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[인터뷰] 황호성_AI로 풀어가는 우주의 비밀: AI는 42보다 더 나은 답을 줄 수 있을까?｜제33회 서울대 자연과학 공개강연_"과학 그리고 인공지능"

천문학은 광활한 우주를 탐구하는 학문으로, 그 본질은 매우 복잡하고 비선형적인 체계입니다. 우주가 우리가 예상하는 방식대로만 움직이지 않기에, 이를 물리 법칙만으로 설명하고 예측하는 일은 천문학자들에게 매우 고된 과제였습니다. 이러한 복잡계의 난제를 해결하기 위해 현대 천문학은 인공지능이라는 강력한 도구를 도입하기 시작했습니다. 인공지능은 복잡하게 얽힌 우주의 행동 방식을 파악하는 데 탁월한 능력을 발휘하며, 기존의 수식만으로는 풀기 어려웠던 비선형적 문제들을 해결할 수 있는 새로운 길을 열어주고 있습니다. 천문학 연구 현장에서 인공지능은 크게 두 가지 형태로 기여하고 있습니다. 먼저 언어 모델은 방대한 양의 논문을 분석하고 학습하는 시간을 획기적으로 단축해 주어 연구의 효율성을 높여줍니다. 반면 기계 학습은 과학적 난제를 해결하는 직접적인 수단이 됩니다. 물리적 지식만으로는 답을 도출하기 힘든 지점에서 기계 학습은 데이터 속에 숨겨진 패턴을 통해 답을 먼저 제시하며, 연구자들은 그 결과가 도출된 과정을 역으로 추적함으로써 우주의 작동 원리를 깊이 있게 이해하게 됩니다. 이는 인공지능이 단순한 도구를 넘어 연구 파트너로 진화했음을 보여줍니다. 인공지능의 진가는 우리 눈에 보이지 않는 암흑물질 연구에서 명확히 드러납니다. 암흑물질은 빛을 내지 않아 직접 관측이 불가능하지만, 우주 전체의 구조를 형성하는 핵심 요소입니다. 연구팀은 인공지능이 보이지 않는 존재를 예측할 수 있을 것이라는 가설 아래 연구를 진행했고, 그 결과 우주 전체에 걸친 암흑물질의 분포를 파악하는 성과를 거두었습니다. 인공지능이 미세한 규모부터 거시적인 규모까지 암흑물질의 배치를 유용하게 찾아내는 것을 보며, 천문학자들은 데이터 기반의 새로운 탐사 방식이 가진 놀라운 잠재력을 다시금 확인하게 되었습니다. 첨단 기술의 발달에도 불구하고 인공지능은 여전히 인간의 질문에 의존하는 특성을 가집니다. 인공지능은 '우주가 어떻게 진화하는가'와 같은 기술적인 질문에는 명쾌한 답을 내놓지만, '우주가 왜 시작되었는가'와 같은 근원적인 질문에 대한 답은 여전히 인간의 영역에 남아 있습니다. 질문이 올바르지 않으면 인공지능 역시 엉뚱한 답을 내놓기 때문에, 연구의 올바른 방향을 제시하는 것은 과학자의 몫입니다. 결국 인공지능은 인간이 던지는 질문의 깊이에 따라 그 활용 가치가 결정되며, 인간의 철학적 사고와 사유의 힘은 기술이 대체할 수 없는 핵심 역량으로 남을 것입니다. 미래의 천문학은 인공지능과 인간이 협력하여 우주의 정답에 더 가까이 다가가는 과정이 될 것입니다. 방대한 빅데이터를 다루는 천문학 분야에서 인공지능은 데이터를 가공하고 힌트를 제공하는 훌륭한 조력자가 될 것이며, 과학자들은 이를 토대로 우주의 과거와 현재, 그리고 미래를 그려나갈 것입니다. 기술이 아무리 변하더라도 책을 읽고, 깊이 생각하며, 질문을 던지는 과학자의 기본 철학은 변하지 않습니다. 이러한 기본기를 갖춘다면 인공지능 시대에도 우주의 궁극적인 비밀을 밝혀내는 주체로서 그 역할을 다할 수 있을 것입니다.

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천문학
융합

[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

[연구뭐하지?] 하늘을 나는 철새 무리에서 보이는 비평형계 속 특이한 질서_백용주 교수 | 서울대학교 “비평형 통계물리학 연구실”

통계물리학은 우주를 구성하는 수많은 입자가 집단으로서 보이는 물리적 성질을 탐구하는 학문입니다. 단순히 몇 개의 입자가 아닌, 10의 23승 개가 넘는 방대한 입자 시스템을 다루며 이들이 나타내는 규칙성을 기술합니다. 그중에서도 온도나 압력이 균일한 평형 상태를 벗어난 시스템을 '비평형계'라고 부르며, 이러한 비평형계의 복잡한 물성을 연구하는 것이 비평형 통계물리학입니다. 이는 현대 물리학에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 최근 통계물리학은 인공 신경망과 같은 복잡계 연구에서 큰 성과를 거두고 있습니다. 딥러닝의 학습 원리는 여전히 많은 부분이 베일에 싸여 있지만, 물리학자들은 이를 '스핀 유리'와 같은 복잡계 모형과 유사하다고 판단합니다. 기존의 통계물리학적 지식을 인공 신경망에 확장 적용함으로써, 어떤 조건에서 학습이 가장 효율적으로 이루어지는지 이론적으로 규명하려는 시도가 이어지고 있습니다. 이는 인공지능의 근본적인 작동 원리를 이해하는 열쇠가 됩니다. 능동 물질은 스스로 추진력을 가지고 움직이는 입자들의 집단을 의미합니다. 박테리아나 철새 무리, 심지어 놀이공원의 범퍼카처럼 외부의 힘에만 의존하지 않고 개별적으로 에너지를 소모하며 움직이는 시스템이 이에 해당합니다. 이러한 능동 물질들은 평형계에서는 볼 수 없는 독특하고 질서 정연한 집단 현상을 만들어냅니다. 비평형 통계물리학은 이러한 시스템의 운동 성질과 구조적 원리를 설명하기 위해 새로운 이론적 도구와 계산법을 개발하고 있습니다. 통계물리학의 독특한 점은 탐구 대상이 고정되어 있지 않다는 것입니다. 원자나 분자 같은 전통적인 물리적 대상뿐만 아니라 사회 현상, 경제 지표, 생명 현상까지도 연구의 범위에 포함됩니다. 이는 통계물리학이 특정 대상에 국한된 학문이 아니라, 다양한 구성원이 모인 시스템을 기술하는 '방법론'에 가깝기 때문입니다. 따라서 연구자는 다양한 분야에 대한 호기심을 유지하며, 여러 시스템을 관통하는 공통적인 대칭성이나 보존 법칙을 찾아내려는 자세가 필요합니다. 훌륭한 연구자가 되기 위해서는 스스로 질문을 던지고 탐구하는 역량이 무엇보다 중요합니다. 실험이나 계산 결과가 나왔을 때 이를 당연하게 받아들이지 않고, 자신의 직관과 비교하며 끊임없이 의심하는 태도가 필요합니다. 또한, 물리학은 혼자 하는 공부에 그치지 않고 타인과 적극적으로 소통하며 지식을 공유하는 과정이 필수적입니다. 자신이 이해한 내용을 남들이 알기 쉽게 설명하려는 노력은 연구의 깊이를 더하고 새로운 통찰을 얻는 밑거름이 됩니다.

