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[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.

[페스티벌+어스] 유튜버 스테이지 (Youtu-verse) by 1분과학, 과학드림, 지식인미나니 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

공룡에 대한 우리의 인식은 지난 200년 동안 극적으로 변화해 왔습니다. 초기 고생물학자들은 공룡을 꼬리를 땅에 끌며 느릿느릿 걷는 거대한 도마뱀이나 코뿔소 같은 모습으로 복원했습니다. 하지만 1970년대 '공룡 르네상스'를 거치며 공룡이 꼬리를 높이 치켜들고 역동적으로 달리는 정온동물이었을 가능성이 제기되었습니다. 최근에는 깃털 공룡 화석들이 잇따라 발견되면서, 공룡이 현대의 새와 밀접하게 연결되어 있다는 사실이 정설로 자리 잡았습니다. 이러한 복원도의 변화는 우리가 당연하게 믿어왔던 지식이 새로운 증거 앞에서 얼마나 유연하게 바뀔 수 있는지를 잘 보여줍니다. 과학은 고정된 진리가 아니라 끊임없이 변화하고 수정되는 역동적인 과정입니다. 과거의 학자들이 이구아노돈의 엄지뼈를 코 위에 붙였던 실수는 당시의 한정된 정보 속에서 최선의 추론을 내린 결과였습니다. 이후 더 완전한 골격 화석이 발견되면서 오류는 수정되었고, 우리는 진실에 한 걸음 더 다가갈 수 있었습니다. 이처럼 과학의 진정한 매력은 정해진 결론에 있는 것이 아니라, 새로운 증거를 토대로 기존의 고정관념을 깨뜨려 나가는 합리적인 탐구 과정에 있습니다. 이러한 태도는 우리가 세상을 더 객관적이고 열린 마음으로 바라보게 하는 힘이 됩니다. 인공지능 기술 역시 인간의 뇌신경망을 모방하려는 끊임없는 시도 끝에 탄생했습니다. 1950년대 앨런 튜링의 질문에서 시작된 이 여정은 초기 컴퓨터의 성능 한계로 인해 긴 정체기를 겪기도 했습니다. 그러나 하드웨어의 비약적인 발전과 방대한 데이터의 축적은 '심층신경망'이라는 돌파구를 마련했습니다. 오늘날의 인공지능은 단순히 입력된 명령을 수행하는 수준을 넘어, 스스로 패턴을 학습하고 정답을 찾아가는 과정을 반복하며 정확도를 높입니다. 이제 인공지능은 스마트폰의 얼굴 인식부터 자율주행에 이르기까지 우리 일상의 깊숙한 곳에서 보이지 않는 조력자 역할을 수행하고 있습니다. 최근 등장한 생성형 인공지능은 인간의 고유 영역이라 여겨졌던 창작의 세계까지 확장되고 있습니다. 텍스트 몇 줄만으로 정교한 그림을 그리거나 음악을 작곡하는 인공지능의 능력은 우리에게 저작권과 창의성에 대한 새로운 질문을 던집니다. 하지만 인공지능과 인간을 대립 관계로 볼 필요는 없습니다. 인공지능은 인간이 처리하기 힘든 방대한 데이터를 순식간에 분석하여 단백질 구조를 예측하거나 에너지 효율을 최적화하는 등 인류의 난제를 해결하는 데 기여하고 있습니다. 결국 인공지능은 인간의 삶의 질을 높이고, 우리가 더 가치 있는 일에 집중할 수 있도록 돕는 강력한 도구로서 진화하고 있는 것입니다. 과학은 세상을 바라보는 하나의 철학이 될 수 있습니다. 우리는 흔히 사물이나 현상에 '좋다' 혹은 '나쁘다'와 같은 주관적인 가치를 부여하며 살아갑니다. 하지만 과학의 시선으로 본 세상은 어떠한 선입견도 없는 객관적인 실체 그 자체입니다. 중력가속도에 따라 떨어지는 사과나 빛조차 빨아들이는 블랙홀은 그저 자연의 법칙을 따를 뿐, 도덕적인 판단의 대상이 아닙니다. 이처럼 언어와 관념이 만들어낸 가상의 의미를 걷어내고 세상을 있는 그대로 바라볼 때, 우리는 비로소 본질에 다가갈 수 있습니다. 이러한 과학적 사고방식은 우리를 편견으로부터 자유롭게 만듭니다. 우리 주변의 흔한 이끼를 대하는 태도의 변화는 과학적 시각의 중요성을 상징적으로 보여줍니다. 많은 이들이 이끼를 습하고 더러운 곳에서 자라는 무가치한 존재로 여기지만, 과학적으로 이끼는 지구 생태계의 위대한 개척자입니다. 4억 5천만 년 전 육상으로 올라온 최초의 생명체인 이끼는 척박한 환경에서 산소를 공급하며 오늘날의 생태계를 만드는 기초를 닦았습니다. 한 평 남짓한 이끼가 수십 그루의 소나무보다 더 많은 산소를 생산하고 미세먼지를 정화한다는 사실을 알게 되면, 무심코 지나쳤던 작은 생명체에서도 경이로운 아름다움을 발견하게 됩니다. 과학 소통은 전문가와 대중 사이의 간극을 메우고 합리적인 사회를 만드는 핵심적인 역할을 합니다. 현대 과학은 고도의 전문성을 띠고 있어 일반인이 접근하기 어렵지만, 과학 커뮤니케이터들은 이를 쉬운 언어로 풀어내어 지식의 문턱을 낮춥니다. 과학적 사실을 공유하는 것은 단순히 정보를 전달하는 것을 넘어, 대중이 논리적이고 비판적인 사고를 할 수 있도록 돕는 과정입니다. 모든 사람이 과학을 즐기고 일상의 문제를 과학적으로 해결하려 노력할 때, 우리 사회는 더 진보하고 개인의 삶은 더욱 풍요로워질 것입니다. 과학은 이제 실험실을 넘어 우리의 삶을 변화시키는 강력한 동력이 되고 있습니다.