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스튜디오가 뒤집혔다?! 무기가 강해질 수밖에 없는 뜻밖의 이유 | 심심할 땐 과학 시즌7 EP.02

밀리터리에 대한 관심은 단순한 호기심을 넘어 과학적 탐구로 이어지곤 합니다. 어린 시절 프라모델을 조립하며 탱크의 활약상을 읽던 경험은 자연스럽게 그 무기가 어떤 원리로 작동하는지 궁금해하게 만듭니다. 흥미로운 점은 물리학의 역사와 무기 체계의 발전이 매우 밀접하게 얽혀 있다는 사실입니다. 인류 과학사의 이정표인 뉴턴의 ‘프린키피아’나 갈릴레오의 ‘대화’를 살펴보면, 대포의 탄도학이 중요한 주제로 다루어지고 있음을 알 수 있습니다. 이처럼 무기는 단순한 파괴의 도구를 넘어, 당대 과학자들이 자연의 법칙을 증명하고 정교하게 설명하려 했던 노력의 산물이기도 합니다. 과거의 대포가 단순히 포탄을 멀리 보내는 포물선 운동에 집중했다면, 현대의 무기는 더욱 파괴적이고 정교한 형태로 진화했습니다. 19세기 초반 작렬탄의 등장은 전장의 양상을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 우리 역사 속에서도 임진왜란 당시 활약한 비격진천뢰는 원시적이지만 매우 지혜로운 시한신관 기술이 녹아든 작렬탄의 효시라 할 수 있습니다. 쇳덩어리 내부에 화약과 파편을 채우고 도화선의 길이를 조절해 적진 한복판에서 정확히 터지게 설계된 이 무기는, 현대의 정교한 시한폭탄과 그 궤를 같이하며 조상들의 뛰어난 과학적 역량을 보여줍니다. 오늘날의 미사일 기술은 GPS와 다양한 유도 장치를 장착하여 ‘일격필중’의 정밀도를 자랑합니다. 내비게이션 기술이 미사일에 접목되면서 궤도를 스스로 조절해 목표물을 타격하는 시대가 열린 것입니다. 특히 마하의 속도로 낙하하는 탄도 미사일을 요격하기 위한 기술도 함께 발전했습니다. ‘천궁’과 같은 요격 미사일은 고도의 컴퓨터 연산을 통해 적의 낙하 지점을 미리 계산하고, 자체 레이더로 정밀 조정을 거쳐 목표물을 맞춥니다. 이러한 기술력은 단순히 공격을 위한 것이 아니라, 적의 위협으로부터 영토를 방어하는 핵심적인 수단이 됩니다. 투명 망토와 같은 은폐 기술인 스텔스는 전파를 분산시켜 적의 레이더망을 피하는 원리를 이용합니다. 하지만 이에 대항하는 AESA 레이더 기술은 수천 개의 소자를 통해 사방에서 오는 신호를 동시에 분석하며 스텔스기를 찾아냅니다. 현대전은 이처럼 보이지 않는 곳에서 전파를 주고받는 전자전의 양상을 띠고 있으며, 기술의 우위가 곧 전장의 주도권으로 이어집니다. 무기의 발전은 더 이상 파괴력의 크기만이 아니라, 상대를 얼마나 더 정확하게 탐지하고 먼저 대응하느냐는 정교함의 싸움으로 변모하고 있습니다. 무기 체계의 정점에는 핵무기가 존재합니다. 중성자가 원자핵과 충돌하며 발생하는 거대한 힘은 인류에게 강력한 에너지원이자 동시에 공멸의 공포를 안겨주었습니다. 상호 확증 파괴(MAD)라는 개념 아래, 핵무기는 역설적으로 전쟁을 억제하는 수단으로 작용하기도 합니다. 특히 바닷속 은밀한 위치에서 미사일을 발사할 수 있는 핵잠수함은 상대에게 치명적인 반격 능력을 상기시켜 전쟁 발발을 막는 최후의 보루가 됩니다. 과학의 정점이 무기가 된 시대에 우리는 평화를 지키기 위한 기술의 무게를 다시금 생각하게 됩니다.

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🦷 치과에 원소가 숨어있다?! 치과 속 과학의 비밀?! 🔬✨ | AI 싸돌이와 배우는 원소 주기율표

우리가 일상 속에서 흔히 느끼는 '열'이라는 현상은 단순한 뜨거움을 넘어 우주의 근본적인 에너지 흐름을 상징합니다. 과학적인 관점에서 열은 에너지가 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 전이 과정을 의미하며, 이는 미시적인 세계에서 분자들이 얼마나 격렬하게 운동하고 있는지를 보여주는 척도가 됩니다. 온도가 높다는 것은 그만큼 분자들이 활발하게 진동하며 에너지를 내뿜고 있다는 신호이며, 이러한 보이지 않는 움직임이 모여 우리가 피부로 느끼는 온기를 만들어냅니다. 열은 만물의 생동감을 결정짓는 중요한 요소로서 자연의 질서를 유지하는 데 핵심적인 역할을 수행합니다. 이러한 열에너지는 전도, 대류, 복사라는 세 가지 주요 방식을 통해 끊임없이 이동하며 자연계의 균형을 맞추려 노력합니다. 고체 물질을 타고 직접 에너지가 흐르는 전도, 기체나 액체의 순환을 통해 열이 퍼져나가는 대류, 그리고 진공 상태에서도 전자기파의 형태로 전달되는 복사는 지구의 기후를 형성하고 생태계를 유지하는 핵심 원리입니다. 열은 결코 한곳에 머무르지 않고 에너지가 부족한 곳을 찾아 부지런히 움직이는데, 이러한 열역학적 과정은 자연이 평형 상태를 찾아가는 경이로운 여정이라고 볼 수 있습니다. 우리 주변의 모든 사물은 이 거대한 에너지의 흐름 속에 놓여 있습니다. 인류의 역사는 열을 정복하고 효율적으로 활용하기 위한 끊임없는 도전의 연속이었습니다. 증기기관을 통해 산업혁명을 일으켰던 과거부터 전자기기의 발열 문제를 해결해야 하는 현대의 첨단 기술에 이르기까지 열 제어 능력은 문명의 수준을 결정짓는 중요한 잣대가 되었습니다. 또한 우리 몸속에서 일어나는 수많은 화학 반응 역시 적절한 체온, 즉 열의 관리를 통해 생명을 건강하게 유지하도록 돕습니다. 보이지 않는 곳에서 세상을 움직이는 열의 역동적인 힘을 깊이 이해함으로써 우리는 자연과 기술이 조화를 이루는 미래를 더욱 구체적으로 설계할 수 있을 것입니다.

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파동이, 환경 방사선 탐사 업무 인수인계 완료! 하늘·땅·바다를 감시하는 ‘MARK’ 시리즈의 위엄ㅣ아무튼 인수인계

우리가 일상에서 마주하는 물체들은 저마다 고유한 밀도를 가지고 있습니다. 밀도란 일정한 부피 안에 얼마나 많은 질량이 밀집되어 있는지를 나타내는 척도입니다. 흔히 우리는 부피가 크면 당연히 무거울 것이라고 짐작하지만, 물질의 세계에서는 그렇지 않은 경우가 많습니다. 스티로폼처럼 부피가 커도 가벼운 물질이 있는 반면, 아주 작은 조각임에도 손에 들기 버거울 정도로 무거운 물질이 존재합니다. 이러한 특성은 원자의 배열과 구조에 의해 결정되며, 과학적 탐구의 기초가 되는 흥미로운 주제입니다. 납은 인류가 아주 오래전부터 사용해 온 금속 중 하나로, 특유의 높은 밀도로 잘 알려져 있습니다. 납의 원자 번호는 82번이며, 그 원자핵은 수많은 양성자와 중성자로 구성되어 있어 매우 무겁습니다. 이러한 원자들이 촘촘하게 결합해 있기 때문에, 납은 같은 부피의 다른 금속들에 비해 훨씬 더 큰 질량을 갖게 됩니다. 비록 금이나 백금처럼 귀한 대접을 받지는 못했지만, 가공이 쉽고 무겁다는 특성 덕분에 배의 균형을 잡는 평형수나 낚시용 봉돌 등 다양한 용도로 우리 곁을 지켜왔습니다. 고밀도 물질인 납의 진가는 방사선 차폐 분야에서 여실히 드러납니다. 원자 구조가 조밀한 납은 강력한 투과력을 가진 엑스선이나 감마선과 같은 방사선을 효과적으로 흡수하고 차단하는 역할을 합니다. 병원의 엑스선 촬영실 벽면에 납판이 들어가는 이유도 바로 이 때문입니다. 비록 부피는 작지만 외부의 강력한 에너지를 막아내는 든든한 방패 역할을 수행하는 셈입니다. 이처럼 밀도는 단순히 무게의 문제를 넘어, 인류를 위험으로부터 보호하고 첨단 과학 기술을 구현하는 데 필수적인 요소로 작용하고 있습니다. 하지만 납보다 훨씬 더 밀도가 높은 물질들도 자연계에는 존재합니다. 금이나 텅스텐은 납보다 약 1.7배 정도 무거우며, 지구상에서 가장 밀도가 높은 원소로 알려진 오스뮴이나 이리듐은 납과 비교도 안 될 만큼 압도적인 무게감을 자랑합니다. 만약 우리가 흔히 보는 우유 갑 크기의 용기를 오스뮴으로 채운다면 그 무게는 20 kg을 훌쩍 넘기게 됩니다. 이러한 초고밀도 원소들은 그 희귀성과 특이한 물리적 성질 덕분에 항공우주 산업이나 정밀 기기 제조 분야에서 대체 불가능한 자원으로 평가받고 있습니다. 현대 과학은 물질의 밀도를 조절하고 이를 활용하는 방향으로 계속 발전하고 있습니다. 과거에는 납의 독성이 널리 알려지지 않아 광범위하게 사용되었지만, 이제는 환경과 인체에 미치는 영향을 고려하여 이를 대체할 수 있는 고밀도 합금 연구가 활발히 진행 중입니다. 물질의 겉모습이 아닌 그 안에 감춰진 질량의 본질을 이해하는 것은 우리가 세상을 이해하는 중요한 열쇠가 됩니다. 작은 부피 속에 담긴 묵직한 존재감을 연구하며 인류는 더 안전하고 효율적인 미래를 설계해 나갈 수 있을 것입니다.

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원자력 핵토크 3화 – 인류 최초의 원자로 ‘시카고 파일’과 도끼 든 과학자의 비밀

인류 최초의 원자로인 '시카고 파일'은 제2차 세계대전의 긴박한 상황 속에서 이탈리아 출신 물리학자 엔리코 페르미의 주도로 탄생했습니다. 당시 독일에서 발견된 핵분열 현상이 연속적으로 일어날 경우 가공할 에너지가 될 수 있다는 이론이 제기되자, 미국은 이에 대항해 맨해튼 프로젝트를 가동했습니다. 시카고 대학교 미식축구 경기장 지하에서 수행된 이 실험은 핵연쇄반응의 실현 가능성을 인류 역사상 처음으로 입증하며 핵에너지 시대의 서막을 알린 결정적인 사건이었습니다. '시카고 파일'이라는 명칭은 핵연쇄반응을 유도하기 위해 핵연료 주변을 흑연 벽돌로 층층이 쌓아 올린 외형에서 유래했습니다. 당시에는 정형화된 원자로 설계가 존재하지 않았기에 과학자들은 불과 17일이라는 짧은 기간 동안 수작업으로 거대한 흑연 더미를 구축했습니다. 흑연은 핵분열 시 방출되는 중성자의 속도를 늦춰 핵연쇄반응이 안정적으로 유지되도록 돕는 감속재 역할을 수행했으며, 이러한 원시적인 형태의 설계가 오늘날 첨단 원자로 기술의 근간이 되었습니다. 초기 실험 단계였던 만큼 안전 확보를 위한 과학자들의 독특한 노력도 돋보였습니다. 오늘날 원자로의 긴급 정지를 의미하는 '스크램(SCRAM)'이라는 용어는 'Safety Control Rod Axe Man'의 약자에서 유래한 것으로 알려져 있습니다. 이는 자동 장치가 실패할 경우를 대비해 도끼를 든 과학자가 제어봉을 매단 줄을 직접 끊으려고 대기하던 모습에서 따온 이름입니다. 이외에도 비상시 중성자 흡수 용액을 붓기 위해 양동이를 들고 대기하던 이들의 헌신은 현대 원자력 안전 계통의 기초가 되었습니다. 1942년 12월 2일 진행된 실험은 예상치 못한 우여곡절 끝에 성공을 거두었습니다. 오전 실험에서는 안전 기준을 지나치게 보수적으로 설정한 탓에 핵연쇄반응이 충분히 일어나기도 전에 제어봉이 삽입되며 중단되었습니다. 하지만 책임자 페르미는 당황한 팀원들을 다독이며 점심시간을 갖는 여유를 보였고, 오후에 재개된 실험에서 드디어 0.5와트의 출력으로 약 28분간 안정적인 핵연쇄반응을 유지하는 데 성공했습니다. 이는 인류가 자연계의 에너지를 통제 가능한 영역으로 끌어들인 위대한 순간이었습니다. 시카고 파일의 성공은 현대 원자력 기술의 기초가 되었으며, 당시의 원시적인 안전장치들은 오늘날 소형 모듈 원자로(SMR) 등의 정교한 안전 계통으로 발전했습니다. 원자력은 통제 불가능한 위험이 아니라 인류가 지난 세월 동안 과학적 근거를 바탕으로 구축해 온 강력하고 명확한 에너지 자산입니다. 과거의 도전정신을 이어받아 개발 중인 최신 원자로들은 안전성과 효율성을 동시에 확보하며 미래 사회의 지속 가능한 발전을 뒷받침할 핵심적인 대안으로 평가받고 있습니다.

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완전한 랜덤은 어떻게 만들 수 있을까?

무작위성이란 규칙이나 패턴 없이 결과가 나타나는 상태를 의미하며, 공정함과 예측 불가능성을 생명으로 합니다. 동전 던지기처럼 단순한 행동조차 실제로는 던지는 힘의 크기나 각도 같은 미세한 물리적 변수에 지배받지만, 그 과정이 너무나 복잡해 인간이 감히 예측할 수 없을 때 우리는 이를 난수라고 부릅니다. 현대 사회에서 이러한 난수는 암호학적 보안부터 복권 추첨에 이르기까지 시스템의 공정성을 유지하기 위한 필수적인 도구로 활용되고 있습니다. 우리가 매주 마주하는 행운의 숫자들 역시 바로 이러한 과학적 원리를 바탕으로 생성된 결과물이라 할 수 있습니다. 컴퓨터를 통해 난수를 생성하는 방식은 크게 의사 난수 방식과 진성 난수 방식으로 구분됩니다. 의사 난수 방식은 특정한 수학 공식에 따라 숫자를 만들어내는데, 이는 언뜻 무작위처럼 보이지만 공식만 알면 다음 숫자를 예측할 수 있다는 태생적 한계가 존재합니다. 이를 보완하기 위해 도입된 것이 물리적 현상을 활용한 진성 난수입니다. 이는 인간의 계산 능력을 넘어서는 자연의 불확실성을 그대로 숫자로 변환하는 기술입니다. 이러한 방식은 조작 가능성을 원천적으로 차단해야 하는 복권 추첨과 같은 영역에서 가장 신뢰받는 수단으로 자리 잡았습니다. 국내 로또 추첨에 사용되는 ‘비너스 추첨기’는 바로 이러한 물리 법칙을 이용해 무작위를 구현하는 대표적인 장치입니다. 프랑스에서 개발된 이 비너스 추첨기는 강력한 공기 분사를 통해 내부의 추첨 볼들을 맹렬하게 혼합합니다. 비너스 추첨기 안에서 태풍과 맞먹는 속도로 움직이는 추첨 볼들은 서로 끊임없이 충돌하고 벽면에 부딪히며 그 궤적이 복잡하게 얽히게 됩니다. 이러한 과정은 그 어떤 정밀한 시뮬레이션으로도 다음 추출될 번호를 알아낼 수 없는 완벽한 무작위 상태를 연출합니다. 회전하는 드럼을 통해 추첨 볼이 하나씩 빠져나오는 구조는 기술적 투명성과 시각적 공정성을 동시에 제공합니다. 추첨 시스템의 신뢰도를 높이기 위해서는 기계적 원리만큼이나 엄격한 운영 절차가 필수적입니다. 매주 추첨 전에는 삼중 보안이 적용된 보관실에서 비너스 추첨기와 추첨 볼을 반출하며, 경찰관과 일반 참관인이 입회한 가운데 추첨 볼의 무게와 크기를 정밀하게 검증합니다. 4g이라는 기준 무게에서 아주 작은 오차라도 발견되면 해당 추첨 볼 세트는 즉시 교체됩니다. 또한 총 다섯 개의 추첨 볼 세트 중 실제로 사용할 세트를 현장에서 참관인이 직접 무작위로 추첨하게 함으로써, 사전에 특정 추첨 볼에 유리한 환경을 조성할 수 있는 가능성을 완벽하게 배제합니다. 이러한 철저한 관리는 복권 시스템의 근간인 사회적 신뢰를 지탱하는 힘이 됩니다. 로또 당첨은 극히 희박한 확률의 영역이지만, 수많은 사람이 참여하는 통계적 환경에서는 매주 누군가 당첨되는 결과가 나타나게 됩니다. 가끔 발생하는 조작 의혹에 대해 공신력 있는 기관들이 정밀 조사를 시행한 결과, 현재의 물리적 추첨 방식은 외부 개입이 불가능한 구조임이 반복적으로 증명되었습니다. 결국 복권 추첨은 단순한 요행의 자리가 아니라, 수학과 물리학 그리고 엄격한 행정적 관리가 결합하여 만들어낸 공정성의 산물입니다. 이러한 과학적 과정을 이해할 때 우리는 복권이라는 게임을 단순한 사행성 오락이 아닌, 신뢰와 과학이 담긴 건전한 문화로 온전히 즐길 수 있을 것입니다.

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물고기는 어떻게 무중력을 경험할까?

