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[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #014 | 장혜식 서울대 생명과학부 교수

공학적 배경을 가진 연구자가 생명과학에 매료된 이유는 생명체를 하나의 정밀한 시스템으로 바라보는 시각 때문입니다. 기계의 숨겨진 기능을 탐구하며 사용 설명서를 탐독하던 호기심은 자연스럽게 우리 몸이라는 거대한 유기체의 작동 원리에 대한 탐구로 이어졌습니다. 특히 소프트웨어 개발 현장에서 쌓은 논리적 사고는 생물학적 데이터를 정보의 흐름으로 해석하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 단순한 암기 위주의 생물학을 넘어, 시스템의 설계도를 정밀하게 분석하는 공학적 접근을 가능하게 했습니다. 생물정보학은 생명체를 구성하는 DNA, RNA, 단백질과 같은 정보 물질들이 어떻게 디지털 정보를 전달하고 가공하는지 컴퓨터로 분석하는 학문입니다. 생명체의 수분을 제외한 질량의 대부분이 이러한 정보 물질로 이루어져 있다는 점은 생물학이 곧 방대한 데이터 분석의 장임을 시사합니다. 컴퓨터 전공자로서의 경험은 복잡한 절차를 정밀하게 설계하고, 방대한 데이터 속에서 남들이 놓치기 쉬운 구석진 정보를 찾아내어 새로운 인사이트를 도출하는 데 큰 강점으로 작용하며 연구의 지평을 넓혀줍니다. 유전 물질 하면 흔히 정적인 DNA를 떠올리지만, 실제 생명 현상을 역동적으로 조절하는 핵심은 RNA에 있습니다. RNA는 세포의 종류나 상태에 따라 정보를 짧거나 길게, 혹은 많거나 적게 조절하며 생명의 드라마를 실시간으로 써 내려갑니다. 특히 최근의 mRNA 백신 연구에서는 동일한 단백질을 만들면서도 더 안정적이고 효율적인 RNA 구조를 설계하는 '코돈 최적화'가 핵심 과제로 떠올랐습니다. 이는 수많은 조합 중 최적의 설계도를 찾아내는 과정으로, 생물학적 원리와 공학적 최적화 기법이 만나는 지점입니다. 인공지능 기술의 발전은 생물학 연구의 패러다임을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 유전체 정보를 대량으로 학습한 파운데이션 모델은 전문가가 직관적으로 느끼던 복잡한 생물학적 맥락을 주관의 개입 없이 정교하게 분석해냅니다. 또한, 실험 로봇을 활용한 '피지컬 AI'는 그동안 연구의 병목 현상이었던 데이터 확보 문제를 해결하여 수십만 개의 데이터 포인트를 동시에 확보할 수 있는 환경을 제공합니다. 이러한 기술적 진보는 계산적 예측과 실험적 증명을 가속화하며 바이오 연구에 전례 없는 기회를 창출하고 있습니다. 급변하는 기술 시대에서 가장 중요한 것은 정해진 보상을 좇는 것이 아니라, 연구 과정 그 자체에서 진정한 재미를 찾는 태도입니다. AI가 인간의 많은 역할을 대신할 미래에는 자신이 무엇을 할 때 행복한지 이해하고, 그 즐거움을 사회적 가치로 연결하는 능력이 필수적입니다. 또한, 생물학적 지식과 데이터가 소수의 폐쇄적인 환경에 머물지 않고 오픈소스 소프트웨어처럼 개방된 플랫폼에서 공유될 때 과학은 더욱 빠르고 안전하게 발전할 수 있습니다. 이러한 개방형 환경은 다음 세대 연구자들에게 더 넓은 탐구의 장을 열어줄 것입니다.

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생명과학
뇌인지과학
융합

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #012 | 강준호 서울대 기계공학부 교수

현대 과학의 경계가 허물어지며 공학적 정밀함으로 생명 현상의 규칙을 찾아내려는 시도가 주목받고 있습니다. 물리학적 관점에서 복잡계인 생명을 바라보며 그 속에 숨겨진 패턴을 해독하는 과정은 단순한 관찰을 넘어 정밀 생체 계측학이라는 새로운 분야로 진화했습니다. 이는 세포의 물리적 특성을 측정하여 생물학적 상태를 이해하려는 시도로, 반은 공학자이자 반은 물리학자로서의 정체성을 가진 연구자들에 의해 주도되고 있습니다. 이러한 학문적 융합은 보이지 않던 생명의 규칙을 수치화하는 중요한 토대가 됩니다. 연구의 핵심은 세포의 질량, 강도, 밀도, 부피 등을 초정밀하게 측정하는 미세유체 공학 기술에 있습니다. 기존의 단편적인 측정 방식에서 벗어나, 세포의 전 생애 주기를 연속적으로 모니터링할 수 있는 '초정밀 세포 저울' 기술은 세포 분열 과정에서의 리모델링을 새로운 시각으로 보게 합니다. 특히 체세포 분열 시기에도 성장이 멈추지 않는다는 사실이나 에너지 소모 양상에 대한 새로운 발견은 기존 생물학적 통념을 뒤엎는 흥미로운 연구 결과로 평가받으며 세포 연구의 새로운 지평을 열고 있습니다. 이러한 물리적 특성 측정은 단순히 숫자를 기록하는 행위가 아니라 세포의 생물학적 상태를 추측하는 핵심 지표가 됩니다. 예를 들어 단일 세포의 질량 변화를 지속적으로 관측하면 시간당 성장률을 정밀하게 계산할 수 있으며, 이는 특정 약물이나 환경 조건에 따른 세포의 반응을 실시간으로 파악하게 해줍니다. 결국 물리적 표현형을 분석하는 기술은 생명체가 보여주는 겉모습 너머의 본질적인 변화를 읽어내는 강력한 도구로 활용될 수 있으며, 생명 과학의 다양한 질문에 대한 명확한 해답을 제공합니다. 인공지능 기술의 도입은 정밀 생체 계측학 분야에 또 다른 전환점을 가져왔습니다. 과거에는 기존 지식에 기반하여 특정 데이터 포인트만을 추출했다면, 이제는 인공지능이 방대한 데이터를 학습하여 인간이 인지하지 못했던 숨겨진 물리적 특성을 찾아냅니다. 이는 새로운 바이오마커의 발굴로 이어지며, 단일 세포 수준의 연구를 한 단계 업그레이드시킵니다. 특히 분자 유전학만으로는 설명하기 어려운 항암제 내성 등의 간극을 메우는 데 인공지능과 물리적 표현형 데이터의 결합이 향후 의생명 과학 분야에서 중추적인 역할을 할 것입니다. 미래의 과학도들에게는 유행하는 기술적 트렌드를 쫓기보다 자신만의 흥미에 집중할 것을 권합니다. 연구는 단기적인 성과에 일희일비하기보다는 수십 년을 내다보는 긴 호흡의 마라톤과 같기 때문입니다. 기초부터 천천히 다지며 즐겁게 지속 가능한 연구 환경을 스스로 구축하는 태도가 중요합니다. 분자 유전학적 정보와 다양한 물리적 표현형 데이터를 통합하여 생명 현상을 더욱 완벽하고 정확하게 설명해 나가는 과정은 결국 긴 시간을 견뎌내는 끈기 있는 탐구 정신에서 완성될 수 있습니다.

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물리학
생명과학
융합

세상🌏을 움직이는 분자의 마법🎇│선을 넘는 과학자들

현대 사회에서 에너지 문제는 점점 더 중요한 이슈로 부상하고 있습니다. 특히 재생에너지의 활용과 저장, 그리고 이를 통한 연료의 전환은 미래를 위한 필수적인 과제로 여겨집니다. 물분자를 전기분해하여 수소와 산소로 분리하고, 이 과정에서 생성된 수소에 태양에너지로부터 얻은 전력을 저장하는 기술은 '그린 수소'라는 이름으로 불리며 주목받고 있습니다. 이러한 그린 수소는 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지 자원으로, 다양한 플랜트와 모듈형 시스템을 통해 대량 생산이 가능해지고 있습니다. 이산화탄소와 수소를 결합하여 메테인과 같은 탄화수소 연료로 전환하는 기술은 에너지 저장과 활용의 새로운 가능성을 제시합니다. 수소의 저장과 운송이 어렵다는 한계를 극복하기 위해, 이산화탄소를 활용한 연료 변환 반응이 연구되고 있습니다. 이 과정에서 생성되는 다양한 연료와 화학물질은 기존의 석유 기반 연료와 유사한 성능을 보이며, 실제로 경유와 비교해도 품질 면에서 손색이 없습니다. 촉매의 종류에 따라 생성되는 물질이 달라지기 때문에, 다양한 산업적 응용이 가능하다는 점도 큰 장점입니다. 에너지 소비의 절반 이상이 난방과 같은 열 생산에 사용되고 있다는 사실은, 전기에너지의 비중이 늘어남에도 불구하고 여전히 열에너지의 중요성이 크다는 것을 보여줍니다. 태양광과 풍력 등 재생에너지의 비중이 증가하고 있지만, 전체 에너지 공급에서 차지하는 비율은 아직 미미한 수준입니다. 이에 따라 히트펌프와 같은 열에너지 효율화 기술이 각광받고 있으며, 냉난방 시스템의 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 히트펌프는 증발과 응축 과정을 이용해 낮은 온도의 열을 높은 온도로 이동시키는 원리로, 전기에너지와 결합해 에너지 절약에 크게 기여할 수 있습니다. 최근에는 기존의 증기압축식 히트펌프를 대체할 수 있는 흡착식 히트펌프 기술이 주목받고 있습니다. 흡착반응을 이용해 열을 저장하고 방출하는 이 방식은, 전기 없이도 열에너지를 효율적으로 이동시킬 수 있는 장점이 있습니다. 실리카겔이나 MOF와 같은 흡착제를 활용해, 물리적·화학적 흡착반응을 통해 냉매를 순환시키는 시스템이 개발되고 있습니다. 이러한 융합적 연구는 기계, 화학, 물리 등 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 새로운 에너지 시스템을 창출하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 미래 에너지 시스템은 무탄소 열원과 재생전력을 기반으로 한 다양한 저장 및 변환 기술의 융합이 핵심이 될 전망입니다. 그린 수소, 그린 암모니아, e-Fuel 등 새로운 에너지 매체의 개발과 함께, 대기 중 이산화탄소 포집 및 활용 기술도 점차 중요해지고 있습니다. 태양광 패널과 열저장 시스템, 흡착식 열 배터리 등 다양한 기술이 통합된 에너지 관리 시스템이 연구되고 있으며, 이를 통해 여름철 고온 환경에서도 효율적으로 냉수를 생산할 수 있는 방안이 모색되고 있습니다. 앞으로도 다양한 아이디어와 혁신이 더해진다면, 보다 지속가능하고 친환경적인 에너지 사회로 나아갈 수 있을 것입니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

물리학
화학
지구환경과학
융합

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #007 | 김종일 유전체의학연구소 소장

기초 의학은 환자를 직접 진료하는 임상 의학과 달리 인체의 구조와 기능, 질병의 기전을 연구하는 학문입니다. 유전체학은 우리 몸의 DNA와 RNA를 거대한 덩어리로 연구하는 분야로, 생명 현상의 근본을 탐구합니다. 많은 이들이 의대 교수를 병원의 의사로만 생각하지만, 기초 의학자들은 실험실에서 생명의 신비를 밝히고 질병 치료의 토대를 마련하는 데 집중합니다. 이는 의학의 발전뿐만 아니라 순수 과학으로서의 가치도 매우 크며, 질병의 원인을 분자 수준에서 이해하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 2009년 한국인 최초의 유전체 서열 분석 결과를 네이처(Nature)에 발표한 것은 국내 유전체 연구의 기념비적인 사건이었습니다. 당시 차세대 염기서열 분석 기술인 NGS가 막 등장했을 때, 연구팀은 직접 분석 도구를 개발하며 한국인만의 정밀한 유전체 지도를 완성했습니다. 비록 아시아인 최초라는 타이틀은 간발의 차로 놓쳤지만, 데이터의 정확성과 독창성을 인정받아 세계적인 주목을 받았습니다. 새로운 기술적 한계를 극복하며 얻어낸 이 결과는 한국 유전체학의 위상을 높이고 정밀 의료의 가능성을 여는 계기가 되었습니다. 유전체 연구를 통해 밝혀진 흥미로운 사실 중 하나는 한국인의 독특한 유전적 특징입니다. 인류의 조상은 본래 젖은 귀지를 가졌으나, 진화 과정에서 동쪽으로 이동하며 마른 귀지 형질이 나타났습니다. 한국인은 약 99.9%가 마른 귀지를 가지고 있는데, 이는 세계적으로도 매우 드문 높은 비율입니다. 유전적으로 열성 형질임에도 불구하고 특정 집단 내에서 이처럼 압도적인 비율을 보이는 현상은 인류 유전학적으로 매우 흥미로운 연구 대상이며, 우리 민족이 가진 고유한 유전적 동질성을 상징적으로 보여주는 사례이기도 합니다. 최근 유전체학 분야에서는 인공지능 기술이 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 특히 세포 하나하나를 분리해 분석하는 단일 세포 유전체 분석은 방대한 양의 데이터를 생성합니다. 수만 개의 세포에서 수만 개의 유전자 발현량을 측정하면 거대한 행렬 데이터가 만들어지는데, 여기서 의미 있는 생물학적 신호와 단순한 노이즈를 구분하기 위해 AI의 고도화된 통계 기법이 사용됩니다. 이를 통해 과거에는 불가능했던 정밀한 수준에서 세포의 상태 변화를 관찰하고, 현재의 건강 상태나 질병의 초기 징후를 포착하는 것이 가능해졌습니다. 미래의 의학은 공학, 자연과학과의 활발한 협업을 통해 더욱 발전할 것입니다. 의사 과학자들은 임상 현장의 문제의식을 바탕으로 기초 과학의 원리를 적용해 혁신적인 치료법을 제시할 수 있습니다. 이제는 선진국을 뒤쫓는 패스트 팔로워(Fast Follower)에서 벗어나, 세계적인 연구 흐름을 주도하는 리더로서 꿈을 크게 가져야 합니다. 캠퍼스 간의 장벽을 허물고 다양한 분야의 전문가들이 소통할 때, 인류의 건강을 증진시키는 창의적인 연구 성과가 지속적으로 창출될 수 있을 것입니다. 연구는 그 자체로 즐거운 여정이자 사회에 공헌하는 길입니다.

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[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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[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #003 | 백민경 생명과학부 교수

백민경 교수는 서울대학교 생명과학부에서 인공지능을 활용해 단백질 구조의 비밀을 탐구하고 있습니다. 학부 시절 실험보다 계산화학에 매력을 느껴 연구의 길로 들어선 그는, 단백질과 유기 분자의 상호작용을 예측하며 신약 개발의 가능성을 엿보았습니다. 특히 박사 과정 중 알파고와 알파폴드의 등장을 목격하며 인공지능이 생명 현상을 이해하는 핵심 도구가 될 것임을 직감했습니다. 이러한 통찰은 그가 단백질 구조 예측이라는 난제에 도전하는 중요한 계기가 되었습니다. 박사 학위 취득 후 그는 단백질 디자인의 대가인 데이비드 베이커 교수 연구실에서 포닥 과정을 시작했습니다. 당시 베이커 그룹은 딥러닝을 연구에 막 도입하던 단계였으며, 베이커 교수 스스로도 인공지능을 배우기 위해 직접 프로젝트를 수행할 만큼 열정적이었습니다. 백 교수는 이 역동적인 환경에서 딥러닝 기술을 익히며 단백질 구조 예측의 새로운 지평을 열 준비를 마쳤습니다. 지도교수와의 긴밀한 소통과 기술적 피드백은 그가 인공지능 전문가로 성장하는 데 밑거름이 되었습니다. 2020년 구글 딥마인드의 알파폴드 2가 압도적인 성과를 발표했을 때, 백 교수는 위기를 기회로 바꿨습니다. 구체적인 코드나 방법론이 공개되지 않은 상황에서 그는 단 한 장의 발표 슬라이드에 담긴 아이디어를 단서로 로제타폴드(RoseTTAFold) 개발에 착수했습니다. 성공 가능성에 대한 확신과 베이커 교수의 전폭적인 지원 덕분에 불과 몇 달 만에 알파폴드 2에 필적하는 성능의 모델을 완성할 수 있었습니다. 이는 과학적 호기심과 끈기가 만들어낸 쾌거이자, 인공지능 연구의 속도감을 보여주는 사례입니다. 최근 인공지능 분야의 노벨상 수상은 생명과학과 화학 연구의 패러다임 변화를 상징합니다. 특히 단백질 디자인 기술은 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하여 질병 치료제나 백신 개발에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 이는 단순히 의학적 용도에 그치지 않고 환경 친화적인 생분해성 소재 개발 등 산업 전반으로 파급력을 넓히고 있습니다. 인공지능은 이제 기초 과학의 한계를 넘어 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결하는 강력한 엔진으로 자리매김하고 있습니다. 백 교수의 궁극적인 목표는 세포 내 모든 생체 분자 간의 상호작용 지도를 완성하는 것입니다. 인공지능이라는 강력한 도구를 통해 생명 현상의 근본적인 원리를 이해하고, 이를 바탕으로 질병의 메커니즘을 규명하여 정밀한 신약 개발에 기여하고자 합니다. 그는 미래의 연구자들에게 자신의 전공에 매몰되지 않고 다양한 분야와 소통하는 융합적 사고를 강조합니다. 복잡한 생명의 신비를 풀기 위해서는 화학, 생물학, 컴퓨터 공학을 아우르는 폭넓은 시야와 협력이 무엇보다 중요하기 때문입니다.

