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왜 초전도체는 공중에 뜰까?

1911년 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메를링 오너스는 금속 수은의 전기저항이 절대영도인 영하 273도 부근에서 완전히 사라지는 현상을 세계 최초로 관측했습니다. 이처럼 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상을 '초전도'라고 정의하며, 이러한 특성을 가진 물질을 초전도체라고 부릅니다. 초전도체는 단순히 저항이 없는 것을 넘어 자기장을 밀어내는 독특한 성질을 가지고 있어, 자석 위에 올려놓으면 중력을 거스르고 공중부양하는 신기한 모습을 연출하기도 합니다. 초전도체의 신비로운 특성은 1933년 독일의 물리학자 발터 마이스너의 실험을 통해 더욱 구체적으로 밝혀졌습니다. 그는 초전도체 주변의 자기장 세기를 정밀하게 측정하던 중, 물질이 초전도 상태로 전이되면 내부의 자기장이 완전히 배제된다는 사실을 발견했습니다. 본래 금속 내부를 자유롭게 통과하던 자기장이 초전도 현상에 의해 밖으로 밀려나게 되는 것인데, 이를 '마이스너 효과'라고 부릅니다. 이는 초전도체가 외부 자기장에 대해 완벽한 반자성체로 반응하고 있음을 증명하는 핵심적인 현상입니다. 물리학자들은 이 놀라운 현상의 근본 원인을 찾기 위해 노력했고, 1957년 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 과학자가 제안한 'BCS 이론'을 통해 그 비밀이 풀렸습니다. 이 이론의 핵심은 금속 내부의 전자들이 개별적으로 움직이지 않고 두 개씩 짝을 지어 이동하는 '쿠퍼 쌍'을 형성한다는 점에 있습니다. 보통의 금속에서는 전자들이 원자들과 충돌하며 저항을 만들어내지만, 초전도체 내부의 쿠퍼 쌍은 마치 매끄러운 얼음판 위를 미끄러지는 스케이트처럼 아무런 방해 없이 흐르게 됩니다. 이 과정에서 전기저항은 자연스럽게 0으로 떨어지게 됩니다. 초전도 현상은 미시 세계의 원리를 넘어 우주의 근본적인 질량 기원을 설명하는 힉스 메커니즘과도 맞닿아 있습니다. BCS 이론에 따르면 쿠퍼 쌍은 질량이 없는 입자인 광자를 무겁게 만들어 금속 내부로 침투하지 못하게 차단하는 역할을 합니다. 입자 물리학자 피터 힉스는 바로 이 초전도 현상에서 영감을 얻어 우주의 기본 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되는지를 설명하는 이론을 정립했습니다. 금속 내부에서 일어나는 작은 변화가 우주 전체를 관통하는 거대한 물리 법칙을 이해하는 중요한 단서가 되었다는 사실은 매우 경이롭습니다. 오늘날 초전도체는 의료용 MRI 장치부터 양자 컴퓨터의 핵심 소자인 큐비트에 이르기까지 첨단 과학 기술 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 특히 에너지 손실이 전혀 없는 송전망을 구축하거나 마찰 없이 달리는 자기부상열차를 실현하는 데 있어 초전도 기술은 필수적인 요소로 꼽힙니다. 비록 현재는 극저온 환경에서만 작동하는 한계가 있지만, 상온 초전도체 개발이 성공한다면 인류의 에너지 패러다임은 완전히 뒤바뀔 것입니다. 무궁무진한 가능성을 지닌 초전도체는 인류의 꿈을 현실로 만들어줄 진정한 미래의 물질입니다.

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물리학

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #005 | 이종호 전기정보공학부 교수

디지털 헬스케어는 의료 산업 전반에 걸친 디지털 전환을 의미하며, 인공지능과 IT 기술을 활용해 인간의 건강을 증진하는 혁신적인 분야입니다. 그중에서도 의료 영상 기술은 우리 몸의 내부를 시각화하여 질병을 진단하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히 MRI는 엑스레이나 CT와 달리 방사선을 사용하지 않고 자기장만을 이용하기 때문에 인체에 무해하며 반복적인 촬영이 가능하다는 독보적인 장점을 지니고 있습니다. 이러한 안전성을 바탕으로 뇌의 구조와 활동을 정밀하게 분석하여 기존에 알 수 없었던 새로운 정보를 찾아내는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 최근 MRI 연구는 과거에는 불가능했던 영역까지 진단 범위를 넓히며 의료 현장에 큰 변화를 일으키고 있습니다. 대표적인 사례가 파킨슨병입니다. 운동 신경과 관련된 이 질환은 불과 몇 년 전까지만 해도 MRI로 진단하기 어려웠으나, 새로운 영상 기법의 개발과 글로벌 연구진의 협력을 통해 이제는 영상만으로도 판별이 가능해졌습니다. 이처럼 혁신적인 영상 기술은 뇌의 연결성이나 미세한 구조 변화를 새롭게 파악하게 함으로써, 질병의 조기 발견은 물론 인간의 뇌가 어떻게 변화하고 활동하는지에 대한 깊은 과학적 통찰을 제공하고 있습니다. 공학 연구의 가치는 기술 그 자체에 머물지 않고 사회적 약자나 아픈 이들에게 실질적인 도움을 줄 때 더욱 빛을 발합니다. 연구자가 자신의 연구가 사회에 기여해야 한다는 확신을 가질 때, 그 기술은 비로소 생명력을 얻고 현장에 적용될 수 있습니다. 실리콘밸리의 학풍처럼 현실 세계에 즉각적으로 적용되어 임팩트를 줄 수 있는 실용적인 연구는 현대 공학이 지향해야 할 중요한 방향입니다. 단순히 이론적인 깊이를 추구하는 것을 넘어, 개발된 기술이 실제 의료 현장에서 환자의 삶을 개선하는 도구로 변모하는 과정은 공학자에게 가장 큰 보람과 동기를 선사합니다. 훌륭한 공학자가 되기 위해서는 기술적 역량 못지않게 자신의 생각을 명확하게 전달하는 글쓰기와 말하기 능력이 필수적입니다. 연구 결과가 아무리 뛰어나더라도 이를 효과적으로 공유하고 설득하지 못한다면 그 가치를 온전히 인정받기 어렵기 때문입니다. 특히 다양한 분야의 전문가들과 협업이 잦은 바이오 인공지능 분야에서는 소통의 중요성이 더욱 강조됩니다. 학부 시절부터 체계적인 발표 연습과 논리적인 글쓰기 훈련을 쌓는 것은 연구의 효율성을 높이고, 나아가 글로벌 무대에서 동료 연구자들과 교류하며 경쟁력을 확보하는 데 있어 든든한 밑거름이 됩니다. 미래의 의료는 질병이 발생한 후 치료하는 방식에서 벗어나, 정기적인 검진을 통해 예방하는 '프리벤티브 케어'로 패러다임이 변화하고 있습니다. 현재 MRI는 높은 비용과 긴 촬영 시간 때문에 접근성이 낮지만, 인공지능을 활용한 고속 영상 기술이 발전한다면 누구나 정기적으로 촬영할 수 있는 시대가 올 것입니다. 촬영 시간을 획기적으로 단축하여 검사 비용을 낮추는 노력은 의료 서비스의 문턱을 낮추는 중요한 게임 체인저가 될 것입니다. 기술 혁신을 통해 모든 인류가 질병의 위협으로부터 벗어나 건강한 삶을 유지하도록 돕는 것이 의료 인공지능 연구의 궁극적인 지향점입니다.

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[강연] 문제를 어떻게 뒤집어요? 역문제, 결과에서 원인 찾기 2_by 임미경 / 2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 시즌2 6강 두 번째 이야기 | 6강 ②

