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먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 🌏 8강 2부 금성, 지구 환경의 반면교사이자 외계행성을 찾기 위한 가장 가까운 행성 ‘샘플’│카오스강연 시즌2

금성은 최근 기후 변화와 행성 진화 연구의 중심지로 다시금 주목받고 있습니다. 2030년대에는 NASA의 베리타스(VERITAS)와 다빈치(DAVINCI), 그리고 ESA의 인비전(EnVision) 등 총 세 대의 탐사선이 금성을 향해 떠날 예정입니다. 이 미션들은 금성의 지표 해상도를 획기적으로 높이고 대기를 직접 실측하며, 지구와 비슷한 크기의 이 행성이 왜 이토록 다른 기후적 길을 걷게 되었는지 밝혀내는 것을 목표로 삼고 있습니다. 이는 단순한 호기심을 넘어 지구형 행성의 미래를 엿보는 중요한 연구가 될 것입니다. ESA의 인비전 미션에는 과학 탑재체인 ‘벤스펙(VenSpec) 스위트’가 포함되어 있으며, 현재 우리나라 연구자도 이 장비의 공동 연구자로 참여하고 있습니다. 공동 연구자는 탐사 자료의 취득 방향을 설정하고 분석 방법을 결정하며 연구팀의 과학적 성과를 극대화하는 중추적인 역할을 수행합니다. 해외 유수 기관과의 긴밀한 협력은 금성 대기층부터 지표 아래까지 아우르는 방대한 데이터를 공유할 수 있게 하며, 이는 향후 국제적인 금성 탐사 협력 체계에서 우리나라가 독자적인 학술적 기여를 할 수 있는 소중한 발판이 됩니다. 우리나라 기초과학연구원(IBS)에서도 ‘클로버샛(CLOVERSAT)’이라는 독자적인 프로젝트를 추진하며 금성 연구에 박차를 가하고 있습니다. 이는 초소형 위성을 3년 주기로 발사하여 총 15년간 금성을 장기 관측하는 야심 찬 계획으로, 올해 첫 번째 위성 발사를 앞두고 있습니다. 새로운 기술 개발에만 매몰되기보다 검증된 지구 관측 기술에 창의적인 아이디어를 결합하여 개발 위험은 낮추고 효율성은 극대화한 것이 특징입니다. 이러한 장기 관측 데이터는 단발성 탐사선들이 놓치기 쉬운 행성의 전 지구적 변동성을 파악하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다. 금성 연구는 우주 탐사선뿐만 아니라 지상의 대형 망원경을 통해서도 활발히 이루어집니다. 적외선과 자외선 필터를 사용하면 금성의 밤 지역이나 대기 중의 미확인 흡수체를 뚜렷하게 관측할 수 있어 행성 내부와 대기의 상호작용을 연구할 수 있습니다. 특히 금성은 지구와 크기가 비슷함에도 불구하고 고유 자기장이 없어 대기가 지속적으로 우주로 유실되는 독특한 특징을 보입니다. 이러한 현상들은 행성 내부의 메커니즘을 이해하는 핵심 열쇠이며, 지구와 화성 등 다른 행성들과 비교 연구를 통해 행성의 거주 가능성을 판단하는 중요한 기준이 됩니다. 외계 행성 탐사 분야에서도 금성 연구는 결정적인 시사점을 제공합니다. 보이저 1호가 촬영한 ‘창백한 푸른 점’ 사진이 보여주듯, 먼 우주에서 행성의 생명체 존재 여부를 단 한 점의 데이터로 파악하는 것은 극도로 어려운 일입니다. 현재까지 확인된 6,000여 개의 외계 행성들은 각기 다른 진화 단계에 있으며, 금성의 대기 순환과 변동성을 이해하는 것은 곧 외계 행성의 환경을 예측하는 정밀한 모델이 됩니다. 2030년대에 쏟아질 탐사 자료들을 선제적으로 분석할 준비를 마친다면, 인류는 행성 진화의 신비를 푸는 새로운 국면을 맞이하게 될 것입니다.

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[강연] 우리 별 태양, 그 자비로움과 그 난폭함에 대해 2_by 채종철 | 2025-2026 카오스강연 'Across the Universe' 5강 두 번째 이야기

태양 폭풍을 이해하기 위해 현대의 관측 자료뿐만 아니라 과거의 태양을 연구하는 것은 매우 중요합니다. 하지만 과거의 태양을 직접 관측할 수는 없기에, 과학자들은 태양의 어린 시절과 닮은 ‘젊은 태양형 별’을 연구의 대안으로 삼습니다. 이를 통해 수십억 년 전 태양이 어떤 성질을 가졌는지, 슈퍼 태양 폭풍이 얼마나 자주 발생했는지를 추론할 수 있습니다. 이러한 연구는 단순히 먼 우주의 현상을 살피는 것이 아니라, 우리 태양계의 형성과 생명의 기원을 밝히는 중요한 단서가 됩니다. 별을 관측할 때 가장 유용한 도구 중 하나는 수소가 내뿜는 빛인 H-알파선 분광 관측입니다. 수소는 우주에서 가장 흔한 원소이며, 에너지 상태에 따라 특정 파장의 빛을 흡수하거나 방출합니다. 특히 붉은색 파장 영역에 위치한 H-알파선은 태양의 대기층인 채층에서 일어나는 역동적인 현상을 관찰하는 데 매우 효과적입니다. 이를 통해 플레어나 홍염 분출 같은 폭발적인 에너지 방출 과정을 정밀하게 분석하고, 스펙트럼상의 미세한 변화를 통해 폭풍의 위력을 기록할 수 있습니다. 연구진은 직접 제작한 고속 영상 태양 분광기를 미국 빅베어 태양 천문대의 거대 망원경에 부착하여 정밀한 관측을 수행해 왔습니다. 이 장비는 태양 표면을 스캔하여 파장별 이미지를 생성하며, 광구의 흑점뿐만 아니라 그 상층부인 채층의 모습을 입체적으로 보여줍니다. 관측된 데이터를 시간 순서대로 나열하면 태양 활동을 동영상처럼 시각화할 수 있으며, 특정 지점에서 갑자기 밝아지거나 어두워지는 현상을 포착하여 태양 폭풍의 전조 증상과 전개 과정을 심도 있게 연구할 수 있습니다. 최근에는 용자리에 위치한 젊은 별 ‘EK Dra’를 관측하여 놀라운 결과를 얻었습니다. 이 별은 태양과 매우 흡사하지만 나이가 훨씬 젊고 자전 속도가 태양보다 약 10배나 빠릅니다. 보현산 천문대의 망원경을 통해 이 별을 추적한 결과, 인류 역사상 가장 강력했던 태양 폭풍인 캐링턴 사건보다 약 20배나 더 강력한 항성 폭풍을 포착하는 데 성공했습니다. 이러한 강력한 폭발이 생각보다 자주 일어난다는 사실은 과거 젊은 시절의 태양 역시 지금보다 훨씬 난폭했을 가능성을 시사합니다. 강력한 태양 폭풍은 지구 환경과 생명체의 출현에 양면적인 영향을 미쳤을 것으로 보입니다. 초기 지구의 대기가 태양 폭풍으로 인해 한때 소멸했을 수도 있고, 반대로 고에너지 입자들이 돌연변이를 유도하여 생명체 진화의 촉매제가 되었을 가능성도 존재합니다. 또한 태양의 자기장은 외부 은하에서 오는 위험한 우주선을 막아주는 거대한 보호막 역할도 수행합니다. 이처럼 태양과 항성의 활동은 단순히 천문학적 현상을 넘어 행성의 서식 가능성과 생명 탄생의 근본 환경을 결정짓습니다. 태양의 자기장은 약 22년을 주기로 극성이 바뀌며 흑점 활동을 조절합니다. 흑점이 많을 때는 태양이 더 밝아져 지구 기온이 상승하는 경향이 있으며, 이러한 자기 활동은 태양계 전체를 감싸는 태양권을 형성하여 행성들을 보호합니다. 만약 행성이 자기장을 완전히 잃게 된다면 대기가 우주 공간으로 날아가 버릴 수 있지만, 지구처럼 내부 다이나모가 살아 있는 행성은 일시적인 손실 후에도 다시 자기권을 회복할 수 있습니다. 이러한 방어 체계는 생명체가 수십억 년 동안 지구에서 생존할 수 있었던 핵심 요인입니다. 우리는 태양과 분리된 존재가 아니라 물리적으로 긴밀하게 연결된 우주의 일원입니다. 과학적 관측과 연구는 단순히 수치를 계산하는 것이 아니라, 우리가 어디에서 왔으며 이 우주에서 우리의 존재가 어떤 의미를 갖는지 답을 찾아가는 과정입니다. 태양의 역동적인 활동을 이해함으로써 우리는 생명을 잉태한 우주에 대한 경외감을 느끼게 됩니다. 앞으로도 지속될 태양과 항성 폭풍에 대한 연구는 우주에 우리뿐인지, 혹은 다른 생명체가 존재할 수 있는지에 대한 인류의 근원적인 질문에 답할 길을 열어줄 것입니다.

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[강연] 우리 별 태양, 그 자비로움과 그 난폭함에 대해 1_by 채종철 | 2025-2026 카오스강연 'Across the Universe' 5강 첫 번째 이야기

밤하늘의 무수한 별들 중 우리에게 가장 친숙한 존재는 단연 태양입니다. 태양은 지구에서 가장 가까운 항성으로, 우리 삶의 모든 근원적인 에너지를 제공합니다. 하지만 우리가 매일 마주하는 따스한 햇빛 뒤에는 상상하기 힘든 거대하고 난폭한 에너지가 숨겨져 있습니다. 과학자들은 태양의 성질을 '자비로움'과 '난폭함'이라는 두 가지 키워드로 설명하곤 합니다. 자비로움은 생명체가 살아갈 수 있는 따뜻한 환경을 조성해 주는 햇빛을 의미하며, 난폭함은 행성의 대기를 앗아갈 수도 있는 강력한 태양 폭풍을 뜻합니다. 태양이 수십억 년 동안 일정한 빛을 내뿜으며 자비로움을 베풀 수 있는 비결은 중심부의 수소 핵융합에 있습니다. 태양 중심부에서는 수소 원자핵들이 결합하여 헬륨으로 변하며 엄청난 에너지를 방출합니다. 흥미로운 점은 이 수소 핵융합 반응이 생각보다 매우 느리게 일어난다는 사실입니다. 수소 원자핵 하나가 다른 원자핵과 충돌해 핵융합 반응을 일으키기까지는 평균 100억 년이라는 시간이 걸립니다. 이렇게 느린 핵융합 반응 덕분에 태양은 에너지를 한꺼번에 소진하지 않고 오랫동안 안정적으로 유지될 수 있으며, 이는 지구에 생명체가 탄생하고 번영할 수 있는 결정적인 토대가 되었습니다. 태양의 자비로움은 단순히 에너지의 양에만 그치지 않고 그 질적인 측면에서도 두드러집니다. 태양은 우주의 다른 별들과 비교했을 때 너무 뜨겁지도 차갑지도 않은 중간 정도의 온도를 유지합니다. 만약 태양이 지금보다 훨씬 무겁고 뜨거운 별이었다면 생명체에게 치명적인 강력한 자외선을 쏟아부어 지구상에 생명이 존재하기 어려웠을 것입니다. 또한 태양의 거대한 크기는 느린 수소 핵융합 반응 속도에도 불구하고 지구 전체를 충분히 데울 수 있는 광도를 만들어냅니다. 이러한 안정성은 지난 수억 년 동안 지구 기온을 일정하게 유지하며 생태계의 평화를 지켜온 핵심 동력입니다. 반면 태양의 난폭함은 화성의 사례에서 명확히 드러납니다. 과거의 화성도 지구처럼 바다와 두꺼운 대기를 가진 환경이었을 것으로 추정되지만, 현재는 황량한 행성이 되었습니다. 그 주범은 태양에서 뿜어져 나오는 강력한 태양풍입니다. 초속 수백 킬로미터로 몰아치는 고에너지 입자들은 행성의 대기를 우주로 튕겨내 버립니다. 다행히 지구는 자기권이라는 거대한 보호막을 가지고 있어 태양의 공격으로부터 대기를 지켜냈지만, 자기장을 잃어버린 화성은 난폭한 태양풍을 견디지 못하고 대기를 모두 상실하게 되었습니다. 행성과 항성의 운명을 결정짓는 자기장은 내부의 '다이나모' 현상을 통해 만들어집니다. 다이나모는 자전 운동과 전도성 유체의 흐름, 그리고 대류 운동이 결합하여 전기와 자기 에너지를 생성하는 일종의 천체 발전기입니다. 지구의 경우 액체 상태의 외핵이 부글부글 끓으며 자기장을 형성해 방패 역할을 수행합니다. 태양 역시 내부의 플라스마 대류를 통해 강력한 자기장을 만들어내는데, 이 자기력선들이 밖으로 분출될 때 흑점이 생기고 거대한 태양 폭풍이 발생합니다. 즉, 자기장은 지구에게는 생명을 지키는 방패가 되지만, 태양에게는 에너지를 쏟아내는 창이 됩니다. 우주 과학자들은 과거의 태양이 지금보다 훨씬 더 난폭했을 것으로 보고 있습니다. 젊은 시절의 태양은 현재보다 자전 속도가 약 열 배 정도 빨랐으며, 이는 다이나모 활동을 극대화해 지금과는 비교할 수 없을 만큼 강력한 자기장을 형성했을 것입니다. 강력한 자기장은 거대한 흑점들을 만들고, 이는 곧 '슈퍼 태양 폭풍'이라 불리는 파괴적인 현상을 빈번하게 일으켰을 가능성이 큽니다. 만약 초기 지구가 충분한 자기권을 갖추지 못했다면, 젊은 태양의 끊임없는 폭격 속에서 현재 우리가 누리고 있는 대기와 물을 보존하기는 매우 어려웠을 것입니다. 태양의 난폭함은 먼 과거의 일만이 아닙니다. 1859년 발생한 '캐링턴 사건'은 태양 폭풍이 현대 문명에 얼마나 큰 위협이 될 수 있는지 보여주는 대표적인 사례입니다. 당시 발생한 역대급 태양 폭풍으로 인해 전 세계에 오로라가 관측되었고 초기 전신 시스템이 마비되는 혼란이 벌어졌습니다. 오늘날처럼 인공위성과 전력망에 의존하는 고도화된 문명 사회에서 이러한 슈퍼 태양 폭풍이 다시 발생한다면 그 피해는 상상을 초월할 것입니다. 따라서 태양의 변화를 정밀하게 관측하고 이해하는 연구는 인류의 지속 가능한 미래를 위해 필수적인 과제입니다.