가벼운 나무토막은 물에 뜨지만 무거운 돌멩이는 가라앉습니다. 공기 중에서 아래쪽으로 떨어지던 나무토막이 물속에서는 오히려 위쪽으로 솟구치는 현상은 우리에게 익숙한 풍경입니다. 이는 물속에서 물체를 위쪽으로 밀어 올리는 보이지 않는 힘이 존재함을 암시합니다. 동전이 물속에서 공기 중에서보다 천천히 떨어지는 이유도 마찬가지입니다. 이처럼 유체 내에서 물체를 위쪽으로 밀어 올리는 힘을 우리는 '부력'이라고 부릅니다. 부력은 우리 주변의 수많은 물리 현상을 설명하는 핵심적인 원리입니다. 부력의 원리를 이해하기 위해 물속의 한 부분을 얇은 막으로 감싼 물 덩어리가 있다고 가정하는 사고실험을 해봅시다. 이 물 덩어리는 중력의 영향을 받지만 제자리에 가만히 머물러 있습니다. 이는 주변의 물이 물 덩어리를 위쪽으로 밀어 올리는 힘이 중력과 정확히 평형을 이루고 있음을 의미합니다. 즉, 물속에 잠긴 물체는 그 물체가 차지한 부피만큼의 물 무게에 해당하는 부력을 위쪽으로 받게 되는 것입니다. 이러한 원리는 물체의 모양이나 종류에 상관없이 동일하게 적용됩니다. 만약 상상의 풍선 안을 물 대신 철로 채운다면 어떻게 될까요? 철 덩어리는 물보다 밀도가 높기에 아래쪽으로 작용하는 중력이 부력보다 커서 가라앉게 됩니다. 하지만 이때 작용하는 부력의 크기는 풍선 안에 무엇이 들어있든 상관없이 그 부피만큼의 물 무게와 동일합니다. 물속에서 물체가 가볍게 느껴지는 이유는 실제 질량이 변해서가 아니라, 주변 유체가 만들어내는 부력이 중력의 일부분을 상쇄해주기 때문입니다. 이는 부력이 오직 물체가 밀어낸 유체의 부피에만 의존한다는 사실을 보여줍니다. 자연계에서 부력을 가장 능숙하게 활용하는 존재는 물고기입니다. 물고기는 몸속에 있는 '부레'라는 기관의 부피를 조절하여 물속에서의 깊이를 자유롭게 바꿉니다. 부레를 팽창시켜 부피를 늘리면 부력이 커져 위쪽으로 떠오르고, 반대로 부피를 줄이면 부력이 감소하여 아래쪽으로 가라앉습니다. 물고기가 특정 깊이에서 가만히 멈춰 있다면, 이는 부력과 중력의 합이 0이 되어 마치 무중력 상태와 같은 평형을 이룬 것입니다. 생명체는 이처럼 물리 법칙을 생존에 유리하게 이용하며 진화해 왔습니다. 컵에 띄운 얼음 조각에서도 부력의 평형을 관찰할 수 있습니다. 떠 있는 얼음을 손가락으로 누르면 물에 잠긴 부피가 늘어나면서 위쪽으로 밀어 올리는 부력이 강해집니다. 손을 떼면 얼음은 다시 위쪽으로 솟아오르지만, 물 밖으로 완전히 튀어나가지는 않습니다. 떠오를수록 잠긴 부피가 줄어들어 부력도 함께 감소하기 때문입니다. 결국 얼음 전체의 무게와 잠긴 부분의 물 무게가 일치하는 지점에서 얼음은 평형을 이루며 멈추게 됩니다. 부력은 이처럼 우리 일상 곳곳에서 정교한 균형을 만들어내고 있습니다.

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양자역학이 너무 좋아! - 크리스 in 퀀텀랜드 [크.사.세 1화]

매년 대전엑스포 시민광장 일대에서는 대한민국 과학기술축제가 성대하게 개최됩니다. 올해도 5일간 진행된 이 행사는 가족 단위 방문객들로 인산인해를 이루며 과학의 즐거움을 널리 알리고 있습니다. 축제 현장은 단순히 정보를 전달하는 곳을 넘어, 아이들이 직접 몸으로 느끼고 체험할 수 있는 다채로운 부스들로 가득 차 있습니다. 과학이라는 다소 딱딱할 수 있는 주제를 축제의 형식으로 풀어내어 누구나 쉽게 접근하고 즐길 수 있는 환경을 조성한 것이 인상적입니다. 축제 한복판에서 만난 '양자나라의 크리스' 부스는 관람객들의 시선을 사로잡기에 충분했습니다. '이상한 나라의 앨리스'를 모티브로 기획된 이곳은 일반적인 과학 체험 공간과는 달리 팝아트 전시장처럼 화려하고 감각적인 색채로 꾸며져 있습니다. 자칫 어렵게 느껴질 수 있는 물리학과 양자역학이라는 주제를 예술적인 감각과 결합하여, 방문객들이 거부감 없이 양자 얽힘이나 현대 물리학의 기초 개념들을 자연스럽게 마주할 수 있도록 세심하게 설계되었습니다. 양자역학은 현대 과학 분야 중에서도 가장 난해하고 이해하기 힘든 영역 중 하나로 손꼽힙니다. 하지만 이번 전시 부스는 이러한 난해함을 인정하는 것에서부터 시작합니다. 전문적인 지식을 강요하기보다는 양자역학의 신비로움을 시각적으로 구현하고 핵심 내용을 정리하여 보여줌으로써 대중과의 거리감을 좁히고자 노력했습니다. 전시 벽면에 정리된 양자 얽힘과 물리학의 기본 원리들은 관람객들에게 현대 과학이 도달한 새로운 지평을 흥미진진하게 소개하고 있습니다. 아이들의 눈높이에 맞춘 체험 프로그램은 이번 축제의 핵심적인 성공 요인입니다. 에어 부스 안에서 공을 잡는 활동과 같은 놀이 요소들은 아이들에게 양자역학이라는 생소한 개념을 즐거운 기억으로 남게 해줍니다. 추상적인 과학 이론을 몸소 체험하는 과정을 통해 아이들은 자연스럽게 과학적 호기심을 키워나갑니다. 현장에서 만난 아이들의 밝은 표정은 과학이 더 이상 교과서 속의 지루한 암기 과목이 아니라, 우리가 즐길 수 있는 하나의 놀이이자 문화가 될 수 있음을 증명합니다. 축제를 경험한 아이들은 양자 시계나 양자 컴퓨터와 같은 첨단 기술에 대해서도 깊은 관심을 보이며 과학에 대한 꿈을 키워갑니다. 말로 다 설명할 수 없을 만큼 즐거웠다는 아이들의 반응은 과학기술축제가 지향해야 할 방향성을 잘 보여줍니다. 유익한 정보와 재미가 공존하는 이 공간에서 미래의 과학자들은 소중한 영감을 얻어갑니다. 이번 축제는 과학이 우리 삶과 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지, 그리고 그 세계가 얼마나 흥미진진한지를 다시 한번 일깨워준 소중한 시간이었습니다.

한국표준과학연구원크리스가 사는 세상!

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왜 양자 물리는 들어도 이해가 안 될까?

화창한 봄날 호숫가에서 피크닉을 즐기는 여인의 보라색 치마 위에는 작은 벌레 한 마리가 있습니다. 이 벌레는 치마를 구성하는 빨간색 실과 파란색 실을 구분하지 못하며, 세상을 단색의 2차원 평면으로만 인식합니다. 자신의 제한된 경험을 우주 전체로 확대 적용하는 오류를 범하고 있는 셈입니다. 우리 인간 역시 이와 크게 다르지 않습니다. 우리는 1km 밖의 사람을 구별하기 어렵고 아주 작은 미시 세계를 육안으로 볼 수 없는 한계 속에 살고 있습니다. 4차원이나 11차원의 존재를 머리로는 알아도 상상하기 힘든 이유는 우리가 경험할 수 있는 범위가 벌레의 호숫가만큼이나 좁기 때문입니다. 인간이 양자 물리를 접할 때 거대한 벽을 느끼는 이유는 미시 세계가 우리의 직관적 이해를 벗어나 있기 때문입니다. 벌레가 3차원 세계를 진정으로 이해하지 못하듯, 인간도 눈에 보이지 않는 원자 차원의 세상을 완벽히 체감할 수는 없습니다. 양자 물리를 연구하는 물리학자들조차 이를 완벽하게 이해한다고 말하기는 어렵지만, 그들은 실험과 관찰을 통해 그 세계의 법칙을 지식으로 정립해 왔습니다. 이는 마치 담장 너머에서 들려오는 소문만으로 담장 안의 규칙을 알아내는 과정과 같습니다. 스스로도 완전히 이해하기 힘든 규칙을 찾아내어 타인에게 설명할 수 있다는 점은 인간 지성이 가진 놀라운 특징 중 하나입니다. 물리학자들은 눈에 보이는 현상에만 머무르지 않고 보라색 평면 속에서 가느다란 빨간색 실과 파란색 실의 존재를 찾아냈습니다. 신이 인간에게 쉽게 허락하지 않은 미시 세계의 법칙을 알아낸 것입니다. 이제 인류는 단순히 원자의 법칙을 이해하는 수준을 넘어, 원자를 직접 조작하는 경지에 이르렀습니다. 슈퍼컴퓨터로도 해결하기 어려운 난제를 풀 수 있는 양자 컴퓨터를 개발하며 새로운 시대를 열고 있습니다. 비록 우리의 감각은 제한적일지라도, 보이지 않는 세계의 질서를 탐구하고 이를 기술로 구현해낸 양자 물리의 발견은 인간 지성이 거둔 가장 위대한 승리라고 할 수 있습니다.

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물리학

국립광주과학관 2025년 1회(2월) 과학스쿨 : 뉴턴, 아인슈타인 그리고 우주

과거와 현대의 삶을 비교해보면 기술의 발전이 인류의 생활 양식을 얼마나 극적으로 변화시켰는지 알 수 있습니다. 옛날 사람들은 가축과 함께 살며 농사를 짓는 단순한 일상을 보냈지만, 오늘날 우리는 스마트폰과 컴퓨터를 활용해 업무를 보고 놀이공원의 거대한 기구를 즐기며 살아갑니다. 이러한 변화의 중심에는 바로 물리학이라는 학문이 자리 잡고 있습니다. 물리학은 단순히 어려운 수식의 나열이 아니라, 물질의 움직임을 세밀하게 관측하고 수학이라는 언어를 통해 미래를 정밀하게 예측하는 강력한 도구입니다. 뉴턴은 위인전의 단골 소재가 될 만큼 인류 문명에 지대한 영향을 끼친 인물입니다. 그는 전염병을 피해 머물던 시골에서 사과가 떨어지는 현상을 보고, 이것이 지구와 달, 태양이 서로를 끌어당기는 원리와 같다는 사실을 간파했습니다. 이를 통해 정립된 만유인력의 법칙은 천체의 움직임부터 지상의 작은 물체까지 동일한 물리 법칙이 적용됨을 증명했습니다. 이러한 물리 법칙의 발견은 훗날 산업혁명의 기틀이 되어 증기 기관차와 같은 교통수단을 탄생시켰고, 인류의 활동 영역을 전 세계로 확장하는 계기가 되었습니다. 산업혁명 이후 물리학은 제철소의 철을 더 견고하게 만들기 위한 고민 과정에서 또 한 번의 도약을 맞이합니다. 온도에 따라 철의 색깔이 변하는 현상을 연구하던 막스 플랑크는 우리가 눈으로 보는 거시 세계와는 전혀 다른 규칙이 작용하는 미시 세계, 즉 양자 역학의 문을 열었습니다. 양자 역학은 전자가 벽을 뚫고 지나갈 확률이 존재하는 등 상식과는 다른 기이한 현상을 설명합니다. 비록 난해하게 느껴질 수 있지만, 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 반도체와 신용 카드 등 현대 문명의 정수들은 모두 이 양자 역학의 원리를 기반으로 만들어졌습니다. 현대 물리학의 또 다른 거장인 아인슈타인은 시공간에 대한 인류의 고정관념을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 그는 유럽의 기차망이 연결되면서 도시 간의 시간을 동기화해야 했던 실무적인 고민을 과학적으로 확장하여 상대성 이론을 정립했습니다. 빠르게 움직이는 물체와 정지한 물체 사이에는 시간의 흐름이 다르게 나타날 수 있다는 그의 발견은 당시에는 혁명적인 발상이었습니다. 현재 우리는 매일 사용하는 내비게이션의 GPS 오차를 보정할 때 아인슈타인의 이론을 활용하고 있으며, 이는 물리학이 얼마나 실생활과 밀접하게 연결되어 있는지를 보여줍니다. 인류의 시선은 이제 지구를 넘어 광활한 우주로 향하고 있습니다. 영화 속에서나 보던 블랙홀과 웜홀은 현대 물리학이 탐구하는 핵심 주제 중 하나입니다. 중력이 극단적으로 강한 블랙홀 내부의 원리를 규명하고, 시공간을 접어 먼 거리를 이동할 수 있는 웜홀의 수학적 가능성을 연구하는 것은 우주 시대의 주인공이 되기 위한 필수적인 과정입니다. 과거에 증기 기관차가 발명되어 여행의 개념을 바꾸었듯이, 미래의 물리학은 우리가 다른 행성이나 은하로 자유롭게 이동하며 살아가는 시대를 열어줄 열쇠가 될 것입니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 학생들에게는 국어, 영어, 수학이라는 기초 학문의 중요성을 강조하고 싶습니다. 국어는 자신의 논리적인 생각을 타인에게 정확히 전달하고 남의 글을 이해하기 위해 필요하며, 영어는 전 세계의 최신 과학 지식을 가장 빠르게 습득하기 위한 도구입니다. 또한 수학은 자연의 법칙을 수식으로 적고 미래를 예측하기 위한 필수 언어입니다. 이러한 기초가 튼튼해야 대학교에서 본격적인 전공 지식을 배우고, 남들이 하지 못한 새로운 생각을 제안할 수 있는 창의적인 과학자로 성장할 수 있기 때문입니다. 위대한 과학자들이 남긴 유산은 단순히 공식 몇 줄이 아니라, 세상을 바라보는 새로운 시각 그 자체입니다. 뉴턴과 아인슈타인 같은 인물들은 일상적인 현상에도 끊임없이 의문을 던지고 깊이 생각했기에 인류의 삶을 바꿀 위대한 법칙들을 발견할 수 있었습니다. 이제 인공지능과 핵융합, 양자 컴퓨터 등 물리학을 기반으로 한 첨단 기술들이 우리 앞에 놓여 있습니다. 여러분이 가진 작은 호기심이 탄탄한 기초 지식과 결합할 때, 미래의 우리 삶은 지금 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 놀랍고 편리하게 변화하게 될 것입니다.

국립광주과학관강연&포럼

물리학
천문학
수학

노벨상으로 보는 재료 이야기: 무질서한 자연의 패턴을 연구 중 발견한 것은?

2024년 노벨 물리학상은 인공지능의 기술적 토대를 마련한 존 호필드와 제프리 힌턴에게 수여되었습니다. 이들은 무질서한 자성체인 '스핀 글래스'에서 발견한 물리적 원리를 신경망 연구에 도입하여 기계 학습의 새로운 지평을 열었습니다. 과거의 컴퓨터가 단순히 미리 입력된 명령만을 수행하는 수동적인 기계였다면, 이들의 혁신적인 연구 덕분에 기계는 스스로 데이터를 분석하고 패턴을 찾아내는 능력을 갖추게 되었습니다. 자연의 혼돈 속에서 새로운 형태의 질서를 발견한 물리학적 통찰이 오늘날 인공지능 발전의 거대한 뿌리가 된 것입니다. 존 호필드는 스핀 글래스의 '에너지 지형' 개념이 인간 뇌의 기억 저장 방식과 놀랍도록 유사하다는 점에 주목했습니다. 스핀 글래스는 여러 개의 안정된 상태를 가지며, 외부에서 약간의 자극이 주어지면 가장 가까운 안정 상태로 자연스럽게 이동하는 특성이 있습니다. 호필드는 이를 모방하여 뉴런 간의 연결 강도를 조절하는 '호필드 네트워크'를 설계했습니다. 이는 불완전하거나 노이즈가 섞인 정보가 입력되어도 저장된 원래의 온전한 패턴을 찾아내는 '연상 기억'을 가능하게 했으며, 기계가 인간처럼 정보를 처리할 수 있다는 물리적 증거를 제시했습니다. 제프리 힌턴은 루트비히 볼츠만의 통계 역학 원리를 인공 신경망에 결합하여 '볼츠만 머신'이라는 혁신적인 시스템을 탄생시켰습니다. 그는 네트워크가 때로는 의도적으로 잘못된 선택을 하도록 허용함으로써 더 넓은 상태를 탐색하고 최적의 해답을 찾게 만들었습니다. 이는 금속을 가열했다가 천천히 식히며 강도를 높이는 '모의 담금질' 기법과 유사한 원리로 작동합니다. 이러한 확률적 접근 방식은 시스템이 지역 최적해에 갇히는 문제를 극복하고, 데이터 속에 숨겨진 복잡한 규칙성을 스스로 발견하도록 유도하며 인공지능의 학습 능력을 비약적으로 향상시켰습니다. 자연의 계층적 구조를 모방한 딥러닝은 제프리 힌턴이 제한된 볼츠만 머신을 여러 층으로 쌓아 올리는 방법을 제안하면서 본격화되었습니다. 우리 뇌가 시각 정보를 처리할 때 단순한 선과 점에서 시작해 점차 복잡한 형체를 인식하듯, 딥러닝 네트워크도 층을 거듭하며 데이터의 핵심 특징을 단계적으로 추출합니다. 2012년 알렉스넷의 등장은 이러한 계산 패러다임의 승리를 전 세계에 증명했으며, 이미지 인식과 자연어 처리 등 다양한 분야에서 압도적인 범용성을 발휘하게 되었습니다. 물리학적 통찰이 집약된 이 구조는 이제 현대 문명을 지탱하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 인공지능의 발전 과정은 우리에게 '실수의 가치'라는 중요한 교훈을 남겼습니다. 완벽한 정답만을 고집하는 대신 시행착오를 통해 배우는 과정이 오히려 혁신의 열쇠가 되었기 때문입니다. 인공지능은 두려움이나 맹목적 의존의 대상이 아니라, 인간과 함께 배우며 성장하는 동반자로서의 의미를 지닙니다. 자연이 보여준 무질서가 새로운 질서의 시작이었듯, 인공지능이 마주하는 한계는 우리에게 또 다른 창의적 도전의 기회를 제공할 것입니다. 이제 우리는 기술과 인간의 조화로운 협력을 통해 더 나은 미래를 향한 탐구의 여정을 계속해서 이어가야 합니다.