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[인터뷰] ABC가 뭐야? 바이오X인공지능 200억 프로젝트 | 이현숙 서울대 생명과학부 교수

바이오 인공지능 연구단(ABC)은 인공지능이 바이오 분야에 혁신을 가져올 것이라는 확신에서 출발했습니다. 과거 알파고의 등장은 많은 이들에게 충격을 주었지만, 동시에 인공지능이 생명과학과 결합했을 때 발휘할 엄청난 잠재력을 예견하게 했습니다. 단순히 바둑을 두는 기술을 넘어, 복잡한 생명 현상을 해석하는 도구로서의 인공지능은 이제 선택이 아닌 필수적인 연구 수단이 되었습니다. 이러한 흐름 속에서 ABC는 새로운 과학적 탐구의 시작을 알리는 고유 명사로 자리 잡고 있습니다. 과학계에서 수십 년간 연구에 매진해 온 전문가라 할지라도, 급변하는 기술의 흐름을 놓치면 도태될 수 있다는 위기감이 존재합니다. 특히 알파폴드의 등장은 기존의 연구 방식만으로는 해결할 수 없는 새로운 영역이 열렸음을 시사했습니다. 이에 대응하기 위해 연구자 개인이 모든 코딩 기술을 익히기보다는, 각 분야의 최고 전문가들이 모여 협력할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것이 중요해졌습니다. 서로 다른 전공의 인재들이 한자리에 모여 질문을 공유하고 답을 찾아가는 과정이 바로 혁신의 핵심입니다. 대규모 기부금은 연구단 출범의 결정적인 동력이 되었으며, 이는 고성능 GPU 클러스터와 같은 필수 인프라를 구축하는 밑거름이 되었습니다. 서울대학교 내 자연대, 공대, 의대 등 다양한 학문적 배경을 가진 인재들이 대학별 안배 없이 오직 실력만으로 선발되어 유기적인 연구 체계를 갖추었습니다. 인공지능 기술과 생물학적 데이터, 그리고 임상 현장의 목소리가 결합할 수 있는 마당이 마련된 것입니다. 이러한 환경은 단순히 기술을 모방하는 수준을 넘어, 독창적인 질문을 던지고 해결하는 기반이 됩니다. 연구단 내부에서는 서로 다른 분야의 지식이 만나 새로운 가치를 창출하는 흥미로운 협업이 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어, 미세유체역학적 힘을 측정하는 공학 기술을 세포 노화나 분열과 같은 생물학적 운명 결정 연구에 도입하는 시도가 대표적입니다. 생물학자가 미처 생각하지 못한 물리적 관점을 공학자가 제시하고, 이를 인공지능으로 분석함으로써 이전에는 보지 못했던 생명의 신비를 밝혀내고 있습니다. 이러한 진정한 의미의 학문적 케미스트리는 기존의 경계를 허물고 새로운 연구 분야를 개척하는 원동력이 됩니다. 바이오 인공지능 연구의 궁극적인 목표는 인류의 건강과 삶의 질 향상에 기여하는 것입니다. 질병의 조기 진단과 저비용 진단 기술, 그리고 환자 맞춤형 치료법 개발은 인공지능이 가장 잘 해낼 수 있는 영역 중 하나입니다. 또한, 이러한 첨단 과학의 성과를 연구실 안에만 가두지 않고 대중과 적극적으로 소통하며 공유하는 것은 과학자의 중요한 책무입니다. 미래 세대에게 영감을 주고 국가 R&D 정책의 올바른 방향을 제시함으로써, ABC는 지속 가능한 과학 기술 생태계를 조성하는 초석이 되고자 합니다.

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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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융합

[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

[연구뭐하지?] 최첨단 기술의 집약체, 위성자료로 보는 원격탐사 기상학_이상무 교수 | 서울대학교 “위성기상 실험실”

위성기상학은 인공위성이 관측한 자료를 기상 및 기후 과학에 활용하는 학문으로, 현대 지구과학의 핵심적인 분야입니다. 이 학문은 크게 세 가지 세부 영역으로 나뉘는데, 첫째는 빛이 매질에 반응하여 위성에 도달하는 물리적 과정을 연구하는 복사 전달 분야입니다. 둘째는 관측된 빛에너지를 유의미한 지구환경 변수로 복원하는 원격 탐사 분야이며, 마지막으로 이렇게 얻어진 변수들을 분석하여 실제 기상 현상을 파악하는 응용 분야가 존재합니다. 이러한 체계적인 접근을 통해 우리는 직접 가보기 어려운 지구 곳곳의 상태를 정밀하게 진단할 수 있습니다. 최근 위성기상학 연구는 강수량, 북극 해빙의 변화, 해수면 바람장과 같은 핵심적인 지구환경 변수를 정밀하게 복원하는 데 집중하고 있습니다. 특히 복사 전달 모델은 지표나 대기에서 방출된 빛이 위성에 도달하는 과정을 이해하는 핵심 도구로 활용됩니다. 이를 통해 대기의 온도와 습도를 파악하는 알고리즘을 개발하고 검증하며, 전 지구적인 에너지 순환과 수문학적 순환을 분석합니다. 이러한 연구 데이터는 기후 변화의 시그널을 조기에 포착하고 미래의 환경 변화를 예측하는 데 필수적인 기초 자료를 제공하는 역할을 합니다. 인공위성은 24시간 내내 지구 궤도를 돌며 방대한 데이터를 수집하며, 이는 현대 기상 서비스의 중추적인 역할을 담당합니다. 우리가 매일 아침 확인하는 일기 예보는 물론, 태풍이나 홍수 같은 자연재해를 예방하고 인류의 생명을 보호하는 데 위성 자료가 결정적으로 기여하고 있습니다. 또한 장기간 축적된 위성 데이터는 단순한 기상 현상을 넘어 지구 온난화와 같은 거시적인 기후 변화의 흐름을 과학적으로 증명해 줍니다. 최첨단 기술의 집약체인 위성 자료는 이제 세상을 바라보고 이해하는 새로운 눈이 되어주고 있습니다. 지구는 물리, 화학, 생명 요소가 복합적으로 얽혀 있는 유기적인 시스템이기에 위성기상학은 다양한 학문과의 협업이 필수적입니다. 해양학에서는 해수면 바람장의 세기를 통해 대기와 해양 사이의 에너지 및 물질 교환을 연구하며, 지질학이나 국방, 통신 분야에서도 위성 자료를 활발히 활용하고 있습니다. 따라서 연구자는 자신의 전공 분야에만 매몰되지 않고 수학, 물리학, 사회과학 등 인접 학문에 대한 폭폭한 관심을 가져야 합니다. 이러한 융합적 사고와 타 분야와의 공감 능력은 복잡한 지구 환경 문제를 해결하는 중요한 열쇠가 됩니다. 위성기상학 연구를 위해서는 학부 과정에서 수학과 물리학 같은 기초 과학 지식을 탄탄히 쌓는 것이 무엇보다 중요합니다. 복잡한 물리 법칙과 방대한 계산량을 다루어야 하기에, 이론적 토대가 견고할수록 대학원 과정에서 깊이 있는 연구와 창의적인 아이디어 도출이 가능해집니다. 무엇보다 중요한 것은 새로운 지식을 습득하려는 의지와 복잡한 수식을 두려워하지 않는 마음가짐입니다. '하지 않는 것이지 하지 못하는 것이 아니다'라는 신념으로 꾸준히 노력한다면, 데이터 너머에 숨겨진 지구의 진리를 발견하는 값진 성취감을 맛볼 수 있을 것입니다.

이상무

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

[인터뷰] 곽지현 _ 뇌에 정보를 입력시켜 바로 학습하는 게 가능!?🧠 ｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연

서울대학교 뇌인지과학과 신경계산연구실은 뇌가 정보를 처리하는 원리를 수학적으로 규명하는 데 집중하고 있습니다. 동물 실험을 통해 시냅스 신경회로의 신호를 측정하는 동시에, 이를 바탕으로 뇌를 묘사하는 인공신경망 모델을 구축합니다. 이러한 융합적 접근은 실험만으로는 파악하기 어려운 뇌의 정보처리 이론을 정립하고, 복잡한 신경계의 작동 기전을 심도 있게 이해하는 발판이 됩니다. 궁극적으로는 생물학적 뇌와 인공지능 사이의 가교 역할을 수행하며 새로운 과학적 지평을 열어가고 있습니다. 수학에 매료되었던 학부 시절을 거쳐 신경과학의 길로 들어선 과정은 매우 흥미롭습니다. 수학 문제를 풀 때의 쾌감은 뇌가 어떻게 복잡한 계산을 수행하는지에 대한 호기심으로 이어졌습니다. 특히 전기생리학적 신호에 담긴 정보를 해석하는 연구에 매료되어 박사 과정을 마쳤으며, 현재는 수학적 모델링과 뇌과학을 결합한 연구를 수행 중입니다. 과거의 학문적 배경들이 현재의 융합 연구를 지탱하는 강력한 자산이 된 셈이며, 이는 뇌의 신비를 수치화하여 풀어내는 핵심적인 동력이 되고 있습니다. 2014년 노벨 생리의학상을 통해 알려진 장소세포와 격자세포는 우리 뇌 속에 내장된 GPS와 같습니다. 장소세포는 특정 위치를 인식하고, 격자세포는 공간의 좌표를 파악하여 우리가 길을 찾을 수 있게 돕습니다. 이러한 뇌의 공간 정보 처리 회로를 연구하면 인간의 인지 과정을 과학적으로 밝힐 수 있을 뿐만 아니라, 이를 모사한 고도의 자율주행 로봇이나 인공지능 개발 등 4차 산업혁명의 핵심 기술로도 확장될 수 있습니다. 뇌의 센서 기능을 이해하는 것은 곧 미래 기술의 밑거름이 됩니다. 뇌의 길 찾기 메커니즘 연구는 알츠하이머 치매와 같은 질병의 진단과 치료에도 중요한 실마리를 제공합니다. 치매 환자들이 겪는 대표적인 증상 중 하나는 익숙한 길을 잃어버리는 공간 인지 능력의 저하입니다. 따라서 뇌의 공간 정보 처리 회로가 어떻게 손상되는지를 면밀히 분석한다면, 치매의 전조 증상을 조기에 발견하는 진단 기술을 개발할 수 있습니다. 이는 고령화 사회에서 뇌과학이 기여할 수 있는 매우 실질적이고 중요한 연구 분야이며, 많은 환자에게 새로운 희망을 줄 수 있는 기술적 토대가 될 것입니다. 미래의 뇌과학은 뇌 신호를 해석하고 재구성하는 기술을 통해 혁신적인 변화를 맞이할 것입니다. 외부 정보를 뇌 신호로 바꾸는 과정과 발생한 신호에서 정보를 추출하는 기법이 정교해지면, 인간의 인지 능력을 확장하는 새로운 지평이 열릴 것입니다. 이를 위해서는 수학, 인공지능, 심리학, 철학 등 다양한 학문이 하나로 연결되는 융합적 노력이 필수적입니다. 여러 분야의 시너지가 모일 때 비로소 인류는 뇌라는 거대한 신비를 정복할 수 있을 것이며, 이러한 연결은 과학적 발전을 가속화하는 핵심적인 열쇠가 됩니다.

곽지현

카오스재단서울대자연과학공개강연

뇌인지과학

[강연] 제30회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학이 다시 연결하는...' (2) by 손상모, 백민경 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

서울대학교 자연과학 공개 강연이 어느덧 30주년을 맞이하며 과학 나눔의 소중한 가치를 되새기고 있습니다. 이번 강연의 핵심 주제인 '연결'은 과학이 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 보이지 않는 세계를 잇고 인류의 호기심을 현실로 만드는 가교임을 상징합니다. 거대한 우주의 기원부터 우리 몸속 미세한 단백질의 구조에 이르기까지, 과학은 서로 다른 영역을 하나의 맥락으로 묶어내며 인류가 나아갈 새로운 방향과 무한한 가능성을 제시하고 있습니다. 제임스웹 우주망원경은 인류가 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 혁신하고 있습니다. 허블 우주망원경의 뒤를 이어 더 멀리, 더 선명하게 우주 초기를 들여다보기 위해 설계된 이 망원경은 무려 135억 년 전의 빛을 추적합니다. 적외선 관측 기술을 통해 가시광선으로는 결코 볼 수 없던 우주 먼지 구름 너머의 별 탄생 과정과 초기 은하의 형성을 생생하게 포착함으로써, 우리는 우주의 기원과 인류의 뿌리에 대해 이전보다 훨씬 깊이 있는 이해를 얻게 되었습니다. 이 경이로운 망원경은 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 제2 라그랑주 점(L2)이라는 특수한 지점에서 임무를 수행합니다. 태양의 강력한 열기를 차단하는 테니스장 크기의 거대한 태양 차단막과 적외선을 효과적으로 반사하기 위해 순금으로 도금된 육각형 거울들은 현대 공학 기술의 정수를 보여줍니다. 영하 230도 이하의 극저온 환경을 유지하며 우주 끝에서 오는 미세한 신호를 포착해내는 기술력은 인류의 지적 탐구심이 도달할 수 있는 한계가 어디까지인지를 증명합니다. 거시적인 우주에서 시선을 돌려 우리 몸속의 미시 세계를 살펴보면 생명 현상의 핵심인 단백질이라는 경이로운 분자를 만나게 됩니다. 단백질은 우리 몸의 거의 모든 생체 반응에 관여하지만, 그 복잡한 3차원 구조를 정확히 밝혀내는 일은 과학계의 오랜 난제였습니다. 최근 인공지능 기술은 이 문제를 획기적으로 해결하며 생명과학의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 수개월에서 수년이 걸리던 구조 분석을 단 몇 시간 만에 정확히 예측해내며 신약 개발의 속도를 앞당기고 있습니다. 인공지능이 단백질 구조를 예측할 수 있는 비결은 수억 년에 걸친 진화의 역사 속에 숨겨진 패턴을 찾아내는 데 있습니다. 생명체가 생존을 위해 유지해온 단백질 서열의 변화를 분석하면, 특정 구조를 형성하기 위한 생물학적 규칙을 발견할 수 있습니다. 방대한 빅데이터와 인공지능 알고리즘의 결합은 복잡한 생물학적 원리를 데이터 과학의 언어로 재해석해냈습니다. 이러한 기술적 진보는 질병의 원인을 규명하고 맞춤형 치료제를 설계하는 데 있어 강력한 도구가 되고 있습니다. 현대 과학의 비약적인 발전은 단일 분야의 성과를 넘어 서로 다른 학문이 만날 때 비로소 가속화됩니다. 인공지능 전문가와 생물학자가 소통하며 새로운 알고리즘을 설계하고, 물리학과 화학의 원리가 정밀한 공학적 설계에 녹아드는 과정은 융합의 중요성을 잘 보여줍니다. 서로 다른 언어를 사용하는 전문가들 사이를 잇는 '브리징 피플'의 역할은 이제 필수적입니다. 학문 간의 경계를 허무는 유연한 사고와 협업이야말로 복잡한 현대 사회의 난제들을 해결하는 진정한 열쇠입니다. 포스트 코로나 시대를 맞이하며 우리는 단절되었던 관계를 회복하고 새로운 형태의 연결을 모색하고 있습니다. 과학은 과거의 빛을 통해 미래를 예측하고, 작은 분자의 구조를 통해 인류의 건강을 지키는 등 끊임없이 세상을 연결하는 역할을 수행합니다. 이번 강연은 과학이 단순한 학문적 유희를 넘어 우리 삶의 가치와 맥락을 잇는 소중한 매개체임을 다시 한번 일깨워주었습니다. 과학을 통해 넓어진 시야는 우리 각자가 꿈꾸는 미래를 더욱 선명하게 그려나가는 힘이 될 것입니다.

백민경, 손상모

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학
천문학

[질문과 토론의 과학 #31] ☀️🌙나노과학의 명암

나노 기술은 현대 과학의 정수이자 우리 삶의 모든 영역에 스며들어 있는 핵심 기술입니다. 2016년 노벨 화학상을 통해 주목받은 '분자 기계'는 나노 기술의 무한한 가능성을 보여주는 대표적인 사례입니다. 분자 수준에서 작동하는 초미세 모터는 1초에 수천만 번 회전하며 거대한 물체를 움직일 수 있는 힘을 가집니다. 이는 단순한 이론적 연구를 넘어 나노 기술이 실질적으로 인류의 삶에 깊숙이 들어오고 있음을 시사합니다. 보이지 않는 작은 세계에서 일어나는 혁신이 거대한 변화의 시작점이 되고 있습니다. 나노 기술은 의료와 바이오 분야에서도 혁명적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 특히 조직공학 측면에서 세포가 처한 나노 환경을 조절함으로써 줄기세포의 분화 방향을 결정하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 이는 미래에 손상된 장기나 신체 부위를 재생하는 기술로 이어져 인류의 건강과 복지 증진에 결정적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 에너지와 환경 문제를 넘어 인간의 생명 연장과 삶의 질 향상이라는 측면에서 나노 기술은 그 어떤 기술보다 강력한 임팩트를 지니고 있으며, 우리 사회의 미래를 재설계하는 동력이 되고 있습니다. 인류가 직면한 가장 시급한 과제인 환경 문제 해결에도 나노 기술의 역할은 막중합니다. 미세먼지와 미세 플라스틱 오염이 심화되고 화석 연료 소비가 지속적으로 증가하는 상황에서, 나노 기술은 오염 물질을 정밀하게 제어하고 에너지 효율을 극대화하는 해법을 제시합니다. 과학은 단순히 지적 호기심을 충족하는 도구에 그치지 않고, 사회적 책무를 다하며 당면한 위기를 극복하는 실천적 수단이 되어야 합니다. 환경 악화를 늦추고 지속 가능한 지구를 만드는 과정에서 나노 기술은 인류의 생존을 위한 필수적인 방패 역할을 수행하게 될 것입니다. 기술의 발전은 혜택의 불평등이라는 새로운 사회적 고민을 안겨주기도 합니다. 고가의 유전자 가위 기술이나 첨단 재생 의료가 특정 계층의 전유물이 되지 않도록, 소외된 지역과 계층을 위한 적정 기술 개발이 병행되어야 합니다. 제3세계의 질병을 조기에 진단할 수 있는 저가형 진단 키트 개발은 나노 기술이 추구해야 할 인도적 가치를 잘 보여줍니다. 기술적 진보가 빈부 격차를 심화시키는 도구가 아니라, 인류 전체의 보편적 복지를 향상시키는 방향으로 나아가도록 정책적인 고려와 과학자들의 윤리적 성찰이 반드시 뒷받침되어야 합니다. 나노 기술의 성공적인 안착을 위해서는 기술의 양면성을 이해하고 안전성을 확보하는 노력이 필수적입니다. 나노 물질이 인체와 생태계에 미치는 영향을 정밀하게 예측하고 표준화된 안전 기준을 마련하는 작업은 기술 상용화의 전제 조건입니다. 또한 나노 기술은 물리, 화학, 생물, 공학 등 다양한 학문이 어우러지는 융합 연구의 모범 사례로서, 학문 간의 경계를 허물고 새로운 가치를 창출하고 있습니다. 이러한 다학제적 협력과 철저한 안전 검증을 통해 나노 기술은 4차 산업혁명 시대를 이끄는 가장 안전하고 윤택한 밑거름이 될 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[질문Q] 금나노입자가 금색이 아닌 이유? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강