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먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 5강 1부 지구🌏의 거주 가능성에 영향을 미치는 태양☀️ 자기 활동│카오스강연 시즌2

밤하늘을 바라보면 우리는 자연스럽게 우주의 신비로움에 대해 생각하게 됩니다. 우리가 우주를 관찰하고 이해할 수 있다는 사실은 매우 특별한 일입니다. 우주에서 오는 빛 덕분에 우리는 멀리 떨어진 별과 행성, 그리고 그곳에서 일어나는 현상들을 알 수 있습니다. 이처럼 인간이 우주를 관찰하고 분석할 수 있다는 점은 과학자로서 큰 경이로움을 느끼게 합니다. 더 나아가, 우리가 이 우주 안에 존재한다는 사실 자체도 매우 놀라운 일입니다. 많은 사람들이 밤하늘을 보며 '우주에 우리만 있을까?'라는 질문을 던집니다. 천문학자들은 태양계 밖에도 다양한 행성이 존재한다는 사실을 밝혀내고 있습니다. 이 중에는 지구와 비슷한 환경을 가진 행성도 있습니다. 과연 그곳은 생명이 살 수 있을까요? 이러한 질문은 현대 천문학에서 매우 중요한 주제이며, '거주 가능성'이라는 개념으로 연구되고 있습니다. 이 연구의 기준점은 바로 우리가 살고 있는 지구입니다. 지구가 생명체가 살기에 적합한 이유는 태양 덕분입니다. 태양은 수소 핵융합 반응을 통해 엄청난 에너지를 방출하며, 이 에너지가 지구에 안정적이고 오랜 기간 동안 공급됩니다. 태양의 밝기는 그 크기에서 비롯되며, 핵융합 반응이 매우 느리게 일어나기 때문에 태양은 약 100억 년 동안 빛을 낼 수 있습니다. 이러한 안정성과 오랜 지속성 덕분에 지구는 생명체가 번성할 수 있는 환경을 유지할 수 있습니다. 또한 태양빛은 생명체에게 적합한 질적 특성을 가지고 있습니다. 하지만 태양은 자비로운 존재이면서도 동시에 난폭한 면모를 가지고 있습니다. 태양에서 방출되는 태양풍과 코로나 질량 방출 같은 현상은 행성의 대기를 위협할 수 있습니다. 실제로 화성은 과거에 지구처럼 두꺼운 대기와 바다가 있었지만, 태양풍과 태양 폭풍에 의해 대기를 잃고 황량한 행성이 되었습니다. 반면, 지구는 자기장이라는 방패 덕분에 태양의 난폭함으로부터 보호받고 있습니다. 자기장은 지구 내부의 다이나모 효과에 의해 생성되며, 이는 행성의 생존에 매우 중요한 역할을 합니다. 태양과 지구의 자기장은 전도성 유체의 운동과 자전에 의해 만들어집니다. 태양 내부의 대류 운동과 자전, 그리고 지구 핵의 액체 철이 이러한 자기장을 생성하는 원동력입니다. 자기장은 태양에서는 창의 역할을, 지구에서는 방패의 역할을 하며, 행성의 환경을 결정짓는 중요한 요소입니다. 과거에는 화성도 자기장을 가지고 있었으나, 내부 열을 잃으면서 자기장이 사라지고 대기 역시 소실되었습니다. 태양 역시 과거에는 더 빠르게 자전하며 더 강력한 자기장과 태양 폭풍을 만들어냈을 것으로 추정됩니다. 역사적으로 가장 강력한 태양 폭풍은 1859년의 캐링턴 사건에서 관측되었습니다. 이 슈퍼 태양 폭풍은 지구의 자기권을 심각하게 교란시켜 전신 시스템을 마비시키고, 북반구 전역에 밝은 오로라를 발생시켰습니다. 오늘날과 같은 첨단 문명에서는 이러한 강력한 태양 폭풍이 발생할 경우, 통신, 위성, 전력 시스템 등 사회 전반에 큰 혼란을 초래할 수 있습니다. 과학자들은 이러한 슈퍼 태양 폭풍이 약 100년에 한 번꼴로 발생할 것으로 예측하고 있으며, 미래에도 다시 일어날 가능성이 있습니다. 젊은 태양은 지금보다 훨씬 더 난폭했으며, 슈퍼 태양 폭풍이 더 자주 발생했을 것으로 보입니다. 이러한 강력한 태양 활동은 초기 지구와 화성의 환경에 큰 영향을 미쳤을 것입니다. 만약 지구가 자기장을 충분히 유지하지 못했다면, 대기 역시 화성처럼 사라졌을지도 모릅니다. 이러한 가설을 바탕으로 태양과 행성의 상호작용, 그리고 우주 환경이 생명체의 존재에 미치는 영향을 연구하는 것은 매우 흥미로운 과제입니다. 앞으로도 태양과 우주에 대한 연구는 인류의 미래와 직결된 중요한 주제가 될 것입니다.

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블랙홀은 왜 밝게 보일까?

블랙홀은 중력이 너무나 강력하여 빛조차 빠져나올 수 없는 시공간의 영역을 의미합니다. 아인슈타인의 일반 상대성이론이 발표된 직후인 1916년, 독일의 물리학자 카를 슈바르츠실트가 중력장 방정식의 해를 찾아내며 그 존재가 이론적으로 정립되었습니다. 초기에는 이름조차 없었으나 1960년대에 이르러 대중적인 명칭으로 널리 쓰이기 시작했습니다. 이는 단순한 상상의 산물이 아니라 우주의 거대한 질량이 한 점으로 수축했을 때 나타나는 경이로운 물리적 실체입니다. 흔히 블랙홀을 어둠 그 자체로 생각하기 쉽지만, 역설적으로 블랙홀은 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나인 퀘이사를 설명하는 핵심 열쇠입니다. 블랙홀 자체가 직접 빛을 내는 것은 아니지만, 주변의 가스가 강력한 중력에 이끌려 가열되면서 막대한 에너지를 방출하기 때문입니다. 이론적인 호킹 복사는 매우 미미하여 관측이 어렵지만, 블랙홀 주변을 감싸고 있는 물질들이 내뿜는 빛은 멀리 떨어진 지구에서도 관측될 만큼 강렬한 광휘를 내뿜으며 우주를 밝힙니다. 블랙홀이 에너지를 생성하는 원리는 수력발전소의 낙차 원리와 유사합니다. 높은 곳에서 떨어진 물이 수차를 돌리듯, 블랙홀의 강한 중력장으로 끌려 들어가는 물질은 엄청난 속도로 가속됩니다. 블랙홀 근처의 탈출 속도는 빛의 속도에 육박하며, 이렇게 빠르게 움직이는 입자들이 서로 충돌하면서 발생하는 마찰열은 상상을 초월하는 고온을 형성합니다. 이 과정에서 중력 에너지가 빛 에너지로 전환되며 블랙홀은 우주에서 가장 효율적인 엔진 역할을 수행하게 됩니다. 쌍성계에서 한 별이 블랙홀이 되면 동반성의 물질을 흡수하며 부착원반을 형성합니다. 이 원반 내의 물질들은 안쪽으로 갈수록 더 빠르게 회전하며 층간 마찰을 일으키고, 이로 인해 질량 에너지의 약 10%가 빛으로 전환됩니다. 이는 별의 중심에서 일어나는 수소 핵융합의 에너지 효율보다 10배 이상 높은 수치입니다. 특히 회전하는 블랙홀은 주변의 자기장과 상호작용하여 부착원반의 수직 방향으로 물질을 강력하게 뿜어내는 제트를 형성하며 거대한 에너지를 방출합니다. 최근 인류는 사건의 지평선 망원경(EHT) 프로젝트를 통해 블랙홀의 그림자와 그 주변의 밝은 빛을 직접 촬영하는 데 성공했습니다. 전 세계의 전파망원경을 연결해 거대 타원은하 중심부를 관측한 결과, 이론적 예측과 일치하는 경이로운 영상이 확보되었습니다. 이를 통해 우리는 간접적으로만 추측하던 블랙홀의 실체를 생생하게 확인하게 되었습니다. 이제 블랙홀 연구는 단순한 존재 증명을 넘어 질량과 회전 같은 구체적인 물리량을 정밀하게 측정하는 새로운 단계에 진입했습니다.

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왜 초전도체는 공중에 뜰까?

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

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물리학

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #005 | 이종호 전기정보공학부 교수

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

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

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

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

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

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

김기훈

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물리학

기차🚄와 모터에도 자석(magnetism)🧲의 원리가 활용된다! 자성유체란?ㅣ별별실험실x국립과천과학관

자석은 같은 극끼리 밀어내고 다른 극끼리 끌어당기는 성질을 가지고 있습니다. 이러한 기본적인 원리를 이용하면 일상적인 도구들로도 놀라운 움직임을 만들어낼 수 있습니다. 구리선으로 만든 긴 터널 안에 자석을 붙인 건전지를 넣으면, 마치 기차처럼 스스로 움직이는 모습을 관찰할 수 있습니다. 이는 단순히 자석의 힘만이 아니라 전기에너지가 자기장으로 변환되면서 발생하는 물리적인 상호작용의 결과입니다. 이러한 실험은 보이지 않는 힘의 존재를 시각적으로 확인시켜 줍니다. 건전지와 구리선이 맞닿는 순간 일종의 폐회로가 형성되며 전류가 흐르기 시작합니다. 이때 전류가 흐르는 주변에는 자연스럽게 자기장이 형성되는데, 이 자기장이 건전지 양 끝에 붙은 자석의 자기장과 반응하며 추진력을 얻게 됩니다. 전압이 더 높은 건전지를 사용할수록 이 힘은 더욱 강력해져 이동 속도가 빨라지기도 합니다. 이는 전기에너지가 운동에너지로 변환되는 과정을 아주 직관적으로 보여주는 사례라고 할 수 있으며, 전자기학의 기초를 이해하는 데 큰 도움을 줍니다. 전동기의 시초라고 불리는 호모폴라 전동기 역시 비슷한 원리로 작동합니다. 건전지 위에 자석을 세우고 그 위에 구리 코일을 올려두면, 코일이 스스로 회전하는 신기한 광경을 목격할 수 있습니다. 코일을 통해 흐르는 전류가 자석의 자기장과 만나면서 회전하는 힘인 토크를 발생시키기 때문입니다. 복잡한 기계 장치 없이도 단순한 구성만으로 회전 운동을 만들어낼 수 있다는 점은 전자기학의 매력을 잘 보여줍니다. 이는 우리가 일상에서 사용하는 수많은 모터의 근본적인 시작점이기도 합니다. 자석의 극성을 바꾸면 회전하는 방향이나 움직이는 방향이 반대로 변하는 특성도 흥미롭습니다. 이는 자기장의 방향이 바뀌면서 발생하는 현상으로, 우리가 사용하는 수많은 가전제품 속 모터의 제어 원리가 됩니다. 보이지 않는 자기장의 흐름을 제어함으로써 원하는 방향으로 힘을 가할 수 있다는 사실은 현대 공학의 기초가 되었습니다. 이러한 실험들은 단순한 재미를 넘어 우리 삶을 지탱하는 과학적 원리를 깨닫게 해주며, 보이지 않는 세계에 대한 탐구심을 자극하는 훌륭한 계기가 됩니다. 마지막으로 자성 유체는 액체 상태에서 자기장에 반응하는 독특한 물질입니다. 흔히 액체 자석이라고 부르기도 하지만, 엄밀히 말하면 스스로 극을 가진 자석은 아니며 자석의 힘이 미치는 곳을 따라 움직이는 유체입니다. 중력을 거슬러 자석을 향해 날아가거나 독특한 형상을 만드는 모습은 보이지 않는 자기장의 지도를 그려내는 것과 같습니다. 이를 통해 우리는 공간 속에 존재하는 강력한 자기장의 힘을 생생하게 체험할 수 있으며, 액체와 자기장이 만났을 때 나타나는 예술적인 형태에 감탄하게 됩니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

물리학

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

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

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물리학

[국제천문연맹총회] 8/5 모두를 위한 천문학 by 셰퍼트 돌먼 교수(Prof. Sheperd S. Doeleman)

2022년 부산에서 열린 국제천문연맹 총회는 '모두를 위한 천문학'이라는 슬로건 아래 인류 역사상 가장 도전적인 프로젝트 중 하나인 사건의 지평선 망원경(EHT)을 조명했습니다. 블랙홀은 빛조차 빠져나올 수 없는 강력한 중력을 가진 천체로, 본질적으로 보이지 않으려는 속성을 지니고 있습니다. 하지만 전 세계의 과학자들은 지구 크기의 가상 망원경을 구축하여 5,500만 광년 떨어진 M87 은하 중심의 블랙홀을 포착하는 데 성공했습니다. 이는 단순한 사진 촬영을 넘어 우주의 근원적인 비밀을 밝히려는 인류의 거대한 여정이었습니다. 블랙홀의 존재는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 시작되었습니다. 그는 중력을 시공간의 왜곡으로 정의했으며, 이는 별빛이 태양 근처에서 휘어지는 현상을 통해 증명되었습니다. 이후 슈바르츠실트는 특정 질량이 아주 작은 영역에 응축될 때 빛조차 탈출할 수 없는 '사건의 지평선'이 형성됨을 수학적으로 밝혀냈습니다. 초기에는 수학적 호기심에 불과했던 이 개념은 현대 천문학을 통해 우주에서 가장 강력한 엔진인 블랙홀로 실체화되었습니다. EHT는 바로 이 이론적 경계인 사건의 지평선을 직접 관측하여 아인슈타인의 예견을 검증하고자 했습니다. 블랙홀은 모든 것을 삼키는 어둠의 존재처럼 보이지만, 역설적으로 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나입니다. 블랙홀 주변으로 끌려 들어가는 물질은 엄청난 속도로 가속되며 수십억 도까지 가열되고, 이 과정에서 막대한 복사 에너지를 방출합니다. 핵융합의 효율이 1% 미만인 데 비해 블랙홀의 자기장은 물질의 에너지를 최대 40%까지 변환하는 놀라운 효율을 자랑합니다. 이러한 에너지는 은하 규모의 물질 재분배를 일으키며 밤하늘의 모습을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 우리가 본 고리 모양의 빛은 바로 이 거대한 우주 엔진이 내뿜는 마지막 광휘인 셈입니다. 지구 크기의 망원경을 만들기 위해 연구진은 초장기선 간섭계(VLBI) 기술을 활용했습니다. 하와이, 칠레, 남극 등 세계 각지의 전파 망원경을 연결하고 원자 시계를 이용해 데이터를 1,000만 년에 1초 오차 수준으로 정밀하게 기록했습니다. 이렇게 수집된 방대한 데이터는 물리적인 하드 드라이브에 담겨 슈퍼컴퓨터로 운송되었으며, 컴퓨터 알고리즘을 통해 하나의 거대한 가상 렌즈로 합성되었습니다. 이는 달 표면에 놓인 오렌지를 지구에서 식별할 수 있을 정도의 초고해상도를 구현한 것으로, 현대 과학 기술이 도달한 정밀함의 정점을 보여주는 사례입니다. 과학적 객관성을 유지하기 위해 EHT 팀은 인간의 편견을 배제하는 엄격한 과정을 거쳤습니다. 데이터를 분석할 때 연구진을 네 개의 독립된 팀으로 나누어 서로 소통하지 않은 채 각자의 방식으로 이미지를 재구성하도록 했습니다. 이는 마치 치와와와 머핀을 구별하는 것처럼, 인간의 뇌가 익숙한 형태를 찾으려는 성향을 경계하기 위함이었습니다. 2018년 여름, 네 팀이 한자리에 모여 각자 도출한 이미지를 공개했을 때 모두가 동일한 고리 구조를 확인하며 전율했습니다. 이러한 철저한 검증 과정은 블랙홀의 첫 사진이 단순한 우연이 아닌 확고한 과학적 사실임을 뒷받침합니다. 관측 결과는 놀라웠습니다. M87 블랙홀은 태양 질량의 65억 배에 달하는 거대함을 드러냈고, 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 역시 태양 질량의 400만 배라는 사실이 확인되었습니다. 두 블랙홀은 질량 차이가 엄청남에도 불구하고 아인슈타인의 이론이 예측한 고리 모양을 정확히 유지하고 있었습니다. 특히 궁수자리 A*는 물질의 움직임이 매우 빨라 관측이 어려웠음에도 불구하고, 수많은 시뮬레이션과 데이터 처리를 통해 그 실체를 드러냈습니다. 이는 일반 상대성 이론이 우주의 서로 다른 규모에서도 변함없이 성립함을 보여주는 결정적인 증거가 되었습니다. 이제 인류는 블랙홀의 정지화면을 넘어 동영상을 촬영하려는 차세대 사건의 지평선 망원경(ngEHT) 프로젝트를 준비하고 있습니다. 더 많은 망원경을 지구 곳곳에 추가하고 우주 궤도에까지 관측망을 확장함으로써, 블랙홀에서 뿜어져 나오는 제트의 역동적인 변화를 실시간으로 관찰하려는 것입니다. 이 거대한 프로젝트의 성공은 20개국 300명이 넘는 과학자들이 국경과 장벽을 넘어 협력했기에 가능했습니다. 기초 과학에 대한 투자는 당장의 실용성을 넘어 인류의 지적 지평을 넓히는 가장 확실한 길이며, 100년 전 아인슈타인의 방정식과 오늘날의 관측 데이터가 만나는 경이로운 악수와도 같습니다.