한국재료연구원

물리학
뇌인지과학
융합
공학·기술

[강연] 기계학습과 물리학: 생성형 인공지능의 원리_by 조정효 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 1강

올해 노벨 물리학상은 인공지능의 핵심인 인공신경망의 기초를 확립한 과학자들에게 돌아갔습니다. 존 홉필드와 제프리 힌튼 교수는 물리학적 원리를 기계 학습에 도입하여 현대 인공지능의 토대를 마련했습니다. 이들의 연구는 단순한 공학적 성과를 넘어, 우리 뇌가 정보를 처리하고 기억하는 방식을 물리학적으로 해석하려는 시도에서 시작되었습니다. 이는 복잡한 연결망 속에서 스스로 질서가 창발하는 현상을 탐구한 결과이며, 물리학과 컴퓨터 과학의 경계를 허문 혁신적인 성취로 평가받습니다. 인공신경망의 기본 단위인 퍼셉트론은 생물학적 뉴런의 작동 방식에서 영감을 얻었습니다. 여러 뉴런으로부터 들어온 신호에 가중치를 곱해 합산하고, 이 값이 특정 임계치를 넘으면 다음 뉴런으로 신호를 전달하는 구조입니다. 초기 과학자들은 이를 통해 논리 연산을 수행하며 인공지능의 가능성을 엿보았습니다. 하지만 단일 계층의 퍼셉트론은 선형적으로 분리되지 않는 배타적 논리합(XOR)과 같은 복잡한 문제를 해결하지 못한다는 한계에 부딪히기도 했습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 도입된 것이 은닉층을 포함한 다층 신경망입니다. 수학적으로 증명된 보편적 어림 정리에 따르면, 적절한 은닉층을 가진 신경망은 어떤 복잡한 함수 관계도 표현할 수 있습니다. 이는 입력 데이터를 새로운 공간으로 변환하여 문제를 해결하는 과정으로 이해할 수 있습니다. 고양이 사진을 보고 고양이라고 판단하는 복잡한 분류 작업도 결국 데이터를 다차원적으로 해석하고 변환하는 신경망의 층을 통해 가능해지며, 이는 현대 딥러닝의 근간이 되었습니다. 신경망이 깊어질수록 수많은 매개변수를 최적화하는 것이 관건이 됩니다. 제프리 힌튼 교수는 오차 역전파와 경사하강법을 통해 이 문제를 해결했습니다. 실제 정답과 예측값 사이의 오차를 정의하고, 경사가 낮아지는 방향으로 매개변수를 조금씩 수정하며 최적의 상태를 찾아가는 방식입니다. 이는 마치 복잡한 지형에서 가장 낮은 골짜기를 찾아 내려가는 과정과 같습니다. 이러한 학습 알고리즘의 발전은 딥러닝이 실질적인 성능을 발휘하고 다양한 분야에 응용되는 결정적 계기가 되었습니다. 존 홉필드 교수는 기억의 형성을 물리학의 에너지 개념으로 설명했습니다. 데이터의 패턴을 에너지 지형의 골짜기로 정의하면, 불완전한 정보가 입력되더라도 에너지가 가장 낮은 상태를 찾아가며 원래의 기억을 복원할 수 있습니다. 이는 통계 물리학의 스핀 유리 모형을 응용한 것으로, 신경세포들이 함께 활성화될 때 연결이 강화된다는 헤비안 규칙과도 일맥상통합니다. 기억이란 결국 시스템이 안정적인 에너지 상태를 찾아가는 물리적 과정이며, 이를 통해 기계는 정보를 저장하고 회상하는 능력을 갖추게 됩니다. 생성형 인공지능의 원형인 볼츠만 머신은 확률 분포를 통해 데이터를 이해합니다. 힌튼 교수는 계산량 문제를 해결하기 위해 제한된 볼츠만 머신(RBM)을 고안했고, 이를 계층적으로 쌓아 심층 신경망의 학습을 가능하게 했습니다. 데이터를 압축하고 핵심 정보를 추출하는 이 과정은 확률 분포를 변환하는 고도의 수학적 작업입니다. 오늘날 우리가 목격하는 놀라운 생성형 AI의 성취는 데이터를 확률과 정보의 관점에서 다루는 이러한 물리적 통찰에서 비롯되었으며, 이는 단순한 분류를 넘어 새로운 정보를 창조하는 단계로 나아갔습니다. 정보는 이제 물리학과 생물학을 관통하는 핵심 개념으로 자리 잡았습니다. 맥스웰의 도깨비 역설을 해결한 정보 열역학부터 '비트에서 존재로(It from bit)'라는 철학적 통찰에 이르기까지, 자연 현상을 정보 처리 과정으로 보는 시각이 확산되고 있습니다. 인공지능의 발전은 인간의 특별함에 대한 질문을 던지는 동시에, 우리가 거대한 정보의 그물망인 인포스피어의 일부임을 깨닫게 합니다. 과학은 인간이 중심이 아니라는 사실을 일깨우며, 정보라는 보편적 언어를 통해 우주와 생명을 이해하는 더 넓은 세계로 우리를 인도합니다.

조정효

카오스재단카오스크로스

물리학

[강연] 방황의 끝에서 내가 만난 현대 수학 : 구조와 관계 1_by 박형주 / 2024 봄 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다' 4강 첫 번째 이야기 | 4강 ①

위대한 과학자의 길은 흔히 고독한 연구의 연속이라 생각하기 쉽습니다. 하지만 물리학자 이휘소 박사를 추모하는 강연에서 만난 젊은 트호프트 박사의 이야기는 이러한 편견을 깨뜨려 주었습니다. 그는 동료 과학자들과의 깊은 유대감과 공동의 성취가 얼마나 큰 가치를 지니는지 강조했습니다. 학문적 성과 뒤에 숨겨진 뜨거운 동지애는 누군가에게는 평생을 바칠 학문의 길로 들어서는 결정적인 전환점이 되기도 합니다. 과학은 혼자 하는 것이 아니라, 서로의 지혜를 나누며 함께 나아가는 과정임을 깨닫는 순간 새로운 세계가 열립니다. 이휘소 박사는 한국인 물리학자 중 노벨상에 가장 근접했다는 평가를 받는 인물입니다. 화학공학으로 시작해 물리학으로 전향한 그는 유학 시절 탁월한 재능을 인정받아 세계적인 연구소에서 수많은 업적을 남겼습니다. 비록 40대 초반이라는 젊은 나이에 안타까운 사고로 생을 마감했지만, 그가 남긴 학문적 유산은 여전히 후대 과학자들에게 큰 영감을 주고 있습니다. 그의 삶은 단순한 천재성을 넘어, 진리를 향한 열정과 헌신이 무엇인지를 보여주는 상징과도 같습니다. 이러한 위대한 선구자의 발자취는 다음 세대의 꿈을 키우는 밑거름이 됩니다. 수학의 세계에는 '빅 매스(Big Math)'라는 화두가 존재합니다. 이는 단순히 논문을 쓰기 위한 지엽적인 연구가 아니라, 학문의 근본적인 흐름을 바꾸는 거대한 주제에 도전하는 정신을 의미합니다. 20세기 최고의 수학적 기획이라 불리는 '랭글랜즈 프로그램'은 수많은 수학자에게 영감을 주었으며, 이를 통해 수학의 여러 분야가 하나로 연결되는 놀라운 경험을 선사했습니다. 방황하던 시기에 만난 이러한 거대한 비전은 한 개인의 인생을 수학자의 길로 이끄는 강력한 이정표가 됩니다. 큰 꿈을 품고 본질을 꿰뚫는 연구에 매진하는 태도는 모든 학문의 지향점입니다. 한국 수학계의 거목인 이임학 교수와 그의 제자 임덕상 교수의 이야기는 역경을 이겨낸 학문적 의지를 잘 보여줍니다. 전쟁과 가난이라는 혹독한 환경 속에서도 주경야독하며 학업을 이어간 이들은 짧은 유학 기간에도 불구하고 세계적인 학문적 성취를 이루어냈습니다. 특히 대수학 분야에서 이들이 남긴 족적은 한국 수학의 위상을 높이는 데 결정적인 역할을 했습니다. 스승의 가르침이 제자에게 이어지고, 그 제자가 다시 세계적인 학자로 성장하는 과정은 학문의 계보가 어떻게 형성되는지를 보여주는 감동적인 사례입니다. 현대 수학의 주요 분야인 대수기하학은 기하학적 대상을 대수적인 방법으로 분석하는 학문입니다. 이는 마치 칸딘스키나 몬드리안 같은 추상 화가들이 사물의 외형 너머에 숨겨진 본질적인 구조를 탐색하는 과정과 닮아 있습니다. 미술 작품 속의 점, 선, 면이 이루는 조화는 수학자가 추구하는 구조의 명징성과 궤를 같이합니다. 복잡한 현상 속에서 명확한 질서를 찾아내려는 노력은 예술과 수학 모두가 공유하는 가치입니다. 이러한 시각으로 세상을 바라볼 때, 우리는 수학이 단순한 계산을 넘어 세상을 이해하는 아름다운 언어임을 깨닫게 됩니다.

박형주

카오스재단2024 카오스강연 '세상에 나쁜 수학은 없다'

수학

[강연] 초고속 현상 연구를 위한 극한의 빛, 아토초 펄스_by 김경택 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 2강

2023년 노벨 물리학상은 인류가 도달할 수 있는 가장 짧은 시간 단위인 '아토초'의 세계를 연 과학자들에게 수여되었습니다. 아토초는 100경 분의 1초라는 상상조차 하기 힘든 찰나의 순간으로, 물질 내부에서 전자가 움직이는 역동적인 과정을 포착하기 위해 반드시 필요한 시간대입니다. 우리가 일상에서 경험하는 밀리초나 마이크로초를 넘어, 분자의 회전을 관측하는 펨토초보다도 천 배나 더 짧은 이 극한의 시간은 현대 물리학이 미시 세계를 탐구하는 방식에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 초고속 현상을 정밀하게 측정하기 위해서는 관찰하려는 현상보다 더 짧은 시간 폭을 가진 도구가 필요합니다. 19세기 에드워드 마이브리지가 말의 달리는 모습을 촬영해 네 발이 모두 땅에서 떨어지는 순간을 포착했듯이, 과학자들은 셔터 스피드를 높이는 대신 아주 짧은 빛의 펄스를 만드는 데 집중했습니다. 기계적 셔터나 전기 신호로는 도달할 수 없는 나노초 이하의 영역을 탐구하기 위해, 빛의 결이 일정한 레이저 기술이 도입되면서 초고속 측정의 역사는 새로운 국면을 맞이하게 되었습니다. 레이저의 발명은 빛의 위상을 정렬하여 강력하고 짧은 에너지를 집중시킬 수 있게 했습니다. 특히 펨토초 레이저는 여러 주파수 성분의 위상을 하나로 맞추는 '모드 잠금' 기술을 통해 분자의 화학 반응을 실시간으로 관찰하는 길을 열었습니다. 하지만 원자 내부에서 전자가 이동하는 찰나를 보기에는 펨토초조차 너무 긴 시간이었고, 과학자들은 이 한계를 극복하기 위해 더 높은 주파수와 넓은 스펙트럼을 가진 새로운 형태의 빛을 생성하기 위한 연구를 지속해 왔습니다. 아토초 과학의 결정적인 단초는 안 륄리에 교수가 발견한 '고차 조화파' 현상에서 시작되었습니다. 강력한 레이저를 기체 원자에 조사했을 때, 원자에서 튀어나온 전자가 다시 결합하며 원래 레이저 주파수의 수십 배에 달하는 에너지를 방출하는 현상이 발견된 것입니다. 이 과정은 이온화, 가속, 재결합이라는 세 단계를 거치며 매 반 주기마다 반복되는데, 여기서 발생하는 빛은 펨토초보다 훨씬 넓은 주파수 대역을 가지고 있어 아토초 단위의 짧은 펄스를 생성할 수 있는 물리적 기반이 되었습니다. 고차 조화파가 발견된 이후에도 이를 실제 아토초 펄스로 증명하는 데는 정밀한 측정 기술이 필요했습니다. 피에르 아고스티니 교수는 양자 간섭 효과를 이용해 이 빛들의 위상이 일치하는지를 측정하는 데 성공했습니다. 서로 다른 경로를 거친 전자의 확률 함수가 간섭하는 현상을 분석함으로써, 인류는 마침내 250아토초라는 극도로 짧은 빛의 펄스가 실제로 존재함을 확인했습니다. 이는 이론적 가설을 넘어 실험적으로 아토초의 영역에 발을 들인 역사적인 순간으로 기록되었습니다. 연속적인 펄스 열 중에서 단 하나의 아토초 펄스만을 골라내는 기술은 페렌츠 크라우스 교수에 의해 완성되었습니다. 레이저 전기장의 절대 위상을 정밀하게 제어함으로써 단일 아토초 펄스를 생성하고, 이를 통해 레이저 빛 자체의 파형을 직접 측정하거나 원자 내 전자의 이온화 지연 시간을 계산할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 아인슈타인의 광전 효과에서 발생하는 미세한 시간 차이를 실제로 측정하는 등 양자 역학의 근본적인 질문들에 답하는 강력한 도구가 되었습니다. 2023년 노벨 물리학상은 단순히 짧은 빛을 만든 것을 넘어, 전자의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있는 '현미경'을 인류에게 선사했다는 점에 큰 의의가 있습니다. 펨토초 수준에 머물러 있던 인류의 관측 능력을 아토초 수준으로 끌어올림으로써, 반도체 공정의 고도화나 생명 현상의 근원적 이해 등 미래 과학 기술의 토대를 마련했습니다. 극한의 짧은 찰나를 지배하려는 과학자들의 도전은 이제 물질의 성질을 자유롭게 제어하고 새로운 물리 법칙을 발견하는 단계로 나아가고 있습니다.

김경택

카오스재단카오스크로스

물리학

[강연] 우주의 언어, 미적분_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 1강 | 1강

우리는 종종 영화 속에서 펼쳐지는 경이로운 상상력이 실제 과학적 사실과 얼마나 맞닿아 있는지 궁금해하곤 합니다. 물리학은 단순히 복잡한 수식의 나열이 아니라, 우리가 살아가는 우주의 근본적인 작동 원리를 탐구하는 학문입니다. 특히 현대 물리학의 정수라고 할 수 있는 상대성이론과 양자역학은 시간과 공간에 대한 우리의 고정관념을 완전히 뒤흔들어 놓았습니다. 영화는 이러한 난해한 개념들을 시각적으로 구현함으로써 대중이 과학적 상상력의 지평을 넓히는 데 중요한 가교 역할을 수행합니다. 아인슈타인의 상대성이론은 시간이 누구에게나 일정하게 흐른다는 절대적 시간관을 무너뜨렸습니다. 중력이 강한 곳이나 빠른 속도로 이동하는 물체에서는 시간이 상대적으로 느리게 흐른다는 사실은 이제 현대 물리학의 상식이 되었습니다. 이러한 시공간의 왜곡은 우주의 거대한 구조를 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 우리는 이를 통해 우주가 단순히 텅 빈 공간이 아니라, 물질과 에너지가 상호작용하며 끊임없이 변화하는 역동적인 무대임을 깨닫게 됩니다. 시간의 흐름을 결정짓는 또 다른 중요한 개념은 바로 엔트로피입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 나아갑니다. 이는 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로의 변화를 의미하며, 우리가 과거와 미래를 구분할 수 있는 유일한 물리적 근거가 됩니다. 만약 엔트로피의 흐름을 거스를 수 있다면 시간의 방향 또한 바뀔 수 있다는 상상은 과학적 호기심을 자극하는 매력적인 주제이며, 이는 우주의 인과율에 대한 깊은 통찰을 제공합니다. 현대 물리학의 '블록 우주' 이론은 과거, 현재, 미래가 이미 4차원 시공간 속에 하나의 덩어리로 존재한다고 설명합니다. 우리가 느끼는 '지금'이라는 순간은 거대한 영화 필름의 한 장면과 같으며, 전체 필름은 이미 완성되어 있다는 관점입니다. 이러한 시각은 자유 의지와 결정론에 대한 깊은 철학적 질문을 던집니다. 모든 사건이 시공간 속에 고정되어 있다면, 우리가 내리는 선택은 어떤 의미를 갖는지에 대해 물리학은 새로운 해석의 가능성을 열어주며 우리를 사유의 세계로 안내합니다. 양자역학의 등장은 고전역학이 가졌던 결정론적 세계관에 커다란 균열을 일으켰습니다. 미시세계의 입자들은 확정된 위치와 속도를 갖는 대신, 확률적인 중첩 상태로 존재합니다. 이는 관측하기 전까지는 아무것도 결정되지 않았다는 놀라운 결론으로 이어집니다. 불확정성 원리는 우주가 근본적으로 우연과 확률에 기반하고 있음을 시사하며, 이는 인간이 자연을 완벽하게 예측하고 통제할 수 있다는 오만을 내려놓게 만듭니다. 이러한 불확실성은 오히려 우주의 신비로움을 더해줍니다. 관찰자의 존재가 대상의 상태를 결정한다는 양자역학의 해석은 주관과 객관의 경계를 모호하게 만듭니다. 우리가 세상을 바라보는 방식 자체가 세상의 모습에 영향을 미친다는 사실은 매우 신비롭습니다. 이는 단순히 실험실 안의 이야기가 아니라, 존재의 본질에 대한 근원적인 성찰을 요구합니다. 물리학은 이처럼 보이지 않는 미시세계의 법칙을 통해 우리가 발을 딛고 서 있는 거시세계의 실체를 다시금 돌아보게 하는 힘을 지니고 있으며, 우리의 인식 체계를 근본적으로 재구성합니다. 결국 물리학을 공부한다는 것은 우주라는 거대한 서사를 읽어 내려가는 과정과 같습니다. 과학적 발견은 때로 우리의 직관과 어긋나 당혹감을 주기도 하지만, 그 이면에 숨겨진 정교한 질서를 발견할 때 우리는 형언할 수 없는 지적 희열을 느낍니다. 복잡한 수식 너머에 존재하는 우주의 아름다움을 이해하려는 노력은 인간만이 가진 고귀한 특권입니다. 이러한 탐구 정신은 우리가 우주 속에서 자신의 위치를 찾고 삶의 의미를 되새기는 데 소중한 밑거름이 되며 미래를 향한 이정표가 되어줍니다.

