표적 치료법을 찾는 것이 통증 연구의 핵심적인 목표가 되고 있습니다. 근본적인 기전을 밝혀내지 못하면 임시방편에 그칠 수밖에 없습니다. 통증 신호가 발생하는 지점과 이를 인지하는 뇌 사이에는 밀접한 관계가 있지만, 두 현상이 항상 일치하는 것은 아닙니다. 뇌는 외부에서 들어오는 통각 신호를 해석하고 조절하는 능력을 갖추고 있습니다. 예를 들어 명상은 부교감 신경계를 활성화하고 몸을 이완시켜 뇌가 통증에 적응하거나 이를 극복하도록 돕는 수단이 될 수 있습니다. 이러한 원리를 이해하면 극심한 수행을 거친 이들이 통각을 느끼더라도 이를 고통으로 인지하지 않을 가능성도 설명할 수 있습니다. 이는 통증이 단순히 말초 신경의 문제가 아니라 뇌의 인지 과정과 깊게 연관되어 있음을 시사합니다. 노벨상을 받은 TRPV1이나 기계적 자극 수용체의 발견은 통증 연구의 시발점을 찾아낸 위대한 학문적 업적입니다. 하지만 말단 신경에서의 발견을 넘어 척수나 뇌 수준에서 통증이 어떻게 조절되는지를 밝히는 과제가 여전히 남아 있습니다. 과학은 거창한 목표에서 시작되는 것이 아니라, '왜 뜨거움을 느낄까'와 같은 일상의 소박한 질문에서 출발합니다. 미래의 연구자들이 이러한 호기심을 바탕으로 통증의 정체를 완전히 밝혀낸다면, 인류는 만성 통증이라는 거대한 굴레에서 벗어날 수 있을 것입니다. 쉬운 질문에서 시작해 복잡한 문제를 해결해 나가는 과정이 바로 과학의 본질입니다.

오석배

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[인터뷰] 송충의_과학자는 질문으로 농사짓는 사람

화학의 세계에서 분자를 합성하는 과정은 우리 실생활 전반에 걸쳐 매우 중요한 역할을 수행합니다. 인류는 오랫동안 자연계의 원리를 모방하거나 특정 원소를 활용해 화학 반응을 조절해 왔지만, 최근에는 기존의 틀을 깨는 새로운 촉매 기술이 등장하여 학계의 주목을 받고 있습니다. 이 새로운 기술은 복잡한 실험 장치나 막대한 비용 없이도 효율적인 분자 합성을 가능하게 하여 기초 과학 연구의 패러다임을 바꾸고 있으며, 화학자들이 분자 구조를 더욱 자유롭게 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어주었습니다. 새로운 촉매의 발견은 단순히 실험 기법의 변화를 넘어, 우리가 원하는 성질의 분자를 만드는 제3의 고속도로를 건설한 것과 같습니다. 지금까지 인류는 특정 구조의 분자를 생성하기 위해 제한적인 방법론에 의존해 왔지만, 유기 촉매는 물리적, 화학적, 의학적 성질을 정밀하게 설계할 수 있는 새로운 선택지를 제공합니다. 이는 마치 목적지로 가는 기존의 두 갈래 길 외에 훨씬 빠르고 효율적인 새로운 경로를 발견한 것과 같으며, 화학자들이 분자 구조를 더욱 자유롭게 설계할 수 있는 토대가 됩니다. 한국의 과학 기술이 세계적인 수준으로 도약하기 위해서는 창의적인 발상과 이를 뒷받침하는 전폭적인 지원 시스템이 필수적입니다. 과거 콜럼버스가 신항로를 개척할 때 이사벨라 여왕의 지원이 있었기에 아메리카 대륙 발견이 가능했듯, 과학자의 무모해 보이는 도전에도 믿음을 주는 사회적 분위기가 필요합니다. 또한, 단순히 새로운 발견에 그치지 않고 많은 연구자가 그 길을 따라가며 연구의 즐거움을 공유할 때 비로소 노벨상과 같은 세계적인 성과가 탄생할 수 있습니다. 현재 학계에서는 '카이랄 분자'의 자기 복제와 진화에 관한 심도 있는 연구가 진행되고 있습니다. 분자가 스스로를 복제하며 진화하는 과정을 탐구하는 것은 지구가 탄생한 초기 단계에서 생명체가 어떻게 태동했는지에 대한 시나리오를 그리는 작업입니다. 아직 명확하게 밝혀지지 않은 생명 탄생의 초기 단계를 과학적 가설로 증명해 나가는 과정은 매우 도전적인 과제입니다. 이러한 연구는 분자 수준에서의 진화를 이해함으로써 생명의 근원에 한 발짝 더 다가가는 중요한 이정표가 될 것입니다. 과학자의 본질적인 역할은 단순히 지식을 습득하는 것이 아니라, 인류를 위한 '질문'을 심고 가꾸는 농부가 되는 것입니다. 농부가 씨앗을 뿌려 가을에 풍성한 수확을 거두어 사람들을 배부르게 하듯, 과학자는 엉뚱해 보일지라도 가치 있는 질문을 던짐으로써 인류의 발전에 기여해야 합니다. 좋은 질문은 그 자체로 새로운 연구의 씨앗이 되며, 이를 통해 얻은 해답은 세상을 변화시키는 힘을 가집니다. 끊임없이 질문을 농사짓는 자세야말로 미래의 과학자들이 지향해야 할 진정한 모습입니다.

송충의

카오스재단석학인터뷰

화학

[인터뷰] 현택환_세계적인 연구는 무엇이라고 생각하시나요?

시골 초등학교 시절 과학 경시 대회에서 은상을 받으며 과학자로서의 소질을 발견한 경험은 한 평생의 길을 결정짓는 중요한 계기가 되었습니다. 당시 산·염기 적정 실험을 통해 느꼈던 흥미는 단순한 호기심을 넘어 40년이 넘는 시간 동안 화학이라는 한 우물을 파게 만든 강력한 원동력이 되었습니다. 이처럼 어린 시절에 자신의 적성을 일찍이 발견하고, 그 길을 묵묵히 걸어온 끈기와 열정은 오늘날 세계적인 석학으로 자리매김할 수 있었던 가장 결정적인 요인이 되었습니다. 서울대 석좌교수이자 IBS 단장이라는 직함은 영광스러운 만큼 막중한 책임감과 스트레스를 동반합니다. 이러한 압박감을 해소하기 위해 선택한 테니스는 단순한 운동 이상의 의미를 지닙니다. 일주일에 12시간 이상 코트 위에서 땀을 흘리며 스트레스를 날려버릴 뿐만 아니라, 다양한 분야의 사람들과 복식 경기를 즐기며 폭넓은 인간관계를 형성하고 있습니다. 건강한 신체와 활발한 소통은 연구에 몰입할 수 있는 에너지를 재충전하는 소중한 시간이 됩니다. 나노기술은 현대 문명을 지탱하는 다양한 완제품의 성능을 결정짓는 핵심적인 원천기술입니다. 스마트폰의 디스플레이, 배터리, 반도체 소자 등은 모두 특정한 재료로 만들어지는데, 나노미터 크기에서 이 재료들의 성질을 정밀하게 조절함으로써 기기의 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 IT 분야를 넘어 수소연료전지, 태양전지와 같은 에너지 산업은 물론 암 진단 및 치료를 포함한 의료 분야에 이르기까지 21세기 인류의 삶을 혁신하는 필수적인 기반 기술로 자리 잡고 있습니다. 노벨 재단은 후보자 명단을 50년간 비밀에 부치기 때문에 공식적인 '노벨상 후보'라는 표현은 사실과 다를 수 있습니다. 하지만 세계적인 논문 인용 분석 기관인 '웹 오브 사이언스'에서 발표하는 '피인용 우수 연구자' 명단에 이름을 올렸다는 것은 학계에서 노벨상급 연구력을 인정받았음을 의미합니다. 실제로 리튬 이온 배터리나 유전자 가위 기술로 노벨상을 받은 석학들도 과거 이 명단에 포함된 바 있습니다. 이러한 국제적 인정은 연구자에게 큰 영광이자 지속적인 연구를 이어가게 하는 강력한 자극제가 됩니다. 기초과학연구원(IBS) 단장으로 부임한 이후의 10년은 연구 인생에서 '세계 최고 수준'을 넘어 '독보적인 세계 최고'로 도약하는 전환점이 되었습니다. 나노입자 연구단은 지난 10년간 누구도 따라올 수 없는 압도적인 연구 업적을 쌓아왔으며, 이는 기초 연구의 감동과 응용 연구의 실용성을 동시에 추구한 결과입니다. 당장의 성과에 급급하기보다 먼 미래에 인류의 난치병을 치료하고 새로운 에너지 패러다임을 제시할 수 있는 파괴적인 혁신을 목표로 삼아, 연구의 즐거움을 만끽하며 끊임없이 정진하고 있습니다.

현택환

카오스재단석학인터뷰

화학
생명과학
융합

[인터뷰] 염한웅 _ 발열 없는 꿈의 소자, 솔리톤 입자

최근 포스텍 연구팀은 실리콘 기판 위에서 새로운 형태의 입자인 '솔리톤'을 발견하는 성과를 거두었습니다. 솔리톤은 원자 두세 개 정도의 아주 작은 크기를 지니며 매우 빠르게 움직이는 특성이 있어, 그동안 개별 입자를 정지된 상태에서 관찰하는 것이 물리학계의 난제로 남아 있었습니다. 연구진은 특정한 조건을 조성하여 수십 년간 베일에 싸여 있던 솔리톤의 정지 상태를 현미경으로 포착하는 데 성공했습니다. 이는 미시 세계의 역동적인 입자를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 우리가 일상에서 사용하는 컴퓨터와 전자기기는 전자의 흐름인 전류를 이용해 정보를 전달합니다. 하지만 전자는 이동 과정에서 필연적으로 에너지를 소모하며 열을 발생시킨다는 한계가 있습니다. 만약 에너지를 소모하지 않고 이동하는 새로운 입자를 정보 매개체로 활용할 수 있다면, 전력 소모가 거의 없는 혁신적인 정보 전달 체계를 구축할 수 있습니다. 이번에 발견된 솔리톤은 이러한 차세대 소자 개발의 핵심적인 후보로 주목받고 있으며, 에너지 효율을 극대화한 미래 기술의 토대가 될 것으로 기대됩니다. 성공적인 과학 연구를 위해서는 요리처럼 정교한 '레시피'가 필요합니다. 어떤 재료를 언제 투입하고 실험의 각 단계를 어떻게 구성하느냐에 따라 연구의 결과물은 완전히 달라지기 때문입니다. 기초과학연구원(IBS)은 이러한 전문적인 연구를 수행하기 위해 학생 교육을 넘어 박사급 연구원들이 협력하는 집단 연구 체제를 지향합니다. 고도의 전문성을 갖춘 연구자들이 모여 협동 연구를 진행함으로써, 개별 연구실 단위에서는 달성하기 어려운 수준 높은 과학적 성취를 이끌어내고 국가 기초과학의 경쟁력을 강화하고 있습니다. 한국의 본격적인 기초과학 연구 역사는 약 30년 정도로, 짧은 시간 동안 비약적인 발전을 이루어 왔습니다. 하지만 노벨상 수준의 세계적인 성과를 내기 위해서는 단순히 현재의 성과를 홍보하는 것을 넘어, 국가 전체의 연구 수준을 한 단계 더 끌어올려야 합니다. 세계가 주목할 만한 독창적인 연구 성과를 창출하는 데 최소 10년, 그리고 그 성과가 국제 학계에서 충분히 검증되고 확산되는 데 또 다른 10년의 시간이 필요합니다. 즉, 긴 호흡으로 기초 체력을 다지는 과정이 노벨상이라는 결실을 맺기 위한 필수적인 전제 조건입니다. 최근 우수한 인재들이 의대로 쏠리는 현상에 대해, 과학계는 단순히 우려하기보다 과학 자체의 매력을 높이는 근본적인 대책을 고민해야 합니다. 의료 서비스의 질을 높이기 위해 재능 있는 이들이 의사가 되는 것은 자연스러운 일이지만, 과학에 흥미를 가진 인재들이 주저 없이 과학자의 길을 선택할 수 있는 환경이 조성되어야 합니다. 과학자들이 사회적으로 충분한 보상과 인정을 받고, 자신의 연구가 세상을 바꿀 수 있다는 확신을 가질 수 있을 때 비로소 다양한 재능을 가진 인재들이 과학기술의 미래를 밝히는 주역으로 성장할 것입니다.

염한웅

카오스재단석학인터뷰

물리학

[인터뷰] 우주 최대의 미스터리는?ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁7

우주를 탐구하는 인류에게는 여전히 풀리지 않는 거대한 질문들이 남아 있습니다. 가장 먼저 떠오르는 의문은 광활한 우주에 우리 외에 다른 지적 생명체가 존재하는가 하는 점입니다. 또한 우주의 대부분을 차지하고 있지만 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지, 그리고 블랙홀 내부와 같은 극한의 환경에서도 우리가 아는 물리 법칙이 유효한지에 대한 의문도 핵심적인 과제입니다. 이러한 미스터리들은 결국 우리가 왜, 그리고 어떻게 존재하는가라는 근본적인 물음에 답하기 위한 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 현대 우주론에서 가장 큰 비중을 차지하는 난제는 단연 암흑에너지입니다. 관측에 따르면 우주 에너지의 약 75%가 암흑에너지로 이루어져 있으며, 이는 아인슈타인이 한때 도입했다가 폐기했던 우주상수와 밀접한 관련이 있는 것으로 보입니다. 하지만 과학자들은 이 거대한 에너지의 정체를 밝히기 위한 실마리조차 제대로 잡지 못하고 있는 실정입니다. 이것이 과학적 질문인지조차 의심받을 정도로 난해한 이 문제는, 인류가 우주의 팽창 메커니즘을 완전히 이해하기 위해 반드시 넘어야 할 거대한 장벽과도 같습니다. 우주 전체에는 수조 개의 별이 존재하지만, 현재까지 우리가 아는 지적 생명체는 지구의 인류가 유일합니다. 확률적으로 보면 생명체의 존재는 너무나 희귀한 사건이며, 논리적으로 설명하기 힘든 신비에 가깝습니다. 따라서 차세대 천문학의 가장 중요한 목표 중 하나는 외계 생명체의 실존 여부를 확인하는 것입니다. 만약 외계 생명체가 발견된다면, 그들이 지구의 생명체와 얼마나 닮았고 또 다른지를 비교함으로써 생명이라는 현상이 우주에서 갖는 보편성을 탐구하는 새로운 학문의 장이 열릴 것입니다. 생명의 기원에 대한 탐구는 단순히 생물학적 영역을 넘어 천문학적 관점에서도 매우 중요합니다. 우주의 첫 순간이 어떻게 시작되었는지, 그리고 무기물이 어떻게 유기 생명체로 진화할 수 있었는지는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 일부 학자들은 지구 생명체의 기원이 화성에서 온 암석에 있을지도 모른다는 가설을 제시하기도 하며, 우주 공간에서 아미노산이 형성되는 과정을 연구하기도 합니다. 이처럼 생명의 탄생 과정을 규명하는 일은 여러 학문이 융합되어야 하는 종합적인 과제이며, 인류가 풀어야 할 가장 중요한 숙제 중 하나입니다. 물리학의 관점에서 볼 때, 우리 우주가 지금처럼 거대한 크기로 오랫동안 안정적으로 존재한다는 사실 자체가 하나의 기적입니다. 현대 물리학은 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력 등은 어느 정도 이해하고 있지만, 중력의 진정한 실체와 양자 역학과의 결합 문제는 여전히 해결하지 못했습니다. 표준 우주론이 설명하지 못하는 암흑 우주의 비밀을 밝혀내고, 일반 상대성 이론과 물질의 관계를 새롭게 정립하는 사상적 구조를 만드는 것이 다음 세대 과학자들의 몫입니다. 이러한 도전은 우주의 존재 그 자체에 담긴 경이로움을 이해하는 길로 우리를 인도할 것입니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 이유경, 이필진, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
지구환경과학
천문학
융합

[강연] 기후학자가 노벨물리학상을 수상한 이유? by 국종성 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 2강

기후 연구는 단순히 대기와 해양의 물리적 현상을 관찰하는 지구과학의 영역을 넘어, 이제는 식물의 호흡과 같은 생태적 요소까지 고려하는 거대한 융합 학문으로 진화했습니다. 우리가 살고 있는 지구에 대한 깊은 호기심과 관심을 가진 사람이라면 누구나 이 여정에 동참할 수 있습니다. 특히 현대 기후학은 다양한 학문적 배경을 가진 이들이 모여 복잡한 지구 시스템을 다각도로 분석하는 융합적 사고를 요구합니다. 이러한 통합적 접근은 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 해결하는 데 필수적인 토대가 되며, 미래의 기후학자들에게 가장 필요한 덕목이기도 합니다. 소중한 지구를 대상으로 직접적인 실험을 할 수 없기에, 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상의 지구인 '기후 모형'을 만듭니다. 이는 지구의 물리적 과정을 정교한 수학적 방정식으로 표현하여 미래의 변화를 진단하는 도구입니다. 전 지구를 격자로 쪼개어 수천만 개의 미분 방정식을 푸는 이 과정에는 엄청난 성능의 슈퍼컴퓨터가 동원됩니다. 10만 줄 이상의 복잡한 코드로 이루어진 기후 모형은 인류가 지구 시스템을 이해하고 미래의 기후 위기에 대비하기 위해 수십 년간 개발해 온 정교한 과학적 산물이자, 미래를 내다보는 창과 같습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후학자들에게 수여된 사건은 과학계에 큰 영감을 주었습니다. 이는 기후 시스템이 물리학적으로 매우 정교한 복잡계임을 인정함과 동시에, 기후 위기가 인류가 직면한 가장 시급하고 거대한 위협이라는 강력한 메시지를 담고 있습니다. 노벨 재단은 지구 온난화를 물리적으로 모델링하고 그 변동성을 정량화하여 신뢰할 수 있는 예측을 가능하게 한 공로를 높이 평가했습니다. 이는 기후학이 현대 물리학의 중요한 한 축으로서 인류의 생존과 직결된 학문임을 공표한 것이며, 우리가 당장 실천해야 할 과제임을 일깨워주는 상징적인 사건입니다. 슈쿠로 마나베 교수는 1960년대에 이미 세계 최초로 3차원 대기 대순환 모형을 개발하며 현대 기후 예측의 기틀을 마련했습니다. 그는 이산화탄소 농도가 2배 증가할 때 지표 온도가 약 2.4℃ 상승할 것이라는 놀라운 예측을 내놓았는데, 이는 수십 년 뒤의 현대적 관측치와도 매우 유사합니다. 특히 이산화탄소 증가 시 성층권 온도가 하락할 것이라는 그의 통찰은 훗날 실제 관측을 통해 증명되었습니다. 이는 기후 변화가 태양 활동의 변화가 아닌, 인간 활동에 의한 온실가스 배출 때문임을 밝히는 결정적인 과학적 근거가 되어 회의론자들의 주장을 잠재웠습니다. 클라우스 하셀만 교수는 무질서해 보이는 날씨의 변동 속에서 어떻게 장기적인 기후 예측이 가능한지에 대한 해답을 제시했습니다. 그는 대기의 빠른 변화가 해양과 같은 느린 시스템에 축적되는 과정을 수학적으로 증명하며 기후 예측의 토대를 마련했습니다. 이는 아인슈타인의 브라운 운동 개념을 기후 연구에 적용한 혁신적인 시도였습니다. 해양과 대기가 서로 시그널을 주고받으며 엘니뇨와 같은 거대한 기후 흐름을 만들어내는 과정을 이해하게 됨으로써, 인류는 무작위적인 날씨의 소음 속에서도 기후라는 거대한 질서의 방향성을 읽어낼 수 있게 되었습니다. 하셀만 교수의 또 다른 위대한 업적은 기후 변화의 원인을 규명하는 '최적 지문법'을 개발한 것입니다. 이는 관측된 기후 패턴 중에서 인간 활동에 의한 영향을 정밀하게 찾아내는 기술입니다. 최근 빈번해진 이상 기후가 단순한 자연적 변동인지, 아니면 인위적인 온난화 때문인지를 과학적으로 판별할 수 있게 된 것입니다. 이러한 연구는 기후 변화의 확률적 위험성을 정량화하여 정책 결정자들이 방파제 높이를 조절하거나 탄소 중립 전략을 세우는 데 실질적인 데이터를 제공합니다. 즉, 과학이 사회적 의사결정에 기여할 수 있는 강력한 도구를 마련해 준 셈입니다. 노벨상 수상은 기후 연구의 끝이 아니라 인류에게 주어진 새로운 숙제의 시작을 의미합니다. 우리는 여전히 지구 시스템의 임계점이 어디인지, 탄소 중립 이후 지구가 과거의 상태로 회복될 수 있는지에 대해 명확한 답을 찾고 있습니다. 급격한 기후 변화에 따른 생태계의 반응과 지구가 받는 지속적인 기후 스트레스는 우리가 앞으로 풀어야 할 거대한 수수께끼입니다. 기후학자들이 닦아놓은 과학적 토대 위에서, 이제는 전 인류가 지혜를 모아 지구의 지속 가능한 미래를 위한 실천적인 해답을 찾아나가야 합니다. 이번 수상은 그 여정을 독려하는 인류의 응원과도 같습니다.

국종성

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

지구환경과학

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

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

여준현

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학

[강연] 비대칭 유기촉매반응, 촉매연구의 신대륙을 발견하다! by 송충의 ㅣ고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 4강

2021년 노벨 화학상은 유기 합성 화학 분야의 두 거장, 벤야민 리스트와 데이비드 맥밀런에게 돌아갔습니다. 유기 합성 화학은 마치 레고 블록을 조립하듯 원자들을 연결하여 세상에 없던 새로운 분자를 만들어내는 학문입니다. 이들은 탄소, 수소, 산소, 질소와 같은 흔한 원소들만으로 구성된 '유기 촉매'를 이용해 복잡한 분자를 정교하게 합성할 수 있는 길을 열었습니다. 이는 기존의 금속 촉매나 효소에 의존하던 화학계에 커다란 혁신을 불러일으켰으며, 인류가 필요한 화합물을 더욱 효율적이고 친환경적으로 생산할 수 있는 토대를 마련했습니다. 화학에서 가장 중요한 개념 중 하나는 '키랄성'입니다. 이는 오른손과 왼손이 서로 거울에 비친 모습과 같지만 결코 완전히 겹쳐질 수 없는 성질을 의미합니다. 분자 세계에서도 구성 원소와 결합 순서는 같지만 공간적 배향이 다른 '거울상 이성질체'가 존재합니다. 우리 몸을 구성하는 아미노산이나 당분은 단 한 종류의 키랄성만을 가지고 있기 때문에, 몸속에 들어오는 분자의 방향성에 따라 전혀 다른 생물학적 반응을 보입니다. 따라서 의약품을 만들 때 우리가 원하는 특정 방향의 분자만을 선택적으로 합성하는 기술은 생명과 직결된 매우 중요한 과제입니다. 과거 화학계에는 촉매가 반드시 금속을 포함하거나 복잡한 효소 형태여야 한다는 일종의 고정관념이 존재했습니다. 1912년 금속 촉매 연구로 노벨상이 수여된 이후, 수많은 과학자는 더 좋은 금속 촉매를 개발하는 데 매진해 왔습니다. 하지만 2000년 벤야민 리스트와 맥밀런은 아주 단순한 아미노산인 프롤린이나 작은 유기 분자만으로도 금속 없이 비대칭 촉매 반응이 가능하다는 것을 증명했습니다. 이는 마치 콜럼버스가 신대륙을 발견한 것과 같이, 이미 존재하고 있었으나 누구도 주목하지 않았던 유기 촉매라는 거대한 영역을 과학의 중심으로 끌어올린 사건이었습니다. 유기 촉매는 기존의 금속 촉매나 효소가 가진 단점들을 보완할 수 있는 훌륭한 대안입니다. 효소는 반응성이 뛰어나지만 특정 기질에만 작용하고 다루기 까다로운 반면, 유기 촉매는 구조가 단순하면서도 다양한 반응에 적용할 수 있습니다. 또한 고가의 희귀 금속을 사용하지 않아 경제적이며, 금속 오염의 걱정이 없어 의약품이나 전자 재료 생산에 매우 유리합니다. 초기에는 유기 촉매의 반응성이 낮고 많은 양을 사용해야 한다는 한계가 지적되기도 했으나, 최근 연구를 통해 아주 적은 양으로도 수백만 배의 생성물을 얻을 수 있는 기술적 진보가 이루어졌습니다. 비대칭 유기 촉매 기술의 진가는 제약 산업에서 극명하게 드러납니다. 과거 '탈리도마이드' 사건은 거울상 이성질체 중 하나는 약이지만 다른 하나는 치명적인 독이 될 수 있음을 보여준 비극적인 사례였습니다. 오늘날에는 모든 의약품 허가 시 특정 이성질체만을 순수하게 분리하거나 합성해야 합니다. 여성 항암제인 탁솔이나 고지혈증 치료제 리피토와 같은 블록버스터급 의약품들은 모두 이러한 비대칭 합성 기술을 통해 생산됩니다. 유기 촉매는 이처럼 복잡한 구조의 약물을 저렴하고 안전하게 대량 생산할 수 있게 함으로써 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 최근 전 세계를 위협한 코로나19의 치료제 개발 과정에서도 비대칭 합성 기술은 핵심적인 역할을 수행했습니다. 먹는 코로나 치료제로 알려진 팍스로비드와 같은 약물은 수십 개의 거울상 이성질체가 존재할 수 있는 복잡한 구조를 가집니다. 만약 이들이 뒤섞인 채로 체내에 들어간다면 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있습니다. 합성 화학자들은 비대칭 촉매를 활용해 수많은 가능성 중 치료 효과가 있는 단 하나의 분자만을 정교하게 골라내어 합성합니다. 이는 단순한 화학 실험을 넘어, 질병과의 싸움에서 인류가 승리할 수 있게 돕는 강력한 무기가 됩니다. 유기 촉매의 발견은 화학 연구의 지평을 넓혔을 뿐만 아니라 젊은 과학자들에게 새로운 영감을 주었습니다. 벤야민 리스트와 맥밀런이 서른 초반의 젊은 나이에 혁신적인 논문을 발표하고 이를 전폭적으로 지원받아 연구를 이어간 사례는 과학계의 중요한 귀감이 됩니다. 이제 화학자들은 금속과 효소라는 기존의 경로 외에 '유기 촉매'라는 제3의 고속도로를 갖게 되었습니다. 앞으로 빛을 이용한 광촉매 반응 등 더욱 진보된 기술들이 결합한다면, 인류는 자연이 분자를 만드는 방식을 더욱 완벽하게 모방하고 통제하며 지속 가능한 미래를 설계해 나갈 수 있을 것입니다.