Sheperd S. Doeleman(셰퍼트 돌먼)

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천문학

[질문Q] 지구를 탐내는 외계인이 있다면 아낌없이 내줘야 하는 이유? | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 8강 | 지구탈출계획 : 화성에서 살아남기

화성을 인류의 새로운 거주지로 만들기 위해서는 강력한 태양풍으로부터 행성을 보호하는 것이 필수적입니다. NASA는 태양과 화성 사이에 거대한 자기장 발생 장치를 설치하여 화성 전체를 덮는 보호막을 형성하는 아이디어를 검토하고 있습니다. 이 장치가 태양풍을 튕겨내면 화성은 안전한 환경을 갖출 수 있게 됩니다. 비록 현재의 기술력으로는 한계가 명확하지만, 과학자들은 머지않은 미래에 이러한 기술이 실현되어 화성 이주의 핵심적인 열쇠가 될 것이라고 굳게 믿고 있습니다. 우주 탐사에서 또 다른 중요한 과제는 지구 생명체에 의한 타 행성의 오염을 방지하는 것입니다. 아무리 철저히 멸균해도 탐사 로버에 묻은 박테리아가 화성 생태계를 교란하거나 분석 결과에 오류를 일으킬 수 있기 때문입니다. 최근 큐리오시티 로버는 표면이 아닌 땅속 깊은 곳의 깨끗한 샘플을 채취하기 위해 드릴을 사용하고 있습니다. NASA는 이를 전문적으로 관리할 '행성 보호관'이라는 직책까지 신설하며, 다른 행성이 지구의 생명체로 인해 오염되는 것을 막기 위해 막대한 노력을 기울이고 있습니다. 만약 지적 생명체가 지구를 방문한다면 그들의 기술력은 상상을 초월할 것입니다. 현재 인류의 기술로 가장 가까운 별까지 가는 데만 5만 년 이상이 걸린다는 점을 고려하면, 성간 여행을 통해 지구에 도달한 외계인은 우리보다 수백 배 이상의 압도적인 기술을 보유했을 가능성이 큽니다. 이러한 기술적 격차 때문에 만약 외계인이 지구를 목표로 삼는다면 인류가 이를 물리적으로 막아내기는 사실상 불가능에 가깝습니다. 우주의 광활함은 역설적으로 외계 문명의 수준이 얼마나 높아야 하는지를 잘 보여줍니다. 태양계의 미래를 내다볼 때, 태양은 시간이 흐를수록 점점 더 뜨거워지며 결국 수소 핵융합을 마치고 거대하게 팽창하게 됩니다. 이 과정에서 태양의 대기는 지구 궤도까지 확장되어 지구는 물론 화성조차 생명체가 살 수 없는 환경으로 변하게 될 것입니다. 이때가 되면 인류는 화성을 넘어 목성의 위성인 유로파나 토성 근처로 거처를 옮겨야 하며, 궁극적으로는 태양계를 떠나 새로운 별을 찾아야 하는 운명에 직면하게 됩니다. 테라포밍조차 무의미해지는 거대한 우주적 변화가 기다리고 있는 셈입니다. 현재 NASA는 화성을 지구처럼 만드는 테라포밍에 약 500년 정도의 시간이 소요될 것으로 예측하고 있습니다. 하지만 인류의 역사를 돌이켜보면 새로운 목표를 설정하고 도전할 때마다 기술은 예상보다 훨씬 빠르게 발전해 왔습니다. 과거의 수많은 사례처럼 인간의 의지와 기술 혁신이 결합한다면, 테라포밍에 걸리는 시간 역시 획기적으로 단축될 가능성이 큽니다. 화성 이주는 단순한 상상을 넘어 인류의 생존을 위한 구체적인 계획으로 점차 우리 곁에 다가오고 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 지구 내부로의 여행 by 심상헌ㅣ 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강

인류가 우주에서 지구를 바라본 지는 불과 반세기 정도에 불과하지만, 그 짧은 시간 동안 우리는 지구가 생명을 품은 유일한 행성인지에 대한 근원적인 질문을 던져왔습니다. 지구물리학적 관점에서 이 질문은 지구가 어떻게 생명체가 존재할 수 있는 환경을 갖추게 되었는지에 대한 탐구로 이어집니다. 지구는 양파처럼 여러 층으로 구성되어 있는데, 우리가 딛고 선 얇은 지각 아래에는 거대한 암석층인 맨틀과 철과 니켈의 핵이 존재합니다. 이 거대한 내부 구조는 단순히 멈춰 있는 것이 아니라, 끊임없이 변화하며 생명 탄생의 기반을 마련해 왔습니다. 지구의 표면은 약 40여 개의 판으로 나뉘어 있으며, 이들은 대륙이동설과 판구조론에 따라 끊임없이 움직이고 충돌합니다. 특히 대서양 바닥의 중앙해령은 땅이 갈라지며 맨틀의 뜨거운 암석이 올라와 새로운 지각을 탄생시키는 역동적인 장소입니다. 이곳은 빛조차 들지 않는 극한의 환경이지만, 지구 내부에서 공급되는 열과 원소들이 독특한 생태계를 형성하게 합니다. 이는 지권과 수권이 만나 생명을 지탱하는 놀라운 과정을 보여주며, 지구 내부의 활동이 생명체 유지에 얼마나 중요한 역할을 하는지 증명합니다. 직접 눈으로 볼 수 없는 지구 내부를 연구하기 위해 과학자들은 지진파를 활용합니다. 지진파는 마치 병원의 MRI처럼 지구 내부를 통과하며 그 구조를 영상화할 수 있게 해줍니다. 지구 중심부는 태양 표면 온도와 맞먹는 수천 도의 고온과 엄청난 압력이 지배하는 극한의 공간입니다. 연구자들은 다이아몬드 앤빌 셀과 같은 정밀한 장비를 이용해 실험실에서 이러한 극한 환경을 재현하며, 고온 고압 상태에서 광물과 암석의 성질이 어떻게 변화하는지 분석합니다. 이러한 실험적 접근은 우리가 가보지 못한 깊은 땅속의 비밀을 하나씩 밝혀내는 중요한 열쇠가 됩니다. 지구 내부의 맨틀은 고체 상태임에도 불구하고 수백만 년이라는 긴 시간 흐름 속에서 액체처럼 대류 현상을 일으킵니다. 뜨거운 물질은 위로 올라오고 차가운 물질은 아래로 내려가며 열에너지를 전달하는데, 이 과정에서 지표의 물질들이 내부로 순환됩니다. 또한 액체 상태인 외핵에서도 철과 니켈의 대류가 일어나며 거대한 자기장을 형성합니다. 이 자기장은 우주로부터 오는 해로운 방사선을 막아주는 보호막 역할을 하여 지구가 생명체가 살 수 있는 안전한 환경을 유지하도록 돕는 결정적인 요소가 됩니다. 지구 내부와 표면을 아우르는 물질의 순환은 단순히 암석의 이동을 넘어 생명 존재의 가능성을 확장합니다. 이러한 원리는 목성의 위성인 유로파와 같은 외계 천체에서도 발견될 가능성이 큽니다. 유로파의 얼음 껍질 아래에 존재할 것으로 추정되는 열원과 대류 현상은 지구가 아닌 다른 곳에서도 생명이 존재할 수 있다는 희망을 줍니다. 지질학은 단순히 돌을 연구하는 학문을 넘어 인류 지식의 지평을 넓히고 외계 생명체의 존재 여부를 밝히는 도구가 됩니다. 우리는 이 끊임없는 탐구를 통해 우주 속 인류의 위치를 재확인하고 지식의 층위를 한층 더 높이게 될 것입니다.

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

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

천진우

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[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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[술술과학] 우주(8) : ‘펄사(Pulsar)’가 대체 뭐야?

우주에서 천체들이 특정한 형태를 갖추는 과정에는 퍼텐셜 에너지를 최소화하려는 물리적 원리가 숨어 있습니다. 행성이 둥근 모양을 띠는 이유는 중력이 모든 물질을 중심 방향으로 끌어당겨 가장 안정적인 상태를 만들려 하기 때문입니다. 흥미롭게도 중력이 약한 화성에서는 지구보다 훨씬 높은 올림푸스산이 존재할 수 있는데, 이는 중력의 압박이 상대적으로 적어 거대한 구조물이 무너지지 않고 버틸 수 있기 때문입니다. 반면 질량이 큰 천체일수록 중력은 더욱 엄격하게 작용하여 표면의 굴곡을 허용하지 않고 매끄러운 구의 형태를 강요하게 됩니다. 거대한 별이 생애를 마감하는 순간인 초신성 폭발은 우주에서 가장 찬란한 빛을 내뿜는 사건 중 하나입니다. 1054년 기록된 초신성의 잔해인 게성운은 오늘날에도 그 흔적을 선명히 보여주며 별의 죽음이 남긴 유산을 증명합니다. 폭발 이후 중심부에는 상상을 초월하는 밀도를 가진 별의 시체, 즉 중성자별이 남게 됩니다. 이는 단순한 잔해를 넘어 극한의 물리 법칙이 지배하는 영역으로, 실제 우주가 상상보다 훨씬 괴상할 수 있음을 보여주는 결정체입니다. 이러한 중성자별은 중력이 물질에 가해질 때 도달하는 일종의 종착역이라 할 수 있습니다. 중성자별이 형성되는 과정은 물질이 압축에 저항하는 처절한 사투와 같습니다. 별이 찌그러질 때 전자는 파울리 배타 원리에 따라 자신만의 공간을 지키려 하며 강력한 축퇴압을 발생시킵니다. 하지만 별의 질량이 태양의 약 1.4배를 넘어서면 무지막지한 중력은 전자의 방어선을 무너뜨립니다. 결국 전자는 양성자와 결합하여 중성자로 변하는 길을 택하게 되며, 이 과정에서 원자 내부를 채우고 있던 광활한 빈 공간이 순식간에 사라지며 별의 부피는 극적으로 수축하게 됩니다. 이는 물질의 근본적인 구조가 중력에 의해 완전히 재편되는 과정이라 볼 수 있습니다. 원자 내부의 빈 공간이 사라진 중성자별의 밀도는 상상을 초월합니다. 태양보다 무거운 질량이 고작 반지름 10km 정도의 작은 구체 안에 압축되는데, 이는 에베레스트산 전체를 각설탕 크기로 줄여놓은 것과 같은 밀도입니다. 사실상 별 전체가 하나의 거대한 원자핵이나 다름없는 상태가 되는 것입니다. 이러한 극한의 환경에서는 우리가 일상에서 경험하는 물리적 상식이 통하지 않으며, 중성자들이 빈틈없이 다닥다닥 모여 있는 이 기묘한 천체는 우주에서 가장 단단하고 무거운 존재로 군림합니다. 이처럼 중성자별은 우주에서 가장 밀도 높은 물질의 상태를 보여줍니다. 1967년 처음 발견된 펄사는 이러한 중성자별이 보내는 우주의 신호입니다. 매우 빠른 속도로 자전하는 중성자별은 강력한 자기장을 형성하며 양극 방향으로 고에너지 빔을 방출합니다. 자전축과 자기축이 어긋나 있을 때 이 빛은 마치 등대의 불빛처럼 주기적으로 깜빡이는 것처럼 관측됩니다. 초신성 폭발이라는 장엄한 파괴의 현장에서 태어난 이 작은 등대는 우주 곳곳에 새로운 원소를 뿌리고 별의 탄생을 유도하는 창조의 신호탄이 되어, 파괴와 창조가 공존하는 우주의 섭리를 증명합니다. 펄사는 단순한 별의 잔해가 아니라 우주의 순환을 알리는 이정표인 셈입니다.