박권

카오스재단카오스강연

물리학

'오펜하이머' 보기 전에 꼭 봐야 하는! 영화 이해를 200% 돕는 맨해튼프로젝트 이야기 | 위클리쿠키

20세기 초반은 물리학의 황금기였으며, 아인슈타인과 보어 같은 거장들이 우주와 물질에 대한 이해를 혁신적으로 넓히던 시기였습니다. 하지만 이 찬란한 지적 성취의 이면에는 제국주의적 갈등과 이념 대립이 극에 달해 제2차 세계대전이라는 깊은 상처가 자리하고 있었습니다. 나치 독일이 원자 내부의 거대한 에너지를 무기화하려 한다는 징후가 포착되자, 연합군 역시 이에 맞서기 위해 발 빠르게 움직이기 시작했습니다. 이러한 긴박한 시대적 요구 속에서 인류 역사상 가장 거대한 과학 프로젝트로 불리는 맨해튼 프로젝트가 본격적으로 태동하게 되었습니다. 핵무기 개발의 실제적인 가능성은 핵분열과 연쇄 반응이라는 정교한 물리적 현상에 기초합니다. 1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견한 이후, 과학자들은 전하를 띠지 않는 중성자를 이용해 원자핵에 침투할 수 있는 새로운 경로를 찾아냈습니다. 나치 독일의 오토 한은 우라늄이 더 가벼운 원소로 쪼개지는 현상을 발견했고, 리제 마이트너는 이를 핵분열이라는 개념으로 정립했습니다. 여기에 레오 실라르드가 제안한 연쇄 반응 이론이 더해지면서, 미미했던 열 발생을 폭발적인 에너지로 전환할 수 있는 이론적 해결책이 마침내 세상에 모습을 드러내게 되었습니다. 나치의 위협을 경고한 아인슈타인의 친서와 진주만 공습이라는 역사적 사건은 미국이 본격적으로 핵 개발에 뛰어드는 결정적 계기가 되었습니다. 루스벨트 대통령의 전폭적인 지원 아래 레슬리 그로브스 준장이 총책임을 맡았으며, 프로젝트는 테네시의 오크리지와 워싱턴의 핸포드 지역을 중심으로 이원화되어 추진되었습니다. 우라늄-235를 정제하는 기술과 자연계에 존재하지 않는 인공 원소인 플루토늄을 생산하는 공정이 국가 단위의 인프라 속에서 동시에 진행되었으며, 이는 단순한 과학 연구를 넘어선 거대한 군사 산업의 시작이었습니다. 과학자들의 강한 개성과 군대의 엄격한 규율이 충돌하는 상황에서, 로버트 오펜하이머는 탁월한 리더십을 발휘하여 연구진을 하나로 통합했습니다. 그는 과학적 창의성을 보장하면서도 목표를 향한 집중력을 유지하는 독특한 관리 스타일로 폭탄의 실무적인 설계를 진두지휘했습니다. 우라늄을 이용한 포신형 설계와 플루토늄의 한계를 극복하기 위한 내폭형 방식이 완성되었고, 1945년 7월 뉴멕시코 사막의 트리니티 실험을 통해 인류는 마침내 원자력이라는 거대한 힘이 현실로 구현되는 경이로우면서도 공포스러운 순간을 목격했습니다. 원자폭탄은 일본의 히로시마와 나가사키에 투하되어 제2차 세계대전의 종막을 고했지만, 동시에 인류에게 감당하기 힘든 윤리적 숙제와 공포를 안겨주었습니다. 실험 성공의 순간 스스로를 '세상의 파괴자'라 칭하며 고뇌했던 오펜하이머는 전쟁 종결 이후 수소폭탄 개발에 강력히 반대하며 과학자의 사회적 책임에 대해 목소리를 높였습니다. 물리학의 황금기가 탄생시킨 이 거대한 기술적 유산은 과학적 발견이 정치적 야망 및 전쟁의 참화와 결합했을 때 얼마나 가공할 결과를 초래할 수 있는지를 오늘날 우리에게도 생생하게 시사하고 있습니다.

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물리학
융합

[Q&A] '상대성 이론' 11강 Q&A_by 염동한 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론'

블랙홀 정보 손실 문제를 이해하기 위해서는 물리학에서 정의하는 '정보'의 개념을 먼저 살펴봐야 합니다. 일상적인 의미와 달리 물리학자들은 정보의 양을 측정하기 위해 엔트로피라는 척도를 사용합니다. 특히 양자역학적 관점에서의 폰 노이만 엔트로피나 얽힘 엔트로피는 특정 계에 정보가 얼마나 포함되어 있는지 판단하는 중요한 도구가 됩니다. 블랙홀로 들어간 정보가 다시 밖으로 나올 수 있는지를 계산하는 과정에서 이러한 엔트로피의 변화를 추적하는 것이 블랙홀 정보 손실 문제의 핵심이라고 할 수 있습니다. 현대 정보 이론의 기초를 세운 클로드 섀넌은 정보를 확률의 관점에서 정의했습니다. 특정 사건이 일어날 확률이 낮을수록 그 사건이 전달하는 정보의 양은 많아진다는 원리입니다. 섀넌은 통신 효율을 높이기 위해 정보를 손실 없이 압축할 수 있는 한계가 어디까지인지를 연구하며 섀넌 엔트로피라는 개념을 정립했습니다. 실용적인 통신 기술 연구에서 시작된 그의 통찰은 결국 '정보란 무엇인가'라는 근본적인 물리학적 질문에 답을 제시하게 되었으며, 오늘날 블랙홀 연구를 포함한 다양한 물리적 현상을 해석하는 밑바탕이 되었습니다. 현대 물리학의 근간을 이루는 일반 상대성 이론은 우주의 거대 구조를 설명하는 데 탁월한 성과를 보여왔습니다. 하지만 물리학자들은 이 이론이 양자 역학적 미시 세계와 결합할 때 발생하는 한계를 극복하기 위해 새로운 가능성을 모색해 왔습니다. 아인슈타인-카르탕 이론이나 브란스-디케 이론과 같은 수정 중력 이론들이 바로 그 결과물입니다. 비록 현재까지는 기존 이론을 뒤집을 만한 실험적 증거가 발견되지 않았으나, 이러한 이론적 확장은 우주의 근본 원리를 이해하려는 학문적 여정에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 물리학을 깊이 있게 연구하고자 하는 학생들에게 가장 중요한 덕목은 화려한 이론보다 탄탄한 기본기입니다. 고등한 주제나 최신 이론에 매료되어 학부 시절부터 어려운 내용에 매달리기 쉽지만, 결국 연구의 결정적인 순간에 필요한 것은 기초적인 개념과 전형적인 계산 능력입니다. 학부 과정에서 배우는 고전 역학, 전자기학, 양자 역학 등의 기초를 완벽히 다져야만 나중에 복잡한 양자 중력 이론이나 우주론을 다룰 때 흔들리지 않는 연구를 수행할 수 있습니다. 다양한 접근 경로가 존재하는 만큼, 기본을 충실히 닦는 것이 학문적 성취의 지름길입니다. 양자 중력 이론은 매우 수학적이고 추상적인 성격이 강하지만, 과학의 본질은 이론과 실험의 조화에 있습니다. 블랙홀 증발이나 양자 우주론 같은 주제들도 단순히 수식에 머물지 않고 관측 우주론이나 입자물리학 데이터와 끊임없이 맞물려 돌아가야 합니다. 최근에는 블랙홀을 양자 중력 관점에서 종합적으로 이해하려는 시도가 활발하며, 정준 양자 중력 접근법인 하틀-호킹 파동 함수 등을 활용한 연구도 진행되고 있습니다. 천문학 및 입자물리학과의 융합 연구를 통해 우리는 우주의 근원과 블랙홀의 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것입니다.

카오스재단석학인터뷰

[강연] 중력파 - 참을 수 없는 중력의 무거움을 느끼다_ by 오정근 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 10강 | 10강

2015년 9월 14일, 지구를 스쳐 지나간 미세한 신호는 인류 과학사의 거대한 전환점이 되었습니다. 13억 광년 전 두 블랙홀이 충돌하며 발생한 이 중력파는 시공간의 일렁임을 담고 있었습니다. 블랙홀들이 서로의 주위를 돌며 에너지를 잃고 하나로 합쳐지는 과정에서 방출된 이 강력한 파동은, 광대한 우주를 가로질러 마침내 지구의 라이고(LIGO) 관측소에 포착되었습니다. 이는 단순한 신호 검출을 넘어, 보이지 않던 우주의 역동적인 이면을 소리로 변환하여 들을 수 있게 된 역사적 순간이었습니다. 중력파는 알베르트 아인슈타인이 1915년 일반 상대성 이론을 완성한 직후 예견한 현상입니다. 그는 중력의 본질을 물질에 의한 시공간의 휘어짐으로 정의했으며, 이 휘어짐의 변화가 물결처럼 퍼져나가는 현상을 중력파라고 불렀습니다. 잔잔한 호수에 돌을 던졌을 때 퍼져나가는 물결처럼, 거대한 질량을 가진 천체가 급격히 운동할 때 시공간 자체에 파동이 발생한다는 상상이 이론적으로 증명된 것입니다. 이 파동은 빛의 속도로 전달되며 시공간의 길이를 미세하게 변화시키는 독특한 성질을 지닙니다. 이론적 예측 이후 실제 검출까지는 100년이라는 긴 시간이 걸렸습니다. 중력파가 지구에 도달할 때 발생하는 시공간의 변화가 상상할 수 없을 만큼 미세했기 때문입니다. 태양 정도 크기의 물체가 수소 원자 반지름만큼 떨리는 정도의 변화를 감지해야 하는 이 작업은 당대 과학자들에게 불가능에 가까운 도전으로 여겨졌습니다. 1960년대 조지프 웨버의 공명 바 검출기부터 시작된 인류의 노력은 수많은 실패와 회의론 속에서도 멈추지 않았으며, 이는 더 정밀한 관측 기술을 향한 집념 어린 여정의 시작이 되었습니다. 현대 중력파 관측의 핵심은 레이저 간섭계 기술입니다. 수 킬로미터에 달하는 L자형 터널 양 끝에 거울을 설치하고 레이저를 왕복시켜, 중력파가 지나갈 때 발생하는 미세한 거리 변화를 측정하는 방식입니다. 빛의 간섭 현상을 이용해 원자핵보다 작은 크기의 변화를 잡아내기 위해, 과학자들은 고출력 레이저와 극도의 진동 차단 장치를 개발했습니다. 라이고와 같은 거대 장치는 전 세계 수천 명의 과학자가 협력한 결과물이며, 이제는 유럽의 비르고와 일본의 카그라가 합류하여 전 지구적인 관측망을 형성하고 있습니다. 2017년에는 중성자별의 충돌로 발생한 중력파가 검출되며 다중 신호 천문학의 시대가 열렸습니다. 블랙홀과 달리 물질로 이루어진 중성자별의 충돌은 중력파뿐만 아니라 감마선, 가시광선 등 다양한 전자기파를 동시에 방출합니다. 이를 통해 인류는 우주에 존재하는 금이나 백금과 같은 무거운 원소들이 중성자별 충돌 과정에서 생성된다는 사실을 확인했습니다. 이는 연금술사들이 꿈꾸던 원소의 기원을 우주적 규모에서 밝혀낸 사건으로, 중력파가 우주를 이해하는 새로운 창이 될 수 있음을 완벽히 입증했습니다. 지금까지 발견된 수십 개의 중력파 신호는 우리가 몰랐던 블랙홀의 새로운 모습을 보여주고 있습니다. 전자기파 관측으로는 결코 알 수 없었던 태양 질량의 수십 배에 달하는 블랙홀들이 우주 곳곳에서 쌍을 이루어 존재하며, 이들이 서로 병합하여 더 거대한 블랙홀로 진화하는 역동적인 과정이 드러났습니다. 중력파는 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀의 내부 정보를 전달하는 유일한 수단으로서, 우주의 질량 분포와 진화 과정을 재구성하는 데 결정적인 단서를 제공하며 현대 천문학의 지형을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 중력파 연구는 이제 일반 상대성 이론의 한계를 시험하고 새로운 물리학의 지평을 여는 단계로 나아가고 있습니다. 블랙홀의 성질을 규정하는 민머리 정리나 면적 법칙과 같은 이론적 가설들을 실제 관측 데이터로 검증하는 작업이 진행 중입니다. 또한 암흑 물질과 암흑 에너지의 비밀을 풀기 위한 대안 중력 이론의 테스트 베드로서 중력파는 핵심적인 역할을 수행할 것입니다. 우주의 시작과 진화에 대한 근원적인 질문들에 답하기 위해, 인류는 더 넓은 주파수 대역을 관측할 수 있는 우주 중력파 망원경 건설이라는 새로운 도전을 준비하고 있습니다.

오정근

카오스재단카오스강연

물리학

[추가 강연] 물리의 렌즈로 본 예술 - 7가지 그림과 음악_ by 이창환 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 4강 추가 강연 | 4강 ②

예술과 과학은 서로 다른 영역처럼 보이지만, 근본적으로 세상을 바라보는 시각을 공유합니다. 잭슨 폴록의 '가을 리듬'은 무질서 속의 질서를 보여주는 프랙탈 구조를 담고 있으며, 이는 현대 물리학의 복잡계 이론과 맞닿아 있습니다. 막스 리히터가 재구성한 비발디의 '사계'와 이 그림을 함께 감상하면, 클래식의 고전적 미학과 현대적 감각이 어우러지며 새로운 차원의 감각을 일깨웁니다. 이러한 융합은 우리가 우주의 역동성을 이해하는 데 중요한 영감을 제공합니다. 기마타의 작품 '1만 분의 1의 존재 확인'은 수많은 찰나의 순간을 겹쳐 하나의 형상을 만들어냅니다. 이는 양자역학에서 관측을 통해 확률적 존재가 실체로 드러나는 과정과 유사한 철학적 의미를 내포합니다. 수만 장의 사진이 합쳐져 비로소 하나의 실체로 인식되는 과정은 미시 세계의 불확정성이 거시 세계의 확실성으로 변모하는 물리적 현상을 시각적으로 대변합니다. 보이지 않는 에너지가 물질로 발현되는 신비로움을 예술적 감각을 통해 경험할 수 있습니다. 기마타의 '최후의 만찬' 조각 작품은 고전적 주제를 현대적 시각으로 재해석하여 강렬한 에너지를 발산합니다. 여기에 막스 리히터와 NYCP가 협업한 비발디의 '사계' 믹스 버전이 더해지면, 정적인 예술 작품 속에 숨겨진 역동적인 물리적 흐름이 극대화됩니다. 이는 우주를 구성하는 입자들이 끊임없이 충돌하고 반응하며 새로운 질서를 만들어내는 과정을 시각적, 청각적으로 형상화한 것과 같습니다. 예술적 감흥은 물리 법칙이 지배하는 세계의 생동감을 더욱 깊이 있게 전달합니다. 빈센트 반 고흐의 '별이 빛나는 밤'은 밤하늘의 소용돌이를 통해 유체의 흐름과 난류의 법칙을 직관적으로 보여주는 걸작입니다. 바흐의 '바이올린 2대를 위한 협주곡'은 수학적 정밀함과 대위법적 조화를 특징으로 하며, 고흐의 역동적인 붓 터치와 완벽한 대조를 이룹니다. 이 두 거장의 만남은 우주의 혼돈 속에 숨겨진 정교한 질서를 탐구하게 합니다. 하늘에서 일어나는 거대한 에너지의 움직임은 음악의 선율을 타고 우리에게 우주의 광활함과 신비로움을 동시에 선사합니다. 뉴욕의 거리를 8시간 동안 기록한 기마타의 사진 작품 '8 Hours'는 시간의 흐름을 하나의 평면에 압축하여 보여줍니다. 이는 물리학에서 시공간이 분리된 것이 아니라 하나의 연속체임을 시사하는 상대성 이론의 관점과 연결됩니다. 에이나우디의 '안단테'는 느리고 차분한 호흡으로 시간의 무게를 느끼게 하며, 바쁘게 돌아가는 도시의 이면에 숨겨진 정지된 영원성을 포착하게 합니다. 관찰자의 시선에 따라 시간이 다르게 흐를 수 있다는 물리적 통찰이 예술적 감수성과 만나는 지점입니다. 이아니스 크세나키스의 '메타스타시스'는 아인슈타인의 상대성 이론을 음악적 구조로 치환한 혁신적인 작품입니다. 건축가이기도 했던 크세나키스는 수학적 계산을 바탕으로 소리의 밀도와 공간감을 설계하여, 보이지 않는 시공간의 왜곡을 청각화했습니다. 이 음악을 들으면 중력에 의해 휘어진 우주의 기하학적 구조가 마치 눈앞에 펼쳐지는 듯한 경험을 하게 됩니다. 추상적인 물리 이론이 예술가의 상상력을 통해 구체적인 감각으로 변모하며, 우리는 우주의 근본 원리에 한 걸음 더 다가서게 됩니다. 마지막으로 소개된 크세나키스의 '피토프라크타'는 확률론적 운동을 음악으로 구현하여 우주의 불확정성을 탐구합니다. 수많은 음표가 통계적 법칙에 따라 움직이며 만들어내는 거대한 소리의 흐름은, 열역학적 무질서도와 입자들의 무작위한 운동을 연상시킵니다. 사진 작품과 어우러진 이 음악은 우주가 고정된 상태가 아니라 끊임없이 변화하고 진화하는 역동적인 유기체임을 깨닫게 합니다. 과학적 논리와 예술적 직관이 결합된 이 여정은 우리에게 세상을 이해하는 새로운 창을 열어주며 깊은 여운을 남깁니다.