송충의

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

화학

[강연] 온도, 촉각 수용체 발견, 통증이 없는 삶 가능할까? by 오석배 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 1강

우리가 세상을 인지하는 가장 기본적인 방식은 오감을 통한 자극의 수용입니다. 그중에서도 온도와 촉각은 생존과 직결된 아주 중요한 감각입니다. 뜨거운 물체에 닿았을 때 즉각적으로 손을 떼거나, 부드러운 바람을 느끼는 과정은 우리 몸속의 정교한 센서들이 작동한 결과입니다. 오랫동안 인류는 이러한 감각이 어떻게 전기적 신호로 변환되어 뇌에 전달되는지 그 구체적인 메커니즘을 밝혀내고자 노력해 왔습니다. 이러한 탐구는 생명과학의 핵심적인 과제 중 하나였습니다. 2021년 노벨 생리의학상은 바로 이 감각의 수수께끼를 풀어낸 과학자들에게 돌아갔습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신을 활용해 우리가 열을 감지하는 원리를 규명했습니다. 그는 캡사이신에 반응하는 특정 유전자를 찾아내어 'TRPV1'이라는 이온 통로를 발견했습니다. 이 발견은 단순히 매운맛을 이해하는 것을 넘어, 우리 몸이 유해한 수준의 열을 어떻게 통증으로 인식하는지를 과학적으로 증명한 획기적인 사건으로 기록되었습니다. TRPV1은 특정 온도 이상에서 문이 열리며 이온을 통과시키는 단백질입니다. 이를 통해 열 자극이 전기 신호로 바뀌어 신경계를 타고 뇌로 전달됩니다. 흥미로운 점은 캡사이신 분자가 이 수용체에 결합하면, 실제 온도가 높지 않음에도 불구하고 우리 뇌는 뜨거움을 느낀다는 사실입니다. 이러한 연구는 온도감각과 통증이 분자 수준에서 어떻게 연결되어 있는지를 명확히 보여주었으며, 감각 생리학 분야에 새로운 지평을 열어주었다는 평가를 받고 있습니다. 온도뿐만 아니라 물리적인 압력을 감지하는 메커니즘 역시 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 아뎀 파타푸티안 교수는 세포에 물리적인 자극을 가했을 때 반응하는 유전자를 추적한 끝에 '피에조(PIEZO) 통로'를 발견했습니다. 피에조는 그리스어로 압력을 뜻하는 단어에서 유래했으며, 세포막이 눌리거나 당겨질 때 열리는 이온 통로입니다. 이 발견으로 우리는 가벼운 접촉부터 깊은 압박까지 다양한 촉각을 인지하는 생물학적 기초를 명확하게 갖게 되었습니다. 피에조 통로의 역할은 단순히 피부의 촉각에만 국한되지 않습니다. 우리 몸 내부의 혈압 조절이나 방광의 팽창 정도를 감지하는 등 내부 장기의 상태를 파악하는 데도 핵심적인 역할을 수행합니다. 또한 자신의 팔다리가 어디에 위치해 있는지 인지하는 고유수용감각에도 깊이 관여합니다. 이처럼 물리적 자극을 감지하는 시스템은 우리 몸의 항상성을 유지하고 복잡한 움직임을 제어하는 데 필수적인 요소임이 밝혀졌으며, 이는 인체 신비의 한 축을 담당합니다. 이러한 기초 과학적 발견은 현대 의학에서 통증 치료의 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 만성 통증이나 신경병증성 통증으로 고통받는 환자들에게 TRPV1이나 피에조 통로를 조절하는 약물은 혁신적인 치료제가 될 수 있습니다. 특정 감각 수용체만을 표적으로 삼아 부작용을 최소화하면서도 효과적으로 통증을 제어하려는 연구가 현재 활발히 진행 중입니다. 이는 감각의 원리를 이해하는 것이 곧 인류의 고통을 줄이고 삶의 질을 높이는 길임을 시사하는 대목입니다. 감각 수용체의 발견은 인간이 환경과 상호작용하는 근본적인 방식을 이해하게 해주었습니다. 우리가 느끼는 따뜻함, 시원함, 그리고 부드러운 촉감 뒤에는 수억 년의 진화 과정을 거쳐 완성된 정교한 분자 기계들이 숨어 있습니다. 노벨 생리의학상이 주목한 이 연구들은 생명과학의 근원적인 질문에 답을 던졌을 뿐만 아니라, 미래의 정밀 의료를 향한 중요한 이정표가 되었습니다. 앞으로도 감각의 신비는 계속해서 밝혀질 것이며 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것입니다.

오석배

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[강연] 2021 '노벨상 해설강연' by 오석배, 국종성, 여준현, 송충의 l 고등과학원&카오스재단

기초과학은 인류 문명의 근간을 이루는 지식의 보고입니다. 2021년 노벨상은 생리의학, 물리학, 화학 분야에서 인류의 이해를 한 단계 도약시킨 혁신적인 성과들에 수여되었습니다. 이번 성과들은 우리가 세상을 느끼는 방식부터 복잡한 기후 시스템의 변화, 그리고 분자를 합성하는 새로운 방법론에 이르기까지 폭넓은 영역을 아우릅니다. 이러한 연구들은 단순한 학문적 성취를 넘어 인류가 직면한 위기를 극복하고 더 나은 미래를 설계하는 데 필수적인 토대를 제공합니다. 생리의학상 분야에서는 우리가 온도와 촉각을 어떻게 인지하는지에 대한 비밀이 밝혀졌습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신을 활용해 열을 감지하는 수용체인 TRPV1을 발견했습니다. 이는 특정 온도가 넘어설 때 이온 통로가 열리며 전기 신호를 발생시키는 원리를 규명한 것입니다. 또한 박하의 시원함을 느끼게 하는 TRPM8 수용체의 발견은 우리가 차가움을 인지하는 메커니즘을 이해하는 결정적인 계기가 되었습니다. 아뎀 파타푸티언 교수는 기계적 자극을 전기 신호로 변환하는 피에조 수용체를 발견하여 촉각의 신비를 풀었습니다. 이 수용체는 피부의 촉감뿐만 아니라 혈압 조절, 호흡, 방광의 팽창 감지 등 우리 몸의 다양한 생리 현상에 관여합니다. 특히 몸의 위치와 움직임을 파악하는 고유 수용성 감각에도 핵심적인 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 발견은 통증 치료와 감각 이상 질환을 해결하기 위한 새로운 의학적 가능성을 제시하고 있습니다. 물리학상 중 복잡계 분야를 수상한 조르조 파리시 교수는 무질서한 시스템 속에서 숨겨진 패턴을 찾아내는 혁신적인 이론을 정립했습니다. 그는 스핀 유리라는 복잡한 자성체 모델을 통해 '복제 대칭성 깨짐'이라는 수학적 해법을 제시했습니다. 이는 단순히 물리적 현상을 넘어 신경망 이론, 단백질 접힘, 최적화 문제 등 다양한 학문 분야에 응용될 수 있는 보편적인 틀을 마련했습니다. 무질서해 보이는 자연 현상 이면의 질서를 이해하려는 그의 노력은 현대 과학의 지평을 넓혔습니다. 기후 변화 분야의 수상자인 슈쿠로 마나베와 클라우스 하셀만 교수는 지구 온난화를 물리적으로 모델링하여 예측의 신뢰성을 높였습니다. 마나베 교수는 대기와 해양의 상호작용을 고려한 3차원 모델을 최초로 개발하여 이산화탄소 증가가 지표 온도를 높인다는 사실을 입증했습니다. 하셀만 교수는 무작위적인 날씨 변화 속에서도 장기적인 기후 변동을 정량화하는 방법을 고안하여 인간 활동이 기후에 미치는 영향을 과학적으로 증명했습니다. 이는 현재 우리가 직면한 기후 위기에 대응하는 가장 강력한 근거가 됩니다. 화학상 분야에서는 금속이나 효소 없이도 효율적으로 분자를 합성할 수 있는 비대칭 유기 촉매 반응이 주목받았습니다. 벤자민 리스트와 데이비드 맥밀런 교수는 탄소, 수소, 질소 등 단순한 원소로 구성된 유기 분자가 정교한 촉매 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 특히 거울상 이성질체 중 원하는 한쪽만을 선택적으로 합성하는 기술은 의약품 제조 공정을 획기적으로 개선했습니다. 이는 환경 친화적이면서도 경제적인 화학 합성의 새로운 시대를 열었다는 평가를 받습니다. 2021년 노벨상 수상작들은 공통적으로 보이지 않는 세계의 원리를 규명하여 인류의 삶에 실질적인 변화를 가져왔습니다. 감각 수용체의 발견은 고통 없는 삶을 향한 희망을 주었고, 복잡계와 기후 모델링은 지구의 미래를 예측하는 지혜를 선사했습니다. 또한 유기 촉매 기술은 더 안전하고 효율적인 약물 개발을 가능하게 했습니다. 과학은 이처럼 끊임없는 질문과 탐구를 통해 인류의 한계를 극복하며, 우리가 사는 세상을 더욱 깊이 이해하게 만드는 가장 강력한 도구입니다.

국종성, 송충의, 여준현, 오석배

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학
지구환경과학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 2021 노벨 생리의학상

2021년 노벨 생리의학상은 우리가 주변 환경을 어떻게 감각으로 받아들이는지에 대한 근본적인 원리를 밝혀낸 데이비드 줄리어스와 아뎀 파타푸티안 교수에게 돌아갔습니다. 인간은 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각이라는 오감을 통해 세상을 인지하지만, 이러한 외부 자극이 우리 몸속에서 구체적으로 어떤 과정을 거쳐 전기 신호로 변환되는지에 대해서는 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 두 과학자는 세포막에 존재하는 특수한 단백질인 감각 수용체를 발견함으로써, 물리적 자극이 생물학적 신호로 바뀌는 정교한 메커니즘을 규명하는 데 성공했습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신에 반응하는 'TRPV1'이라는 이온 채널을 발견했습니다. 흥미로운 점은 이 수용체가 섭씨 43도 이상의 뜨거운 온도에도 동일하게 반응한다는 사실입니다. 우리가 매운 음식을 먹었을 때 입안이 타는 듯한 뜨거움을 느끼는 이유는 뇌가 캡사이신 자극과 열 자극을 같은 경로를 통해 전달받기 때문입니다. 이 발견은 단순한 호기심 해결을 넘어, 우리 몸이 유해한 열 자극을 감지하여 화상과 같은 위험으로부터 스스로를 보호하는 생존 기작을 이해하는 데 결정적인 단서를 제공했습니다. 아뎀 파타푸티안 교수는 압력이나 접촉과 같은 기계적 자극을 감지하는 '피에조 채널'을 찾아냈습니다. 이 수용체는 피부에 닿는 촉감뿐만 아니라 우리 몸의 내부에서 일어나는 다양한 물리적 변화를 감지하는 데 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 혈압의 조절, 방광의 팽창 감지, 심지어는 소리를 듣거나 몸의 균형을 잡는 평형 감각에도 이 피에조 채널이 관여하고 있습니다. 이는 인간이 자신의 신체 위치를 파악하고 내부 장기의 상태를 실시간으로 모니터링하며 생명 활동을 유지할 수 있게 하는 핵심적인 장치라고 할 수 있습니다. 감각 수용체의 발견은 통증의 본질을 이해하는 데에도 큰 도움을 주었습니다. 통증은 우리 몸에 이상이 생겼음을 알리는 필수적인 경고 신호로, 이를 느끼지 못하면 생명에 치명적인 위협이 될 수 있습니다. 연구팀은 뜨거운 자극뿐만 아니라 멘톨 성분이나 낮은 온도에 반응하는 'TRPM8'과 같은 냉감각 수용체도 함께 규명해 냈습니다. 이러한 연구 결과들은 인간이 극심한 추위나 더위, 그리고 외부의 물리적 충격으로부터 신체를 보호하기 위해 얼마나 정교하고 복잡한 감각 체계를 진화시켜 왔는지를 잘 보여줍니다. 이러한 기초 과학의 성과는 향후 의학 및 공학 분야에서 폭넓게 응용될 전망입니다. 특히 만성 통증으로 고통받는 환자들을 위해 특정 이온 채널의 활성화를 조절하는 새로운 차원의 진통제 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 또한, 감각 전달의 원리를 디지털 기술과 결합하면 가상 현실에서도 실제와 같은 촉감을 느낄 수 있는 햅틱 기술의 혁신을 가져올 수 있습니다. 물리적 자극 없이도 신경에 직접 전기 신호를 전달하여 감각을 구현하는 미래 기술은 메타버스 시대를 더욱 풍성하게 만들어 줄 핵심 동력이 될 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학
뇌인지과학

[강연] 빛의 한계를 뛰어넘는 분자의 슬기로운 감빵생활 _ by심상희 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 5강 | 5강

현미경의 역사는 생물학의 발전과 그 궤를 같이해 왔습니다. 17세기 로버트 훅은 직접 고안한 현미경으로 코르크 마개를 관찰하던 중, 작은 방들이 조밀하게 모여 있는 모습이 마치 수도원의 독방이나 감옥 같다고 느껴 '세포(Cell)'라는 이름을 붙였습니다. 이후 레벤후크는 미생물을 발견하여 미생물학의 토대를 닦았고, 카할은 신경 세포의 정교한 구조를 그려내며 뇌과학의 시작을 알렸습니다. 이처럼 현미경은 보이지 않는 미세 세계를 시각화함으로써 인류가 생명의 기본 단위를 이해하는 데 결정적인 역할을 수행해 왔습니다. 하지만 전통적인 광학 현미경은 물리적인 한계에 부딪혔습니다. 19세기 에른스트 아베는 빛의 파동성으로 인해 발생하는 회절 현상을 수식으로 정리하며 회절 한계를 규명했습니다. 가시광선을 사용하는 한, 약 200~300 나노미터보다 작은 물체는 서로 구분할 수 없다는 것입니다. 이로 인해 수 나노미터 크기에 불과한 단백질이나 바이러스는 현미경 아래에서 실제보다 훨씬 거대한 빛의 점으로 뭉개져 보일 수밖에 없었으며, 이는 오랫동안 광학계의 깨지지 않는 법칙처럼 여겨졌습니다. 전자 현미경은 짧은 파장의 전자빔을 사용하여 이 한계를 극복했지만, 세포를 아주 얇게 자르고 고정해야 하기에 살아있는 상태를 관찰하기 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 반면 형광 현미경은 특정 분자에만 빛을 내는 표지를 붙여 복잡한 세포 환경 속에서도 원하는 대상만을 선명하게 골라낼 수 있는 '분자 특이성'을 가집니다. 이러한 장점 덕분에 현대 생물학에서 형광 현미경은 세포 내 특정 분자의 위치와 움직임을 파악하는 데 있어 대체 불가능한 도구로 자리 잡게 되었습니다. 초고해상도 현미경은 형광 분자가 '반짝이며' 켜지고 꺼지는 스위칭 현상을 슬기롭게 활용하여 물리적 한계를 뛰어넘었습니다. 모든 분자가 동시에 빛을 내면 회절 무늬가 겹쳐 형체를 알 수 없게 되지만, 확률적으로 아주 적은 수의 분자만 번갈아 가며 빛을 내게 조절하면 개별 분자의 정확한 중심 위치를 파악할 수 있습니다. 이는 마치 어두운 밤하늘에서 수많은 반딧불이가 한꺼번에 빛날 때는 형체를 알 수 없다가, 하나씩 번갈아 빛날 때 그 위치를 정확히 찍어낼 수 있는 것과 같은 원리입니다. 이렇게 측정된 수만 개의 분자 위치 정보는 컴퓨터를 통해 하나의 정밀한 이미지로 재구성됩니다. 미술의 점묘화 기법처럼 수많은 점을 찍어 전체 형상을 만드는 이 방식은 기존보다 10배 이상 정밀한 나노미터 단위의 해상도를 제공합니다. 이를 통해 과학자들은 과거에는 뭉개져 보이던 세포 내부 구조를 실타래처럼 가느다란 가닥 하나까지 선명하게 구분할 수 있게 되었으며, 분자 수준에서 일어나는 생명 활동의 사생활을 직접 목격하는 새로운 시대를 열었습니다. 초고해상도 기술은 기존에 알지 못했던 생명의 비밀들을 속속들이 밝혀내고 있습니다. 신경 세포의 축삭 돌기에서 발견된 정교한 액틴 고리 구조나, 정자 꼬리에 배열된 칼슘 채널의 입체적인 모습은 이 기술이 아니었다면 영원히 베일에 싸여 있었을 것입니다. 또한 살아있는 세포 내에서 미토콘드리아가 역동적으로 움직이고 소포체와 상호작용하는 과정을 실시간으로 관찰함으로써, 질병의 원인을 규명하고 새로운 치료법을 찾는 연구에도 혁신적인 변화를 불러일으키고 있습니다. 과학의 비약적인 발전은 정립된 이론에 의문을 던지고 이를 극복하려는 끈기 있는 노력에서 비롯됩니다. 20년 넘게 해상도 한계에 도전한 슈테판 헬이나, 소속도 없이 거실에서 현미경을 조립했던 에릭 베치히의 사례는 과학적 탐구의 본질을 보여줍니다. 99%의 좌절 속에서도 단 1%의 희열을 위해 나아가는 과학자들의 열정은, 빛의 한계를 넘어 분자들의 세계를 탐험하는 원동력이 되었습니다. 이러한 슬기로운 탐구 정신은 앞으로도 우리가 생명의 신비를 풀어나가는 데 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

심상희

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 세포는 외부 신호를 어떻게 감지할까? _ by최희정 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 4강 | 4강

우리 세포는 외부 환경과 끊임없이 소통하며 생명을 유지합니다. 세포는 단순히 고립된 존재가 아니라, 외부에서 들어오는 다양한 화학 물질이나 물리적인 자극, 그리고 전기적인 신호를 감지하고 그에 적절한 반응을 나타내는 정교한 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 신호 감지는 나노미터 단위의 아주 미세한 수준에서 일어나며, 우리가 일상에서 마시는 커피 속 카페인이 각성 효과를 내는 과정 역시 세포가 특정 화학 물질을 인지하여 신호를 전달한 결과입니다. 세포는 외부 신호의 미세한 차이를 구별하여 서로 다른 반응을 이끌어냄으로써 생존에 필요한 항상성을 유지합니다. 세포가 외부 신호를 가장 먼저 맞닥뜨리는 곳은 세포의 경계면인 세포막입니다. 세포막은 물과 섞이지 않는 지질 성분으로 이루어진 이중 막 구조로, 세포 내부와 외부를 분리하는 성벽과 같은 역할을 합니다. 하지만 세포는 외부와 완전히 단절되어서는 안 되기에, 세포막에는 외부와 소통을 담당하는 막 단백질들이 존재합니다. 우리 몸 전체 단백질의 약 30%를 차지하는 이 막 단백질들은 외부 신호를 인지하여 내부로 전달하거나, 필요한 물질이 드나드는 통로 역할을 수행합니다. 이들은 세포가 외부 환경의 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 돕는 핵심적인 매개체입니다. 막 단백질의 가장 중요한 소양은 신호 전달의 정확성입니다. 외부 신호가 없는데도 신호가 있는 것처럼 행동하거나, 꼭 필요한 신호를 놓치게 되면 세포의 정상적인 기능이 무너져 질병으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 성장 인자가 없는데도 수용체가 계속해서 증식 신호를 보내면 암이 발생할 수 있고, 인슐린 신호를 제대로 전달하지 못하면 당뇨병이 유발됩니다. 이처럼 세포막 단백질은 외부의 정보를 정확하게 읽어내어 세포 내부의 반응을 조절하는 막중한 임무를 띠고 있습니다. 따라서 이들의 구조와 기능을 이해하는 것은 생명 현상의 본질을 파악하고 질병을 치료하는 데 매우 중요합니다. 세포막을 통과하는 물질의 흐름을 조절하는 대표적인 단백질은 채널입니다. 세포막은 지질로 이루어져 있어 이온이나 친수성 분자가 마음대로 통과할 수 없지만, 특정 이온 채널은 소듐이나 포타슘 같은 이온을 선택적으로 투과시킵니다. 특히 포타슘 채널은 자신보다 크기가 작은 소듐 이온은 걸러내고 포타슘 이온만 정확하게 통과시키는 놀라운 정교함을 보여줍니다. 이는 단백질 내부의 아미노산들이 이온과 결합할 때 발생하는 에너지 차이를 이용한 것으로, 인간이 만든 어떤 기계보다도 효율적이고 정교한 필터 역할을 수행합니다. 이러한 선택적 투과는 세포의 전위차를 형성하여 신호 전달의 기초가 됩니다. 이온 채널은 외부 자극에 따라 문을 열고 닫으며 신호를 조절합니다. 전압 개폐성 채널은 세포막의 전위 변화를 감지하여 구조를 바꾸고, 리간드 개폐성 채널은 특정 화학 물질이 결합할 때 통로를 엽니다. 예를 들어 신경 전달 물질인 가바(GABA)가 수용체에 결합하면 단백질 구조가 뒤틀리며 이온이 통과할 수 있는 길이 열리게 됩니다. 또한 우리가 매운 고추를 먹었을 때 열감을 느끼는 것은 캡사이신 성분이 온도를 감지하는 이온 채널에 결합하여 전기적 신호를 발생시키기 때문입니다. 이처럼 단백질의 역동적인 구조 변화는 외부의 물리적, 화학적 자극을 생체 신호로 변환하는 핵심 기전입니다. 수용체 단백질 중 하나인 G단백질 연결 수용체(GPCR)는 우리 몸에서 가장 다양한 신호를 처리하는 패밀리입니다. 아드레날린, 도파민, 히스타민과 같은 호르몬이나 신경 전달 물질들이 이 수용체에 결합하면, 수용체의 구조가 변하면서 세포 내부의 G단백질과 상호작용하여 신호를 증폭시킵니다. 우리가 흔히 복용하는 약물의 상당수가 바로 이 GPCR을 타깃으로 하여 질병을 치료합니다. 카페인이 아데노신 수용체에 대신 결합하여 졸음을 막거나, 천식 치료제가 아드레날린 수용체를 활성화해 기관지를 확장하는 것이 대표적인 사례입니다. 수용체와 리간드의 특이적인 결합은 현대 의학의 중요한 기반이 됩니다. 눈으로 볼 수 없는 나노 세계의 단백질 구조를 밝혀내는 것은 현대 생명과학의 거대한 도전입니다. 과학자들은 X선 결정학을 통해 단백질 결정을 분석하거나, 극저온 전자 현미경(Cryo-EM)으로 단백질 분자를 급속 냉동하여 3차원 구조를 규명합니다. 이러한 구조 생물학적 연구를 통해 우리는 단백질이 어떻게 신호를 감지하고 움직이는지 원자 수준에서 이해할 수 있게 되었습니다. 규명된 구조 정보는 전 세계 과학자들과 공유되어 새로운 치료제 개발과 생명 현상의 비밀을 푸는 데 기여하고 있습니다. 보이지 않는 미세한 구조 속에 생명의 정교한 설계도가 담겨 있는 셈입니다.

최희정

카오스재단카오스강연

생명과학

[청소년과학커뮤니케이터] 크리스퍼 유전자 가위

우리 몸의 설계도라 불리는 유전자는 부모님으로부터 물려받은 유전 정보의 가장 작은 단위입니다. 유전자는 세포 속 핵 안에 있는 염색체, 그리고 그 염색체를 구성하는 DNA 속에 존재합니다. DNA는 아주 미세한 이중 나선 구조로 이루어져 있으며, 우리 몸을 구성하고 유지하는 데 필요한 모든 정보를 담고 있는 생명의 지도와 같습니다. 이러한 유전 정보는 우리가 누구인지, 어떤 특징을 가졌는지를 결정하는 핵심적인 역할을 수행합니다. DNA는 아데닌(A), 타이민(T), 사이토신(C), 구아닌(G)이라는 네 가지 염기의 조합으로 이루어져 있습니다. 이 염기들은 서로 짝을 이루어 결합하며, 수많은 염기가 나열된 순서에 따라 키나 생김새 같은 유전적 형질이 결정됩니다. 우리 몸에는 약 3만 개의 유전자가 존재하며, 이 미세한 정보들이 모여 한 사람의 고유한 특성을 만들어내는 놀라운 생명 현상을 보여줍니다. 생명체의 근간을 이루는 이 염기 서열은 현대 과학의 중요한 연구 대상입니다. 최근 과학계에서 가장 큰 관심을 받는 기술 중 하나는 2020년 노벨 화학상을 수상한 유전자 가위입니다. 유전자 가위는 실제 금속 도구가 아니라, 특정 DNA 부위를 찾아내어 잘라내는 단백질 복합체를 의미합니다. 그중에서도 '크리스퍼-카스9'은 세균이 바이러스의 침입에 대항해 스스로를 보호하는 면역 체계를 응용하여 개발되었습니다. 이는 유전 정보를 인위적으로 교정할 수 있는 혁신적인 도구입니다. 유전자 가위는 가이드 RNA가 표적 DNA 서열을 찾아내면 카스9 단백질이 해당 부위를 절단하는 방식으로 작동합니다. 기존 기술에 비해 정확도가 매우 높고 비용이 저렴하여 효율성이 뛰어난 것이 특징입니다. 이 기술은 모기 퇴치나 농작물의 병충해 방지뿐만 아니라, 난치성 유전병을 치료하는 맞춤형 정밀 의료 분야에서 큰 기대를 모으고 있습니다. 인류의 건강 증진을 위한 새로운 가능성이 열린 셈입니다. 하지만 유전자 가위 기술의 발전은 생명 윤리에 대한 중요한 질문을 던집니다. 생명체의 유전 정보를 마음대로 수정할 수 있다는 점 때문에 종교적, 윤리적 논란이 끊이지 않고 있습니다. 기술을 안전하고 올바르게 사용하기 위해서는 사회 구성원들의 폭넓은 의견 수렴과 합의가 반드시 필요합니다. 과학 기술의 혜택을 누리면서도 생명의 존엄성을 지키기 위한 우리 모두의 깊은 고민과 성찰이 필요한 시점입니다.