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천문학

[강연] 외계생명체의 가능성, 극한생명체 ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 9강 미니강연 2 | 9강 ②

극지연구소는 남극과 북극에서 지구 환경 변화를 연구하는 전문 기관으로, 세종과학기지와 쇄빙연구선 아라온을 운영하며 해양학, 대기과학, 생물학 등 다양한 분야를 탐구합니다. 많은 이들이 화성에 외계 생명체가 존재할지 궁금해하지만, 과학적 관점에서 화성은 생명체가 살기에 매우 가혹한 환경입니다. 화성은 지구보다 태양에서 멀어 기온이 영하 20도에서 80도를 오르내리며, 극지방은 영하 140도까지 내려가는 거대한 얼음 행성입니다. 또한 대기가 희박해 산소 농도가 0.1%에 불과하며, 자기장이 없어 태양풍이 공기와 물을 앗아간 척박한 땅입니다. 화성의 얇은 대기권은 우주 자외선과 태양풍, 우주 방사선 등 강력한 이온 입자들을 여과 없이 지표면으로 통과시킵니다. 이러한 고에너지 입자들은 생명체의 설계도인 DNA를 직접 파괴하거나 치명적인 돌연변이를 유발합니다. DNA는 본래 수소 결합을 통해 유연하게 복제되고 단백질을 만들어내야 하지만, 강력한 자외선은 이 결합을 비정상적인 공유 결합으로 바꾸어 생명 활동을 방해합니다. 이처럼 극심한 추위와 산소 부족, 그리고 끊임없이 쏟아지는 우주 방사선은 화성에서 생명체가 진화하고 번성하는 데 있어 거대한 장벽으로 작용하고 있습니다. 하지만 지구의 극지방을 살펴보면 화성 생명체에 대한 새로운 희망을 발견할 수 있습니다. 과거 과학자들은 영하 80도까지 내려가는 남극의 혹독한 환경에는 생물이 살 수 없다고 믿었지만, 실제로는 얼음 속에서도 수많은 박테리아가 발견되었습니다. 그린란드의 곤충들은 털도 없이 영하 40도의 추위를 견디며, 어떤 애벌레는 땅속에서 14년을 버틴 끝에 성체가 되기도 합니다. 또한 영하 24도에서 광합성을 하는 지의류나 암석 속에서 수백 종의 미생물과 함께 살아가는 곰팡이들은 생명력이 우리가 상상하는 것보다 훨씬 강인하다는 사실을 증명합니다. 극한 환경에 적응한 생명체들은 산소가 희박하거나 염도가 높은 곳에서도 저마다의 생존 전략을 펼칩니다. 지하 2.7km의 고온 고압 환경에서 발견된 미생물이나 산소가 없는 혐기성 조건에서 포자를 만들어 버티는 박테리아들이 그 예입니다. 또한 '데이노코쿠스'라는 박테리아는 여러 벌의 염색체를 보유해 손상된 DNA를 즉각 복구하며 강한 우주 방사선을 견뎌냅니다. 바닷물보다 10배나 짠 호수에서 항산화 물질을 만들어내며 붉게 빛나는 녹조류처럼, 지구상의 극한 생물들은 화성의 열악한 조건에서도 생존할 수 있는 가능성을 충분히 보여주고 있습니다. 화성 생존의 가장 강력한 후보로는 완보동물을 꼽을 수 있습니다. 이들은 심해저부터 히말라야, 남극에 이르기까지 지구 전역에 서식하며 우주 공간에서도 살아남은 기록이 있습니다. 완보동물은 환경이 나빠지면 체내 수분을 내보내고 생명 활동을 멈추는 '튠(Tun)' 상태에 들어가는데, 이 상태에서는 영하 20도에서 30년 이상 생존하거나 강력한 우주 방사선과 압력도 견뎌낼 수 있습니다. 특수한 단백질로 DNA를 보호하는 이들의 능력은 우주 생물학 연구의 핵심이며, 극지연구소는 이러한 극한 생명체를 통해 화성 탐사의 해답을 찾아가고 있습니다.

이유경

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천문학

[강연] 태양계의 기원과 탐사 _ by심채경ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 2강 | 2강

태양계는 거대한 성운 속에서 기체와 먼지가 뭉치며 탄생했습니다. 초신성 폭발과 같은 외부의 충격으로 밀도 차이가 생기자 중력이 물질을 끌어당기기 시작했고, 중심부에서는 태양이, 주변 원반에서는 행성들이 자라났습니다. 이 과정에서 태양과 가까운 곳은 뜨거운 온도로 인해 암석형 행성이 형성되었고, 먼 곳은 휘발성 물질이 얼어붙으며 목성형 행성이 되었습니다. 이러한 질서 정연한 배치는 태양계 형성 초기의 역동적인 물리 법칙이 만들어낸 결과물입니다. 소행성은 태양계 초기의 환경을 고스란히 간직한 '타임캡슐'과 같습니다. 최근 인류는 류구나 베누 같은 소행성에 탐사선을 보내 고해상도 사진을 촬영하고 시료를 채취하는 데 성공했습니다. 소행성 표면의 암석 알갱이들은 수십억 년 전의 정보를 담고 있어, 이를 분석하면 지구가 어떻게 물과 유기 물질을 얻게 되었는지 밝힐 수 있습니다. 작은 천체들에 대한 탐사는 결국 우리 생명의 기원을 찾는 여정이며, 우주라는 거대한 역사의 첫 페이지를 읽는 작업입니다. 달은 지구와 형제 같은 관계를 맺으며 탄생했습니다. 거대한 천체가 원시 지구와 충돌하면서 튕겨 나간 파편들이 다시 뭉쳐 달이 되었고, 이후 수많은 운석이 쏟아진 '후기 대충돌기'를 거치며 지금의 모습을 갖추게 되었습니다. 특히 달의 앞면에서 볼 수 있는 어두운 바다 지형은 거대 운석 충돌로 분출된 용암이 식으면서 형성된 것입니다. 달은 지구의 과거를 비추는 거울이자, 인류가 더 먼 우주로 나아가기 위해 반드시 거쳐야 할 전초기지로서 중요한 가치를 지닙니다. 인류의 시야를 태양계 끝자락까지 넓혀준 것은 보이저 탐사선이었습니다. 1977년 발사된 보이저 1, 2호는 목성의 대적반이 소용돌이치는 태풍임을 밝혀냈고, 토성과 천왕성, 해왕성의 신비로운 고리들을 포착했습니다. 특히 지구로부터 멀리 떨어진 곳에서 촬영한 '창백한 푸른 점' 사진은 인류에게 깊은 성찰을 안겨주었습니다. 광활한 우주 속에서 지구는 단 한 점의 픽셀에 불과하다는 사실은, 우리가 이 작은 행성을 얼마나 소중히 가꾸고 서로를 아껴야 하는지 일깨워줍니다. 대한민국 또한 '다누리(KPLO)'를 통해 본격적인 우주 탐사 시대를 열고 있습니다. 이 궤도선은 고해상도 카메라와 편광 카메라, 그리고 햇빛이 전혀 들지 않는 영구 음영 지역을 관측하는 섀도캠 등 첨단 장비를 탑재하고 있습니다. 특히 달의 극 지역에서 물과 얼음의 흔적을 찾는 임무는 향후 인류의 달 거주 가능성을 타진하는 핵심적인 연구가 될 것입니다. 이는 단순한 기술 과시를 넘어, 세계 우주 탐사국들과 어깨를 나란히 하는 과학적 도약입니다. 화성은 생명체의 흔적을 찾으려는 인류의 열망이 집중되는 곳입니다. 퍼서비어런스 로버는 화성 표면에서 시료를 채취하여 보관하고, 향후 다른 탐사선이 이를 지구로 가져오는 원대한 계획을 수행하고 있습니다. 과거 화성에 물이 흘렀던 흔적을 추적하는 것은 지구 외에 생명이 존재할 수 있는 환경을 이해하는 열쇠가 됩니다. 로봇을 이용한 무인 탐사는 미래에 인류가 직접 화성에 발을 내딛기 위한 필수적인 준비 과정이며, 외계 생명체 탐색의 가장 최전선이라 할 수 있습니다. 이제 우주 탐사는 국가 주도의 '올드 스페이스'를 넘어 민간이 주도하는 '뉴 스페이스' 시대로 진화하고 있습니다. 달 궤도 우주 정거장인 '루나 게이트웨이' 건설과 더불어 우주 여행, 우주 택배와 같은 상업적 서비스가 현실화되고 있습니다. 또한 토성의 위성 타이탄에 드론을 보내 대기를 비행하며 탐사하는 '드래곤플라이' 미션처럼 혁신적인 시도들이 이어지고 있습니다. 우주는 더 이상 동경의 대상이 아니라 인류의 활동 영역이 확장되는 새로운 기회의 장이 되고 있습니다.

심채경

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천문학

[연구뭐하지] 김기훈 교수_서울대학교 '첨단복합물질상태 연구실' | 극한 물리 조건 속 물질의 현상을 이해하다!

극한 조건 물리 연구는 일상에서 접하기 힘든 물리적 환경에서 물질이 어떻게 거동하는지를 탐구하는 학문입니다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체를 대상으로 초고자기장이나 초고압, 그리고 절대영도에 가까운 극저온 상태를 인위적으로 조성하여 그 속에서 나타나는 새로운 물성을 근본적으로 이해하고자 노력합니다. 이러한 연구는 물질의 본질적인 특성을 파악하고 인류가 아직 도달하지 못한 물리적 영역을 개척하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 특히 복합적인 원소들로 이루어진 신물질을 직접 합성하고 그 변화를 관찰하는 과정은 현대 물리학의 지평을 넓히는 핵심적인 작업이라 할 수 있습니다. 연구의 시작은 세상에 없던 신물질을 합성하는 것에서부터 출발합니다. 최소 3개에서 5개에 이르는 다양한 원소들을 조합하여 신물질을 만들어내고, 이를 단결정이나 다결정, 혹은 얇은 박막 형태로 성장시킵니다. 이렇게 탄생한 시료들에 극저온과 초고압, 초고자기장이라는 극한의 조건을 가했을 때 일어나는 현상을 종합적으로 측정합니다. 이는 단순히 이론적인 예측을 넘어 실제 물질이 보여주는 경이로운 변화를 직접 확인하고 데이터로 증명해내는 도전적인 과정입니다. 연구자들은 이러한 과정을 통해 물질의 숨겨진 원리를 하나씩 밝혀나갑니다. 초전도체나 자성 연구를 수행하기 위해서는 온도를 2~4 켈빈 수준의 극저온으로 낮추는 기술이 필수적입니다. 이를 위해 액체 헬륨이 사용되는데, 비용 문제로 인해 일반적인 연구 환경에서는 접근이 쉽지 않은 경우가 많습니다. 하지만 체계적인 인프라가 갖춰진 연구실에서는 액체 헬륨 수급에 대한 걱정 없이 실험에 몰입할 수 있는 환경을 제공합니다. 안정적인 저온실 운영은 연구자들이 물리적 한계에 도전하며 다양한 실험적 시도를 마음껏 펼칠 수 있게 하는 든든한 기반이 됩니다. 이러한 인프라는 연구의 질을 높이고 실험의 연속성을 보장하는 핵심 자산입니다. 연구의 무대는 국내에만 국한되지 않고 전 세계로 확장됩니다. 특히 초고자기장 실험의 경우 미국 탈라하시에 위치한 국립 고자기장 연구소와 같은 세계적인 기관과 협력하여 수행되기도 합니다. 학생들은 해외 출장을 통해 글로벌 연구 트렌드를 익히고 국제 학회에 참여하며 시야를 넓힐 기회를 얻습니다. 또한 장기적인 연구를 위해 체력 관리와 어학 공부를 지원하는 등 연구자의 성장을 돕는 복지 체계는 학생들이 연구에 전념하면서도 균형 잡힌 생활을 유지할 수 있도록 돕는 중요한 요소입니다. 이는 학계에서 글로벌한 역량을 발휘할 수 있는 밑거름이 됩니다. 극한 조건 물리 연구실을 상징하는 키워드는 '수제 맥주와 운동화'입니다. 이는 직접 무언가를 만들어내는 즐거움과 미지의 영역을 향해 끊임없이 발을 내딛는 탐험 정신을 의미합니다. 우주 전체를 놓고 보았을 때 지구 밖의 수많은 물질은 이미 극한의 조건 속에 놓여 있으며, 이를 연구하는 것은 인류가 아직 가보지 못한 영역에 발자국을 남기는 일과 같습니다. 창의적인 노력과 진취적인 자세를 가진 연구자들에게 이 분야는 무궁무진한 가능성이 열려 있는 도전의 장이 될 것입니다. 새로운 발견을 향한 열정은 곧 인류 지식의 경계를 확장하는 원동력이 됩니다.

김기훈

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물리학

[그림으로 보는 과학뉴스] 미 FDA, 코로나19 혈장 치료제 긴급 사용승인

인류는 오랫동안 태양이 에너지를 만드는 원리를 지구에서 구현하고자 노력해 왔습니다. 이를 흔히 '인공태양'이라 불리는 핵융합 기술이라고 합니다. 핵융합은 가벼운 원자핵들이 합쳐지면서 엄청난 에너지를 방출하는 현상으로, 화석 연료와 달리 탄소를 배출하지 않으며 방사성 폐기물 문제에서도 비교적 자유롭습니다. 이러한 특성 덕분에 핵융합은 인류의 에너지 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 꿈의 에너지원으로 주목받고 있으며, 전 세계 과학계의 핵심 과제로 다뤄지고 있습니다. 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 바닷물에 풍부한 중수소와 리튬에서 얻을 수 있는 삼중수소가 필요합니다. 이 원료들을 초고온 상태로 가열하면 원자핵과 전자가 분리된 플라스마 상태가 되는데, 이때 원자핵들이 서로 밀어내는 전기력을 이겨내고 충돌하여 하나로 합쳐지게 됩니다. 이 과정에서 줄어든 질량만큼 막대한 에너지가 빛과 열의 형태로 쏟아져 나오게 되며, 이는 태양이 수십억 년 동안 스스로 빛을 내는 원리와 동일합니다. 연료 공급이 원활하고 효율이 극도로 높다는 점이 가장 큰 장점입니다. 하지만 지구상에서 태양과 같은 환경을 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 엄청난 온도의 플라스마를 가둘 수 있는 용기가 존재하지 않기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 강력한 자기장을 이용해 플라스마를 공중에 띄우는 '토카막' 장치를 고안했습니다. 도넛 모양의 진공 용기 내부에서 초전도 자석을 활용해 플라스마가 벽면에 직접 닿지 않도록 제어하는 것이 기술의 핵심이며, 현재 전 세계 연구진은 이 플라스마를 얼마나 더 오래, 더 안정적으로 가두어 둘 수 있을지를 두고 치열한 연구를 이어가고 있습니다. 최근 한국의 KSTAR를 비롯한 세계 각국의 연구 시설에서는 의미 있는 성과들이 잇따라 보고되고 있습니다. 1억 도 이상의 초고온 플라스마를 수십 초 이상 유지하는 기록을 경신하며 상용화에 한 걸음 더 다가서고 있는 것입니다. 또한 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)는 전 세계 주요국들이 힘을 합쳐 핵융합의 대량 생산 가능성을 실증하기 위한 거대 프로젝트입니다. 이러한 국제적 협력은 개별 국가의 기술력을 넘어 인류 공동의 미래를 위한 과학적 자산이 되고 있으며, 상용 발전을 위한 데이터를 축적하고 있습니다. 핵융합 기술이 상용화된다면 우리는 에너지 고갈 걱정 없는 시대를 맞이하게 될 것입니다. 이는 단순히 전기를 생산하는 것을 넘어, 기후 위기에 대응하고 지속 가능한 발전을 가능하게 하는 혁신적인 전환점이 될 것입니다. 물론 아직 해결해야 할 기술적 난제들이 남아 있지만, 지금 이 순간에도 과학자들의 끊임없는 도전은 계속되고 있습니다. 머지않은 미래에 인공태양이 인류의 밤을 밝히고 산업의 원동력이 되는 날이 오기를 기대해 봅니다. 과학의 발전이 가져올 깨끗하고 풍요로운 미래는 이제 더 이상 꿈이 아닌 현실로 다가오고 있습니다.