수학적 이론이 실제 기술로 구현되기까지는 종종 오랜 시간이 걸립니다. 오스트리아의 수학자 요한 라돈이 1917년에 발표한 '라돈 변환'이 대표적인 사례입니다. 그는 내부 구조를 알 수 없는 대상의 단면을 수학적으로 재구성하는 이론을 정립했지만, 당시에는 이를 실현할 기술이 없었습니다. 하지만 수십 년 뒤 이 이론은 CT 스캔의 핵심 원리가 되어 현대 의학의 혁명을 일으켰습니다. 이는 수학자의 상상력이 시대를 앞서가며 미래 기술의 토대를 마련한다는 점을 잘 보여줍니다. 라돈의 뒤를 이어 역문제 분야에 큰 족적을 남긴 인물로 아르헨티나의 수학자 알베르토 칼데론을 꼽을 수 있습니다. 엔지니어 출신이었던 그는 '칼데론 문제'를 제시하며 전기 임피던스 단층 촬영(EIT) 기술의 이론적 기초를 닦았습니다. EIT는 인체에 미세한 전류를 흘려보내 전압 변화를 측정함으로써 내부 장기의 상태를 실시간으로 파악하는 기술입니다. 방사선 노출 위험이 적고 연속적인 모니터링이 가능하다는 점에서 CT나 MRI와는 차별화된 강점을 지닙니다. 칼데론 문제는 라돈 변환보다 훨씬 복잡한 수학적 해결 과정을 요구합니다. 엑스레이는 직진성이 강해 직선상의 변화를 측정하기 용이하지만, 전류는 매질에 따라 휘어져 이동하기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 칼데론은 편미분 방정식을 활용하여 경계면의 전압과 전류 밀도 데이터를 통해 내부의 전도율을 역산하는 모델을 구축했습니다. 이러한 해석학적 접근은 이후 수많은 수학자가 역문제 연구에 뛰어드는 계기가 되었으며, 암세포 탐지 등 다양한 실생활 응용으로 이어졌습니다. 역문제를 다룰 때 가장 까다로운 지점은 문제가 '부적절하게 정립된(ill-posed)' 경우가 많다는 것입니다. 이는 해가 유일하지 않거나 존재하지 않을 수 있고, 작은 측정 오차에도 결과값이 크게 요동치는 불안정성을 의미합니다. 실제 측정 데이터에는 항상 노이즈가 포함되어 있기 때문에, 수학자들은 이를 보정하기 위해 정칙화와 같은 고도의 기법을 사용합니다. 원인으로부터 결과를 도출하는 순방향 문제와 달리, 결과에서 원인을 찾는 과정은 이처럼 수많은 변수와 불확실성을 극복해야 하는 도전적인 과제입니다. 역문제의 불가능성을 보여주는 흥미로운 사례로 '드럼의 소리를 듣고 그 모양을 알 수 있는가'라는 질문이 있습니다. 직관적으로는 모양이 다르면 소리도 다를 것 같지만, 수학적으로는 완전히 다른 모양임에도 불구하고 동일한 고유 진동수를 갖는 도형들이 존재합니다. 즉, 소리라는 결과값만으로는 원래의 드럼 모양을 유일하게 특정할 수 없는 상황이 발생하는 것입니다. 이는 역문제가 가진 본질적인 한계를 시사하며, 특정 조건이나 제약 사항을 추가하여 해의 유일성을 확보하는 연구의 중요성을 일깨워줍니다. 최근 역문제 연구는 단순히 내부를 들여다보는 것을 넘어, 외부 파동을 제어하는 디자인 문제로 확장되고 있습니다. '뉴트럴 인클루전(Neutral Inclusion)' 개념은 특정 물질을 코팅하여 외부 물리장의 변화를 상쇄함으로써 마치 아무것도 없는 것처럼 보이게 만드는 기술입니다. 이는 투명 망토나 스텔스기 설계의 핵심 원리와 맞닿아 있습니다. 파동의 반사를 최소화하거나 흡수하도록 구조를 설계함으로써 탐지를 피하는 방식은, 역문제의 원리를 역이용하여 우리가 원하는 물리적 효과를 창출하는 현대 과학의 정수를 보여줍니다. 역문제는 우리가 직접 볼 수 없는 세계를 이해하게 해주는 강력한 도구입니다. 지구 내부의 구조를 파악하는 지질 탐사부터 우주 먼 곳의 행성을 발견하는 천문학, 그리고 인체 내부를 진단하는 의료 기술에 이르기까지 그 활용 범위는 무궁무진합니다. 추상적인 수학 이론이 정교한 알고리즘과 컴퓨터의 계산 능력을 만나 실생활의 난제들을 해결해 나가는 과정은 경이롭기까지 합니다. 보이지 않는 것을 보이게 만드는 이 수학적 마술은 앞으로도 과학 기술의 한계를 넓히는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.

임미경

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수학

[강연] 문제를 어떻게 뒤집어요? 역문제, 결과에서 원인 찾기 1_by 임미경 / 2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 시즌2 6강 첫 번째 이야기 | 6강 ①

수학에서 '역문제'란 결과로부터 원인을 추론하는 과정을 의미합니다. 보통의 수학 문제가 주어진 조건에서 답을 구하는 '순문제'라면, 역문제는 측정값을 바탕으로 그 결과를 만들어낸 원래의 상태나 규칙을 찾아내는 방식입니다. 일상 속의 스도쿠나 네모로직 같은 퍼즐도 일종의 역문제로 볼 수 있습니다. 제한된 정보를 조합하여 전체의 그림을 완성해 나가는 과정이 역문제의 본질과 맞닿아 있기 때문입니다. 역문제는 현대 과학에서 '비침습 탐지'라는 중요한 역할을 수행합니다. 직접 땅을 파거나 물체를 부수지 않고도 내부 구조를 파악할 수 있게 해주는 것입니다. 예를 들어 지진이 발생했을 때 관측된 지진파를 분석하여 진앙의 위치를 역으로 추적하거나, 지표면 아래의 싱크홀 유무를 판단하는 연구가 대표적입니다. 이는 우리가 직접 눈으로 볼 수 없는 영역의 진실을 수학적 추론을 통해 밝혀내는 강력한 도구가 됩니다. 우주 탐사 분야에서도 역문제는 빛을 발합니다. 태양계의 행성인 해왕성의 발견은 관찰보다 수학적 계산이 앞선 '기획된 발견'의 사례입니다. 천왕성의 궤도가 이론적 예측과 다르게 움직이는 것을 보고, 그 바깥에 영향을 주는 또 다른 행성이 존재해야만 한다는 결론을 내린 것입니다. 수학자들은 계산을 통해 새로운 행성이 나타날 위치와 시간을 정확히 예측했고, 실제 관측을 통해 그 존재가 증명되면서 수학적 확신의 힘을 보여주었습니다. 의료 현장에서 필수적인 CT나 MRI 촬영 역시 역문제의 원리를 이용합니다. 신체 외부에서 엑스레이나 자기장을 쏘아 투과된 정보를 수집하고, 이를 바탕으로 몸속 장기의 단면 이미지를 재구성하는 것입니다. 여러 각도에서 측정값들을 모아 3차원 형상으로 만들어내는 과정에는 고도의 수학적 알고리즘이 필요합니다. 이를 통해 의사들은 환자의 몸에 칼을 대지 않고도 내부의 질병이나 이상 유무를 정밀하게 진단할 수 있게 되었습니다. 이러한 의료 영상 기술의 핵심에는 '라돈 변환'이라는 수학적 개념이 자리 잡고 있습니다. 엑스레이가 인체를 통과할 때 각 지점의 밀도에 따라 에너지가 줄어드는 정도를 적분하여 측정값으로 변환하는 과정입니다. 수학자들은 이렇게 얻은 측정값에 푸리에 변환과 같은 기법을 적용하여 원래의 밀도 분포를 역으로 계산해 냅니다. 복잡한 수식과 기호들로 이루어진 이 과정은 보이지 않는 내부의 밀도 지도를 그리는 정교한 설계도와 같습니다. 하지만 결과로부터 원인을 찾는 과정이 항상 완벽한 것은 아닙니다. 때로는 서로 다른 원인이 동일한 결과를 만들어낼 수도 있기 때문입니다. 예를 들어 특정 방향에서 본 그림자가 사람의 형상일지라도, 실제 물체는 전혀 다른 금속 조각들의 조합일 수 있습니다. 따라서 정확한 해답을 얻기 위해서는 충분한 양의 정보와 함께 현상을 정확하게 설명할 수 있는 정교한 모델링이 필수적입니다. 이론과 기술의 병행 발전이 역문제 해결의 열쇠가 되는 이유입니다. 역문제 연구는 경제적으로도 큰 가치를 지닙니다. 고가의 의료 장비를 새로 구입하는 대신, 기존 장비에 적용되는 수학적 알고리즘을 개선함으로써 영상의 선명도를 획기적으로 높일 수 있기 때문입니다. 하드웨어의 한계를 소프트웨어적인 수학적 접근으로 극복하는 방식은 가성비 높은 혁신을 가능하게 합니다. 이처럼 수학은 순수 학문을 넘어 공학, 의학 등 다양한 분야와 협업하며 실생활의 문제를 해결하는 실천적인 학문으로 진화하고 있습니다.

임미경

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수학

[강연] 초전도체가 만든 세상, 펼치는 미래_by김기훈 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 4강