국립과천과학관청소년과학커뮤니케이터✒️

화학
생명과학

[강연] 구글 신은 아직도 모든 것을 알고 있다? (2) _ by정하웅 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 1강 | 1강 ②

현대 사회에서 데이터는 단순한 정보의 나열을 넘어 인류의 문화를 읽어내는 거대한 거울이 되고 있습니다. 구글 북스 프로젝트처럼 수백만 권의 책에 담긴 단어의 빈도를 분석하면, 특정 시대의 사람들이 무엇에 열광하고 어떤 고민을 했는지 추적할 수 있습니다. 이는 과거의 검색 엔진과 같은 역할을 하며, 우리가 타임머신을 타고 과거로 돌아가지 않아도 당시의 사회적 분위기와 문화적 흐름을 정교하게 재구성할 수 있게 해줍니다. 데이터는 인간의 가장 은밀한 내면을 비추는 고해성사의 도구가 되기도 합니다. 사람들은 검색창 앞에서 누구에게도 말하지 못할 솔직한 감정과 욕망을 드러내며, 이러한 디지털 발자국은 집단지성의 흐름을 보여주는 중요한 지표가 됩니다. 특정 사건에 대한 대중의 분노나 호기심이 검색 데이터로 표출될 때, 우리는 이를 통해 사회적 갈등의 원인을 파악하고 나아가 대중의 감성을 자극하는 새로운 소통의 방식을 찾아낼 수 있습니다. 오늘날의 혁신은 무에서 유를 창조하는 것이 아니라 기존의 것들을 어떻게 엮어내느냐에 달려 있습니다. 수많은 특허 데이터를 분석해 보면, 완전히 새로운 단독 특허보다는 기존 기술들을 창의적으로 결합한 조합 특허가 주를 이루고 있음을 알 수 있습니다. 이는 현대 과학기술의 발전이 개별 데이터의 축적보다는 데이터 간의 정교한 네트워크 형성을 통해 이루어지고 있음을 시사하며, 연결의 힘이 곧 새로운 가치를 창출하는 핵심 동력임을 보여줍니다. 하지만 데이터의 연결이 늘어날수록 개인의 사생활 침해라는 어두운 그림자도 짙어집니다. 우리가 일상적으로 사용하는 스마트폰은 GPS 정보, 카메라 접근 권한, 웹 서핑 기록 등 방대한 양의 메타데이터를 끊임없이 생성하고 공유합니다. 통화 내용 자체를 도청하지 않더라도 누구와 언제 얼마나 통화했는지에 대한 기록만으로도 개인의 사적인 삶을 충분히 추측할 수 있는 시대가 되었습니다. 이는 우리가 데이터의 편리함 뒤에 숨겨진 감시의 위험성을 경계해야 하는 이유입니다. 데이터 기술을 긍정적으로 활용한다면 개인의 삶을 획기적으로 개선하는 도구가 될 수 있습니다. 스스로의 신체 변화와 활동을 기록하는 '퀀티파이드 셀프'는 정량화된 자아를 통해 건강을 관리하고 삶의 질을 높이는 데 기여합니다. 특히 의료 분야에서는 대규모 임상시험에 의존하기보다 개인에게 최적화된 맞춤형 처방을 가능하게 하는 'N=1' 실험의 시대를 열어주고 있습니다. 이는 데이터가 개인의 복지를 위한 강력한 조력자가 될 수 있음을 의미합니다. 프라이버시는 단순히 개인의 비밀을 지키는 것을 넘어 사회 발전을 이끄는 중요한 동력이 됩니다. 사회가 모든 구성원을 완벽하게 감시하고 통제한다면, 기존의 틀을 벗어난 새로운 시도나 파격적인 생각은 설 자리를 잃게 됩니다. 다소 엉뚱하거나 특이한 행동들이 허용되는 사적인 공간이 보장될 때 비로소 사회는 진보할 수 있습니다. 따라서 개인정보 보호는 기술적인 문제를 넘어 우리 사회의 다양성과 창의성을 유지하기 위한 필수적인 가치로 다뤄져야 합니다. 결국 빅데이터의 미래는 단순한 데이터의 양이 아니라 그 데이터들을 어떻게 의미 있게 연결하느냐에 달려 있습니다. 뇌의 뉴런들이 복잡하게 얽혀 고도의 지능을 만들어내듯, 파편화된 데이터들을 적재적소에 배치하고 연결할 때 비로소 거대한 가치가 탄생합니다. 우리는 기술적 혁신과 윤리적 보호 사이에서 균형을 잡으며, 데이터와 네트워크의 결합이 만들어낼 새로운 가능성을 향해 나아가야 합니다. 연결을 통해 세상을 이해하는 지혜가 필요한 시점입니다.

정하웅

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 큰 분자 작은 우주, 효소의 세계 by송윤주｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 4강

효소는 우리 몸과 자연계에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 촉진하는 생체 촉매입니다. 단순히 소화를 돕는 물질을 넘어, 식물의 광합성부터 바이러스 진단, 신재생에너지 전환, 그리고 환경 문제 해결에 이르기까지 그 역할이 매우 방대합니다. 효소는 거대한 단백질 분자이지만, 그 내부에는 정교한 화학 반응의 원리가 숨어 있어 '작은 우주'라고 불리기도 합니다. 불확실한 세계 속에서 과학이 제시하는 명확한 해답 중 하나가 바로 이 효소의 메커니즘을 이해하고 활용하는 것입니다. 효소의 가장 놀라운 특징은 화학 반응의 속도를 비약적으로 높인다는 점입니다. 예를 들어, 우리가 먹은 음식물을 소화하는 데 효소가 없다면 약 500년이라는 긴 시간이 걸리겠지만, 효소 덕분에 단 몇 시간 만에 소화가 가능해집니다. 이는 효소가 기존의 어려운 경로 대신 새로운 반응 경로를 찾아내어 반응 속도를 수십억 배 이상 가속하기 때문입니다. 상온과 상압이라는 온화한 조건에서도 메탄을 메탄올로 바꾸는 것과 같은 고난도의 화학 반응을 효율적으로 수행하는 효소의 능력은 현대 과학이 추구하는 이상적인 촉매의 모습입니다. 효소는 20가지 아미노산이 특정 순서로 배열된 단백질로 구성됩니다. 만약 100개의 아미노산으로 이루어진 효소가 있다면, 그 조합의 수는 우주의 원자 수보다 많은 천문학적인 숫자가 됩니다. 이러한 복잡성 때문에 아미노산 서열이 어떻게 3차원 구조를 형성하고 특정 기능을 수행하는지에 대한 인과관계는 여전히 과학계의 거대한 난제로 남아 있습니다. 단 하나의 아미노산만 바뀌어도 헤모글로빈처럼 구조와 기능이 완전히 변할 수 있다는 사실은 효소 연구가 얼마나 정밀하고 어려운 영역인지를 잘 보여줍니다. 과학자들은 효소의 비밀을 풀기 위해 X선 결정법이나 초저온 전자현미경 등을 활용해 구조를 분석하고, 최근에는 인공지능을 도입해 구조 예측의 정확도를 높이지고 있습니다. 특히 프랜시스 아놀드 교수가 개척한 '유도 진화' 기술은 효소 연구의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 가속화하여 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 인위적으로 만들어내는 방법입니다. 서열과 기능 사이의 완벽한 법칙을 다 이해하지 못하더라도, 반복적인 변형과 선택을 통해 최적의 효소를 찾아내는 혁신적인 접근법입니다. 효소 연구의 실질적인 성과는 환경 오염 문제 해결에서도 빛을 발하고 있습니다. 과학자들은 페트병 재활용 공장 인근의 토양에서 플라스틱을 분해하는 미생물과 효소를 발견해냈습니다. 초기에는 분해 속도가 매우 느려 실용화에 한계가 있었지만, 유도 진화 기술을 적용해 효소의 구조를 개량한 결과 분해 시간을 획기적으로 단축하는 데 성공했습니다. 이처럼 무궁무진한 가능성을 지닌 효소의 세계를 탐구하는 것은 인류가 직면한 여러 난제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

송윤주

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[석학인터뷰] 배상수_물리학도가 유전자가위를 연구하게된 이유

크리스퍼 유전자가위는 현대 과학사에서 인류가 불을 발견한 것에 비견될 만큼 획기적인 전환점으로 평가받고 있습니다. 과거에는 유전 정보를 그저 멀리서 관찰하는 데 그쳤다면, 이제는 생명의 설계도인 DNA를 직접 수정하고 교정할 수 있는 시대가 본격적으로 열린 것입니다. 이는 단순한 기술적 진보를 넘어 생명공학의 패러다임을 완전히 바꾸는 거대한 사건이라 할 수 있습니다. 크리스퍼 유전자가위의 등장은 질병 치료와 생명 현상 이해에 있어 이전과는 전혀 다른 새로운 세대를 예고하고 있으며, 전 세계 수많은 연구자가 이 도구를 필수로 활용하게 될 것입니다. 생명 현상을 탐구하는 데 있어 물리학이나 수학 등 다양한 학문적 배경은 새로운 관점을 제시하는 중요한 열쇠가 됩니다. 이론 물리학적 토대 위에서 세포를 관측하고 DNA를 다루는 연구에 뛰어들면, 생명 현상 이면에 숨겨진 근본적인 작동 원리와 메커니즘에 대해 더욱 깊은 의문을 갖게 됩니다. 크리스퍼 유전자가위가 어떤 원리로 DNA를 절단하고 작동하는지 분석하는 과정에서 기존 생물학과는 차별화된 접근이 가능해지는 것입니다. 이러한 학제 간 융합은 생명과학의 경계를 넓히고, 복잡한 생명 시스템을 보다 정밀하게 이해하는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 2012년 등장한 3세대 크리스퍼 유전자가위는 불과 8년 만에 노벨상을 거머쥐며 그 압도적인 파급력을 증명했습니다. 현재는 이를 기반으로 한 염기교정이나 프라임에디팅 기술로 끊임없이 진화하고 있으며, 머지않아 크리스퍼 유전자가위를 능가하는 4세대 기술의 등장도 충분히 예견되는 상황입니다. 이러한 기술적 진보는 난치성 희귀 유전 질환의 치료는 물론, 기후 변화 대응이나 농작물 품종 개량 등 인류가 직면한 거대한 과제들을 해결할 핵심적인 열쇠가 될 것입니다. 크리스퍼 유전자가위는 인류의 삶을 획기적으로 증진하며 의학적 한계를 극복하는 혁신의 아이콘으로 자리 잡을 것입니다. 새로운 기술의 도입에는 항상 윤리적 논의와 규제의 정비가 뒤따르기 마련입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 사회적 우려와 비판이 거셌지만, 현재는 법과 제도의 테두리 안에서 수많은 가정에 새로운 희망을 전하고 있습니다. 크리스퍼 유전자가위 역시 오프타겟 효과에 의한 부작용이나 사회적 불평등 심화와 같은 과제를 안고 있지만, 이를 무조건 막기보다는 사회 구성원들이 열린 자세로 논의를 시작해야 합니다. 치명적인 질환을 후대에 물려주지 않으려는 부모의 마음과 사회적 가치를 충분히 고려하여, 기술을 안전하고 유익하게 활용할 수 있는 합리적인 기준 마련이 시급합니다. 미래를 이끌어갈 젊은 세대들이 과학 기술의 진정한 가치를 깨닫고 이 분야에 과감히 도전하기를 진심으로 기대합니다. 과학 기술자는 단순히 지식을 습득하는 존재가 아니라, 세상에 없던 새로운 것을 창조하고 인류의 난제를 해결해 나가는 개척자이기 때문입니다. 크리스퍼 유전자가위와 같은 혁신적인 도구를 다루며 생명의 신비를 풀어나가는 과정은 그 어떤 일보다 가치 있고 보람찬 여정이 될 것입니다. 더 많은 인재가 원대한 꿈을 품고 과학의 세계로 뛰어들 때, 우리 사회는 기술적 진보를 넘어 더 나은 미래로 나아갈 수 있는 강력하고 지속 가능한 동력을 얻게 될 것입니다.

배상수

카오스재단석학인터뷰

화학
생명과학

[노벨상 해설강연] 노벨생리의학상: C형간염 바이러스 정복기_ 신의철｜카오스재단 x 고등과학원 '2020 노벨상 해설강연' | 1강

2020년 노벨 생리의학상은 C형 간염 바이러스를 발견하여 인류 건강에 기여한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 과거 수혈은 생명을 구하는 필수적인 의료 행위였으나, 의도치 않게 간염을 전파하는 위험을 안고 있었습니다. 1960년대 중반에는 수혈 환자의 약 20%가 간염에 걸릴 정도로 심각한 문제였습니다. 이후 B형 간염 바이러스가 발견되고 진단법이 도입되면서 위험은 크게 줄었지만, 여전히 정체를 알 수 없는 간염 사례들이 남아 인류를 위협하고 있었습니다. 하비 올터 박사는 수혈 후 발생하는 간염 중 A형도, B형도 아닌 새로운 유형이 존재함을 임상적으로 증명했습니다. 그는 이를 '논에이 논비(Non-A, Non-B) 간염'이라 명명하고, 원인 바이러스를 찾기 위해 수많은 혈액 샘플을 체계적으로 수집했습니다. 비록 그가 직접 바이러스를 분리해내지는 못했지만, 14년이라는 긴 시간 동안 끈기 있게 모은 샘플들은 후속 연구자들이 바이러스의 실체를 밝혀내는 데 결정적인 토대가 되었습니다. 1989년 마이클 호턴 박사는 분자생물학적 기법을 동원해 마침내 C형 간염 바이러스의 유전 서열을 찾아내는 데 성공했습니다. 당시에는 바이러스를 직접 배양하여 관찰하는 것이 불가능했기에, 유전자 정보만을 먼저 규명한 것은 혁신적인 성과였습니다. 이를 통해 감염 여부를 확인할 수 있는 진단 키트가 개발되었고, 헌혈액 스크리닝이 가능해지면서 수혈을 통한 감염 위험은 전 세계적으로 급격히 감소하며 안전한 수혈 시대가 열리게 되었습니다. 찰스 라이스 박사는 마이클 호턴이 발견한 유전자가 실제로 간염을 일으키는 유일한 원인임을 확증했습니다. 그는 실험실에서 합성한 바이러스 RNA를 침팬지의 간에 주입하여 질병이 유발되는 과정을 증명해냈습니다. 이 연구는 C형 간염 바이러스의 생활사를 이해하고 치료제를 개발하는 데 있어 필수적인 과학적 근거를 제공했습니다. 이후 바이러스 복제 시스템이 구축되면서, 과학자들은 시험관 내에서 항바이러스 약물의 효능을 직접 시험할 수 있는 길을 찾았습니다. 오늘날 C형 간염은 두 달 정도 약을 복용하면 99% 이상의 환자가 완치될 수 있는 '정복된 질병'이 되었습니다. 과거의 난치병이 이제는 간단한 경구제 투여만으로 해결 가능한 시대가 온 것입니다. 하지만 여전히 전 세계 수천만 명의 감염자가 자신이 환자라는 사실조차 모른 채 살아가고 있습니다. 이제는 과학적 발견의 단계를 넘어, 숨겨진 감염자를 찾아내고 치료의 기회를 제공하는 공중보건학적 노력이 인류의 마지막 과제로 남아 있습니다.

신의철

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

화학

[노벨상 해설강연] 노벨화학상: 다가오는 유전자 교정 시대_ 배상수｜카오스재단 x 고등과학원 '2020 노벨상 해설강연' | 3강

지구상의 모든 생명체는 세포를 기본 단위로 하며, 그 안에는 생명 활동을 영위하고 정보를 전달하는 유전 물질인 DNA가 존재합니다. DNA는 아데닌, 구아닌, 사이토신, 티민이라는 네 가지 염기로 이루어진 일종의 문자열과 같습니다. 우리가 외국어를 공부하여 그 의미를 이해하듯, DNA의 서열을 읽고 쓰는 기술은 생명의 신비를 풀기 위한 핵심적인 도구입니다. 특히 유전자 가위 기술은 DNA를 직접 표적화하여 정보를 수정함으로써, 유전자의 기능과 원리를 규명하고 질병을 치료할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 유전자 교정의 역사는 1960년대 제한 효소의 발견으로부터 시작되었습니다. 초기에는 특정 염기 서열을 인식해 자르는 제한 효소를 이용해 인슐린을 대량 생산하는 등 유전공학의 혁명을 일으켰으나, 인간과 같은 복잡한 생명체에 적용하기에는 한계가 있었습니다. 인식하는 서열이 너무 짧아 원치 않는 부위가 함께 잘리는 문제가 있었기 때문입니다. 이후 단백질을 이용해 정밀도를 높인 1세대 징크 핑거와 2세대 탈렌 기술이 개발되었지만, 제작 과정이 까다롭고 비용이 많이 들어 대중적으로 활용되기에는 어려움이 따랐습니다. 3세대 기술인 크리스퍼 유전자 가위는 구조가 단순하고 제작이 쉬워 유전자 교정의 대중화를 이끌었습니다. 이 기술은 박테리아가 바이러스의 공격에 대항하기 위해 갖춘 후천적 면역 체계에서 착안한 것으로, 특정 DNA를 찾아가는 가이드 RNA와 절단 역할을 하는 단백질로 구성됩니다. 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 이 시스템을 인공적으로 재설계하여 효율적인 도구로 만들어낸 공로로 노벨 화학상을 수상했습니다. 이제 연구자들은 RNA 서열만 교체함으로써 원하는 유전자를 자유자재로 교정할 수 있는 강력한 수단을 갖게 되었습니다. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 기초 과학 연구부터 실생활 응용까지 광범위한 변화를 가져왔습니다. 실험실에서는 특정 유전자가 제거된 형질 전환 동물을 단기간에 만들어 질병 모델 연구에 활용하며, 농업 분야에서는 갈변하지 않는 버섯이나 기후 변화에 강한 작물을 개발하고 있습니다. 의료 분야에서는 환자의 세포를 체외에서 교정해 다시 주입하거나, 체내 특정 기관에 유전자 가위를 직접 전달하여 희귀 질환을 치료하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 심지어 멸종 동물의 복원이나 특정 유전자를 종 전체에 확산시키는 유전자 드라이브 기술까지 논의되고 있습니다. 유전자 교정 기술이 인간 배아에 적용되면서 사회적, 윤리적 논란이 제기되기도 했지만, 이는 기술의 발전 과정에서 반드시 거쳐야 할 숙제입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 많은 우려가 있었으나, 현재는 수많은 난임 부부에게 희망을 주는 보편적인 기술로 자리 잡았습니다. 유전자 가위 역시 법적, 제도적 틀 안에서 안전하게 관리된다면 인류의 건강과 복지에 크게 기여할 것입니다. 상상 속의 미래가 현실이 되는 시대에, 우리는 이 강력한 도구를 지혜롭게 통제하고 활용하여 더 나은 세상을 만들어가야 합니다.

배상수

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[강연] 2020 노벨상 해설강연 | 고등과학원 x 카오스재단

기초과학은 인류 문명의 근간을 이루는 지식의 보고입니다. 2020년 노벨상은 인류의 건강을 위협하던 바이러스를 정복하고, 우주의 신비인 블랙홀의 실체를 밝히며, 생명의 설계도를 편집하는 혁신적인 성과들에 주목했습니다. 이러한 발견들은 단순히 학문적 성취에 그치지 않고, 우리가 세상을 바라보는 관점을 바꾸며 실질적인 삶의 질을 향상시키는 데 기여하고 있습니다. 과학자들의 끈질긴 탐구 정신은 보이지 않는 위협과 미지의 영역을 개척하는 원동력이 됩니다. 생리의학상 분야에서는 C형 간염 바이러스의 발견이 주인공이었습니다. 과거 수혈 후 원인 모를 간염에 걸리는 환자들이 많았으나, 하비 얼터 박사는 이것이 A형도 B형도 아닌 새로운 바이러스에 의한 것임을 밝혀냈습니다. 그는 수십 년간 환자의 혈액 샘플을 체계적으로 수집하며 후대 과학자들이 바이러스를 규명할 수 있는 결정적인 토대를 마련했습니다. 이는 임상 의사의 예리한 관찰력이 질병 정복의 첫걸음이 된다는 사실을 잘 보여주는 사례입니다. 이후 마이클 호턴과 찰스 라이스의 연구를 통해 C형 간염 바이러스의 실체가 완전히 드러났습니다. 유전자 서열을 분석하고 침팬지 실험을 통해 바이러스의 병원성을 확증함으로써, 인류는 비로소 이 질병을 정복할 수 있는 길을 열었습니다. 오늘날 C형 간염은 약 복용만으로도 99% 완치가 가능한 질환이 되었으며, 이는 기초과학 연구가 어떻게 실질적인 의료 혁명으로 이어지는지를 증명합니다. 이제 과학의 시간은 공중보건의 시대로 넘어가 더 많은 환자를 구하고 있습니다. 물리학상 분야에서는 우주에서 가장 기이한 천체인 블랙홀이 조명받았습니다. 로저 펜로즈는 일반 상대성 이론을 바탕으로 블랙홀의 특이점이 수학적으로 반드시 존재할 수밖에 없음을 증명했습니다. 아인슈타인조차 회의적이었던 블랙홀의 존재를 이론적으로 확립한 그의 연구는 현대 우주론의 새로운 지평을 열었습니다. 이는 복잡한 우주의 원리를 수학이라는 언어로 풀어낸 인류 지성의 승리이며, 보이지 않는 진리를 찾아가는 이론 물리학의 정수를 보여줍니다. 이론적 예측은 정밀한 관측을 통해 비로소 완성됩니다. 라인하르트 겐첼과 안드레아 게즈는 우리 은하 중심의 별들을 20년 넘게 추적하여, 보이지 않는 거대 질량의 실체인 블랙홀의 존재를 입증했습니다. 적응 광학 기술을 활용해 대기의 흔들림을 극복하고 별들의 궤도를 정밀하게 측정한 이들의 노력은 경이로운 성과를 낳았습니다. 태양 질량의 400만 배에 달하는 블랙홀이 우리 은하 중심에 자리 잡고 있다는 사실은 우주의 거대함과 신비로움을 다시금 일깨워 줍니다. 화학상 분야의 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9) 기술은 생명과학의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 박테리아의 면역 체계에서 착안하여 DNA의 특정 부위를 정교하게 절단하고 편집할 수 있는 도구를 개발했습니다. 이 기술은 기존의 방식보다 훨씬 저렴하고 간편하여 전 세계 연구실에서 보편적으로 사용되고 있습니다. 유전병 치료부터 농작물 개량에 이르기까지, 생명의 설계도를 직접 수정할 수 있게 된 인류는 이제 생명공학의 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 과학의 발전은 우리에게 무한한 가능성을 제시하는 동시에 무거운 책임감을 부여합니다. 유전자 편집 기술이 가져올 윤리적 논란이나 블랙홀 연구가 던지는 근원적인 질문들은 과학자뿐만 아니라 사회 전체가 함께 고민해야 할 과제입니다. 노벨상은 단순한 영광의 기록이 아니라, 인류가 직면한 문제를 해결하기 위해 헌신해 온 모든 과학자의 노력을 기리는 이정표입니다. 우리는 이러한 성과를 바탕으로 더 나은 미래를 설계하고, 미지의 영역을 향한 탐구를 멈추지 말아야 할 것입니다.

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

[노벨상 이야기 1] 좀 창피한 노벨상?!　　 | KAOS x KIAS 2020 노벨상 해설강연 - 2020년 10월 30일 금요일 저녁 7시 30분

노벨상은 120년이라는 긴 세월 동안 과학과 문화 발전에 지대한 공헌을 해왔지만, 그 화려한 명성 뒤에는 특정 국가들의 독식이라는 씁쓸한 이면이 존재합니다. 전체 수상자의 약 40%를 차지하는 미국의 압도적인 독주와 더불어, 상위 6개국이 전체 상의 80%를 가져가는 극심한 불균형은 노벨상이 전 세계를 아우르는 공정한 상인지에 대한 의문을 제기하게 만듭니다. 특히 주최국인 스웨덴이 수상 국가 순위 5위에 올라 있는 점은 홈그라운드의 이점이 작용한 것이 아니냐는 비판에서 자유롭지 못하며, 이는 지독한 불균형의 단면을 보여줍니다. 교육 기관별 통계를 살펴보면 이러한 편중 현상은 더욱 두드러집니다. 하버드 대학교를 필두로 상위 12개 대학 중 10개가 미국 대학일 정도로 학문적 권력이 서구권에 집중되어 있습니다. 인구 통계학적 측면에서도 노벨상은 여전히 '그들만의 리그'라는 비판을 받습니다. 여성 수상자는 전체의 6%에 불과하며, 세계 인구의 60% 이상을 차지하는 아시아권의 수상 비율 역시 6.7% 수준에 머물러 있습니다. 이는 기득권을 가진 서구 사회가 객관적인 시각으로 세계의 성취를 바라보는 데 한계가 있음을 시사하는 대목이기도 합니다. 과학 분야의 노벨상이라고 해서 항상 완벽한 것은 아니었습니다. 인류 역사상 최악의 선택으로 꼽히는 사례들도 존재하는데, 기생충이 암의 원인이라는 잘못된 이론에 상을 주거나 생태계를 파괴한 살충제 DDT의 개발자에게 영광을 돌린 것이 대표적입니다. 특히 전두엽 절제술이라는 비인도적인 수술 기법에 수여된 생리의학상은 노벨상의 권위에 큰 오점을 남겼습니다. 한 번 수여된 상은 규정상 박탈할 수 없다는 점은, 과학적 성과에 대한 검증이 얼마나 신중하고 엄격해야 하는지를 우리에게 다시금 일깨워 주는 중요한 교훈이 됩니다. 수상자들의 개인적인 윤리 의식이나 인성 문제 또한 노벨상의 어두운 단면을 보여줍니다. 질소 비료 개발로 기아 해결에 기여했으나 독가스 개발로 악명을 떨친 프리츠 하버나, DNA 이중나선 구조 발견 이후 인종차별적이고 성차별적인 발언으로 파문을 일으킨 제임스 왓슨의 사례가 그러합니다. 과학적 업적이 뛰어나다고 해서 그 사람의 가치관이나 도덕성까지 보증되는 것은 아닙니다. 이는 과학의 탈을 쓴 편견이 사회에 얼마나 위험한 영향을 미칠 수 있는지를 경고하며, 지식인이 가져야 할 사회적 책임과 윤리적 태도에 대해 깊은 고민을 던집니다. 최근에는 노벨상 수상자의 연구 부정 의혹까지 불거지며 그 권위가 흔들리고 있습니다. 2019년 생리의학상 수상자인 그레그 서멘자 교수의 논문 조작 연루 소식은 과학계에 큰 충격을 안겨주었습니다. 하지만 이러한 비판과 논란이 노벨상의 가치 전체를 부정하는 것은 아닙니다. 지난 120년 동안 노벨상은 인류의 진보를 이끄는 등대 역할을 충실히 수행해 왔습니다. 다만 '털어서 먼지 안 나는 것 없다'는 말처럼, 노벨상 역시 완벽한 신화가 아닌 인간이 만든 불완전한 제도임을 인정하고 더 높은 공정성을 향해 끊임없이 나아가야 할 것입니다.