백용주

카오스재단연구뭐하지

물리학
수학

[질문과 토론의 과학 #7] 👨‍👩‍👧‍👧군집현상 : 드론부터 폴리매쓰까지

복잡계는 수많은 구성 요소들이 상호작용하며 개별 요소의 특성만으로는 설명할 수 없는 새로운 성질을 만들어내는 시스템을 의미합니다. 이 이론의 역사적 뿌리는 태양, 지구, 달과 같은 세 천체의 궤도를 예측하는 '삼체문제'에 닿아 있습니다. 19세기 수학자 앙리 푸앵카레는 이 문제의 일반 해를 구하는 것이 불가능함을 증명하며 카오스 이론의 기틀을 마련했습니다. 이는 현대 과학에서 단순한 인과관계를 넘어 예측 불가능성과 복잡성을 이해하는 중요한 학문적 전환점이 되었습니다. 복잡계에서 나타나는 대표적인 현상으로는 군집 현상이 있습니다. 먼저 '플로킹'은 새나 물고기 떼가 무리 지어 이동하며 특정한 패턴을 형성하는 속도 집중 현상을 말합니다. 두 번째인 '동조 현상'은 심장 세포가 일정한 주기로 뛰는 것처럼 집단의 요소들이 동일하게 움직이려는 경향입니다. 마지막으로 '카오스'는 초기 조건의 미세한 차이가 결과에 엄청난 영향을 미치는 나비효과를 통해 설명됩니다. 이러한 현상들은 자연계 곳곳에서 질서와 무질서가 공존하는 방식을 보여주는 핵심적인 개념들입니다. 군집 현상은 자연을 넘어 사회와 경제 분야에서도 뚜렷하게 관찰됩니다. 사회 계층의 형성은 상류층을 닮으려는 욕구와 차별화하려는 반발력이 상호작용하며 나타나는 수학적 모델로 설명될 수 있습니다. 경제 분야에서는 금융 위기 시 주식 변동성이 급격히 일치하는 동조 현상이나, 비트코인 열풍처럼 사람들이 한꺼번에 몰리는 '허딩' 현상이 대표적입니다. 유행에 민감하게 반응하면서도 타인과 똑같은 옷을 피하려는 패션 심리 또한 복잡계의 원리로 분석 가능한 흥미로운 연구 대상 중 하나입니다. 공학 분야에서는 군집 현상을 활용한 분산 제어 기술이 주목받고 있습니다. 평창 올림픽의 드론 쇼처럼 중앙에서 통제하는 방식과 달리, 우주 탐사선들이 스스로 판단하며 항해하는 기술은 새들의 비행 메커니즘에서 영감을 얻었습니다. 의학 분야에서도 이러한 원리를 적용하려는 시도가 이어지고 있습니다. 특정 화학 물질이 암세포를 찾아가 군집을 이루게 함으로써 질병을 조기에 발견하는 정밀 진단 모델이 그 예입니다. 이는 수학적 모델링이 생명 연장과 기술 혁신에 기여할 수 있는 무한한 가능성을 시사합니다. 수학 연구의 방식 또한 군집 현상의 원리를 닮아가고 있습니다. '폴리매쓰' 프로젝트는 인터넷을 통해 수많은 수학자가 실시간으로 의견을 교환하며 난제를 해결하는 대규모 협업 시스템입니다. 2013년 무명의 수학자 이탕 장이 발표한 소수 간극에 관한 연구는 전 세계 수학자들이 집단지성을 발휘해 그 결과를 비약적으로 발전시킨 대표적 사례입니다. 고독한 천재의 영역으로 여겨졌던 수학이 이제는 질문과 토론을 통해 함께 문제를 해결해 나가는 역동적인 군집의 과학으로 진화하고 있는 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

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

수학은 단순히 숫자를 다루는 학문을 넘어 자연과 사회의 복잡한 현상을 기술하는 강력한 언어입니다. 태양계의 행성 운동부터 도로 위의 교통 흐름, 우리 뇌 속 뉴런의 활동에 이르기까지 수많은 개체가 상호작용하며 만들어내는 시스템을 '복잡계'라고 부릅니다. 이러한 시스템에서는 개별 입자의 움직임보다 그들 사이의 관계와 상호작용이 더 중요한 역할을 하며, 이는 단순한 산술적 합 이상의 결과를 만들어냅니다. 복잡계 연구는 우리가 무심코 지나치는 일상 속의 질서를 수학적 모델로 정립하여 그 이면에 숨겨진 원리를 파악하는 과정이라 할 수 있습니다. 복잡계가 보여주는 가장 흥미로운 특징 중 하나는 '집단 현상'입니다. 수많은 새가 무리를 지어 일사불란하게 날아가는 '플로킹'이나, 제각각 움직이던 메트로놈들이 시간이 흐름에 따라 하나의 박자로 맞춰지는 '동기화' 현상이 대표적입니다. 이는 우리 몸속에서도 일어납니다. 심장의 페이스메이커 세포들이 동기화를 통해 일정한 주파수로 박동함으로써 우리는 생명을 유지할 수 있습니다. 수학자들은 이러한 생명 현상을 미분방정식으로 모델링하여 자연의 협력적 질서를 증명하고자 노력하며, 이는 공학적 설계나 의학적 분석의 기초가 됩니다. 하지만 자연은 늘 규칙적이고 예측 가능한 모습만을 보여주지는 않습니다. 19세기 말 앙리 푸앵카레는 태양계의 안정성을 연구하던 중, 단 세 개의 천체만 있어도 그 궤적이 매우 복잡해질 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이것이 바로 '카오스' 현상의 시초입니다. 카오스는 초기 조건의 아주 미세한 차이가 시간이 흐름에 따라 증폭되어 결과적으로 예측 불가능한 상태에 이르는 비선형 시스템의 특징을 가집니다. 이는 기상 변화나 심장 부정맥처럼 불규칙해 보이는 현상들 속에도 정교한 수학적 역학이 존재함을 시사하며 장기적인 예측의 한계를 설명해 줍니다. 수학적 모델이 현실을 완벽하게 예측할 수 없다는 한계는 '불확실성 정량화(UQ)'라는 새로운 학문 분야를 탄생시켰습니다. 아인슈타인이 언급했듯, 수학적 법칙이 확실할 때는 현실을 반영하지 못하고 현실을 반영할 때는 확실하지 않은 측면이 있습니다. UQ는 이러한 불확실성의 효과를 수치화하여 단순히 하나의 정답을 제시하는 대신 신뢰 구간을 제공합니다. 이는 기상학이나 기계공학 등 다양한 응용 분야에서 모델의 한계를 극복하고 예측의 신뢰도를 높이는 핵심적인 도구로 활용되고 있으며, 복잡한 현실 세계를 더 정밀하게 이해하려는 시도입니다. 미래 산업의 핵심은 우리 몸의 세포나 생체 시스템을 깊이 있게 이해하는 데 있습니다. 4차 산업혁명을 넘어 5차 산업은 신경, 6차 산업은 분자 수준의 기술이 주도할 것으로 전망됩니다. 최근에는 양자 역학을 세포 수준에 적용하는 '양자 생물학'이 중요한 화두로 떠오르고 있습니다. 거시 세계의 집단 현상을 넘어 양자 수준에서의 동기화나 플로킹을 연구하는 시도는 자연의 근원적인 작동 원리를 파악하려는 수학의 끊임없는 도전입니다. 이러한 융합적 연구는 인류가 미래를 준비하는 새로운 이정표가 될 것이며, 수학은 그 중심에서 길을 제시할 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[인터뷰] 여준현_복잡계 분야가 처음으로 노벨상을 받은 이유