2023년 여름, 대한민국은 물론 전 세계 과학계를 뜨겁게 달군 주제는 단연 상온 초전도체 'LK-99'였습니다. 비록 검증 결과 상온 초전도체로 인정받지는 못했지만, 이 사건은 초전도 현상이 우리 사회에 얼마나 큰 파급력을 미칠 수 있는지 다시금 확인시켜 주었습니다. 초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 마법 같은 물질로, 에너지 혁명을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 학계에서는 여전히 상온 초전도체를 향한 도전을 멈추지 않고 있으며, 이는 인류의 미래를 바꿀 중요한 전환점이 될 것입니다. 초전도 현상의 역사는 1911년 네덜란드의 카메를링 오네스로부터 시작되었습니다. 그는 액체 헬륨을 제조하는 데 성공한 후, 수은의 저항을 측정하던 중 영하 269도에 해당하는 4.2 켈빈에서 저항이 갑자기 0이 되는 놀라운 현상을 발견했습니다. 이 발견으로 그는 노벨 물리학상을 수상하며 초전도 연구의 문을 열었습니다. 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 수십 년간 연구를 거듭해 왔으며, 이는 저온 초전도체에서 고온 초전도체로 이어지는 거대한 학문적 흐름을 형성하게 되었습니다. 초전도 현상을 이론적으로 규명한 것은 1957년 발표된 BCS 이론입니다. 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 학자는 양자역학을 바탕으로 전자들이 격자 진동을 통해 쌍을 이루는 '쿠퍼 쌍' 현상을 설명해 냈습니다. 원래 전자들은 서로 밀어내지만, 특정 조건에서 격자와 상호작용하며 쌍을 이루면 저항 없이 이동할 수 있게 됩니다. 20세기 가장 아름다운 이론 중 하나로 꼽히는 이 이론은 초전도 현상의 근본 원리를 밝혀냈으며, 이후 조셉슨 효과나 제2종 초전도체 연구 등 수많은 노벨상 수상의 토대가 되었습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 전기 저항이 0이라는 점입니다. 우리가 흔히 사용하는 구리선은 아무리 효율이 좋아도 열 손실이 발생하지만, 초전도 선재를 이용하면 에너지 손실 없이 무한히 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 실제로 우리나라는 세계 최초로 고온 초전도 케이블을 상용화하여 송전 효율을 극대화하는 기술력을 보유하고 있습니다. 만약 모든 송전망을 초전도체로 교체한다면 원자력 발전소 수십 기가 생산하는 에너지를 절약할 수 있으며, 이는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있는 강력한 에너지 혁명이 될 것입니다. 저항 제로와 함께 초전도체의 또 다른 핵심 성질은 외부 자기장을 밀어내는 '마이스너 효과'입니다. 특히 제2종 초전도체에서는 자기력선이 물질을 관통하면서도 고정되는 '양자 잠금' 현상이 나타나는데, 이는 자석 위에 초전도체가 안정적으로 떠 있게 만듭니다. 이러한 원리는 시속 600km 이상의 속도를 내는 자기부상열차의 핵심 기술로 활용됩니다. 또한 병원에서 사용하는 MRI의 선명도를 획기적으로 높이거나, 미래의 도심 항공 모빌리티인 에어 택시를 구현하는 데에도 초전도 자석의 강력한 자기장이 필수적인 역할을 합니다. 최근 초전도 연구는 수소 화합물을 이용해 상온에 더 가까운 온도를 구현하는 방향으로 나아가고 있습니다. 엄청난 고압 환경이 필요하다는 제약이 있지만, 란타넘 수소화물 등에서 영하권의 높은 임계 온도가 관측되면서 상온 초전도체 발견에 대한 기대감이 높아지고 있습니다. 비록 일부 연구 결과가 재현성 문제로 철회되기도 했지만, 과학자들은 계산 과학과 정밀한 합성 기술을 동원해 한 걸음씩 상온을 향해 나아가고 있습니다. 이러한 도전은 단순히 물질의 발견을 넘어 인류의 기술적 한계를 극복하려는 숭고한 노력의 과정입니다. 초전도 기술은 이미 가속기, 핵융합로, 의료 기기 등 다양한 분야에서 우리 삶을 지탱하고 있습니다. 앞으로 상온 초전도체가 실제로 발견된다면 양자 컴퓨터의 대중화와 에너지 혁명을 통해 인류 문명은 새로운 차원으로 도약할 것입니다. 이를 위해서는 뛰어난 인재들의 열정과 지속적인 교육, 그리고 학문적 교류가 무엇보다 중요합니다. 100년이라는 짧은 과학사 속에서 이제 막 시작된 양자 문명의 시대에, 초전도체는 우리가 꿈꾸는 미래를 현실로 만들어 줄 가장 강력한 열쇠가 될 것이라 확신합니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[인터뷰] 김기훈_꿈의 물질, 초전도체 연구와 펼쳐질 미래｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

초전도체는 1911년 수은에서 처음 발견된 이후 지난 120년 동안 현대 물리학의 핵심 연구 분야로 자리 잡았습니다. 이는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 양자역학적 현상으로, 극저온이나 고압 등 극한의 환경에서 물질이 보여주는 신비로운 변화를 탐구하는 학문입니다. 수많은 과학자가 새로운 초전도 물질과 임계 온도를 찾아내며 노벨상을 거머쥐었을 만큼, 이 분야는 인류의 기술적 한계를 극복하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 꿈의 미래 기술로 손꼽히고 있습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 에너지 손실 없이 무한에 가까운 전류를 흘릴 수 있다는 점입니다. 이를 코일 형태로 제작하면 기존의 구리 선으로는 불가능했던 초고자기장을 형성할 수 있습니다. 이러한 특성은 이미 의료 현장에서 MRI의 선명도를 획기적으로 높이는 데 기여하고 있으며, 전력 손실 없는 송전선 개발에도 활용되고 있습니다. 부피는 작으면서도 훨씬 강력한 힘을 발휘할 수 있다는 점이 초전도체가 가진 독보적인 경쟁력이며, 이는 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 미래 사회에서 초전도 기술은 모빌리티 혁신을 이끌 핵심 동력이 될 전망입니다. 강력한 자기장을 이용한 초전도 모터는 도심 항공 모빌리티(UAM)의 실현을 앞당길 것이며, 진공 튜브 속을 초고속으로 달리는 하이퍼루프의 필수 기술로도 주목받고 있습니다. 또한 차세대 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전에서 고온의 플라스마를 가두기 위한 강력한 자기장 제어에도 초전도 선재가 결정적인 역할을 수행하게 될 것입니다. 이러한 기술들은 인류의 이동 수단과 에너지 소비 방식을 근본적으로 바꿀 것입니다. 현재 초전도 기술의 가장 큰 과제는 액체 헬륨이나 액체 질소 같은 극저온 냉매 없이도 작동하는 상온 초전도체를 발견하는 것입니다. 많은 연구자가 상온에서 초전도 현상을 구현하기 위해 신물질 합성에 매진하고 있으며, 이는 인류의 에너지 패러다임을 바꿀 거대한 도전입니다. 초전도체 외에도 투명 반도체와 같은 신소재 연구는 태양 전지나 투명 전극 등 다양한 산업 분야에 응용되며 우리 삶을 더욱 편리하게 변화시키고 있습니다. 새로운 물질의 발견은 곧 새로운 물리적 세계관의 확장으로 이어집니다. 과학자를 꿈꾸는 이들에게 가장 필요한 덕목은 단순한 지식을 넘어선 호기심과 열정, 그리고 이를 뒷받침할 체력입니다. 지식을 습득하는 '지(智)', 타인과의 소통과 토론을 통해 배우는 '덕(德)', 그리고 연구를 지속할 수 있는 에너지를 제공하는 '체(體)'가 조화를 이루어야 합니다. 끊임없는 질문을 던지고 실패를 두려워하지 않는 태도로 자신만의 연구 분야를 개척해 나간다면, 언젠가 세상을 바꾸는 위대한 발견의 주인공이 될 수 있을 것입니다. 과학은 결국 인류의 지혜를 모아 더 나은 미래를 설계하는 숭고한 여정입니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[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.

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물리학

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

뇌는 수많은 신경세포가 거대한 네트워크를 형성하고 있는 장기입니다. 단순히 세포들이 쌓여 있는 것이 아니라 서로 긴밀하게 소통하며 정보를 주고받는다는 점이 특징입니다. 이러한 신경세포 연결의 총합을 '커넥톰'이라고 부르며, 이는 유전자의 총합인 게놈처럼 뇌가 수행하는 모든 기능의 설계도와 같습니다. 이 정교한 연결망을 분석하는 것은 생명체의 마음과 행동이 어떻게 형성되는지 밝혀내는 핵심적인 과정이며, 뇌과학 연구의 궁극적인 지향점이기도 합니다. 현대 과학은 MRI 기술을 활용해 뇌의 활동을 시각화하고, 사람이 무엇을 보고 생각하는지 유추하는 단계에 이르렀습니다. 특정 사물을 볼 때 활성화되는 뇌의 영역을 기록하여 일종의 '뇌 신호 사전'을 만드는 방식입니다. 비록 아직은 재구성된 영상이 다소 흐릿하고 완벽하지 않지만, 기술의 발전 속도는 놀랍습니다. 머지않은 미래에는 뇌의 신호만으로도 타인의 마음을 읽거나 시각적 경험을 공유하는 것이 가능해질 것이라는 기대를 모으고 있습니다. 인간 뇌의 1,000억 개에 달하는 신경세포를 모두 분석하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 그래서 과학자들은 훨씬 단순한 구조를 가진 '예쁜꼬마선충'에 주목합니다. 이 생물은 몸길이가 1mm에 불과하며, 전체 세포 수가 1,000개도 되지 않습니다. 그중 신경세포는 단 302개뿐이지만, 먹이를 찾고 짝짓기를 하는 등 생존에 필요한 고도의 행동을 모두 수행합니다. 단순한 시스템을 통해 복잡한 뇌의 기본 원리를 파악하려는 전략적인 접근인 셈입니다. 1960년대부터 시작된 예쁜꼬마선충 연구는 20여 년의 노력 끝에 302개 신경세포의 연결망을 완전히 규명해냈습니다. 1mm의 선충을 아주 얇게 잘라 전자현미경으로 촬영하고, 수만 장의 사진을 이어 붙여 신경세포 하나하나의 위치와 연결 상태를 파악한 것입니다. 이를 통해 약 8,000개의 시냅스로 이루어진 세계 최초의 커넥톰 지도가 완성되었습니다. 비록 아주 작은 벌레의 뇌일지라도, 그 속에 담긴 정교한 연결 구조는 생명체의 마음이 어떻게 형성되는지 보여주는 중요한 지표가 됩니다. 하지만 현재의 커넥톰 지도는 물리적으로 연결된 '유선' 통신망에 집중되어 있다는 한계가 있습니다. 실제 뇌 안에서는 신경전달물질이 멀리 퍼져 나가며 정보를 전달하는 '무선' 통신도 활발하게 일어납니다. 보이지 않는 이 무선 연결망까지 모두 이해해야만 진정한 의미의 뇌 지도를 완성했다고 할 수 있습니다. 단순한 벌레의 마음에서 시작된 탐구는 이제 더 넓은 영역으로 확장되고 있으며, 이러한 도전은 인간 존재의 근원인 뇌의 신비를 푸는 열쇠가 될 것입니다.