이창환

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물리학
융합

[강연] 물리의 렌즈로 본 예술 - 관계에서 찾는 존재의 의미_ by 이창환 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 4강 | 4강 ①

물리학이라는 렌즈를 통해 예술을 바라보면 세상은 전혀 다른 모습으로 다가옵니다. 우리는 눈에 보이는 것을 실체라고 믿지만, 사실 우리의 인식은 주변과의 관계 속에서 왜곡되거나 강조되기도 합니다. 에셔의 그림처럼 직선이 주변 환경에 따라 비뚤게 보이는 착시 현상은 인간의 감각이 가진 불완전함을 보여줍니다. 과학은 이러한 주관적 인식을 넘어 우주의 본질적인 질서를 탐구하며, 존재의 의미를 독립된 개체가 아닌 상호 관계 속에서 정의하고자 노력합니다. 물리학자의 시선에서 예술은 단순한 감상의 대상을 넘어 우주의 원리를 투영하는 거울이 됩니다. 현대 물리학이 바라보는 진공은 단순히 비어 있는 공간이 아닙니다. 노자의 '유무상생' 사상처럼, 무(無)는 아무것도 없는 상태가 아니라 모든 가능성이 잠재된 근본적인 장입니다. 김홍도의 씨름도에서 여백이 인물들 사이의 자유로운 소통과 움직임을 가능하게 하듯, 진공 역시 빛과 별, 그리고 우리 존재가 출현할 수 있는 토대가 됩니다. 원자 내부의 광활한 빈 공간이 물질의 존재를 지탱하는 것처럼, 비어 있음은 곧 가득 참의 다른 표현입니다. 우리는 이 보이지 않는 공간과의 관계를 통해 비로소 자신의 존재를 증명할 수 있습니다. 예술가 김아타의 작업은 이러한 물리학적 통찰을 시각적으로 구현합니다. 만 장의 사진을 중첩하여 형체를 지워버린 그의 작품은 무한한 존재의 합이 결국 '무'로 수렴될 수 있음을 보여줍니다. 이는 입자가 여러 상태를 동시에 가질 수 있다는 양자역학적 중첩의 원리와 맞닿아 있습니다. 우리가 인식하지 못하는 진공 속에 수많은 가능성이 중첩되어 있듯, 예술은 보이지 않는 존재의 층위를 겹겹이 쌓아 올림으로써 오히려 본질적인 비어 있음을 드러냅니다. 이러한 '유'와 '무'의 경계에서 우리는 존재의 참된 의미를 다시금 질문하게 됩니다. 과학자들은 거대 가속기 실험을 통해 진공이 끊임없이 요동치며 입자와 반입자를 생성하는 창조의 공간임을 확인했습니다. 양성자보다 훨씬 무거운 힉스 입자가 충돌 과정에서 튀어나오는 현상은 진공 속에 숨겨진 잠재력이 실현된 결과입니다. 우리가 진공을 고요하게 느끼는 이유는 우리 몸을 구성하는 원자 단위보다 훨씬 작은 플랑크 스케일에서 이러한 변화가 일어나기 때문입니다. 결국 존재란 진공이라는 거대한 바다 위에서 일어나는 아주 작은 물결이자 변화의 흔적이라 할 수 있습니다. 보이지 않는 미시 세계의 역동성이 거시 세계의 평온함을 지탱하고 있는 셈입니다. 빛의 이중성 또한 관찰자와 대상 사이의 상호작용 방식에 따라 결정됩니다. 강한 충격으로 짧은 순간 관찰하면 입자의 성질이 나타나고, 긴 시간 부드럽게 교감하면 파동의 성질이 드러납니다. 질량 역시 입자가 진공과 얼마나 강하게 상호작용하느냐에 따라 결정되는 상대적인 값입니다. 핵융합과 핵분열 과정에서 발생하는 거대한 에너지는 결국 입자들이 진공을 상대하는 방식이 변하면서 나타나는 질량의 차이입니다. 이처럼 만물은 진공과의 끊임없는 관계 맺기를 통해 자신의 성질을 규정하며, 이는 고정된 실체가 아닌 끊임없는 변화의 과정으로서의 존재를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌 유연한 실체로 바꾸어 놓았습니다. 거대한 질량은 주변 시공간을 휘게 만들고, 그 길을 따라 빛조차 곡선을 그리며 나아갑니다. 이러한 시공간의 왜곡은 중력 렌즈 효과를 통해 우주에 거대한 고리 모양의 환영을 만들어내기도 합니다. 예술가들은 역원근법이나 다시점 기법을 통해 고정된 관찰자의 시선에서 벗어나 시공간의 유동성을 포착하려 했습니다. 이는 절대적인 좌표계가 사라지고 모든 것이 상대적인 관계 속에서 정의되는 현대 물리학의 우주관과 일치하며, 우리가 보는 세상이 절대적이지 않음을 시사합니다. 현대 물리학은 양자역학과 상대성 이론을 통합하는 과정에서 5차원 이상의 새로운 차원을 가정하기도 합니다. 이는 마그리트나 에셔의 그림처럼 우리의 상식을 뛰어넘는 논리적 상상력을 요구합니다. 김환기 화백이 수많은 점을 찍으며 우주의 인연을 노래했듯, 과학자와 예술가는 각자의 언어로 보이지 않는 우주의 질서를 그려냅니다. 우리가 우주의 중심이 되어 각자의 시간과 공간을 살아가는 것처럼, 물리와 예술은 존재의 근원을 찾아가는 여정 속에서 서로를 비추는 거울이 됩니다. 이 아름다운 관계 속에서 우리는 비로소 우주의 일원으로서 자신의 자리를 발견하게 됩니다.

이창환

카오스재단카오스강연

물리학
융합

[티저] 2023 봄 카오스강연 ✨상대성이론✨

우리가 세상을 바라보는 방식은 언제나 완벽하게 객관적일까요? 사실 우리가 인지하는 현실은 감각 기관을 통해 들어온 정보를 뇌가 재해석한 결과물에 가깝습니다. 이 과정에서 필연적으로 발생하는 것이 바로 '왜곡'입니다. 빛이 굴절되어 사물의 위치가 달라 보이듯, 우리의 인식 또한 다양한 외부 요인과 내부적 편향에 의해 본래의 모습과는 다른 형태로 왜곡되곤 합니다. 이러한 왜곡은 단순히 오류라고 치부하기에는 우리 삶과 과학적 원리에 깊숙이 뿌리내리고 있으며, 우리가 세상을 이해하는 독특한 창구가 되어줍니다. 물리학의 관점에서 왜곡은 우주의 거대한 질서를 이해하는 중요한 열쇠가 되기도 합니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 거대한 질량을 가진 천체는 주변의 시공간을 휘게 만듭니다. 이로 인해 빛의 경로가 휘어지는 중력 렌즈 현상이 발생하며, 우리는 멀리 떨어진 은하의 모습을 왜곡된 형태로 관찰하게 됩니다. 이러한 현상은 우주의 신비를 밝혀내는 결정적인 증거가 되며, 보이지 않는 암흑 물질의 존재를 추론하는 데에도 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 이는 왜곡이 진실을 찾는 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 심리학적으로 볼 때 왜곡은 인간이 복잡한 세상을 효율적으로 살아가기 위한 생존 전략이기도 합니다. 뇌는 쏟아지는 방대한 정보 속에서 중요한 것만을 선택하고 나머지는 생략하거나 왜곡하여 받아들입니다. 비록 이 과정에서 기억의 왜곡이나 인지적 편향이 발생할 수 있지만, 이는 우리가 불필요한 정보 과부하로부터 스스로를 보호하고 신속한 판단을 내릴 수 있게 돕습니다. 결국 왜곡이란 진실을 가리는 장벽이 아니라, 세상을 나름의 방식으로 이해하려는 노력의 산물인 셈입니다. 우리는 이 불완전한 인식을 통해 비로소 자신만의 세계를 구축해 나갑니다.

카오스재단2023 카오스강연 '상대성 이론'

[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.

카오스재단술술과학

물리학

[전격공개] 핵융합 노래 'Amazing Doughnut' / 미래를 위한 NEW SUN

인류는 아주 오랜 시간 동안 태양의 거대한 에너지를 지구 위에서 재현하려는 꿈을 꾸어 왔습니다. 태양은 스스로 핵융합 반응을 일으켜 엄청난 빛과 열을 내뿜는데, 이를 인공적으로 구현하는 기술이 바로 인공태양 프로젝트입니다. 화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 꿈의 에너지원으로 불리는 핵융합은, 바닷물 속에 풍부한 중수소와 삼중수소를 원료로 사용하기에 거의 무한한 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 단순한 기술 발전을 넘어 인류의 미래를 완전히 바꿀 수 있는 혁명적인 도전이라 할 수 있습니다. 핵융합을 실현하기 위해서는 수억 도에 달하는 초고온 플라스마를 안정적으로 가두는 기술이 핵심입니다. 여기서 등장하는 것이 바로 토카막이라 불리는 도넛 모양의 장치입니다. 강력한 자기장을 이용해 뜨거운 플라스마가 장치 벽면에 직접 닿지 않도록 공중에 띄워 유지하는 방식인데, 이 독특한 도넛 구조 덕분에 입자들이 끊임없이 순환하며 핵융합 반응을 이어갈 수 있습니다. 정교한 설계와 극저온 초전도 자석 기술이 결합된 이 경이로운 장치는 지구상에서 가장 뜨거운 지점을 안전하게 통제하는 열쇠가 됩니다. 태양을 만드는 기술은 이제 이론의 단계를 넘어 실질적인 상용화를 향해 한 걸음씩 나아가고 있습니다. 비록 초고온 상태를 장시간 유지하고 에너지를 효율적으로 추출하는 등의 기술적 난제가 남아있지만, 전 세계 과학자들의 협력과 끊임없는 기술 혁신은 불가능해 보였던 영역을 가능으로 바꾸고 있습니다. 핵융합 발전이 성공적으로 안착한다면 우리는 탄소 배출 없는 깨끗하고 안전한 에너지를 영구적으로 누릴 수 있게 될 것입니다. 인류의 삶을 근본적으로 변화시킬 이 거대한 여정은 지금 이 순간에도 멈추지 않고 계속되고 있습니다.

한국핵융합에너지연구원

물리학
융합
공학·기술

[질토과+짧강] 👨‍💻군과 랭랜즈 프로그램 by 정경훈｜2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 9강

랭랜즈 프로그램은 단순한 수학적 추측이나 개별적인 문제를 넘어선 '원대한 기획'이라 할 수 있습니다. 이는 마치 컴퓨터 프로그램이 여러 하위 프로그램으로 구성되어 최종 결과를 도출하듯, 수학의 여러 분야를 유기적으로 연결하는 거대한 복합체입니다. 페르마의 마지막 정리조차 이 거대한 프로그램의 첫 번째 단계에 해당할 정도로 그 규모가 방대합니다. 수학자들은 이를 통해 흩어져 있던 문제들을 일관된 방향으로 정렬하고, 우리가 나아가야 할 길을 설득력 있게 제시받습니다. 수학사에는 랭랜즈 프로그램 외에도 다양한 '프로그램'이 존재해 왔습니다. 기하학을 군의 관점에서 분류하려 했던 에를랑겐 프로그램이나, 수학의 기초를 공리화하려 했던 힐베르트 프로그램이 대표적입니다. 최근에는 3차원 기하학의 분류를 다루는 서스턴의 프로그램이나 대수 방정식의 해 집합을 연구하는 모리 프로그램도 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 기획들은 수학적 대상을 체계적으로 분류하고 연구하는 패러다임의 변화를 이끌며 학문의 발전을 견인해 왔습니다. 수학에서 '군'은 대칭성을 표현하는 언어입니다. 예를 들어 회전판을 특정 각도만큼 돌렸을 때 원래와 같은 모습을 유지한다면, 이는 회전에 대한 대칭성을 가진다고 말합니다. 이러한 대칭성은 단순히 도형의 성질에 그치지 않고 정수론의 나머지 개념과도 깊게 연결됩니다. 수학자들은 군이라는 도구를 통해 복잡한 대칭 구조를 엄밀하게 정의하고, 이를 바탕으로 수의 세계와 기하학적 세계 사이의 보이지 않는 연결 고리를 찾아내어 학문적 지평을 넓혀갑니다. 대칭성의 개념은 수학을 넘어 물리학과 화학 등 자연과학 전반에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 에미 뇌터의 정리에 따르면 물리계의 대칭성은 에너지 보존 법칙과 같은 보존 법칙과 직결됩니다. 화학에서는 분자 구조의 대칭성에 따라 물질의 극성이나 결정의 성질이 결정되기도 합니다. 심지어 방정식 자체에도 대칭성이 존재하며, 이를 찾아내는 과정은 현대 과학의 가장 중요한 방법론 중 하나입니다. 이처럼 대칭은 자연의 근본 원리를 이해하는 열쇠가 됩니다. 페르마의 소정리는 대칭성을 이용해 정수론의 문제를 해결하는 대표적인 사례입니다. 소수와 거듭제곱 사이의 관계를 다루는 이 정리는 언뜻 복잡해 보이지만, 회전판의 색칠 문제를 통한 대칭성 분석으로 명쾌하게 증명될 수 있습니다. 특정 색 조합을 회전시켰을 때 나타나는 중복성을 군의 관점에서 분류하면, 복잡한 계산 없이도 수의 성질을 파악할 수 있습니다. 이는 추상적인 수학 정리가 시각적이고 직관적인 대칭 구조와 어떻게 맞닿아 있는지를 잘 보여주는 대목입니다. 현대 물리학의 표준 모형은 군의 표현론을 극대화하여 활용한 결과물입니다. 물리학자 머리 겔만은 특정 군의 표현을 연구하던 중 쿼크의 존재를 예측하여 노벨 물리학상을 받기도 했습니다. '모든 것은 행렬이다'라는 관점에서 접근하는 표현론은 군의 대칭성을 벡터 공간 위에서 구현하며, 이는 소립자의 성질을 규명하는 결정적인 도구가 됩니다. 현재 과학계는 전자기력, 약력, 강력에 이어 중력까지 통합하는 대통일 이론을 향해 나아가며 새로운 수학적 군의 발견을 기다리고 있습니다. 랭랜즈 프로그램은 수학의 여러 분야를 통합하는 '대통일 이론'으로서의 가능성을 지니고 있습니다. 정수론, 표현론, 대수기하학이 서로 협력하며 방정식의 유전자를 이해하려는 이 여정은 수학의 끝이 아닌 새로운 시작을 의미합니다. 설령 미래에 이 프로그램이 예상과 다른 방향으로 전개되더라도, 그 과정에서 얻은 통찰은 인류의 지적 자산이 될 것입니다. 거대한 질문의 세계를 탐구하는 도전 정신은 수학을 단순한 학문을 넘어 인간 지성의 승리로 이끄는 원동력이 됩니다.

카오스재단질토과 + 짧강

아이스 아메리카노에 담겨 있는 '우주의 비밀' | 정보우주 Part 2

일상에서 흔히 접하는 아이스 아메리카노가 시간이 지나며 미지근해지는 현상은 우리에게 너무나 당연하게 다가옵니다. 과학적으로 이는 주변 공기 입자들이 커피 입자들에게 운동 에너지를 전달하며 전체 에너지가 보존되는 과정입니다. 하지만 이론적으로는 커피 입자가 스스로 에너지를 내어주며 더 차갑게 얼어붙는 상황도 에너지 보존 법칙을 위배하지는 않습니다. 그럼에도 불구하고 우리는 실생활에서 그러한 역행 현상을 단 한 번도 목격할 수 없는데, 이는 우리 우주에 존재하는 에너지 흐름에 특정한 방향성이 존재함을 시사합니다. 에너지 흐름의 방향성을 결정짓는 핵심적인 요소는 바로 확률입니다. 칸막이로 분리된 상자 속의 흰색 공과 노란색 공이 섞이는 과정을 상상해 보면, 시간이 흐를수록 공들은 무작위로 뒤섞여 고른 분포를 이루게 됩니다. 수많은 입자가 존재하는 현실 세계에서 이들이 다시 본래의 완벽하게 정돈된 상태로 돌아갈 확률은 우주의 나이보다 수조 배 긴 시간이 흘러야 겨우 한 번 일어날까 말까 한 수준입니다. 결국 열역학 제2법칙의 본질은 우리 우주가 항상 더 일어날 법한, 즉 더 높은 확률을 가진 상태로 나아간다는 자명한 이치를 의미합니다. 물리학자들은 이 당연해 보이는 자연의 흐름을 정량적으로 측정하여 설계나 예측에 활용하고자 노력했습니다. 1865년 루돌프 클라우지우스는 열량을 온도로 나눈 값을 엔트로피라는 물리량으로 정의하며 고전 열역학의 기틀을 마련했습니다. 그는 두 계 사이의 열 교환 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 계산함으로써, 열이 항상 고온에서 저온으로 흐를 수밖에 없음을 수학적으로 증명해 냈습니다. 분모인 온도가 낮을수록 동일한 열량 변화에도 엔트로피의 증가폭이 더 크기 때문에, 전체 계의 엔트로피는 예외 없이 항상 증가하는 방향으로 움직이게 되는 것입니다. 클라우지우스가 거시적인 관점에서 엔트로피를 정의했다면, 루트비히 볼츠만은 이를 보이지 않는 미시 세계의 입자 운동과 연결했습니다. 그는 기체가 가질 수 있는 위치와 상태의 경우의 수를 의미하는 값을 이용해 엔트로피를 새롭게 정의했습니다. 볼츠만의 관점에서 엔트로피가 증가한다는 것은 계가 가질 수 있는 경우의 수가 최대가 되는 지점을 향해 나아감을 의미합니다. 이러한 통계역학적 접근은 엔트로피가 왜 자연적으로 줄어들 수 없는지에 대한 본질적인 해답을 제시했으며, 오늘날까지도 그를 위대한 물리학자로 기억하게 만드는 결정적인 계기가 되었습니다. 볼츠만의 위대한 발견으로부터 약 70년 후, 정보 이론의 창시자 클로드 샤넌은 정보의 가치를 정의하며 볼츠만 공식과 수학적으로 동일한 형태의 공식을 제시했습니다. 이는 우주의 물리적 질서와 정보의 흐름 사이에 깊은 연관성이 있을지도 모른다는 흥미로운 가능성을 열어주었습니다. 단순히 수식의 형태가 같은 것을 넘어, 정보가 물리적 세계에 실질적인 영향을 미칠 수 있는지에 대한 탐구는 오늘날 과학계의 중요한 화두입니다. 19세기 맥스웰이 제안했던 기묘한 사고 실험인 맥스웰의 악마는 이러한 정보와 열역학의 관계를 이해하는 핵심 열쇠가 될 것입니다.

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[인터뷰] 정현석_양자역학은 하늘을 나는 코끼리를 믿어야 한다?

양자역학은 우리가 일상에서 경험하는 고전적 세계와는 전혀 다른 원리로 작동하는 미지의 영역입니다. 많은 이들이 대학 시절 수식과 계산을 통해 처음 양자역학을 접하지만, 그 깊은 의미를 깨닫는 순간은 양자 중첩이나 양자 얽힘과 같은 개념이 주는 신선한 충격을 마주할 때입니다. 이는 이전까지 우리가 이해해 왔던 세계관을 완전히 뒤흔드는 경험이며, 고전적 대응점을 찾을 수 없는 당혹감을 동반하기도 합니다. 이러한 낯선 경험은 물리학자들에게도 새로운 탐구의 문을 여는 계기가 됩니다. 우리가 양자역학을 이해하기 어려운 근본적인 이유는 우리의 직관이 일상적인 경험의 축적으로 형성되었기 때문입니다. 경험이 쌓여 만들어진 직관은 세계를 해석하는 기준이 되지만, 양자 세계의 현상들은 이러한 상식과 정반대로 나타나는 경우가 많습니다. 마치 하늘을 나는 코끼리가 있다는 말을 믿기 힘든 어른의 마음으로는 양자역학의 실체를 받아들이기 쉽지 않습니다. 따라서 이 기묘한 세계를 온전히 이해하기 위해서는 고정관념을 버리고 어린아이와 같은 유연한 사고방식을 가질 필요가 있습니다. 흔히 전자를 입자인 동시에 파동이라고 설명하지만, 이는 사실 우리가 자연 현상을 설명하기 위해 도입한 모형에 불과합니다. 전자는 그저 자기 자신으로 존재할 뿐이며, 상황에 따라 입자 모델이나 파동 모델로 설명되는 면모를 보일 뿐입니다. 논리적으로 접근하자면 양자 중첩이 보다 근본적인 성질이며, 이러한 중첩이 가능하기 때문에 입자와 파동이라는 두 가지 모습이 나타난다고 볼 수 있습니다. 즉, 양자 중첩은 고전적 '이것 아니면 저것'의 논리를 뛰어넘어 양자 세계의 본질을 형성하는 핵심적인 원리입니다. 양자 얽힘은 멀리 떨어져 있는 두 물체 사이에 존재하는 비고전적 상관관계를 의미합니다. 고전적 세계에서는 상자 속 공의 색깔을 확인하는 것처럼 이미 결정된 상태를 확인하는 수준에 그치지만, 양자 얽힘은 양자 중첩에 기반한 훨씬 강력한 연결 고리를 가집니다. 이러한 특수한 연결은 현대 양자 정보 처리 기술에서 매우 유용하게 활용되며, 물리적 거리를 초월하여 정보를 다루는 새로운 가능성을 제시합니다. 이는 단순한 이론적 가설을 넘어 실제 기술 구현을 위한 핵심적인 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 슈뢰딩거의 고양이 역설은 이러한 양자 중첩의 개념을 거시 세계로 확장하여 우리에게 질문을 던집니다. 원자와 같은 미시 세계의 중첩이 고양이와 같은 거시적 생명체의 생사 중첩으로 이어질 수 있는지에 대한 논의는 물리학계의 거대한 화두였습니다. 아인슈타인은 이를 두고 양자역학이 불완전한 이론이라 비판하며 더 완전한 이론이 등장할 것이라 믿었지만, 현대 물리학은 실험을 통해 자연의 본질 자체가 확률적이고 중첩적이라는 사실을 받아들였습니다. 결국 양자역학은 자연을 바라보는 우리의 시각을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다.