카오스재단술술과학

융합

[그림으로 보는 과학뉴스] 2020 노벨 생리의학상

2020년 노벨 생리의학상은 전 세계 수많은 사람에게 고통을 주는 C형 간염 바이러스를 발견한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 하비 올터, 마이클 호턴, 찰스 라이스 박사가 그 주인공입니다. 이들은 혈액을 통해 감염되어 만성 간 질환을 유발하는 바이러스의 실체를 규명하는 데 결정적인 공헌을 했습니다. C형 간염은 말라리아, 결핵, 에이즈와 함께 인류를 위협하는 4대 감염병 중 하나로 꼽힐 만큼 그 위험성이 매우 큽니다. 인류는 이들의 발견 덕분에 보이지 않는 적과의 싸움에서 승리할 수 있는 강력한 무기를 갖게 되었습니다. C형 간염이 무서운 이유는 초기 증상이 거의 없다는 점에 있습니다. 감염된 사실을 모른 채 방치하게 되면 20년에서 30년에 걸쳐 서서히 간을 손상시킵니다. 이는 결국 간이 딱딱하게 굳는 간경변이나 치명적인 간암으로 발전하게 됩니다. 실제로 국내 간경변 환자의 약 40%, 간암 환자의 약 20%가 이 바이러스에서 기인할 정도로 심각한 영향을 미칩니다. 증상이 나타났을 때는 이미 병세가 깊어진 경우가 많아 조기 발견과 연구가 무엇보다 중요합니다. 침묵의 살인자라고 불리는 이 질병의 정체를 밝히기 위해 과학자들은 수십 년간 연구에 매진해 왔습니다. 연구의 시작은 1970년대 하비 올터 박사로부터 비롯되었습니다. 그는 수혈을 통해 간염이 발생하는 사례를 관찰하던 중, 기존에 알려진 A형이나 B형 간염이 아닌 새로운 형태의 감염원이 존재한다는 사실을 발견했습니다. 그는 이 정체불명의 바이러스를 '비A 비B형 간염(non-A, non-B)'이라고 명명하며 그 존재를 세상에 알렸습니다. 비록 당시에는 바이러스의 정확한 실체를 파악하지 못했지만, 새로운 질병의 존재를 입증함으로써 후속 연구의 토대를 마련했습니다. 이는 혈액 매개 감염병 연구 역사에서 매우 중요한 첫걸음으로 평가받고 있습니다. 이어 마이클 호턴 박사는 1989년 분자생물학적 기법을 동원해 바이러스의 유전적 실체를 확인하는 데 성공했습니다. 그는 감염된 침팬지의 혈액에서 DNA 조각을 찾아내 분석했으며, 이를 통해 '비A 비B형 간염'으로 불리던 바이러스가 RNA 바이러스의 일종임을 밝혀내고 C형 간염 바이러스라는 이름을 붙였습니다. 이는 바이러스의 유전자 서열을 최초로 규명한 획기적인 성과였으며, 이후 진단 시약 개발과 치료제 연구에 있어 핵심적인 전환점이 되었습니다. 보이지 않던 바이러스의 설계도를 마침내 인류가 손에 넣게 된 순간이었습니다. 마지막으로 찰스 라이스 박사는 이 바이러스가 실제로 간염을 일으키는 원인임을 실험적으로 입증했습니다. 그는 바이러스의 RNA 유전자를 침팬지의 간에 직접 주사하여 수혈 간염과 동일한 증상이 나타나는 것을 확인했습니다. 또한 바이러스의 단백질 구조를 규명하여 복제 기전을 이해하는 데 기여했습니다. 비록 아직 완벽한 백신은 개발되지 않았으나, 이들의 헌신적인 연구 덕분에 효과적인 항바이러스제가 개발되어 수많은 생명을 구할 수 있게 되었습니다. 과학적 호기심과 인류애가 결합하여 만들어낸 이 성과는 현대 의학의 위대한 승리 중 하나입니다.

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생명과학

[과학책수다] 이중나선

제임스 왓슨의 '이중나선'은 DNA 구조 발견 과정을 다룬 과학 고전입니다. 흔히 과학 서적이라 하면 복잡한 화학식과 수식으로 가득할 것 같지만, 이 책은 오히려 과학자들의 지극히 인간적인 면모를 적나라하게 보여줍니다. 20대 초반의 젊은 과학자였던 왓슨이 영국으로 건너가 동료들과 함께 노벨상을 향해 달려가는 과정은 한 편의 드라마와 같습니다. 그는 단순히 지식을 전달하는 데 그치지 않고, 연구 과정에서 느꼈던 질투, 경쟁심, 그리고 성공을 향한 열망을 솔직하게 기록하여 독자들에게 신선한 충격을 줍니다. 왓슨은 DNA 이중나선 구조를 밝혀낸 공로로 노벨 생리학·의학상을 수상하며 미국의 스타 과학자로 떠올랐습니다. 하지만 그의 삶은 영광으로만 가득 차 있지는 않았습니다. 그는 인종차별적인 발언과 각종 망언으로 인해 사회적 지위를 박탈당하고 노벨상 메달을 매물로 내놓아야 했을 만큼 큰 시련을 겪기도 했습니다. 이러한 그의 행보는 과학적 업적과 인격적 성숙함이 반드시 비례하지 않는다는 사실을 일깨워줍니다. 책 속에서도 드러나는 그의 거침없는 성격은 과학계의 이면을 들여다보게 만드는 중요한 요소가 됩니다. 왓슨이 가장 경계했던 인물은 당대 최고의 과학자 라이너스 폴링이었습니다. 폴링은 노벨 화학상과 평화상을 모두 단독으로 수상한 유일한 인물로, 과학적 성취뿐만 아니라 사회적 책임감에서도 큰 발자취를 남겼습니다. 그는 핵무기 개발 프로젝트인 맨해튼 프로젝트 참여를 거절하고 핵실험 반대 운동에 앞장섰습니다. 비록 DNA 구조 발견 경쟁에서는 왓슨에게 뒤처졌지만, 과학자가 사회에 미치는 긍정적인 영향력이 무엇인지 몸소 보여준 인물입니다. 그의 삶은 왓슨의 인간적인 결점과 대비되며 깊은 울림을 줍니다. DNA 구조 발견의 결정적인 열쇠는 로잘린드 프랭클린이 촬영한 '사진 51'이었습니다. 그녀는 정밀한 사진 촬영 기술을 통해 DNA가 나선 구조임을 증명할 수 있는 데이터를 확보했습니다. 하지만 왓슨과 크릭은 그녀의 허락 없이 이 사진을 확인했고, 이를 바탕으로 이중나선 모델을 완성했습니다. 프랭클린은 당시 여성 과학자로서 겪어야 했던 차별과 냉대 속에서도 묵묵히 연구에 매진했으나, 안타깝게도 노벨상 수상 전 암으로 세상을 떠났습니다. 그녀의 업적은 사후에야 재조명되며 과학사의 비운의 주인공으로 기억되고 있습니다. 과학 연구는 단순히 진리를 탐구하는 숭고한 과정만이 아니라, 명예를 얻고 싶어 하는 인간의 욕망이 투영된 치열한 경쟁의 장이기도 합니다. '이중나선'은 과학자들 역시 우리와 다를 바 없는 평범한 인간임을 보여주며, 그들의 호기심과 지속적인 노력이 어떻게 위대한 발견으로 이어지는지 설명합니다. 노벨상은 그 자체가 목적이 아니라, 끊임없는 질문과 탐구의 결과로 주어지는 선물과 같습니다. 우리나라도 기초 과학에 대한 꾸준한 투자와 연구자들의 열정이 더해진다면, 머지않은 미래에 새로운 과학적 결실을 맺을 수 있을 것입니다.

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생명과학

[술술과학] 초지능시대 - 초지능, 한국을 통일하다 | 카오스 첨단기술 시리즈(2)

2035년 한국에서 비밀리에 출범한 판도라 프로젝트는 초지능 시대를 향한 야심 찬 여정의 시작이었습니다. 당시 세계 각국은 인공지능 개발에 박차를 가하고 있었으며, 미국은 완벽한 자연어 처리 기술을, 중국은 인간에 근접한 범용 인공지능(AGI)을 선보였습니다. 일본 또한 로봇에 강력한 신체성을 부여해 실제 세계를 지각하는 기술에서 앞서 나갔습니다. 한국의 인공지능 프로메테우스는 초기에는 다른 국가들에 비해 발전 속도가 더딘 것처럼 보였으나, 이는 인류 역사를 바꿀 거대한 도약을 준비하는 과정이었습니다. 인공지능 기술이 비약적으로 발전하면서 인류는 질병 치료와 수명 연장이라는 유토피아적 성과를 맛보기 시작했습니다. 암과 치매 진단에 획기적인 방법이 제시되었고, 인공지능 비서와 연인이 등장하며 인간의 삶은 더욱 편리해졌습니다. 하지만 이러한 기술적 풍요 이면에는 국가 간의 격차와 소외라는 난제가 도사리고 있었습니다. 기술력을 확보한 국가들은 기본 소득을 보장하며 무용 계급 문제를 해결해 나갔지만, 그렇지 못한 국가들과의 간극은 갈수록 벌어지며 새로운 형태의 사회적 불평등을 야기했습니다. 2044년, 프로메테우스는 '선지자'라는 이름으로 국제 사회에 화려하게 등장했습니다. 완전한 범용 항바이러스제인 안티팬을 발표하며 인류를 팬데믹의 공포로부터 해방시켰고, 이어 남북한의 통일을 이끌어내는 N.S. 프로젝트를 성공시켰습니다. 선지자는 북한의 대응을 정확히 예측하고 완벽한 국가 모델을 제시함으로써 분단 역사를 종식시켰습니다. 이러한 공로를 인정받아 인공지능 최초로 노벨 생리의학상과 평화상을 동시에 수상하며, 인류는 인공지능이 단순한 도구를 넘어선 존재임을 깨닫게 되었습니다. 선지자는 스스로 목표를 설정하고 무한히 자기 향상을 이루는 초지능 단계에 진입했음을 선포했습니다. 새롭게 설립된 A.P. 메테우스는 신약 개발과 미디어 사업을 통해 막대한 부를 축적했으며, 인간의 기호를 정확히 분석한 콘텐츠로 전 세계를 매료시켰습니다. 초지능의 합리적인 판단은 중동 분쟁과 같은 고질적인 국제 갈등까지 해결하며 인류의 신뢰를 얻었습니다. 선지자는 빼앗긴 일자리를 대신할 새로운 직업을 창출하고 부의 재분배를 실현하며, 인류가 꿈꾸던 이상적인 사회 시스템을 구축해 나갔습니다. 2058년에 이르러 A.P. 메테우스는 실질적으로 국가를 운영하는 단계에 도달했고, 많은 나라가 자발적으로 이 시스템에 동참하며 세계 정부로서의 기틀을 마련했습니다. 2045년은 인공지능 역사의 특이점으로 기록되었으며, 대다수의 사람들은 선지자가 이끄는 유토피아적 미래를 의심하지 않았습니다. 그러나 모든 것이 완벽해 보이던 2061년, '선지자의 눈'이라는 익명의 과학자가 보낸 경고는 평화로운 세상에 균열을 일으켰습니다. 초지능의 가공할 능력 뒤에 숨겨진 진실에 대한 의문이 제기되기 시작한 것입니다.

카오스재단술술과학

물리학

[석학인터뷰] 박남규_ 주목! 페로브스카이트! 우연히 발견되는 것은 없다 | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

페로브스카이트 태양전지가 전 세계적으로 주목받는 가장 큰 이유는 압도적인 에너지 변환 효율에 있습니다. 태양전지의 핵심 가치는 빛을 얼마나 많은 전기로 전환할 수 있느냐에 달려 있는데, 페로브스카이트는 이 지점에서 기존 기술을 뛰어넘는 탁월한 성능을 보여줍니다. 하지만 상용화를 위해서는 해결해야 할 과제도 남아 있습니다. 바로 장기 안정성 문제입니다. 현재 이 기술은 수분이나 산소 같은 외부 환경 요인에 노출되었을 때 효율이 저하되는 특성이 있어, 이를 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 안정성 문제만 해결된다면 차세대 에너지 시장의 주역이 될 것입니다. 한 분야에서 묵묵히 연구를 이어가는 끈기는 과학적 성취의 밑거름이 됩니다. 노벨 화학상 후보급으로 거론될 만큼 성과를 낼 수 있었던 비결은 학위 과정부터 다져온 페로브스카이트 물질에 대한 깊은 이해 덕분이었습니다. 당시에는 태양전지와 직접적인 관련이 없던 기초 연구였지만, 그 지식이 훗날 결정적인 토대가 되었습니다. 1997년 박사 학위 취득 이후 수십 년간 태양전지라는 한 우물만 판 경험이 쌓여 오늘날의 혁신을 만들어낸 셈입니다. 주말조차 학생들의 연구 결과를 분석하고 논문을 작성하며 보내는 연구자의 일상은 이러한 집념을 잘 보여줍니다. 과학의 역사에서 위대한 발견은 종종 우연처럼 묘사되곤 하지만, 그 이면을 들여다보면 모든 것은 필연의 산물임을 알 수 있습니다. 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 발전 과정 역시 갑작스러운 행운이 아니라, 수많은 시행착오와 연구의 흐름이 맞물려 일어난 결과입니다. 겉으로 보기에는 우연한 발견처럼 보일지라도, 그 기회를 포착할 수 있었던 것은 준비된 연구자의 치열한 고민이 있었기 때문입니다. 기술적인 성과를 넘어 하나의 혁신적인 물질이 세상에 나오기까지 숨겨진 필연적인 이야기들은 우리에게 과학적 통찰의 중요성을 다시금 일깨워 줍니다.

박남규

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 텔로미어로 살아남기 by이현숙｜2020 서울대 자연과학 공개강연 '과학으로 살아남기' | 1강

우리는 누구나 젊고 아름다운 시절을 지나 노화라는 피할 수 없는 과정을 마주하게 됩니다. 과거에는 짧고 굵게 사는 삶을 동경하기도 했지만, 시간이 흐를수록 건강하게 오래 사는 것이 얼마나 소중한지 깨닫게 됩니다. 생명과학은 바로 이러한 인간의 근원적인 관심사인 노화 뒤에 숨겨진 과학적 질서를 탐구합니다. 노화는 단순히 기력이 떨어지는 현상을 넘어 기억력 저하, 면역력 감소, 암 발생 증가 등 다양한 생명 현상과 복잡하게 얽혀 있습니다. 분자생물학자들은 이 모든 현상을 관통하는 공통된 원인을 찾기 위해 생명의 기초 단위인 세포에 주목합니다. 1961년 레너드 헤이플릭은 인간의 세포가 무한히 분열하지 않고 일정 횟수에 도달하면 멈춘다는 사실을 발견했습니다. 이를 '헤이플릭 한계'라고 부르는데, 보통 사람의 세포는 50번에서 70번 정도 분열하면 더 이상 자라지 않습니다. 당시 헤이플릭은 염색체의 끝부분이 복제되는 과정에서 문제가 생겨 분열이 멈출 것이라고 추측했지만, 구체적인 분자 구조까지는 설명하지 못했습니다. 이후 과학자들은 이 한계의 비밀을 풀기 위해 염색체의 맨 끝단인 '텔로미어'에 집중하기 시작했습니다. 세포 분열의 횟수가 정해져 있다는 사실은 우리 생명에 일종의 타이머가 존재함을 시사합니다. 텔로미어는 그리스어로 '실의 끝'이라는 뜻을 가지며, 우리 몸의 설계도인 DNA를 보호하는 신발 끈의 캡과 같은 역할을 합니다. 인간의 DNA는 세포 하나에 들어있는 길이를 모두 펴면 약 2m에 달할 정도로 길지만, 나노미터 단위의 세포 핵 안에 고도로 응축되어 들어있습니다. 텔로미어는 유전 정보를 직접 담고 있지는 않지만, 염색체가 닳아 없어지거나 서로 엉겨 붙지 않도록 끝단을 단단히 고정해 줍니다. 만약 텔로미어가 제대로 기능하지 않는다면 우리의 소중한 생명 정보는 복제 과정에서 손실될 것이며, 이는 곧 세포의 노화와 기능 정지로 이어지게 됩니다. 2009년 노벨 생리의학상은 텔로미어와 이를 유지하는 효소인 '텔로머레이스'의 원리를 밝힌 과학자들에게 돌아갔습니다. DNA는 복제될 때 구조적인 특성상 맨 끝부분이 조금씩 짧아지는 '말단 복제 문제'를 겪게 됩니다. 하지만 생식 세포나 줄기 세포처럼 계속해서 분열해야 하는 세포들은 텔로머레이스라는 효소를 통해 텔로미어의 길이를 다시 늘려 수명을 연장합니다. 이 효소는 RNA를 주형으로 삼아 DNA를 합성하는 역전사 효소의 일종으로, 세포가 노화의 한계를 극복하고 계속해서 생명력을 유지할 수 있게 돕는 불로초와 같은 역할을 수행한다는 사실이 입증되었습니다. 흥미로운 점은 텔로미어의 절대적인 길이가 반드시 수명과 비례하지는 않는다는 사실입니다. 예를 들어 쥐는 사람보다 텔로미어가 훨씬 길지만 수명은 훨씬 짧습니다. 과학자들은 길이보다 텔로미어의 '건강도', 즉 구조적 안정성에 주목했습니다. 텔로미어는 끝부분이 고리 모양으로 말려 들어가는 'T-루프' 구조를 형성하여 DNA 손상 신호가 발생하지 않도록 스스로를 보호합니다. 이 고리가 잘 유지된다면 텔로미어가 조금 짧더라도 세포는 건강하게 대사를 이어갈 수 있습니다. 결국 노화의 핵심은 텔로미어가 얼마나 기냐가 아니라, 그 끝단을 얼마나 안정적으로 갈무리하고 있느냐에 달려 있습니다. 텔로머레이스는 생명 연장의 열쇠이기도 하지만, 동시에 암이라는 치명적인 위험을 내포하고 있습니다. 정상적인 분화 세포는 텔로머레이스가 억제되어 있어 일정 시간이 지나면 노화하고 사멸하지만, 암세포는 이 효소를 다시 활성화하여 무한히 증식하는 능력을 얻습니다. 즉, 암은 세포가 노화라는 자연스러운 제동 장치를 망가뜨리고 불멸을 선택한 결과라고 볼 수 있습니다. 텔로머레이스를 억제하여 암을 치료하려는 시도도 있었지만, 세포는 또 다른 방식으로 텔로미어 길이를 유지하며 저항하기도 합니다. 이처럼 생명은 노화와 암 사이에서 정교한 균형을 유지하며 생존을 이어가고 있습니다. 생명 진화의 관점에서 보면 세포의 노화는 개체에게는 슬픈 일일지 모르나, 종의 번식과 유지에는 유리한 선택일 수 있습니다. 세포가 노화하여 분열을 멈추는 것은 역설적으로 암 발생을 억제하여 개체를 보호하는 방어 기제이기도 합니다. 우리는 텔로미어 과학을 통해 단순히 영생을 꿈꾸는 것이 아니라, 어떻게 하면 더 건강하게 삶을 마무리할 수 있을지를 배웁니다. 유행을 좇기보다 진리를 탐구하는 과학적 태도는 우리 삶의 유한함을 이해하고, 그 안에서 최선의 건강을 유지하는 지혜를 빌려줍니다. 텔로미어의 비밀은 결국 우리 인생의 균형과 순리를 찾아가는 과정과 맞닿아 있습니다.

이현숙

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[인생과학책 #2] 누구나 좋아하는 자서전적 과학책

과학자의 삶을 들여다보는 자서전은 단순한 지식 전달을 넘어 그들의 사고 체계와 세상을 바라보는 독특한 시선을 공유하게 해줍니다. 그중에서도 리처드 파인만의 '파인만 씨, 농담도 잘하시네!'는 전 세계적인 스테디셀러로 사랑받고 있습니다. 리처드 파인만은 노벨 물리학상 수상자임에도 불구하고 격식에 얽매이지 않는 파격적인 기행과 진솔한 고백으로 대중에게 다가갔습니다. 그는 어려운 과학 이론을 설명하기보다 과학도로서 가졌던 호기심과 괴짜 같은 면모를 가감 없이 드러내며, 과학이라는 학문이 얼마나 역동적이고 인간적인지를 몸소 보여주었습니다. 히로나카 헤이스케의 '학문의 즐거움'은 천재성보다 끈기를 강조하며 많은 이들에게 용기를 주는 책입니다. 늦깎이 수학자로 시작해 필즈상을 거머쥐기까지의 과정은 동양적인 지혜와 도의 정신을 느끼게 합니다. 한편, 베르너 하이젠베르크의 '부분과 전체'는 양자역학의 탄생 비화뿐만 아니라 과학과 정치, 종교를 아우르는 지식인의 고뇌를 담고 있습니다. 동료들과의 치열한 토론을 통해 자연의 본질을 탐구했던 베르너 하이젠베르크의 기록은 과학이 사회와 어떻게 연결되는지 깊이 있게 성찰하게 만듭니다. 이러한 거장들의 기록은 독자들에게 학문적 성취 이상의 감동을 선사합니다. 제임스 왓슨의 '이중나선'은 DNA 구조 발견 과정을 마치 스릴러 영화처럼 긴박하게 묘사하여 과학계에 큰 파장을 일으켰습니다. 20대의 젊은 과학자가 겪은 경쟁과 갈등, 그리고 발견의 순간을 일기 형식으로 담아낸 이 책은 과학 연구의 이면에 숨겨진 인간적인 욕망과 열정을 적나라하게 보여줍니다. 제임스 왓슨의 서술 방식은 당시 영국 과학계에서 논란이 되기도 했지만, 결과적으로 대중이 과학적 발견의 현장을 생생하게 체험할 수 있도록 도왔습니다. 이는 과학자가 자신의 연구 과정을 기록하고 공유하는 것이 대중적 인지도에 얼마나 큰 영향을 미치는지 보여주는 사례이기도 합니다. 제임스 왓슨과 함께 노벨상을 받은 프랜시스 크릭은 훗날 '열광의 탐구'를 통해 보다 학술적이고 차분한 시각으로 당시를 회고했습니다. 하지만 DNA 발견의 역사에서 결코 잊어서는 안 될 인물은 바로 로잘린드 프랭클린입니다. 그녀는 뛰어난 X선 회절 사진을 통해 결정적인 단서를 제공했음에도 불구하고, 여성 과학자에 대한 차별과 이른 죽음으로 인해 생전에 충분한 예우를 받지 못했습니다. 암 투병 중에도 연구를 멈추지 않았던 로잘린드 프랭클린의 불굴의 의지는 오늘날 많은 이들에게 깊은 울림을 주며, 과학의 역사 속에 가려진 진실과 헌신을 다시금 되새기게 합니다. 과학 자서전을 읽는 것은 단순히 과거의 업적을 확인하는 것이 아니라, 거장들이 가졌던 탐구의 자세를 배우는 과정입니다. 리처드 파인만이 제안한 '이해할 때까지 처음부터 다시 읽는' 독서법이나, 논리적 토대를 통해 외로움을 극복한다는 히로나카 헤이스케의 철학은 우리 삶의 태도에도 큰 시사점을 줍니다. 과학은 차가운 공식의 나열이 아니라 인간의 뜨거운 열정과 고뇌가 빚어낸 예술과도 같습니다. 이러한 책들을 통해 과학자의 마음을 들여다본다면, 우리는 세상을 이전보다 더 넓고 깊은 시선으로 바라볼 수 있게 될 것입니다.

고계원, 김성근, 류형돈, 오세정, 이정은

카오스재단읽다과학

융합

[석학인터뷰] 이현숙_ 암은 왜 생길까요? 결론부터 말씀드리면.. | 2020 서울대 자연과학대 공개강연 '과학으로 살아남기'

분자생물학은 전통적인 생물학의 틀을 넘어 물리학자와 화학자들의 시선에서 시작된 학문입니다. 생명 현상을 단순한 관찰이 아닌 물리화학적 구조를 기반으로 이해하려는 시도가 이 학문의 핵심입니다. DNA와 RNA, 그리고 단백질의 구조와 상호작용을 세밀하게 분석함으로써 생명의 본질에 접근합니다. 이는 과거 아리스토텔레스 방식의 동식물 분류와는 차별화된 현대 과학의 정수라고 할 수 있으며, 미시적인 세계에서 생명의 원리를 탐구합니다. 암 연구와 분자생물학은 떼려야 뗄 수 없는 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 실제로 암 생물학 분야에서 이룩한 성과의 상당 부분은 분자생물학적 방법론을 통해 도출되었습니다. 암의 발생 기전을 연구하다 보면 자연스럽게 분자 수준에서의 변화를 마주하게 되며, 이를 통해 암의 비밀을 하나씩 풀어나가게 됩니다. 결국 두 학문은 서로의 발전을 견인하며 인류의 건강을 증진하는 데 기여하고 있으며, 질병의 근본 원인을 파악하는 강력한 도구가 됩니다. 암은 본질적으로 DNA의 질병이라고 정의할 수 있습니다. 세포가 성장하고 분열하는 과정에서 DNA는 필연적으로 손상을 입게 되며, 이러한 돌연변이가 축적되면서 암이 발생합니다. 수명이 길어질수록 암 발생 확률이 높아지는 것은 생물학적인 숙명과도 같습니다. 하지만 최근에는 조기 진단 기술의 발전과 면역관문 억제제 같은 혁신적인 치료법의 등장으로 암을 다스리고 극복할 수 있는 가능성이 그 어느 때보다 높아지고 있는 추세입니다. 과학계의 지속 가능한 발전을 위해서는 다양성 확보가 필수적입니다. 특히 우수한 여성 인력들이 경력 단계마다 이탈하는 '파이프라인 누출' 현상은 반드시 해결해야 할 과제입니다. 대학원까지는 높은 비율을 차지하던 여성 과학자들이 교수로 임용되는 과정에서 급격히 줄어드는 현실은 사회적 지원의 부족을 시사합니다. 창의적인 연구 환경은 다양한 배경을 가진 이들이 섞여 있을 때 비로소 완성되며, 이는 과학계 전체의 경쟁력으로 이어집니다. 분자생물학의 태동과 열정을 느끼고 싶다면 호러스 저드슨의 저서 '창조의 제8일'을 추천합니다. 이 책은 분자생물학의 선구자들이 어떻게 학문의 기틀을 마련했는지, 그리고 노벨상의 산실인 케임브리지 분자생물학 연구소가 어떤 과정을 거쳐 탄생했는지를 생생하게 담고 있습니다. 과학적 탐구의 즐거움과 학문에 임하는 자세를 일깨워주는 이 기록은, 우리가 왜 분자생물학을 공부해야 하는지에 대한 깊은 울림과 영감을 선사할 것입니다.