국립과천과학관

물리학
지구환경과학
융합

[과학관갤러리] 외르스테드 전자기 발견 200주년

약 200년 전만 하더라도 과학자들은 전기와 자기가 서로 완전히 다른 성질을 가진 독립적인 존재라고 믿었습니다. 하지만 1820년, 외르스테드가 강의 도중 우연히 발견한 현상은 과학계의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 도선에 전류가 흐를 때 그 주변에 놓여 있던 나침반 바늘이 갑자기 움직이는 것을 목격한 것입니다. 이는 전기와 자기가 서로 밀접하게 연관되어 있음을 시사하는 역사적인 순간이었으며, 전자기학이라는 새로운 학문의 문을 여는 결정적인 계기가 되었습니다. 외르스테드 효과의 핵심은 도선에 전류가 흐르면 그 주변에 자기장이 형성된다는 사실입니다. 실제 실험에서 나침반 바늘 위에 놓인 도선에 전류를 흘려보내면 나침반 바늘이 즉각적으로 반응하며 방향을 바꿉니다. 특히 전류의 방향을 반대로 바꾸면 나침반 바늘의 회전 방향 또한 반대로 변하는데, 이는 자기장의 방향이 전류의 흐름에 종속되어 있음을 증명합니다. 이러한 원리는 우리가 전류를 조절함으로써 자기장을 자유자재로 제어할 수 있다는 과학적 근거를 마련해 주었습니다. 이러한 상호작용을 응용한 대표적 사례인 전자석은 코일에 전류를 흘려 일시적으로 자성을 띠게 만드는 장치입니다. 외르스테드 효과로 전기학과 자기학이 통합되어 탄생한 전자기학은 현대 전기 문명의 근간이 되었으며, 수많은 기술 발전의 모태가 되었습니다. 일상 속의 사소한 현상도 놓치지 않고 탐구했던 그의 정신은 과학 발전의 원동력이 무엇인지 잘 보여줍니다. 우리도 주변을 호기심 어린 눈으로 바라본다면 새로운 과학적 진실을 마주하는 기쁨을 누릴 수 있을 것입니다.

국립과천과학관과학관 갤러리

물리학

[강연] 생명을 품은 행성으로 살아남기 by이정은｜2020 서울대 자연과학 공개강연 '과학으로 살아남기' | 3강

우주는 광활하지만 생명체가 존재한다고 알려진 곳은 현재까지 지구가 유일합니다. 2019년 노벨 물리학상이 외계 행성 발견자들에게 수여된 것은 인류가 생명의 기원을 찾으려는 열망이 얼마나 큰지를 잘 보여줍니다. 우리는 태양계 너머 수많은 행성계가 존재함을 알게 되었고, 그 속에서 지구와 같은 환경을 가진 행성을 찾기 위해 끊임없이 탐구하고 있습니다. 이러한 탐구는 결국 우리 지구가 어떻게 생명을 품은 행성으로 살아남았는지에 대한 근원적인 질문으로 이어지며, 우주적 관점에서 우리의 존재를 다시금 돌아보게 합니다. 지구는 우리 은하 중심에서 약 2만 7천 광년 떨어진 변두리에 위치하며, 이는 생명 탄생에 매우 유리한 조건입니다. 은하 중심의 위험한 환경을 피해 평범하고 안정적인 태양이라는 별 옆에 자리 잡았기 때문입니다. 태양은 너무 밝지도 무겁지도 않아 약 100억 년이라는 긴 수명을 가졌으며, 이는 지구가 생명을 잉태하고 지적 존재로 진화할 수 있는 충분한 시간을 제공했습니다. 광활한 우주 속에서 지구는 아주 작은 점에 불과하지만, 그 위치와 시간적 배경은 생존을 위한 완벽한 조화를 이루며 우리가 오늘날 이곳에 존재할 수 있게 했습니다. 태양계의 여덟 개 행성 중 오직 지구에만 생명이 존재하는 핵심적인 이유는 표면에 액체 상태의 물이 있기 때문입니다. 천문학자들은 별 주위에서 물이 액체로 존재할 수 있는 영역을 '생명 서식 지대'라고 부릅니다. 케플러 미션을 통해 수천 개의 외계 행성을 발견하며 지구와 닮은 환경을 찾으려 노력했지만, 단순히 위치만으로는 생명의 존재를 확신할 수 없습니다. 금성이나 화성처럼 같은 서식 지대에 있더라도 행성마다 각기 다른 물리적 조건에 따라 생명체의 거주 가능 여부가 극명하게 갈리기 때문이며, 이는 지구만의 특별한 조건을 연구해야 하는 이유가 됩니다. 행성이 형성되는 과정에서 '설선(Snow Line)'은 행성의 크기와 성분을 결정하는 중요한 경계가 됩니다. 이 경계 안쪽에서는 열에 의해 얼음이 승화하여 작은 암석 행성이 만들어지고, 바깥쪽에서는 얼음 입자들이 먼지를 뭉치게 도와 거대 행성이 탄생합니다. 흥미로운 점은 지구가 형성될 당시 태양의 강력한 에너지로 인해 지표면의 탄소가 대부분 파괴되었다는 사실입니다. 생명체의 뼈대인 탄소가 부족했던 초기 지구가 어떻게 지금처럼 풍부한 유기물을 보유하게 되었는지는 행성 진화의 신비로운 과정 중 하나이며, 이는 외부로부터의 물질 유입 가능성을 시사합니다. 초기 지구는 미행성들의 충돌로 인해 뜨거운 마그마 상태였으며, 이 과정에서 물과 대기를 잃어버렸을 가능성이 큽니다. 과학자들은 오늘날 지구의 물과 탄소가 혜성과의 충돌을 통해 외부에서 유입되었을 것으로 추정합니다. 로제타 미션을 통해 혜성 67P를 탐사한 결과, 그곳에서 아미노산의 일종인 글리신을 포함한 다양한 유기 물질이 발견되었습니다. 이는 생명의 씨앗이 우주 공간으로부터 전달되었을 가능성을 뒷받침하며, 지구가 생명을 품을 수 있는 화학적 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 했음을 보여주는 중요한 증거가 됩니다. 행성의 질량은 생명 유지 시스템을 가동하는 원동력입니다. 지구는 적당한 질량 덕분에 내부 열을 유지할 수 있었고, 이는 액체 상태의 외핵과 자기장을 형성하여 태양풍으로부터 대기를 보호했습니다. 또한 판구조론에 의한 탄소 순환은 대기 중 이산화탄소 농도를 조절하여 적정한 온실 효과를 유지하게 합니다. 반면 질량이 작은 화성은 내부가 빠르게 식어 자기장과 대기를 잃었고, 금성은 폭주하는 온실 효과로 인해 생명이 살 수 없는 환경이 되었습니다. 결국 행성의 크기와 지질학적 활동이 그 행성의 생존 운명을 결정짓는 핵심 요소인 셈입니다. 현재 지구는 온난화 가속화라는 심각한 위기에 직면해 있으며, 이는 과거 금성이 겪었던 온실 효과의 폭주와 닮아 있습니다. 해수면 상승과 기온 변화가 계속된다면 지구는 더 이상 생명을 품은 행성으로 남지 못할 수도 있습니다. 인류는 화성을 지구처럼 만드는 테라포밍을 꿈꾸기도 하지만, 그보다 앞서야 할 것은 유일한 안식처인 지구를 본래의 모습대로 지켜내는 일입니다. 지구가 생존해 온 경이로운 과정을 이해한다면, 우리가 지금 발 딛고 있는 이 행성을 보존하는 것이 얼마나 절실하고 중요한 과제인지 다시 한번 깨닫게 됩니다.

이정은

카오스재단서울대자연과학공개강연

천문학

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

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

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

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

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

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 그것이 알고 싶다?! 현대 과학이 풀지 못한 최대의 미스터리는? _ 2편ㅣ 미스터리 릴레이

현대 과학이 비약적인 발전을 이루었음에도 불구하고, 우리가 우주에 대해 알고 있는 지식은 여전히 빙산의 일각에 불과합니다. 주기율표에 나열된 118개의 원소 중 우주에 존재하는 94개의 원소가 차지하는 비중은 고작 4%에 그치며, 나머지 96%는 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 가득 차 있습니다. 20세기의 성과가 우리가 우주의 대부분을 모르고 있다는 사실을 깨달은 것이라면, 21세기의 진정한 과제는 그 베일에 싸인 96%의 실체를 규명하는 일입니다. 이는 인류가 직면한 가장 거대한 과학적 수수께끼이자 새로운 시대를 여는 열쇠가 될 것입니다. 우리가 발을 딛고 살아가는 지구 역시 여전히 수많은 미스터리를 품고 있습니다. 특히 지구 자기장의 형성 원리를 설명하는 다이나모 이론은 학술적으로 널리 알려져 있지만, 그 구체적인 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않은 지구과학의 최대 난제 중 하나입니다. 더욱 놀라운 점은 인류가 태양계 바깥으로 탐사선을 보내는 시대에 살면서도, 정작 우리 발밑 수백 미터 아래에서 어떤 일이 벌어지고 있는지조차 제대로 파악하지 못하고 있다는 사실입니다. 지표면 아래 숨겨진 단층의 상태나 지진, 화산 활동의 정확한 시점을 예측하지 못하는 현실은 인류가 자연재해로부터 여전히 취약한 위치에 있음을 시사합니다. 생명 과학의 영역으로 눈을 돌리면 미생물의 세계가 우리를 기다리고 있습니다. 자연계에 존재하는 수많은 미생물 중 현재의 기술로 배양 가능한 종은 1% 미만에 불과하며, 나머지 99% 이상의 미생물은 여전히 실험실 밖의 미지의 영역으로 남아 있습니다. 이들이 어떤 기능을 수행하며 지구 환경에 어떠한 영향을 미치는지 이해하기 위해서는 특수한 환경을 재현하고 배양할 수 있는 새로운 방법론이 절실합니다. 21세기 미생물학자들에게 주어진 과제는 이 보이지 않는 거대한 생태계를 우리 인류의 관찰 범위 안으로 가져와 그들의 대사와 재생산 과정을 과학적으로 규명하는 일입니다. 생명의 탄생과 진화 과정 또한 경이로운 신비로 가득 차 있습니다. 단 하나의 수정란이 분열하여 10조 개의 세포로 이루어진 복잡한 인간 개체를 형성하는 과정은 현대 과학으로도 온전히 설명하기 힘든 기적에 가깝습니다. 특히 인간 유전체(게놈)의 약 98%를 차지하면서도 단백질을 부호화하지 않아 과거에 '정크 DNA'라고 불렸던 영역은 생물학의 새로운 화두로 떠오르고 있습니다. 이들이 단순한 진화의 흔적인지, 아니면 우리가 아직 발견하지 못한 핵심적인 기능을 수행하고 있는지는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 만약 이들의 정체가 밝혀진다면 암 치료나 생명 연장의 새로운 돌파구가 마련될지도 모릅니다. 현대 생물학의 최첨단 프런티어라 불리는 뇌과학은 인간의 의식과 사고라는 궁극의 질문에 도전하고 있습니다. 매일 아침 잠에서 깨어날 때 회복되는 의식이 뇌의 어느 부위에서 어떤 과정을 거쳐 발생하는지는 뇌과학 최대의 미스터리입니다. 특히 외부 자극과 그에 따른 반응 사이에 존재하는 긴 '생각'의 시간 동안 신경세포들이 어떻게 상호작용하는지를 과학적으로 측정하고 모델링하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 하지만 측정 장치의 발전과 수학적 모델링을 통해 뇌의 작동 원리를 명확히 이해하게 된다면, 인류는 비로소 인간이라는 존재의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 될 것입니다.

서민아, 이강근, 이대열, 이일하, 이정모, 이현숙, 조장천, 최덕근

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
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[석학인터뷰] 최덕근_ 외핵이 줄어들고 있다?!!

지구는 지권, 수권, 기권, 생물권이라는 네 가지 권역이 서로 유기적으로 상호작용하며 하나의 거대한 시스템을 이룹니다. 이러한 지구 시스템이 원활하게 작동한다는 것은 각 권역 내에서 물질과 에너지가 역동적으로 순환하고 있음을 의미합니다. 특히 지권에서는 지구 내부와 표면의 물질이 끊임없이 교류하며 변화를 만들어내는데, 우리가 흔히 겪는 지진 역시 이러한 지권의 흐름이 정상적으로 작동하고 있다는 증거 중 하나로 볼 수 있습니다. 판 구조론의 관점에서 볼 때, 지구의 겉면은 단순히 지각으로만 이루어진 것이 아니라 지각과 맨틀의 최상부를 포함하는 거대한 '판(암석권)'들로 구성되어 있습니다. 판은 대륙이나 해양을 단독으로 포함하기도 하고, 때로는 두 지형이 섞여 있는 복합적인 구조를 띠기도 합니다. 이는 판이 지각보다 훨씬 더 크고 깊은 구조임을 시사하며, 학자들은 이를 지각과 맨틀 상부를 아우르는 단단한 암석권의 개념으로 정의하여 지구의 역동성을 설명하고 있습니다. 판을 움직이는 원동력에 대해서는 크게 세 가지 힘이 거론됩니다. 첫째는 해령에서 새로운 지각이 형성될 때 밑에서 밀어 올리는 힘이며, 둘째는 차갑고 무거워진 판이 해구에서 지구 내부로 섭입하며 잡아당기는 힘입니다. 마지막으로는 해령과 해구 사이의 지형적 높이 차이로 인해 판이 미끄러지는 힘이 있습니다. 현재 학계에서는 이 중에서도 무거워진 판이 스스로 가라앉으며 전체를 끌어당기는 힘이 판 이동의 가장 핵심적인 역할을 수행하는 것으로 보고 있습니다. 고생대 초기 한반도의 고지리적 위치를 추적해 보면 현재와는 사뭇 다른 흥미로운 사실을 발견할 수 있습니다. 당시 한반도는 따뜻한 기후를 가진 저위도 지역에 머물러 있었으며, 거대한 대륙의 끝자락을 구성하고 있었습니다. 강원도 일대에서 관찰되는 고대 암석과 삼엽충 화석은 그 시절 이곳이 생명력이 넘치는 얕은 바다였음을 시사합니다. 이러한 연구는 한반도의 뿌리를 찾고 지각의 이동 경로를 이해하는 데 결정적인 단서를 제공합니다. 한반도의 형성 과정을 두고는 여러 지괴가 모여 하나가 되었다는 가설들이 팽팽하게 맞서고 있습니다. 이와 더불어 지구 내부에서는 액체 상태였던 핵이 점차 굳어지며 내핵이 커지고 외핵이 줄어드는 변화가 진행 중입니다. 외핵의 움직임은 지구 자기장을 형성하는 근원이기에, 이러한 내부 구조의 변화는 결국 자기장의 변동으로 이어질 수밖에 없습니다. 이는 장기적으로 지구상의 생물계 전반에 걸쳐 지대한 영향을 미칠 수 있는 중요한 과학적 화두입니다.