통계물리학은 수많은 구성원이 모여 있는 다체계의 물리적 현상을 연구하는 학문으로, 거대한 집단이 보여주는 복합적인 성질을 이해하려는 독특한 방법론을 제시합니다. 이는 단순히 개별 입자의 움직임을 관찰하는 것을 넘어, 물질의 근본적인 성질을 탐구하며 자연계가 작동하는 원리를 가장 합리적이고 체계적인 법칙으로 기술하는 것을 목표로 합니다. 전통적인 물리학의 틀 안에서 물질의 특성을 연구하며, 우리 주변의 다양한 현상을 논리적으로 설명해 내는 과정은 이 학문의 핵심적인 가치라고 할 수 있습니다. 물리학이라는 학문은 자연 현상을 최대한 정확하게 기술하려는 시도이며, 그 과정에서 확률적인 방법론을 적극적으로 활용하기도 합니다. 자연계가 어떻게 돌아가는지를 명확하게 설명하려는 노력은 정답이 존재하는 세계를 탐구하는 것과 같습니다. 복잡해 보이는 현상 이면에 숨겨진 단순한 법칙을 찾아내고, 이를 체계적인 방법으로 정립하는 과정은 결코 답답한 일이 아닙니다. 오히려 가장 합리적인 방식으로 세상의 이치를 깨달아가는 과정이며, 과학자들은 이를 통해 자연의 질서를 명확하게 규명하고자 노력합니다. 최근 통계물리학 분야에서는 과거 거시적인 열기관을 다루던 열역학의 원리를 양자역학이 지배하는 미시 세계로 확장하려는 시도가 활발히 이루어지고 있습니다. 이른바 양자 열역학이라 불리는 이 연구 분야는 아주 작은 미시적 수준에서 열과 일의 개념을 새롭게 정의하고 정립하는 것을 목표로 합니다. 에너지의 흐름과 변환이 양자역학적 효과와 결합했을 때 어떤 양상을 보이는지 탐구하는 것은 현대 물리학의 중요한 과제입니다. 이러한 연구는 미시 세계의 물리적 법칙을 이해하는 데 있어 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대됩니다. 우리가 일상에서 흔히 목격하는 얼음이 녹아 물이 되는 현상은 통계물리학에서 '상전이'라고 부르는 대표적인 거시적 변화입니다. 수많은 분자가 모여 상호작용하다가 특정 조건에서 물질의 상태가 급격히 변하는 이 현상을 설명하는 것은 통계물리학의 가장 큰 업적 중 하나입니다. 최근 복잡계 연구가 노벨 물리학상을 통해 그 가치를 인정받은 것 역시, 다체계가 보여주는 복잡한 현상을 단순하고 명쾌한 원리로 설명하려는 과학적 노력을 높게 평가한 결과입니다. 이는 복잡함 속에서 질서를 찾아내는 물리학의 힘을 잘 보여주는 사례입니다. 과학을 진지하게 탐구하고자 하는 미래의 과학도들에게 가장 강조하고 싶은 조언은 수학에 대한 깊은 관심을 가지라는 것입니다. 현대 사회에서는 수학과 과학을 서로 다른 영역처럼 분리하여 생각하는 경향이 있으나, 수학은 자연의 법칙을 기술하는 가장 정교한 언어입니다. 물리학을 비롯한 모든 과학적 사고의 기초는 수학적 논리 위에 세워져 있습니다. 따라서 과학을 깊이 있게 공부하고 싶다면 수학을 멀리하기보다, 수학적 사고력을 기르는 것부터 시작해야 합니다. 이것이 자연의 신비를 풀어나가는 가장 확실하고 진지한 출발점이기 때문입니다.

여준현

카오스재단석학인터뷰

물리학

[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] 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

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물리학
화학
생명과학
지구환경과학

[2021 저자강연] 김범준 교수의 관계의 과학

통계물리학은 대상의 크기가 아니라 '많음'을 연구하는 학문입니다. 고전역학이나 양자역학이 대상의 크기에 따라 구분된다면, 통계물리학은 입자가 얼마나 많이 모여 있는지를 기준으로 삼습니다. '티끌 모아 태산을 이해한다'는 말처럼, 통계물리학자는 미시적인 개별 정보에서 출발하여 거시적인 통계적 성상을 파악하고자 합니다. 이는 단순히 수치를 계산하는 통계학과는 다르며, 수많은 입자가 모였을 때 전체가 보여주는 거시적이고 통계적인 특성인 상호작용을 연구하는 물리학의 전통적인 분야입니다. 복잡계는 수많은 구성 요소가 서로 강하게 상호작용하며, 부분이 갖지 못한 새로운 특성을 전체가 보여주는 시스템을 의미합니다. 이를 '창발 현상'이라고 부릅니다. 물 분자 하나에서는 얼음의 딱딱함을 느낄 수 없고, 원자 하나를 현미경으로 본다고 해서 생명력을 발견할 수 없는 것과 같습니다. 결국 복잡계 연구의 핵심은 '함께하면 달라진다'는 원리에 있습니다. 구성 요소들이 모여 관계를 맺을 때 비로소 나타나는 새로운 성질을 탐구하는 것이 복잡계 과학의 묘미입니다. '1 더하기 1은 2'라는 문장에서 '1'이라는 구성 요소만큼 중요한 것이 바로 '더하기'라는 관계입니다. 구성 요소에 대한 정보만으로는 전체의 모습을 온전히 이해할 수 없으며, 요소들이 서로 어떻게 연결되고 소통하는지 알아야 합니다. 물리학에서는 이를 상호작용이라 부르며, 통계물리학은 결국 이러한 '관계의 과학'이라 할 수 있습니다. 도시의 인구가 늘어날 때 부유함이나 창의성이 단순 비례보다 더 빠르게 증가하는 이유도 바로 구성원들 사이의 촘촘한 관계와 소통의 힘에 있습니다. 도시는 인구가 두 배로 늘어날 때 재산이나 특허의 양이 2.2배로 증가하는 놀라운 효율성을 보여줍니다. 반면 하수도나 주차장 같은 도시 기반 시설은 1.8배만 늘어나도 충분합니다. 이는 사람들이 서로 만나 소통하며 새로운 아이디어를 만들어내기 때문입니다. 혼자서 연구하는 '면벽 수도'의 세상보다, 사람들이 연결되어 상호작용하는 도시가 훨씬 더 창의적이고 경제적인 성과를 내는 것은 관계가 만들어낸 복잡계의 전형적인 특징입니다. 인구가 밀집될수록 도시는 더 효율적이고 창의적인 공간으로 진화합니다. '저절로 다가서는 임계성(SOC)'은 외부에서 조건을 맞추지 않아도 시스템이 스스로 임계 상태에 도달하는 현상입니다. 모래알을 하나씩 떨어뜨리면 모래 언덕은 스스로 무너지고 쌓이기를 반복하며 특정한 경사도를 유지합니다. 산불 역시 나무의 밀도가 너무 높으면 번개에 의해 크게 타버리고, 낮으면 불이 번져나가지 못하며 스스로 균형을 찾아갑니다. 이러한 현상은 자연이 외부의 간섭 없이도 스스로를 조절하며 특정한 질서와 임계 상태로 나아가는 신비로운 과정을 잘 보여줍니다. 임계 상태에 있는 시스템은 '척도가 없다'는 특징을 가집니다. 사람의 키는 평균 근처에 모여 있는 정규 분포를 따르지만, 소득이나 산불의 규모, 지진의 에너지는 '멱함수' 꼴의 척도 없는 분포를 따릅니다. 이는 평균보다 수만 배 큰 사건이 언제든 일어날 수 있음을 의미합니다. 거대한 산불이나 주가 폭락의 원인을 특정 나무나 사건 하나에서 찾는 것은 불가능합니다. 특정한 한 요인이 아니라, 전체 시스템의 연결 구조와 상호작용의 패턴이 그 격변의 규모를 결정하기 때문입니다. 지진이나 주식 시장은 과거의 데이터로 미래를 정확히 맞히는 '동역학적 예측'이 불가능합니다. 관성이나 주기성이 없기 때문입니다. 하지만 통계적인 예측은 가능합니다. 특정 규모의 지진이 몇 년에 한 번꼴로 발생하는지 파악함으로써 내진 설계의 기준을 세우는 식입니다. 과학적 사고와 데이터에 기반한 합리적인 판단이 우리 사회에 더 익숙해질수록, 우리는 예측 불가능한 재난에 더 현명하게 대비할 수 있습니다. 함께하는 관계의 힘을 이해할 때 우리 사회는 더 나은 결정을 내리는 이성적인 공동체로 거듭날 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

물리학

[질문Q] 인간의 정신을 컴퓨터로 재현할 수 없을까?'ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강ㅣ생명체의 탄생