과학의 여정에서 가장 중요한 동력은 멈추지 않는 질문과 호기심입니다. 나노과학 역시 나노 크기의 소재가 가진 특이한 현상에 대한 순수한 흥미에서 시작되었습니다. 과학자는 미래의 응용 가능성과 사회적 기여를 고민하지 않을 수 없지만, 그 근간에는 항상 '왜 그럴까'라는 원초적인 물음이 자리 잡고 있습니다. 이러한 호기심은 우리가 아직 알지 못하는 자연과 우주의 비밀을 밝히고 지식의 영역을 조금씩 넓혀가는 소중한 출발점이자 과학의 본질입니다. 현대 과학 연구는 기초 연구와 응용 연구 사이의 균형이라는 중요한 과제에 직면해 있습니다. 많은 연구가 국민의 세금으로 조성된 연구비를 통해 이루어지는 만큼, 사회적 문제를 해결하고 실질적인 도움을 주는 기술을 개발하는 것은 과학자의 당연한 책무입니다. 하지만 기초 과학에 대한 지원이 응용 분야에 비해 부족한 현실은 반드시 개선되어야 합니다. 문제를 해결하기 위한 창의적인 아이디어와 지적 호기심이 극대화될 때 비로소 현대 과학이 지향해야 할 진정한 혁신과 발전이 가능하기 때문입니다. 과학적 발견이 실생활의 기술로 구현되기까지는 생각보다 오랜 인고의 시간이 필요합니다. 1980년대 초반에 태동한 나노기술이 40여 년이 지난 지금에야 가시적인 성과를 내고 있는 것이 그 증거입니다. 우리가 현재 누리는 컴퓨터와 전자공학 기술 역시 이미 1920년대 물리학자들이 정립해 놓은 기초 원리에 기반하여 수십 년 뒤에야 구현되었습니다. 이처럼 기초적인 호기심과 응용은 서로 분리된 것이 아니라, 긴 시간을 두고 함께 호흡하며 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 동반자 관계라고 할 수 있습니다. 나노 세계에서는 입자의 크기와 모양에 따라 물질의 안정성과 특성이 흥미롭게 변화합니다. 예를 들어 양자점은 입자가 커질수록 표면의 계면활성제 간 상호작용으로 인해 둥근 모양보다 면이 있는 구조가 더 안정적인 상태가 됩니다. 또한 원자 단위의 정밀한 관찰을 가능하게 하는 주사 탐침 현미경 기술은 나노 세계를 이해하는 핵심적인 도구입니다. 아무리 뭉툭해 보이는 탐침이라도 그 끝에는 결국 하나의 원자가 존재하며, 이를 통해 원자 사이의 거리를 정밀하게 제어함으로써 나노 수준의 이미지를 얻어낼 수 있습니다. 나노 물질이 보여주는 특별한 색깔은 빛의 파장과 소재의 크기 사이의 상호작용에서 비롯됩니다. 가시광선의 파장보다 작은 금 나노입자의 경우, 빛의 전기장 안에서 입자 내부의 전자들이 전체적으로 출렁거리는 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생합니다. 이는 일반적인 염료가 분자 오비탈의 에너지 간격에 따라 특정 빛을 흡수하는 것과는 다른 원리입니다. 소재가 빛의 파장 안으로 쏙 들어갈 만큼 작아질 때 발생하는 이러한 독특한 광학적 특성은 나노과학만이 가진 독보적인 매력이자 연구의 가치라고 할 수 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[질문과 토론의 과학 #16] 📊 수리생물학 : 생명현상을 바라보는 수학

수리생물학은 생체 시계 연구를 넘어 우리 삶과 밀접한 다양한 생명 현상을 탐구합니다. 암이나 에이즈 같은 중대 질병의 기전을 파악하는 것부터 조류 인플루엔자나 구제역의 전파 경로를 예측하는 모델링까지 그 범위가 매우 넓습니다. 최근에는 간호사의 교대 근무 스케줄을 최적화하여 수면의 질을 높이거나, 가뭄 상황에서 식물이 겪는 분자적 변화를 추적하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 박테리아 간의 소통 방식이나 뇌의 인지 구조를 밝히는 일 또한 수학의 힘을 빌려 해결하고 있는 흥미로운 과제들입니다. 생명 현상을 설명하기 위해 미분방정식 외에도 확률, 통계, 제어 이론 등 다채로운 수학적 도구가 동원됩니다. 특히 위상수학은 복잡하게 꼬인 DNA 구조나 뇌의 연결망을 분석하는 데 필수적이며, 대수학은 생물 분류 체계를 정립하는 데 기여합니다. 수백 개의 변수가 얽힌 유전자 조절 네트워크를 분석할 때는 그래프 이론이 사용되며, 데이터가 부족한 상황에서는 역 문제 이론을 통해 필요한 파라미터를 추정하기도 합니다. 이처럼 수학은 생명의 신비를 푸는 열쇠로서 기초 학문부터 응용 분야까지 어디에나 존재하며 그 역할을 다하고 있습니다. 산업응용수학은 의료, 감염병, 공학 등 실제 사회 문제를 해결하는 데 앞장서고 있습니다. 국내 연구진은 100년 동안 사용되던 약물 분해 속도 추정식의 한계를 발견하고, 이를 보완하여 더 정확한 예측 모델을 개발하는 성과를 거두었습니다. 또한 암호 이론을 활용해 개인 정보를 보호하면서도 신용을 평가하는 기술을 세계 최초로 구현하거나, 지문 조각만으로 신원을 확인하는 알고리즘을 개발하기도 했습니다. 금융권의 퀀트 모델 역시 수학적 계산을 산업화한 대표적인 사례로, 수학이 단순한 이론을 넘어 국가 경쟁력과 직결됨을 보여줍니다. 성공적인 융합 연구를 위해서는 학문 간의 장벽을 허무는 노력이 필요합니다. 신약 개발 과정에서 발생하는 천문학적인 실험 비용을 절감하기 위해 수학적 시뮬레이션을 도입하는 것은 이미 세계적인 추세입니다. 하지만 수학자가 질병 관리나 정책 결정 과정에 참여하기 위해서는 여전히 사회적 인식 개선과 제도적 지원이 절실합니다. 연구자들이 방대한 데이터에 원활하게 접근할 수 있는 환경이 조성되어야 하며, 서로 다른 분야의 전문가들이 열린 마음으로 협력할 수 있는 융복합 문화가 학교와 연구 현장에 뿌리내려야 합니다. 융합 연구자의 핵심 자질은 상대방의 언어로 소통하는 능력입니다. 수학적 증명보다는 생물학이나 의학의 언어로 수식을 설명하고, 매주 이어지는 토론을 즐겁게 이끌 수 있는 유연한 태도가 중요합니다. 교육 측면에서도 변화가 요구됩니다. 학생들이 수학이 실제 세상에서 어떻게 쓰이는지 체험할 수 있도록 교과 과정을 구성하되, 동시에 어떤 문제든 해결할 수 있는 탄탄한 수학적 기초 체력을 길러주어야 합니다. 순수 수학의 깊이와 응용 수학의 넓이가 조화를 이룰 때, 비로소 수학은 세상을 바꾸는 진정한 힘을 발휘할 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[질문과 토론의 과학 #14] 🎮게임이론의 예 : 짝짓기 알고리즘

과거 인기 예능 프로그램에서 보았던 남녀 짝짓기 방식이 노벨 경제학상과 관련이 있다는 사실은 매우 흥미롭습니다. 1962년 수학자 로이드 셰이플리와 데이비드 게일은 '대학 입학과 결혼의 안정성'이라는 논문을 통해 게일-셰이플리 알고리즘을 발표했습니다. 이 알고리즘은 서로에 대한 선호도를 가진 두 집단 사이에서 가장 안정적 매칭을 찾아내는 수학적 방법론입니다. 단순히 예능의 재미를 넘어, 복잡한 사회적 관계 속에서 최적의 선택을 이끌어내는 이론적 토대를 마련한 것입니다. 안정적 매칭이란 모든 구성원이 짝을 찾고, 그 결과에 대해 누구도 이의를 제기하지 않는 상태를 의미합니다. 즉, 이미 정해진 상대보다 더 선호하는 다른 대상과 서로 눈이 맞아 기존의 관계를 깨뜨릴 가능성이 없는 상태입니다. 이 이론은 남녀의 만남뿐만 아니라 학생과 학교의 배정, 장기 기증자와 환자의 연결 등 다양한 분야에 적용됩니다. 앨빈 로스 교수는 이를 병원 레지던트 배치와 뉴욕 공립학교 배정 문제에 실제로 적용하여 그 효율성을 입증했고, 2012년 노벨 경제학상을 수상했습니다. 알고리즘의 작동 방식은 의외로 직관적입니다. 한 집단이 자신이 가장 선호하는 상대에게 먼저 제안을 하고, 제안을 받은 쪽은 더 나은 선택지가 나타날 때까지 현재의 제안을 잠정적으로 수용합니다. 만약 더 선호하는 상대가 나타나면 기존의 짝을 거절하고 새로운 짝을 선택하는 과정을 반복합니다. 이러한 충돌과 재매칭의 과정을 거치다 보면, 결국 더 이상의 변화가 일어나지 않는 안정적 상태에 도달하게 됩니다. 이는 각자의 선호가 분명하다면 반드시 최선의 해답을 찾을 수 있다는 수학적 확신을 제공합니다. 매칭 이론이 경제학에서 중요하게 다뤄지는 이유는 사회적 자원의 낭비를 막아주기 때문입니다. 예를 들어, 적성에 맞지 않는 대학에 진학하거나 직장에 들어간 후 조기에 그만두는 현상은 개인과 사회 모두에게 큰 손실입니다. 만약 처음부터 정교한 알고리즘을 통해 서로의 선호가 최대한 반영된 매칭이 이루어졌다면, 이러한 중도 포기나 재시험 같은 비효율을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 이는 단순히 짝을 짓는 문제를 넘어, 한정된 자원을 가장 만족스러운 방식으로 배분하는 고도의 전략입니다. 게일-셰이플리 알고리즘은 우리가 일상에서 겪는 선택의 고민을 과학적이고 체계적인 시스템으로 해결할 수 있음을 보여줍니다. 이 이론은 단순히 수학적 유희에 그치지 않고 병원, 학교, 기업 등 다양한 조직에서 구성원들의 만족도를 높이는 실질적인 도구로 활용되고 있습니다. 게임이론의 한 분야인 매칭 이론이 현대 사회의 복잡한 이해관계를 조정하는 데 얼마나 중요한 역할을 하는지 알 수 있습니다. 이처럼 수학적 논리는 우리의 삶을 더욱 효율적이고 공정하게 만드는 강력한 힘을 지니고 있습니다.

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[선포식] 대학과 함께하는 2022 UN 세계기초과학의 해 한국 선포식

기초과학은 인류 문명의 근간이자 지속 가능한 발전을 위한 핵심적인 토대입니다. UN이 2022년을 '세계 기초과학의 해'로 지정한 것은 기후 위기, 감염병, 에너지 문제 등 인류가 직면한 거대한 난제들을 해결하는 데 기초과학의 역할이 그 어느 때보다 중요해졌음을 의미합니다. 기초과학은 당장의 실용적 이익을 넘어 자연의 이치를 탐구하고 새로운 지식의 지평을 넓힘으로써 미래 세대에게 더 나은 세상을 물려줄 수 있는 원동력이 됩니다. 한국의 기초과학은 일제강점기 민족 과학 운동을 시작으로 1960년대 정부의 본격적인 진흥 정책을 거쳐 비약적인 발전을 이루어왔습니다. 초기에는 선진국의 기술을 습득하는 데 주력했으나, 점차 독자적인 연구 역량을 강화하며 세계적인 수준의 성과를 창출하는 단계에 이르렀습니다. 이러한 역사는 단순한 기술 발전을 넘어 우리 사회 전반에 과학적 사고방식을 확산시키고 국가 경쟁력을 높이는 데 결정적인 기여를 해왔음을 보여줍니다. 대학은 기초과학 연구와 교육이 공존하는 가장 중요한 현장입니다. 학문의 축적과 후속 세대 양성이 이루어지는 대학의 기초 연구 역량은 국가 과학기술의 뿌리와도 같습니다. 하지만 최근 대학 내 기초과학의 입지가 좁아지고 학과 통폐합 등의 위기를 겪으면서 연구 생태계의 근간이 흔들리고 있습니다. 기초과학의 지속적인 발전을 위해서는 대학이 연구에 몰입할 수 있는 안정적인 환경을 조성하고, 장기적인 관점에서의 투자가 반드시 뒷받침되어야 합니다. 현대 과학은 우주의 기원과 생명의 신비를 밝히기 위해 첨단 기술을 적극적으로 활용하고 있습니다. 전파 간섭계와 적외선 우주 망원경을 통해 원시별 주위의 행성계 원반을 관측하고, 그 속에 포함된 유기 분자의 화학적 성분을 분석하는 연구가 대표적입니다. 이러한 시도는 지구가 어떻게 형성되었는지, 그리고 생명 현상을 일으키는 물질들이 우주 어디에서 왔는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며 인류의 지적 지평을 우주적 규모로 확장하고 있습니다. 생명과학 분야에서도 인공지능 기술의 도입으로 혁신적인 변화가 일어나고 있습니다. 수많은 아미노산의 결합으로 이루어진 단백질의 3차원 구조를 예측하는 인공지능 모델은 질병의 원인을 규명하고 신약을 개발하는 데 획기적인 전기를 마련했습니다. 기초과학 연구를 통해 축적된 방대한 데이터와 디지털 기술의 융합은 생명 현상에 대한 이해를 심화시킬 뿐만 아니라, 인류의 건강과 안전을 지키는 실질적인 해결책을 제시하며 기초과학의 무궁무진한 응용 가능성을 증명하고 있습니다. 그러나 화려한 성과 이면에는 연구 인력 부족과 지역 대학의 위기라는 엄중한 현실이 놓여 있습니다. 특히 학문 후속 세대인 대학원생들이 겪는 경제적 어려움과 불투명한 진로는 기초과학의 미래를 위협하는 심각한 요소입니다. 연구비 지원의 불균형과 수도권 집중 현상은 지역의 과학 혁신 동력을 약화시키고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 연구자들의 처우 개선과 더불어 실패를 용인하고 도전적인 연구를 장려하는 사회적 문화가 정착되어야 합니다. 기초과학의 위기를 극복하고 새로운 도약을 이루기 위해서는 정부와 대학, 그리고 시민 사회의 공동 노력이 필요합니다. 기초과학은 단순히 과학자들만의 영역이 아니라 우리 모두의 삶을 풍요롭게 만드는 문화적 자산입니다. 2022년 세계 기초과학의 해를 기점으로 기초과학의 가치에 대한 사회적 공감대가 확산되고, 이를 뒷받침하는 체계적인 법적·제도적 기반이 강화되기를 기대합니다. 튼튼한 기초과학의 뿌리 위에서만 인류의 지속 가능한 미래라는 열매를 맺을 수 있습니다.

김근배, 박기범, 백민경, 성창원, 이상욱, 이석봉, 이정은, 최성희, 하유경

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물리학
생명과학
천문학
융합

[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

[강연] '새로운 발견을 위한 과학' by 염한웅, 현택환, 명경재 l IBS x KAOS 기초과학 석학 강연

기초과학연구원(IBS) 설립 10주년과 카오스 재단의 설립을 기념하는 이번 강연은 '새로운 발견을 위한 과학'이라는 주제로 진행되었습니다. 기초과학은 인류의 지식 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하며, 이번 행사는 세계적인 석학들이 모여 그간의 연구 성과와 미래 비전을 공유하는 뜻깊은 자리였습니다. 수학, 물리, 화학, 생명과학 등 다양한 분야의 융합을 통해 우리 삶을 변화시킬 새로운 가능성을 모색하는 과정은 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌, 인류의 미래를 설계하는 도구임을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 생명체의 설계도인 DNA는 네 개의 염기서열로 구성되어 방대한 유전정보를 저장합니다. 하지만 이 정보는 외부 자극이나 복제 과정에서의 오류로 인해 끊임없이 손상될 위험에 처해 있습니다. 유전체 항상성 연구는 이러한 손상을 복구하고 유전정보를 안정적으로 유지하는 생명체의 노력을 탐구합니다. DNA 수선 기작이 제대로 작동하지 않으면 암이나 노화와 같은 심각한 질병으로 이어질 수 있기에, 이를 정밀하게 이해하는 것은 생명과학의 근본적인 과제이자 질병 정복을 위한 첫걸음이 됩니다. 암세포만을 선택적으로 제거하기 위한 혁신적인 기술인 '신델라(CINDELA)'는 유전자 가위를 활용하여 암세포 특유의 유전적 변이인 인델(Indel)을 타격합니다. 기존의 방사선이나 항암 치료가 정상 세포까지 손상시키는 한계를 극복하기 위해, 암세포에만 존재하는 특정 염기서열을 정밀하게 찾아내어 절단함으로써 암세포의 사멸을 유도합니다. 이는 환자 개개인의 유전정보를 분석하여 맞춤형 치료제를 제작하는 정밀 의료의 시대를 열어줄 것으로 기대되며, 기초과학의 발견이 어떻게 실질적인 의료 혁신으로 이어지는지를 보여주는 사례입니다. 현대 정보통신 문명의 핵심인 반도체 기술은 트랜지스터의 미세화가 한계에 다다르며 전력 소모와 발열이라는 거대한 장벽에 직면해 있습니다. 원자 수준의 크기에서는 기존의 물리법칙만으로는 소자를 제어하기 어려워지며, 이를 해결하기 위해 에너지 손실 없이 정보를 전달하고 처리할 수 있는 새로운 패러다임이 요구됩니다. 저항에 의한 에너지 낭비를 최소화하고 한 번의 충전으로 훨씬 오랜 시간 사용할 수 있는 차세대 소자 개발은 지속 가능한 미래 기술 사회를 구현하기 위한 물리학계의 핵심적인 도전 과제입니다. ‘솔리토닉스’는 에너지를 잃지 않고 모양을 유지하며 진행하는 특수한 파동인 솔리톤을 정보 처리의 매개체로 활용하는 기술입니다. 전자계 내에서 발생하는 솔리톤은 저항 없이 움직일 수 있을 뿐만 아니라, 입자 간의 상호작용을 통해 다진법 연산을 수행할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 기존의 이진법 체계를 넘어선 획기적인 연산 방식을 가능하게 하며, 소자 구조의 복잡성을 줄이면서도 연산 효율을 극대화할 수 있는 길을 제시합니다. 한국 연구진이 주도하는 이 분야의 연구는 미래 반도체 시장의 판도를 바꿀 게임 체인저가 될 것입니다. 나노과학 분야에서는 입자의 크기를 균일하게 조절하는 것이 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. '승온법'과 같은 혁신적인 합성 기술은 복잡한 분리 과정 없이도 고품질의 나노입자를 대량으로 생산할 수 있는 길을 열었으며, 이는 디스플레이와 백신 등 다양한 산업 분야에 응용되고 있습니다. 세계적인 연구 성과는 단순히 천재적인 영감에서 오는 것이 아니라, 수많은 논문을 읽고 분석하며 기존 지식을 창의적으로 재조합하는 인내의 과정에서 탄생합니다. 또한, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합 연구는 현대과학의 복잡한 난제를 해결하는 열쇠가 됩니다. 새로운 발견을 향한 여정은 남들이 가지 않은 길을 두려워하지 않고 끈기 있게 탐구하는 자세에서 시작됩니다. 기초과학 연구는 당장의 가시적인 성과보다 인류의 근원적인 질문에 답하고 미래의 기술적 토대를 마련하는 데 중점을 둡니다. 과학자와 대중 사이의 활발한 소통은 과학적 사실에 기반한 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되며, 연구에 대한 국민적 지지는 과학 기술 발전을 지속시키는 원동력이 됩니다. 지난 10년의 성과를 바탕으로 앞으로의 기초과학은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 건강하게 만드는 새로운 발견의 시대를 열어갈 것입니다.