최덕근

카오스재단석학인터뷰

지구환경과학

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

전자기학의 역사는 인류가 자연의 근본적인 힘을 이해해 온 과정이며, 그 종착점은 우리가 매일 마주하는 '빛'입니다. 고대 그리스 시대의 마찰 전기 현상부터 시작된 탐구는 전하와 자기, 그리고 이들이 서로를 유도하는 복잡한 상호작용을 밝혀내는 여정으로 이어졌습니다. 마이클 패러데이가 직관적으로 제시한 력선의 개념은 이후 제임스 클라크 맥스웰에 의해 정교한 수학적 체계인 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 이 이론은 전기와 자기가 별개의 현상이 아니라 하나의 통합된 전자기장 안에서 파동처럼 퍼져나가는 존재임을 증명하며 현대 물리학의 초석을 다졌습니다. 전기 현상의 핵심인 전하는 입자들이 가진 내재적 속성으로, 이들 사이에는 거리에 반비례하고 전하량에 비례하는 쿨롱의 힘이 작용합니다. 과거에는 이 힘이 시간의 지체 없이 즉각 전달되는 원격 작용으로 여겨졌으나, 패러데이는 전하 주변의 공간 성질이 변한다는 '장'의 개념을 도입했습니다. 전하가 형성한 전기장은 공간상의 모든 점에 벡터 성질을 부여하며, 다른 전하가 이 영역에 들어올 때 비로소 전기력을 느끼게 됩니다. 이러한 관점의 전환은 힘이 전달되는 데 일정한 시간이 걸린다는 사실을 시사하며, 전자기학이 전자기파 이론으로 나아가는 중요한 징검다리가 되었습니다. 자기 현상 또한 전기와 마찬가지로 공간에 형성된 자기장을 통해 힘을 전달합니다. 자석은 항상 N극과 S극이 쌍으로 존재하며, 이를 수학적으로 표현한 것이 자기장에 대한 가우스 법칙입니다. 흥미로운 점은 정지한 전하는 자기장의 영향을 받지 않지만, 움직이는 전하는 자기장 속에서 '로렌츠 힘'이라는 특별한 힘을 받는다는 사실입니다. 이 힘은 전하의 이동 방향과 자기장 방향에 모두 수직으로 작용하여 입자의 궤도를 휘게 만듭니다. 이러한 원리는 과거 브라운관 TV의 전자빔 조절부터 현대의 가속기 실험에 이르기까지 전하의 움직임을 제어하는 핵심 원리로 널리 활용되고 있습니다. 전기와 자기가 서로 긴밀하게 연결되어 있다는 사실은 외르스테드와 앙페르, 그리고 패러데이의 실험을 통해 명확히 밝혀졌습니다. 도선에 흐르는 전류가 주변에 자기장을 형성한다는 발견은 전기가 자기를 만들 수 있음을 보여주었고, 반대로 변화하는 자기장이 회로에 전류를 유도한다는 패러데이 전자기 유도 법칙은 자기가 전기를 유도할 수 있음을 증명했습니다. 맥스웰은 여기서 한 걸음 더 나아가 시간에 따라 변하는 전기장이 자기장을 유도한다는 가정을 추가함으로써 전자기학의 대칭성을 완성했습니다. 이로써 전기와 자기는 서로가 서로를 끊임없이 생성하며 공간을 나아가는 파동의 형태로 통합되었습니다. 맥스웰이 정리한 네 개의 방정식은 인류 역사상 가장 아름다운 물리 공식 중 하나로 꼽힙니다. 그는 이 방정식들을 연립하여 전자기파의 속도를 계산해냈고, 그 결과가 당시 알려진 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이는 인류가 오랫동안 별개의 학문으로 다루어 온 전기학, 자기학, 그리고 광학이 사실은 하나의 뿌리에서 나온 것임을 선언한 역사적 사건이었습니다. 빛은 결국 시간에 따라 진동하는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진공 속을 가로지르는 전자기파의 일종입니다. 이 발견은 뉴턴의 역학적 세계관을 넘어 현대 전자기 문명의 이론적 토대를 마련했습니다. 전자기학의 원리는 현대 반도체 소자인 LED의 작동 방식에서도 구체적으로 확인할 수 있습니다. LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로, 외부에서 전압을 가하면 전자와 정공이 접합면으로 이동하여 결합하게 됩니다. 이때 전자가 가진 높은 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태로 전이되면서 그 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 반도체의 재료를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 바꾸면 빨간색, 녹색, 파란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있습니다. 이는 전하의 이동과 에너지 변환이라는 전자기학적 과정을 통해 우리가 원하는 빛을 인공적으로 만들어내는 정밀한 기술의 산물입니다. 전기와 자기는 관찰자의 운동 상태에 따라 서로 모습을 바꾸는 동일한 현상의 두 측면입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 한 관찰자에게는 자기력으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기력으로 해석될 수 있습니다. 이는 전자기학이 단순히 고전적인 물리 법칙에 머무는 것이 아니라, 시공간의 본질과 깊이 연관되어 있음을 보여줍니다. 맥스웰은 인간의 유한함에 갇히지 않고 우주의 무한한 진리를 추구하며 전자기 통합이라는 위대한 업적을 남겼습니다. 그의 방정식은 오늘날 무선 통신과 디스플레이 기술 등 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 힘으로 우리 곁에 살아 숨 쉬고 있습니다.

고재현

카오스재단마스터클래스

물리학

[카오스 술술과학] 도대체! 빛이란 무엇일까?

거울 속의 자신을 바라볼 때 우리는 그것이 실체가 아닌 빛이라는 허상임을 직감합니다. 일상에서 접하는 대부분의 사물은 질량을 가진 물질이지만, 빛은 질량이 없는 독특한 존재입니다. 질량이 없는데 어떻게 존재할 수 있는지 의문이 생길 수 있지만, 소리가 공기의 진동을 통해 에너지를 전달하는 파동인 것처럼 빛 역시 에너지를 실어 나르는 파동의 형태로 존재합니다. 즉, 빛은 물리적인 질량 대신 에너지를 통해 자신의 존재를 드러내며 우리 주변의 세상을 밝히고 정보를 전달하는 역할을 수행합니다. 빛이 파동이라면 도대체 무엇이 진동하는 것일까요? 소리가 공기를, 파도가 물을 매질로 삼아 진동하듯 빛은 전기장과 자기장이 서로 교차하며 진동하며 앞으로 나아갑니다. 이러한 특성 때문에 과학적으로 빛은 '전자기파'라고 불립니다. 19세기 맥스웰 방정식을 통해 우리가 눈으로 보는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파라는 거대한 가족의 일원임을 밝혀냈습니다. 이처럼 빛은 단순한 시각적 현상을 넘어 우주를 구성하는 전자기적 상호작용의 핵심적인 결과물이라고 할 수 있습니다. 빛의 탄생은 미시 세계의 주인공인 전자의 움직임에서 시작됩니다. 전기를 띤 입자인 전자가 가속 운동을 하거나 진동할 때 전자기파가 발생하며, 이 파동이 우리 눈 망막의 전자를 다시 진동시킴으로써 우리는 비로소 빛을 지각하게 됩니다. 결국 우리가 경험하는 거시 세계의 수많은 현상은 미시 세계에서 전자와 빛이 주고받는 정교한 상호작용의 결과입니다. 빛은 아주 작은 미시 세계와 우리가 살아가는 거시 세계를 이어주는 정보의 메신저로서, 우주의 비밀을 우리에게 전달하는 중요한 통로가 되어줍니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[강연] 지구탈출계획 : 화성에서 살아남기 (4) _ by이정은 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 8강 | 8강 ④

화성에 도착한 인류가 가장 먼저 해결해야 할 과제는 안전한 거주지를 확보하는 것입니다. 화성 표면은 강력한 우주 방사선에 노출되어 있어 지표면에 그대로 머무는 것은 매우 위험합니다. 따라서 태양계 최대 화산인 올림푸스 몬스 주변의 용암동굴을 찾는 것이 현실적인 대안으로 꼽힙니다. 제주도의 만장굴처럼 용암이 흐르며 형성된 이 동굴들은 천연 방패 역할을 하여 방사선으로부터 인간을 보호해 줄 수 있는 최적의 장소이기 때문입니다. 거주지 확보만큼 중요한 것은 생존의 필수 요소인 물을 구하는 일입니다. 화성에는 다행히 막대한 양의 얼음이 존재하며, 이를 모두 녹이면 화성 전체를 덮을 수 있을 정도라고 알려져 있습니다. 또한 화성의 드라이아이스를 녹여 이산화탄소를 기체화하면 온실효과를 유도해 행성의 온도를 높일 수 있습니다. 이러한 자원들은 향후 화성을 인간이 살 수 있는 환경으로 바꾸는 테라포밍의 핵심적인 원료가 되어 인류의 정착을 도울 것입니다. 영화 '마션'에서처럼 화성에서 식량을 자급자족하는 일은 더 이상 상상 속의 이야기가 아닙니다. 지구의 북극권 같은 극한 환경에서도 컨테이너와 LED 조명을 이용해 신선한 채소를 재배하는 기술이 이미 활용되고 있습니다. 화성의 흙과 지구에서 가져온 퇴비를 적절히 활용한다면 감자와 같은 구황작물을 재배하는 것이 충분히 가능합니다. 이는 화성 탐사 대원들이 장기 체류하며 스스로 생존할 수 있는 기반을 마련해 줄 중요한 기술적 토대가 됩니다. 하지만 화성에서의 생활은 인간의 신체에 적지 않은 부담을 줍니다. 중력이 약한 환경에서 장기간 머물면 뼈와 근육이 급격히 약해지고, 체액이 머리 쪽으로 쏠려 얼굴이 붓는 현상이 발생합니다. 또한 폐쇄된 공간에서의 생활은 심리적 스트레스와 함께 예상치 못한 생리적 부작용을 초래할 수 있습니다. 따라서 화성으로 향하는 여정 동안 인공중력을 발생시켜 신체 능력을 유지하는 기술은 성공적인 탐사와 정착을 위한 필수적인 조건이라 할 수 있습니다. 화성의 환경에 대한 흔한 오해 중 하나는 강력한 모래폭풍이 사람을 날려버릴 정도로 위험하다는 점입니다. 실제로 화성에는 행성 전체를 뒤덮는 대규모 모래폭풍이 발생하지만, 대기압이 지구의 1% 미만으로 매우 낮아 그 파괴력은 미미합니다. 영화적 연출을 위해 과장된 측면이 있으나, 실제로는 머리카락이 약간 날리는 정도의 바람 세기에 불과합니다. 과학적 사실을 바탕으로 화성 환경을 정확히 이해하는 것이 안전하고 효율적인 탐사 계획의 시작입니다. 화성 탐사와 테라포밍을 추진함에 있어 환경 오염에 대한 윤리적 고민도 반드시 병행되어야 합니다. 지구의 박테리아가 화성으로 옮겨가 생태계를 교란하거나 과학적 분석에 오류를 일으킬 가능성이 있기 때문입니다. 이를 방지하기 위해 NASA는 행성보호관이라는 직책을 두고 탐사 기기의 철저한 멸균과 오염 방지에 힘쓰고 있습니다. 미지의 세계를 탐구하려는 인간의 본능과 외계 환경을 보존하려는 책임감 사이의 균형을 잡는 것이 중요합니다. 화성을 인간이 살 수 있는 곳으로 만드는 테라포밍은 수백 년의 시간이 걸리는 거대한 프로젝트입니다. 하지만 화성을 개조할 수 있는 수준의 기술력을 갖춘다면, 오히려 위기에 처한 지구의 환경을 회복시키는 일은 훨씬 수월할 것입니다. 화성 탐험은 단순히 새로운 영토를 찾는 과정을 넘어, 인류의 지식 지평을 넓히고 우리가 사는 지구의 소중함을 다시금 깨닫게 하는 여정이 될 것입니다. 지혜로운 탐험을 통해 인류는 우주로 나아갈 준비를 마칠 것입니다.

문경수, 이강환, 이정은

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 지구탈출계획 : 화성에서 살아남기 (2) _ by이정은 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 8강 | 8강 ②

우주 나이 138억 년을 1년으로 압축한 우주 달력을 살펴보면 인류의 역사가 얼마나 찰나에 불과한지 실감할 수 있습니다. 빅뱅 이후 9월이 되어서야 태양계가 형성되었고, 지적 생명체의 근간이 되는 현생 인류는 12월 31일 밤 11시 52분에야 비로소 등장했습니다. 문명의 상징인 문자의 발명은 자정이 되기 불과 12초 전의 일입니다. 이처럼 기나긴 진화의 시간을 거쳐 지적 존재가 탄생했다는 사실은 우주 어딘가에 존재할지 모를 또 다른 생명체에 대한 탐구심을 자극하며, 우리가 왜 외계 행성을 탐사해야 하는지에 대한 근본적인 이유를 제시합니다. 지적 생명체와의 교신을 꿈꾸는 인류는 태양과 유사한 별 주위를 공전하는 지구형 행성을 찾기 위해 케플러 미션을 수행해 왔습니다. 2009년 발사된 케플러 우주 망원경은 지금까지 2,300여 개의 외계 행성을 발견했으며, 그중 생명체 거주 가능 구역에 위치한 지구형 행성도 20여 개에 달합니다. 우리 은하에만 약 1,000억 개의 별이 존재한다는 점을 고려하면, 지구형 행성은 수천만 개에 이를 것으로 추정됩니다. 이는 광활한 우주 어딘가에 우리와 같은 생명체가 존재할 가능성이 매우 높음을 시사하는 강력한 증거가 됩니다. 수많은 외계 행성이 존재함에도 불구하고 인류가 현실적으로 이주를 고려할 수 있는 후보지는 태양계 내의 화성이 유일합니다. 태양계를 벗어난 유일한 인공물인 보이저 1호가 경계를 넘는 데만 36년이 걸렸다는 사실은 성간 여행의 높은 벽을 실감케 합니다. 금성은 극심한 온실효과로 인해 생존이 불가능하며, 수성 또한 거주지로 적합하지 않습니다. 따라서 인류는 화성 테라포밍을 통해 새로운 거주지를 확보하려는 원대한 계획을 세우고 있으며, 이를 위해 지구와 화성의 환경 차이를 면밀히 분석하고 있습니다. 지구가 생명체의 요람이 될 수 있었던 것은 태양과의 적절한 거리와 행성의 크기 덕분입니다. 지구는 액체 상태의 물을 보유할 수 있는 위치에 있으며, 적당한 크기 덕분에 내부 열을 유지하여 액체 외핵과 자기장을 형성할 수 있었습니다. 특히 판 구조론에 의한 탄소 순환 시스템은 대기 중 이산화탄소 농도를 조절하여 지구의 온도를 일정하게 유지하는 자정 능력을 제공합니다. 반면 화성은 화산 활동과 자기장이 사라져 대기를 잃고 메마른 사막이 되었습니다. 이러한 지구의 메커니즘을 이해하는 것은 화성을 재탄생시키기 위한 필수적인 과정입니다. 화성 테라포밍은 대기 조성, 액체 상태의 물 확보, 온도 상승, 식물 식재, 도시 건설이라는 5단계 과정을 거칩니다. 약 500년의 시간과 막대한 자본이 소요될 것으로 예상되는 이 프로젝트는 온실가스 배출이나 핵폭탄 투하 등 파격적인 방법까지 연구 대상에 포함합니다. 최근 스페이스X의 발사체 재사용 기술 성공은 이러한 계획의 실현 가능성을 획기적으로 높였습니다. 운송 비용의 감소는 화성 개척 시기를 앞당길 것이며, 머지않은 미래에 인류는 인터넷 쇼핑몰에서 화성 여행 티켓을 구매하는 시대를 맞이하게 될지도 모릅니다. 외계 생명체 탐사는 화성을 넘어 목성의 위성 유로파와 토성의 위성 타이탄으로 확장되고 있습니다. 유로파의 두꺼운 얼음 지각 아래에는 지구보다 많은 양의 액체 상태의 물이 존재할 것으로 추정되며, 타이탄에는 메테인 호수가 있어 독특한 생명 활동의 가능성을 보여줍니다. 지구의 심해 열수구나 극한 환경에서 살아가는 미생물들은 태양 빛 없이도 생존할 수 있음을 증명했습니다. 이러한 극한 생명체에 대한 연구는 우주 생물학의 핵심이며, 우리가 상상하지 못한 형태의 생명체가 우주 곳곳에 존재할 수 있다는 사실을 뒷받침하는 중요한 지표가 됩니다. 인류가 막대한 비용과 위험을 무릅쓰고 우주 탐사를 계속하는 근본적인 동력은 지적 호기심입니다. '우주에 우리만 존재하는가'라는 질문에 답을 찾는 과정에서 인류의 과학 기술은 비약적으로 발전해 왔습니다. 현재의 기술로는 화성 이주가 불가능해 보일지라도, 탐구를 멈추지 않는 인간의 본성은 결국 기술적 한계를 극복해 낼 것입니다. 과학적 사고와 질문을 멈추지 않는 한, 인류는 지구라는 요람을 벗어나 우주 문명으로 도약하는 미래를 반드시 맞이하게 될 것입니다. 끊임없는 도전은 우리가 우주의 일원임을 증명하는 가장 고귀한 행위입니다.