현대 생명공학은 DNA를 단순히 복제하거나 편집하는 단계를 넘어, 화학적으로 직접 합성하는 시대로 접어들었습니다. 과거에는 기존의 유전자를 잘라 붙이거나 증폭하는 방식에 의존했지만, 이제는 원하는 염기서열을 자유롭게 디자인하여 새로운 기능을 가진 유전자를 만들어낼 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 유전자를 설계의 대상으로 바라보게 하며, 저렴한 비용으로 맞춤형 생명 정보를 생성하는 '디자이너 유전자'의 시대를 열고 있습니다. 이는 생명체의 기본 설계도를 인간이 직접 작성할 수 있음을 의미합니다. 개체가 모여 복잡한 집단을 이룰 때 나타나는 '창발성'은 현대 과학의 흥미로운 화두입니다. 새 떼가 개별 새에게서는 볼 수 없는 독특한 움직임을 보이듯, 수많은 컴퓨터와 인공 신경망이 연결된 네트워크에서도 새로운 속성이 나타날 수 있습니다. 일부 학자들은 인간의 의식 역시 복잡한 신경 회로에서 비롯된 창발적 특성 중 하나라고 설명합니다. 인공지능이 고도로 복잡해지면 자의식과 같은 인간 고유의 영역이 자연스럽게 부상할 수 있다는 상상은 여기서 시작되며, 이는 기계가 생명과 같은 속성을 가질 가능성을 시사합니다. 세포 내 미토콘드리아는 과거 독립적인 박테리아였으나 공생을 통해 세포의 일부가 된 독특한 역사를 가지고 있습니다. 이 과정에서 미토콘드리아는 자신의 유전자 대부분을 핵으로 이전하고, 생존에 필수적인 일부 유전자만을 유지하며 세포와 운명을 함께하게 되었습니다. 세포가 분열할 때 미토콘드리아 역시 스스로 분열과 융합을 반복하며 숫자를 조절합니다. 또한 지질 합성 효소를 통해 스스로의 막을 키워나가는 정교한 메커니즘을 통해 생명 활동을 지속하며 세포의 에너지 공장 역할을 수행합니다. 인공지능이 인간의 지능을 초월하는 '특이점'에 대한 논의는 미래학자들 사이에서 뜨거운 감자입니다. 2045년경 기계가 인간을 넘어서고 영생의 시대가 올 것이라는 급진적인 전망도 존재하지만, 실제 현장의 연구자들은 보다 신중한 태도를 보입니다. 범용 인공지능이 가까운 미래에 실현될 가능성에 대해 회의적인 시각이 많으며, 기술적 한계와 복잡성을 고려할 때 특이점 담론은 과학적 검증보다는 상상의 영역에 가깝다는 평가가 지배적입니다. 따라서 기술의 발전 속도를 냉철하게 바라보는 균형 잡힌 시각이 필요합니다. 생명을 정의하는 기준은 학문 분야에 따라 다양하게 나타납니다. 생물학이 세포 구조를 중시한다면, 물리학은 엔트로피의 감소와 자기 복제라는 관점에서 생명을 바라봅니다. 무질서 속에서 질서를 만들어내려는 경향을 생명의 본질로 본다면, 미래의 인공지능 로봇 역시 생명체의 범주에 포함될 가능성이 열립니다. 바이러스와 같이 생물과 무생물의 경계에 있는 존재들은 우리가 가진 기존의 정의를 끊임없이 시험하며 과학적 탐구의 지평을 넓혀주고 있습니다. 결국 생명이란 고정된 개념이 아니라 끊임없이 질문해야 할 대상입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[코로나 인터뷰] 강병남 _데이터사이언스로 백신 후보를 줄인다

통계물리학에서는 물질의 상태가 근본적으로 변하는 상전이 현상을 깊이 있게 연구합니다. 우리가 흔히 보는 액체가 기체로 변하는 과정처럼, 감염병이 확산되지 않은 안정적인 상태에서 대유행 상태로 급격히 전환되는 과정도 일종의 상전이로 취급할 수 있습니다. 연구자들은 네트워크 이론을 활용해 이러한 변화의 기저에 깔린 복잡한 메커니즘을 분석하며, 어떤 원리에 의해 현상이 촉발되는지 탐구합니다. 이는 보이지 않는 사회적 네트워크 속에서 질서와 무질서의 경계를 물리적 법칙으로 이해하려는 시도입니다. 상전이는 크게 연속 상전이와 불연속 상전이로 나뉩니다. 감염병 확산 모델인 SIR 모델 등은 보통 연속적인 변화를 보이지만, 어떤 경우에는 전파율 같은 매개변수가 미세하게 변하더라도 감염자 수가 폭발적으로 급증하는 불연속적인 변화가 일어날 수 있습니다. 이러한 메커니즘을 이해하는 것은 갑작스러운 대유행을 예측하고 대비하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 특정 임계점을 넘어서는 순간 발생하는 급격한 변화는 단순한 선형적 예측을 불허하며, 사회 시스템 전반에 걸쳐 막대한 영향을 미치기 때문입니다. 복잡계인 생명체를 대상으로 하는 예측은 물리 시스템보다 훨씬 까다롭습니다. 바이러스의 변이가 발생하면 기존의 메커니즘이 더 이상 유효하지 않게 되기 때문입니다. 감염력이 순식간에 열 배 이상 늘어나는 변종이 등장하면 이전까지 쌓아온 예측 모델은 완전히 다른 국면을 맞이하게 됩니다. 따라서 연구자들은 항상 최신 의학적 결과와 빅데이터를 실시간으로 반영하며 모델을 정교하게 수정해 나갑니다. 이는 단순한 수치 계산을 넘어 끊임없이 변화하는 생태계의 흐름을 쫓는 치열하고도 정밀한 과학적 과정이라 할 수 있습니다. 데이터 사이언스는 백신 개발과 사회적 회복 방안 마련에도 결정적인 기여를 합니다. 방대한 질병 통계와 단백질 구조 데이터를 분석함으로써 수많은 백신 후보군 중 가장 유망한 것을 빠르게 추려낼 수 있습니다. 또한 교통량과 이동성 데이터를 활용해 지역별 감염률을 산출하고, 봉쇄 이후의 사회적 회복 과정을 시뮬레이션하기도 합니다. 이러한 과학적 접근은 가짜 뉴스의 진원지를 파악하거나 효율적인 방역 정책을 수립하는 데 실질적인 도움을 주며, 현대 사회가 직면한 거대한 위기를 극복하는 강력한 도구가 됩니다. 통계물리학적 관점에서 인간은 개별적인 인격체인 동시에 거대한 시스템을 구성하는 하나의 입자로 간주됩니다. 개개인의 행동은 자유의지에 따라 예측하기 어렵지만, 수많은 사람이 집과 직장을 오가는 반복적인 패턴을 보일 때 이는 통계적인 물리 시스템으로 다룰 수 있게 됩니다. 이러한 종합적인 시각은 사회 전체의 흐름을 파악하고 미래를 예측하는 데 유용합니다. 결국 위기 상황에서 개인이 이성적이고 합리적으로 행동하는 것은 단순한 개인의 선택을 넘어, 물리적 시스템 전체의 안정성을 유지하는 핵심적인 요소가 됩니다.

강병남

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[과학자가 쓴 과학책#6] 정재승의 과학 콘서트 by정재승 | KAOS X 공원생활 특집

복잡계 과학이라는 생소한 분야를 다룬 책이 이토록 오랫동안 사랑받을 줄은 몰랐습니다. 최신 과학 이론을 담으면서도 물리학을 통해 사회 현상을 바라보는 재미를 전달하려 노력한 점이 독자들에게 닿은 것 같아 감사할 따름입니다. 책을 통해 세상을 바라보는 관점이 달라졌다는 평가는 저자로서 가장 큰 보람입니다. 지식이 단순히 머릿속 관념에 머물지 않고 삶의 변화와 실천으로 이어지며, 특히 물리학자를 꿈꾸는 청소년들이 많아졌다는 소식은 미래 과학계에 대한 큰 희망을 전해줍니다. 과거에는 우리말로 우리만의 경험을 담아낸 과학 책이 드물었습니다. 최재천 교수님과 함께 활동하던 초기에는 라이벌이라는 생각보다는 더 많은 분이 과학 책을 읽어주길 바라는 마음이 컸습니다. 하지만 지난 20년 사이 한국 과학 출판계에는 놀라운 변화가 일어났습니다. 이제는 훌륭한 국내 저자들이 대거 등장하여 선의의 경쟁을 펼치고 있으며, '코스모스'나 '이기적 유전자' 같은 고전들과 어깨를 나란히 하는 좋은 책들이 많아져 과학 독서 문화가 한층 풍성해졌습니다. 만약 아인슈타인이나 리처드 파인만 같은 과학자들을 오늘날로 모셔올 수 있다면, 과학이 하나의 즐거운 문화로 자리 잡은 풍경을 꼭 보여드리고 싶습니다. 과학자들 중에는 바이올린 연주에 능했던 아인슈타인이나 퀸의 기타리스트 브라이언 메이처럼 예술적 재능이 뛰어난 이들이 많습니다. 이들이 모여 실제로 음악 공연을 펼치는 '과학 콘서트'가 열린다면 대중에게 과학의 색다른 매력을 전달할 수 있을 것입니다. 과학이 딱딱한 학문을 넘어 지적인 즐거움과 감성을 동시에 선사하는 문화가 되길 바랍니다. 과학 책이 어렵게 느껴져 서점의 과학 코너를 멀리하는 분들이 여전히 많습니다. 하지만 용기를 내어 첫 한 권을 집어 드는 순간, 그동안 몰랐던 지적 탐험의 세계가 열리게 됩니다. 최근에는 우리가 평소 궁금해하던 주제들을 흥미롭게 풀어낸 양질의 과학 책들이 매우 많아졌습니다. 일상 속에서 하늘의 별을 바라보며 우주의 경이로움을 느끼듯, 과학 책을 통해 지적 갈증을 해소하고 새로운 세상을 발견해 보시길 권합니다. 첫 번째 선택이 즐거운 경험으로 이어진다면 과학은 평생의 친구가 될 것입니다. 저는 현재 우리 뇌가 어떻게 선택하고 의사결정을 내리는지를 연구하고 있습니다. 앞으로의 목표는 이러한 연구 성과를 바탕으로 선택에 관한 뇌과학 책을 집필하는 것입니다. 더 나아가 인류가 정신의 영역을 탐구해 온 역사를 정리하여, 우리가 인간을 이해하기 위해 어떤 노력을 해왔고 앞으로 남은 과제는 무엇인지 조명하고 싶습니다. 인간의 정신을 깊이 있게 다루는 뇌과학 역사서를 완성하는 것이 저의 마지막 학문적 소명이자 인생의 중요한 목표입니다.