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[강연] 뇌의 지도를 그리다! 머릿속 연결된 길을 찾아서 _ by김진현 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 7강 | 7강

인류의 역사에서 지도는 생존과 탐험을 위한 필수적인 도구였습니다. 성벽을 쌓을 위치를 정하거나 사냥터를 찾는 일부터, 현대의 자율주행 GPS에 이르기까지 지도는 문명의 발전을 이끌어왔습니다. 이러한 지도의 개념은 이제 우리 몸의 가장 신비로운 영역인 뇌로 확장되고 있습니다. 뇌지도는 단순히 구조를 파악하는 것을 넘어, 인간의 지성과 감성이 어디에서 비롯되는지 탐구하는 현대과학의 정점이라 할 수 있습니다. 고대 문명에서는 인간의 정신이 깃든 곳을 두고 치열한 논쟁이 있었습니다. 이집트인들은 심장을 지성의 근원으로 믿어 미라를 만들 때 뇌는 제거하고 심장은 소중히 보관했습니다. 그리스의 아리스토텔레스 역시 심장이 영혼의 중심이라 생각했지만, 히포크라테스는 뇌가 즐거움과 슬픔의 근원이라고 주장했습니다. 이러한 철학적 질문들은 현대 신경과학의 토대가 되었으며, 우리가 누구인지 정의하는 근본적인 탐구로 이어졌습니다. 르네상스 시대를 거치며 뇌에 대한 이해는 해부학적 관찰을 통해 더욱 정교해졌습니다. 레오나르도 다빈치는 인체 해부를 통해 뇌의 3차원적 구조를 스케치했고, 베살리우스는 상세한 해부학 서적을 편찬하며 신경계의 경로를 묘사했습니다. 이후 갈바니의 전기 신호 발견과 데카르트의 반사신경 이론은 뇌가 단순한 장기가 아니라 전기적 소통을 통해 신체를 조절하는 복잡한 시스템임을 깨닫게 하는 중요한 전환점이 되었습니다. 19세기 말, 신경과학의 양대 산맥인 골지와 카할은 뇌의 기본 구조를 두고 대립했습니다. 골지는 뇌가 거대한 그물망처럼 연결되어 있다고 보았으나, 카할은 뇌가 '뉴런'이라는 독립된 세포들의 집합이라고 주장했습니다. 결국 카할의 뉴런 이론이 현대과학의 정설로 받아들여졌으며, 그가 남긴 정교한 뉴런 드로잉은 오늘날까지도 뇌지도의 표준으로 평가받습니다. 이는 뇌를 개별 단위의 신경망으로 이해하는 커넥톰 연구의 시초가 되었습니다. 현대의 뇌지도는 '커넥톰'이라는 개념으로 진화했습니다. 이는 유전체인 게놈처럼 뇌 속의 모든 신경망을 총체적으로 파악하려는 시도입니다. 인간의 뇌에는 약 860억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스가 존재하며, 이들의 연결 길이를 합치면 지구를 네 바퀴 반이나 돌 수 있을 정도입니다. 이 거대한 복잡성을 해독하기 위해 과학자들은 MRI와 전자현미경을 넘어, 나노미터 수준의 시냅스를 시각화할 수 있는 최첨단 기술을 동원하고 있습니다. 시냅스 수준의 정밀한 지도를 그리기 위해 mGRASP와 같은 혁신적인 기술이 활용되고 있습니다. 이는 쪼개진 형광 단백질이 시냅스에서 만날 때만 빛을 내게 하여 뉴런 간의 연결을 가시화하는 방법입니다. 또한 '뉴튜브'와 같은 소프트웨어를 통해 복잡한 뉴런의 구조를 3차원 디지털 데이터로 재구성함으로써, 특정 영역에서 신호가 어떻게 전달되는지 상세히 분석할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 뇌의 기능적 국소화를 넘어 전체적인 소통 방식을 이해하게 합니다. 뇌과학의 미래는 데이터의 공유와 협력에 달려 있습니다. 쥐여우원숭이와 같은 새로운 동물 모델을 통해 인간 뇌 질환 연구의 가교를 마련하고, 이를 통해 얻은 방대한 뇌지도 데이터를 '이음'과 같은 오픈 사이언스 플랫폼으로 전 세계와 공유하고 있습니다. 뇌라는 미지의 세계를 탐험하는 여정은 이제 개별 연구실의 성과를 넘어 인류 공동의 지적 자산이 되고 있으며, 이러한 연결은 결국 인간 이해의 새로운 지평을 열어줄 것입니다.

김진현

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뇌인지과학

[강연] 나노의학 2.0 코로나에서 뇌과학까지 by 천진우ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노의학은 10억 분의 1 미터라는 아주 미세한 나노 세계의 원리를 의학에 접목한 최첨단 융합 과학입니다. 과거의 나노 기술이 반도체나 디스플레이 같은 전자 산업의 혁신을 이끌며 우리 삶을 바꾸어 놓았다면, 이제는 생명 현상을 분자 수준에서 관찰하고 조절하는 나노의학이 새로운 의료 혁명을 예고하고 있습니다. 바이러스보다 작은 영역에서 벌어지는 정교한 상호작용을 이해함으로써, 우리는 질병의 근본적인 원인을 파악하고 이전과는 전혀 다른 방식의 진단과 치료법을 모색할 수 있게 되었습니다. 나노의학의 핵심 목표는 더 명확하게 보고 정밀하게 조절하는 것에 있습니다. 이는 진단과 예방의 정확도를 획기적으로 높이는 'Seeing Better'와 질병의 치료 및 조직 재생을 가능케 하는 'Controlling with Precision'이라는 두 가지 가치로 요약됩니다. 약 60년 전 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인만이 예견했던 것처럼, 몸속을 자유롭게 돌아다니며 질병을 찾아내고 치료하는 작은 기계의 꿈은 이제 현실이 되어가고 있습니다. 다양한 학문이 결합한 이 융합 과학은 인류의 건강을 지키는 가장 강력한 도구가 될 것입니다. 최근 전 세계를 휩쓴 팬데믹 상황에서 나노의학은 mRNA 백신이라는 혁신적인 결과물을 내놓으며 그 가치를 증명했습니다. mRNA는 단백질 설계도와 같아서 우리 몸이 스스로 항원을 만들게 유도하지만, 매우 불안정하여 세포까지 전달하기가 매우 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 이때 지질 나노입자(LNP)라는 나노캡슐이 보호막 역할을 하여 mRNA를 안전하게 표적 세포까지 운반하는 현금 수송차와 같은 역할을 수행합니다. 이는 생물학적 발견과 나노 공학적 설계가 결합하여 수많은 생명을 구한 팀 사이언스의 대표적인 성공 사례입니다. 진단 분야에서도 나노 기술은 비약적인 발전을 가져왔습니다. 기존의 표준 검사법인 RT-PCR은 정확도는 높지만 장비가 크고 검사 시간이 오래 걸린다는 한계가 있었습니다. 하지만 금 나노입자의 플라즈몬 현상을 이용하면 빛으로 아주 빠르고 균일하게 열을 발생시켜 유전자를 증폭할 수 있습니다. 이를 통해 기존에 두 시간 가까이 걸리던 검사 시간을 15분 이내로 단축하면서도 높은 정확도를 유지하는 현장 진단(POC)이 가능해졌습니다. 이러한 신속 진단 기술은 변이 바이러스의 확산을 막고 신속하게 대응하는 데 결정적인 역할을 합니다. 인체 내부를 들여다보는 이미징 기술 역시 나노 조영제를 통해 물리적 한계를 극복하고 있습니다. 기존 MRI는 해상도가 낮아 미세한 혈관의 이상을 초기 단계에 발견하기 어려웠지만, 자성 나노입자를 활용한 새로운 조영제는 신호 증강 효과를 통해 해상도를 10배 이상 높여줍니다. 이를 통해 뇌 속의 100 마이크로미터 수준의 미세 혈관까지 선명하게 시각화할 수 있는 3차원 혈관 지도를 제작할 수 있게 되었습니다. 이러한 정밀 이미징은 뇌졸중이나 치매 같은 혈관 관련 질환을 조기에 진단하고 치료 계획을 세우는 데 획기적인 도움을 줍니다. 나노의학의 가장 도전적인 영역 중 하나는 자기장을 이용해 뇌 신경을 원격으로 제어하는 '나노 자기 유전학'입니다. 특정 이온 채널에 나노 나침반 역할을 하는 자성 나노입자를 결합하면, 외부에서 자기장을 가해 신경 세포의 활성을 자유롭게 조절할 수 있습니다. 실제로 실험을 통해 자기장만으로 동물의 운동 신경을 활성화하여 움직임을 제어하는 데 성공했으며, 이는 무선으로 뇌 기능을 조절할 수 있는 새로운 플랫폼의 탄생을 의미합니다. 이 기술은 향후 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환의 증상을 완화하고 치료하는 새로운 의료 기술로 적용될 전망입니다. 나노의학은 이제 정밀 의학, 디지털 약, 그리고 재생 의학을 아우르는 차세대 의료의 핵심 솔루션으로 자리 잡고 있습니다. 대한민국은 나노 기술 분야에서 세계적인 강국으로 인정받고 있으며, 이를 바탕으로 한 융합 연구는 인류가 직면한 난치병 문제에 새로운 과학적 해답을 제시할 것입니다. 나노 수준에서 생명 현상을 이해하고 조절하는 이 놀라운 여정은 단순히 학술적 성과를 넘어, 미래 세대에게 건강하고 풍요로운 삶을 선사하는 강력한 힘이 될 것입니다. 대한민국의 과학이 세계의 표준이 되는 미래를 기대하며 나노의학의 혁신은 계속될 것입니다.