이정은

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 지구 내부로의 여행 (1) _ 심상헌 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강 | 2강 ①

우리는 종종 밤하늘의 수많은 별을 바라보며 지구가 생명체를 품은 특별한 존재인지에 대해 깊이 고민하곤 합니다. 이러한 탐구는 생물학적 호기심을 넘어, 지구의 내부를 연구하는 지질학적 관점에서도 매우 중요한 화두가 됩니다. 인류는 이미 태양계 끝자락에 위치한 명왕성의 사진을 찍어 보낼 정도로 먼 우주를 탐사해 왔으나, 정작 발밑으로 불과 6,300km 아래에 있는 지구 중심부에 대해서는 직접 눈으로 확인하거나 만져볼 수 없는 미지의 영역으로 남아 있습니다. 이러한 보이지 않는 세계를 이해하는 것이야말로 지구의 진정한 모습을 발견하는 첫걸음이 됩니다. 지구 내부는 양파처럼 여러 개의 층으로 구성되어 있습니다. 우리가 딛고 서 있는 얇은 암석층인 지각 아래에는 약 3,000km 두께의 거대한 맨틀이 자리 잡고 있습니다. 맨틀은 지각보다 밀도가 높은 암석들로 이루어져 있으며, 그 더 깊은 곳에는 거대한 금속 철과 니켈로 구성된 핵이 존재합니다. 이러한 층상 구조는 단순히 정지해 있는 것이 아니라, 지구 전체의 역동적인 변화를 이끄는 근원이 됩니다. 우리는 이 거대한 암석과 금속의 층들이 어떻게 상호작용하며 현재의 지구 환경을 만들어냈는지 탐구해야 하며, 이는 지구의 과거와 미래를 연결하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 지구의 표면은 약 40여 개의 딱딱한 판으로 나뉘어 끊임없이 움직이고 있습니다. 이를 판구조론이라 부르는데, 판들이 서로 충돌하거나 멀어지면서 지진과 화산 활동 같은 다양한 지질학적 현상을 일으킵니다. 특히 대서양 바닥에 길게 뻗어 있는 중앙해령은 뜨거운 맨틀 물질이 올라와 새로운 지각이 탄생하는 역동적인 장소입니다. 이곳은 단순히 암석이 만들어지는 곳을 넘어, 지구 내부의 물질이 수권과 만나 독특한 생태계를 형성함으로써 지권과 생명이 어떻게 연결될 수 있는지를 보여주는 중요한 단서를 제공합니다. 이러한 상호작용은 지구가 단순한 돌덩이가 아님을 증명합니다. 새롭게 탄생한 해양 지각은 약 1억 년이라는 긴 세월 동안 바다 밑을 이동하다가 다시 지구 내부로 들어가는 섭입 과정을 거칩니다. 일본 열도와 같은 섭입대에서는 해양 지각이 대륙 지각 밑으로 파고들며 깊은 곳까지 지진을 발생시킵니다. 이 과정에서 지표의 물과 대기 성분이 포함된 암석들이 지구 깊숙이 전달되고, 다시 뜨거워진 물질이 지표로 순환하게 됩니다. 이러한 거대한 물질의 순환은 지구를 살아있는 행성으로 유지하며, 우리가 흔히 아는 물의 순환보다 훨씬 더 긴 호흡으로 지구의 환경을 조절하고 있습니다. 이는 지구 시스템 전체가 하나의 유기체처럼 움직이고 있음을 시사합니다. 지구 내부의 가장 깊은 곳인 핵은 생명 유지에 필수적인 자기장을 형성합니다. 태양은 우리에게 에너지를 공급하지만, 동시에 생명체에게 치명적인 태양풍을 내뿜기도 합니다. 만약 지구 핵이 만들어내는 자기장이 없었다면, 강력한 에너지 입자들이 지표면에 그대로 쏟아져 내려 생명이 존재하기 어려웠을 것입니다. 결국 우리가 딛고 있는 단단한 땅속 깊은 곳의 움직임이 보이지 않는 보호막을 만들어 우리를 지켜주고 있는 셈입니다. 이처럼 지구 내부로의 여행은 우리가 왜 이곳에서 안전하게 살아갈 수 있는지를 이해하는 과정이며, 지권의 활동이 생명 보호의 근간임을 깨닫게 해줍니다.

심상헌

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생명과학
지구환경과학

[강연] 지구 내부로의 여행 (5) _ 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강 | 2강 ⑤

지구의 가장 깊숙한 곳에 위치한 내핵은 여전히 베일에 싸인 신비로운 존재입니다. 액체 상태인 외핵을 통과해야만 도달할 수 있는 특성 때문에 지진파가 정보를 많이 잃어버려 연구가 매우 어렵기 때문입니다. 내핵이 고체라는 사실이 밝혀진 것도 불과 수십 년 전의 일이며, 지구의 나이가 46억 년인 것에 비해 내핵의 나이는 약 10억 년 정도에 불과할 것이라는 가설도 존재합니다. 지구가 충분히 식어야만 핵이 굳어 내핵이 형성될 수 있기 때문인데, 이러한 미지의 영역은 과학자들에게 끊임없는 탐구의 대상이 되고 있습니다. 지구 대기 중 산소 농도의 변화는 생명체의 진화와 밀접한 관련이 있습니다. 산소는 일정하게 증가한 것이 아니라 계단식으로 급증하는 양상을 보였는데, 과학자들은 이를 화석이나 광물 속에 포획된 고대 대기 성분을 통해 분석합니다. 마치 영화 속 호박에 갇힌 모기처럼, 수십억 년 전의 공기가 광물 안에 보존되어 당시의 환경을 증언해 주는 것입니다. 이러한 증거들은 단일한 가설에 의존하지 않고 여러 학문적 데이터를 결합하여 지구 역사의 퍼즐을 맞추는 중요한 열쇠가 됩니다. 지진 예측은 현대 과학이 해결해야 할 가장 어려운 과제 중 하나로 꼽힙니다. 시뮬레이션을 통해 단층의 움직임을 분석하더라도, 실제 지구 내부에는 우리가 아직 발견하지 못한 수많은 단층이 존재하며 각 단층의 성질 또한 제각각이기 때문입니다. 하나의 단층이 미끄러지며 발생하는 힘이 인접한 다른 단층에 연쇄적인 영향을 미치기 때문에 그 복잡성은 상상을 초월합니다. 따라서 현재의 기술력으로는 지진의 정확한 시점과 위치를 예측하기 어렵지만, 지속적인 연구를 통해 그 메커니즘을 이해하려는 노력이 계속되고 있습니다. 지진파 중 P파는 액체와 고체를 모두 통과하지만, S파는 고체만을 통과하는 성질을 가지고 있습니다. 흥미로운 점은 액체인 외핵을 지나 고체인 내핵에 도달했을 때 S파가 다시 관측된다는 사실입니다. 이는 외핵에서 직접 전달된 것이 아니라, P파가 외핵과 내핵의 경계면을 통과하면서 파동의 성질이 변하여 일부분이 S파로 전환되기 때문입니다. 이러한 파동의 변화상을 정밀하게 분석함으로써 우리는 직접 가볼 수 없는 지구 깊은 곳의 물리적 상태와 구성 성분을 보다 명확하게 파악할 수 있게 됩니다. 판 구조론의 시작은 지구 내부의 물질 순환뿐만 아니라 대기 성분의 변화에도 큰 영향을 미쳤습니다. 해양 지각이 지구 내부로 섭입되면서 지표의 탄소와 같은 원소들을 함께 끌고 내려가는데, 이는 대기 중 산소 농도를 조절하는 중요한 기제로 작용합니다. 특히 지하 깊은 곳으로 내려간 탄소는 엄청난 압력과 온도를 견디며 흑연에서 다이아몬드로 상전이를 일으키기도 합니다. 우리가 보석으로 여기는 다이아몬드 속에는 수억 년 전 생명체의 흔적과 지구 내부의 역사가 고스란히 기록되어 있는 셈입니다.

김은정, 소병달, 심상헌

카오스재단카오스강연

생명과학
지구환경과학

[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ④

인류세라는 용어는 인간의 활동이 지구 환경에 지배적인 영향을 미치는 새로운 지질 시대를 의미합니다. 최근 학계에서는 이를 '인간세'로 번역하자는 제안이 힘을 얻고 있는데, 이는 인류 전체의 추상적인 문제보다 개개인의 구체적인 활동이 모여 지구를 변화시켰다는 점을 강조하기 위함입니다. 우리가 매일 사용하는 플라스틱이나 에너지 소비가 지구의 역사를 바꾸고 있다는 사실을 직시하게 함으로써, 환경 문제에 대한 개인의 책임감을 고취하고 실천적인 변화를 이끌어내려는 의도가 담겨 있습니다. 지질학적 관점에서 새로운 시대의 도래는 지층에 남는 뚜렷한 흔적으로 증명됩니다. 과거의 지질 시대가 화석으로 구분되었다면, 인류세는 콘크리트, 플라스틱, 그리고 우리가 소비한 막대한 양의 가금류 뼈가 지층에 쌓여 기록될 것입니다. 비록 수백 년이라는 짧은 시간이 지질학적 척도에서는 찰나에 불과할지라도, 인간이 만들어낸 인공물과 생태계의 급격한 변화는 미래의 지적 생명체가 지구의 역사를 탐사할 때 결코 간과할 수 없는 명확한 경계선이 될 것임이 분명합니다. 지구가 생명체가 살 수 있는 유일한 행성으로 남은 비결은 적절한 거리와 크기에 있습니다. 태양으로부터 너무 가깝지도 멀지도 않은 위치 덕분에 물이 액체 상태로 존재할 수 있었고, 적당한 질량은 내부의 열을 보존하여 자기장을 형성하게 했습니다. 이 자기장은 태양풍으로부터 대기를 보호하며, 판 구조론에 의한 탄소 순환을 가능하게 하여 지구의 온도를 일정하게 유지해 줍니다. 이러한 정교한 균형 덕분에 지구는 금성이나 화성과 달리 수십억 년 동안 생명의 요람 역할을 할 수 있었습니다. 화성을 제2의 지구로 만들려는 '테라포밍'은 더 이상 공상과학 소설 속의 이야기만이 아닙니다. 과학자들은 화성의 극한 환경에서도 생존 가능한 미생물을 활용해 대기 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하고, 이를 통해 온실효과를 유도하여 화성의 온도를 높이는 방안을 연구하고 있습니다. 온도가 상승하면 지하에 얼어붙어 있던 물이 녹아 흐르고 구름이 생성되는 등 지구와 유사한 물의 순환 체계가 구축될 수 있습니다. 이는 인류가 지구를 넘어 우주로 거주지를 확장하려는 거대한 도전의 시작이라 할 수 있습니다. 기후변화는 이제 논쟁의 대상이 아닌 당면한 현실입니다. 이에 대응하는 방식은 온실가스 배출을 줄이는 '완화'와 이미 변화한 환경에 맞춰 살아가는 '적응'으로 나뉩니다. 해수면 상승으로 인해 몰디브와 같은 섬나라뿐만 아니라 전 세계 연안 도시들이 침수 위기에 처해 있는 상황에서, 단순히 둑을 쌓는 토목 공사를 넘어 생태계의 자정 능력을 활용한 대안이 주목받고 있습니다. 이는 인간이 자연의 순환 체계를 이해하고 그 안에서 공존의 길을 찾아야 함을 시사하며, 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 전략입니다. 연안 습지는 단순한 철새 도래지를 넘어 기후변화를 극복할 핵심 열쇠인 '블루 카본'의 저장소입니다. 습지의 식물들은 막대한 양의 탄소를 흡수하여 땅속에 가두고, 퇴적물을 쌓아 올려 해수면 상승에 스스로 대응하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 또한 맹그로브 숲과 같은 습지는 쓰나미와 같은 자연재해로부터 육지를 보호하는 천연 방파제 역할을 수행합니다. 이러한 자연 생태계를 보존하는 것은 인위적인 구조물을 설치하는 것보다 훨씬 효율적이고 지속 가능한 기후변화 적응 전략이 될 수 있습니다. 인간의 영향력은 이제 지구 표면을 넘어 우주 공간으로까지 확장되었습니다. 수십 년간의 우주 개발 결과, 퇴역한 인공위성과 로켓 파편들이 '우주 쓰레기'가 되어 지구 궤도를 위협하고 있습니다. 초속 수 킬로미터의 엄청난 속도로 회전하는 이 파편들은 작은 크기라도 인공위성이나 우주정거장에 치명적인 타격을 줄 수 있는 거대한 에너지를 품고 있습니다. 지구의 환경 오염이 우주로 전이된 셈이며, 이를 해결하기 위한 기술적 노력은 우리가 만든 쓰레기를 스스로 치워야 한다는 인류세의 책임이 우주까지 이어짐을 보여줍니다.