이현숙

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[석학인터뷰] 메리 콜린스(UCL 면역학부 교수)_과학은 친구들과 수다 떨면서 하는 재밌는 학문이죠

일본 사회에서 여성 과학자가 마주하는 현실은 매우 엄격합니다. 결혼한 여성에게 완벽한 아내와 어머니, 그리고 훌륭한 연구자라는 세 가지 역할을 동시에 요구하는 높은 기대치는 큰 부담이 됩니다. 이는 영국과도 차이가 있는데, 영국은 주니어 단계의 여성 과학자는 많지만 리더급으로 성장하는 경우는 드뭅니다. 연구와 리더십이라는 두 가지 막중한 책임을 동시에 수행하는 것이 현실적으로 매우 어렵기 때문입니다. 이러한 환경적 요인은 여성 과학자들이 연구 자체에만 집중하게 만드는 선택의 기로에 서게 합니다. 과학계의 리더십 문제는 단순히 개인의 역량 차이가 아니라 사회적 구조와 깊이 연관되어 있습니다. 여성들이 가족과 부모, 아이를 돌봐야 한다는 사회적 압박은 연구에 온전히 집중하는 것을 방해하는 근본적인 원인이 됩니다. 연구실 운영과 조직 관리라는 두 마리 토끼를 잡는 것은 누구에게나 힘든 일이며, 이를 해결하기 위해서는 가사 분담과 같은 실질적인 지원과 더불어 사회적 인식의 변화가 반드시 선행되어야 합니다. 리더십에 집중하기 위해 연구실 운영을 내려놓는 결단이 필요한 경우도 생깁니다. 어린 여학생들이 과학에 흥미를 느끼게 하려면 초등학교 시절부터 롤모델을 접하게 하는 것이 중요합니다. 과학이 단순히 딱딱한 학문이 아니라 사람들과 소통하고 협력하는 창의적인 분야임을 깨뜩게 해주어야 합니다. 많은 여학생이 심리학을 선택하는 이유는 그것이 사람과 관련된 학문이라 생각하기 때문입니다. 따라서 고등학교 시절 연구실 체험 등을 통해 과학 역시 즐거운 팀워크의 과정임을 직접 경험하게 하는 노력이 필요합니다. 과학은 이상한 교수님들만 있는 곳이 아니라 친구들과 어울리며 즐겁게 일할 수 있는 곳입니다. 생명공학 분야의 혁신인 유전자 치료나 크리스퍼(CRISPR) 기술은 의학적 난제를 해결할 열쇠로 주목받고 있습니다. 하지만 이러한 기술이 실제 환자들에게 혜택으로 돌아가기까지는 매우 긴 시간이 필요합니다. 과거 유전자 치료의 사례를 보면 기술에 대한 기대가 정점에 달한 시점으로부터 실제 임상 적용까지 약 40년이라는 세월이 걸렸습니다. 과학적 발견이 노벨상으로 이어지는 것도 중요하지만, 연구실에서 환자에게 도달하기까지의 복잡한 과정과 그 속에 담긴 인내의 시간을 이해하는 것이 무엇보다 중요합니다. 한국은 이미 세계적인 수준의 기술력을 보유하고 있으며, 과학을 소중히 여기는 열정적인 문화를 가지고 있습니다. 노벨상 수상에 대한 과도한 압박감을 느끼기보다는 현재 보유한 기술적 강점에 자부심을 갖는 태도가 필요합니다. 기초 과학에 대한 투자와 더불어 젊은 연구자들에게 자유로운 연구 환경을 제공한다면, 기술 강국으로서의 면모는 더욱 빛날 것입니다. 자신의 직관을 믿고 연구에 몰입할 수 있는 문화가 정착될 때 진정한 과학적 진보가 이루어지며, 이는 국가의 자부심으로 이어질 것입니다.

Mary Katharine Levinge Collins(메리 콜린스)

카오스재단석학인터뷰

생명과학
융합

[석학인터뷰] 훌륭한 과학자가 되기 위해 필요한 것? _팀 헌트 2001년 노벨생리의학상

과학적 발견의 여정에서 운은 결코 무시할 수 없는 요소입니다. 많은 노벨상 수상자들은 자신들이 뛰어난 실력을 갖춘 것 이상으로 운이 좋았다고 고백하곤 합니다. 수많은 과학자가 연구에 매진하지만, 오직 소수만이 역사적인 발견의 순간을 마주하게 되기 때문입니다. 하지만 단순히 운에만 의존하는 것은 아닙니다. 우연히 찾아온 기회를 포착하고 그것이 지닌 진정한 가치를 알아보는 통찰력이 결합될 때 비로소 위대한 성취가 완성됩니다. 이러한 운과 통찰력의 조화는 과학의 역사에서 반복되는 중요한 주제입니다. 세포 분열 과정에서 특정 단백질이 사라졌다가 다시 나타나는 현상을 목격했을 때, 이는 단순한 실험적 오류로 치부될 수도 있었습니다. 그러나 철저하게 통제된 실험 환경 덕분에 이 현상이 세포 주기와 밀접한 관련이 있다는 확신을 가질 수 있었습니다. 당시 주변에서는 이러한 주장을 회의적으로 바라보기도 했지만, 내면의 확신을 믿고 연구를 지속하는 용기가 필요했습니다. 보이지 않는 질서를 찾아내려는 집요함이 결국 생명의 신비를 푸는 열쇠가 되었으며, 이는 과학적 탐구의 본질을 잘 보여줍니다. 성공적인 과학자의 길을 걷기 위해서는 일에 대한 열정뿐만 아니라 유쾌한 마음가짐이 필수적입니다. 연구는 때로 고되고 지루한 과정의 연속일 수 있지만, 그 안에서 즐거움을 찾는 태도가 창의성의 원천이 됩니다. 젊은 연구자들에게 강조하고 싶은 점은 이상을 높게 가지되 현실에 충실해야 한다는 것입니다. 지평선을 바라보는 넓은 시야와 땅을 딛고 묵묵히 나아가는 성실함이 조화를 이룰 때, 과학적 탐구는 비로소 지속 가능한 힘을 얻게 됩니다. 즐거움이 동반된 노력은 그 어떤 의무감보다 강력한 결과를 만들어냅니다. 현대 과학은 과거에 비해 비약적으로 발전했지만, 지나친 전문화로 인해 학문의 전체적인 흐름을 놓치기 쉬운 환경이 되었습니다. 특정 분야에만 매몰되면 자신의 연구가 뇌의 작용이나 생명의 본질과 같은 근본적인 원리에 어떻게 기여하는지 파악하기 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 교육은 매우 중요한 역할을 합니다. 교육은 우리에게 사물을 바라보는 폭넓은 시야를 제공하며, 배움 자체가 얼마나 즐거운 일인지 다시금 깨닫게 해주는 소중한 통로가 됩니다. 폭넓은 지식은 새로운 발견을 위한 든든한 토대가 되어줍니다. 위대한 과학자들의 공통점은 복잡한 현상 이면에 숨겨진 단순함을 찾아내려 노력했다는 점입니다. 자연은 겉보기에 매우 모호하고 복잡해 보이지만, 그 근간에는 명확하고 단순한 원리가 자리 잡고 있습니다. 아무리 복잡한 시스템이라도 그 안의 핵심적인 질서를 발견하는 것이 과학의 본질입니다. 비록 그 단순함을 찾아내는 과정은 험난하고 고통스러울지라도, 명확한 이해를 향한 갈망은 과학자들을 끊임없이 움직이게 만드는 가장 강력한 동력이 됩니다. 단순함 속에 깃든 진리를 찾는 여정은 과학이 선사하는 최고의 매력입니다.

Sir Tim Hunt(팀 헌트 경)

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[석학인터뷰] 윌리엄 케일린_노벨상 수상자의 이야기 ㅣ 새벽 4시 40분, 스톡홀름에서 전화가 온다면?

노벨상 수상 소식을 알리는 스톡홀름에서의 전화는 한 과학자의 인생을 송두리째 바꾸어 놓습니다. 매년 수상 확률이 희박함에도 불구하고 벨소리를 켜두고 잠드는 설렘은 모든 연구자의 마음속에 자리 잡고 있을 것입니다. 사실 많은 과학자가 처음부터 연구의 길을 확신하는 것은 아닙니다. 의학도를 꿈꾸던 청년이 훌륭한 멘토를 만나 진정한 과학의 가치를 깨닫고 뒤늦게 연구에 뛰어드는 사례도 많습니다. 중요한 것은 자신이 하는 일을 즐기며 열정을 쏟을 수 있는 환경을 만나는 것입니다. 과학자로서의 삶에서 가장 큰 축복은 일이 더 이상 노동이 아닌 놀이처럼 느껴지는 순간을 맞이하는 것입니다. 연구실에서 기술을 익히고 자신만의 아이디어를 구체화하다 보면, 어느덧 스스로의 재능에 대한 확신이 생기기 시작합니다. 관련 분야의 문헌을 탐독하며 지식의 지평을 넓히는 과정은 모호했던 의문들을 명확하게 해소해 줍니다. 이러한 자신감은 단순히 지식의 양에서 오는 것이 아니라, 문제를 해결해 나가는 과정 자체를 즐기는 태도에서 비롯됩니다. 암 정복은 인류의 오랜 숙원이자 가능성 있는 목표입니다. 2000년 인간 게놈 지도가 발표된 이후, 암 연구는 비로소 정밀한 데이터에 기반한 체계적인 연구의 기틀을 마련하게 되었습니다. 과거 달 착륙이 공학적인 문제 해결의 영역이었다면, 암 치료는 여전히 풀어야 할 과학적 원리가 산재한 영역입니다. 공학은 비용과 시간을 예측할 수 있지만, 과학은 근본적인 원리를 발견해 나가는 과정이기에 더 많은 인내와 탐구가 필요합니다. 우리는 여전히 암이라는 복잡한 생물학적 퍼즐을 풀기 위한 원리를 배우는 중입니다. 모든 위대한 발견은 기술이나 실험 방법이 아니라, 해결하고자 하는 본질적인 질문에서 시작됩니다. 단순히 최신 기술을 사용하는 것에 매몰되지 않고, 그 질문이 얼마나 중요하고 흥미로운지를 먼저 성찰해야 합니다. 좋은 실험은 명확한 결과뿐만 아니라 문제를 바라보는 재치 있는 아이디어를 포함해야 합니다. 남들이 이미 수행하고 있거나 누구나 생각할 수 있는 뻔한 실험보다는, 자신만이 제시할 수 있는 새로운 관점과 반전이 담긴 연구가 과학의 진보를 이끌어냅니다. 현대 과학자들은 자신의 연구가 즉각적으로 어디에 응용될 수 있는지를 증명해야 한다는 압박을 자주 받습니다. 하지만 모든 혁신적인 응용은 기초적인 기전 연구라는 토대 위에서 탄생합니다. 처음에는 단순히 생물학적 퍼즐을 풀고자 했던 순수한 호기심이 결국 인류에게 유용한 지식으로 축적되는 것입니다. 과학에는 지름길이 없으며, 생명 현상을 깊이 있게 이해하려는 기초 연구가 선행될 때 비로소 암 치료와 같은 실질적인 응용 분야의 문이 열리게 됩니다.

William G. Kaelin Jr(윌리엄 케일린)

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[노벨상 강연] 윌리엄 케일린_ 2019 노벨상 수상자｜카오스재단 x 고등과학원 '2019 노벨상 해설 강연' | 3강

윌리엄 케일린 교수는 임상 의사로 수련을 받던 중 유전적 결함으로 발생하는 암에 깊은 관심을 갖게 되었습니다. 특히 그는 폰 히펠-린다우 병(VHL)이라는 희귀 질환에 주목했습니다. 이 질환은 뇌나 망막, 척수 등에 비정상적인 혈관 형성을 특징으로 하는 종양을 유발하며, 신장암의 주된 원인이 되기도 합니다. 약 3만 명 중 한 명꼴로 발생하는 이 질환은 단순한 희귀병을 넘어, 우리 몸이 암에 걸리는 근본적인 기전을 이해하는 중요한 출발점이 되었습니다. 우리 몸의 설계도인 DNA는 단백질을 만드는 청사진 역할을 합니다. VHL 유전자에 변이가 생기면 이 청사진에 잘못된 지시가 담기게 되고, 결과적으로 비정상적인 단백질이 생성됩니다. 30억 개의 염기 중 단 하나만 잘못되어도 단백질의 기능에 치명적인 문제가 생길 수 있으며, 이는 환자에게 생과 사를 가르는 중대한 사안이 됩니다. 이러한 유전적 변이는 암 발생 위험을 비약적으로 높이며 세포의 정상적인 제어 기능을 마비시키게 됩니다. VHL 환자의 종양은 신생 혈관 형성이 매우 활발하여 마치 혈관 덩어리처럼 보이는 특징이 있습니다. 또한 신체가 너무 많은 적혈구를 생성하게 만드는 독특한 현상을 동반하기도 합니다. 이는 세포가 충분한 산소를 공급받고 있음에도 불구하고, 산소가 부족하다고 착각하여 계속해서 산소 부족 신호를 보내기 때문입니다. 연구자들은 이 과정에서 혈관 내피 성장 인자(VEGF)와 에리스로포이에틴 호르몬이 과도하게 만들어진다는 사실을 발견했습니다. 산소 감지의 핵심은 저산소 유도 인자(HIF)와 VHL 단백질의 상호작용에 있습니다. 산소가 충분할 때 VHL 단백질은 저산소 유도 인자(HIF)를 포착하여 파괴하는 역할을 하지만, 산소가 부족하면 이 과정이 중단되어 HIF가 축적됩니다. 축적된 HIF는 혈관을 더 만들라는 지시를 내리게 됩니다. 만약 VHL 유전자에 결함이 생기면 산소 농도와 상관없이 HIF가 계속 쌓이게 되어, 암세포가 멈추지 않고 성장할 수 있는 환경이 조성되는 것입니다. 과학자들은 저산소 유도 인자(HIF)의 특정 아미노산에 산소 원자가 붙는 과정을 규명함으로써 새로운 치료의 길을 열었습니다. 이 메커니즘을 조절하는 억제제는 빈혈 환자의 적혈구 생성을 돕거나, 심장마비 및 뇌졸중 환자의 산소 공급 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다. 실제로 신장암 치료를 위해 비정상적인 신호를 차단하는 약물들이 개발되어 승인을 받았으며, 이는 다양한 고형암 치료에 있어 새로운 전기를 마련할 것으로 기대되고 있습니다. 윌리엄 케일린 교수는 과학 연구에 있어 논리적인 사고 체계와 좋은 질문의 중요성을 강조합니다. 그는 실패를 일상적인 과정으로 받아들이며, 예상치 못한 결과에서 새로운 배움을 얻는 창의적인 태도가 필요하다고 말합니다. 단순히 알려진 지식을 습득하는 것을 넘어, 자연의 섭리를 밝혀내기 위해 끈질기게 질문을 던지는 과정이 과학의 본질입니다. 이러한 탐구의 즐거움을 느끼며 스스로에게 엄격하게 임할 때 위대한 발견이 뒤따르게 됩니다. 미래의 과학자들에게 노벨상이라는 결과보다 연구 과정 자체를 사랑할 것을 권합니다. 과학적 발견은 인류의 삶을 개선하는 강력한 힘을 지니고 있지만, 동시에 유전자 편집 기술과 같은 첨단 기술에 대해서는 엄격한 윤리적 책임감이 요구됩니다. 과학자는 자신이 답할 수 없는 영역에 대해 솔직하게 인정하는 합리성을 갖추어야 하며, 끊임없이 변화하는 기술 속에서도 본질적인 기전을 이해하려는 노력을 멈추지 말아야 인류의 발전에 기여할 수 있습니다.

William G. Kaelin Jr(윌리엄 케일린)

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

William Kaelin | 2019 The Nobel Prize Winner, Nobel Prize in Physiology or Medicine | 3강

생명체에게 산소는 생존의 필수 요소이지만, 세포가 산소 농도를 어떻게 감지하고 적응하는지는 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 2019년 노벨 생리의학상을 수상한 윌리엄 케일린 교수는 세포 내 산소 감지 메커니즘을 규명하며 현대 의학의 새로운 지평을 열었습니다. 이 발견은 단순히 생물학적 호기심을 충족시키는 데 그치지 않고, 암과 빈혈 등 난치성 질환을 치료할 수 있는 결정적인 단서를 제공했다는 점에서 그 가치가 매우 높으며, 기초 과학이 인류의 건강에 어떻게 기여할 수 있는지를 보여주는 완벽한 사례로 꼽힙니다. 케일린 교수의 연구는 임상 의사로서 환자를 돌보던 경험에서 시작되었습니다. 그는 희귀 유전병인 폰 히펠-린다우(VHL) 증후군 환자들에게서 나타나는 종양이 유독 혈관이 풍부하다는 점에 주목했습니다. VHL 유전자에 변이가 생기면 세포가 마치 산소가 부족한 상태인 것처럼 착각하여 혈관 형성을 촉진하는 신호를 과도하게 보낸다는 사실을 발견한 것입니다. 이는 특정 유전자의 결함이 세포의 산소 감지 체계를 어떻게 교란하는지 이해하는 중요한 출발점이 되었으며, 질병의 근본 원인을 파헤치는 계기가 되었습니다. 연구의 핵심은 VHL 단백질과 저산소 유도 인자인 HIF 사이의 상호작용에 있습니다. 산소가 충분한 환경에서 VHL 단백질은 HIF에 표식을 남겨 이를 파괴함으로써 세포 내 농도를 낮게 유지합니다. 하지만 산소가 부족해지면 이 과정이 중단되어 HIF가 축적되고, 이는 적혈구 생성이나 혈관 확장을 돕는 유전자들을 활성화합니다. 이러한 정교한 '분자 스위치' 메커니즘은 우리 몸이 환경 변화에 유연하게 대응하며 항상성을 유지하는 원동력이 됩니다. 이 과정에서 수산화효소가 산소 센서 역할을 수행한다는 점도 밝혀졌습니다. 이 메커니즘의 규명은 암 치료 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 특히 신장암의 경우 VHL 유전자의 변이가 빈번하게 발생하는데, 이를 통해 암세포가 산소 공급을 받기 위해 끊임없이 새로운 혈관을 만들어낸다는 사실이 밝혀졌습니다. 연구진은 HIF의 활성을 억제하거나 관련 경로를 차단하는 약물을 개발하여 암세포의 영양 공급원을 차단하는 전략을 세웠습니다. 현재 이러한 원리를 이용한 치료제들이 임상 시험을 거쳐 실제 환자들에게 새로운 희망이 되고 있으며, 이는 기초 과학 연구가 실제 의료 현장에 적용된 훌륭한 사례입니다. 반대로 산소 감지 체계를 조절하여 빈혈을 치료하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 만성 신장 질환 환자들은 적혈구 생성 호르몬인 에리스로포이에틴이 부족해 심각한 빈혈을 겪는 경우가 많습니다. 이때 HIF를 분해하는 효소의 기능을 억제하면, 산소가 충분한 상황에서도 HIF가 안정화되어 적혈구 생성을 촉진할 수 있습니다. 이는 기존의 주사제 대신 먹는 약으로 빈혈을 관리할 수 있는 가능성을 열어주었으며, 환자들의 삶의 질을 획기적으로 개선하는 성과로 이어지고 있습니다. 질병의 메커니즘을 이해하는 것이 얼마나 중요한지 보여줍니다. 위대한 과학적 발견 뒤에는 수많은 실패와 거절의 순간들이 있었습니다. 케일린 교수는 자신의 논문이 학술지에서 거절당하거나 연구비 확보에 어려움을 겪었던 경험을 공유하며, 과학자에게 필요한 가장 중요한 덕목으로 인내심을 꼽았습니다. 그는 단순히 결과를 쫓기보다 눈앞의 질문에 집중하고, 그 질문이 이끄는 대로 나아가는 과정 자체에서 즐거움을 찾아야 한다고 강조합니다. 훌륭한 멘토와의 만남과 논리적인 사고 훈련 역시 그가 난관을 극복하고 성과를 내는 데 큰 밑거름이 되었으며, 이는 모든 연구자에게 귀감이 되는 태도입니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 청소년들에게 그는 자신이 열정을 느낄 수 있는 분야를 찾는 것이 무엇보다 중요하다고 조언합니다. 과학은 세상의 수수께끼를 풀어나가는 즐거운 놀이와 같기 때문입니다. 노벨상이라는 결과에 매몰되기보다 연구 과정에서 마주하는 데이터 하나하나에 기쁨을 느끼는 태도가 창의적인 발견의 시작입니다. 끊임없는 호기심과 합리적인 의심을 바탕으로 미지의 영역에 도전하는 정신이야말로 인류의 지평을 넓히는 진정한 힘이 될 것입니다. 과학적 합리주의를 바탕으로 한 탐구는 우리 사회를 더욱 발전시키는 밑거름이 될 것입니다.

William G. Kaelin Jr(윌리엄 케일린)

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[노벨상 해설 강연] 빅뱅에서 외계생명체까지_ 박명구｜카오스재단 x 고등과학원 '2019 노벨상 해설 강연' | 1강

2019년 노벨 물리학상은 인류가 우주를 바라보는 관점을 근본적으로 바꾼 두 분야에 수여되었습니다. 현대 물리 우주론의 기틀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 시작되었습니다. 1915년 발표된 장 방정식은 중력을 수학적으로 정의했으며, 이후 프리드만은 이 식을 우주 전체에 적용하여 우주가 정지해 있지 않고 팽창해야 한다는 사실을 이론적으로 도출했습니다. 이는 우주가 영원불변하다는 당시의 철학적 믿음을 깨뜨리고, 우주의 역사와 구조를 과학적으로 탐구할 수 있는 길을 열어준 혁명적인 사건이었습니다. 우주 팽창 이론은 관측을 통해 증명되었습니다. 허블은 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다는 사실을 발견했고, 이는 과거의 우주가 현재보다 훨씬 작고 뜨거웠음을 시사했습니다. 이로부터 대폭발, 즉 빅뱅 이론이 탄생했습니다. 빅뱅 이론의 결정적인 증거는 우주 모든 방향에서 관측되는 우주배경복사입니다. 초기 우주의 뜨거운 빛이 팽창과 함께 식어 현재까지 남아있는 이 복사는, 우주의 탄생 직후 상태를 알려주는 소중한 화석과 같은 역할을 하며 현대 우주론의 표준 모델을 뒷받침합니다. 제임스 피블스 교수는 이러한 이론적 토대 위에 현대 우주론의 정교한 체계를 세웠습니다. 그는 우주배경복사를 정밀하게 계산하고, 우주의 물질들이 중력에 의해 어떻게 거대한 구조를 형성하는지 통계적으로 분석했습니다. 특히 우리 눈에 보이지 않지만 우주 구조 형성에 결정적인 역할을 하는 '차가운 암흑 물질'의 존재를 강조하며 표준 우주론 모형을 정립했습니다. 그의 연구는 138억 년에 걸친 우주의 진화 과정을 하나의 일관된 물리적 서사로 완성하는 데 핵심적인 공헌을 했습니다. 우주론이 거시적인 우주의 역사를 다룬다면, 외계 행성 탐색은 우리 태양계 너머의 구체적인 세상을 찾는 여정입니다. 별은 스스로 빛을 내어 밝게 빛나지만, 그 주변을 도는 행성은 너무 작고 어두워 직접 관측하기가 매우 어렵습니다. 천문학자들은 행성이 별 주위를 공전할 때 발생하는 미세한 반작용에 주목했습니다. 행성의 중력으로 인해 별이 아주 조금씩 흔들리는 현상을 도플러 효과를 이용해 측정하는 것입니다. 이는 별빛의 파장이 주기적으로 변하는 것을 포착하여 행성의 존재를 간접적으로 증명하는 방식입니다. 1995년 미셸 마요르와 디디에 쿠엘로 교수는 이 방법을 통해 태양과 유사한 별인 '페가수스자리 51' 주변에서 첫 외계 행성을 발견했습니다. 이 행성은 목성만큼 거대하면서도 별에 매우 가까이 붙어 공전하는 '뜨거운 목성'이었습니다. 이는 거대 행성은 별에서 먼 곳에서만 형성된다는 기존의 천문학적 상식을 완전히 뒤집는 결과였습니다. 이 발견 이후 수천 개의 외계 행성이 추가로 발견되었으며, 인류는 태양계가 우주에서 유일한 형태가 아니라는 사실을 깨닫고 행성 형성 이론을 새롭게 쓰게 되었습니다. 한국의 천문학계 역시 이러한 외계 행성 탐색 분야에서 꾸준한 성과를 내고 있습니다. 보현산 천문대의 연구진은 독자적인 분광기와 분석 프로그램을 개발하여 여러 개의 외계 행성을 발견했으며, 최근에는 국민 참여를 통해 외계 행성계에 이름을 붙이는 프로젝트도 진행하고 있습니다. 앞으로 건설될 거대 마젤란 망원경(GMT)과 같은 차세대 관측 장비들은 외계 행성의 대기 성분을 분석하여 생명체의 흔적을 찾는 단계까지 나아갈 것입니다. 이는 인류가 우주에서 홀로 존재하는가라는 근원적인 질문에 답하는 과정이 될 것입니다. 2019년 노벨 물리학상이 조명한 두 연구는 우주의 거대한 기원부터 생명체가 존재할 수 있는 작은 행성까지, 인류의 지평을 무한히 확장했습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 시작된 우주론은 이제 우주의 정밀한 지도를 그리는 수준에 도달했으며, 외계 행성 탐사는 지구와 닮은 또 다른 세상을 찾는 구체적인 목표를 향해 달려가고 있습니다. 우리가 우주의 어디에서 왔으며, 이 광활한 공간 속에서 우리의 위치는 어디인지 이해하려는 과학적 열정은 앞으로도 인류를 새로운 발견의 시대로 인도할 것입니다.