명경재, 염한웅, 현택환

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물리학
화학
생명과학
융합

[인터뷰] 천진우_나노의학과 자기유전학(Feat.연구주제 선정방법)ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노과학은 아주 작은 크기의 세계를 다루는 학문으로, 현대의학에서 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. 대표적인 사례가 바로 mRNA(메신저 RNA) 백신입니다. 불안정한 유전자 정보인 mRNA를 100나노미터 크기의 나노캡슐에 담아 인체에 안정적으로 전달함으로써, 우리 몸이 스스로 항체를 형성할 수 있게 돕습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 진단과 생체 현상 관찰, 그리고 정밀한 자극 기술까지 아우르는 융합과학의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 과학 연구의 동력은 새로운 현상에 대한 호기심과 도전적인 문제를 해결하려는 의지에서 비롯됩니다. 남들이 시도하지 않은 영역에서 창의성을 발휘할 때 학문적 중요성이 커지기 때문입니다. 과거 1990년대 후반에는 나노입자 연구가 생소한 분야였으나, 수십 년간 지식이 축적되면서 이제는 더 정밀하고 고도화된 단계로 진화하고 있습니다. 과학자들은 기존의 지식에 안주하지 않고, 양자점이나 새로운 나노물질을 바이오 분야에 접합하는 등 끊임없이 새로운 연구 영역을 개척해 나갑니다. 뇌과학은 인류에게 여전히 미지의 영역이자 가장 정복하기 어려운 분야 중 하나로 꼽힙니다. 최근 주목받는 자기유전학은 자기장을 이용해 뇌신경세포인 뉴런의 신호를 제어하는 혁신적인 기술입니다. 이는 유전공학 기법과 나노과학이 결합한 융합과학의 결정체라고 할 수 있습니다. 기존의 전기적 자극이나 빛을 이용한 방식보다 훨씬 정교한 접근이 가능하며, 뇌의 깊은 곳까지 신호를 전달할 수 있다는 점에서 과학적 성과와 발전 가능성이 매우 큰 분야로 기대를 모으고 있습니다. 자기유전학이 광유전학보다 유리한 점은 뛰어난 생체 침투력에 있습니다. 빛은 인체 조직을 통과하는 힘이 약해 정밀한 관찰에는 용이하지만 깊은 곳까지 도달하기 어렵습니다. 반면 자기장은 몸속 깊숙한 곳까지 무선으로 전달될 수 있습니다. 자성나노입자를 뉴런의 이온채널에 접합하여 '자기수용체'를 만들면, 외부 자기장에 반응해 이온채널이 열리고 닫히며 뇌 신호를 원격으로 제어할 수 있게 됩니다. 이러한 무선 제어 방식은 뇌 질환 치료와 면역 시스템 활성화에 새로운 길을 열어줍니다. 하나의 가설을 실험적으로 증명하는 과정은 수많은 연구자의 인내와 협력이 필요한 긴 여정입니다. 자기유전학 연구 역시 나노물질 합성부터 유전공학, 뇌과학 실험에 이르기까지 방대한 단계를 거쳐야 하기에 융합과학으로서의 체계가 필수적입니다. 화학자, 생명과학자, 소재공학자, 그리고 의사가 함께하는 '팀 사이언스'는 개별 연구로는 도달하기 힘든 거대한 과학적 성취를 가능하게 합니다. 이러한 협력은 나노의학이 실질적으로 인류의 건강과 삶의 질을 향상시키는 데 기여하는 밑거름이 됩니다.

천진우

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생명과학
융합

[강연] 제28회 2021 서울대 자연과학 공개강연_'불확실한 세계, 그래서 과학'

현대 사회는 거대하고 복잡한 불확실성으로 가득 차 있습니다. 기후 변화부터 감염병의 확산까지, 우리가 마주하는 현실은 한 개인이 온전히 이해하기에는 너무나 방대합니다. 이러한 혼돈 속에서 과학은 단순한 지식의 나열을 넘어, 세상을 투명하게 바라보게 하는 나침반 역할을 수행합니다. 과학자들은 보편적 원리를 탐구함으로써 복잡한 현상 이면에 숨겨진 불변의 법칙을 찾아내고, 이를 통해 미래를 예측하며 인류가 나아갈 방향을 제시합니다. 불확실한 세계일수록 과학적 사고는 더욱 빛을 발하며 우리 삶의 근간을 지탱하는 강력한 도구가 됩니다. 수학은 불확실성 속에서 질서를 찾아내는 가장 강력한 언어입니다. 주사위를 던지는 사소한 행위부터 바이러스의 확산 경로를 예측하는 일까지, 수학은 '큰 수의 법칙'이나 '감염 재생산 지수'와 같은 개념을 통해 복잡한 데이터를 유의미한 정보로 변환합니다. 특히 확률적 모델을 통해 집단 면역의 임계점을 계산하거나 상전이를 이해하는 과정은 수학이 현실 세계와 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 잘 보여줍니다. 수학적 소양을 기르는 것은 단순히 공식을 외우는 것이 아니라, 세상의 겉모습에 현혹되지 않고 그 중심에 흐르는 보편적 원리를 꿰뚫어 보는 통찰력을 갖추는 과정입니다. 지구 표면의 대부분을 차지하는 바다는 여전히 인류에게 미지의 영역으로 남아 있습니다. 전 세계 바다의 80% 이상이 아직 탐사되지 않았으며, 심해의 지형은 달의 표면보다도 덜 알려져 있습니다. 하지만 아르고 플로트와 같은 첨단 무인 관측 장비와 인공위성을 활용한 현대 해양학은 바다의 운동과 기후 변화의 상관관계를 정밀하게 추적하고 있습니다. 바다는 지구에 축적된 열에너지의 90%를 흡수하며 기후 조절자 역할을 수행합니다. 해류의 흐름과 수온 변화를 이해하는 것은 엘니뇨와 같은 기상 이변에 대비하고, 해양 생태계와 인류의 공존을 도모하는 데 필수적인 과제입니다. 우리 몸의 설계도인 DNA는 G, A, T, C라는 네 종류의 염기로 기록된 방대한 정보의 집합체입니다. 31억 자에 달하는 인간 유전체를 해독하기 위한 '인간 게놈 프로젝트'는 생명과학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 유전체 지도를 확보함으로써 인류는 희귀 질환의 원인을 규명하고 환자 맞춤형 정밀 의료를 실현할 수 있는 기반을 마련했습니다. 특히 최근의 시퀀싱 기술 발전은 코로나19 바이러스의 정체를 신속히 파악하고 백신을 단기간에 설계하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 유전 정보의 해독은 생명의 신비를 밝히는 것을 넘어 인류의 건강과 생존을 지키는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 효소는 생명체 내에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 관장하는 정교한 촉매제입니다. 수백 년이 걸릴 수 있는 소화 과정을 단 몇 시간으로 단축하는 효소의 능력은 현대 과학 기술로도 완벽히 모사하기 어려울 만큼 경이롭습니다. 과학자들은 '유도 진화'와 같은 혁신적인 기법을 통해 자연계에 존재하는 효소의 기능을 개량하거나, 플라스틱을 분해하는 새로운 효소를 설계하는 등 환경 문제 해결에 도전하고 있습니다. 아미노산 서열의 미묘한 변화가 거대한 구조적 차이를 만들어내는 효소의 세계는 마치 작은 우주와 같습니다. 이러한 거대 분자에 대한 연구는 지속 가능한 미래를 위한 화학적 해답을 제시합니다. 현대 과학의 성과는 수학, 해양학, 생명과학, 화학 등 서로 다른 분야의 지식이 융합될 때 더욱 극대화됩니다. 수학적 모델링은 감염병 방역 정책의 근거가 되고, 해양 관측 데이터는 기후 위기 대응의 기초가 되며, 유전체 분석과 효소 공학은 신약 개발의 핵심이 됩니다. 과학자들은 각자의 영역에서 미지의 세계를 탐구하지만, 결국 그들의 목적지는 인류가 직면한 불확실성을 해소하고 더 나은 세상을 만드는 것이라는 점에서 일치합니다. 학문 간의 경계를 허무는 협력과 소통은 복잡해지는 지구촌 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 전략이며, 과학이 가진 진정한 힘은 바로 이러한 연결에서 나옵니다. 과학의 출발점은 주변 현상에 대한 사소한 호기심이며, 그 결실을 맺게 하는 동력은 포기하지 않는 끈기입니다. 보이지 않는 심해를 탐사하고, 보이지 않는 유전자를 읽어내며, 보이지 않는 분자의 세계를 설계하는 과정은 끊임없는 도전의 연속입니다. 불확실한 세계는 우리에게 두려움을 주기도 하지만, 동시에 과학이라는 도구를 통해 탐험할 수 있는 무한한 기회를 제공합니다. 질문을 멈추지 않고 진리를 찾아 나가는 과학적 태도는 미래 세대가 갖추어야 할 가장 소중한 가치입니다. 호기심을 잃지 않고 학문에 정진할 때, 우리는 비로소 불확실성을 확신으로 바꾸며 새로운 시대를 열어갈 수 있을 것입니다.

나한나, 서인석, 송윤주, 장혜식

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학
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지구환경과학
수학

[석학인터뷰] 신현정_ 의료분야의 인공지능, 블루오션이죠 | 2020 가을 카오스강연 'Ai X'

인공지능과 바이오메디컬의 결합은 높은 진입 장벽만큼이나 독보적인 가치를 지닙니다. 명확한 논리로 구성된 IT 분야와 달리, 생물학은 정답이 정해져 있지 않은 복잡성을 지니고 있어 두 분야를 동시에 섭렵한 전문가는 희소성을 갖게 됩니다. 이러한 융합 연구는 단순히 기술을 적용하는 것을 넘어, 서로 다른 학문적 특성을 이해하고 조화시키는 과정에서 새로운 가능성을 발견하는 재미를 선사합니다. 낯선 분야에 도전하여 지긋이 연구를 이어가는 인내심은 결국 누구도 쉽게 넘볼 수 없는 유니크한 경쟁력이 됩니다. 산업공학을 전공하며 프로그래밍과 신경망 구축에 매진했던 경험은 인공지능 연구의 든든한 밑거름이 되었습니다. 특히 독일 막스 플랑크 연구소에서의 경험은 생물학이라는 학문에 매료되는 결정적인 계기가 되었습니다. 0과 1로 명확히 떨어지는 디지털 세계와 달리, 상황에 따라 결과가 달라질 수 있는 생물학의 유연함과 깊이 있는 용어들은 연구자로서 도전 의식을 자극하며 학문적 매력을 더해주었습니다. 이러한 배경은 데이터 중심의 사고방식을 생명 과학의 복잡한 현상에 접목하는 중요한 전환점이 되었습니다. 교육자로서 가장 큰 보람은 학생들의 성장을 지켜보는 데 있습니다. 이미 우수한 학생보다 조금은 부족했던 학생이 연구실에 들어와 학문적으로 발전하여 세계적인 학회에서 발표하는 모습을 볼 때 깊은 감동을 느낍니다. 일상에서는 반려견들과 시간을 보내며 단순하고 평온한 삶의 가치를 배우기도 합니다. 이러한 균형 잡힌 삶은 연구와 교육에 집중할 수 있는 에너지를 제공하며, 제자들이 사회에서 제 역할을 다할 수 있도록 돕는 원동력이 됩니다. 학생들의 잠재력을 끌어올리는 과정은 연구만큼이나 가치 있는 일입니다. 의료 분야에서 인공지능은 거대한 데이터의 바다를 항해하는 핵심적인 도구로 자리 잡았습니다. 인간이 처리하기 힘든 방대한 빅데이터를 효율적으로 분석하여 의료진의 최종 결정을 돕는 역할을 수행합니다. 건강하게 오래 살고자 하는 인류의 근원적인 욕구와 맞물려, 인공지능 의료 기술은 무궁무진한 기회가 잠재된 블루오션이라 할 수 있습니다. 복잡한 의료 정보를 쉽게 찾아주고 접근성을 높여주는 기술은 우리 삶의 질을 획기적으로 개선할 것이며, 이는 인공지능이 반드시 필요한 이유이기도 합니다. 인공지능은 신약 및 백신 개발 과정에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 수많은 후보 물질 중에서 가능성이 높은 대상을 선별하고 점수화함으로써 연구의 탐색 공간을 획기적으로 좁혀줍니다. 이는 질병의 원인이 되는 유전자를 특정하고, 그에 적합한 약물 구조를 설계하는 데 결정적인 도움을 줍니다. 앞으로 인공지능은 질병 정복을 위한 여정에서 연구자들에게 가장 강력하고 정밀한 조력자로서 그 역할을 더욱 확대해 나갈 것입니다. 개괄적인 소개부터 심도 있는 분석까지, 인공지능과 바이오메디컬의 만남은 계속될 것입니다.

신현정

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[연구뭐하지?] 김도헌 교수_서울대학교 '양자집적회로 연구실' | 대한민국에서 귀하다는 양자컴퓨터 연구실에서 울려퍼지는 두두둥

양자 정보 과학은 현대 물리학의 가장 역동적인 분야 중 하나로, 양자 중첩과 양자 얽힘이라는 독특한 현상을 연구합니다. 서울대학교 양자 집적 회로 연구실은 이러한 양자역학적 특성을 정밀하게 측정하고 제어하는 기초 연구에 매진하고 있습니다. 특히 산업계에서 널리 쓰이는 반도체 트랜지스터 형태의 나노 소자를 기반으로, 입자의 스핀을 활용해 양자 중첩 현상을 구현하는 데 집중하고 있습니다. 이는 기존의 물리계와는 차별화된 접근 방식으로, 실용적인 양자 기술 구현을 위한 중요한 토대가 됩니다. 양자 중첩은 관측 전까지 물체가 가능한 모든 상태의 조합으로 동시에 존재할 수 있다는 원리입니다. 이러한 상태들은 서로 간섭하며, 측정 시에는 확률적으로 하나의 결과만이 나타나는 독특한 특성을 보입니다. 최근에는 이러한 파동의 간섭 현상을 이용해 연산 속도를 획기적으로 높이는 양자 컴퓨터와, 기존 기술로는 불가능했던 초정밀 측정을 가능하게 하는 양자 계측 분야가 큰 주목을 받고 있습니다. 연구실은 이러한 양자 기술의 근간이 되는 물리적 현상을 깊이 있게 탐구하며 미래 기술의 가능성을 열어가고 있습니다. 국내에서 양자 컴퓨터 연구를 수행하는 곳은 많지 않지만, 서울대학교 양자 집적 회로 연구실은 그중에서도 가장 활발하고 전도유망한 곳으로 손꼽힙니다. 연구원들은 섬세하고 꼼꼼한 실험 과정 속에서도 서로를 격려하며 학문적 성장을 도모하는 긍정적인 분위기를 자랑합니다. 특히 지도 교수의 세심한 논문 지도와 디테일한 실험 피드백은 연구원들이 복잡한 양자역학적 난제들을 해결해 나가는 데 큰 힘이 됩니다. 이러한 탄탄한 연구 환경은 세계적인 수준의 성과를 내는 원동력이 되고 있습니다. 연구실은 크게 두 가지 플랫폼을 중심으로 연구를 전개합니다. 하나는 반도체 소자 기반의 양자점 연구이며, 다른 하나는 다이아몬드의 결함인 NV 센터를 활용한 플랫폼입니다. 특히 최근에는 다이아몬드 기반 연구에서 발생하는 복잡한 신호를 분석하기 위해 머신러닝과 딥러닝 알고리즘을 적극적으로 도입하고 있습니다. 이는 물리학적 실험 데이터에 인공지능 기술을 접목한 혁신적인 시도로, 데이터 분석의 정확도를 높이고 새로운 물리적 통찰을 얻는 데 기여하고 있습니다. 현대 과학 연구에서 학문 간의 경계는 점차 무너지고 있으며, 양자 정보 과학 역시 예외가 아닙니다. 물리학뿐만 아니라 전자공학, 재료공학, 컴퓨터공학 등 다양한 배경을 가진 인재들이 모여 협력할 때 비로소 창의적인 해결책이 도출됩니다. 전자공학적 방법론과 자연과학적 탐구가 결합된 융합 연구는 양자 현상의 이해를 넓히고 실용적인 양자 시스템을 구축하는 데 필수적입니다. 연구실은 이러한 다학제적 접근을 통해 미래 양자 시대를 선도할 핵심 기술과 인재를 양성하는 데 주력하고 있습니다.

김도헌

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물리학

[연구뭐하지?] 이상훈 교수_서울대학교 '인지 및 시스템 신경과학 연구실' | 신경과학을 연구하는 융합인재들의 플랫폼!(찡긋)

서울대학교 인지 및 시스템 신경과학 연구실은 인간의 마음과 뇌의 메커니즘을 잇는 '연결'을 핵심 가치로 삼고 있습니다. 마음은 행동을 통해 관찰되는 현상적인 영역이며, 뇌는 생물학적인 현상이 발생하는 물리적 영역입니다. 서로 다른 차원에서 기술되는 이 두 도메인을 하나로 통합하여 이해하는 것이 연구의 본질입니다. 이를 통해 보이지 않는 마음의 작용이 어떻게 구체적인 뇌 활동으로 발현되는지를 심도 있게 탐구하며 인간 이해의 지평을 넓히고 있습니다. 불확실한 정보와 제한된 시간 속에서 인간이 내리는 합리적인 의사결정 과정을 연구하기 위해 수리 모델을 적극적으로 활용합니다. 마음의 활동을 수학적으로 정립하여 뇌 활동을 설명하고, 반대로 뇌의 신호를 통해 마음의 작용을 역추적하는 방식입니다. 이러한 수리 모델링은 서로 다른 언어를 사용하는 심리학과 생물학 사이의 가교 역할을 합니다. 단순한 관찰을 넘어 시스템적인 이해를 가능하게 함으로써 복잡한 인지 과정을 정교하게 분석해 냅니다. 연구실에서는 시각 자극에 따른 행동과 뇌 현상을 측정하기 위해 다양한 최첨단 기술을 동원합니다. 뇌파(EEG) 측정 장비부터 안구 추적 데이터, 뇌 영상 분석, 그리고 인과 관계 파악을 위한 전기적 자극까지 폭폭넓은 방법론을 사용합니다. 다양한 전공 배경을 가진 연구자들이 모여 수평적인 분위기 속에서 협력하며, 인공지능과 신경과학의 접점을 찾는 융합 연구도 활발히 진행 중입니다. 이는 인간의 지각과 심리 정보처리를 다각도에서 조명하는 토대가 됩니다. 뇌인지과학 분야를 깊이 있게 연구하기 위해서는 탄탄한 기초 역량이 필수적입니다. 통계학이나 수학과 같은 양적인 방법론에 대한 이해는 물론, 매트랩(MATLAB)이나 파이썬(Python) 같은 프로그래밍 언어를 다루는 능력도 중요하게 요구됩니다. 또한 최신 연구 동향을 파악하고 국제적인 학술 교류를 원활히 하기 위해 영어 의사소통 능력도 갖추어야 합니다. 인턴십 과정을 통해 실제 연구 현장을 미리 경험해 보는 것은 자신의 적성을 확인하고 연구자로서의 길을 준비하는 데 큰 도움이 됩니다. 훌륭한 연구자가 되기 위해서는 열정과 역량, 그리고 확고한 직업 윤리가 조화를 이루어야 합니다. 특히 스스로 문제를 정의하고 해결책을 찾아야 하는 신생 학문의 특성상, 어려움에 직면했을 때 더욱 몰입하는 태도가 중요합니다. 자신의 연구가 왜 중요한지 타인을 설득하고 정립되지 않은 길을 개척해 나가는 과정은 결코 쉽지 않습니다. 하지만 인간의 행동과 신경 과정의 관계를 밝혀내겠다는 강한 의지가 있다면, 뇌과학의 미래를 이끄는 주역으로 성장할 수 있을 것입니다.