천진우

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생명과학
뇌인지과학
융합

[명강리뷰] 뇌를 읽다, 그리고 마음을 읽다_뇌영상술과 정신질환 by 권준수ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 4강

인간의 뇌는 단단한 두개골 속에 보호받고 있어 살아있는 상태로 관찰하기가 매우 어렵습니다. 과거에는 사후 해부를 통해서만 뇌를 연구할 수 있었으나, 현대 과학은 뇌영상기술을 통해 살아있는 뇌의 구조와 기능을 실시간으로 들여다볼 수 있게 해주었습니다. 대표적으로 MRI는 뇌의 구조적 이상을 파악하는 데 쓰이며, fMRI는 혈류량 변화를 통해 특정 자극에 반응하는 뇌 부위를 찾아냅니다. 또한 PET은 포도당 대사를 측정하여 뇌가 에너지를 어떻게 사용하는지 시각적으로 보여줌으로써 뇌과학 발전에 결정적인 역할을 하고 있습니다. 우리의 뇌는 우리가 의식하지 못하는 순간에도 외부 자극을 끊임없이 처리합니다. 예를 들어, 33밀리초라는 아주 짧은 시간 동안 공포스러운 표정을 노출하면 사람은 이를 인지하지 못하지만, fMRI 촬영 결과 뇌의 편도체는 즉각적으로 활성화됩니다. 이는 인간의 감정 반응이 의식적인 판단보다 훨씬 빠르게 무의식 수준에서 일어날 수 있음을 시사합니다. 이러한 뇌영상기술은 인간의 무의식적인 심리 상태를 과학적으로 규명하는 데 큰 도움을 주며, 우리가 스스로 깨닫지 못하는 뇌의 복잡한 활동을 이해하는 열쇠가 됩니다. 뇌의 기능은 신경세포 사이의 간극인 시냅스를 통해 전달되는 신경전달물질에 의해 결정됩니다. 우리 뇌에는 200여 종의 물질이 존재하며, 각각 기억, 감정, 운동 등 다양한 역할을 수행합니다. 아세틸콜린은 인지 기능과 관련되어 치매 치료의 핵심이 되고, 도파민은 쾌락과 동기 부여를 담당하여 중독이나 파킨슨병과 밀접한 연관이 있습니다. 또한 '행복 호르몬'으로 알려진 세로토닌은 감정과 수면을 조절하며, 노르에피네프린은 응급 상황에서의 주의 집중력을 높여줍니다. 이러한 화학 물질들의 균형이 곧 우리의 정신 건강을 좌우합니다. 정신 질환은 특별한 사람만이 겪는 것이 아니라 누구나 경험할 수 있는 뇌의 생물학적 변화입니다. 역사적으로 반 고흐나 슈만 같은 위대한 예술가들도 양극성 장애나 우울증을 앓으며 창작 활동을 이어갔습니다. 특히 주요 우울 장애는 세로토닌이나 노르에피네프린 같은 신경전달물질의 양이 정상보다 감소했을 때 발생합니다. 뇌영상 촬영을 통해 우울증 환자의 뇌를 관찰하면 정상인에 비해 활성도가 현저히 낮아진 것을 확인할 수 있습니다. 다행히 약물 치료를 통해 이러한 뇌의 생물학적 환경을 개선하면 우울 증상을 효과적으로 완화할 수 있습니다. 조현병은 과거 정신분열병으로 불리던 질환으로, 환청이나 망상 같은 증상을 동반합니다. 이는 단순히 성격의 문제가 아니라 뇌 부위 간의 연결성에 문제가 생겨 발생하는 질환입니다. '조현'이라는 명칭은 현악기의 줄을 고르는 조율을 의미하는데, 이는 뇌의 신경망이 너무 느슨하거나 팽팽하지 않게 적절히 연결되어야 한다는 은유를 담고 있습니다. 뇌의 특정 부위가 과도하게 활성화되거나 해마의 구조적 변화가 생기는 등 생물학적 원인이 분명하므로, 사회적 편견을 버리고 적절한 치료와 조율을 통해 관리해 나가는 것이 무엇보다 중요합니다.

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[연구뭐하지] 원중호 교수_서울대학교 '통계계산연구실' | 이렇게나 고차원적인 대용량 자료를 다룬다고요?! 이런 연구실 흔치 않습니다

서울대학교 통계계산연구실은 고성능 컴퓨팅(HPC)을 활용하여 통계학의 복잡한 계산 문제를 해결하는 데 집중하고 있습니다. 기존의 방식으로는 예측 모델을 구동하는 데 약 1,000시간이 소요되던 작업을 알고리즘 최적화를 통해 단 30분에서 1시간 내외로 단축하는 것이 이들의 주요 목표입니다. 단순히 계산 속도를 높이는 것을 넘어, 하드웨어의 제약과 수학적 복잡성을 동시에 고려하며 실용적인 통계 문제의 해답을 찾아가는 과정을 연구의 핵심으로 삼고 있습니다. 이곳은 스스로를 '문제를 만드는 곳'이라 정의할 만큼 도전적인 연구를 수행합니다. 일반적인 통계 분석으로는 다루기 힘든 MRI 데이터와 같은 고차원 대용량 자료를 직접 처리하는 것이 특징입니다. 일반 컴퓨터의 메모리에 담기조차 어려운 방대한 데이터를 다루기 위해 빠른 알고리즘을 개발하고, 이를 뒷받침할 수 있는 강력한 컴퓨팅 자원과 기술을 활용합니다. 수학적 기반 위에서 데이터의 한계를 극복해 나가는 과정은 연구실만의 독보적인 경쟁력이 됩니다. 연구실의 분위기는 매우 자유롭고 수평적입니다. 정해진 출퇴근 시간 없이 구성원들이 각자의 리듬에 맞춰 연구에 몰입하며, 교수와 학생 사이에도 존댓말을 사용하며 서로를 존중하는 문화를 유지하고 있습니다. 다만, 일주일씩 걸리는 긴 계산 결과를 확인하기 위해 새벽까지 모니터를 지켜보는 열정 때문에 밤낮이 바뀌는 경우도 종종 발생합니다. 언제 어디서든 결과를 확인할 수 있는 시스템 덕분에 연구에 대한 몰입도가 자연스럽게 높아지는 환경이 조성되어 있습니다. 소수 정예로 운영되는 연구실 공간은 학생들의 창의적인 아이디어와 개성으로 채워져 있습니다. 코딩 중 쌓이는 스트레스를 해소하기 위해 아두이노를 활용한 '빅 엔터키' 쿠션을 직접 제작해 사용하는 등 유쾌한 실험 정신이 돋보입니다. 첨단 기술에 관심이 많은 학생들이 모여 있기에 연구실 곳곳에는 새로운 기술적 시도들이 스며들어 있습니다. 이러한 유연한 사고방식은 복잡한 이론적 문제를 해결해 나가는 과정에서 중요한 원동력이 되어 줍니다. 통계계산연구실은 수리적 이론에 대한 깊은 관심과 함께 뛰어난 코딩 능력을 갖춘 인재를 기다리고 있습니다. 특히 일반적인 노트북으로는 해결하기 어려운 대규모 데이터를 통계적으로 다뤄보고 싶어 하는 도전 정신이 필수적입니다. 데이터의 크기가 기하급수적으로 커지는 현대 사회에서, 계산 과정의 중복성을 줄이고 효율적인 알고리즘을 설계하는 능력은 매우 중요합니다. 방대한 자료 속에서 빠르게 통찰을 얻어내는 과정은 연구자에게 큰 희열을 선사할 것입니다.

원중호

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수학

[강연] 문명과 수학의 기원(3)_박형주 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 6강 | 6강 ③

수학의 역사는 추상과 실용이라는 두 축이 서로 대립하고 극복하며 발전해 온 과정입니다. 21세기에 들어서며 실용은 수학의 영역을 확장하는 모습으로, 추상은 난제 해결의 형태로 진화하고 있습니다. 특히 그리스적 전통을 잇는 추상 수학은 수학적 우주 그 자체의 깊이를 탐구하며, 기존 체계로는 해결할 수 없는 난관을 돌파하는 과정에서 비약적인 발전을 이룹니다. 이는 단순히 지식의 양이 늘어나는 점진적 과정이 아니라, 새로운 패러다임이 출현하는 불연속적인 혁명의 역사라고 할 수 있습니다. 수학적 난제는 기존 체계의 불완전성을 드러내는 동시에 새로운 사고의 틀을 구축하는 강력한 동기가 됩니다. 대표적인 예로 5차 방정식의 근의 공식을 찾는 과정에서 탄생한 '군론'을 들 수 있습니다. 10대의 천재 수학자 갈루아는 이 난제를 해결하기 위해 완전히 새로운 수학적 구조를 설계했으며, 이는 훗날 화학의 결정 구조나 물리학의 대칭성을 설명하는 핵심 도구가 되었습니다. 하나의 난제를 해결함으로써 수학의 내적 틀이 바뀌고, 그것이 다시 자연과학의 지평을 넓히는 기폭제가 된 것입니다. 현대 수학은 힐베르트의 문제들이나 밀레니엄 난제들을 통해 여전히 미지의 영역에 도전하고 있습니다. 소수들로 이루어진 등차수열의 존재를 증명한 테렌스 타오의 사례처럼, 난제 해결은 우리가 소수의 성질을 얼마나 모르고 있었는지를 깨닫게 하며 수학적 우주의 조밀함을 이해하게 합니다. 이러한 도전은 단순히 상금을 목적으로 하는 것이 아니라, 우리가 왜 이 문제를 풀지 못하는지 그 근본적인 이유를 들여다봄으로써 수학이라는 학문의 한계를 시험하고 새로운 지적 영토를 개척하는 숭고한 과정입니다. 반면 바빌로니아적 전통을 계승한 실용 수학은 물리적 우주의 복잡한 문제들을 해결하며 그 가치를 증명합니다. 픽사의 애니메이션 제작부터 베를린의 교통 체증 해결, 심지어 선거 결과 예측과 의료용 MRI의 역문제 해결에 이르기까지 수학은 현대 사회의 보이지 않는 엔진 역할을 합니다. 때로는 버스 대수를 줄여야 교통이 원활해진다는 결과처럼 우리의 상식을 뒤엎는 해답을 제시하기도 합니다. 이는 수학적 논리가 현실의 복잡성을 관통하여 가장 효율적인 최적의 경로를 찾아낼 수 있음을 보여줍니다. 수학과 기술은 서로 영향을 주고받으며 변증법적으로 발전합니다. 무선 통신의 발달이 암호학이라는 새로운 수학 분야를 촉발했듯이, 물리적 우주의 성취가 수학적 우주에 새로운 영감을 불어넣기도 합니다. 한국의 수학은 그동안 서구의 이론을 이식하고 학습하는 단계에 집중해 왔으나, 이제는 추상적인 수학적 우주와 구체적인 물리적 우주 사이의 상호작용에 더 큰 관심을 기울여야 합니다. 두 세계가 긴밀하게 소통할 때 비로소 수학은 박제된 이론을 넘어 시대를 이끄는 진정한 생명력을 얻게 될 것입니다.