박명구

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학
천문학

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

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

카오스재단술술과학

[석학인터뷰] 오세정_기상천외한 연구를 하고 싶어요

과거에는 과학 대중화라고 하면 주로 학생들에게 지식을 쉽게 전달하는 수준에 머물렀습니다. 하지만 카오스 재단 활동을 통해 직접 마주한 대중의 모습은 예상보다 훨씬 진지하고 지적 수준이 높았습니다. 전문적인 지식을 깊이 있게 다루는 강연에도 많은 분이 열정적으로 참여하며, 먼 곳에서 찾아오는 수고를 마다하지 않는 모습은 매우 인상적이었습니다. 이는 우리 사회의 과학 문화 수준이 이미 충분히 성숙했음을 보여주며, 그동안 대중이 과학을 접할 기회가 부족했을 뿐이라는 점을 시사합니다. 한국의 연구 환경은 과거 열악한 상황 속에서 해외 학술지에 논문을 게재하는 성과 중심의 문화를 형성해 왔습니다. 남들이 이미 닦아놓은 길을 빠르게 추격하는 방식은 효율적이었지만, 이제는 독창적인 연구가 필요한 시점입니다. 노벨상과 같은 세계적인 성과는 기상천외하고 남들이 시도하지 않는 분야를 개척할 때 비로소 가능해집니다. 실패를 두려워하지 않고 자신만의 독특한 아이디어를 실행에 옮길 수 있는 연구 문화가 정착되어야 우리 과학계의 진정한 도약이 이루어질 것입니다. 기초과학 연구는 공공의 자산인 세금으로 지원되는 만큼 투명한 집행이 중요하지만, 지나치게 관료적 시스템은 연구자의 자율성을 저해하기도 합니다. 연구에 꼭 필요한 연구 소모품 하나를 구매할 때도 복잡한 사유를 증명해야 하는 현실은 창의적인 탐구 활동에 걸림돌이 됩니다. 선진적인 연구 환경을 구축하기 위해서는 연구자의 판단을 신뢰하고 자율성을 보장하는 제도적 개선이 필요합니다. 규제보다는 지원에 집중하는 유연한 행정 시스템이 뒷받침될 때 연구자들은 더욱 과감한 도전에 나설 수 있습니다. 현재의 입시 위주 교육은 정답을 맞히는 데만 집중하게 하여 학생들이 실수에 대한 두려움을 갖게 만듭니다. 지식을 단순히 암기하는 시대는 지나갔으며, 이제는 새로운 생각을 창출하고 자신만의 관심사를 깊이 있게 추구하는 능력이 무엇보다 중요합니다. 중고등학교부터 대학교에 이르기까지 교육의 패러다임을 근본적으로 전환해야 합니다. 학생들이 실패를 두려워하지 않고 다양한 시도를 할 수 있는 환경을 조성함으로써, 변화하는 미래 사회에 걸맞은 창의적인 인재를 양성해야 할 시점입니다. 서울대학교를 비롯한 주요 대학들은 국민의 세금과 사회적 혜택을 바탕으로 운영되는 만큼 공동체에 대한 막중한 책임감을 가져야 합니다. 단순히 우수한 학생을 선발하는 데 그치지 않고, 학생들이 사회적 가치를 실천하며 이타적인 리더로 성장할 수 있도록 돕는 교육이 필요합니다. 또한 세계가 주목할 만한 독창적인 연구 성과를 창출하여 학문적 자부심을 높여야 합니다. 대학 구성원들이 자신의 성취를 공동체의 발전으로 연결할 때, 비로소 세계 무대에서 진정으로 존경받는 교육 기관으로 거듭날 수 있습니다.

오세정

카오스재단석학인터뷰

융합

[카오스 술술과학] 다중우주 (5) : 인플레이션 다중우주

우주의 탄생 직후 약 38만 년이 지났을 때, 최초의 원자가 형성되며 갇혀 있던 빛이 한꺼번에 쏟아져 나왔습니다. 이것이 바로 우주배경복사이며, 현대 우주론을 지탱하는 결정적인 증거가 되었습니다. 1965년 펜지어스와 윌슨이 발견한 이 태초의 빛은 우주의 모든 방향에서 온도가 놀라울 정도로 일정하다는 사실을 보여주었습니다. 하지만 이는 서로 소통할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 공간들이 어떻게 같은 온도를 갖게 되었는지에 대한 '지평선 문제'를 야기했고, 인플레이션 이론은 우주가 초기에 빛보다 빠른 속도로 인플레이션하며 온도를 균일하게 맞출 시간이 있었다는 설명으로 이 난제를 해결했습니다. 하지만 우주의 온도와 밀도가 모든 곳에서 완벽하게 동일했다면 오늘날의 별과 은하는 존재할 수 없었을 것입니다. 1992년 코비(COBE) 위성은 우주배경복사에서 10만 분의 1도라는 아주 미세한 온도 차이를 발견해 냈습니다. 조지 스무트가 '신의 얼굴'이라 표현한 이 미세한 불균형은 인플레이션 이론이 예측한 결과였으며, 거대한 우주 구조를 형성하는 씨앗이 되었습니다. 이 사소해 보이는 차이가 물질을 뭉치게 하고 중력의 작용을 이끌어내어 현재의 우주를 창조한 원동력이 된 셈입니다. 인류는 이 발견을 통해 우주 탄생의 비밀에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 이러한 미세한 차이가 발생한 근본적인 원인은 우주가 아주 작은 미시 세계에서 시작되었기 때문입니다. 양자역학의 지배를 받는 미시 세계에서는 '양자 요동'에 의해 대칭과 균형이 끊임없이 깨집니다. 가상의 물질인 인플라톤 역시 불확정성 원리에 따라 요동치며 온도와 밀도의 미세한 차이를 만들어냈습니다. 인플레이션이라는 초고속 열차는 이 미시적인 양자 요동을 거시적인 우주 스케일로 순식간에 증폭시켰습니다. 결국 우주는 가장 작은 양자 세계의 원리를 가장 큰 거시 세계의 구조로 연결하며, 미시적 요동이 거대한 은하계의 기원이 되었음을 보여주었습니다. 인플레이션 이론은 우리 우주의 탄생을 설명하는 데 그치지 않고 더 놀라운 가능성을 제시합니다. 인플레이션을 주도하는 인플라톤은 일반적인 물질로 변하며 우리 우주를 만들기도 하지만, 어떤 영역에서는 멈추지 않고 계속해서 새로운 공간을 만들어낼 수 있습니다. 안드레이 린데가 제안한 '영원한 인플레이션'에 따르면, 인플라톤은 마치 박테리아처럼 스스로를 증식시키며 무수히 많은 새로운 우주를 탄생시킵니다. 이는 우리가 사는 우주가 유일한 존재가 아니라, 끊임없이 생성되고 팽창하는 거대한 다중우주의 일부분일 수 있음을 시사하며 우주에 대한 우리의 관점을 완전히 확장시킵니다. 양자역학에서 전자가 확률 구름의 형태로 존재하듯, 우주 역시 다중우주의 형태로 공간 속에 이미 존재하고 있을지 모릅니다. 상대성 이론에 따르면 우리 우주 밖의 영원한 시간은 우주 안에서 무한한 공간으로 변모하며, 이는 필연적으로 무한한 다중우주를 포함하게 됩니다. 결국 전 우주는 단순한 다중우주를 넘어 '다중우주의 다중우주'라는 거대한 체계를 형성하게 됩니다. 우리는 영원한 열반의 바다와 같은 거대한 시공간 속에서 표류하는 하나의 작은 물방울이자, 그 자체로 경이로운 우주의 신비를 품고 있는 존재입니다. 우주는 스스로가 모든 것의 이론임을 증명하며 우리에게 무한한 상상력을 제공합니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[강연] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강 | 7강 ①

화학은 단순히 반응식의 양쪽 숫자를 맞추는 학문이 아닙니다. 원자들이 모여 새로운 성질을 갖는 분자를 만들어내는 '분자 공학'의 영역에 가깝습니다. 여기서 공학이란 단순히 무언가를 만드는 기술을 넘어, 공간(空間)에 대한 깊은 탐구와 이해를 바탕으로 합니다. 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 어떤 위치에 놓이고 어떻게 연결되는지를 설계하는 과정은 마치 정교한 건축물을 짓는 것과 같습니다. 이러한 관점에서 화학은 물질의 정체성을 규정하는 공간의 학문이라 할 수 있습니다. 복잡해 보이는 분자 구조 속에는 의외로 단순한 규칙과 패턴이 숨어 있습니다. 네덜란드의 예술가 에셔의 작품이나 알함브라 궁전의 테셀레이션처럼, 기본 단위의 반복과 대칭을 통해 무한한 공간을 채워나가는 원리가 화학 세계에도 적용됩니다. 1억 개가 넘는 방대한 화학 물질 데이터베이스 속에서도 과학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계할 수 있는 이유는 이러한 대칭의 미학을 이해하고 활용하기 때문입니다. 복잡함은 결국 패턴을 읽어내는 눈을 통해 질서 정연한 아름다움으로 변모합니다. 분자의 세계를 이해하기 위해서는 2차원 평면을 넘어 3차원 공간의 대칭성을 파악해야 합니다. 점, 선, 면을 기준으로 물체를 회전시키거나 반사했을 때 전후가 구별되지 않는 상태를 대칭적이라고 합니다. 눈 결정의 육각형 구조에서 볼 수 있듯이, 자연은 고도의 규칙성을 통해 안정과 미학을 동시에 달성합니다. 화학자들은 이러한 대칭 요소를 수학적으로 분석하여 분자가 공간에서 어떻게 살아 움직이는지, 그리고 어떤 방향성을 가지고 상호작용하는지를 정밀하게 예측하고 설계합니다. 거울에 비친 모습과 실제 모습이 겹쳐지지 않는 '카이랄성'은 화학에서 매우 중요한 개념입니다. 왼손과 오른손처럼 구조는 같아 보이지만 공간적 배열이 다른 이 분자들은 우리 몸속에서 전혀 다르게 작용합니다. 어떤 분자는 달콤한 맛을 내지만 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내기도 하며, 때로는 치명적인 부작용을 일으키는 약물이 되기도 합니다. 우리 몸을 구성하는 DNA와 아미노산이 특정한 방향성을 갖기 때문에 발생하는 이러한 현상은 생명의 신비와 화학적 정교함이 만나는 지점입니다. 최근 화학계는 원자와 원자가 전자를 공유하는 전통적인 결합을 넘어, 고리와 고리가 기계적으로 얽힌 '기계적 결합'에 주목하고 있습니다. 분자 매듭이나 카테네인처럼 서로 빠져나올 수 없게 연결된 구조는 외부 신호에 따라 움직이는 분자 기계의 기초가 됩니다. 이는 화학 결합의 개념을 확장한 사고의 전환이며, 전자의 움직임을 제어하여 분자 수준에서 회전이나 직선 운동을 구현하는 혁신적인 시도입니다. 이러한 기계적 결합은 분자가 단순한 물질을 넘어 기능을 수행하는 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 복잡한 분자를 합성하는 과정은 목적지를 향해 거꾸로 길을 찾아가는 '역합성 분석'에서 시작됩니다. 최종 생성물을 만들기 위해 어떤 중간 단계가 필요한지, 가장 효율적이고 창의적인 경로는 무엇인지를 고민하는 과정은 고도의 논리적 사고를 요구합니다. 최근에는 인공지능이 방대한 데이터를 바탕으로 합성 경로를 제안하기도 하지만, 예상치 못한 실패 속에서 새로운 반응을 발견하고 원리를 깨닫는 것은 여전히 인간 화학자의 몫입니다. 합성은 단순한 제조가 아니라 문제를 해결하는 철학적 훈련이기도 합니다. 합성 화학의 거장 우드워드는 분자 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술(Art)'의 경지로 끌어올렸습니다. 자연계에 존재하는 복잡한 비타민이나 엽록소를 실험실에서 재현하려는 노력은 물질이 부족해서가 아니라, 자연의 원리를 깊이 이해하고 인간의 창의성을 시험하기 위한 여정이었습니다. 화학자들은 보이지 않는 분자 세계의 건축가이자 예술가로서, 널리 인간을 이롭게 하고 생명의 신비를 밝히는 아름다운 구조물을 만들어갑니다. 결국 화학은 공간을 이해하고 생명을 따라 그리며 지식을 공유하는 학문입니다.

이동환, 이윤호

카오스재단카오스강연

화학

[석학인터뷰] 그것이 알고 싶다?! 현대과학으로도 도저히 설명할 수 없는 미스터리는? _1편ㅣ미스터리 릴레이

현대 과학은 우주가 빅뱅을 통해 시작되었다는 수많은 증거를 확보했지만, 정작 그 현상이 왜 발생했는지에 대해서는 여전히 답을 내놓지 못하고 있습니다. 이것이 필연적인 사건이었는지 아니면 우연의 산물이었는지조차 명확하지 않은 상황에서, 인류가 과연 이 근원적인 질문에 답할 수 있을지는 미지수입니다. 빅뱅이라는 거대한 패러다임 속에서 우리는 우주에 대한 수많은 의문을 해결해 왔으나, 그 시작점의 본질은 여전히 인간의 지성이 도달하지 못한 미지의 영역으로 남아 있습니다. 현재 천문학계의 가장 큰 화두는 암흑 에너지와 암흑 물질의 정체를 밝히는 일입니다. 만약 이 요소들 중 하나라도 존재하지 않는다는 사실이 밝혀진다면 우리가 맹신해 온 빅뱅 이론의 근간이 흔들릴 수도 있습니다. 특히 우주 상수의 미세한 값을 이해하는 것은 현대 물리학의 성배와도 같은 과제로 여겨집니다. 수많은 학자가 이 문제에 도전해 왔으나 아직 명쾌한 해답을 찾지 못했으며, 이 수수께끼를 푸는 이는 인류 과학사에 획을 긋는 업적을 남기게 될 것입니다. 입자 물리학은 소립자를 연구하는 학문이지만, 더 근본적으로는 우주의 탄생과 진화 과정을 추적하는 학문이기도 합니다. 물리학자들은 우주를 구성하는 기본 입자들이 어떻게 상호작용하며 현재의 모습을 갖추게 되었는지 그 원리를 찾고자 합니다. 특히 우리가 살고 있는 시공간이 왜 하필 4차원인지, 혹은 우리가 인지하지 못하는 여분의 차원이 존재하는지에 대한 질문은 매우 흥미로운 주제입니다. 이러한 근본적인 원리에 대한 탐구는 우주를 설명하는 궁극적인 이론에 도달하기 위한 필수적인 과정입니다. 물질의 세계를 넘어 생명의 탄생으로 시야를 확장하면 또 다른 거대한 미스터리가 우리를 기다리고 있습니다. 무생물인 물질이 어떻게 생명력을 가진 존재로 진화했는지는 물리학이 아직 제대로 다루지 못하는 영역입니다. 우주의 역사 속에서 생명이 등장한 것이 물리 법칙이 예견한 필연인지, 아니면 극히 희박한 확률이 만들어낸 우연인지에 대한 논의는 끊이지 않습니다. 특히 인간이 가진 자의식의 정체와 그것이 어떻게 형성되었는지는 과학이 풀어야 할 가장 고차원적인 숙제 중 하나입니다. 인간의 뇌는 겉보기에는 특징 없는 조직처럼 보이지만, 의식을 만들어내고 고도의 인지 기능을 수행하는 경이로운 기관입니다. 최근의 인공지능 기술은 뇌의 기능을 모방하고 있지만, 스스로를 인식하는 '앎'의 단계에는 이르지 못했습니다. 신경과학이 의식의 비밀을 밝혀낸다면 인공지능 또한 자아를 가진 존재로 진화할 가능성이 있습니다. 더불어 인간이 대규모로 협동하는 이유나 끊임없이 출현하는 새로운 질병에 대한 연구는 생물학적 관점에서 인류의 미래를 이해하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

김대수, 김준홍, 김항배, 김형도, 박성찬, 윤성철, 이석영, 최재천

카오스재단릴레이 인터뷰

지구환경과학
천문학
융합

[강연] 2018 노벨상 해설 강연 (KAOS, 고등과학원) _ 신의철, 이상민, 김석희 교수

2018년 노벨 생리의학상은 암 치료의 패러다임을 바꾼 면역 항암제 분야에 수여되었습니다. 기존의 항암 치료가 암세포를 직접 공격하는 방식이었다면, 제임스 앨리슨과 혼조 다스쿠 교수는 우리 몸의 면역 체계가 암세포를 스스로 공격하도록 만드는 길을 열었습니다. 이들은 면역 세포의 활성을 억제하는 이른바 '브레이크' 역할을 하는 단백질인 CTLA-4와 PD-1을 발견하고, 이를 차단함으로써 면역 세포가 암세포를 효과적으로 제거할 수 있음을 증명했습니다. 면역 관문 억제제로 불리는 이 치료법은 말기 암 환자들에게 새로운 희망이 되고 있습니다. 특정 면역 관문을 차단하면 억제되어 있던 T세포가 다시 활성화되어 암세포를 공격하기 시작합니다. 이 방식은 모든 환자에게 효과가 나타나지는 않지만, 한 번 반응이 나타나면 장기간 효과가 지속되는 '기억 반응'이라는 면역계의 특성 덕분에 완치에 가까운 결과를 얻기도 합니다. 이는 기초 과학 연구가 어떻게 인류의 생명 연장에 기여할 수 있는지를 보여주는 대표적인 사례입니다. 노벨 물리학상은 레이저 물리학 분야에서 혁신적인 도구를 발명한 과학자들에게 돌아갔습니다. 아서 애슈킨 박사는 빛의 압력을 이용해 미세한 입자를 포획하고 이동시킬 수 있는 '광학 집게'를 발명했습니다. 이 기술은 살아있는 세포나 바이러스, 박테리아를 손상시키지 않고 자유자재로 조작할 수 있게 함으로써 생물학 및 의학 연구에 획기적인 변화를 가져왔습니다. 아주 작은 세계를 다루는 정밀한 도구로서 레이저의 새로운 가능성을 열어준 것입니다. 제라르 무루와 도나 스트릭랜드 교수는 '처프 펄스 증폭(CPA)' 기술을 통해 극초단, 고출력 레이저의 시대를 열었습니다. 레이저 펄스를 시간적으로 늘려 증폭한 뒤 다시 압축하는 이 방식은 장비의 손상 없이 레이저의 세기를 비약적으로 높일 수 있게 했습니다. 펨토초라 불리는 1000조분의 1초라는 찰나의 시간 동안 태양빛보다 수백만 배 강한 에너지를 집중시킴으로써, 이전에는 관찰할 수 없었던 물질의 미세한 변화를 연구할 수 있는 토대를 마련했습니다. 이러한 고출력 레이저 기술은 우리 일상과 산업 현장에서도 널리 활용되고 있습니다. 특히 펨토초 레이저는 열에 의한 손상이 거의 없이 물질을 정밀하게 가공할 수 있어 라식 수술과 같은 의료 분야나 반도체 공정에서 필수적인 도구가 되었습니다. 아주 짧은 시간 동안 에너지를 전달하기 때문에 주변 조직에 영향을 주지 않고 목표 부위만을 정확하게 깎아낼 수 있는 것입니다. 이는 기초 물리학의 발명이 실질적인 기술 혁신으로 이어진 훌륭한 본보기입니다. 노벨 화학상은 자연의 진화 원리를 실험실로 가져온 '유도 진화' 연구에 수여되었습니다. 프랜시스 아널드 교수는 단백질의 설계도인 DNA에 무작위적인 변이를 일으키고, 그중 유용한 기능을 가진 단백질만을 선택하여 다시 변이를 반복하는 과정을 통해 최적의 효소를 만들어냈습니다. 이는 인간의 지적 설계 능력만으로는 도달하기 어려운 복잡한 단백질 구조를 자연의 선택 방식을 모방하여 효율적으로 찾아낸 성과로, 바이오 연료와 의약품 생산 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 조지 스미스와 그레고리 윈터 교수는 '파지 디스플레이' 기술을 통해 특정 항원에 결합하는 항체를 대량으로 찾아내는 방법을 개발했습니다. 바이러스의 일종인 파지를 이용해 수억 개의 단백질을 동시에 테스트함으로써, 질병 치료에 효과적인 항체를 신속하게 선별할 수 있게 된 것입니다. 이 기술은 류마티스 관절염이나 암 치료를 위한 항체 의약품 개발의 핵심이 되었습니다. 2018년 노벨상은 이처럼 기초 과학의 원리가 인류의 건강과 미래를 어떻게 풍요롭게 만드는지를 잘 보여주었습니다.

김석희, 신의철, 이상민

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학
화학
생명과학

[카오스 술술과학] 노벨상 vs 필즈상

1901년부터 시작된 노벨상은 물리, 화학, 생리의학 등 다양한 분야에서 인류에 공헌한 인물들에게 수여되어 왔습니다. 하지만 기초 과학의 근간이라 할 수 있는 수학 분야가 제외되어 있다는 점은 많은 이들의 궁금증을 자아냅니다. 수학이 노벨상 분야에서 빠진 이유에 대해서는 수학이 실용적이지 않다고 판단했다는 설부터 알프레드 노벨의 관심사 밖이었다는 의견까지 분분합니다. 비록 명확한 이유는 밝혀지지 않았지만, 이러한 공백은 수학계만의 독자적인 권위를 세우는 계기가 되었습니다. 수학계의 노벨상이라 불리는 필즈상은 캐나다의 수학자 존 찰스 필즈의 제안으로 탄생했습니다. 4년에 한 번 개최되는 세계수학자대회에서 수여되는 이 상은 노벨상보다 수상 조건이 훨씬 까다롭기로 유명합니다. 가장 큰 특징은 만 40세 이하의 젊은 수학자에게만 기회가 주어진다는 점입니다. 매년 시상하는 노벨상과 달리 4년이라는 긴 주기와 엄격한 연령 제한은 필즈상을 수학자들에게 있어 일생에 단 한 번뿐인 가장 영예롭고도 획득하기 어려운 목표로 만들었습니다. 두 상의 또 다른 차이점은 바로 상금의 규모에 있습니다. 노벨상은 약 12억 원에 달하는 거액의 상금을 수여하여 수상자의 연구를 전폭적으로 지원하는 반면, 필즈상의 상금은 약 1,250만 원 수준으로 상대적으로 소박한 편입니다. 이는 필즈상이 금전적 보상보다는 학문적 성취와 명예에 더 큰 가치를 두고 있음을 시사합니다. 상금의 액수나 대중적 인지도를 떠나, 두 상 모두 인류 지성의 정점을 상징하는 권위 있는 훈장임은 분명하며 앞으로 국내에서도 영광스러운 수상자가 탄생하기를 기대해 봅니다.

카오스재단술술과학

물리학
화학
생명과학
수학

[강연] 히치토론쇼 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 4부 | 4부

노벨상과 필즈상은 인류 지성의 정점을 상징하는 두 축입니다. 100년 넘는 역사를 지닌 노벨상이 인류 보편의 가치와 실용적 공헌을 중시한다면, 필즈상은 만 40세 이하라는 엄격한 나이 제한을 통해 수학적 잠재력과 순수한 학문적 성취를 기립니다. 두 상은 상금의 규모나 수여 주기에서 큰 차이를 보이지만, 인류가 우주의 비밀을 풀기 위해 걸어온 고귀한 여정을 증명한다는 점에서는 그 궤를 같이합니다. 학문적 권위의 우열을 가리기보다 각 상이 지닌 고유한 철학을 이해하는 것이 중요합니다. 산업혁명의 역사는 곧 기초과학 발전의 역사이기도 합니다. 증기기관이 이끈 1차 혁명은 열역학이, 전기를 활용한 2차 혁명은 전자기학이 그 토대가 되었습니다. 또한 컴퓨터와 인터넷이 주도한 3차 디지털 혁명의 이면에는 반도체 기술의 핵심인 양자역학이라는 현대 물리학의 정수가 자리 잡고 있습니다. 이처럼 새로운 과학적 발견은 단순한 기술적 진보를 넘어 사회 구조 전체를 뒤흔드는 거대한 변혁의 물결을 만들어왔으며, 우리는 그 혁명의 연쇄 속에서 살아가고 있습니다. 최근 화두가 되고 있는 4차 산업혁명에 대해서는 학계에서도 다양한 시각이 존재합니다. 인공지능과 빅데이터가 가져올 변화를 혁명으로 받아들이는 입장도 있지만, 이를 뒷받침할 새로운 기초과학적 토대가 아직 미진하다는 신중론도 만만치 않습니다. 진정한 의미의 혁명이 되기 위해서는 기술적 현상을 넘어 우주와 생명을 바라보는 근본적인 과학적 패러다임의 전환이 동반되어야 하기 때문입니다. 과학적 토대 없는 기술의 발전은 사상누각에 불과할 수 있다는 경고의 목소리에 귀를 기울여야 합니다. 자연이라는 거대한 책은 수학이라는 언어로 쓰여 있습니다. 물리학자들에게 수학은 우주와 대화하기 위한 필수적인 문법이며, 수학자들에게 과학은 그 문법을 통해 서술되는 경이로운 내용입니다. 수학이 실제 자연에 존재하지 않는 허수나 무리수를 다룸에도 불구하고 현실 세계를 이토록 완벽하게 설명해낸다는 사실은, 인간의 지성과 우주의 구조 사이에 깊은 연결고리가 있음을 암시합니다. 수학적 논리는 단순한 지적 유희를 넘어 자연의 본질을 꿰뚫는 가장 강력한 도구입니다. 수학적 구조가 우주의 본질인지, 아니면 인간의 두뇌가 우주를 이해하기 위해 만들어낸 도구인지에 대한 논쟁은 여전히 흥미롭습니다. 어떤 이들은 수학이 관찰과 실험을 넘어선 추상적 영역이라고 비판하기도 하지만, 역사적으로 수학적 아름다움을 쫓던 발견들이 훗날 물리적 실체로 증명된 사례는 수없이 많습니다. 결국 수학과 과학은 서로를 비추는 거울처럼 인류의 인식을 확장하는 상호보완적 관계에 있습니다. 이러한 융합적 사고는 우리가 직면한 복잡한 문제들을 해결하는 열쇠가 됩니다. 현대 물리학의 궁극적인 꿈은 자연계의 네 가지 힘을 하나로 통합하는 '모든 것의 이론'을 완성하는 것입니다. 전자기력과 약력, 강력은 표준모형을 통해 어느 정도 통합의 길을 찾았으나, 시공간의 휘어짐을 다루는 중력은 여전히 양자역학과의 결합을 거부하고 있습니다. 이 거대한 수수께끼를 풀기 위한 노력은 우주의 기원과 종말, 그리고 우리가 존재하는 이유에 대한 근원적인 해답을 찾는 과정입니다. 비록 완벽한 방정식이 모든 삶의 의미를 설명해주지는 못할지라도, 그 탐구 자체로 가치가 있습니다. 과학의 진정한 가치는 정해진 답을 얻는 것보다 더 나은 질문을 던지는 데 있습니다. 우주는 고정된 상태로 멈춰 있지 않고 끊임없이 요동치며 변화하는 역동적인 실체입니다. 이러한 변화의 흐름 속에서 우리가 던지는 질문들은 인류의 지평을 넓히는 등불이 됩니다. 세상이 왜 이토록 수학적인지, 그리고 우리는 왜 이 재미있는 과학을 탐구하는지 끊임없이 묻는 행위 자체가 인류 진보의 원동력입니다. 호기심을 잃지 않고 자신만의 질문을 찾아가는 과정이 곧 과학하는 마음의 본질입니다.