정재승

카오스재단읽다과학

융합

[코로나 인터뷰] 신종호_ 코로나19시대, 등교시점을 결정하는 데 꼭 필요한 것은?

현대 사회의 현상들은 단순히 하나의 원인으로 설명되지 않는 복잡계의 성격을 띠고 있습니다. 하나의 사건이 발생하면 그것은 독립적으로 끝나지 않고 다른 분야에 연쇄적인 영향을 미치며 예상치 못한 결과를 초래하곤 합니다. 이러한 복잡계적 구조 속에서 대학은 다양한 분야의 전문가를 보유하고 있다는 강력한 장점을 가집니다. 대학은 특정 영역의 파장이 사회 전체로 어떻게 확장되는지 종합적으로 조망하고, 그 과정에서 발생하는 미세한 틈새를 발견하는 연구 기관으로서의 역할을 수행해야 합니다. 이는 단순한 지식 전달을 넘어 사회의 방향성을 제시하는 중요한 임무입니다. 데이터는 단순히 숫자의 나열이 아니라 우리에게 끊임없이 메시지를 던져주는 살아 있는 생물과 같습니다. 과거의 흐름을 통해 미래를 예측하듯, 방대한 데이터 속에는 현재의 문제점과 그것이 확산될 방향에 대한 중요한 정보가 담겨 있습니다. 이러한 메시지를 정확하게 분석하는 능력은 현실적이고 실용적인 대안을 마련하는 기초가 됩니다. 데이터를 소중히 다루며 그 안에 숨겨진 의미를 읽어낼 때, 우리는 위기를 기회로 바꾸고 향후 다가올 미래 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 지표를 얻게 됩니다. 이는 장기적인 관점에서 사회적 발전을 모색하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 코로나19 사태를 거치며 우리는 교육이 단순히 지식을 전달하는 행위 그 이상임을 깨닫게 되었습니다. 온라인 교육을 통해 유명한 지식을 접할 수는 있지만, 그것이 학생들에게 살아 있는 지식으로 체득되기 어려운 이유는 교육의 본질이 생각의 체계와 고민을 공유하는 장이기 때문입니다. 진정한 교육은 사람과 사람 사이의 정서적 유대감을 바탕으로 사회적 존재로서 자신의 꿈과 전문성을 고민하는 과정입니다. 앞으로의 학교 교육은 단순한 지식 전수를 넘어 사유와 만남이 이루어지는 경험의 장으로 거듭나야 하며, 그 안에서 개인이 무엇을 해야 할지 스스로 답을 찾는 기회를 제공해야 합니다. 학생들의 건강권과 학습권이 충돌하는 상황에서는 보건 역량에 대한 냉철한 평가가 우선되어야 하지만, 동시에 학습권 보장을 위한 대면 교육의 필요성도 간과할 수 없습니다. 이를 위해서는 학생들의 학습 현황을 질적으로 모니터링할 수 있는 정교한 데이터가 필요합니다. 단순히 과제를 부여하는 수준을 넘어 온라인 교육이 기대만큼 이루어지고 있는지 분석하고, 필요하다면 대안적인 대면 교육을 마련해야 합니다. 이는 교육 공동체가 학생들의 최소한의 권리를 보장하겠다는 의지를 갖추었을 때 비로소 가능해지며, 학기의 질을 담보하는 중요한 판단 근거가 됩니다. 공부의 진정한 목적은 개인적인 성취를 넘어 자신의 일이 사회 공동체 속에서 어떤 가치를 지니는지 인식하는 데 있습니다. 이러한 목적의식은 힘들고 지치는 순간을 이겨내게 하는 강력한 원동력이 됩니다. 학습의 에너지는 '하고 싶다'는 마음과 태도에서 비롯되며, 머리가 좋은 것보다 배우고자 하는 열정이 우선되어야 합니다. 여기에 효율적인 공부 방법과 유혹을 이겨낼 수 있는 자기 관리 환경이 더해질 때 비로소 전문성이 길러집니다. 스스로 의미를 부여하는 동기 부여야말로 성장을 이끄는 가장 큰 힘이며, 이는 청소년기의 수많은 유혹을 이겨내고 미래를 준비하는 기반이 됩니다.

신종호

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[강연] 복잡계과학의 현실 응용 _ 김범준 교수_3강 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리' | 2강 ③

복잡계 과학은 단순히 수많은 구성 요소가 모여 있는 상태를 넘어, 그들 사이의 유기적인 상호작용이 만들어내는 거대한 질서를 탐구하는 학문입니다. 구성 요소의 특성만으로는 전체 시스템의 거동을 정확히 예측하기 어렵다는 점이 이 분야의 핵심적인 매력이자 연구의 출발점입니다. 현대 사회의 다양한 현상들은 실타래처럼 복잡하게 얽혀 있으며, 이를 제대로 이해하기 위해서는 미시적인 관점과 거시적인 관점을 동시에 유지하는 통합적인 사고가 필수적으로 요구됩니다. 이러한 시스템에서 가장 흥미로운 현상 중 하나는 바로 '창발성'이라고 불리는 성질입니다. 개미 한 마리는 매우 단순한 행동을 반복할 뿐이지만, 이들이 모인 개미 군집은 고도의 사회적 구조와 효율적인 길 찾기 능력을 보여주며 생존해 나갑니다. 이처럼 하위 단위에서는 존재하지 않던 새로운 성질이나 패턴이 상위 단위에서 갑작스럽게 나타나는 현상은 자연계와 인간 사회 곳곳에서 발견됩니다. 복잡계 과학은 이러한 무질서 속의 질서를 수학적 언어로 풀어내고자 합니다. 네트워크 이론은 복잡계를 이해하고 시각화하는 가장 강력한 도구 중 하나로 활용됩니다. 모든 구성 요소를 점으로, 그들 사이의 관계를 선으로 연결하면 보이지 않던 거대한 구조가 서서히 드러나기 시작합니다. 좁은 세상 네트워크나 척도 없는 네트워크와 같은 개념들은 우리가 살아가는 세상이 얼마나 긴밀하고 촘촘하게 연결되어 있는지를 잘 보여주는 사례입니다. 이러한 네트워크의 구조를 정밀하게 분석함으로써 정보의 확산 속도나 질병의 전파 경로를 과학적으로 파악하는 것이 가능해집니다. 복잡계 내에서의 상호작용은 대부분 비선형적인 특성을 가지고 있습니다. 아주 작은 변화가 연쇄 반응을 일으켜 예상치 못한 거대한 결과를 초래하는 '나비 효과'가 그 대표적인 예시라고 할 수 있습니다. 이는 초기 조건에 대한 민감성 때문에 장기적인 예측을 매우 어렵게 만들기도 하지만, 동시에 시스템이 외부 충격에 어떻게 반응하고 스스로 적응하는지를 이해하는 중요한 단서가 됩니다. 과학자들은 이러한 불확실성 속에서도 변하지 않는 보편적인 물리 법칙을 찾아내기 위해 끊임없이 연구합니다. 우리가 매일 마주하는 도심의 교통 흐름이나 금융 시장의 변동 역시 복잡계의 전형적인 사례에 해당합니다. 개별 운전자의 선택이나 투자자의 판단은 독립적인 듯 보이지만, 전체적으로는 정체나 폭락과 같은 집단적인 패턴을 형성하게 됩니다. 이러한 현상을 분석하기 위해 물리학, 경제학, 사회학 등 다양한 학문적 경계를 넘나드는 융합 연구가 현재 활발히 진행되고 있습니다. 복잡계 과학은 현대 문명이 직면한 여러 난제들을 해결할 수 있는 새로운 열쇠로 큰 주목을 받고 있습니다. 최근 데이터 과학의 비약적인 발전은 복잡계 연구에 새로운 전기를 마련해 주었습니다. 과거에는 관찰하기 어려웠던 방대한 양의 데이터를 실시간으로 수집하고 분석할 수 있게 되면서, 이론으로만 존재하던 복잡계 모델들을 실제로 검증할 기회가 늘어났습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상의 사회를 구현하고 정책의 효과를 미리 시험해 보는 등, 복잡계 과학은 점차 실천적인 학문으로 진화하고 있습니다. 이는 더 나은 미래 사회를 설계하고 대비하는 데 있어 매우 중요한 밑거름이 됩니다. 결국 복잡계를 공부한다는 것은 세상을 바라보는 완전히 새로운 눈을 갖는 것과 같습니다. 구성 요소에 매몰되지 않고 전체적인 흐름과 구성 요소 간의 연결성을 파악하는 능력은 급변하는 현대 사회에서 무엇보다 중요합니다. 복잡함 속에 숨겨진 단순한 원리를 찾아내고, 그 원리가 어떻게 다시 복잡한 현실로 구현되는지를 깊이 있게 이해하는 과정은 지적인 즐거움을 넘어 인류의 지속 가능한 생존과 번영을 위한 필수적인 과정이 될 것입니다. 우리는 이를 통해 세상의 본질에 한 걸음 더 다가갑니다.