박형주

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수학

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

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

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 김갑진 ─ 스핀에 대해서 쉽게 설명해줄게요~ | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

경상북도 의성은 마늘과 컬링으로 유명하지만, 최근에는 인구 소멸이라는 안타까운 소식으로도 자주 언급되는 지역입니다. 이곳에서 농사짓는 부모님을 도우며 자란 한 소년은 고된 노동을 덜어드리기 위해 마늘 심는 기계를 만드는 공학자를 꿈꿨습니다. 그러나 고등학교 시절 만난 선생님은 그에게 물리학자가 될 것을 권유했습니다. 물리학을 공부하면 가족을 돕는 차원을 넘어 인류 전체에 공헌할 수 있다는 원대한 제안은 소년의 인생 경로를 완전히 바꾸어 놓는 계기가 되었습니다. 이는 단순히 개인의 성공을 넘어 더 큰 가치를 지향하게 된 소중한 전환점이었습니다. 대학원에 진학한 후 연구 주제를 정하는 과정은 의외로 단순한 시각적 호기심에서 시작되었습니다. 여러 연구실의 소개 중 유독 역동적인 실험 영상을 보여준 곳에 마음이 끌렸고, 그것이 계기가 되어 새로운 물리 현상의 세계에 발을 들였습니다. 복잡한 수식보다는 눈앞에서 무언가 움직이는 현상 자체가 흥미로웠고, 그 움직임의 실체를 파헤치고자 하는 열망이 연구의 원동력이 되었습니다. 이는 연구자가 평생을 바쳐 탐구할 학문적 여정의 소중한 출발점이었습니다. 보이지 않는 미시 세계의 역동성을 탐구하는 즐거움은 그를 진정한 과학자의 길로 인도했습니다. 자석은 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 엔진과 같습니다. 전기를 생산하는 발전기부터 도로를 달리는 자동차의 모터, 방대한 데이터를 기록하는 하드디스크에 이르기까지 자석의 원리가 쓰이지 않는 곳은 거의 없습니다. 심지어 병원에서 질병을 정밀하게 진단하는 MRI 장비조차 자석의 강력한 힘을 이용합니다. 물리학자들은 이러한 자석의 특성을 더 깊이 이해하고 제어함으로써, 인류가 기술적 한계를 극복하고 더 편리하고 안전한 삶을 누릴 수 있도록 끊임없이 연구를 지속하고 있습니다. 자석이 없는 현대 사회는 상상할 수 없을 정도로 그 영향력은 우리 삶의 모든 구석에 깊숙이 스며들어 있습니다. 전자기학의 기초는 패러데이와 맥스웰이라는 두 위대한 과학자에 의해 확립되었습니다. 패러데이는 자석과 구리선을 이용해 전자기 유도 법칙을 발견하여 현대 전력 시스템의 토대를 마련했습니다. 이후 맥스웰은 흩어져 있던 전기와 자기의 원리들을 단 네 개의 맥스웰 방정식으로 통합하며 완벽한 이론적 체계를 완성했습니다. 이 방정식들은 우주의 모든 전자기적 현상을 명쾌하게 설명해내며, 현대 물리학이 나아갈 방향을 제시하는 가장 견고한 이정표가 되어 지금까지도 수많은 과학자에게 영감을 줍니다. 맥스웰의 통합은 인류가 자연의 근본적인 힘 중 하나를 온전히 이해하게 된 역사적인 사건이었습니다. 맥스웰이 이론을 완성한 지 150년이 흐른 지금도 물리학의 탐구는 멈추지 않고 계속되고 있습니다. 이미 정립된 이론을 바탕으로 현대 과학자들은 나노 세계의 새로운 현상들을 발견하고 이를 첨단 기술에 접목하기 위해 노력하고 있습니다. 과학의 대중화 또한 중요한 과제인데, 최무영 교수나 이강영 교수의 저서들은 난해한 물리 법칙을 일반인도 이해하기 쉽게 전달하는 훌륭한 가교 역할을 합니다. 과거의 위대한 발견을 넘어 미래의 가능성을 열어가는 것이 오늘날 물리학이 수행하는 핵심적인 역할입니다. 끊임없는 질문과 탐구를 통해 우리는 어제보다 더 나은 미래를 설계하고, 과학이 주는 혜택을 온 인류와 나눌 수 있을 것입니다.

김갑진

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물리학

[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (1) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ①

뇌는 수많은 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 거대한 네트워크입니다. 이를 '커넥톰'이라 부르는데, 이는 유전체의 총합인 게놈처럼 신경세포 연결의 총합을 의미합니다. 뇌의 모든 기능은 이 정교한 연결망에서 비롯되며, 그 구조는 마치 하나의 예술 작품처럼 아름답고도 심오합니다. 인간의 뇌에는 약 1,000억 개의 신경세포(뉴런)가 존재하며, 이들이 만들어내는 무한한 연결은 우리의 사고와 감정을 결정짓는 핵심적인 토대가 됩니다. 과학자들은 이 복잡한 연결망을 해독함으로써 인간의 마음이 어떻게 작동하는지 밝혀내고자 노력하고 있습니다. 뇌과학 연구에서 '예쁜꼬마선충'은 매우 특별한 위치를 차지합니다. 이 생물은 뇌라고 부르기엔 너무나 단순한 신경계를 가지고 있지만, 지구상에서 신경세포의 연결망인 커넥톰이 완벽하게 밝혀진 유일한 동물이기 때문입니다. 비록 인간의 뇌처럼 복잡한 마음을 가지지는 않았을지라도, 단순함 속에서 생명의 근본적인 원리를 찾으려는 과학자들에게는 가장 완벽한 실험 모델이 되어줍니다. 20년 넘게 이 작은 생명체를 연구해온 과학자들은 이를 통해 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가서고 있으며, 이는 더 복잡한 고등 생물의 뇌를 이해하는 초석이 됩니다. 노벨 생리의학상 수상자인 프랜시스 크릭은 인간의 의식이라는 미지의 영역에 평생을 바쳤습니다. 그는 '놀라운 가설'이라는 저서를 통해 우리의 즐거움, 슬픔, 기억, 그리고 자유의지조차도 결국 수많은 신경세포와 그 속에 들어 있는 분자들의 복잡한 연합의 결과라고 주장했습니다. 이는 마음이라는 추상적인 개념을 물리적인 뇌의 활동으로 치환하여 이해하려는 시도였습니다. 비록 당시에는 증명되지 않은 가설에 불과했지만, 현대 뇌과학은 정교한 기술을 통해 이 가설을 입증하기 위해 끊임없이 도전하며 의식의 실체를 추적하고 있습니다. 현대 기술은 우리가 무엇을 보고 생각하는지를 뇌 영상을 통해 읽어내는 수준에 도달했습니다. 기능적 자기공명영상법(fMRI)은 뇌의 혈류 변화를 측정하여 특정 부위의 활성도를 파악합니다. 이를 통해 사람이 보고 있는 사물이나 풍경을 뇌 신호만으로 재구성하는 것이 가능해졌습니다. 심지어 잠자는 동안의 뇌 활동을 분석하여 꿈의 내용을 영상화하려는 시도까지 이어지고 있으며, 이는 마음을 읽는 시대가 머지않았음을 시사합니다. 이러한 기술적 진보는 인간의 내면세계를 시각적으로 확인하는 놀라운 경험을 선사합니다. 하지만 현재의 MRI 기술에는 명확한 한계가 존재합니다. 약 1mm 정도의 해상도로는 수만 개의 신경세포가 뭉쳐 있는 덩어리만을 볼 수 있을 뿐, 개별 신경세포(뉴런)가 어떤 역할을 수행하는지 정밀하게 파악하기 어렵기 때문입니다. 뇌의 진정한 비밀을 풀기 위해서는 더 높은 해상도의 기술이 필요하며, 이는 현대 과학이 당면한 가장 큰 과제 중 하나입니다. 기술의 진보가 뒷받침될 때 비로소 우리는 뇌의 가장 깊숙한 곳까지 들여다볼 수 있는 열쇠를 얻게 될 것이며, 이는 뇌의 기능을 세포 단위에서 이해하는 출발점이 될 것입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 혁신적인 기술 중 하나가 바로 '광유전학'입니다. 이는 신경세포에 빛에 반응하는 단백질을 도입하여, 특정 파장의 빛을 쬐어줌으로써 신경세포(뉴런)의 활성을 자유자재로 조절하는 방법입니다. 전기나 화학적 신호 대신 빛을 이용하기 때문에 원하는 시간에 원하는 세포만을 정밀하게 자극할 수 있습니다. 이 기술을 통해 과학자들은 단일 신경세포 수준에서 뇌의 기능을 분석하고, 특정 행동이나 감정이 유발되는 메커니즘을 규명해 나가고 있습니다. 이는 뇌 질환 치료와 인간 행동 이해에 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 뇌의 복잡한 구조를 입체적으로 파악하기 위한 또 다른 돌파구는 뇌를 투명하게 만드는 기술입니다. 불투명한 세포막 성분을 특수한 화학 물질로 치환하면, 뇌를 얇게 자르지 않고도 내부의 신경망 연결 상태를 고해상도로 관찰할 수 있습니다. 이처럼 투명해진 뇌는 마치 지도를 보듯 신경세포 하나하나의 경로를 추적할 수 있게 해줍니다. 이러한 첨단 기술들의 융합은 인간의 마음과 뇌의 관계를 이해하려는 인류의 오랜 꿈을 현실로 바꾸어 놓을 것입니다. 우리는 이제 뇌라는 소우주를 탐험하며 마음의 실체에 그 어느 때보다 가까이 다가가고 있습니다.