이상훈

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뇌인지과학

[연구뭐하지?] 이인아 교수_서울대학교 '학습과 기억 연구실' | 학습과 기억의 세계, 그 너머에 존재하는 것은?

인간은 누구나 자신의 기억 속으로 타임머신을 타고 여행하듯 과거를 회상하곤 합니다. 서울대학교 뇌인지과학과 학습과 기억 연구실은 이러한 인간의 '일화 기억'이 뇌라는 생물학적 조직에서 어떻게 형성되고 인출되는지를 과학적으로 탐구합니다. 우리가 매일 겪는 다양한 경험은 곧 개인의 정체성을 형성하는 근간이 되며, 연구실은 세포 수준의 뇌 활동이 어떻게 우리의 삶과 마음을 구성하는지 그 비밀을 풀기 위해 노력하고 있습니다. 이곳 연구실은 마치 다양한 악기가 모여 하나의 화음을 만들어내는 밴드와 같습니다. 생물학, 뇌인지과학뿐만 아니라 전기공학, 컴퓨터공학, 심리학, 심지어 음악과 스포츠를 전공한 인재들이 모여 각자의 전문성을 발휘합니다. 서로 다른 배경을 가진 연구자들이 협력하여 하나의 연구 주제를 다각도에서 조명하는 융합적 환경은 이 연구실만의 큰 강점입니다. 이러한 다양성은 복잡한 뇌의 신비를 풀어나가는 데 필수적인 창의적 사고의 원천이 됩니다. 연구의 핵심은 기억의 중추로 알려진 해마와 측두엽의 기능을 밝히는 데 있습니다. 연구진은 살아있는 쥐에게 가상현실(VR) 환경을 제공하고, 특정 장소나 상황에 따라 보상을 얻는 기억 과제를 수행하게 합니다. 쥐가 가상현실(VR) 세계에서 문제를 해결하는 동안 뇌세포의 활동을 실시간으로 측정하며, 전기생리학이나 광유전학 기술을 동원해 뇌 영역 간의 상호작용을 분석합니다. 이는 실제 환경과 유사한 실험 설계를 통해 기억의 메커니즘을 정교하게 파악하기 위함입니다. 뇌인지과학 연구는 단순히 이론에 그치지 않고 생명체를 다루는 막중한 책임감을 동반합니다. 실험에 참여하는 동물을 매일 세심하게 보살피는 것은 기본이며, 연구 과정에서 예상치 못한 다양한 기술적 문제들을 해결해야 합니다. 컴퓨터 코딩부터 회로 설계, 심지어 실험 장비 설치에 이르기까지 폭넓은 실무 능력이 요구됩니다. 따라서 유연한 사고방식을 가지고 새로운 분야를 배우는 과정을 즐길 수 있는 태도가 연구자로서 성장하는 데 매우 중요한 요소로 작용합니다. 뇌인지과학은 생물학적 세포가 어떻게 전기적 신호를 주고받으며 마음과 심리를 만들어내는지 연구하는 학문으로, 전통적인 단일 학문의 경계를 넘어섭니다. 특히 인공지능이나 가상현실(VR) 기술의 발전은 뇌인지과학적 이해 없이는 한계에 부딪힐 수밖에 없습니다. 현재 전 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있으며, 우리나라도 이 흐름에 발맞춰 빠르게 성장하고 있습니다. 뇌의 신비를 탐구하는 이 분야는 미래 과학을 이끌어갈 청소년들에게 무한한 가능성을 제시합니다.

이인아

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뇌인지과학

[코로나 인터뷰] 이석재_ 선택은 결국 가치의 문제!

우리는 공동체의 건강과 개인의 사생활 보호라는 두 가치가 충돌하는 시대를 살아가고 있습니다. 감염병 확산 방지를 위한 경로 추적이 원활하게 이루어지는 배경에는 사회적 안전을 지키려는 시민들의 높은 의식이 자리 잡고 있습니다. 하지만 이는 사생활 침해에 대한 우려가 완전히 사라졌음을 의미하지는 않습니다. 오히려 이러한 상황은 우리가 평소 당연하게 여겼던 권리들 중 무엇을 더 소중히 여기는지 스스로 되돌아보게 만드는 중요한 계기가 됩니다. 위기 극복을 위해 정보가 활용되는 과정에서 발생하는 불안감을 해소하고 신뢰를 구축하는 일은 여전히 우리 사회의 중요한 과제입니다. 철학적 관점에서 데이터는 단순히 숫자의 나열이 아니라 변화하는 세계의 현상을 정확하게 반영하는 거울입니다. 우리가 살고 있는 세계는 고정되어 있지 않고 끊임없이 변화하며, 특히 감염병 사태와 같이 예측 불가능한 변화가 일어날 때 정확한 정보의 가치는 더욱 커집니다. 최근에는 개인정보 노출을 최소화하면서도 방역에 필요한 정보를 얻을 수 있는 기술적 해결책에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 이는 사생활 보호라는 인문학적 과제에 대해 과학기술이 답을 내놓는 융합적 사고의 결과물입니다. 이러한 협력은 우리 사회가 직면한 복잡한 문제들을 해결하는 가장 이상적인 모델이 될 수 있습니다. 위기의 순간은 우리에게 진정으로 중요한 가치가 무엇인지 근본적인 질문을 던집니다. 예를 들어 교육과 등교의 문제를 단순히 지식 전달의 관점에서만 볼 것이 아니라, 교육 그 자체가 목적인지 아니면 더 나은 삶을 위한 수단인지 깊이 고민해 보아야 합니다. 만약 아이의 건강과 안전을 최우선 가치로 둔다면, 등교가 늦어지는 상황을 불안해하기보다 공동체의 안전을 위해 기꺼이 감수할 수 있는 선택으로 받아들일 수 있습니다. 가치의 우선순위는 누군가 강요할 수 있는 것이 아니기에, 각자가 자신의 내면을 들여다보고 스스로 답을 찾아가는 성찰의 시간이 무엇보다 중요합니다. 삶의 과정에서 마주하는 우울함이나 외로움은 때로 우리를 힘들게 하지만, 이는 인간으로서 세상을 살아갈 때 피할 수 없는 삶의 일부이기도 합니다. 모든 순간이 즐겁고 희망차기만을 바라는 것은 인간에게 주어진 삶의 본질과는 거리가 멀 수 있습니다. 고통과 시련이 나만의 특수한 문제가 아니라 누구에게나 일어날 수 있는 보편적인 현상임을 깨닫는 것만으로도 우리는 큰 위안을 얻습니다. 완벽한 플러스만의 삶을 추구하기보다, 마이너스의 순간 또한 삶의 필연적인 양상임을 이해하는 태도가 필요합니다. 이러한 철학적 수용은 우리가 어려운 시기를 견뎌낼 수 있는 단단한 마음의 근육을 길러줍니다. 과거 17세기와 18세기 철학자들은 뉴턴의 과학적 성과와 전통적인 세계관 사이의 충돌을 조화시키기 위해 치열하게 고민했습니다. 과학적 결정론 속에서도 인간의 자유 의지와 신념을 지키려 했던 그들의 노력은 오늘날 우리가 새로운 기술과 데이터를 수용하는 방식과 깊이 닮아 있습니다. 현재 우리가 축적하고 있는 방대한 데이터는 미래 연구의 소중한 근거가 될 것입니다. 마치 고대의 알렉산드리아 대도서관이 인류 지식의 보고였던 것처럼, 정확하고 포괄적인 데이터 수집을 통해 전 세계적인 연구의 바탕을 마련하는 일은 우리 시대를 기록하고 더 나은 미래를 준비하는 중요한 사명이 될 것입니다.

이석재

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[코로나 인터뷰] 이현숙_ 전대미문의 코로나19, 분야를 불문하고 다함께 연구해야

현재 우리가 마주한 팬데믹은 인류 역사상 그 누구도 생애 동안 겪어보지 못한 거대한 위기입니다. 미국의 질병통제예방센터조차 직접적인 경험이 부족할 정도로 이 재난은 미지의 영역에 속해 있습니다. 이러한 상황에서 개별적인 연구자의 힘만으로는 한계가 명확하기에, 각 분야의 전문가들이 한데 모여 지혜를 나누는 것이 무엇보다 중요합니다. 국가적 경계를 넘어 인류 전체가 직면한 공동의 문제를 해결하기 위해, 학문적 전문성을 결합하고 융합 연구를 진행해야 할 시점입니다. 백신이나 치료제가 부재한 상황에서 사회적 의사결정을 내리는 일은 매우 복잡하고 어렵습니다. 비행 편수를 조절하거나 학교 문을 여는 시점을 결정하는 등 일상의 지속성을 확보하기 위한 모든 선택은 철저하게 데이터에 근거해야 합니다. 과학자로서 관찰한 초기 대응 과정에서는 과학적 합리성이 결여된 모습이 나타나기도 했습니다. 따라서 우리는 현재의 데이터를 면밀히 분석하고 통합하여, 감정에 치우치지 않는 객관적인 판단 기준을 마련함으로써 미래의 불확실성에 대비해야 합니다. 이번 사태는 인위적인 결합이 아닌, 자연스러운 융합 연구의 계기를 마련해 주었습니다. 바이러스의 특성을 규명하는 생명과학적 탐구부터 개발된 백신을 공공재로 다룰 것인지에 대한 사회과학적 논의까지, 모든 영역이 긴밀하게 연동되어 있기 때문입니다. 연구자들이 각자의 전문성을 바탕으로 십시일반 힘을 보태는 과정에서 기존의 경계는 허물어집니다. 이러한 협업은 단순히 연구 성과를 내는 것을 넘어, 우리 사회가 직면한 복합적인 난제들을 해결하는 새로운 융합 연구의 모델이 될 것입니다. 서울대학교를 기반으로 시작된 이번 연구팀은 특정 기관에 국한되지 않는 개방형 플랫폼을 지향합니다. 완성된 결과물을 일방적으로 발표하기보다는, 현재 알고 있는 전문 지식을 실시간으로 공유하고 나누는 마당을 만드는 것이 일차적인 목표입니다. 특히 시민들의 궁금증과 아이디어를 적극적으로 수용하여 연구의 방향성을 설정하고자 합니다. 대중과의 소통 채널을 넓힘으로써 연구자는 사회가 필요로 하는 질문을 발견하고, 시민은 과학적 근거에 기반한 지식을 얻는 선순환 구조를 구축할 것입니다. 대학은 모든 분야의 전문가가 모여 있는 지식의 보고로서, 전 지구적 재난 앞에서 막중한 책임을 가집니다. 이번 기회를 통해 대학은 단순히 학술적 성취에 머물지 않고, 인류의 안녕을 위한 공공 연구가 무엇인지 깊이 성찰하게 되었습니다. 전문가들의 분석 능력과 정보를 세상과 공유하여 사회 구성원들이 올바른 판단을 내릴 수 있도록 지원하는 것이 우리의 핵심적인 역할입니다. 앞으로도 이러한 공공 연구를 활성화하여 재난에 강한 사회를 만드는 데 기여하고, 인류가 나아갈 올바른 방향을 제시하고자 합니다.

이현숙

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학

[코로나 인터뷰] 김범준_ 데이터에 기반하지 않으면 과학이 아니다! 감염병 확산 모형

감염병의 전 세계적 확산을 정교하게 예측하기 위해서는 국가 간 이동 패턴과 같은 구체적인 이동 지표가 반드시 뒷받침되어야 합니다. 하지만 코로나19 팬데믹 초기에는 각국이 전례 없는 여행 제한 조치를 시행하면서 기존의 항공망 데이터를 그대로 활용하기 어려운 상황이었습니다. 이러한 급격한 환경 변화는 기존의 확산 모형에 큰 혼란을 주었으며, 연구자들에게 실시간 지표 확보와 새로운 분석 체계 수립이라는 도전적인 과제를 안겨주었습니다. 감염병 확산 과정에서 나타난 국가별 시차는 연구자들에게 매우 흥미로운 분석 대상을 제공했습니다. 중국에서 확산세가 꺾일 무렵 한국에서 본격적인 유행이 시작되고, 다시 한국이 안정세에 접어들 때 다른 국가들에서 폭발적인 증가가 나타나는 양상을 보였습니다. 이러한 시간차는 전 세계가 유기적으로 연결되어 있으면서도 각기 다른 방역 환경에 처해 있음을 보여줍니다. 이는 복잡한 확산 경로를 추적하고 분석하는 데 있어 중요한 실마리가 됩니다. 학문 간의 경계를 허무는 융합 연구가 실질적인 성과로 이어지기 위해서는 연구의 지향점이 뚜렷해야 합니다. 막연하게 융합 연구를 도모하기보다는 해결해야 할 당면 과제가 명확할 때 비로소 각 분야의 전문성이 시너지를 낼 수 있습니다. 이번 프로젝트는 코로나19 확산의 메커니즘을 규명한다는 확고한 목표를 설정했습니다. 목표가 구체적일수록 참여자들은 자신의 학문적 도구를 어떻게 활용할지 정확히 인지하게 되며, 이는 연구의 효율성을 극대화하는 핵심 동력이 됩니다. 이번 융합 연구의 가장 큰 특징은 사회경제적 효과, 인문학적 관점, 인권 문제, 그리고 의학적 전문성까지 아우르는 광범위한 다양성에 있습니다. 통계물리학자와 감염병 전문가가 같은 정보를 바라보며 서로 다른 통찰을 나누고, 병원 현장의 목소리와 사회과학적 분석이 결합되는 과정은 매우 고무적입니다. 각자의 특기가 다른 전문가들이 공통의 주제를 해결하기 위해 모인 이 플랫폼은, 복잡한 사회적 문제를 다각도에서 조명하고 보다 입체적인 해결책을 모색하는 데 기여합니다. 대학이라는 공간은 다양한 학문적 배경을 가진 이들이 모여 새로운 연구 방법론을 실험하기에 최적의 플랫폼입니다. 이곳에서 이루어지는 데이터 기반의 융합 연구는 단순히 현재의 현상을 분석하는 데 그치지 않고, 우리가 미래의 위기에 대응하기 위해 어떤 추가적인 자원을 확보해야 하는지 논의하는 장이 됩니다. 여러 분야의 연구자들이 활발한 토론을 통해 확산 모형을 정교화해 나가는 과정은, 향후 발생할 수 있는 또 다른 팬데믹에 대비하는 과학적 자산이자 성공적인 융합 연구 모델이 될 것입니다.

김범준

카오스재단코로나19 과학토크

물리학
생명과학

[코로나 인터뷰] 장원철_ 코로나19는 새로운 형태로 전파되고 있어서...

과거에는 데이터를 단순히 수치로 표현되는 결과물로만 한정하여 생각하곤 했습니다. 하지만 현대 데이터 과학의 영역은 이를 넘어 이미지나 사물과 같은 비정형 데이터까지 폭넓게 포괄하고 있습니다. 한국인의 평균적인 얼굴형을 분석하거나 특정 집단의 대표적인 특성을 도출하는 과정 모두가 이제는 데이터의 영역에 들어온 것입니다. 이처럼 예전에는 미처 인식하지 못했던 다양한 형태의 정보들을 분류하고, 그 안에서 유의미한 대푯값을 찾아내어 공유하는 것이 데이터 과학이 수행해야 할 핵심적인 임무라고 할 수 있습니다. 데이터 과학은 코로나19와 같은 팬데믹 상황에서 그 진가를 발휘합니다. 감염병의 2차 유행 시점을 예측하거나 바이러스의 전파력을 분석하는 일은 모두 정교한 데이터 기반 연구를 통해 이루어집니다. 특히 실시간 치사율을 계산하거나 사회적 거리두기가 실제 방역에 미치는 효과를 측정하는 작업은 매우 실용적인 가치를 지닙니다. 치료 중인 환자 수와 사망자 수의 변화 추이를 데이터로 추적함으로써, 우리는 막연한 공포에서 벗어나 객관적인 지표를 바탕으로 현재의 위기 상황을 진단하고 대응 전략을 수립할 수 있게 됩니다. 전 세계 국가들이 각기 다른 방역 정책을 시행함에 따라, 역설적으로 연구자들에게는 사회적 개입의 효과를 비교 분석할 수 있는 방대한 데이터가 축적되었습니다. 각국 자치단체별로 다르게 나타나는 데이터들은 사회적 거리두기와 같은 변수들이 실제 감염 확산에 어떤 영향을 주는지 파악할 수 있는 흥미로운 기초 자료가 됩니다. 이러한 데이터들을 면밀히 분석한다면 각 정책이 지닌 실질적인 영향력을 정밀하게 측정할 수 있으며, 이는 향후 더욱 효율적인 방역 전략을 수립하는 데 있어 매우 중요한 근거가 될 것입니다. 방역 당국이 매일 업데이트하는 확진자와 검사자 수 등은 매우 방대한 가치를 지닌 자산입니다. 그러나 연구자의 관점에서는 이러한 자료들이 일목요연하게 정리되어 공개되지 않는 점에 대해 아쉬움이 남기도 합니다. 데이터가 일반 연구자들에게 보다 체계적이고 투명하게 공유되었다면, K-방역의 성과를 넘어 과학 기술 분야에서도 더욱 혁신적인 연구 결과들이 쏟아져 나왔을 것입니다. 전 세계적으로 흩어져 있는 다양한 형태의 데이터를 하나로 모으고 정제하는 과정은 향후 발생할 수 있는 또 다른 위기에 대비하기 위해서라도 반드시 선행되어야 할 과제입니다. 데이터는 정책의 효율성을 국민에게 설득력 있게 전달하는 강력한 도구가 됩니다. 사회적 거리두기와 같은 정책이 왜 필요한지, 그리고 그것이 얼마나 실질적인 효과를 거두고 있는지를 데이터를 통해 증명할 때 비로소 대중의 자발적인 호응을 얻을 수 있기 때문입니다. 또한 코로나19가 초래한 사회적 파급력은 단순히 의학적 차원을 넘어 개인정보 보호와 사회 정책 전반에 걸쳐 있습니다. 따라서 통계학뿐만 아니라 다양한 학문적 배경을 가진 전문가들이 협력하는 융합적인 시각이 필요하며, 이러한 다학제적 연구팀의 노력이 복합적인 사회 문제를 해결하는 열쇠가 될 것입니다.