김범준

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물리학

[강연] 모든 것들의 이론 by정하웅 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 3부 | 3부

물리학은 사전적으로 세상 만물의 이치를 탐구하는 학문입니다. 많은 이들이 물리를 어렵고 지루한 공식의 나열로 오해하곤 하지만, 사실 우리 주변의 모든 현상을 설명하는 가장 흥미로운 도구입니다. 아인슈타인이나 뉴턴 같은 위대한 과학자들이 모두 물리학자였다는 사실은 이 학문이 인류 지성사에서 차지하는 무게를 잘 보여줍니다. 물리는 단순히 수식을 푸는 것이 아니라, 우리가 발을 딛고 서 있는 이 세계의 근본적인 작동 원리를 이해하려는 노력의 산물입니다. 21세기는 흔히 '복잡성의 시대'라고 불립니다. 과거의 과학이 개별 요소의 성질을 밝히는 데 집중했다면, 이제는 수많은 구성 요소가 얽혀 만들어내는 거대한 시스템인 '복잡계'에 주목해야 합니다. 복잡계는 완전한 질서와 완전한 무질서 사이의 애매한 영역에 위치하며, 구성 요소들의 단순한 합으로는 설명할 수 없는 예상치 못한 성질을 나타냅니다. 이러한 복잡계 과학은 사회, 경제, 생명 현상 등 우리가 직면한 수많은 난제를 풀 수 있는 새로운 패러다임을 제시합니다. 복잡계의 핵심은 '연결'에 있습니다. 메트로놈들이 바닥의 진동을 통해 서로의 박자를 맞춰가는 동기화 현상이나, 수만 마리의 새들이 거대한 군무를 이루며 일사불란하게 움직이는 모습은 연결이 만들어내는 경이로운 결과물입니다. 개별 요소들은 아주 단순한 규칙에 따라 움직일 뿐이지만, 이들이 서로 연결되어 상호작용할 때 전체 시스템은 스스로 조직화된 질서를 찾아갑니다. 이러한 자연의 원리는 인간 사회의 소문이나 전염병이 확산되는 방식과도 깊은 연관이 있습니다. 인간관계 역시 거대한 네트워크를 형성하고 있습니다. '6단계 분리' 이론에 따르면 지구상의 어떤 person이라도 대여섯 명만 거치면 서로 연결될 수 있을 만큼 세상은 좁습니다. 이러한 촘촘한 연결망은 정보의 빠른 공유를 가능하게 하지만, 동시에 예상치 못한 연쇄 반응을 일으키기도 합니다. 복잡하게 얽힌 생태계에서 특정 포식자를 제거했을 때 오히려 전체 생태계가 교란되는 사례처럼, 연결된 시스템에서는 1차원적인 사고만으로는 해결할 수 없는 다층적인 문제들이 발생하곤 합니다. 교통 체증 문제에서도 복잡계의 독특한 특성이 나타납니다. 도로를 넓히거나 새로운 다리를 건설하는 것이 오히려 교통 흐름을 악화시킨다는 '브래스의 역설'이 대표적인 예입니다. 이는 개개인이 자신의 이익만을 위해 최선의 경로를 선택하는 이기심이 전체 시스템의 효율성을 떨어뜨리기 때문입니다. 도시라는 거대한 복잡계는 인구당 탄소 배출량 면에서는 효율적일 수 있지만, 교통과 환경 등 수많은 문제가 얽혀 있어 이를 해결하기 위해서는 시스템 전체를 조망하는 혜안이 필요합니다. 현대 사회의 데이터 범람은 우리에게 새로운 기회와 위협을 동시에 제공합니다. 스마트폰의 GPS 정보와 웹 활동 기록은 우리의 일거수일투족을 예측 가능한 데이터로 변환시킵니다. 이러한 데이터는 효율적인 사회 운영에 도움을 줄 수 있지만, 동시에 완벽한 감시와 통제의 도구가 될 위험성도 내포하고 있습니다. 프라이버시가 사라진 사회에서는 새로운 변화를 시도하려는 동력이 억제될 수밖에 없으며, 이는 결국 사회 전체의 진화와 발전을 가로막는 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 인류가 직면한 기후 변화, 전쟁, 질병과 같은 글로벌 이슈들은 서로 독립된 문제가 아니라 촘촘하게 연결된 복잡계의 산물입니다. 따라서 근시안적인 사고로 눈앞의 나무만 보아서는 결코 근본적인 해결책을 찾을 수 없습니다. 이제는 전체적인 숲을 바라보는 복잡계적인 사고방식이 절실히 요구되는 시점입니다. 물리학을 바탕으로 한 이러한 통합적 시각은 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어, 급변하는 미래 사회에서 인류가 지속 가능한 생존을 이어가기 위한 필수적인 나침반이 될 것입니다.

정하웅

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물리학

[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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물리학
수학

[카오스 술술과학] 과학의 중간계, 다양성의 제왕!

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

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물리학
융합

[강연] 복잡계과학이란 무엇일까 _ 김범준 교수_2강 | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 2강 ②