정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[인터뷰] 염한웅 _ 발열 없는 꿈의 소자, 솔리톤 입자

최근 포스텍 연구팀은 실리콘 기판 위에서 새로운 형태의 입자인 '솔리톤'을 발견하는 성과를 거두었습니다. 솔리톤은 원자 두세 개 정도의 아주 작은 크기를 지니며 매우 빠르게 움직이는 특성이 있어, 그동안 개별 입자를 정지된 상태에서 관찰하는 것이 물리학계의 난제로 남아 있었습니다. 연구진은 특정한 조건을 조성하여 수십 년간 베일에 싸여 있던 솔리톤의 정지 상태를 현미경으로 포착하는 데 성공했습니다. 이는 미시 세계의 역동적인 입자를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 우리가 일상에서 사용하는 컴퓨터와 전자기기는 전자의 흐름인 전류를 이용해 정보를 전달합니다. 하지만 전자는 이동 과정에서 필연적으로 에너지를 소모하며 열을 발생시킨다는 한계가 있습니다. 만약 에너지를 소모하지 않고 이동하는 새로운 입자를 정보 매개체로 활용할 수 있다면, 전력 소모가 거의 없는 혁신적인 정보 전달 체계를 구축할 수 있습니다. 이번에 발견된 솔리톤은 이러한 차세대 소자 개발의 핵심적인 후보로 주목받고 있으며, 에너지 효율을 극대화한 미래 기술의 토대가 될 것으로 기대됩니다. 성공적인 과학 연구를 위해서는 요리처럼 정교한 '레시피'가 필요합니다. 어떤 재료를 언제 투입하고 실험의 각 단계를 어떻게 구성하느냐에 따라 연구의 결과물은 완전히 달라지기 때문입니다. 기초과학연구원(IBS)은 이러한 전문적인 연구를 수행하기 위해 학생 교육을 넘어 박사급 연구원들이 협력하는 집단 연구 체제를 지향합니다. 고도의 전문성을 갖춘 연구자들이 모여 협동 연구를 진행함으로써, 개별 연구실 단위에서는 달성하기 어려운 수준 높은 과학적 성취를 이끌어내고 국가 기초과학의 경쟁력을 강화하고 있습니다. 한국의 본격적인 기초과학 연구 역사는 약 30년 정도로, 짧은 시간 동안 비약적인 발전을 이루어 왔습니다. 하지만 노벨상 수준의 세계적인 성과를 내기 위해서는 단순히 현재의 성과를 홍보하는 것을 넘어, 국가 전체의 연구 수준을 한 단계 더 끌어올려야 합니다. 세계가 주목할 만한 독창적인 연구 성과를 창출하는 데 최소 10년, 그리고 그 성과가 국제 학계에서 충분히 검증되고 확산되는 데 또 다른 10년의 시간이 필요합니다. 즉, 긴 호흡으로 기초 체력을 다지는 과정이 노벨상이라는 결실을 맺기 위한 필수적인 전제 조건입니다. 최근 우수한 인재들이 의대로 쏠리는 현상에 대해, 과학계는 단순히 우려하기보다 과학 자체의 매력을 높이는 근본적인 대책을 고민해야 합니다. 의료 서비스의 질을 높이기 위해 재능 있는 이들이 의사가 되는 것은 자연스러운 일이지만, 과학에 흥미를 가진 인재들이 주저 없이 과학자의 길을 선택할 수 있는 환경이 조성되어야 합니다. 과학자들이 사회적으로 충분한 보상과 인정을 받고, 자신의 연구가 세상을 바꿀 수 있다는 확신을 가질 수 있을 때 비로소 다양한 재능을 가진 인재들이 과학기술의 미래를 밝히는 주역으로 성장할 것입니다.

염한웅

카오스재단석학인터뷰

물리학

[과학자가 쓴 과학책 #26] 김항배_태양계가 200쪽의 책이라면 ㅣ 태양계를 200쪽의 책 안에 담을 수 있을까?

과학은 복잡한 세상을 이해하기 위해 '모형'이라는 도구를 사용합니다. 모형은 대상의 실제 모습을 완벽하게 재현하기보다는, 우리가 대상을 어떻게 이해하고 있는지를 보여주는 방식입니다. 이론 물리학자들이 복잡한 암소를 단순한 구형으로 가정(구형 암소)하고 문제를 해결하듯, 과학적 탐구는 본질적인 요소를 추출하여 단순화하는 과정에서 시작됩니다. 이러한 단순화는 우리가 우주라는 거대한 대상을 인간의 지성으로 파악할 수 있게 돕는 핵심적인 전략입니다. 우리가 흔히 접하는 태양계 그림은 행성들이 오밀조밀 모여 있는 모습이지만, 실제 태양계는 상상 이상으로 공허합니다. 태양을 14cm 크기의 자몽이라고 가정하면, 지구는 15m 떨어진 곳에 놓인 1.3mm 크기의 좁쌀에 불과합니다. 가장 먼 해왕성은 450m나 떨어져 있어, 실제 비율로 태양계를 구현하려면 거대한 공원이 필요할 정도입니다. 이러한 공간적 거리감을 직접 느껴보는 것은 우리가 우주를 인식하는 방식에 커다란 변화를 가져다줍니다. 인류는 아주 오래전부터 밤하늘에서 별들 사이를 움직이는 '행성'의 존재를 인식하고 그 규칙성을 연구해 왔습니다. 메소포타미아와 이집트, 그리스 문명을 거치며 축적된 관측 데이터는 정교한 수식과 기하학적 모형으로 발전했습니다. 특히 프톨레마이오스의 천동설은 비록 현대의 관점에서는 틀렸을지라도, 당시의 관측 사실을 설명하기 위해 고안된 매우 과학적이고 정교한 체계였습니다. 이는 인간이 우주의 질서를 찾으려 노력해 온 역사의 산물입니다. 17세기 갈릴레오가 망원경으로 하늘을 바라보면서 천문학은 새로운 국면을 맞이했습니다. 금성의 위상 변화와 토성의 고리를 직접 목격하며 지동설에 대한 확신을 얻었고, 이는 뉴턴의 만유인력 법칙으로 이어져 천체 운동의 원리를 완벽하게 설명하게 되었습니다. 하늘의 행성과 지상의 물체가 동일한 물리 법칙을 따른다는 발견은 인류 지성사에서 가장 혁명적인 사건 중 하나였으며, 이를 통해 우리는 태양계를 단순한 관찰 대상이 아닌 물리적 실체로 이해하게 되었습니다. 우주 탐사는 지구의 중력을 벗어나는 초속 11km의 탈출 속도를 확보하는 것에서 시작됩니다. 하지만 더 먼 행성으로 나아가기 위해서는 태양의 중력까지 극복해야 하며, 이는 엄청난 에너지와 시간을 필요로 합니다. 1970년대 보이저 프로젝트는 행성의 중력을 이용해 속도를 높이는 '스윙바이' 기술을 활용하여 이 한계를 극복했습니다. 170년에 한 번 찾아오는 행성 배열의 기회를 포착한 이 여정은 인류가 태양계의 끝자락까지 시야를 넓히는 결정적인 계기가 되었습니다. 태양계의 행성들이 저마다 다른 모습을 띠게 된 결정적인 이유는 형성 당시의 온도와 '동결선'의 위치에 있습니다. 태양과 가까운 안쪽 영역은 온도가 높아 물이 기체 상태로 존재했기에 무거운 암석 중심의 암석 행성들이 형성되었습니다. 반면 동결선 바깥쪽은 물과 메탄이 얼음 형태로 존재할 수 있어 거대한 기체 행성들이 탄생할 수 있었습니다. 이처럼 행성의 운명은 태양으로부터의 거리에 의해 결정되었으며, 이는 우주의 다른 별들에서도 보편적으로 나타나는 현상일 것입니다. 보이저 1호가 태양계를 떠나며 뒤돌아 찍은 '창백한 푸른 점' 사진은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 광활하고 공허한 우주 속에서 지구는 단 한 픽셀의 작은 점에 불과하지만, 그 안에는 인류의 모든 역사와 생명이 담겨 있습니다. 밖에서 바라본 지구의 모습은 우리가 발을 딛고 있는 이 땅이 얼마나 소중하고 특별한지를 깨닫게 합니다. 태양계의 광활한 빈 공간을 느껴보는 과정은 결국 우리 자신과 우리가 사는 세상을 새로운 시각으로 바라보는 여정이라 할 수 있습니다.

김항배

카오스재단읽다과학

천문학

[과학자가 쓴 과학책 #24] 이종필_빛의 전쟁 ㅣ과학자가 SF를 쓴다면?

이종필 교수는 물리학자이자 저술가로서 대중에게 과학의 즐거움을 전해온 인물입니다. 그는 스스로를 '글 쓰는 물리학자'라고 정의하며, 과학적 사실을 넘어선 서사의 힘에 주목해 왔습니다. 최근 그가 선보인 소설 '빛의 전쟁'은 단순한 교양 과학서를 넘어 추리 소설의 형식을 빌려 과학적 상상력을 극대화한 작품입니다. 물리학자의 시선으로 그려낸 이 이야기는 독자들에게 현대 과학의 최전선이 어디인지, 그리고 그 너머에 무엇이 있을지를 생생하게 보여줍니다. 과학을 소재로 한 소설을 집필하게 된 계기는 과학의 대중화에 대한 깊은 고민에서 비롯되었습니다. 기존의 교양 과학 도서들이 다소 딱딱하고 사실 전달에 치중했다면, 소설이라는 장르는 독자들이 페이지를 넘기는 즐거움을 느끼게 합니다. 저자는 학창 시절부터 이어온 문학적 감수성과 물리학자로서의 전문성을 결합하여, 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌 흥미진진한 엔터테인먼트가 될 수 있음을 증명하고자 했습니다. 이는 과학 문화 활동의 새로운 지평을 여는 시도이기도 합니다. 소설 속에는 인공지능, 양자 컴퓨터, 중성자별 등 현대 물리학의 핵심 소재들이 등장합니다. 저자는 현재의 과학 기술 단계와 상상력의 지점을 매끄럽게 연결하는 데 가장 큰 공을 들였습니다. 딥러닝의 원리나 구글의 양자 컴퓨터 실험 같은 실제 사례들을 출발점으로 삼아, 그것이 극한으로 발달했을 때 벌어질 수 있는 상황을 설득력 있게 묘사했습니다. 이러한 정교한 설정은 독자로 하여금 어디까지가 현실이고 어디서부터가 허구인지 경계를 넘나드는 지적 유희를 제공합니다. 물리학에서 '5시그마'라는 개념은 단순한 숫자를 넘어 과학적 발견을 인정하는 엄격한 기준이 됩니다. 통계학적으로 표준편차의 5배를 의미하는 이 수치는, 어떤 현상이 우연히 발생할 확률이 약 350만분의 1에 불과할 때 사용됩니다. 즉, 이 기준을 통과했다는 것은 해당 발견이 통계적 오류가 아닌 실재하는 물리적 현상임을 보증하는 것입니다. 소설은 이러한 과학적 방법론을 서사 속에 녹여내어, 진실을 추적하는 과정에 객관성과 긴장감을 부여합니다. 양자역학의 역사에서 아인슈타인과 코펜하겐 학파 사이의 논쟁은 빼놓을 수 없는 대목입니다. 아인슈타인은 '신은 주사위 놀이를 하지 않는다'며 양자역학의 확률론적 성격을 부정했고, EPR 역설을 통해 이론의 불완전성을 주장했습니다. 그러나 이후 벨의 부등식 실험 등을 통해 양자역학의 정당성이 입증되었고, 이는 현대 물리학의 공고한 토대가 되었습니다. 소설은 이러한 철학적, 과학적 대립을 인물들의 갈등과 사건의 배경으로 활용하여 이야기의 깊이를 더합니다. 정보 보존은 현대 물리학의 중요한 화두 중 하나입니다. 스티븐 호킹은 한때 블랙홀에서 정보가 사라진다고 주장했으나, 결국 양자역학의 원리에 따라 정보는 보존된다는 사실을 인정하며 자신의 오류를 바로잡았습니다. 소설에서는 광자로부터 정보를 추출하거나 사건의 흔적을 재구성하는 설정을 통해 이러한 물리적 원리를 극대화합니다. 이는 마치 범죄 현장에서 증거를 수집해 진실을 밝혀내는 과정과도 닮아 있어, 과학이 지닌 탐구의 본질을 효과적으로 드러냅니다. 마지막으로 이 작품은 과학 기술과 국가주의의 관계에 대해 묵직한 질문을 던집니다. 과학적 성과가 국가 경쟁력이나 안보의 수단으로만 소비되는 현실 속에서, 과학의 본질적 가치와 사회적 책임 사이의 갈등을 조명합니다. 뛰어난 기술이 인류를 위해 어떻게 쓰여야 하는지, 그리고 그 과정에서 필요한 사회적 합의는 무엇인지에 대한 고민이 인물들의 행보를 통해 투영됩니다. 이는 과학이 실험실을 넘어 우리 삶과 역사 속에서 어떤 의미를 지녀야 하는지를 다시금 생각하게 합니다.

이종필

카오스재단읽다과학

물리학

[인터뷰] 이종필_과학자가 장편소설을 냈습니다!

과학을 대중에게 설명할 때 가장 어려운 점은 복잡한 이론을 무조건 쉽게만 풀어내라는 요구를 받을 때입니다. 하지만 현대 물리학의 정수인 상대성 이론은 결코 한 문장으로 요약될 수 있는 성질의 것이 아닙니다. 2009년, 필자는 과학 동호회 회원들과 함께 한 달에 한 번, 무려 5시간씩 12회에 걸쳐 일반 상대성 이론을 공부하는 대장정을 시작했습니다. 고등학교 미적분부터 시작해 대학원 수준의 중력장 방정식에 도달하기까지, 참가자들은 엄청난 학습 열의를 보여주었습니다. 이러한 경험은 우리 사회 내부에 잠재된 과학 문화에 대한 갈망과 에너지가 얼마나 거대한지를 확인시켜 준 소중한 계기가 되었습니다. 상대성 이론의 산을 넘은 뒤 마주하게 되는 양자역학은 또 다른 차원의 도전입니다. 상대성 이론이 고전 역학과의 연결 고리를 어느 정도 유지하며 직관적인 이해를 허용한다면, 양자역학은 철저하게 비직관적이며 추상적인 수학적 기초 위에 세워져 있습니다. 행렬과 같은 복잡한 도구를 자유자재로 다루어야 하기에, 이를 전공자가 아닌 분들에게 설명하는 것은 교수자에게도 엄청난 준비와 내공을 요구하는 일입니다. 물리학과 학부 과정에서도 가장 핵심적이면서도 난해한 과목으로 꼽히는 양자역학을 일반인과 함께 스터디한다는 것은, 과학의 대중화라는 측면에서 매우 상징적이고도 어려운 시도가 될 것입니다. 과학자로서 세상을 바라보는 시선은 때로 소설이라는 창작의 영역으로 확장되기도 합니다. 코로나19 팬데믹과 백신 접종을 둘러싼 사회적 갈등을 지켜보며, 과학적 사실이 현실에 적용되는 과정에서 발생하는 수많은 담론에 깊은 관심을 갖게 되었습니다. 이러한 관심은 자연스럽게 SF 소설 집필로 이어졌습니다. 고등학교 시절 문예부 활동을 했던 기억과 동료 작가들의 권유는 창작의 고통을 기꺼이 감수하게 만든 원동력이 되었습니다. 과학 전공자가 써 내려가는 이야기는 단순한 허구를 넘어, 과학적 상상력이 우리 삶과 어떻게 맞닿아 있는지를 탐구하는 새로운 통로가 되어주었습니다. 여러 권의 교양 과학서를 집필해 왔지만, 첫 장편 소설인 '빛의 전쟁'을 마주했을 때의 감정은 이전과는 전혀 달랐습니다. 책 표지에 새겨진 '장편 소설'이라는 일곱 글자는 필자에게 작가로서의 새로운 정체성을 부여해 주었습니다. 소설을 쓴다는 것은 단순히 지식을 전달하는 행위를 넘어, 하나의 세계를 구축하고 그 안에 생명력을 불어넣는 작업이기 때문입니다. 비록 후속편에 대한 고민과 창작의 어려움으로 인해 잠시 주춤하기도 했지만, 주변 작가들의 격려와 3부작을 완성해야 한다는 책임감은 다시금 펜을 들게 하는 힘이 됩니다. 소설가로 다시 태어난 듯한 그 경이로운 기분은 인생에서 가장 기억에 남는 순간 중 하나입니다. 글쓰기의 여정에서 김훈 작가의 건조하면서도 빛나는 문체와 물리학자 스티븐 와인버그의 우아한 통찰력은 늘 지향점이 됩니다. 주어와 서술어만으로도 깊은 울림을 주는 문장, 그리고 복잡한 물리 법칙을 비단결처럼 매끄럽게 설명하는 내공을 닮고 싶기 때문입니다. 앞으로의 버킷리스트는 현실적인 SF를 넘어, 완전히 새로운 세계관을 창조하는 판타지 소설에 도전하는 것입니다. 정교한 과학 이론을 세우는 과정이 판타지 세계의 개연성을 확보하는 것과 본질적으로 닮아 있다는 점은 매우 흥미롭습니다. 물리학자로서 고유한 법칙을 발견하는 꿈과 함께, 대중과 호흡하는 매력적인 이야기를 계속해서 써 내려가고 싶습니다.