장원철

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학
융합

[강연] 분자세계 게임의 법칙을 찾아서 _ by석차옥｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 9강 | 9강 ①

단백질은 생명 현상을 유지하는 핵심적인 분자로, 20가지 아미노산이 특정 순서로 연결되어 고유한 입체 구조를 형성합니다. 이 과정에서 물을 좋아하는 친수성 아미노산은 표면으로, 물을 싫어하는 소수성 아미노산은 안쪽으로 모이려는 성질이 작용합니다. 아미노산 서열에 담긴 정보가 복잡한 물리적 상호작용을 거쳐 하나의 안정한 구조로 접히는 현상을 단백질 폴딩이라 부르며, 이는 생명체의 기능을 결정하는 가장 기초적인 설계도와 같습니다. 이러한 구조적 안정성은 생명체가 환경에 적응하고 고유의 생리적 기능을 수행하는 데 필수적인 토대가 됩니다. 단백질의 구조를 이해하는 것은 생명 과학과 의학의 발전에 필수적입니다. 산소를 운반하는 마이오글로빈이나 에너지를 합성하는 단백질의 기작은 모두 그 형태에서 비롯됩니다. 특히 암 치료제인 글리벡이나 독감 치료제 타미플루처럼 특정 단백질의 기능을 조절하는 의약품 개발은 정밀한 구조 정보가 뒷받침되어야 가능합니다. 세포 밖의 신호를 내부로 전달하는 단백질군인 GPCR 연구가 수많은 노벨상을 배출한 이유도 바로 이러한 구조적 중요성 때문입니다. 구조를 아는 것은 곧 생명의 작동 원리를 파악하는 것과 같습니다. 전통적으로 단백질 구조는 X선 결정학이나 극저온 전자현미경과 같은 실험적 방법으로 밝혀왔습니다. 하지만 하나의 구조를 결정하는 데는 막대한 시간과 비용이 소요되며, 실험이 까다로운 경우도 많습니다. 반면 차세대 염기서열 해독 기술의 발달로 단백질의 아미노산 서열 정보는 기하급수적으로 늘어나고 있습니다. 이러한 실험적 구조 결정과 서열 정보 사이의 거대한 격차를 메우기 위해 컴퓨터를 이용한 단백질 구조 예측 기술이 현대 과학의 중요한 과제로 떠올랐습니다. 이는 실험의 한계를 극복하고 생명 정보의 활용도를 높이는 핵심 기술입니다. 단백질 구조 예측의 정확성을 겨루는 올림픽이라 불리는 CASP 대회는 2년마다 블라인드 테스트 방식으로 열립니다. 예측의 기본 원리는 열역학적으로 가장 안정한 상태를 찾는 것입니다. 아미노산 서열이 주어졌을 때 자유 에너지가 최소가 되는 지점을 찾아내는 과정은 바둑의 경우의 수보다 훨씬 복잡한 탐색을 요구합니다. 자연 법칙이라는 정답을 찾아가는 이 과정은 수많은 국소 최솟값들 사이에서 전역 최솟값을 발견해야 하는 고도의 계산 과학적 도전입니다. 정확한 에너지 함수를 정의하고 이를 효율적으로 탐색하는 것이 이 분야의 핵심적인 목표입니다. 최근 인공지능 기술의 도입은 단백질 구조 예측 분야에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 방대한 서열 데이터에서 진화적으로 연관된 정보를 추출하고, 딥러닝을 통해 아미노산 사이의 거리를 정밀하게 예측하며 압도적인 성과를 거두었습니다. 이는 단순히 기존의 물리 법칙을 계산하는 것을 넘어, 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 학습하여 정답에 접근하는 새로운 길을 제시한 것입니다. 인공지능은 이제 화학자가 자연의 비밀을 푸는 강력한 도구가 되었으며, 기존의 이론적 접근 방식과 결합하여 시너지를 내고 있습니다. 구조 예측을 넘어 새로운 기능을 가진 단백질을 직접 설계하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 자연계에 존재하지 않는 서열을 조합하여 특정 구조를 유도함으로써 난치병 치료나 신소재 개발에 활용하려는 시도입니다. 또한 일반인들이 게임을 통해 단백질 구조를 찾는 '폴딧' 프로젝트처럼, 집단 지성과 컴퓨터 계산을 결합한 형태의 연구도 성과를 내고 있습니다. 이러한 노력은 단백질이 단순한 관찰의 대상이 아니라 인류가 목적에 맞게 설계하고 제어할 수 있는 영역임을 보여줍니다. 이는 생명 공학의 패러다임을 바꾸는 획기적인 변화의 시작입니다. 미래의 화학은 인공지능과 로봇 기술이 결합하여 실험과 계산이 유기적으로 연결되는 모습으로 진화할 것입니다. 인공지능이 반복적이고 방대한 계산 업무를 수행하면, 과학자는 더 창의적이고 근원적인 질문에 집중할 수 있는 환경이 조성됩니다. 화학은 이제 물리, 생물, 컴퓨터 공학 등 다양한 학문이 융합되는 중심지 역할을 하며 인류의 난제를 해결하는 데 기여할 것입니다. 다양한 분야의 지식을 멋지게 융합할 때 비로소 우리는 자연의 미스터리를 풀고 새로운 가치를 창출할 수 있습니다. 융합적 사고는 미래 과학을 이끄는 가장 강력한 힘이 될 것입니다.

석차옥, 이주용

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화학

[강연] 나노: 우리의 미래 _ by이광렬｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강 | 8강 ①

하이드로젤은 물을 뜻하는 '하이드로'와 고분자 네트워크인 '젤'이 결합한 독특한 재료입니다. 투명하고 말랑말랑한 성질을 지니며 내부에 수많은 물 분자를 머금고 있어 고체이면서도 액체의 특성을 동시에 보여줍니다. 초기 하이드로젤은 쉽게 찢어지는 단점이 있었으나, 최근에는 두 가지 고분자 네트워크를 형성하여 힘을 분산시키는 '터프 하이드로젤' 기술이 개발되었습니다. 이를 통해 물리적 한계를 극복하고 다양한 산업 분야에서 활용될 가능성을 열었으며, 이는 재료공학의 새로운 지평을 제시하고 있습니다. 하이드로젤의 또 다른 매력은 내부의 물에 이온을 녹여 전기를 흐르게 할 수 있다는 점입니다. 이러한 이온 전도성을 활용하면 신축성이 뛰어난 전기 장치를 제작할 수 있습니다. 대표적인 예로 팔에 감아도 파괴되지 않는 유연한 터치패드가 있습니다. 기존의 딱딱한 소재와 달리 인체 곡면에 밀착되어 동작하며, 늘어난 상태에서도 정확하게 위치를 인식합니다. 이는 웨어러블 기기와 헬스케어 분야에서 하이드로젤이 핵심적인 역할을 할 것임을 시사하며, 인간과 기기의 경계를 허무는 기술로 주목받고 있습니다. 나노기술은 1에서 100나노미터 크기의 물질을 다루는 첨단 과학입니다. 1나노미터는 1미터를 10억 개로 쪼갠 아주 작은 단위로, 원자와 분자의 세계를 탐구하는 영역입니다. 가시광선의 파장보다 작아 일반 현미경으로는 볼 수 없지만, 전자현미경이나 원자간력 현미경의 발달로 이제 인류는 원자의 배열을 직접 관찰하고 조작할 수 있게 되었습니다. 이러한 미세 세계에 대한 이해는 물질의 근본적인 성질을 변화시켜 이전에는 불가능했던 새로운 기능을 창출하는 기반이 되며 현대 과학의 핵심 동력이 되고 있습니다. 자연은 이미 오래전부터 나노기술을 완벽하게 활용해 왔습니다. 게코도마뱀은 발바닥의 미세한 나노 털과 벽면 사이의 인력을 이용해 접착제 없이도 벽을 타며, 연꽃잎은 나노 돌기 구조를 통해 물방울이 오물을 씻어내게 하는 자가 세정 능력을 보여줍니다. 또한 나비나 카멜레온은 나노 구조를 조절하여 빛을 반사하거나 가둠으로써 영롱한 색채를 만들어냅니다. 과학자들은 이러한 자연의 지혜를 모방하여 반사가 없는 화면이나 오염되지 않는 코팅제 등 혁신적인 제품을 개발하며 자연과 기술의 융합을 꾀하고 있습니다. 탄소나노튜브와 그래핀 같은 신소재는 나노 세계의 가능성을 극명하게 보여줍니다. 흑연의 한 층을 떼어낸 그래핀은 강철보다 수백 배 강하면서도 전기가 매우 잘 통하는 꿈의 물질로 불립니다. 또한 속이 빈 원통형 구조의 탄소나노튜브는 거미줄보다 수십 배 강한 인장 강도를 지녀 방탄복이나 초경량 고강도 부품 제작에 활용됩니다. 이외에도 공기로 가득 찬 에어로젤은 열 차단 능력이 뛰어나 우주선 단열재로 쓰이는 등, 나노 구조의 설계에 따라 물질의 한계를 뛰어넘는 특성을 구현하여 산업 전반에 혁신을 일으키고 있습니다. 우리 일상 곳곳에도 이미 나노기술이 깊숙이 들어와 있습니다. 자외선 차단제 속의 나노입자는 피부를 보호하고, 은 나노입자는 박테리아 증식을 막아 위생적인 환경을 제공합니다. 의료 분야에서는 암세포만을 찾아가는 나노 운반체나 통증 없는 마이크로니들 패치 등이 연구되어 질병 진단과 치료의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 또한 수소 연료전지의 촉매나 고해상도 디스플레이의 양자점 기술 등은 에너지 효율을 높이고 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 데 기여하고 있으며, 이는 나노기술이 단순한 이론을 넘어 실재함을 증명합니다. 나노기술의 미래는 인류의 지속 가능한 발전과 밀접하게 연결되어 있습니다. 환경 오염 문제를 해결하고 에너지 소비를 줄이는 기술적 해법을 제시하는 동시에, 기술 발전이 가져올 수 있는 사회적 격차에 대한 고민도 필요합니다. 첨단 의료 혜택이 특정 계층에만 집중되지 않도록 적정 기술을 개발하고 정책적인 고려를 병행해야 합니다. 과학적 호기심에서 시작된 나노 세계의 탐구는 이제 인류 공동의 문제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 강력한 도구로 진화하고 있으며, 우리는 그 가능성을 책임감 있게 실현해 나가야 합니다.

윤효재, 이광렬

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화학

[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

[석학인터뷰] 석차옥_ 계산화학의 확실한 정보로 미래의학을 앞당긴다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

현대 과학 연구에서 학문 간의 경계는 점차 희미해지고 있습니다. 물리학으로 시작해 화학과 계산 생물학을 아우르는 연구 여정은 특정 학문의 경계에 갇히지 않는 유연한 사고의 중요성을 보여줍니다. 하나의 문제를 해결하기 위해 몰입하다 보면 그것이 물리인지 화학인지 구분하는 것은 더 이상 중요하지 않게 됩니다. 이러한 융합적 태도는 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조망하고, 기존의 방식으로는 풀기 어려웠던 난제들에 접근하는 새로운 열쇠가 됩니다. 과학자라는 정체성은 단순히 전공에 국한되는 것이 아니라, 진리를 탐구하는 과정 그 자체에서 정의되어야 합니다. 계산 생물학은 생체 분자를 연구 대상으로 삼는 이론 화학의 한 분야로, 실험만으로는 파악하기 힘든 생체 분자의 구조와 기능을 컴퓨터를 통해 예측하고 설계합니다. 이는 미래 의학의 패러다임을 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 개인의 유전 정보와 의료 빅데이터에 분자 기반의 정밀한 계산 화학적 방법론이 더해진다면, 통계적 오차를 줄인 확실한 정보를 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 신약 개발과 정밀 진단을 가능하게 하여 인류의 건강 증진에 획기적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 화학은 인류의 삶을 풍요롭게 만들고 수명을 연장하는 데 기여해 왔지만, 동시에 환경 파괴와 에너지 고갈이라는 숙제를 남겼습니다. 이제 화학의 가장 큰 미스터리는 '화학이 만든 문제를 화학이 스스로 해결할 수 있는가'에 달려 있습니다. 우리 몸속에서 일어나는 모든 현상은 본질적으로 화학적 반응이며, 이를 인공지능과 컴퓨터 기술로 깊이 있게 이해하려는 노력이 필요합니다. 첨단 기술을 접목한 화학의 발전은 단순히 지식의 확장을 넘어, 지속 가능한 미래를 설계하고 인류가 직면한 위기를 극복하는 강력한 도구가 될 것입니다.

석차옥

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화학

[석학인터뷰] 이광렬_ 나노, 모험심을 가지고 연구하다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMysterty'

울릉도라는 고립된 환경에서 보낸 어린 시절은 과학자로서의 소양을 기르는 소중한 자산이 되었습니다. 주변에 친구가 많지 않아 홀로 바다와 산을 누비며 보냈던 시간은 자연스럽게 자연 현상을 관찰하는 습관으로 이어졌습니다. 책에서만 보던 원리들을 실제 현장에서 직접 목격하며 쌓은 경험은 훗날 연구자로서 세상을 바라보는 독특한 시각을 형성해 주었습니다. 이러한 유년기의 경험은 이론에 매몰되지 않고 실재하는 자연의 질서를 탐구하는 과학적 호기심의 뿌리가 되었습니다. 대학 진학 후 전공을 선택하는 과정에서도 남들이 가지 않은 길을 찾으려는 탐구 정신이 빛을 발했습니다. 이미 체계가 잡힌 수학이나 물리와 달리, 화학은 아직 채워나갈 공간이 많은 분야라고 판단했습니다. 특히 나노 과학은 이제 막 태동하는 단계로서 무궁무진한 가능성을 품고 있었습니다. 아무것도 정해지지 않았기에 오히려 더 많은 것을 시도하고 창조할 수 있다는 기대감이 나노라는 미지의 세계로 발을 들이게 한 결정적인 계기가 되었습니다. 실험 과학의 세계는 수많은 실패의 연속이며, 이를 극복하기 위해서는 남다른 치밀함과 끈기가 필요합니다. 흔히 과학자의 성격이 예민하다고 말하는 것은 완벽을 기하려는 치열한 연구 과정에서 비롯된 결과이기도 합니다. 나노 과학은 특정 학문에 머무르지 않고 여러 분야의 경계를 넘나들어야 하기에, 기존의 틀을 깨는 결단력과 개척 정신이 필수적입니다. 이러한 태도는 나노 과학만이 가진 독특한 매력이자 미래 사회를 이끌어갈 핵심적인 역량이 됩니다. 과학자들은 우주의 질서와 생명의 기원에 대해 끊임없이 질문을 던집니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주는 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐르지만, 생명체는 오히려 질서를 구축하며 엔트로피를 감소시키는 역설적인 존재입니다. 일부 학자들은 생명체가 물질세계를 더 빠르게 변화시킴으로써 결과적으로 우주 전체의 엔트로피 증가를 가속화한다고 설명하기도 합니다. 이러한 존재의 이유와 우주의 섭리 사이의 미스터리를 풀어가는 과정은 과학 탐구의 궁극적인 지향점입니다. 나노 기술은 이미 우리 삶의 도처에 스며들어 있으며, 앞으로 그 영향력은 더욱 확대될 전망입니다. 4차 산업혁명 시대를 살아갈 미래 세대에게 나노 과학은 직업적 안정성을 넘어 세상을 바꾸는 강력한 도구가 될 것입니다. 다만 기술의 발전이 항상 바람직한 방향으로만 흐르는 것은 아니기에, 우리는 나노 기술이 가져올 변화를 비판적으로 성찰해야 합니다. 미래의 모습을 더 나은 방향으로 수정하고 가꾸어 나가는 것은 과학자와 대중이 함께 고민해야 할 숙제입니다.

이광렬

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 수학의 대통일 이론 랭랜즈 프로그램에 대하여 (3) _ by신석우 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 9강 | 9강 ③

수학은 끊임없이 새로운 지평을 열어가는 학문입니다. 우리가 마주하는 지식의 경계선에서는 모든 것이 복잡하고 어렵게 느껴지지만, 시야를 넓혀 전체를 조망하면 그 복잡함 속에 숨겨진 단순한 질서가 드러나기도 합니다. 랭랜즈 프로그램과 같은 거대한 연구 체계는 흩어져 있던 여러 수학적 개념들을 하나로 통합하여, 페르마의 마지막 정리와 같은 난제들을 보다 명료하게 바라볼 수 있는 틀을 제공하며 수학의 세계를 확장합니다. 수학자들이 고된 연구를 지속할 수 있는 원동력은 무엇일까요? 그것은 서로 관련 없어 보이던 두 대상 사이의 연결고리를 발견했을 때 느끼는 짜릿함에 있습니다. 개별적으로 존재하던 지식들이 하나로 통합되는 과정은 수학자들에게 커다란 정신적 보상을 제공합니다. 어려운 문제일수록 이를 해결했을 때의 성취감은 더욱 크며, 이러한 지적 즐거움은 일종의 중독성을 지니고 있어 연구자들이 끊임없이 새로운 도전에 나설 수 있게 만듭니다. 하지만 수학 연구의 과정이 늘 즐거운 것만은 아닙니다. 대개의 경우 정답을 찾지 못해 인고의 시간을 보내야 하며, 어디로 나아가야 할지 알 수 없는 불투명한 상황에 놓이기도 합니다. 이럴 때 수학자들은 잠시 문제를 내려놓고 산책을 하거나 음악을 듣는 등 전혀 다른 활동에 몰입하며 스트레스를 해소합니다. 역설적이게도 문제에서 멀어져 머릿속을 비우는 시간은 잠재의식이 작동하여 갑작스러운 아이디어를 떠올리게 하는 중요한 계기가 됩니다. 현대 수학은 크게 대수학, 기하학, 해석학, 위상수학으로 나뉩니다. 대수학은 수와 구조의 이론을 다루며, 기하학은 우리가 사는 공간과 고차원 공간을 이해하는 학문입니다. 해석학은 미적분학을 바탕으로 수의 연속성과 극한을 탐구합니다. 과거에는 이들 분야가 엄격히 구분되었으나, 현대에 이르러서는 그 경계가 점차 허물어지고 있습니다. 오늘날의 수학자들은 자신의 전공에 매몰되지 않고 다양한 분야를 넘나들며 협업을 통해 거대한 문제를 해결해 나갑니다. 특히 기하학은 우리가 세상을 인식하는 가장 기본적인 도구입니다. 어린아이가 숫자를 세기 전 모양을 먼저 인식하듯, 공간과 형태를 구별하는 능력은 수학적 사고의 시작점이라 할 수 있습니다. 최근 교육 과정에서 기하학의 비중이 줄어드는 것에 대해 우려의 목소리가 높은 이유도 여기에 있습니다. 기하학적 사고가 결여되면 세상을 보는 시야가 좁아질 수밖에 없으며, 이는 현대 사회에서 더욱 중요해지는 다각적 문제 해결 능력을 저해할 수 있습니다. 수학은 전문가들만의 전유물이 아닙니다. 최근에는 일반인들도 수학의 매력을 느낄 수 있는 훌륭한 교양 서적들이 많이 출간되고 있습니다. 전문적인 계산이나 복잡한 증명에 얽매이기보다, 수학적 아이디어가 전하는 철학적 의미와 역사적 흐름을 따라가다 보면 누구나 수학이라는 거대한 지적 세계에 발을 들일 수 있습니다. 수학에 대한 흥미를 잃지 않고 자신만의 관점에서 문제를 바라보는 태도는 수학을 즐기는 가장 좋은 방법 중 하나입니다. 랭랜즈 프로그램은 수학의 여러 분야를 유기적으로 연결하는 '원대한 계획'과 같습니다. 이는 단순한 문제 풀이를 넘어 수학 전체를 관통하는 일관된 방향성을 제시합니다. 특히 '군'이라는 개념을 통해 대칭성을 수학적 언어로 표현하고, 이를 활용해 방정식의 해를 찾거나 함수의 특성을 분석하는 과정은 매우 경이롭습니다. 서로 다른 대상 사이의 쌍대성을 발견하고 이를 통합하려는 노력은 수학이 지닌 진정한 가치와 무한한 가능성을 잘 보여줍니다.