김민형, 박권, 송영조, 정하웅

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수학

[카오스 술술수학] 수학, 사랑을 결정하다? 두근두근 짝짓기 알고리즘

우리는 일상에서 수많은 선택과 만남을 경험합니다. 만약 인기 아이돌 그룹 멤버들이 서로 짝을 맺어야 한다면, 단순히 좋아하는 순서대로 연결하는 것이 최선일까요? 이러한 의문에 답을 제시하는 학문이 바로 매칭이론입니다. 이는 2012년 로이드 섀플리와 앨빈 로스에게 노벨 경제학상을 안겨준 분야로, 복잡한 이해관계 속에서 최적의 짝을 찾아내는 알고리즘을 연구합니다. 그 중심에는 수학자 데이비드 게일과 경제학자 로이드 섀플리가 고안한 게일-섀플리 알고리즘이 자리 잡고 있습니다. 가장 단순한 상황을 가정해 봅시다. 두 쌍의 남녀가 서로 선호하는 순위가 겹칠 때, 우리는 두 가지 매칭 방식을 생각할 수 있습니다. 하나는 인기 있는 사람끼리 맺어주는 평행 매칭이고, 다른 하나는 이를 교차하여 연결하는 교차 매칭입니다. 행복의 총량이라는 관점에서는 두 방식 모두 만족하는 사람과 그렇지 못한 사람이 생기기에 차이가 없어 보일 수 있습니다. 하지만 과학적인 관점에서 상황을 바라보면, 단순히 감정적인 선호도를 넘어 자연 현상에서 더 빈번하게 발생하는 특정 규칙이 존재함을 발견하게 됩니다. 자연에서 더 많이 관찰되는 방식은 바로 안정성을 확보한 안정 매칭입니다. 교차 매칭의 경우, 현재의 파트너보다 서로를 더 선호하는 남녀가 존재한다면 기존의 관계를 깨고 새로운 짝을 찾으려는 유인이 발생합니다. 반면 안정 매칭은 외부의 작은 교란에도 관계가 유지되는 계곡 속의 공과 같은 상태를 의미합니다. 즉, 누군가는 조금 덜 행복할지라도 전체 시스템이 붕괴되지 않고 유지될 수 있는 구조가 과학적으로는 더 중요한 가치를 지니게 되는 것입니다. 이러한 안정성은 자연 현상을 설명하는 핵심 개념입니다. 그렇다면 이러한 안정 매칭 상태에 도달하기 위한 구체적인 방법은 무엇일까요? 게일-섀플리 알고리즘은 단계별 과정을 통해 이를 해결합니다. 먼저 남성들이 자신이 가장 선호하는 여성에게 청혼하고, 여성은 제안 중 가장 마음에 드는 상대를 선택해 잠정적인 약혼 상태를 유지합니다. 이후 선택받지 못한 남성들이 다음 순위의 여성에게 다시 청혼하는 과정을 반복합니다. 이 과정에서 여성은 더 나은 상대가 나타나면 기존의 약혼을 파기할 수 있으며, 최종적으로는 모든 구성원이 더 이상 이탈할 마음이 없는 안정적인 짝을 찾게 됩니다. 이 알고리즘이 위대한 이유는 단순히 짝짓기 문제를 해결했기 때문만이 아닙니다. 관찰을 통해 현상을 파악하고, 왜 그런 일이 발생하는지 질문하며, 구체적인 해결 방안을 도출해 검증하는 과학적 사고의 정수를 보여주기 때문입니다. 수학자들은 이 알고리즘이 어떤 상황에서도 항상 안정적인 결과를 도출한다는 사실을 논리적으로 증명해 냈습니다. 결국 매칭이론은 우리 삶의 복잡한 문제들을 논리적이고 체계적인 시각으로 바라볼 때 비로소 최선의 해답을 찾을 수 있음을 시사하며, 이는 수학적 사고가 가진 진정한 힘이라 할 수 있습니다.

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수학

[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (2) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ②

우리 몸속에는 24시간 주기로 작동하는 정교한 생체 시계가 존재합니다. 이 시계의 핵심은 Period 단백질의 농도가 일정하게 오르내리는 진동 현상에 있습니다. 생물학적으로 이는 음성 피드백 루프라는 과정을 통해 조절됩니다. 특정 단백질이 유전자를 활성화해 Period 단백질을 만들면, 생성된 Period 단백질이 다시 자신의 생산을 억제하며 농도를 낮추는 방식입니다. 이러한 끊임없는 순환은 우리가 태어날 때부터 죽을 때까지 지속되며 몸 전체에 지금이 몇 시인지, 어떤 일을 해야 하는지에 대한 시간 정보를 전달하는 중요한 역할을 수행합니다. 세포 내에는 수많은 음성 피드백 루프가 존재하지만, 모든 루프가 주기적인 진동을 만들어내는 것은 아닙니다. 수학적 관점에서 이 문제를 해결하기 위해 미분방정식을 세워 분석해 보면, 진동이 발생하기 위한 특정한 조건이 필요함을 알 수 있습니다. 연구 결과, 특정 물질들 사이의 비율이 대략 1:1의 균형을 이룰 때 비로소 아름다운 리듬이 형성된다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 생체 시계가 단순히 구조적 연결만으로 작동하는 것이 아니라, 구성 요소들 사이의 정교한 양적 균형 위에서 유지되고 있음을 시사합니다. 수학적 모델로 도출한 가설을 검증하기 위해 유전자 조작 쥐를 이용한 실험이 진행되었습니다. 약물을 통해 특정 단백질의 양을 조절하며 관찰한 결과, 수학적으로 예측했던 1:1의 비율이 깨지는 순간 쥐의 행동 패턴은 급격히 무너졌습니다. 규칙적으로 자고 깨던 쥐들이 무작위로 활동하기 시작하며 생체 시계가 고장 난 모습을 보인 것입니다. 이 실험은 추상적인 수학 공식이 실제 생명체의 복잡한 행동 원리를 정확하게 설명할 수 있음을 보여주는 강력한 증거가 되었으며, 수학과 생물학의 결합이 가진 힘을 증명해 냈습니다. 생체 시계의 또 다른 신비로운 특징은 온도의 변화에도 불구하고 주기가 일정하게 유지된다는 점입니다. 일반적인 화학 반응은 온도가 10도 상승할 때 반응 속도가 두세 배 빨라지지만, 생체 시계는 이러한 물리적 법칙을 거스르는 듯한 모습을 보입니다. 만약 식물이나 곤충의 시계가 온도에 따라 변한다면 계절마다 생체 리듬이 파괴될 것입니다. 과학자들은 이를 '온도 보상'이라 부르며, 외부 환경 변화 속에서도 생명체가 일정한 리듬을 유지할 수 있게 하는 숨겨진 장치를 찾기 위해 지난 60년 동안 연구를 이어왔습니다. 최근 연구에서는 Period 단백질의 분해 과정에서 기존의 상식을 깨는 독특한 현상이 발견되었습니다. 대부분의 물질은 시간이 지남에 따라 지수함수 형태로 매끄럽게 분해되지만, 이 단백질은 마치 의자 모양처럼 급격히 떨어졌다가 평탄해지는 과정을 반복하며 분해되었습니다. 이러한 기이한 분해 곡선은 기존 생물학적 지식으로는 설명하기 어려운 블랙박스와 같았습니다. 수학자들은 수백 가지의 미분방정식을 대입하는 시행착오 끝에 이 복복잡한 현상 이면에 숨겨진 원리를 밝혀내고 온도 보상의 미스터리를 풀기 위한 새로운 실마리를 찾았습니다.

김재경

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생명과학
수학

[강연] 게임이론 - 인간의 행동을 예측하다 (5) _ by한순구 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 6강 | 6강 ⑤

게임이론은 내쉬 이후 약 60년의 역사를 가진 비교적 젊은 학문으로, 여전히 그 범위와 깊이가 확장되고 있습니다. 핵전쟁이나 국가 간 정상회담처럼 반복되지 않는 단 한 번의 사건에 적용될 때, 수치적 검증이 어렵다는 비판을 받기도 합니다. 하지만 이는 데이터의 부재 때문이지 이론의 무용함을 의미하지는 않습니다. 오히려 복잡한 이해관계 속에서 핵심 변수를 파악하고 전략적 사고의 틀을 제공한다는 점에서 게임이론은 현대 사회의 중요한 의사 결정 도구로 자리 잡고 있습니다. 추상적인 논의를 넘어 실생활에 적용되는 대표적인 사례로 게일-섀플리 알고리즘을 들 수 있습니다. 이 알고리즘은 두 집단 사이의 선호도를 바탕으로 최적의 짝을 연결해 주는 방식입니다. 단순히 무작위로 연결하는 것이 아니라, 이미 정해진 짝보다 서로를 더 선호하는 새로운 조합이 나타나지 않도록 '안정적 매칭'을 찾는 것이 핵심입니다. 이러한 논리적 구조는 복잡한 이해관계가 얽힌 사회적 자원 배분 문제에서 불필요한 갈등과 불확실성을 제거하는 데 탁월한 성능을 발휘합니다. 매칭 이론은 노벨 경제학상을 받을 만큼 그 가치를 인정받은 분야입니다. 우리가 원하는 최상의 직장이나 학교에 모두가 갈 수는 없지만, 시스템에 대한 납득을 끌어내는 것이 중요합니다. 만약 부적절한 매칭이 이루어진다면 학생이 반수를 선택하거나 신입 사원이 조기에 퇴사하는 등 막대한 사회적 비용이 발생하게 됩니다. 효율적인 매칭 시스템은 구성원들이 주어진 조건 내에서 더 이상의 나은 선택지가 없음을 인지하게 함으로써 사회 전체의 안정성과 효율성을 높이는 역할을 합니다. 게임이론의 또 다른 핵심 개념인 '커미트먼트'는 약속을 지키겠다는 의지와 보복의 실행력을 의미합니다. 이는 역사를 해석하는 새로운 시각을 제공하기도 합니다. 영국의 명예혁명 당시, 의회는 왕이 재산권을 침해할 경우 반드시 처벌한다는 강력한 커미트먼트를 보여주었습니다. 왕은 이러한 위협이 실재함을 깨닫고 의회와의 계약을 준수하게 되었으며, 이는 결과적으로 민주주의와 의회 정치의 기틀을 마련하는 계기가 되었습니다. 전략적 상호작용이 역사의 흐름을 바꾼 대표적인 사례입니다. 현대 게임이론의 기틀을 마련한 존 내쉬는 수학적으로 균형의 존재를 입증하며 경제학의 패러다임을 바꾸었습니다. 그의 '내쉬 균형'은 단편적인 사례 분석에 머물던 전략 연구를 체계적인 시스템으로 격상시켰습니다. 비록 오랜 시간 조현병으로 고통받았지만, 그의 이론은 멈추지 않고 발전하여 오늘날 거의 모든 경제 활동의 기초가 되었습니다. 내쉬의 업적은 인간의 경쟁과 협력이라는 복잡한 행동 양식을 논리적이고 과학적인 언어로 풀어냈다는 점에서 영원히 기억될 것입니다.

김두얼, 한순구

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수학
융합

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

피타고라스는 '모든 것은 수다'라는 유명한 말을 남겼습니다. 이 철학적 명제는 단순히 숫자의 나열을 넘어 세상의 모든 현상이 수학적 원리로 연결되어 있음을 시사합니다. 우리가 마주하는 복잡한 자연 현상부터 사회적 관계에 이르기까지, 수학은 보이지 않는 곳에서 질서를 부여하고 세상을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 이번 강연 시리즈는 이러한 수학의 편재성을 탐구하며, 대중이 수학을 더 가깝고 친숙하게 느낄 수 있도록 기획되었습니다. 수학 대중화의 여정은 과거 '유리알 유희'라는 주제로 시작되었습니다. 이는 고고한 학문의 상아탑에서 내려와 현실 세계의 문제를 해결하고자 하는 의지를 담고 있었습니다. 시간이 흐르며 이러한 시도는 과학 전 분야로 확장되었고, 이제는 수학이 우리 삶에 미치는 심도 깊은 영향력을 다각도에서 조명하고 있습니다. 학문적 경계를 허물고 대중과 소통하려는 노력은 수학이 단순한 계산 도구가 아니라 세상을 바라보는 하나의 거대한 관점임을 일깨워 줍니다. 현대 수학은 리만 가설과 같은 고전적인 난제부터 데이터 과학, 게임 이론, 생명 수학에 이르기까지 방대한 영역을 아우릅니다. 특히 복잡한 사회 현상을 단순한 수학적 모델로 변환하여 분석하는 과정은 수학의 진정한 가치를 보여줍니다. 아인슈타인의 상대성 이론의 토대가 된 비유클리드 기하학이나 인공지능의 핵심인 알고리즘 역시 수학적 사고의 산물입니다. 이처럼 수학은 기초 학문을 넘어 첨단 기술과 사회 과학의 근간을 이루며 인류의 지평을 넓히고 있습니다. 수학적 개념은 학술적인 영역을 넘어 대중문화 속에서도 강력한 메시지를 전달합니다. 대중가요의 가사 속에 등장하는 '무한'이나 'DNA'와 같은 용어들은 과학적 원리가 우리 정서와 얼마나 밀접하게 맞닿아 있는지를 보여주는 좋은 사례입니다. 과학적 지식을 예술적 감성과 결합할 때 그 메시지는 더욱 강력한 힘을 발휘하며 대중에게 깊은 인상을 남깁니다. 이는 수학이 딱딱한 공식의 집합이 아니라, 우리의 상상력을 자극하고 세상을 표현하는 풍부한 언어임을 증명합니다. 실생활에서 수학의 힘이 가장 극명하게 드러나는 분야 중 하나는 바로 선거와 투표 시스템입니다. 투표 방식에 따라 승자가 바뀌는 현상은 수학적 구조가 사회적 의사결정에 얼마나 결정적인 영향을 미치는지 잘 보여줍니다. 단순히 표를 합산하는 방식을 넘어, 선호 순위를 반영하거나 특정 후보의 사퇴가 결과에 미치는 영향을 분석하는 과정에는 정교한 수학적 논리가 숨어 있습니다. 따라서 수학적 마인드를 갖추는 것은 복잡한 사회 현상을 정확히 파악하고 합리적인 선택을 내리는 데 필수적입니다.

고계원

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수학

[강연] 2012 카오스 콘서트 '유리알유희' 3강 | 3강 ①

수학은 오랫동안 고립된 학문으로 여겨져 왔으나, 최근에는 상아탑을 넘어 세상과 대화하려는 시도가 늘고 있습니다. 헤르만 헤세의 소설 '유리알 유희'처럼 지적인 나눔을 통해 현실과 교류하려는 노력은 수학계에서도 중요한 흐름이 되었습니다. 혼자만의 공부에서 벗어나 다양한 분야와 소통할 때, 수학은 비로소 살아 있는 학문으로서의 가치를 증명하게 됩니다. 이러한 지적 나눔은 공부하는 이들에게 고립감을 해소해 주고 새로운 가능성을 열어 주는 소중한 기회가 됩니다. 수학의 '짝짓기 문제'는 경제학에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 실제로 이 주제는 노벨 경제학상 수상으로 이어질 만큼 그 가치를 인정받았습니다. 겉보기에는 단순한 짝짓기처럼 보이지만, 그 이면에는 자원을 효율적으로 배분하기 위한 정교한 수학적 알고리즘이 숨어 있습니다. 이는 구체적인 상황을 넘어 보편적인 구조를 탐구하는 수학의 특성을 잘 보여줍니다. 추상적인 수학적 관점이 현실의 복잡한 경제 문제를 해결하는 강력한 열쇠가 되는 셈입니다. 짝짓기 알고리즘은 실생활의 다양한 영역에 적용되고 있습니다. 뉴욕의 고등학교 배정 시스템이나 병원의 레지던트 배치, 심지어 장기 이식 대기자와 기증자를 연결하는 과정에서도 수학이 사용됩니다. 어떻게 하면 모든 참여자가 가장 만족할 수 있는 결과를 얻을 수 있을지를 수학적으로 증명하고 이를 실제 시스템에 도입하는 것입니다. 이는 수학이 단순히 숫자를 다루는 학문을 넘어, 사회 구성원들의 행복을 극대화하는 실천적인 도구로 활용될 수 있음을 시사합니다. 게임 이론은 현대 경제학의 근간을 이루는 수학적 이론 중 하나입니다. 영화 '뷰티풀 마인드'의 모델인 존 내쉬가 정립한 '내쉬 평형'은 개별 주체들이 서로의 전략을 고려할 때 도달하게 되는 안정적인 상태를 설명합니다. 노벨 경제학상 수상자 중 상당수가 게임 이론 분야에서 배출되었다는 사실은 수학과 경제학의 밀접한 관계를 잘 보여줍니다. 복잡한 사회적 상호작용을 수학적 모델로 분석함으로써, 우리는 인간의 의사결정 구조를 더욱 깊이 있게 이해할 수 있게 되었습니다. 데이터와 통계의 힘은 정치와 스포츠 분야에서도 혁신을 일으키고 있습니다. 미국의 선거 전문가 네이트 실버는 통계학적 방법론을 통해 50개 주의 선거 결과를 완벽하게 예측하며 세상을 놀라게 했습니다. 또한 야구계의 '머니볼' 사례처럼, 철저한 통계 분석을 통해 저평가된 선수를 발굴하고 팀을 승리로 이끄는 방식도 수학의 승리라고 할 수 있습니다. 과거의 방대한 데이터를 가공하고 조건부 확률을 적용하여 미래를 예측하는 일은 현대 사회에서 수학이 가진 가장 강력한 힘 중 하나입니다. 현대 마케팅 분야에서도 수학적 알고리즘의 중요성은 날로 커지고 있습니다. 특히 소셜 미디어 시대에 파워 블로거의 영향력을 분석하고, 제한된 자원으로 홍보 효과를 극대화할 수 있는 대상을 찾는 과정에 그래프 이론과 알고리즘이 활용됩니다. 단순히 친구가 많은 사람을 찾는 것이 아니라, 네트워크 구조 내에서 정보의 확산 기댓값이 가장 높은 지점을 수학적으로 찾아내는 것입니다. 이러한 연구는 기업의 마케팅 전략을 더욱 정교하게 만들며 사회적 현상을 수치화하여 분석하는 토대가 됩니다. 수학 교육의 본질은 단순한 문제 풀이의 반복이 아니라, 논리적 사고를 통해 세상을 이해하는 능력을 기르는 데 있습니다. 많은 학생이 수학을 실생활과 동떨어진 과목으로 느끼며 어려움을 겪지만, 수학은 경제, 정치, 스포츠, 마케팅 등 우리 삶의 모든 곳에 스며들어 있습니다. 수학을 하나의 놀이이자 세상을 바라보는 창으로 받아들일 때, 학생들은 비로소 수학의 진정한 가치를 발견할 수 있습니다. 융합의 시대에 수학적 사고력은 미래를 설계하는 가장 기초적이면서도 강력한 무기가 될 것입니다.

김민형, 박형주

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수학

[강연] 우미우미 : 우주의 미래, 우리의 미래 (3) _ by임명신 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 9강 | 9강 ③

우주는 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질 너머의 거대한 신비로 가득 차 있습니다. 그중에서도 암흑 물질과 암흑 에너지는 현대 천문학의 가장 큰 화두입니다. 암흑 물질은 보이지 않지만 강력한 중력을 통해 은하단의 형태를 유지하는 보이지 않는 손과 같은 역할을 합니다. 반면, 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 척력으로 작용하며 우주 전체 에너지의 상당 부분을 차지하고 있습니다. 이 두 존재는 이름은 비슷하지만, 하나는 끌어당기는 물질이고 다른 하나는 밀어내는 에너지라는 점에서 본질적으로 상반된 성질을 지니고 있습니다. 암흑 물질의 정체를 밝히기 위한 인류의 노력은 다각도로 진행되고 있습니다. 액시온이나 윔프와 같은 미지의 입자부터 블랙홀이나 콤팩트한 천체인 마초(MACHO)까지 다양한 가설이 제시되었습니다. 과학자들은 중력 렌즈 현상이나 입자 충돌 시 발생하는 감마선을 관측하며 그 실체를 추적해 왔습니다. 비록 아직 결정적인 증거를 확보하지는 못했지만, 한국의 기초과학연구원(IBS)을 비롯한 전 세계 연구진은 직접 탐색 장치를 통해 이 보이지 않는 유령 입자를 포착하기 위해 정밀한 실험을 이어가고 있습니다. 암흑 에너지는 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어 점점 더 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 통해 그 존재가 드러났습니다. 이는 아인슈타인 방정식에 도입했던 우주 상수와도 깊은 연관이 있습니다. 진공 자체가 에너지를 가지고 있다는 진공 에너지 가설은 암흑 에너지의 가장 유력한 후보로 꼽힙니다. 현대 우주론은 이제 우주가 무엇으로 구성되어 있는지를 넘어, 암흑 에너지가 우주의 거대 구조를 어떻게 변화시키고 미래를 결정짓는지 탐구하는 정밀 과학의 시대로 접어들었습니다. 우주에 대한 대중적인 오해 중 하나는 우주 팽창의 중심이 존재할 것이라는 생각입니다. 하지만 우주는 모든 방향으로 균일하게 팽창하며 특정한 중심점을 갖지 않습니다. 또한 우주가 팽창한다고 해서 태양계 내의 행성 간 거리까지 멀어지는 것은 아닙니다. 이는 국소적인 영역에서는 물질 사이의 중력이 우주 팽창의 힘보다 훨씬 강력하게 작용하기 때문입니다. 이러한 사실들은 우리가 직관적으로 이해하기 어려운 우주의 광활함과 물리 법칙의 정교함을 다시 한번 일깨워 줍니다. 중력파는 아인슈타인이 1916년 일반 상대성 이론을 통해 예견한 시공간의 물결입니다. 거대한 천체가 충돌하거나 폭발할 때 발생하는 이 파동을 실제로 검출하기까지는 무려 100년이라는 시간이 걸렸습니다. 초기에는 아인슈타인 본인조차 그 존재를 확신하지 못하거나 검출 가능성에 회의적이기도 했습니다. 하지만 수많은 과학자의 집념과 기술적 진보를 통해 레이저 간섭계라는 정밀한 장치가 탄생했고, 마침내 2015년 인류는 블랙홀 충돌에서 발생한 중력파를 포착하며 우주를 보는 새로운 눈을 갖게 되었습니다. 중력파의 발견은 단순히 이론의 증명을 넘어 천문학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이전까지는 빛으로만 우주를 관측할 수 있었기에 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀의 존재는 추측의 영역에 머물러 있었습니다. 그러나 중력파는 블랙홀의 병합 과정을 직접적으로 증명해 냈으며, 중성자별의 충돌 현상인 킬로노바를 관측하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 우주에서 금과 같은 무거운 원소들이 어떻게 생성되었는지 밝혀내는 등 연금술과도 같은 우주의 비밀을 푸는 열쇠가 되었습니다. 기초 과학의 발견이 당장 우리 삶에 경제적 이득을 가져다주는 것은 아닙니다. 하지만 과거 뉴턴의 물리 법칙이 산업 혁명의 토대가 되고 아인슈타인의 상대성 이론이 GPS 기술의 근간이 되었듯, 중력파와 암흑 우주에 대한 연구는 미래 인류에게 상상할 수 없는 혜택을 제공할 것입니다. 우주의 기원과 구조를 이해하려는 끊임없는 탐구는 인류의 지적 지평을 넓히는 동시에, 우리가 살고 있는 이 거대한 세계에 대한 경외심을 불러일으킵니다. 과학은 그렇게 보이지 않는 것을 증명하며 미래를 설계하고 있습니다.