이종필

카오스재단석학인터뷰

물리학

[석학인터뷰] 암흑물질의 실체는?ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁4

우주를 구성하는 물질 중 우리가 눈으로 볼 수 있는 것은 극히 일부분에 불과합니다. 암흑물질은 빛을 내지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 은하의 운동이나 중력 효과를 통해 그 존재가 확실시되고 있습니다. 현재 우리가 보유한 광학이나 전파 망원경은 물리적 세계의 아주 좁은 스펙트럼만을 포착할 뿐입니다. 따라서 관측되지 않는 더 많은 물질이 존재한다는 사실은 과학적으로 매우 당연한 귀결이라 할 수 있습니다. 암흑물질은 현대 천문학이 풀어야 할 가장 거대한 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 초기 연구자들은 암흑물질의 정체를 블랙홀이나 갈색왜성처럼 빛을 내지 않는 거대 천체인 '마초(MACHO)'에서 찾으려 했습니다. 하지만 정밀한 탐사 결과, 이러한 천체들은 필요한 암흑물질 양의 약 20% 정도만을 설명할 수 있다는 한계가 드러났습니다. 이에 따라 과학계의 관심은 '윔프(WIMP)'라고 불리는 약하게 상호작용하는 무거운 입자로 옮겨갔습니다. 윔프(WIMP)는 우주 초기에 생성된 소립자로 추정되며, 전자기적 상호작용은 거의 하지 않으면서도 질량을 가지고 있어 암흑물질의 유력한 후보로 오랫동안 주목받아 왔습니다. 문제는 수많은 실험과 검증 과정에도 불구하고 아직 윔프(WIMP)의 실체가 발견되지 않았다는 점입니다. 입자 물리학자들이 예측한 소립자 형태의 암흑물질을 찾으려는 시도가 잇따라 실패하면서, 일각에서는 근본적인 의문을 제기하기 시작했습니다. 만약 암흑물질이 실재하지 않는다면, 우리가 알고 있는 뉴턴 역학이나 중력 이론 자체가 수정되어야 할지도 모릅니다. '수정 뉴턴 역학(MOND)'과 같은 대안 이론들이 거론되는 이유도 바로 이 때문입니다. 기존의 이론적 틀을 넘어서는 거시적인 관점의 전환이 필요한 시점이 다가오고 있습니다. 암흑물질의 또 다른 가능성은 초기 우주의 뜨거웠던 흔적인 '화석 입자'에서 찾을 수 있습니다. 우주 탄생 직후의 고온·고밀도 상태에서는 오늘날과는 비교할 수 없을 정도로 다양한 입자들이 만들어졌을 것입니다. 대부분의 입자는 우주가 팽창하고 식어가는 과정에서 소멸했지만, 일부 안정한 입자들은 화석처럼 남아 오늘날까지 중력적인 영향력을 행사하고 있을 가능성이 큽니다. 이러한 입자들은 일반적인 방법으로는 검출되지 않기에, 강입자 가속기(LHC)와 같은 거대 장치를 통해 그 흔적을 추적하려는 노력이 계속되고 있습니다. 최근 가장 매력적인 후보로 떠오른 것은 '액시온(Axion)'입니다. 본래 액시온(Axion)은 핵물리학의 강한 상호작용 문제를 해결하기 위해 도입된 가상의 입자였으나, 그 성질이 암흑물질과 완벽하게 부합한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 우리 우주가 4차원을 넘어 더 높은 차원을 가지고 있다는 가설 아래 등장한 '칼루자-클라인 입자'나 '원시 블랙홀' 등도 흥미로운 후보군입니다. 특히 액시온(Axion)은 초끈 이론과도 궁합이 잘 맞아, 단순한 가설을 넘어 우주의 근본 원리를 설명하는 핵심 열쇠가 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 이유경, 이필진, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

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[인터뷰] 우주는 유한한가, 무한한가? ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁2

우리가 마주하는 우주는 관측 가능한 우주와 그 너머의 실체라는 두 가지 측면으로 나뉩니다. 빛의 속도가 유한하고 우주의 나이가 약 138억 년이라는 사실은 우리가 볼 수 있는 우주의 범위를 명확하게 제한합니다. 이 유한한 지평선 안에서 우주는 우리를 중심으로 한 거대한 구의 형태를 띠고 있는 것처럼 보입니다. 하지만 이는 단지 빛이 도달할 수 있는 물리적 한계일 뿐이며, 그 너머에 무엇이 존재하는지에 대해서는 여전히 인류의 상상력과 과학적 가설이 치열하게 대립하고 있는 영역입니다. 우주가 무한한지 혹은 유한한지에 대한 논쟁은 현대 천문학의 가장 심오한 질문 중 하나입니다. 만약 우주가 무한하다면 그 안에 담긴 질량과 에너지 또한 무한해야 한다는 논리적 귀결에 도달하게 됩니다. 그러나 빅뱅 이론에 따르면 우주는 한정된 에너지에서 시작되었으며, 천문학자들은 우주의 총질량과 광자의 개수를 측정하며 유한한 모델을 연구해 왔습니다. 최근의 연구 결과들은 우리가 보는 유한한 우주보다 실제 우주가 훨씬 더 거대할 가능성을 시사하며 무한의 개념에 한 걸음 더 다가가고 있습니다. 우주의 모양을 결정짓는 것은 시공간의 곡률과 위상입니다. 아인슈타인의 상대성 이론 이후 시공간은 하나로 묶여 이해되기 시작했으며, 현대 과학은 우주 배경 복사 관측을 통해 우주의 기하학적 구조를 파악하고 있습니다. 현재 가장 유력한 가설은 우주가 평탄한 구조를 가지고 있으며 무한히 팽창하고 있다는 것입니다. 비록 우리가 3차원 이상의 고차원을 직관적으로 시각화하기는 어렵지만, 수학적 모델은 우주가 말안장이나 풍선 표면 같은 곡면이 아닌 평탄한 상태로 끝없이 펼쳐져 있음을 가리키고 있습니다. 인간의 감각은 3차원 공간에 국한되어 있기에 우주의 진정한 모습을 형상화하는 데 한계를 느낍니다. 스티븐 호킹과 같은 물리학자들이 제시한 11차원의 우주나 휘어진 시공간의 개념은 전문가들에게조차 직관적으로 받아들이기 힘든 영역입니다. 우리는 흔히 풍선의 표면이나 말안장 같은 비유를 통해 우주의 곡률을 설명하려 노력하지만, 이는 복잡한 다차원적 실체를 이해하기 위한 최소한의 도구일 뿐입니다. 과학의 발견이 인간의 상상력을 앞지르는 시대에 우주의 참모습은 여전히 거대한 베일에 싸여 있습니다. 결국 우주가 유한한지 무한한지에 대한 확정적인 답은 인류가 영원히 얻지 못할 수도 있습니다. 우리가 관측 가능한 우주 밖의 우주가 다시 되돌아오는 닫힌 구조인지, 아니면 영원히 뻗어 나가는 열린 구조인지 판단할 데이터가 부족하기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 천문학자들은 유한한 관측 데이터를 바탕으로 무한의 가능성을 탐구하며 우주의 기원을 추적합니다. 우리가 살고 있는 이 유한한 세계는 어쩌면 거대한 무한의 일부일지도 모르며, 그 신비를 밝히려는 노력 자체가 인류 과학이 나아가는 본질이라 할 수 있습니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

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[인터뷰] 이성빈_ 양자역학, 항상 상식(선입견)이 문제입니다! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

이성빈 교수는 어린 시절부터 확고한 과학자의 꿈을 가졌던 것은 아니었지만, 고등학교 시절 매체를 통해 접한 우주와 은하에 대한 호기심을 계기로 물리학의 길에 들어섰습니다. 대학 진학 후 양자역학을 깊이 있게 배우면서 학문의 매력을 느꼈고, 이후 응집물리학이라는 생소한 분야의 재미를 발견하며 연구에 매진하게 되었습니다. 특히 눈에 보이지 않는 미시 세계의 원리를 탐구하는 과정에서 느꼈던 학문적 깊이는 그를 이론물리학자의 길로 이끄는 결정적인 계기가 되었습니다. 연구 과정에서 마주하는 가장 큰 장애물은 역설적이게도 우리가 태어나면서부터 자연스럽게 갖게 된 일상적인 직관과 선입견입니다. 물체가 굴러가야 한다는 식의 상식은 양자역학의 미시 세계 원리와 정면으로 충돌하기 때문입니다. 이러한 고정관념을 타파하는 특별한 비법은 존재하지 않으며, 오직 끊임없는 공부를 통해 실험이 보여주는 결과를 편견 없이 수용하는 태도만이 진리에 다가가는 유일한 길임을 강조합니다. 이는 학자로서 가져야 할 가장 기본적이면서도 어려운 자세이기도 합니다. 현재 그의 주된 연구 주제는 물질 내부에서 전자가 어떻게 흐르는지를 규명하는 것이며, 특히 자석과 관련된 현상을 깊이 있게 다루고 있습니다. 양자역학은 우리의 상식을 깨는 신선함을 제공하며, 당장의 실용성을 예측하기는 어렵지만 과거의 양자역학이 현대 전자제품의 기반이 되었듯 미래의 가능성을 품고 있습니다. 연구의 연장선에서 매 순간 느끼는 학문적 즐거움은 그가 10년 뒤를 기약하기보다 현재의 탐구 과정 자체에 몰입하게 만드는 원동력이 됩니다.

이성빈

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물리학

[연구뭐하지] 김근수 교수_연세대학교 '밴드구조제어연구단' | 실험과 이론 어느 것도 놓치고 싶지 않아! 모멘텀 공간의 전자 구조를 가장 정밀하게 측정할 수 있는 곳

고체 물리학은 우리 주변 물질의 다양한 성질을 과학적으로 분석하고 제어하는 학문입니다. 연세대학교 밴드구조제어연구단은 고체 내 전자들이 실제 공간이 아닌 운동량 공간에서 형성하는 구조를 정밀하게 측정하는 데 집중합니다. 이러한 전자 구조는 물질의 투명도나 전기 전도성 같은 기본적인 물성부터 초전도 현상과 같은 신비로운 물리적 특성까지 결정하는 핵심적인 틀이 됩니다. 연구진은 이를 통해 물질의 메커니즘을 파악하고 인류에게 유용한 방식으로 제어하는 것을 궁극적인 목표로 삼고 있습니다. 기초 과학의 연구 성과는 세상에 미치는 파급 효과가 매우 넓고 깊습니다. 특히 상온 초전도체의 구현은 현대 물리학이 추구하는 거대한 목표 중 하나로, 이것이 실현된다면 인류의 에너지 문제는 획기적인 전환점을 맞이하게 될 것입니다. 전력 수송 과정에서의 에너지 손실을 거의 완벽하게 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 자기 부상 열차와 같은 효율적인 교통 시스템을 통해 사회 전반의 비용을 획기적으로 절감할 수 있기 때문입니다. 이러한 변화는 단순한 기술 발전을 넘어 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꾸는 계기가 될 것입니다. 물질의 성질을 깊이 있게 이해하기 위해 연구실에서는 각분해 광전자 분광기(ARPES)라는 첨단 장비를 활용합니다. 이 장비는 물질 내부 전자의 에너지와 운동량 관계를 직접적으로 측정하여 전자 구조를 시각화하는 역할을 합니다. 흥미로운 점은 이러한 실험 과정이 단순히 데이터를 얻는 것에 그치지 않고 이론적인 계산과 밀접하게 연결되어 있다는 것입니다. 학생들은 직접 전자 구조를 계산하고 이를 실험 결과와 비교하며, 이론과 실험이 결합된 입체적인 연구를 수행함으로써 물리학자로서의 역량을 다각도로 성장시킬 수 있습니다. 연구의 지평을 넓히기 위해 연구진은 국내외의 다양한 방사광 가속기 연구소를 적극적으로 활용하고 있습니다. 포항 방사광 가속기를 비롯하여 미국 UC 버클리의 ALS, 영국의 다이아몬드 라이트 소스 등 세계적인 연구 시설을 방문하여 실험을 진행합니다. 이러한 해외 출장은 단순히 연구 장비를 사용하는 기회를 넘어, 24시간 넘게 이어지는 치열한 실험 과정 속에서 선후배 간의 노하우를 전수하고 협력하는 소중한 시간이 됩니다. 낯선 환경에서의 고된 연구 과정은 연구자로서의 끈기를 기르고 글로벌 감각을 익히는 밑거름이 됩니다. 대학원 진학을 고민하는 학생들에게 가장 중요한 것은 지도 교수와의 가치관 공유입니다. 연구 분야의 구체적인 내용도 중요하지만, 교수가 지향하는 연구 스타일과 가치가 본인의 성향과 얼마나 잘 맞는지가 장기적인 성장에 더 큰 영향을 미치기 때문입니다. 전문성을 갖추어 가는 과정은 때로 고통스럽고 치열한 인내를 요구하지만, 국제 무대에서 인정받는 성과를 만들어냈을 때의 성취감은 그 무엇과도 바꿀 수 없습니다. 미래를 위한 투자를 아끼지 않고 세계적인 연구자로 거듭나고자 하는 열정은 연구실을 지탱하는 가장 큰 원동력이 됩니다.

김근수

카오스재단연구뭐하지

물리학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 한국 양궁 9연패의 비밀

한국 양궁이 세계 정상의 자리를 지키는 비결에는 첨단 과학 기술의 힘이 숨어 있습니다. 최근에는 인공지능(AI)과 가상현실(VR) 기술이 훈련에 적극적으로 도입되어 선수들의 기량 향상을 돕고 있습니다. VR 시뮬레이션을 통해 시선의 흐름을 분석하고, 뇌 혈류량이나 근육의 긴장도를 측정하여 심리적 상태를 과학적으로 관리합니다. 특히 안면 인식을 통해 심박수를 실시간으로 파악하는 기술은 선수들이 실전과 같은 압박감 속에서도 평정심을 유지하는 훈련을 가능하게 했습니다. 이러한 체계적인 기술 지원은 한국 양궁의 독보적인 경쟁력을 뒷받침하는 중요한 요소입니다. 양궁의 기본 원리는 중력의 영향을 받는 포물선 운동에 기반합니다. 화살이 발사되는 순간부터 중력은 화살을 아래로 끌어당기기 때문에, 선수들은 과녁보다 약간 위쪽을 향해 활을 쏘게 됩니다. 보통 70미터 거리의 과녁을 맞히기 위해 약 7도의 각도로 화살을 날리는데, 이때 발사 속도는 초당 약 53미터에 달합니다. 발사 각도가 단 1도만 차이가 나도 화살이 도달하는 거리는 10미터 이상 달라질 수 있습니다. 따라서 선수들은 자신의 힘과 장비의 특성을 완벽히 파악하여 매 순간 최적의 각도와 속도를 찾아내는 정교한 감각을 발휘해야 합니다. 전통 놀이인 투호 역시 양궁과 유사한 물리적 원리를 공유합니다. 투호 항아리에 화살을 넣기 위해서는 거리와 높이에 따른 정밀한 계산이 필요합니다. 예를 들어 약 2미터 거리에서 던질 때, 화살이 항아리에 들어가는 입사각이 30도보다 커야 튕겨 나가지 않고 안정적으로 안착할 수 있습니다. 거리가 가까울 때는 직선에 가깝게 던지는 것이 유리하지만, 거리가 멀어질수록 높은 포물선을 그리도록 던져야 성공 확률이 높아집니다. 이처럼 일상적인 놀이 속에도 중력과 궤적을 고려한 과학적 원리가 깊이 투영되어 있음을 알 수 있습니다. 화살이 날아갈 때 발생하는 현상은 양궁의 또 다른 과학적 묘미입니다. 활시위를 놓는 순간 화살은 일직선으로 나가는 것이 아니라, 공기 저항과 물리적 힘에 의해 물고기가 헤엄치듯 좌우로 진동하며 날아갑니다. 이때 화살 뒷부분의 깃은 공기 저항을 이용해 화살의 자세를 바로잡는 중요한 역할을 수행합니다. 또한 깃에 회전을 주어 발생하는 자이로 효과는 화살이 회전축을 유지하며 안정적으로 비행하도록 돕습니다. 이러한 공기역학적 원리를 이해하고 활용하는 것이 정확도를 높이는 핵심 비결 중 하나라고 할 수 있습니다. 기술과 물리적 원리만큼이나 중요한 것은 선수의 신체적 기억과 정신력입니다. 양궁 선수들은 활시위를 당길 때 코나 입술에 활시위가 닿는 미세한 감각을 통해 자신의 자세를 점검합니다. 이는 뇌가 기억하는 최적의 각도를 몸으로 재현하는 과정입니다. 또한 경기 중 발생하는 변수 앞에서도 흔들리지 않는 평정심은 승패를 결정짓는 마지막 열쇠가 됩니다. 한 발의 실수가 있더라도 다음 기회에 집중하며 처음과 같은 마음을 유지하는 정신적 훈련이야말로, 한국 양궁이 오랜 시간 세계 최강의 자리를 지켜온 진정한 힘이라 할 수 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
뇌인지과학
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[인터뷰] 고재현 ─ SF에서 봤던 디스플레이, 실현될 수 있을까? (미래 광기술과 디스플레이)

빛은 단순히 어둠을 밝히는 존재를 넘어 우주와 자연을 이해하는 핵심적인 도구입니다. 우리는 멀리 떨어진 행성이나 항성에서 날아오는 빛을 분석함으로써 그 대상의 성질을 파악하고 우주 진화의 역사를 재구성합니다. 가시광선뿐만 아니라 자외선, X선, 감마선에 이르는 넓은 전자기파 영역은 각기 다른 에너지를 지니며 우리 삶에 영향을 미칩니다. 특히 에너지가 강한 짧은 파장의 빛은 생명체에 치명적일 수 있어, 그 특성을 정확히 분석하고 관리하는 것이 현대 과학의 중요한 과제 중 하나입니다. 디스플레이 기술의 발전은 빛을 제어하는 방식의 변화를 잘 보여줍니다. 과거 브라운관 TV는 전자총에서 발사된 전자빔이 형광체를 때려 빛을 내는 원리를 이용했기에 일정한 두께가 필수적이었습니다. 그러나 현대의 평판 디스플레이는 백라이트를 비추거나 자발광 방식을 채택하여 혁신적인 얇기를 구현했습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 기기의 외형을 바꾸는 데 그치지 않고, 우리가 정보를 소비하고 시각적 경험을 향유하는 방식을 근본적으로 변화시켰습니다. 미래의 디스플레이는 실제 자연의 색감을 그대로 재현하는 실감 영상과 형태의 제약이 없는 자유로움을 지향합니다. 3차원 디스플레이나 옷 자체가 화면이 되는 스트레처블 디스플레이는 더 이상 영화 속 상상이 아닌 현실로 다가오고 있습니다. 이러한 혁신을 가능하게 하는 핵심은 수십만 번 접거나 말아도 성능이 유지되는 고도의 소재 공학입니다. 신뢰성 높은 소재의 개발은 롤러블이나 폴더블 같은 차세대 폼팩터가 우리 생활 속에 안정적으로 자리 잡기 위한 필수적인 전제 조건이 됩니다. 빛은 인간이 직접 도달할 수 없는 극한의 영역을 탐구하게 해주는 유일한 통로이기도 합니다. 예를 들어 목성이나 지구 내부와 같은 초고압 환경을 재현하기 위해 다이아몬드 사이에 물질을 넣고 압축한 뒤, 그곳에 빛을 쏘아 산란되는 정보를 분석합니다. 이를 통해 우리는 직접 가보지 않고도 물질의 내부 상태를 확인하고 자연계에 존재하지 않는 새로운 물질을 합성하기도 합니다. 이처럼 극한 조건의 물리학은 빛이라는 매개체를 통해 인류의 지식 지평을 우주 깊숙한 곳까지 확장하고 있습니다. 연구자의 길은 최첨단 기술의 최전선에서 새로운 분야를 개척하는 보람과 동시에 끊임없는 도전의 연속입니다. 특히 학계에서의 연구는 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 연구실을 운영하고 후학을 양성하며 그들이 독립적인 연구자로 성장하도록 돕는 막중한 책임을 동반합니다. 실험 데이터가 정교한 이론과 일치할 때 느끼는 지적 희열도 크지만, 제자들이 사회로 진출하여 제 역할을 다하는 모습을 지켜보는 것은 교육자로서 누릴 수 있는 가장 깊은 기쁨이자 연구를 지속하게 하는 원동력이 됩니다.