복잡성이라는 개념은 과학계에서 여전히 정의하기 어려운 난제 중 하나입니다. 물리학자들은 에너지나 엔트로피처럼 수식으로 명확히 정의되는 물리량을 선호하지만, 복잡성은 상황에 따라 인식론적 혹은 존재론적 의미로 나뉩니다. 20세기 후반에는 단순한 결정론적 시스템이 보여주는 복잡한 현상, 즉 카오스 이론이 주목받았습니다. 이는 초기 조건의 아주 미세한 차이가 시간이 흐름에 따라 걷잡을 수 없이 큰 결과의 차이를 만들어내는 현상을 의미하며, 우리에게는 나비효과라는 이름으로도 잘 알려져 있습니다. 카오스 이론의 핵심은 결정론과 예측 가능성이 서로 다르다는 사실을 일깨워준 데 있습니다. 로렌츠 방정식처럼 완벽하게 결정된 수식이라 할지라도, 초기값을 무한한 정확도로 측정할 수 없다는 현실적인 한계 때문에 미래를 정확히 예측하는 것은 불가능합니다. 이는 우리가 세상을 바라보는 철학적 관점에도 큰 교훈을 줍니다. 아무리 정교한 법칙이 지배하는 세계라 할지라도, 측정의 불확실성이 존재하는 한 미래는 언제나 예상치 못한 방향으로 흘러갈 수 있으며, 이는 과학이 가진 겸손한 한계를 인정하게 만듭니다. 이러한 복잡한 현상 속에는 '자기 유사성'이라는 흥미로운 질서가 숨어 있습니다. 로버트 메이의 토끼 개체 수 모델이나 만델브로 집합에서 볼 수 있듯이, 전체의 구조가 부분의 구조와 닮아 있는 프랙탈 구조가 나타납니다. 이는 척도를 아무리 변화시켜도 그 본질적인 형태가 변하지 않는 '척도 불변성(Scale Invariance)'의 특징을 보여줍니다. 아주 단순한 규칙에서 출발한 시스템이 무한히 반복되며 경이로울 정도로 아름답고 복잡한 기하학적 패턴을 만들어내는 과정은 현대 과학이 탐구하는 가장 매혹적인 연구 주제 중 하나입니다. 21세기에 들어서며 복잡성의 의미는 시스템의 행동에서 구성 자체의 복잡함으로 확장되었습니다. 복잡계는 수많은 구성 요소가 서로 강하게 상호작용하며 개별 요소의 특성만으로는 설명할 수 없는 새로운 거시적 현상을 만들어냅니다. '전체는 부분의 합보다 크다'는 말처럼, 상호작용의 방식이 시스템 전체의 성질을 결정짓는 핵심이 됩니다. 이는 미시적인 티끌을 모아 거시적인 태산을 이해하려는 통계물리학의 시각이 사회 현상으로까지 넓어지는 계기가 되었으며, 개별 존재보다 관계의 중요성을 강조합니다. 통계물리학의 방법론을 인간 사회에 적용한 '사회물리학'은 집단적 행동의 원리를 명쾌하게 설명합니다. 예를 들어, 지휘자 없이도 수많은 사람이 박수 소리를 하나로 맞추는 현상은 개개인의 특성보다는 상호작용을 통한 조율의 결과입니다. 물리학자들은 이러한 집단 지성과 창발적 현상을 연구하며, 불확실한 미래를 대비하기 위한 기초 과학의 중요성을 강조합니다. 기초 과학을 통해 다져진 논리적 사고는 시대가 변해도 다양한 학문 분야와 융합하여 세상을 이해하는 강력한 도구가 되며, 새로운 통찰력을 제공합니다. 네트워크 과학은 현대 사회의 복잡한 연결망을 분석하는 핵심 도구입니다. 밀그램의 실험으로 알려진 '6단계 분리 법칙'은 70억 인구가 사는 세상이 생각보다 좁다는 '좁은 세상 효과'를 보여줍니다. 이는 단순히 인구수가 많아서가 아니라, 기하급수적으로 늘어나는 연결의 특성 때문입니다. 오일러의 한붓그리기 문제에서 시작된 그래프 이론은 이제 인터넷의 구조, 남녀 관계의 패턴, 전염병의 확산 경로를 파악하는 등 실생활의 문제를 해결하고 효율적인 전략을 수립하는 데 필수적인 수학적 모델로 발전하였습니다. 최근에는 빅데이터를 활용하여 정치적 성향이나 법안 발의 현황을 분석하는 등 네트워크 과학의 적용 범위가 더욱 넓어지고 있습니다. 국회의원들의 공동 발의 관계를 분석하면 정당 정치의 역학 관계를 수치로 확인할 수 있으며, 전염병 확산을 막기 위한 효율적인 백신 배포 전략을 세울 수도 있습니다. 중요한 것은 방대한 데이터를 단순히 모으는 것이 아니라, 이를 논리적으로 꿰어 보배로 만드는 통찰력입니다. 복잡한 세상을 관통하는 단순한 질서를 찾는 여정은 과학의 경계를 넘어 우리 삶의 지혜로 이어지고 있습니다.

김범준

카오스재단마스터클래스

물리학

[강연] 통계물리학의 역사와 주요 내용 _ 김범준교수_1강 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리' | 2강 ①

물리학은 자연의 근본 원리를 탐구하는 거대한 학문으로, 연구 방법이나 대상의 크기에 따라 다양하게 분류됩니다. 이론과 실험, 고전과 현대, 그리고 양자 역학과 고전 역학 등이 그 대표적인 예입니다. 그중에서도 통계물리학은 '입자의 수'를 기준으로 세상을 바라보는 독특한 시각을 제공합니다. 개별 입자의 움직임보다는 수많은 입자가 모였을 때 나타나는 집단적인 현상에 주목하는 것이 이 분야의 핵심입니다. 우리가 일상에서 마주하는 거시적인 현상들은 결국 무수히 많은 미시적 존재들이 상호작용하며 만들어낸 결과물이기 때문입니다. 뉴턴의 고전 역학은 'F=ma'라는 간결한 수식으로 자연의 인과관계를 설명하며, 현재의 정보를 통해 미래를 예측할 수 있다는 결정론적 세계관을 제시합니다. 하지만 이러한 예측은 대상이 하나 혹은 둘일 때만 명확하게 작동합니다. 입자가 셋만 되어도 그 궤적을 수학적으로 완벽히 풀어낼 수 없다는 '삼체 문제'의 불가능성이 이미 증명되어 있기 때문입니다. 하물며 아보가드로 수에 달하는 10의 23승 개의 입자를 다루는 것은 고전 역학의 개별적 접근 방식으로는 불가능에 가깝습니다. 통계물리학은 바로 이 지점, 즉 '못 푸는 문제를 푸는' 도전에서 시작됩니다. 입자의 수가 기하급수적으로 늘어나면 물리학자의 관심사는 질적으로 변화하게 됩니다. 수조 개의 기체 분자 중 특정 번호의 분자가 지금 이 순간 어떤 위치와 속도를 가졌는지는 더 이상 중요하지 않습니다. 대신 그 분자들이 집단적으로 만들어내는 압력이나 온도, 혹은 공간적 분포와 같은 거시적인 상태에 집중하게 됩니다. 통계물리학은 개별 입자의 상세한 정보는 과감히 생략하고 전체 시스템이 보여주는 보편적인 규칙을 찾아냅니다. 이는 복잡한 세상 속에서 단순하고도 강력한 질서를 발견하는 통찰의 과정이라 할 수 있습니다. 에렌페스트의 개벼룩 모델은 통계적 확률이 어떻게 거시적 상태를 결정하는지 보여주는 훌륭한 사고 실험입니다. 두 마리의 강아지 사이를 무작위로 옮겨 다니는 벼룩들의 분포를 생각해보면, 벼룩의 수가 적을 때는 우연히 한쪽 강아지에게 모든 벼룩이 몰릴 확률이 존재합니다. 그러나 벼룩의 수가 수천, 수만 마리로 늘어나면 상황은 완전히 달라집니다. 모든 벼룩이 한쪽에 몰려 있을 확률은 우주의 역사 동안 단 한 번도 일어나기 힘들 정도로 낮아지며, 결국 양쪽에 비슷하게 나뉘어 있는 상태가 압도적인 확률로 나타나게 됩니다. 입자가 많아지면 확률이 낮은 사건은 사실상 불가능한 일이 됩니다. 엔트로피 증가의 법칙은 '일어날 확률이 큰 일은 결국 일어나게 마련이다'라는 단순하면서도 심오한 진리를 담고 있습니다. 여기서 엔트로피란 시스템이 가질 수 있는 가능한 상태의 가짓수를 의미합니다. 가만히 내버려 둔 시스템은 가짓수가 적은 특수한 상태에서 가짓수가 압도적으로 많은 보편적이고 균일한 상태로 나아갑니다. 쏟아진 우유가 다시 컵으로 돌아가지 않는 이유는 그것이 물리 법칙에 어긋나서가 아니라, 다시 모일 확률이 너무나도 희박하기 때문입니다. 이러한 확률적 비가역성은 우리가 느끼는 시간의 방향성을 결정하는 중요한 물리적 근거가 되어줍니다. 현대 통계물리학의 초석을 다진 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 미시적인 상태의 가짓수와 연결하는 혁신적인 공식을 정립했습니다. 그의 묘비에도 새겨진 'S=k log W'라는 식은 눈에 보이지 않는 미시 세계의 정보가 어떻게 눈에 보이는 거시 세계의 물리량으로 변환되는지를 명확히 보여줍니다. 당시에는 원자의 존재조차 부정하던 학계의 거센 비판과 논리실증주의자들의 공격에 직면하여 고통스러운 삶을 살았지만, 그의 이론은 오늘날 물리학뿐만 아니라 복잡계 과학과 정보 이론 등 현대 과학의 수많은 분야에서 없어서는 안 될 핵심 원리로 자리 잡으며 그 가치를 증명해냈습니다. 볼츠만에서 시작된 통계물리학의 전통은 에렌페스트와 울렌벡을 거쳐 한국의 조순탁 교수에게 이어지며 국내 학계에도 깊이 뿌리내렸습니다. 오늘날의 통계물리학자들은 단순히 기체 분자의 운동을 연구하는 데 그치지 않고, 사회 현상, 경제 지표, 생명 현상 등 수많은 구성 요소가 복잡하게 상호작용하는 '복잡계'를 주요 연구 대상으로 삼고 있습니다. 많은 것이 모였을 때 나타나는 새로운 질서와 창발적 현상을 탐구하는 이 학문은, 개별 요소에 대한 지식만으로는 설명할 수 없는 우리 세상의 복잡한 문제들을 이해하고 해결하는 데 가장 강력한 도구가 되어주고 있습니다.