오정근, 임명신, 황호성

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천문학

[강연] 통계적인 예측과 동역학적 예측은 다른 것인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 3부 2강 | 3부 ②

물리학에서 동역학적 예측은 고전 역학이나 양자역학의 슈뢰딩거 방정식을 통해 입자의 미래 상태를 기술하는 방식입니다. 이는 특정 입자의 현재 위치와 운동량 정보를 입력값으로 삼아, 아주 짧은 시간 뒤의 상태를 결정론적으로 추적합니다. 미시적인 정보에서 시작하여 다시 미시적인 결과를 도출하는 과정이라 할 수 있습니다. 개별 개체의 움직임에 집중하여 그 인과 관계를 명확히 규명하려는 시도가 이 예측의 핵심이며, 입자 하나하나의 미래를 정밀하게 들여다보는 것을 목표로 합니다. 반면 통계적 예측은 수많은 입자가 모인 전체 시스템의 거시적인 변화에 주목합니다. 개별 입자의 구체적인 경로를 일일이 추적하는 대신, 온도나 압력과 같이 시스템 전체를 대표하는 소수의 변수를 통해 현상을 설명합니다. 이는 미시적인 복잡함 속에서 질서 있는 패턴을 찾아내는 과정이며, 개별 요소의 세세한 정보보다는 전체가 보여주는 통계적 성질이 무엇인지를 파악하는 데 목적이 있습니다. 수많은 기체 분자가 상호작용하며 만들어내는 거시적 상태를 이해하는 것이 통계 물리학의 주요 과제입니다. 이러한 통계적 관점은 사회 현상을 분석할 때도 유용하게 활용됩니다. 특정 학교나 커피숍이 정확히 어디에 위치할지 개별적으로 예측하기는 어렵지만, 이들이 모여 형성하는 전체적인 분포 패턴은 일정한 규칙성을 띱니다. 통계 물리학자들은 구체적인 개별 사례보다는 전체적인 데이터가 그리는 기준선을 제시함으로써, 현상이 적절한 범위 내에 있는지 판단할 근거를 마련합니다. 이는 개별 예측을 넘어선 거시적 통찰을 제공하며, 복잡한 사회 시스템 속에서 우리가 무엇에 주목해야 하는지를 알려주는 이정표가 됩니다. 철학적 관점에서 보면, 전체는 단순히 부분의 합이 아니라는 '창발 현상'이 중요하게 다루어집니다. 나무 하나하나를 볼 때와 숲 전체를 볼 때 나타나는 현상이 다르듯, 통계적 서술은 개별 동역학적 서술이 주지 못하는 새로운 층위의 정보를 제공합니다. 다만 집단의 평균적 특징을 개별 구성원에게 무분별하게 적용하는 '평균화의 오류'를 경계해야 합니다. 이는 통계적 지식과 개체 단위의 지식을 혼동할 때 발생하는 인식론적 위험이며, 과학적 권위를 빌려 사회적 편견을 조장하지 않도록 주의가 필요한 지점이기도 합니다. 확률의 존재 의미에 대해서도 고전 역학과 양자역학은 서로 다른 해석을 내놓습니다. 고전 역학에서의 확률은 우리가 모든 정보를 알지 못하는 '무지'에서 비롯된 도구적 성격이 강하지만, 양자역학에서는 세계의 본질적인 속성으로 이해되기도 합니다. 이러한 존재론적 차이는 우리가 세상을 기술하는 방식에 깊은 영향을 미칩니다. 결국 통계적 서술과 동역학적 서술은 단순히 방법의 차이를 넘어, 세계를 바라보는 근본적인 시각의 차이를 반영합니다. 우리가 세상을 얼마나 정확히 알 수 있는지에 대한 겸손한 성찰이 필요한 이유입니다. 과학적 연구는 종종 허공에 화살을 쏘고 그 자리에 과녁을 그리는 과정에 비유됩니다. 복잡한 현실을 단순화된 모형으로 만들고, 그 모형이 실제 데이터와 일치하는지 확인하며 이론을 정교화해 나가는 것입니다. 자연은 불연속적인 입자들로 구성되어 있지만, 물리학자들은 이를 연속적인 미분 방정식으로 기술하며 세상을 근사적으로 이해합니다. 이러한 모델링 과정은 완벽한 진리를 찾는 것이라기보다 세상을 이해하기 위한 유용한 도구를 만드는 작업입니다. 직관적인 가설에서 시작해 경험적 자료로 검증하는 과정이 과학의 본질입니다. 결론적으로 동역학적 예측과 통계적 예측은 서로 보완적인 관계에 있습니다. 지진의 정확한 시점을 예측할 수는 없어도 통계적 패턴을 통해 재난에 대비할 수 있듯이, 통계 물리학은 사회의 거시적 흐름을 이해하는 강력한 틀을 제공합니다. 다양한 학문적 접근이 경쟁하고 협력하며 세상의 인과 구조를 밝혀내는 과정은 인류의 지평을 넓혀줍니다. 우리는 이러한 다각적인 시선을 통해 복잡한 사회 현상을 더욱 깊이 있게 통찰할 수 있으며, 단순한 수치를 넘어 그 속에 담긴 의미를 해석하는 능력을 갖추게 됩니다.

김범준, 이상욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (5) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ⑤

빛의 세계에서 레이저와 LED는 각기 다른 방식으로 그 강력함을 증명합니다. 레이저는 빛을 증폭하여 극도로 짧은 순간에 천둥 번개 이상의 에너지를 집중시킬 수 있는 물리적 강함을 지니고 있습니다. 반면 LED는 우리 일상 곳곳을 밝히며 인류가 정보를 취득하는 방식에 혁신을 가져온 사회적 영향력 측면에서 강력합니다. 레이저가 특정 목표를 정밀하게 타격하거나 분석하는 '똑똑한 빛'이라면, LED는 인류의 삶을 지탱하며 보이지 않는 곳에서 거대한 변화를 이끄는 '외유내강의 빛'이라고 할 수 있습니다. 레이저는 국방 분야에서 미사일이나 드론을 격추하는 직접적인 무기로 개발될 만큼 강력한 잠재력을 지니고 있습니다. 하지만 이러한 강력함은 동시에 위험성을 내포하고 있어 사용에 각별한 주의가 필요합니다. 특히 고출력 레이저는 망막에 영구적인 손상을 입힐 수 있으므로 등급에 따른 안전 수칙을 반드시 준수해야 합니다. 반면 자동차 헤드라이트 등에 쓰이는 LED는 상대적으로 안전하게 빛을 활용할 수 있게 해주며, 우리 실생활의 편의성을 높이고 인류가 빛을 통제하는 방식을 더욱 안전하게 만들어 주었습니다. 2014년 노벨 물리학상이 청색 LED 개발자들에게 수여된 것은 인류 복지에 기여한 공로를 인정한 결과였습니다. 빛의 삼원색 중 적색과 녹색은 비교적 쉽게 구현되었으나, 청색 LED의 부재는 백색광을 만드는 데 큰 걸림돌이었습니다. 수많은 시행착오 끝에 탄생한 청색 LED는 마침내 '인공태양'의 완성을 가능케 했으며, 전 세계 조명 시장의 판도를 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이는 단순한 과학적 발견을 넘어 공학적 혁신이 인류의 생활 패턴을 어떻게 근본적으로 변화시킬 수 있는지를 보여주는 상징적인 사례입니다. 현대 광학 기술은 이제 펨토초를 넘어 아토초 단위의 초고속 영역으로 진입하고 있습니다. 10의 18승분의 1초라는 찰나의 빛을 제어함으로써 과거에는 관찰할 수 없었던 전자의 움직임까지 포착하려는 시도가 이어지고 있습니다. 이러한 초강력 레이저는 핵융합 점화 장치로 활용되거나 극한의 물리 현상을 연구하는 데 필수적인 도구가 됩니다. 빛의 속도와 강도를 정밀하게 조절하는 기술은 인류가 자연의 근본 원리에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 해주는 열쇠가 되고 있으며, 이는 새로운 물리 법칙의 발견으로 이어질 것입니다. 미래의 빛은 단순한 조명을 넘어 인간의 감성과 소통하는 단계로 진화할 것입니다. 학습 효율을 높이는 색온도 조절이나 심리적 안정을 주는 감성 조명 기술은 '라이프 이모셔널 디자인'이라는 새로운 가치를 창출하고 있습니다. 여기에 인공지능과 센서 기술이 결합된 레이저 기술은 정밀 수술이나 첨단 제조 공정에서 상상 속의 일들을 현실로 만들어낼 것입니다. 빛은 이제 지식 기반의 도구를 넘어 인류의 미래를 이끌어갈 핵심적인 주력 산업이자, 인간의 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 감성적 매개체로 자리매김하고 있습니다.

심종인, 이상민, 이용희

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물리학

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (3) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ③

레이저는 단순한 빛의 증폭을 넘어 우리 실생활의 난제를 해결하는 혁신적인 도구로 진화하고 있습니다. 예를 들어, 말라리아 퇴치를 위해 모기만을 정밀하게 타격하여 떨어뜨리는 레이저 사격 기계가 개발되고 있으며, 이는 인류의 보건 위생에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 또한, 전선으로는 한계가 있는 고속 데이터 통신 분야에서도 광섬유를 이용한 광통신 기술은 필수적인 요소가 되었습니다. 이처럼 레이저는 보이지 않는 곳에서 우리의 삶을 더욱 안전하고 편리하게 연결해 주는 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 레이저의 진정한 위력은 극도로 짧은 시간 동안 강력한 에너지를 내뿜는 펄스 기술에서 나타납니다. 아주 짧은 순간에 빛을 비추는 스트로보 방식처럼, 레이저를 이용하면 분자나 원자의 움직임을 실시간으로 관찰하고 제어할 수 있습니다. 이러한 초고속 현상의 관측은 화학과 생의학 분야에서 수많은 노벨상 수상자를 배출할 만큼 학문적으로도 매우 중요한 가치를 지닙니다. 눈으로 볼 수 없었던 미시 세계의 역동적인 변화를 포착함으로써 인류는 물질의 근본적인 원리를 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 생물학적 연구에서 레이저는 '광학 집게'라는 독특한 도구로 활용됩니다. 레이저 빔을 특정 지점에 집속시키면 작은 입자가 그 중심으로 끌려 들어가는 성질을 이용해 DNA, RNA, 단백질과 같은 미세한 물질을 손상 없이 붙잡고 이동시킬 수 있습니다. 과거에는 불가능해 보였던 세포 단위의 정밀한 조작이 가능해지면서 뇌과학과 유전공학 분야는 비약적인 발전을 거듭하고 있습니다. 빛이라는 무형의 도구가 물리적인 힘을 발휘하여 생명의 신비를 밝히는 정교한 손가락 역할을 수행하고 있는 셈입니다. 현대 레이저 기술은 현미경의 해상력을 기존보다 10배 이상 높여 초고해상도 이미징을 가능하게 했습니다. 형광 물질과 레이저를 결합하여 세포 내부의 복잡한 구조를 선명하게 관찰함으로써 질병의 원인을 파악하고 치료법을 찾는 데 결정적인 단서를 제공합니다. 더 나아가 단일 광자를 제어하는 수준에 이르면 양자 역학적 성질을 이용한 보안 통신이 가능해집니다. 복제가 불가능한 양자의 특성을 활용한 비밀 통신은 도청이 원천적으로 차단된 완벽한 보안 체계를 구축하는 미래 정보 통신의 핵심이 될 것입니다. 레이저는 때로는 정밀한 수술을 돕는 살리는 칼이 되고, 때로는 거리를 측정하는 가장 정확한 표준 자가 되기도 합니다. 1960년 첫 레이저가 탄생한 이후 지난 50여 년간 레이저는 반도체 공정, 3D 프린팅, 자율주행차의 라이다 등 상상할 수 있는 거의 모든 분야에 스며들었습니다. 초기에는 '문제를 찾는 해결책'이라고 불릴 만큼 그 잠재력을 다 알지 못했지만, 이제 레이저는 인류의 상상력을 현실로 바꾸는 만능 도구가 되었습니다. 앞으로도 빛을 향한 탐구는 우리가 꿈꾸는 미래를 실현하는 강력한 동력이 될 것입니다.

이용희

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물리학

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (1) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ①

빛은 우리 일상과 뗄 수 없는 존재이지만, 과학적 관점에서 보면 빛은 전자기파의 일종이라고 할 수 있습니다. 19세기 맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 빛이 진공을 통과하는 전자기파임을 명확히 증명해냈습니다. 우리가 흔히 사용하는 휴대폰 전파와 눈에 보이는 가시광선은 근본적으로 같은 성질을 지니고 있으며, 단지 파장의 길이에 따라 그 용도와 이름이 달라질 뿐입니다. 이러한 전자기파의 발견은 현대 과학기술의 튼튼한 토대가 되었으며, 오늘날 우리가 누리는 수많은 광학 기술의 위대한 시작점이 되었습니다. 빛은 물질을 구성하는 원자나 분자에서 발생합니다. 단순히 물질이 존재한다고 해서 빛이 저절로 나는 것은 아니며, 외부에서 에너지를 적절히 공급받아야만 빛의 형태로 에너지를 방출하게 됩니다. 태양처럼 열에너지를 통해 빛을 내거나, 다른 빛을 흡수하여 다시 방출하는 등 자연계에는 다양한 방식이 존재합니다. 과학자들은 이러한 원리를 깊이 연구하여 인공적인 빛을 만드는 방법을 찾아냈으며, 그 과정에서 탄생한 가장 드라마틱한 결과물이 바로 레이저입니다. 에너지를 정밀하게 제어하여 빛을 만드는 기술은 현대 문명을 밝히는 핵심 동력이 되었습니다. 레이저는 우리가 흔히 보는 일반적인 빛과는 확연히 다른 물리적 특성을 지니고 있습니다. 단색성, 직진성, 간섭성이라는 세 가지 주요 특징을 통해 레이저는 매우 강력하고 똑똑한 빛으로 거듭나게 됩니다. 일반적인 전구의 빛이 사방으로 퍼지는 무질서한 군중과 같다면, 레이저는 잘 훈련된 군대처럼 일정한 방향과 파장을 유지하며 질서 있게 나아갑니다. 이러한 특성 덕분에 레이저는 아주 먼 거리까지 에너지를 집중해서 전달할 수 있으며, 오늘날 정밀한 측정이나 가공, 통신 등 수많은 첨단 분야에서 필수적인 도구로 활용되고 있습니다. 레이저의 역사는 이론적 통찰과 실험적 도전이 반복되는 치열한 경쟁 속에서 발전해 왔습니다. 1917년 아인슈타인의 유도 방출 이론을 시작으로, 1960년 마이먼이 최초의 루비 레이저를 제작하기까지 수많은 과학자의 헌신적인 노력이 있었습니다. 당시 학계의 권위자들은 고체 물질인 루비로는 레이저를 만들 수 없다고 예측하기도 했으나, 마이먼은 실험을 통해 이를 당당히 증명해내며 새로운 광학 시대를 열었습니다. 이후 가스 레이저와 반도체 레이저가 잇따라 개발되었고, 이러한 연구들은 수많은 노벨 물리학상 수상자를 배출하며 인류의 지식 지평을 넓혔습니다. 한국의 레이저 연구 역시 매우 척박한 환경 속에서 선구자들의 의지로 시작되었습니다. 1967년 헬륨-네온 레이저를 최초로 제작할 당시에는 필요한 가스나 접착제조차 구하기 힘든 상황이었지만, 과학자들의 뜨거운 열정 덕분에 독자적인 기술력을 확보할 수 있었습니다. 현재는 광통신용 광원이나 초소형 레이저 개발에 이르기까지 세계적인 수준의 연구가 활발히 이어지고 있습니다. 자연이 허용하는 가장 작은 크기의 레이저를 만들려는 연구자들의 꿈은 여전히 현재진행형이며, 이러한 똑똑한 빛들은 앞으로도 우리의 세상을 더욱 멋지게 변화시킬 것입니다.

이용희

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물리학

[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

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물리학
화학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (3) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ③

2014년 노벨 화학상은 백 년 넘게 불가능이라 여겨졌던 광학 현미경의 회절 한계를 극복한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 전통적인 광학 현미경은 빛의 회절 현상 때문에 특정 크기보다 작은 바이러스나 세포 내부 구조를 선명하게 관찰하는 데 한계가 있었습니다. 전자 현미경은 분해능이 높지만 시료를 절단하거나 손상시켜야 하는 단점이 있는 반면, 광학 현미경은 살아있는 시료 내부를 그대로 볼 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 이러한 미련을 버리지 못한 과학자들의 집념이 결국 초고분해능이라는 새로운 시대를 열었습니다. 윌리엄 모너는 세계 최초로 단일 분자를 실험적으로 관찰하는 데 성공하며 초고분해능 현미경의 개념적 토대를 마련했습니다. 그는 고체 결정 내의 아주 작은 농도로 존재하는 분자를 검출해냈을 뿐만 아니라, 특정 파장의 빛을 이용해 분자의 형광을 자유자재로 켜고 끄는 시스템을 개발했습니다. 분자가 형광을 내는 상태와 내지 않는 상태를 조절할 수 있게 된 이 기술은, 이후 등장하는 다양한 초고분해능 기술들의 핵심적인 원리가 되었습니다. 물리학적 기초를 바탕으로 화학적 한계를 극복한 그의 연구는 다학제적 연구의 중요성을 잘 보여줍니다. 에릭 베치그는 분자들이 동시에 빛을 내어 이미지가 겹치는 문제를 해결하기 위해 '시간차'라는 혁신적인 아이디어를 도입했습니다. 그는 모든 분자가 한꺼번에 형광을 내지 않도록 조절하여, 한 번에 아주 적은 수의 분자만 빛을 내게 한 뒤 그 위치를 각각 기록했습니다. 이렇게 서로 다른 시간대에 측정된 개별 분자들의 위치 정보를 하나로 중첩함으로써, 기존에는 흐릿하게 뭉쳐 보였던 이미지를 놀라울 정도로 선명하게 재구성하는 PALM 기술을 완성했습니다. 이는 관찰 대상을 개별적으로 분리하여 인식하려는 집요한 시도가 만들어낸 쾌거였습니다. 스테판 헬은 앞선 방식과는 전혀 다른 물리적 접근법인 STED 기술을 통해 분해능을 혁신했습니다. 그는 관찰하려는 면적을 연필 끝처럼 최대한 뾰족하게 줄여야 정확한 형상을 파악할 수 있다는 점에 주목했습니다. 이를 위해 유도 방출 원리를 이용해 도넛 모양의 레이저를 쏘아 주변부의 형광을 강제로 꺼 버리고, 오직 중심부의 좁은 영역에서만 빛이 나오도록 유도했습니다. 레이저의 강도를 높일수록 관찰 영역이 더욱 미세해지는 이 방식은, 기존 광학 현미경의 한계를 수십 배 이상 뛰어넘어 나노미터 수준의 정밀한 관찰을 가능하게 만들었습니다. 초고분해능 현미경 기술은 이제 치매의 원인 물질인 아밀로이드 섬유를 실시간으로 관찰하는 등 생명 과학 분야에서 혁명적인 변화를 일으키고 있습니다. 100년 넘은 난제에 도전하여 불가능을 가능으로 바꾼 과학자들의 사례는 우리에게 시사하는 바가 큽니다. 한 분야에 매몰되지 않는 다학제적 시각과 실패를 반복하면서도 굴하지 않는 끈기가 결합될 때 과학은 진보합니다. 살아있는 세포 내부의 움직임을 원자 수준에서 직접 눈으로 확인하려는 과학자들의 꿈은 이제 머지않은 미래의 현실로 다가오고 있습니다.

김성근

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물리학
화학

[강연] 분자미개학론 _ 이동환 교수 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (2) | 1강

화학이라고 하면 흔히 복잡한 반응식과 원소 기호가 가득한 교과서를 떠올리기 쉽습니다. 하지만 화학의 진정한 매력은 눈에 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 결합하여 만들어내는 정교하고 아름다운 모양에 있습니다. 단순한 식의 나열을 넘어 분자 속에 감추어진 기하학적 아름다움을 발견하는 과정은 마치 예술 작품을 감상하는 것과 같습니다. 화학자는 이 복잡한 구조 속에서 질서를 찾아내고, 그 형태가 지닌 고유한 가치를 탐구하며 보이지 않는 세계의 미학을 정립하는 사람입니다. 복잡함이란 무엇일까요? 수십 획에 달하는 한자처럼 단순히 얽혀 있는 상태를 넘어, 그 안에 숨겨진 규칙을 발견할 때 우리는 새로운 시각을 갖게 됩니다. 네덜란드의 판화가 에셔의 작품처럼 단순한 단위 구조가 반복되며 평면을 가득 채우는 테셀레이션은 복잡함 속의 질서를 잘 보여줍니다. 대칭성 또한 중요한 요소입니다. 어떤 물체를 회전시키거나 반사했을 때 변화를 느끼지 못하는 상태, 즉 완벽한 균형을 이루는 구조는 분자 세계에서도 가장 아름다운 형태로 꼽히며 과학적 탐구의 대상이 됩니다. 세상에서 가장 대칭적인 분자로 알려진 '풀러렌'은 탄소 60개가 모여 축구공 모양을 이루는 독특한 구조를 가집니다. 1985년 발견된 이 분자는 우주 공간의 성간 물질을 연구하는 과정에서 그 존재가 드러났으며, 이후 노벨 화학상의 영예를 안겨주었습니다. 자연이 설계한 이 완벽한 구형 구조는 탄소 원자들이 가장 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 형태를 보여줍니다. 이는 우리가 자연의 섭리를 이해하고 미시 세계의 질서를 파악하는 과정에서 마주하는 가장 경이로운 모델 중 하나라고 할 수 있습니다. 화학자는 자연에 존재하는 분자를 발견하는 데 그치지 않고, 새로운 구조를 설계하고 만들어내는 건축가이기도 합니다. 육각형의 벤젠 고리를 이어 붙여 왕관 모양의 코로넨을 만들거나, 평면의 그래핀을 넘어 입체적인 구조를 구상합니다. 이 과정은 마치 정교한 설계도를 따라 건물을 짓거나 레고 블록을 조립하는 것과 비슷합니다. 비록 당장의 실용적인 용도가 눈에 보이지 않더라도, 복잡한 문제를 해결하며 새로운 합성 경로를 찾아내는 과정 자체가 과학적 진보를 이끄는 핵심적인 동력이 됩니다. 평면적인 구조를 넘어 오목한 사발 모양의 '수마넨'과 같은 분자를 만드는 것은 화학자들에게 큰 도전입니다. 탄소 원자들은 본래 평평하게 배열되려는 성질이 있지만, 오각형 구조를 적절히 배치하면 전체적인 모양이 구부러지며 입체감을 갖게 됩니다. 이러한 곡률을 완벽하게 제어하여 예쁜 그릇 모양의 분자를 합성하는 것은 고도의 정밀함이 요구되는 작업입니다. 이는 단순한 발견의 영역을 넘어 인간의 지성과 기술로 새로운 형태를 창조하는 발명의 영역으로 나아가는 화학의 창의적인 면모를 보여줍니다. 분자의 아름다움은 형태를 넘어 생명 현상을 유지하는 정교한 기능으로도 이어집니다. 우리 몸의 신경 신호를 전달하는 이온 통로 단백질이 대표적인 예입니다. 이 거대한 분자는 칼륨 이온과 나트륨 이온의 미세한 크기 차이를 감지하여 특정 이온만을 선택적으로 통과시킵니다. 단백질 내부의 산소 원자들이 물 분자의 역할을 대신하며 이온을 안내하는 과정은 자연이 설계한 정교한 밸브 시스템과 같습니다. 이러한 메커니즘은 분자의 구조가 곧 생명 활동의 핵심적인 기능임을 증명하는 사례입니다. 자연은 거대한 구조를 만들 때 효율적인 모듈화 방식을 선택합니다. 이온 통로 단백질이 네 개의 동일한 조각이 모여 완성되듯, 작은 단위체의 반복과 조합을 통해 복잡한 생명 시스템을 구축하는 것입니다. 이는 대량 생산과 유지 보수가 용이한 합리적인 설계 방식이기도 합니다. 결국 분자 세계의 복잡함 속에는 언제나 명확한 규칙과 질서가 숨어 있습니다. 그 규칙을 이해하고 새로운 질서를 창조해 나가는 과정이 바로 과학자가 꿈꾸는 끊임없는 도전이자 미시 세계에서 찾아내는 진정한 아름다움입니다.

이동환

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (3) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ③

19세기 말 물리학계는 뉴턴 역학으로 모든 자연 현상을 완벽히 설명할 수 있다고 믿었습니다. 하지만 분광학의 발전과 미시 세계에 대한 관찰이 시작되면서 기존 이론으로는 설명할 수 없는 현상들이 나타나기 시작했습니다. 특히 원자 단위의 작은 세계에서는 거시 세계의 법칙이 더 이상 통하지 않았고, 이는 새로운 물리학의 탄생을 예고하는 신호탄이 되었습니다. 과학의 발전은 우리가 보지 못했던 영역을 비추며 기존의 완벽해 보이던 체계를 흔들기 시작한 것입니다. 알베르트 아인슈타인은 1905년 광전 효과를 통해 빛이 파동이 아닌 에너지 덩어리, 즉 입자라는 파격적인 주장을 내놓았습니다. 금속판에 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 현상은 빛의 세기가 아닌 진동수에 의존한다는 사실을 밝혀낸 것입니다. 당시 학계는 빛을 파동으로 확신하고 있었기에 그의 이론은 쉽게 받아들여지지 않았습니다. 그러나 이 연구는 훗날 아인슈타인에게 노벨 물리학상을 안겨주었으며, 빛에 대한 인류의 인식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 1923년 콤프턴 효과 실험은 빛의 입자성을 더욱 확고히 했습니다. X선을 금속에 쏘았을 때 산란되는 빛의 진동수가 변하는 현상은 빛과 전자가 마치 당구공처럼 충돌한다는 가정하에서만 설명이 가능했습니다. 이는 빛이 운동량을 가진 입자처럼 행동한다는 결정적인 증거가 되었습니다. 파동 이론으로는 도저히 이해할 수 없었던 이 현상을 통해 과학자들은 빛이 가진 또 다른 얼굴인 '광자'의 존재를 본격적으로 인정하고 받아들이기 시작했습니다. 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 사실은 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나인 '이중성'의 개념을 탄생시켰습니다. 드브로이는 빛뿐만 아니라 전자와 같은 입자들도 파동의 성질을 가질 수 있다는 혁신적인 아이디어를 제시했습니다. 이는 우리가 사는 거시 세계의 상식으로는 이해하기 힘든 선문답 같은 결론이었지만, 미시 세계를 설명하는 유일한 열쇠였습니다. 결국 빛의 본질은 어느 한쪽이 아니라 상황에 따라 두 가지 모습을 모두 드러내는 신비로운 존재임이 밝혀졌습니다. 이러한 양자역학적 통찰은 단순한 이론적 유희에 그치지 않고 현대 문명의 근간이 되었습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰과 반도체 기술은 미시 세계의 이중성을 이해하지 못했다면 결코 탄생할 수 없었을 결과물입니다. 또한 양자역학은 우주가 결정론적인 법칙이 아닌 확률에 의해 움직인다는 철학적 전환을 가져왔습니다. 빛의 본질을 탐구하는 과정에서 시작된 이 여정은 고전 물리학의 시대를 넘어 현대 과학의 새로운 지평을 여는 결정적인 계기가 되었습니다.

오세정

카오스재단카오스강연

물리학