이준호

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생명과학
뇌인지과학

[강연] 경이로운 진화의 산물, 공룡! (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 3강 | 3강 ④

공룡에 대한 우리의 지식은 과거의 고정관념에서 벗어나 새로운 패러다임으로 이동하고 있습니다. 과거에는 거대하고 파충류형 생명체로만 인식되었으나, 현대 고생물학은 '공룡은 곧 조류'라는 일관된 결론을 향해 나아가고 있습니다. 이러한 변화는 단순히 학술적인 발견을 넘어 우리가 자연을 바라보는 시각 자체를 바꾸어 놓았습니다. 이제 공룡 연구는 과거의 유물을 찾는 단계를 지나, 생명 진화의 거대한 흐름 속에서 현재의 생태계와 어떻게 연결되는지를 탐구하는 여정이 되었습니다. 공룡 탐사 현장은 영화 속 화려한 모험과는 달리 흙먼지와 사투를 벌이는 치열한 연구의 장입니다. 고비 사막과 같은 오지에서 이루어지는 발굴 작업은 전문가뿐만 아니라 열정을 가진 아마추어들에게도 열려 있는 분야입니다. 광활한 대지 앞에서는 오랜 경력의 학자나 처음 참여한 학생이나 모두 평등한 탐험가가 됩니다. 누가 언제 중요한 화석을 발견할지 모르는 불확실성 속에서, 부지런함과 예리한 관찰력은 때로 전문 지식보다 더 큰 발견을 이끌어내는 열쇠가 되기도 합니다. 탐사 과정에서 겪는 고난은 단순한 고생이 아니라 자연과 깊이 교감하는 특별한 경험으로 승화됩니다. 사막의 뜨거운 열기 속에서 화석 보존을 위해 물을 구하고, 그 물을 야생동물들과 나누는 행위는 생명에 대한 경외심을 일깨워줍니다. 오지에서의 위험한 순간들은 공룡 연구가 단순히 뼈를 찾는 일이 아니라, 지구의 역사를 온몸으로 느끼는 과정임을 보여줍니다. 이러한 경험은 과학적 탐구가 자연의 질서와 인간의 공존을 배우는 숭고한 과정임을 깨닫게 합니다. 우리나라는 국토의 상당 부분이 중생대 지층으로 이루어져 있어 공룡 화석 발견의 잠재력이 매우 큽니다. 하지만 울창한 산림과 도시 개발로 인해 지층이 겉으로 드러난 곳이 적어 화석을 찾기가 쉽지 않은 환경입니다. 주로 해안가나 대규모 공사현장에서 우연히 발견되는 경우가 많은데, 이는 우리가 발을 딛고 있는 땅 아래 여전히 수많은 비밀이 숨겨져 있음을 시사합니다. 지층을 읽어내는 안목만 있다면 우리 주변에서도 얼마든지 위대한 발견의 주인공이 될 수 있는 가능성이 열려 있습니다. 영화 '쥬라기 공원'에서 묘사된 호박 속 DNA 추출은 과학적으로는 실현 불가능한 상상에 가깝습니다. DNA는 수천만 년이라는 긴 시간을 견디기 어렵고, 공룡과 모기가 공존했던 시기 또한 생각보다 짧기 때문입니다. 하지만 과학자들은 화석 대신 현재 살아있는 공룡인 '조류'의 유전자에서 해답을 찾고 있습니다. 진화의 과정에서 잠들었던 고대 유전자의 스위치를 다시 켜는 연구는, 과거의 생명체를 복제하는 것보다 훨씬 더 정교하고 논리적인 방식으로 공룡의 실체에 다가가게 해줍니다. ‘역진화(리버스 에볼루션)’ 연구는 닭과 같은 조류의 발생과정에서 공룡의 특징을 재현해내고 있습니다. 부리 대신 이빨이 있는 주둥이를 만들거나, 짧아진 꼬리와 다리뼈를 조상의 모습으로 되돌리는 실험은 조류와 공룡의 밀접한 관계를 입증합니다. 이는 단순히 기이한 생명체를 만드는 것이 목적이 아니라, 생명이 어떻게 변형되고 적응하며 진화해 왔는지를 이해하려는 시도입니다. 우리가 매일 접하는 조류가 사실은 진화의 풍파를 견뎌낸 공룡이라는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 만약 공룡이 멸종하지 않았다면 그들은 어떤 모습으로 진화했을까요? 학자들은 일부 공룡이 높은 지능을 가진 존재로 진화했을 가능성을 조심스럽게 점치기도 합니다. 현재의 까마귀나 까치가 보여주는 놀라운 인지 능력은 이러한 가설에 힘을 실어줍니다. 공룡은 과거에 박제된 존재가 아니라, 끊임없이 환경에 적응하며 지능과 형태를 변화시켜 온 역동적인 생명체입니다. 이러한 상상력은 고생물학이 과거를 복원하는 학문을 넘어 미래의 생명 다양성을 고민하게 만드는 원동력이 됩니다.

윤신영, 이융남, 이정모

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지구환경과학

[강연] 영화로 만나는 뇌과학 (1) _ 김종성 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 6강 | 6강 ①

인류 문명의 초기인 고대 이집트 시대부터 인간은 사후세계와 환생을 믿으며 미라를 제작했습니다. 흥미로운 점은 당시 사람들이 장기를 보관하면서도 뇌는 가차 없이 버렸다는 사실입니다. 그들은 심장을 감정과 지성의 중심지로 여겨 소중히 보관했지만, 뇌는 그저 머릿속을 채우고 있는 불필요한 조직으로 치부했습니다. 코를 통해 뇌를 끄집어내 버리는 고도의 기술을 가졌음에도 정작 우리 존재의 핵심인 뇌의 가치를 알아보지 못한 것입니다. 이러한 오해는 수천 년간 지속되어 현대인들조차 여전히 심장을 마음의 상징으로 사용하곤 합니다. 우리가 누군가를 사랑할 때 가슴이 두근거리는 것은 심장이 감정을 느껴서가 아니라, 뇌가 내린 명령에 반응한 결과입니다. 심장은 단순히 온몸에 피를 공급하는 펌프 역할을 할 뿐, 실제로 미워하고 슬퍼하며 생각하는 모든 고등 정신 활동은 뇌에서 이루어집니다. 현대 과학의 발전으로 우리는 MRI와 같은 장비를 통해 뇌가 어떻게 마음을 만드는지 실시간으로 관찰할 수 있게 되었습니다. 이제는 국기에 대한 경례를 하거나 사랑을 고백할 때 손을 가슴이 아닌 머리로 가져가야 할지도 모릅니다. 뇌야말로 진정한 우리 자신을 정의하는 기관이기 때문입니다. 영화 '밀리언 달러 베이비'는 뇌와 신체의 연결이 얼마나 중요한지 극적으로 보여줍니다. 주인공이 경기 중 사고로 사지마비가 되는 과정은 뇌의 운동중추와 팔다리를 잇는 전기회로가 끊어지는 것과 같습니다. 우리의 움직임은 뇌의 특정 부위에서 시작된 전기신호가 척수를 타고 전달되는 정교한 과정입니다. 만약 뇌졸중으로 인해 뇌세포가 손상되거나 사고로 신경통로가 차단되면, 아무리 튼튼한 근육을 가졌더라도 몸을 움직일 수 없게 됩니다. 뇌는 우리 몸의 모든 관절과 근육을 조절하는 보이지 않는 지휘자와도 같은 존재입니다. 뇌 질환 중에서도 특히 무서운 것은 퇴행성 질환입니다. 알츠하이머병이 대뇌의 손상으로 기억을 앗아간다면, 루게릭병은 정신은 멀쩡한데 몸의 근육만 서서히 마비되는 고통을 안겨줍니다. 야구선수 루게릭의 이름을 딴 이 병은 뇌에서 근육으로 신호를 전달하는 말초신경세포가 파괴되면서 발생합니다. 영화 '유아 낫 유'에서 묘사되듯 환자는 점차 스스로 숨을 쉬거나 말을 하는 기능조차 잃게 됩니다. 신체는 쇠약해지지만 의식은 또렷하게 남아 있다는 점이 이 병의 가장 잔인한 특징이자, 우리가 뇌과학 연구에 더욱 매진해야 하는 이유이기도 합니다. 대뇌가 우리의 의지를 담당한다면, 뇌간은 생명유지의 핵심인 무의식의 영역을 관장합니다. 단 2~3cm에 불과한 이 작은 부위는 우리가 의식하지 않아도 숨을 쉬게 하고 심장을 뛰게 만들며 온몸의 기능을 조절합니다. 최근 인공지능 기술이 비약적으로 발전하며 인간을 위협한다는 우려도 있지만, 생명의 신비를 간직한 뇌간의 정교한 메커니즘을 완벽히 구현하기란 불가능에 가깝습니다. 뇌는 단순히 지능의 집합체가 아니라, 수억 년의 진화 과정이 응축된 생존의 결정체입니다. 뇌를 이해하는 것은 결국 인간 생명의 근원을 탐구하는 여정과 같습니다.