강호정, 김경렬, 이정은

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지구환경과학

[강연] 우주 레이다로 만든 지구그림과 이웃행성 탐사(5) | 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 10강 | 10강 ⑤

스텔스 기술의 핵심은 레이더 탐지를 피하는 것입니다. 레이더는 전파를 쏘아 돌아오는 신호를 분석하는데, 스텔스는 이 반사되는 신호를 최소화합니다. 이를 위해 전파를 흡수하는 특수 재질을 사용하거나, 기체 표면을 각지게 설계하여 전파를 쏜 방향이 아닌 다른 곳으로 반사시킵니다. 둥근 표면은 어느 각도에서든 전파를 반사하지만, 각진 표면은 특정 방향으로만 에너지를 보내기 때문에 탐지기에 포착되는 에너지가 극히 적어집니다. 이러한 원리는 현대 군사 기술뿐만 아니라 전자기파를 다루는 다양한 공학 분야에서 응용되고 있습니다. 목성과 같은 거대 행성은 강력한 자기장과 방사선을 방출하여 탐사선에 위협이 되기도 합니다. 하지만 과학자들은 탐사선을 발사하기 전 지상의 특수 챔버에서 혹독한 전파 환경을 견딜 수 있는지 철저히 검증합니다. 최근 목성에 도달한 주노 탐사선 역시 이러한 극한의 조건을 극복하도록 설계되었습니다. 주노는 목성의 대기로 진입하며 수집한 귀중한 데이터를 지구로 전송하여 행성의 비밀을 밝히는 임무를 수행합니다. 이는 우주 탐사가 단순히 멀리 가는 것을 넘어, 극한 환경을 이겨내는 정밀 공학의 결정체임을 보여줍니다. 합성개구레이더(SAR)는 구름을 뚫고 지표면을 관측할 수 있지만, 모든 물질을 투과하는 것은 아닙니다. 특히 물처럼 유전율이 높은 물질은 전파를 흡수하거나 산란시켜 투과를 방해합니다. 금속 역시 전파를 차단하는 강력한 장벽 역할을 합니다. 금속 표면의 전하들이 외부 전자기장을 차단하는 차폐 효과를 일으키기 때문입니다. 이러한 특성 덕분에 레이더 영상에서 바다와 기름 유출 지역을 구분하거나, 금속 구조물 내부의 사생활을 보호하는 것이 가능해집니다. 물질의 물리적 성질에 따른 전파의 반응 차이가 정밀한 관측의 근거가 됩니다. 목성의 위성 유로파는 두꺼운 얼음층 아래에 거대한 바다가 존재할 것으로 추정되어 생명체 탐사의 핵심지로 꼽힙니다. 이곳에서는 레이더 사운딩 기술이 중요한 역할을 합니다. 전파가 얼음을 투과하여 하부의 지형을 측정함으로써 얼음의 두께와 물 밑의 표고를 파악할 수 있기 때문입니다. 이러한 탐사는 단순히 외계 거주지를 찾는 것을 넘어, 태양계의 생성 과정과 생명체 존재 가능성에 대한 근본적인 질문에 답을 찾는 과정입니다. 지구와 달리 보존 상태가 좋은 다른 행성의 흔적들은 우리에게 우주의 역사를 알려주는 소중한 단서가 됩니다. 현재 지구는 온난화와 이상기후로 인해 유례없는 위기에 직면해 있습니다. 인류의 활동이 지구 환경에 결정적인 영향을 미치는 '인류세'에 접어들면서, 과거의 대멸종보다 훨씬 빠른 속도로 생물 종들이 사라지고 있습니다. 이러한 전면적인 위기를 극복하기 위해서는 우리가 발을 딛고 있는 지구에 대해 더 깊이 이해해야 합니다. 아는 만큼 보인다는 말처럼, 과학적 탐구와 고민은 침몰하는 지구를 구할 수 있는 유일한 열쇠입니다. 지구의 과거와 현재를 정확히 진단하는 기술은 결국 인류의 생존과 직결된 가장 시급한 과제라 할 수 있습니다.

김덕진, 윤상호, 홍상훈

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지구환경과학

[강연] 자연에 없던 물질 만들기 (5) _이병호 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 9강 | 9강 ⑤

빛은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 그 본질은 전자기파라는 복합적인 물리 현상입니다. 맥스웰의 이론에 따르면 전기장이 변화하면 반드시 자기장이 형성되며, 빛은 바로 이 전기장과 자기장이 결합하여 진행하는 형태를 띱니다. 최근 반도체 소자 연구에서는 빛의 편광 특성을 이용해 전자 하나하나의 움직임을 제어하는 수준에 도달했습니다. 특정 방향으로 회전하는 빛을 쬐어 전자의 운동 방향을 바꾸면 미세한 자기장이 형성되는데, 이는 현대 기술이 원자 단위의 정밀한 제어를 실현하고 있음을 보여주는 사례입니다. 일반적인 렌즈는 시야각의 한계로 인해 물체의 단면만을 포착하지만, 음굴절 렌즈는 3차원 정보를 온전히 전달할 수 있는 혁신적인 가능성을 제시합니다. 음굴절 렌즈를 통과하는 빛은 모든 방향으로 퍼져 나갔던 정보를 다시 원래의 점으로 모으는 특성을 가집니다. 이는 물체를 구성하는 수많은 점광원의 정보를 입체적으로 재구성할 수 있음을 의미하며, 결과적으로 홀로그램과 유사한 3차원 이미징 구현을 가능하게 합니다. 기존 광학계의 한계를 뛰어넘어 물체의 앞면뿐만 아니라 옆면과 위아래 정보를 동시에 전달하는 기술적 토대가 마련되고 있는 것입니다. 빛의 속도가 관측자의 상태와 무관하게 일정하다는 사실은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 원리입니다. 과거 과학자들은 지구가 움직임에 따라 빛의 속도도 변할 것이라 예상했지만, 마이컬슨의 정밀한 간섭계 실험은 방향이나 계절에 상관없이 빛의 속도가 불변함을 증명했습니다. 아인슈타인은 이를 바탕으로 특수상대성 이론을 정립하며 절대적인 공간이나 좌표의 개념을 타파했습니다. 실험적 발견과 이론적 뒷받침이 결합하여 탄생한 이 원리는 우리가 우주를 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았으며, 오늘날 메타물질 연구의 기초가 되는 전자기학 발전에도 큰 영향을 미쳤습니다. 자연계에서 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 갖는 물질을 찾기 어려운 이유는 각 성질이 반응하는 공진 주파수가 서로 다르기 때문입니다. 금속의 경우 가시광선 영역에서 음의 유전율을 가지지만, 자기장에 반응하는 투자율은 진공과 유사한 값을 유지합니다. 유전율은 전기장에 의한 전자의 움직임에 좌우되는 반면, 투자율은 자기장에 의한 전류의 흐름과 관련이 있어 반응 속도에서 차이가 발생합니다. 메타물질 연구는 이러한 자연적 제약을 극복하기 위해 인공적인 구조물을 설계하여 유전율과 투자율을 동시에 제어함으로써, 자연에 존재하지 않는 독특한 광학적 특성을 구현하는 데 집중하고 있습니다. 메타물질 기술이 실용화되기 위해서는 특정 파장에서만 작동하는 색수차 문제와 같은 기술적 난제를 해결해야 합니다. 현재는 공진 현상에 의존하지 않고 넓은 파장 대역에서 일관된 성능을 내는 광대역 메타물질 연구가 활발히 진행 중입니다. 과학의 역사는 비선형적으로 발전하며, 창의적인 아이디어가 기술적 한계를 돌파하는 원동력이 되어왔습니다. 미래를 예측하는 가장 좋은 방법은 스스로 미래를 창조하는 것이라는 말처럼, 젊은 연구자들의 도전적인 발상은 메타물질을 통해 우리가 상상만 하던 투명 망토나 초고해상도 렌즈와 같은 혁신적인 미래를 현실로 만들어갈 것입니다.

김휘, 이병호, 최현용

카오스재단카오스강연

물리학

[강극] 빛의 본질 : 빛, 너의 정체는? (1) | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 1부 | 1부 ①

우리는 매일 빛과 함께 살아가면서도 그 본질에 대해 깊이 고민하지 않는 경우가 많습니다. 빛은 단순히 앞을 보게 해주는 도구를 넘어, 우주의 비밀을 담고 있는 신비로운 존재입니다. 과학의 역사에서 빛이 물질인지 아니면 파동인지에 대한 논쟁은 매우 오랫동안 이어져 왔습니다. 소리가 공기의 진동을 통해 전달되는 파동인 것처럼, 빛 역시 에너지를 실어 나르는 파동의 성질을 지니고 있습니다. 하지만 빛은 소리와 달리 공기 같은 매질이 없는 진공 상태에서도 스스로 진동하며 나아갈 수 있다는 독특한 특징을 가집니다. 빛이 매질 없이 나아갈 수 있는 이유는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진동하기 때문입니다. 이러한 빛의 성질을 가장 완벽하고 아름답게 표현한 것이 바로 맥스웰 방정식입니다. 1865년에 발표된 이 수식은 복잡한 빛의 움직임을 단 몇 줄의 기호로 정리하여 인류에게 자연의 질서를 이해하는 새로운 기틀을 제공했습니다. 맥스웰은 계산을 통해 전자기파의 속도가 빛의 속도와 일치한다는 사실을 밝혀냈고, 이를 통해 우리가 보는 가시광선뿐만 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파라는 하나의 가족임을 증명했습니다. 맥스웰 방정식은 단순한 이론적 발견에 그치지 않고 현대 문명을 지탱하는 핵심적인 토대가 되었습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 무선 통신부터 텔레비전 방송, 그리고 다양한 전자기기들은 모두 이 방정식이 있었기에 탄생할 수 있었습니다. 아인슈타인의 상대성 이론조차 맥스웰의 연구가 없었다면 세상에 나오지 못했을 것이라고 평가받을 만큼 그 영향력은 막대합니다. 빛의 성질을 수학적으로 해독해낸 이 위대한 업적은 인류가 자연의 근본 원리를 이해하는 데 있어 가장 중요한 이정표 중 하나로 남아 있습니다. 하지만 빛의 정체는 파동만으로 모두 설명되지 않습니다. 리처드 파인만과 같은 현대 물리학자들은 빛이 입자로 구성되어 있다는 사실을 강조했습니다. 이를 증명하는 대표적인 장치가 바로 광전 증폭기입니다. 빛을 쪼였을 때 파동처럼 완만하게 반응하는 것이 아니라, 마치 작은 알갱이가 부딪히는 것처럼 '딱' 하는 소리를 내며 반응하는 현상은 빛이 입자임을 보여주는 강력한 증거입니다. 과학자들은 이러한 빛의 입자를 '광자'라고 부르며, 빛의 세기가 강해진다는 것은 광자의 에너지가 커지는 것이 아니라 광자의 개수가 많아지는 것임을 밝혀냈습니다. 놀랍게도 인간의 몸에는 빛의 입자를 감지할 수 있는 정교한 생물학적 장치가 존재하는데, 그것이 바로 우리의 눈입니다. 생명 진화의 역사 속에서 삼엽충으로부터 시작된 시각의 발달은 약 5억 5천만 년이라는 긴 시간을 거쳐 지금의 복잡한 구조를 갖추게 되었습니다. 빛이라는 자연의 신호를 받아들이기 위해 우리 몸은 아주 오랜 시간 동안 스스로를 다듬어온 셈입니다. 이러한 진화의 결과로 우리는 아주 희미한 빛조차 놓치지 않고 세상을 선명하게 바라볼 수 있게 되었습니다.

카오스재단카오스콘서트

[강연] 별빛이 우리에게 밝혀준 것들 - 태양과 별 (3) _윤성철 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 2강 | 2강 ③

밤하늘의 별이 영원해 보이는 이유는 인간의 시간 척도에서 거의 변하지 않기 때문입니다. 태양은 약 46억 년이라는 긴 세월 동안 중심 온도가 고작 5% 내외로 변했을 만큼 정밀한 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 이는 온도 변화에 극도로 민감한 핵융합 반응이 매우 안정적으로 유지되고 있음을 의미하며, 이러한 정밀함 덕분에 별은 급격히 폭발하지 않고 수십억 년 동안 일정한 빛을 내며 존재할 수 있는 것입니다. 별의 안정성은 일상적인 상식과는 반대로 작동하는 특별한 성질에서 비롯됩니다. 별에 에너지가 공급되어 내부 압력이 높아지면 별은 팽창하며 오히려 온도가 낮아지고, 반대로 에너지가 줄어들면 중력에 의해 수축하며 온도가 올라갑니다. 이러한 자기 조절 시스템을 통해 별은 특정한 온도를 기가 막히게 유지합니다. 이처럼 극도로 안정한 시스템 덕분에 지구와 같은 행성에서 생명체가 진화할 수 있는 충분한 시간이 확보되었습니다. 우리 은하에는 태양과 같은 별이 수천억 개 존재하며, 그중 상당수는 생명이 탄생하기에 적합한 조건을 갖추고 있을 가능성이 큽니다. 하지만 우리는 아직 외계 지적 생명체의 흔적을 찾지 못했는데, 이를 '페르미 역설'이라 부릅니다. 지구가 생명 거주에 적합한 이유는 적절한 질량과 자기장, 그리고 지각 활동을 통해 대기와 온도를 유지하기 때문입니다. 과연 지구가 우주에서 유일하게 특별한 곳인지, 아니면 흔한 사례 중 하나인지는 현대 천문학의 핵심 질문입니다. 외계 생명체를 찾기 위한 첫걸음은 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 '생명 거주 가능 영역'에 위치한 행성을 발견하는 것입니다. 별과 너무 가깝지도, 멀지도 않은 이 구역은 생존의 필수 조건인 온도를 제공합니다. 천문학자들은 식 현상을 관측하여 이러한 행성들을 찾아냅니다. 만 분의 일에 불과한 아주 작은 밝기 변화를 포착함으로써 우리는 보이지 않는 먼 우주의 행성들을 식별해낼 수 있게 되었습니다. 현재까지 발견된 외계 행성은 수천 개에 달하며, 그중 수십 개는 생명 거주 가능 영역에 속해 있습니다. 한국의 KMTNet 프로젝트처럼 전 세계 여러 대륙에 망원경을 설치해 24시간 내내 별을 감시하는 노력 덕분에 탐사 속도는 더욱 빨라지고 있습니다. 우리가 이토록 간절하게 외계 행성을 찾는 이유는 단순히 새로운 세상을 발견하기 위함이 아닙니다. 그것은 광활한 우주 속에서 인간이라는 존재의 정체성을 확인하고, 우리의 근원을 이해하려는 본능적인 탐구 과정입니다.

윤성철

카오스재단카오스강연

천문학