김범준

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물리학

[석학인터뷰] 정하웅_ '신상' 학문을 연구하는 학자 | 2018 카오스 콘서트 '수학과 과학 42'

수학과 과학은 서로 떼려야 뗄 수 없는 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 과학자의 시선에서 바라볼 때 과학은 수학보다 조금 더 큰 영역을 아우르는 존재로 느껴지기도 합니다. 최근 주목받는 데이터 과학은 이러한 학문적 토대 위에서 탄생한 새로운 흐름입니다. 비록 최신 학문처럼 보이지만, 사실 데이터 과학은 과거부터 존재해 온 여러 학문 분야가 현대적으로 재해석된 결과물입니다. 유행이 돌고 돌듯, 익숙한 기초 위에 세워진 이 새로운 학문은 현대 사회를 이해하는 가장 중요한 열쇠가 되고 있습니다. 우주와 삶에 대한 궁극적인 질문에 답하기 위해서는 진실을 마주하려는 용기가 필요합니다. 영화 '매트릭스'에서 주인공 네오가 빨간 약을 선택해 가상 세계의 안락함 대신 불편한 진실을 택했듯이, 우리 역시 우리가 발을 딛고 있는 세계의 본질을 탐구해야 합니다. 우리가 진짜 현실에 살고 있는지, 아니면 정교하게 설계된 시스템 속에 있는지 확인하는 과정은 지적 탐구의 시작점입니다. 이러한 '빨간 약'의 선택은 세상을 바라보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓으며, 진정한 지식의 세계로 우리를 인도합니다. 물리학은 사전적 정의 그대로 '세상 만물의 이치'를 다루는 학문입니다. 세상의 모든 현상을 설명할 수 있다는 점은 물리학이 가진 가장 큰 매력이자 힘입니다. 하지만 학문의 깊이가 깊다고 해서 반드시 권위적일 필요는 없습니다. 진정한 지식인은 자신이 모든 것을 알지 못한다는 사실을 인정하는 겸손함을 갖추고 있습니다. 모르는 것이 생겼을 때 현대의 방대한 정보망을 활용해 답을 찾아가는 유연한 태도는 대중과 더 가깝게 소통할 수 있는 기반이 됩니다. 지식은 나누고 소통할 때 비로소 그 가치가 빛나기 때문입니다. 통계물리학은 단순히 연구실 안에만 머무는 이론이 아니라 우리의 일상과 인연 속에도 깊이 스며들어 있습니다. 사람과 사람 사이의 연결 고리를 추적해 보면, 전혀 상관없어 보이는 유명인과도 불과 몇 단계 만에 연결될 수 있다는 사실을 발견하게 됩니다. 이는 복잡한 네트워크 속에서도 일정한 규칙이 작동하고 있음을 보여줍니다. 배우자를 만나는 과정이나 소중한 인연을 맺는 일조차 통계물리학적인 관점에서는 최적의 선택을 찾아가는 흥미로운 과정으로 해석될 수 있습니다. 일상의 모든 순간이 데이터와 물리 법칙의 조화인 셈입니다. 대중을 위한 과학 강연은 눈높이를 맞추는 것이 무엇보다 중요합니다. 많은 과학 강연이 어렵게 느껴지는 이유는 전달자와 수용자 사이의 간극 때문입니다. '모든 것의 이론'을 넘어 '모든 것들의 이론'을 지향하는 복잡계물리학은 세상의 다양한 현상을 가장 단순하면서도 재미있는 법칙으로 설명하고자 합니다. 복잡해 보이는 세상도 그 이면의 원리를 이해하면 명쾌하게 다가옵니다. 어렵게만 느껴졌던 과학의 문턱을 낮추고 즐겁게 소통할 때, 우리는 비로소 우주와 삶에 대한 더 깊은 통찰을 얻을 수 있을 것입니다.

정하웅

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[강연] 생명체의 탄생 (4) _ 노정혜 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강 | 1강 ④

합성 생물학은 이제 기존 생명체의 유전자를 단순히 복제하거나 편집하는 단계를 넘어, 화학적으로 염기 서열을 직접 설계하고 합성하는 시대로 접어들었습니다. 과거에는 이미 존재하는 DNA를 잘라 붙이거나 증폭하는 방식에 의존했지만, 현재는 저렴한 비용으로 원하는 기능을 가진 '디자이너 유전자'를 직접 만들어낼 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 우리가 생명의 설계도를 직접 그릴 수 있게 되었음을 의미하며, 생명공학의 패러다임을 근본적으로 바꾸는 중요한 전환점이 되고 있습니다. 인간을 구성하는 원소를 완전히 분해했다가 다시 조립했을 때, 그것이 다시 살아 있는 생명체가 될 수 있을지에 대한 질문은 과학계의 오랜 화두입니다. 이론적으로는 가능하다고 믿는 학자들도 있으나, 실제로는 세포라는 복잡한 구조를 원자 단위에서 재현하는 것이 매우 어렵습니다. 양자 역학의 불확정성 원리나 생명체가 가진 고유한 역동성을 고려할 때, 단순히 물질을 모으는 것만으로는 생명의 불꽃을 다시 지피기에 부족할 수 있다는 신중한 견해가 지배적입니다. 인공지능의 발전은 생명의 정의를 기능적 측면에서 다시 생각하게 만듭니다. 복잡계 과학에서는 개별 요소가 모여 전체가 되었을 때, 개별 요소에는 없던 새로운 특성이 나타나는 '창발성'을 강조합니다. 신경망 회로가 극도로 복잡해지면 인간의 의식과 유사한 자의식이 자연스럽게 부상할 수 있다는 가설도 존재합니다. 이는 생명이 반드시 유기물에 국한된 것이 아니라, 고도로 연결된 정보 처리 시스템에서도 나타날 수 있는 현상일지도 모른다는 가능성을 시사하며 우리에게 새로운 질문을 던집니다. 생물학적 관점에서 생명의 핵심은 세포라는 구조적 단위에 있습니다. 세포는 스스로 인지질을 합성하여 막을 키우고 에너지를 생성하며 유전 정보를 보존하는 완결된 시스템입니다. 이러한 구조적 완결성은 인공지능이나 단순한 기계가 생명체로 인정받기 위해 넘어야 할 가장 큰 장벽 중 하나로 작용합니다. 생명이란 단순히 정보의 흐름이 아니라, 물리적인 공간을 점유하고 환경과 상호작용하는 구체적인 실체로서의 성격이 강하기 때문입니다. 물리학자들은 생명을 엔트로피 법칙을 거스르는 존재로 정의하기도 합니다. 무질서로 향하는 자연의 흐름 속에서 스스로 질서를 만들고 유지하며 자기 복제를 수행하는 존재를 생명으로 보는 것입니다. 하지만 이러한 과학적 정의만으로는 인간이 느끼는 '혼'이나 생명의 존엄성 같은 철학적 영역을 모두 설명하기 어렵습니다. 결국 생명이란 무엇인가에 대한 답은 과학적 탐구와 철학적 성찰이 교차하는 지점에서 계속해서 수정되고 보완되어야 할 영원한 과제라고 할 수 있습니다.