김종성

카오스재단카오스강연

뇌인지과학
융합

[강연] 뇌를 읽다, 그리고 마음을 읽다 (1) _권준수 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 4강 | 4강 ①

정신의학 분야에서 과거 '정신분열병'이라 불리던 질환은 현재 '조현병'이라는 명칭으로 새롭게 정의되었습니다. 이는 현악기의 줄을 고른다는 의미의 '조현'에서 따온 것으로, 뇌의 신경망 연결에 문제가 생긴 상태를 은유적으로 표현한 것입니다. 부정적인 인식을 개선하고 질환의 본질을 더 정확히 전달하려는 이러한 노력은 뇌과학이 단순한 학문을 넘어 사회적 편견을 해소하는 데 기여하고 있음을 보여줍니다. 뇌를 하나의 정교한 악기로 바라보는 시각은 환자들이 겪는 어려움을 조절과 조화의 관점에서 이해하게 합니다. 인간의 뇌는 단단한 두개골에 둘러싸여 있어 살아 있는 상태에서 그 내부를 관찰하기가 매우 어렵습니다. 일반적인 X-선 촬영으로는 뼈에 가려진 뇌의 실체를 파악할 수 없기에, 이를 극복하기 위해 컴퓨터 단층 촬영(CT)이 개발되었습니다. 컴퓨터 단층 촬영(CT)은 뇌를 단면으로 잘라 촬영한 뒤 이를 3차원 영상으로 재조합하여 내부 구조를 시각화합니다. 이러한 기술적 진보는 죽은 이의 뇌가 아닌, 살아 움직이는 인간의 뇌가 사고하고 느끼는 과정을 실시간으로 연구할 수 있는 토대를 마련해 주었습니다. 뇌 영상 기술은 크게 구조를 보는 방법과 기능을 보는 방법으로 나뉩니다. 낮에 찍은 인공위성 사진이 지형을 보여준다면, 밤에 찍은 사진은 불빛을 통해 활동량을 보여주는 것과 같습니다. 자기공명영상(MRI)은 뇌의 정밀한 구조를 파악하는 데 탁월하며, 기능적 자기공명영상(fMRI)은 특정 자극에 반응하여 혈류량이 증가하는 부위를 찾아내 뇌의 활동 상태를 측정합니다. 이를 통해 우리는 시각 자극이나 감정 변화가 뇌의 어느 부위를 활성화하는지 구체적으로 알 수 있게 되었으며, 이는 인간의 인지 과정을 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 최근에는 뇌의 대사 상태나 신경망의 연결성을 확인하는 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 확산 텐서 영상(DTI) 기술이 뇌과학 연구의 지평을 넓히고 있습니다. 양전자 방출 단층 촬영(PET)은 포도당 대사나 특정 신경전달물질의 분포를 시각화하여 치매나 우울증, 조현병 환자의 뇌 기능 저하를 정밀하게 진단합니다. 또한 확산 텐서 영상(DTI)은 신경세포 사이의 정보 전달 경로인 신경 다발의 연결 상태를 보여주어 뇌 수술 시 위험 부위를 피하거나 질환의 원인을 파악하는 데 활용됩니다. 이러한 다각적인 영상 기법은 뇌의 복잡한 메커니즘을 입체적으로 분석하여 질병의 조기 발견과 치료에 결정적인 역할을 합니다. 뇌과학은 우리가 의식하지 못하는 무의식의 영역까지도 탐구의 대상으로 삼습니다. 아주 짧은 시간 동안 노출된 공포스러운 이미지를 인간의 의식은 인지하지 못하더라도, 뇌의 편도체(Amygdala)는 즉각적으로 반응하며 활성화되는 현상이 관찰됩니다. 이는 우리가 보고 느끼는 주관적인 경험과 실제 뇌가 처리하는 정보 사이에 차이가 존재함을 시사합니다. 뇌 영상 기술을 통해 밝혀지는 이러한 무의식적 반응들은 인간의 행동과 감정 이면에 숨겨진 복잡한 원리를 이해하게 하며, 마음의 지도를 그리는 여정에 중요한 단서를 제공합니다.

권준수

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뇌인지과학

[강연] 인간의 뇌는 과연 특별한가? (2) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ②

생명체의 발생 과정은 경이로운 신비로 가득 차 있습니다. 초기 배아 시기의 물고기, 닭, 사람을 비교해 보면 전문가조차 구별하기 어려울 정도로 흡사한데, 이는 모든 생명체가 공통 조상에서 기원했음을 시사하는 강력한 형태학적 증거입니다. 특히 영장류의 진화 과정을 살펴보면 침팬지와 인간은 약 600만 년 전 공통 조상을 공유하며 갈라져 나왔습니다. 이러한 생물학적 역사는 인간이 만물의 영장으로 거듭나기까지 거쳐온 일련의 진화적 고리들을 보여주며, 뇌의 구조적 발달 또한 이러한 진화의 흐름 속에서 기존의 구조 위에 새로운 층이 덧씌워지는 방식으로 정교해졌음을 알 수 있습니다. 인간의 발생은 수정란에서 시작하여 정교하게 계획된 세포 분열 과정을 거칩니다. 난할을 통해 세포 수가 늘어나고 낭배 시기에 접어들면 외배엽, 중배엽, 내배엽이라는 세 개의 층이 형성됩니다. 이 중 가장 바깥쪽의 외배엽은 장차 표피와 신경계로 분화하며, 신경판이 말려 들어가 신경관을 형성함으로써 뇌와 척수의 기틀을 마련합니다. 임신 기간 동안 뇌는 크기가 커질 뿐만 아니라 전후 관계가 분명해지며 복잡한 모양을 갖추어 갑니다. 이러한 발생 과정은 유전적 프로그램에 의해 통제되지만, 여전히 현대 과학이 풀어야 할 수많은 수수께끼를 간직하고 있습니다. 인간의 뇌는 태어난 이후에도 멈추지 않고 끊임없이 변화하고 성장합니다. 출생 시 머리 크기가 제한적인 것은 산도를 통과하기 위한 진화적 타협의 결과이며, 본격적인 발달은 영유아기와 청소년기에 걸쳐 일어납니다. 특히 신경 세포의 신호 전달 속도를 높여주는 수초화 작업은 청소년기까지 지속되며, 시냅스의 형성과 불필요한 회로를 정리하는 가지치기 과정이 활발하게 진행됩니다. 이러한 뇌의 재축조 과정은 추론이나 이성적 판단과 같은 고차원적인 기능을 완성하는 데 필수적입니다. 따라서 성인이 되기까지의 뇌는 환경과 상호작용하며 역동적으로 변모하는 가소성의 결정체라 할 수 있습니다. 모든 신체 세포는 동일한 유전 정보를 가지고 있다는 유전체 등가성 원리를 따릅니다. 하지만 특정 부위에서 어떤 유전자가 발현되느냐에 따라 신경세포나 근육세포로 분화하는 운명이 결정됩니다. 언어 능력 또한 유전적 기초 위에 세워지는데, FOXP2와 같은 전사 조절 인자가 인간 특유의 언어 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 현대 과학은 MRI나 PET와 같은 첨단 영상 장비를 통해 살아있는 뇌의 활동을 실시간으로 관찰하며 언어, 감정, 사고가 뇌의 어느 부위에서 일어나는지 정밀하게 추적하고 있습니다. 이는 유전자와 뇌 기능 사이의 간극을 메우는 결정적인 열쇠가 됩니다. 뇌과학의 궁극적인 목표는 뇌를 통해 인간의 마음을 이해하는 것입니다. 최근에는 뇌의 신경망 지도를 그리는 커넥토믹스 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이는 나노 스케일의 해상도로 신경 회로를 재구성하는 도전적인 과제입니다. '나는 누구인가'라는 존재론적 질문에 대해 뇌과학은 '나는 나의 커넥톰이다'라는 답변을 제시합니다. 즉, 우리의 기억, 성격, 마음은 뇌 속에 얽혀 있는 복잡한 신경 연결망에 저장되어 있다는 것입니다. 뇌 지도를 완성해 나가는 과정은 인간에 대한 이해를 넓히는 동시에, 미래 사회의 새로운 가치를 창출하는 고부가가치 기술 집약적 연구로서 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

김경진

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[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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