신석우, 정경훈

카오스재단카오스강연

수학

[석학인터뷰] 김재경_ 생물학에 시간의 개념을 도입하다 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다'

수학은 단순한 숫자의 나열을 넘어 생명 현상의 복잡한 원리를 규명하는 강력한 도구로 활용됩니다. 특히 미분 방정식은 시간에 따라 변화하는 생체 내의 역동적인 움직임을 분석하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 우리 몸속에서 암세포가 증식하는 속도나 전이 과정을 수학적 모델링을 통해 질병의 진행 양상을 정밀하게 예측할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 전통적인 생물학적 관찰만으로는 파악하기 어려운 생명 현상의 근본적인 속성들을 수치화하고 체계적으로 이해할 수 있는 새로운 지평을 열어줍니다. 생체 시계 연구는 기존 생물학 연구에서 상대적으로 간과되었던 '시간'이라는 개념을 중요한 변수로 도입했습니다. 항암제를 투여할 때 아침, 점심, 저녁 중 어느 시간대에 주느냐에 따라 치료 효과가 현저히 달라진다는 사실은 생체 시계의 중요성을 잘 보여줍니다. 우리 몸의 대사와 면역 체계가 시간에 따라 주기적으로 변화하기 때문에, 이러한 생체 시계를 수학적으로 분석하면 최적의 치료 시점을 결정하는 정밀 의료가 가능해집니다. 이는 생명 과학에 시간이라는 차원을 더해 더욱 입체적인 연구를 가능케 하는 혁신적인 시도라고 할 수 있습니다. 수학자로서의 정체성을 '친구'라고 정의하는 태도는 학문 간의 경계를 허무는 협력의 중요성을 시사합니다. 실험 연구자들이 난관에 부딪혔을 때 수학적 지식으로 도움을 주고, 언제든 고민을 나눌 수 있는 동반자가 되는 것이 현대 과학이 지향해야 할 모습입니다. 새로운 분야를 개척하는 과정에는 주변의 우려와 불확실성이 따르기 마련이지만, 타인과 소통하며 문제를 해결해 나가는 과정은 학문적 성취를 넘어 더 나은 과학 생태계를 만드는 밑거름이 됩니다. 결국 학문적 지식은 타인의 어려움을 해결하는 따뜻한 도구가 될 때 그 가치가 더욱 빛납니다.

김재경

카오스재단2018 카오스강연 '모든 것의 수數다'

생명과학
수학

[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (6) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ⑥

수학 교육 현장에서 응용수학의 중요성이 점차 강조되고 있습니다. 과거에는 미분 방정식의 해법을 손으로 푸는 데 집중했다면, 이제는 이를 실제 생물학적 현상에 어떻게 적용할 수 있는지 배우는 과정이 필요합니다. 초등 및 고등 교육과정부터 수학이 실제 세상의 문제를 해결하는 도구임을 인지할 수 있도록 융합적인 교육 환경을 조성해야 합니다. 이러한 변화는 학생들이 수학의 실용성을 깨닫고 다양한 학문적 진로를 탐색하는 밑거름이 될 것입니다. 응용수학을 잘하기 위해서는 역설적으로 탄탄한 기초 수학 이론이 뒷받침되어야 합니다. 생명과학자나 의사가 던지는 복잡한 질문을 해결하기 위해서는 이산 수학, 대수학 등 수많은 수학적 도구가 필요하기 때문입니다. 어떤 문제가 주어졌을 때 적절한 이론을 선택하고 적용할 수 있는 판단력은 깊이 있는 수학 공부를 통해서만 길러집니다. 따라서 융합 연구는 기초를 소홀히 하는 것이 아니라, 탄탄한 수학적 토대 위에서 피어나는 결과물이라고 할 수 있습니다. 인간의 생체 시계는 정확히 24시간이 아닌 약 24.2시간의 주기를 가지고 있습니다. 우리가 매일 일정한 시간에 깨어날 수 있는 이유는 시신경을 통해 들어오는 빛 정보가 매일 조금씩 시계를 조절해주기 때문입니다. 수리생물학은 이러한 생체 리듬의 원리를 수학적으로 분석하여 주행성 동물과 야행성 동물의 차이를 설명합니다. 이처럼 수학은 눈에 보이지 않는 생물학적 메커니즘을 정교한 수식으로 풀어내어 현상의 본질을 이해하도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 최근에는 과학적 실험의 상당 부분이 미분 방정식을 활용한 수치 실험으로 대체되고 있습니다. 미국 FDA와 같은 기관에서도 가상 실험 결과를 실제 실험과 동등하게 인정하는 추세이며, 이는 신약 개발이나 비행기 설계 등 다양한 분야에 적용됩니다. 물리적 원리가 명확한 유체 역학 모델부터 복잡한 감염병 확산 모델까지, 수학적 모델링은 미래를 예측하고 최적의 정책 방향을 제시하는 데 기여합니다. 이는 실험의 한계를 극복하고 효율성을 극대화하는 혁신적인 방법입니다. 수학이 갖는 가장 큰 힘은 복잡한 현상을 단순화하여 본질적인 직관을 제공하는 데 있습니다. 수백 개의 변수로 얽힌 생물학적 현상을 핵심적인 수식 몇 개로 압축함으로써, 우리는 복잡함 속에 숨겨진 원리를 발견할 수 있습니다. 응용수학은 다른 학문과 조화를 이룰 때 비로소 아름다운 하모니를 만들어내는 합창과도 같습니다. 수학자가 제시하는 정량적 근거와 타 분야의 전문성이 결합할 때, 우리 사회의 복잡한 문제들을 해결할 수 있는 진정한 융합의 가치가 실현됩니다.

김재경, 정은옥

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생명과학
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[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (5) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ⑤

감염병의 확산 양상을 예측하기 위해 수학자들은 복잡한 인간의 움직임을 수식으로 구현합니다. 통근과 통학 같은 일상적인 이동 데이터를 사인 함수와 같은 주기적인 수식으로 변환하고, 이를 미분방정식 기반의 수리 모델과 결합하면 질병이 지역 간에 어떻게 전파되는지 시뮬레이션할 수 있습니다. 실제로 2009년 신종 인플루엔자 확산 데이터를 수리 모델과 비교했을 때, 실제 확진자 발생 추이와 모델의 결과가 매우 유사하게 나타났습니다. 이러한 수리 모델링은 단순한 데이터 분석을 넘어 질병 확산의 원리를 이해하고 대응책을 마련하는 강력한 도구가 됩니다. 효율적인 방역 정책을 세우기 위해서는 한정된 자원을 어디에 집중할지 결정하는 것이 중요합니다. 수리 모델링의 연구 결과에 따르면, 교통 요충지인 허브(hub) 지역보다 최초 감염이 시작된 소스(source) 지역을 통제하는 것이 전체 감염자 수를 줄이는 데 훨씬 효과적입니다. 예를 들어, 유동 인구가 많은 강남을 통제하는 것보다 감염의 시작점인 과천의 이동을 제한했을 때 전국적인 확산 억제 효과가 더 크게 나타났습니다. 이는 직관적인 판단과는 다를 수 있는 결과로, 수학적 분석이 정책 결정 과정에서 얼마나 객관적이고 과학적인 근거를 제공할 수 있는지를 잘 보여줍니다. 수학의 역할은 감염병 대응에만 국한되지 않고 현대 산업 전반으로 확장되고 있습니다. 산업수학은 이미 선진국에서 수십 년 전부터 활발히 연구되어 온 분야로, 의료, 공학, 항공, 금융 등 다양한 영역에서 실질적인 문제 해결사 역할을 하고 있습니다. 암호 이론을 이용한 개인정보 보호 기술이나 금융 시장의 복잡한 파생상품 계산, 지문 인식 알고리즘 개발 등이 모두 수학적 원리를 바탕으로 이루어집니다. 최근 한국에서도 산업수학에 대한 관심이 높아지면서, 순수 수학적 이론이 실제 산업 현장의 난제를 해결하는 핵심 기술로 자리매김하고 있습니다. 현대 과학에서 수학과의 융합 연구가 강조되는 이유는 경제성과 효율성 때문입니다. 생물학이나 의학 분야에서 수많은 약물 조합과 투여 시간을 일일이 실험으로 확인하려면 천문학적인 비용과 시간이 소요됩니다. 하지만 수리 모델을 활용하면 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적의 조건을 미리 예측할 수 있어 연구 비용을 획기적으로 절감할 수 있습니다. 이러한 'Math+X'의 접근 방식은 서로 다른 학문 간의 경계를 허물고, 기존의 방식으로는 해결하기 어려웠던 복잡한 문제들에 대해 새로운 시각과 해법을 제시합니다. 성공적인 융합 연구를 위해 연구자에게 요구되는 가장 중요한 자질은 소통 능력과 열린 마음입니다. 수학자가 자신의 전문 용어만을 고집한다면 다른 분야의 전문가들과 협력하기 어렵습니다. 상대방의 언어를 배우고 자신의 지식을 상대가 이해할 수 있는 방식으로 전달하려는 노력이 필요합니다. 또한, 학문적 자존심을 내려놓고 타 분야의 관점을 수용할 때 비로소 진정한 의미의 혁신이 일어날 수 있습니다. 4차 산업혁명 시대의 수학은 단순히 계산하는 도구를 넘어, 서로 다른 분야를 연결하고 대화를 이끌어내는 공통의 언어로서 그 가치를 더해가고 있습니다.

김재경, 정은옥

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[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (4) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ④

생체 시계의 원리를 이용한 약물 효능 연구는 현대 의학에서 매우 중요한 과제입니다. 어떤 약물은 빛에 의해 효과가 반감되거나 계절에 따라 반응이 달라지는 등 매우 복잡한 특성을 보입니다. 이러한 복잡성 때문에 모든 환경을 실제 실험으로 검증하는 것은 현실적으로 불가능에 가깝습니다. 이를 해결하기 위해 수리생물학자들은 미분방정식을 활용하여 생체 시계를 구성하는 수많은 분자의 움직임을 정밀하게 모델링합니다. 수학적 모델은 다양한 환경 변수를 시뮬레이션함으로써 약물의 최적 복용 시간을 찾아내는 강력한 도구가 됩니다. 수학적 모델링의 가장 큰 장점은 경제성과 확장성입니다. 막대한 비용이 소요되는 실제 임상 실험과 달리, 컴퓨터와 수식을 이용한 시뮬레이션은 비용을 획기적으로 절감하면서도 여름과 겨울, 환자의 생활 패턴 변화 등 거의 모든 경우의 수를 검토할 수 있게 해줍니다. 연구진은 이러한 미분방정식 모델을 기반으로 환자의 환경 정보를 실시간으로 반영하는 애플리케이션을 개발하고 있습니다. 이는 단순한 이론 연구를 넘어, 개개인의 생활 방식에 맞춘 정밀 의료 서비스를 제공하여 수학이 실생활에서 얼마나 유용하게 쓰일 수 있는지를 잘 보여줍니다. 수리생물학의 영역은 생체 시계를 넘어 암, 에이즈, 감염병 전파 등 생명과학 전반으로 넓어지고 있습니다. 최근에는 수학 박사가 의과대학 교수로 임명되는 사례가 늘어날 만큼 수학과 의생명과학의 융합이 가속화되는 추세입니다. 수학자들은 생물학자나 의사들과 긴밀히 협업하며 간호사의 교대 근무 스케줄이 수면의 질에 미치는 영향이나 식물의 가뭄 대응 메커니즘 같은 흥미로운 문제들을 해결하고 있습니다. 이러한 협력은 복잡한 생명 현상을 체계적으로 이해하고 예측하는 데 필수적인 역할을 수행하며 학문의 경계를 허물고 있습니다. 생명 현상을 분석하는 데는 미분방정식뿐만 아니라 확률방정식, 통계학, 위상수학 등 다양한 수학적 도구가 동원됩니다. 예를 들어 위상수학은 복잡하게 꼬인 DNA 구조나 뇌의 신경망 구조를 연구하는 데 활용되며, 대수학은 생물학적 분류 체계를 정립하는 데 기여합니다. 또한 그래프 이론은 유전자 발현 네트워크에서 핵심적인 연결 고리를 찾아내는 데 쓰이기도 합니다. 이처럼 수학은 생명체의 복잡한 데이터를 정돈하고 보이지 않는 규칙을 찾아내는 언어로서, 실험 데이터만으로는 파악하기 어려운 생명의 본질적인 원리를 규명하는 데 기여합니다. 감염병 확산 방지 분야에서도 수학적 모델링은 국가 정책을 결정하는 핵심적인 근거를 제공합니다. 신종 인플루엔자나 메르스 같은 전염병이 발생했을 때, 수학자들은 인구 이동 데이터와 감염 경로를 분석하여 지역별 확산 양상을 예측합니다. 감염 가능 그룹과 회복 그룹의 변화를 시간에 따른 미분방정식으로 표현함으로써 방역 전략의 효과를 미리 시뮬레이션할 수 있습니다. 이는 역학자들과의 지속적인 소통을 통해 완성되며, 복잡한 사회적 네트워크 속에서 감염병의 위협으로부터 인류를 보호하는 과학적인 방패 역할을 하고 있습니다.

김재경

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[강연] 2012 카오스 콘서트 '유리알유희' 4강 | 3강 ②

수학자 김민형 교수는 독특한 교육적 배경을 가지고 있습니다. 초중고 졸업장 없이 홈스쿨링을 거친 그는 집에서 음악을 듣고 자유롭게 시간을 보냈던 경험이 수학적 사고의 밑거름이 되었다고 회상합니다. 물론 입시 공부나 사회적 관계 형성에서 어려움을 겪기도 했지만, 이러한 자유로운 환경은 그에게 선명한 기억과 독창적인 시각을 선물했습니다. 제도권 교육의 틀 밖에서 보낸 시간은 그가 수학이라는 심오한 세계를 탐구하는 데 있어 자신만의 속도를 유지하게 해준 소중한 자산이 되었습니다. 한국과 영국의 교육 시스템은 서로 다른 장단점을 지니고 있습니다. 한국은 두꺼운 교재를 바탕으로 철저한 연습과 기초 지식 습득을 강조하는 반면, 영국은 대표 강의 위주로 진행하며 학생 스스로 문제를 해결하는 독립적인 사고력을 중시합니다. 한국 학생들은 탄탄한 기초를 갖추고 있지만 임기응변이 다소 부족할 수 있고, 영국 학생들은 창의적 의지는 강하나 기초 계산 능력이 떨어지는 경우가 있습니다. 두 방식 중 어느 하나가 절대적으로 우월하기보다는 상황에 따라 필요한 기술이 다르다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 한국 학생들의 뛰어난 실력에도 불구하고 필즈상 수상자가 부재했던 이유는 연구 중심 대학의 역사가 짧기 때문입니다. 과거의 교육은 지식 전달 위주였으며, 창의적인 연구 문화가 정착된 지는 얼마 되지 않았습니다. 하지만 현재의 젊은 인재들은 과거보다 훨씬 똑똑하며 세계적인 수준의 경쟁력을 갖추고 있습니다. 이들이 본격적으로 학계에서 활동하며 연구 성과를 쌓아감에 따라, 자연스럽게 세계적인 권위의 상들도 뒤따라올 것입니다. 수학적 역량은 이미 충분하며 이제는 그 결실을 기다리는 단계에 와 있습니다. 학문의 발전은 특정 지역에 집중되기도 하고 전 세계로 분산되기도 합니다. 과거 유럽에서 미국으로, 다시 아시아로 학문의 중심지가 이동하는 경향이 있지만, 중요한 것은 각 나라가 자신만의 특성을 살려 세계 수학계에 기여하는 것입니다. 중앙화된 시스템은 효율적인 교류를 가능케 하고, 분산된 연구는 다양성을 보장합니다. 수학자들은 서로 협조하고 보완하며 학문의 지평을 넓혀갑니다. 세계가 서로 다른 강점을 가지고 발전할 때 수학이라는 거대한 지도는 더욱 풍성하게 채워질 수 있습니다. 순수 수학과 응용 수학, 혹은 융합 학문 사이에서 고민하는 이들에게 중요한 것은 자신의 분야에 충실하면서도 타 학문에 대한 열린 마음을 갖는 것입니다. 추상적인 개념을 다루는 순수 수학은 그 자체로 깊은 가치가 있으며, 다른 분야와 결합할 때 새로운 통찰을 제공합니다. 자신이 하는 일에 전문성을 갖추되 다른 학문의 '팬'이 되어 응원하다 보면 자연스럽게 융합의 기회가 찾아옵니다. 학문의 경계를 허무는 노력은 거창한 선택이 아니라, 주변의 다양한 현상에 호기심을 갖는 것에서 시작됩니다. 수학 실력은 재능의 차이가 있을 수 있으나 기본적으로 투입한 시간에 비례하여 성장하는 함수와 같습니다. 특히 한국 학생들은 고등학교 시절 이미 세계적인 수준의 수학적 훈련을 거치며 높은 평균 실력을 보유하고 있습니다. 스스로 수학을 못 한다고 자책하기보다 자신이 이미 가진 탄탄한 기초를 어떻게 활용할지 고민해야 합니다. 컴퓨터공학이나 생명공학 등 어떤 분야를 전공하더라도 수학적 사고방식은 문제를 해결하는 강력한 무기가 됩니다. 자신감을 가지고 꾸준히 시간을 투자한다면 수학은 인생의 자산이 될 것입니다. 게일-섀플리 알고리즘과 같은 수학적 모델은 복잡한 사회 현상을 단순화하여 핵심적인 구조를 들여다보게 해줍니다. 짝짓기 문제와 같은 인류의 오랜 난제를 수학적으로 분석하는 과정은 현실의 모든 문제를 즉각 해결해주지는 못하지만, 현상을 바라보는 통찰력을 획기적으로 높여줍니다. 핵심적인 부분을 파악해 모델을 만들고 이를 점차 정교하게 발전시켜 나가는 과정이 바로 수학적 모델링의 묘미입니다. 이러한 시도는 현대 문명 곳곳에서 보이지 않는 힘으로 작용하며 우리의 삶을 더욱 효율적으로 설계하는 데 기여하고 있습니다.

김민형, 박형주

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수학

[강연] Phantom, Avatar and Persona (2) _ by정석 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 2강 | 2강 ②

오가노이드는 줄기세포를 활용하여 인간의 장기 발달 과정을 그대로 모사함으로써 인공 장기를 만드는 혁신적인 기술입니다. 정자와 난자가 만나 배아가 되고 하나의 생명체로 성장하는 신비로운 과정을 실험실의 배양 접시 위에서 재현하는 것이 이 기술의 핵심이라 할 수 있습니다. 과거에는 질병 연구를 위해 실험동물을 대상으로 실험을 진행해야 했지만, 이제는 미니 뇌나 미니 췌장 같은 정교한 조직을 직접 만들어 연구할 수 있게 되었습니다. 이는 생명과학 연구의 패러다임을 근본적으로 바꾸는 변화입니다. 실제로 췌장 오가노이드는 내부의 혈관 구조와 세포 단위까지 정밀하게 모사하여 당뇨병 치료 연구에 활발히 활용되고 있습니다. 또한 장 오가노이드는 복잡한 융털 구조를 재현하여 우리 몸의 마이크로바이옴과 박테리아의 상호작용을 연구하는 데 중요한 도구가 됩니다. 이러한 기술은 단순히 형태를 흉내 내는 수준을 넘어, 실제 장기가 수행하는 생리적 기능을 실험실 환경에서 구현할 수 있도록 발전하고 있습니다. 이는 질병의 근본적인 원인을 규명하고 새로운 치료법을 찾는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 뇌 오가노이드는 가장 복잡한 장기인 인간의 뇌를 연구하기 위한 도전적인 과제로 꼽힙니다. 지카 바이러스가 소두증을 유발한다는 사실을 증명하는 과정에서도 뇌 오가노이드는 결정적인 증거를 제공하며 그 가치를 입증한 바 있습니다. 하지만 오가노이드 내부의 복잡한 구조를 관찰하기 어렵다는 기술적 한계가 존재했는데, 이를 해결하기 위해 조직 투명화 기술이 함께 개발되었습니다. 투명화 기술을 통해 우리는 장기 내부에서 일어나는 미세한 변화를 생생하게 들여다보며 연구의 정밀도를 높일 수 있게 되었습니다. 장기 칩 기술은 오가노이드와는 또 다른 방식으로 인체의 생리적 환경을 정밀하게 모사합니다. 예를 들어 폐를 모사한 칩에 담배 연기를 지속적으로 노출시켜 폐 세포에 일어나는 변화를 실시간으로 관찰하는 실험이 가능해졌습니다. 실제 사람에게는 윤리적 문제로 수행할 수 없는 위험한 실험을 칩 위에서 안전하게 수행함으로써, 질병의 진행 과정을 과학적으로 분석할 수 있습니다. 최근에는 여러 개의 장기 칩을 하나로 연결하여 인체 전체의 반응을 통합적으로 연구하려는 시도도 활발히 이루어지고 있어 그 미래가 더욱 기대됩니다. 정밀 의료의 핵심은 환자 개개인의 특성에 맞춘 최적의 치료제를 찾는 것입니다. 암 환자의 조직에서 추출한 세포로 오가노이드를 만들고 다양한 항암제를 테스트하면, 부작용은 최소화하고 치료 효과는 극대화할 수 있는 약물을 미리 선별할 수 있습니다. 실제로 특정 환자에게 어떤 약물이 더 잘 침투하고 효과를 발휘하는지 칩 위에서 확인하는 기술이 임상 현장에 적용되기 시작했습니다. 이는 환자의 생존율을 획기적으로 높일 뿐만 아니라, 불필요한 치료 과정을 줄여 의료 비용을 절감하는 데에도 큰 기여를 할 수 있는 대안이 됩니다. 우리는 이제 생물학적 복제 모델인 아바타를 넘어, 방대한 데이터와 결합된 페르소나의 시대로 나아가고 있습니다. 과거에는 환자의 암세포를 쥐에게 이식하는 마우스 아바타 모델이 주로 사용되었지만, 시간과 비용 면에서 한계가 뚜렷했습니다. 반면 오가노이드와 장기 칩은 환자의 유전 정보와 생체 데이터를 통합하여 디지털과 생물학이 결합된 더욱 정교한 모델을 제공합니다. 이러한 기술적 진보는 의료진이 환자의 상태를 다각도로 분석하고, 수많은 항암제 중 최선의 선택을 내릴 수 있도록 돕는 강력한 지침이 되어줄 것입니다. 미래의 의료 시스템은 환자가 멀리 떨어져 있어도 3차원으로 구현된 장기 정보를 통해 정밀한 진단과 치료가 이루어지는 형태가 될 것입니다. 인공지능과 빅데이터, 그리고 정교한 생체 모사 기술이 결합됨으로써 인류는 질병 정복이라는 목표에 한 걸음 더 다가설 수 있습니다. 이러한 혁신은 기계공학, 생명과학, 전자공학 등 다양한 학문 분야의 경계를 허무는 융합을 통해 완성됩니다. 우리 몸의 조직을 칩 위에 올리고 데이터를 통해 분석하는 기술은 인류의 건강한 삶을 보장하는 미래 과학의 핵심 열쇠가 될 것으로 확신합니다.

정석

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물리학

[강연] 게놈으로 읽는 생명/유전자가위로 유전자 수술하기 _ 박종화, 김진수 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 9강 | 9강 ⑤

유전체 교정을 통해 인간의 수명을 연장하려는 시도는 매우 흥미로운 주제입니다. 하지만 노화나 암, 당뇨병과 같은 복합 형질은 단 하나의 유전자가 아닌 수십 개의 유전자가 복잡하게 얽혀 상호작용하며 나타나는 결과입니다. 따라서 특정 유전자 하나를 바꾼다고 해서 즉각적인 변화를 기대하기는 어렵습니다. 유전적 요인뿐만 아니라 환경적 요인까지 고려한 정밀한 조절이 필요하며, 이를 치료에 적용하기 위해서는 장기간의 임상 시험을 통해 안전성과 유효성을 철저히 검증하는 과정이 필수적입니다. 유전자 가위 기술은 이론적으로 많은 질병을 고칠 수 있는 가능성을 제시하지만, 모든 병을 고치는 만병통치약은 아닙니다. 질병의 원인은 유전적 요인 외에도 매우 다양하기 때문입니다. 현재는 유전적 변이로 인해 발생하는 난치병을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있으며, 기술의 발전과 함께 특정 유전자를 수정하여 수명을 연장하거나 특정 신체 기능을 강화하는 연구도 이루어지고 있습니다. 하지만 우리가 아직 모르는 유전자의 복합적인 작용이 많기에 기술적 한계를 명확히 인식하는 태도가 중요합니다. 멸종된 매머드를 복원하려는 시도는 유전공학의 기술적 진보를 보여주는 상징적인 사례입니다. 매머드의 유전적 특징을 파악해 코끼리의 체세포에 삽입하는 방식은 기술적으로 가능할 수 있지만, 이는 생태계 복원보다는 엔터테인먼트적인 성격이 강합니다. 수천만 년의 시간을 건너뛰어 나타난 생명체가 현재의 변화된 환경과 미세먼지 속에서 생존하기란 매우 어렵기 때문입니다. 또한 대리모 역할을 할 동물의 생물학적 수용성 문제와 윤리적 논란은 기술적 가능성 너머에 존재하는 거대한 장벽입니다. 과거에는 불가능했던 정밀 의료가 유전체 분석 기술의 발달로 현실화되고 있습니다. 스티브 잡스와 같은 사례에서 보듯, 암세포의 변화를 실시간으로 추적하고 수만 가지 약물을 스크리닝하여 환자에게 가장 적합한 맞춤형 치료를 제공하는 방식이 가능해졌습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어 유전체 정보를 바탕으로 건강을 관리하는 시대로의 전환을 의미합니다. 다만 이러한 첨단 의료 서비스가 대중화되기 위해서는 막대한 비용 문제와 사회적 합의가 선행되어야 하며, 기술의 혜택이 공정하게 분배될 수 있는 구조가 필요합니다. 진화의 방향성에 대한 논의는 유전자 가위 기술의 등장으로 새로운 국면을 맞이했습니다. 기존의 진화론이 무작위적인 변이와 자연선택을 강조했다면, 이제 인류는 스스로의 유전체를 편집함으로써 진화의 방향을 결정할 수 있는 위치에 서게 되었습니다. 이를 '눈먼 진화'에서 '눈뜬 진화'로의 이행이라고 부르기도 합니다. 인류가 자신의 유전적 운명을 선택하는 것이 자연스러운 진화의 과정인지, 아니면 인위적인 개입인지에 대한 철학적 논쟁은 앞으로도 계속될 것이며, 이는 생명과학의 핵심적인 화두가 될 것입니다. 유전체 데이터는 인류의 과거를 재구성하는 데에도 결정적인 역할을 합니다. 고대 화석에서 추출한 유전체 정보와 탄소 동위원소 연대 측정 기술은 기존의 고고학적 가설들을 뒤엎고 인류의 이동 경로를 새롭게 그려내고 있습니다. 예를 들어 아시아인의 이동 경로가 북방이 아닌 남방 중심이었다는 연구 결과는 역사 교과서의 내용을 수정해야 할 만큼 파급력이 큽니다. 과학적 증거를 바탕으로 한 이러한 발견들은 국수주의적인 시각에서 벗어나 인류의 역사를 보다 객관적이고 열린 자세로 바라보게 하는 계기를 마련해 줍니다. 유전자 가위 기술은 암 치료 분야에서도 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 암세포를 직접 공격하는 대신 면역 세포의 유전자를 교정하여 암세포의 회피 기작을 무력화하는 면역 세포 치료제가 대표적입니다. 이러한 첨단 치료제는 임상 시험을 통해 놀라운 성과를 거두고 있지만, 상용화 과정에서 발생하는 고가의 약가 문제는 여전히 해결해야 할 숙제입니다. 기술적 완성도를 높이는 것만큼이나 국가적 차원의 규제와 의료 보험 적용 등 사회적 시스템을 구축하는 노력이 병행되어야 유전자 교정의 혜택이 실질적으로 전달될 수 있습니다.

김진수, 박종화

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생명과학

[강연] 자연에 없던 물질 만들기 (3) _이병호 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 9강 | 9강 ③

메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 인위적으로 설계하여 빛의 굴절률을 자유자재로 조절하는 혁신적인 물질입니다. 유전율과 투자율을 조절하면 빛이 물체를 피해 돌아가게 만들 수 있는데, 이것이 바로 투명망토의 기본 원리입니다. 단순히 보이지 않게 하는 것을 넘어, 빛이 평평한 바닥에서 반사되는 것처럼 속이는 투명 카펫이나 초박형 평면 렌즈를 만드는 것도 가능합니다. 이러한 기술은 우리가 사물을 인식하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓을 잠재력을 지니고 있습니다. 메타물질의 원리는 빛과 같은 전자기파에만 국한되지 않고 소리나 열과 같은 다양한 파동 에너지에도 적용될 수 있습니다. 예를 들어 소리의 경로를 조절하는 음향 메타물질은 아파트 층간 소음을 획기적으로 줄이거나 특정 구역을 소음으로부터 완전히 격리하는 데 활용될 수 있습니다. 또한 열의 흐름을 제어하여 민감한 부품을 열로부터 보호하는 열 메타물질 기술도 연구되고 있습니다. 파동의 성질을 이용할 수만 있다면 지진파나 해일로부터 도시를 보호하는 거대 구조물까지 이론적으로 가능해집니다. 최근에는 메타물질을 아주 얇은 층으로 구현한 메타표면 기술이 주목받고 있습니다. 기존의 렌즈는 빛을 모으기 위해 두꺼운 곡면 구조가 필요했지만, 메타표면을 이용하면 초박형 평면 렌즈를 제작할 수 있습니다. 이는 빛의 위상과 진폭을 미세하게 조절하여 정교한 홀로그램 영상을 만들어내는 데에도 최적입니다. 특히 굴절률이 매우 높은 물질을 사용하면 두께가 거의 없는 표면 구조만으로도 완벽한 3D 디스플레이를 구현할 수 있어, 차세대 영상 기술의 핵심으로 손꼽힙니다. 메타물질 연구는 카이랄 메타물질이나 제로 굴절률 물질과 같은 더욱 심오한 영역으로 확장되고 있습니다. 거울 대칭 구조를 가진 카이랄 메타물질은 빛의 편광 특성을 자유롭게 바꾸어 통신이나 센서 기술에 혁신을 가져올 수 있습니다. 또한 제로 굴절률 물질에서는 빛의 위상 변화가 거의 없이 순식간에 공간을 통과하는 독특한 현상이 나타납니다. 이러한 극한의 물리적 특성들은 기존의 광학 이론으로는 설명하기 힘든 새로운 현상들을 가능하게 하며, 미래의 초고속 정보 처리 기술에 중요한 단초를 제공합니다. 현재 대한민국을 비롯한 전 세계 주요 국가들은 메타물질을 차세대 핵심 기술로 육성하기 위해 대규모 연구를 진행하고 있습니다. 특히 우리나라는 글로벌 프론티어 사업을 통해 기계, 전자, 물리 등 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 세계적인 수준의 성과를 내고 있습니다. 스텔스 기술과 같은 국방 분야부터 초소형 광학 기기까지 메타물질의 응용 범위는 무궁무진합니다. 미래를 예측하는 가장 좋은 방법은 직접 만드는 것이라는 말처럼, 메타물질 연구는 우리가 꿈꾸던 미래를 현실로 바꾸는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

이병호

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물리학

[강연] 지니에게 물어봐 _장원철 교수| 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (5) | 3강

우주는 끊임없이 무질서한 상태로 나아가려는 본질적인 경향을 가지고 있습니다. 이를 과학적으로는 열역학 제2법칙, 즉 엔트로피 증가의 법칙이라고 정의합니다. 뜨거운 커피가 식어 주변 온도와 같아지거나, 물속에 떨어진 잉크가 고르게 퍼져나가는 현상은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 자연스러운 변화의 과정입니다. 이러한 변화는 결코 스스로 되돌아가지 않는 비가역적인 특성을 지닙니다. 한 번 흩어진 에너지는 외부의 개입 없이는 다시 모이지 않으며, 엔트로피는 단순한 혼란의 정도를 넘어 우주의 시간적 방향성을 결정짓는 중요한 척도가 됩니다. 루트비히 볼츠만은 눈에 보이지 않는 미시적 입자들의 배열 상태를 통해 엔트로피를 통계적으로 새롭게 정의했습니다. 그는 거시적인 상태가 가질 수 있는 미시적 상태의 가짓수가 많을수록 엔트로피가 높다는 사실을 수학적인 공식으로 증명해 냈습니다. 이는 무질서함이 단순히 인간의 주관적인 느낌이 아니라, 확률적으로 가장 일어날 법한 상태임을 과학적으로 입증한 것입니다. 볼츠만의 통계역학은 고전 물리학의 한계를 뛰어넘어 현대 물리학이 물질의 근본 원리를 이해하는 데 결정적인 토대를 마련해 주었으며, 원자의 존재를 확신하게 만든 계기가 되었습니다. 제임스 클러크 맥스웰은 엔트로피 법칙의 절대성에 도전하는 흥미로운 사고실험을 제안했습니다. 아주 작은 존재인 '맥스웰의 도깨비'가 기체 분자들의 속도를 하나하나 관찰하여 빠른 것과 느린 것을 분리할 수 있다면, 외부에서 에너지를 가하지 않고도 계의 엔트로피를 낮출 수 있다는 가설이었습니다. 이 도깨비의 존재는 오랫동안 물리학자들에게 거대한 지적 숙제를 안겨주었습니다. 만약 이 가설이 현실에서 가능하다면 열역학 제2법칙은 우주의 절대적인 진리가 아닌, 단지 확률적인 현상에 불과하게 되어 물리학의 근간이 흔들릴 수 있기 때문입니다. 맥스웰의 도깨비가 가진 모순은 20세기에 들어서 정보 이론과 열역학의 결합을 통해 명쾌하게 해결되었습니다. 도깨비가 분자를 선별하기 위해서는 반드시 정보를 수집하고 기억해야 하며, 이 정보를 지우는 과정에서 필연적으로 열이 발생한다는 사실이 밝혀진 것입니다. 즉, 정보를 처리하고 저장하는 과정 자체가 물리적인 비용을 수반하며, 전체 시스템의 엔트로피는 결과적으로 증가하게 됩니다. 이는 정보가 단순한 추상적 개념이 아니라 물리적인 실체와 긴밀하게 연결되어 있음을 시사하는 놀라운 발견이었으며, 현대 컴퓨터 공학의 기초 원리와도 맞닿아 있습니다. 생명체는 무질서로 향하는 우주의 거대한 흐름 속에서도 고도의 질서를 유지하고 만들어내는 경이로운 존재입니다. 우리는 외부로부터 끊임없이 에너지를 섭취하고 정교한 대사 과정을 거치며 스스로의 구조를 유지하고 복제합니다. 물리학자 슈뢰딩거는 생명이 '음의 엔트로피'를 섭취함으로써 생존한다고 표현하기도 했습니다. 비록 생명체 내부에서는 질서가 유지되는 것처럼 보이지만, 그 대가로 주변 환경의 엔트로피를 훨씬 더 크게 증가시킵니다. 결국 생명은 우주의 법칙을 거스르는 예외가 아니라, 그 법칙 안에서 에너지를 효율적으로 사용하여 꽃피운 정교한 결과물입니다. 엔트로피의 지속적인 증가는 왜 우리가 과거로 돌아갈 수 없는지, 즉 시간의 비가역성을 설명해 주는 유일한 물리적 근거가 됩니다. 우주의 초기 상태는 매우 낮은 엔트로피를 가지고 있었으며, 시간이 흐름에 따라 점차 높은 엔트로피 상태로 진화해 왔습니다. 이러한 변화의 흐름은 '시간의 화살'을 만들어내며, 우리가 과거와 미래를 명확히 구분 짓는 기준이 됩니다. 만약 엔트로피가 증가하지 않고 평형 상태에 머물러 있다면 세상은 어떠한 변화도 일어나지 않는 정적인 상태에 갇혔을 것입니다. 우리가 경험하는 모든 변화와 흐름은 무질서로 향하는 여정 그 자체입니다. 무질서 속에서 질서가 형성되는 원리를 이해하려는 노력은 현대 과학의 가장 본질적인 도전 중 하나입니다. 겉보기에 혼돈스러워 보이는 자연 현상 이면에는 정교한 물리 법칙이 숨어 있으며, 과학자들은 이를 통해 우주의 기원과 생명의 신비를 탐구해 왔습니다. 엔트로피 법칙은 우주의 종말을 예견하는 차가운 법칙처럼 느껴질 수 있지만, 동시에 복잡한 생명과 찬란한 문명이 탄생할 수 있었던 역동적인 배경이기도 합니다. 질서와 무질서가 끊임없이 상호작용하며 균형을 찾아가는 과정은 우주를 더욱 풍요롭고 아름답게 만드는 근원적인 원동력이라 할 수 있습니다.

장원철

카오스재단서울대자연과학공개강연

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