고재현

카오스재단밖에서 만나는 사이언스북스

물리학
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[인터뷰] 김지훈_ 이것으로 별도, 달도, 우주도 만든다 | 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

현대 우주론 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션은 실험이 불가능한 우주를 탐구하는 핵심적인 도구입니다. 연구자들은 은하, 별, 그리고 초거대 질량 블랙홀의 형성 과정을 가상 공간에서 구현하며 우리가 알고 있는 물리 법칙의 타당성을 검증합니다. 직접 우주에 가서 만져보거나 은하의 탄생을 지켜볼 수는 없지만, 정교한 수치 모형을 통해 우주의 진화 과정을 재현함으로써 이론적 가설을 실질적으로 확인하는 독특한 매력을 지닙니다. 시뮬레이션 과정은 매우 정밀하고 방대한 작업입니다. 완벽한 물리 모형을 입력하더라도 컴퓨터의 처리 방식이나 인간의 실수로 인해 오류가 발생할 수 있기에, 하나의 결과물을 얻기 위해 수일에서 수개월의 시간이 소요되기도 합니다. 이러한 연구는 주로 람다 CDM 모형이라 불리는 표준 우주론에 기반을 둡니다. 이는 현재 과학계에서 가장 많은 검증과 확인 절차를 거친 신뢰할 수 있는 틀로, 연구자들은 이 모형을 염두에 두고 우주의 구조를 설계합니다. 우주 구성의 70%를 차지한다고 알려진 암흑 에너지는 여전히 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 과학자들은 우주 팽창을 설명하기 위해 특정 역할을 수행하는 존재가 반드시 필요하다는 판단 아래, 정체는 모르지만 우선 이름을 붙여 자리를 마련해 두었습니다. 존재의 필요성은 인정되나 실체는 모르는 상태인 암흑 에너지를 규명하는 것은 현대 우주론이 직면한 가장 큰 과제 중 하나이며, 이를 해결하기 위한 다양한 이론적 시도가 이어지고 있습니다. 특히 초거대 질량 블랙홀의 기원과 성장 과정은 시뮬레이션 연구의 주요 관심사입니다. 사건의 지평선 망원경을 통해 관측적 증거는 확보되었으나, 이들이 어떻게 처음 생겨나 주변의 가스와 암흑 물질을 흡수하며 거대해졌는지에 대한 이론적 확립은 아직 미비합니다. 연구자들은 컴퓨터에게 물리적 모형을 제시하고 그것이 실제 우주와 유사하게 구현되는지 묻는 과정을 반복합니다. 이러한 상호작용을 통해 블랙홀의 성장 경로를 추적하며 우주의 비밀에 한 걸음 더 다가갑니다. 과학 연구에는 논리적 분석뿐만 아니라 연구자의 직관이나 육감도 중요한 역할을 합니다. 때로는 머리가 아닌 몸으로 느끼는 본능적인 감각이 새로운 발견의 실마리가 되기도 합니다. 또한, 모든 사람이 바라보는 보편적인 관점에서 벗어나 문제를 다른 시각으로 바라보려는 노력은 과학적 진보를 이끄는 원동력입니다. 이러한 다각적인 시선과 끊임없는 탐구 정신은 미래의 과학자들이 갖추어야 할 소양이며, 우주라는 거대한 신비를 풀어가는 열쇠가 될 것입니다.

김지훈

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[해SSUL이 있는 과학뉴스] 뉴스 브리핑 - 5월의 뉴스는?

최근 제트 엔진의 소형화 기술이 비약적으로 발전하면서 영화 속 아이언맨처럼 하늘을 나는 제트 수트가 현실로 다가왔습니다. 과거 거대한 항공기에만 사용되던 제트 엔진이 개인용 이동 수단에 장착될 만큼 작아진 것입니다. 영국의 왕립 해병대는 이미 이 수트를 활용해 군함 사이를 이동하는 훈련에 성공했으며, 시속 140km가 넘는 속도로 비행이 가능합니다. 비록 높은 가격이 장벽이지만, 향후 산악 구조나 재난 현장에서 헬리콥터가 접근하기 어려운 지역의 조난자를 신속하게 구출하는 등 공공의 안전을 위한 핵심 장비로 활용될 가능성이 매우 큽니다. 인공지능 기술은 의료 분야에서도 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 최근 광주광역시를 중심으로 구축 중인 인공지능 의료 지원 체계는 인공지능이 의사를 대체하는 것이 아니라, 방대한 의료 데이터를 분석해 정확한 진단을 돕는 조력자 역할을 수행합니다. 엑스레이나 MRI 판독에서 인간의 한계를 보완하는 인공지능의 능력은 이미 입증되었으며, 이를 뒷받침하기 위한 제도적 정비도 활발히 진행 중입니다. 기술의 발전 속도에 맞춰 법적, 윤리적 가이드라인이 마련된다면, 인공지능은 환자의 생명을 구하고 의료 서비스의 질을 높이는 데 결정적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 지난 5월에는 슈퍼문과 개기월식이 겹치며 붉게 빛나는 '슈퍼 블러드 문'이 밤하늘을 수놓았습니다. 달이 지구와 가까워져 평소보다 크고 밝게 보이는 슈퍼문 상태에서, 지구의 그림자에 완전히 가려지는 개기월식이 일어난 것입니다. 이때 달이 완전히 사라지지 않고 붉은색을 띠는 이유는 지구 대기를 통과한 태양광 중 파장이 긴 붉은 빛만이 굴절되어 달에 도달하기 때문입니다. 과거에는 이러한 적월 현상을 불길한 징조로 여겨 왕이 피신하기도 했으나, 오늘날에는 우주의 신비를 체험할 수 있는 경이로운 천문 현상으로 대중의 큰 관심을 받고 있습니다. 인류의 달 탐사는 이제 단순한 방문을 넘어 상주 기지 건설을 목표로 하는 '아르테미스 프로젝트'로 진화하고 있습니다. 미국을 중심으로 진행되는 이 거대한 여정에 우리나라도 열 번째 참여국으로 이름을 올리며 우주 강국으로의 도약을 준비하고 있습니다. 아르테미스 프로젝트는 달을 화성 탐사를 위한 전초 기지로 활용하려는 원대한 계획을 담고 있으며, 한국은 달의 영구 음영 지역을 촬영할 특수 카메라 개발을 통해 착륙 지점 선정이라는 중요한 임무를 수행할 예정입니다. 이러한 국제적 협업은 우리나라의 독자적인 우주 개발 역량을 강화하는 소중한 밑거름이 될 것입니다. 기초 과학과 생명 공학 분야에서도 놀라운 성과가 이어지고 있습니다. 물리학계에서는 40년간 논란이 되었던 이황화 탄탈럼의 성질이 정밀한 이론 검증을 통해 부도체임이 밝혀지며 물질 예측 모델의 정확도를 한 단계 높였습니다. 한편, 시각 장애를 앓는 환자에게 해조류의 시각 세포를 이식하여 빛과 형태를 감지하게 만든 사례는 의학계에 큰 희망을 주었습니다. 빛을 감지하는 단백질인 로돕신의 원리를 이용한 이 기술은 손상된 시각 세포를 대체할 수 있는 새로운 길을 열었습니다. 이처럼 끊임없는 탐구와 도전은 인류가 마주한 한계를 극복하는 원동력이 되고 있습니다.

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[연구뭐하지] 정성훈 교수_서울대학교 '입자물리현상론 연구실' | 물리학은 그렇게 심오한 학문이 아니에요!!

입자물리 현상론은 초기 우주와 미시 세계에서 일어나는 온갖 현상을 탐구하는 학문입니다. 우주 전체 에너지의 25%를 차지하면서도 그 실체가 직접 확인되지 않은 암흑 물질은 이 분야의 가장 큰 수수께끼입니다. 연구자들은 보이지 않는 존재를 증명하기 위해 다양한 가능성을 열어두고 연구하며, 우리가 아는 우주의 지평선 너머에 무엇이 있을지 끊임없이 질문을 던집니다. 이러한 과정은 우주의 근본 원리를 밝히는 동시에 우리가 상상하지 못한 새로운 미래를 여는 열쇠가 됩니다. 이 연구실은 입자물리학, 우주론, 중력파 등 여러 분야를 유기적으로 연결하여 연구를 진행합니다. 얼핏 서로 다른 분야처럼 보일 수 있으나, 초기 우주라는 지점에서 이들은 긴밀하게 맞닿아 있습니다. 특히 현상론은 추상적인 이론과 구체적인 실험 사이를 잇는 다리 역할을 수행합니다. 이론적 질문에 답할 수 있는 실험을 설계하거나, 현재 진행 중인 실험 결과가 이론적으로 어떤 의미를 갖는지 해석하는 것이 이들의 핵심적인 임무라고 할 수 있습니다. 암흑 물질은 빛이나 전하와 상호작용하지 않기에 그 성질을 밝히기가 매우 어렵습니다. 존재가 알려진 지 수십 년이 흘렀음에도 여전히 베일에 싸여 있는 이유입니다. 연구진은 아인슈타인의 장 방정식과 같은 물리 법칙을 바탕으로, 확률적인 현상과 비확률적인 자연 현상을 모두 아우르며 우주의 가장 작은 구성원들이 어떻게 상호작용하는지 그 비밀을 풀어나가고 있습니다. 중력파는 이 보이지 않는 세계의 비밀을 풀어줄 중요한 단서가 될 것으로 기대됩니다. 훌륭한 물리학자가 되기 위해서는 거창하고 심오한 이론에만 매몰되기보다 우리 주변의 일상적인 현상에 관심을 가져야 합니다. 밤길의 자동차 전조등이 퍼져 보이는 이유나 하늘이 파란 이유 같은 소박한 질문들이 사실은 물리학의 본질과 맞닿아 있기 때문입니다. 또한 한 가지 주제에만 깊게 파고들기보다는 다양한 현상에 호기심을 느끼고 새로움을 추구하는 태도가 중요합니다. 익숙한 풍경 속에서 낯선 물리 법칙을 발견하려는 노력이 우주의 비밀에 다가가는 첫걸음이 됩니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정에는 필연적으로 슬럼프와 어려움이 따르기 마련입니다. 하지만 이를 극복하는 회복 탄력성을 갖추고 꾸준히 나아가는 것이 과학자로서의 중요한 자질입니다. 수학과 물리학을 사랑하며 우주의 비밀을 실험 가능한 영역에서 풀어보고 싶은 열정이 있다면 누구나 이 탐험에 동참할 수 있습니다. 상상하기 어려운 영역을 다루기에 진입 장벽은 높지만, 그만큼 연구의 과정은 가치 있습니다. 학계의 미래를 이끌어갈 새로운 인재들이 이 흥미로운 여정에 함께하기를 기대합니다.

정성훈

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물리학

[명강리뷰] 레이저는 한마디로 ‘빛 증폭기’ by 이용희ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 7강

인류는 태양과 별, 불에 의존하던 시대를 지나 스스로 빛을 만들어내는 법을 터득했습니다. 그중에서도 가장 드라마틱한 발명품은 바로 레이저입니다. 레이저는 우리가 흔히 보는 백열등이나 자연광과는 본질적으로 다른 특성을 지닙니다. 빛을 일정한 방향으로 똑바로 나아가게 하는 직진성, 하나의 색만을 가지는 단색성, 그리고 빛의 파동이 서로 일치하는 간섭성이 그것입니다. 이러한 특성 덕분에 레이저는 에너지가 흩어지지 않고 먼 거리까지 집중되어 전달될 수 있는 특별한 빛으로 정의됩니다. 레이저의 탄생 배경에는 천재 물리학자 아인슈타인의 이론적 토대가 있었습니다. 1917년 그는 '유도 방출'이라는 혁신적인 개념을 제시하며 레이저의 가능성을 열었습니다. 하지만 이론이 실제 장치로 구현되기까지는 약 40년이라는 긴 시간이 필요했습니다. 1960년 메이먼이 최초의 루비 레이저를 만들어내기 전까지 수많은 과학자가 치열한 연구 경쟁을 벌였습니다. 무에서 유를 창조하는 과정에서 겪은 수많은 시행착오 끝에 비로소 인류는 고도로 훈련된 빛인 레이저를 손에 넣게 된 것입니다. 레이저의 핵심 원리인 유도 방출은 외부 에너지를 받은 원자가 높은 에너지 상태에 머물다 특정 빛의 자극을 받아 동일한 위상의 빛을 내놓는 현상입니다. 이를 위해 원자들을 인위적으로 들뜬 상태로 만드는 '밀도 반전' 과정이 필수적입니다. 레이저 장치 내부의 거울 사이에서 빛이 왕복하며 공진하고, 이 과정에서 빛이 기하급수적으로 강해지는 '광증폭'이 일어납니다. 결국 레이저(LASER)라는 이름 자체가 유도 방출에 의한 광증폭을 의미하며, 이는 현대 물리학이 이룩한 거대한 성취 중 하나입니다. 레이저는 그 세기에 따라 무한한 활용 가능성을 보여줍니다. 순간적으로 지구 전체에 쏟아지는 태양 에너지와 맞먹는 엄청난 출력을 한 점에 집중시킬 수 있어 금속을 절단하거나 정밀한 기판을 가공하는 데 사용됩니다. 반면 의료 분야에서는 라식 수술이나 점 제거와 같이 매우 섬세하고 정교한 작업에 활용되기도 합니다. 이론적으로 가능한 수치들을 실제 기술로 구현해냄으로써, 과거에는 상상조차 할 수 없었던 일들이 레이저를 통해 우리 일상에서 현실로 나타나고 있는 것입니다. 현대 정보통신 혁명의 주역은 머리카락 굵기보다 작은 반도체 레이저와 광섬유입니다. 반도체 레이저는 전기 에너지를 직접 빛으로 바꾸어 효율이 높고 크기가 작아 CD 플레이어부터 초고속 광통신까지 폭넓게 쓰입니다. 특히 광섬유를 통한 데이터 전송은 기존 무선 통신보다 수백만 배 많은 정보를 실어 나를 수 있어 현대 사회의 거대한 데이터 고속도로 역할을 합니다. 전자의 시대를 넘어 광자의 시대로 진입한 지금, 레이저는 여전히 새로운 가능성을 제시하며 인류의 상상력만큼 진화를 거듭하고 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[과학원리체험@HOME] 자기총 2부

물리학에서는 복잡한 현실 세계를 설명하기 위해 종종 이상적인 조건을 가정합니다. 외부의 힘이 작용하지 않고 마찰이나 에너지 손실이 전혀 없는 상태를 전제로 논의를 시작하는 것입니다. 이러한 관점은 자동차 사고와 같은 실생활의 충돌 현상을 이해하는 데 매우 유용한 틀을 제공합니다. 사고 당시의 복잡한 구조적 변수를 배제하고 오직 질량과 속도라는 두 가지 핵심 요소에만 집중함으로써, 우리는 충돌의 본질적인 원리와 그 결과를 명확하게 파악할 수 있습니다. 질량이 동일한 두 자동차가 같은 속도로 정면충돌하는 상황을 가정해 보겠습니다. 이때 발생하는 현상의 핵심은 바로 운동량의 전달입니다. 운동량 보존 법칙에 따라 각 차량이 가진 운동량은 충돌 후 상대방에게 전달됩니다. 만약 한 차량이 정지해 있고 다른 차량이 다가와 부딪힌다면, 움직이던 차량은 멈추고 정지해 있던 차량이 원래의 속도로 튕겨 나가게 됩니다. 이는 에너지가 보존되는 과정에서 나타나는 물리적 상호작용의 가장 기초적인 형태라고 할 수 있습니다. 질량이 서로 다른 트럭과 승용차가 충돌할 때는 상황이 더욱 복잡해집니다. 질량이 큰 트럭은 같은 속도라 할지라도 훨씬 더 큰 운동량을 가집니다. 충돌 시 트럭의 큰 운동량이 승용차로 전달되면, 승용차는 자신의 질량에 비해 과도한 에너지를 받게 되어 매우 빠른 속도로 튕겨 나가게 됩니다. 반면 트럭은 승용차로부터 받은 운동량이 상대적으로 작기 때문에 속도 변화가 거의 없습니다. 이는 질량이 클수록 충돌 시 속도 변화가 적어 피해를 덜 입게 되는 물리적 이유를 잘 보여줍니다. 사고가 임박한 순간 운전자가 제동을 하는 행위는 물리적으로 어떤 의미가 있을까요? 놀랍게도 내가 입는 피해는 나의 행동보다는 상대방 차량의 질량과 속도에 의해 결정되는 경우가 많습니다. 내가 제동을 하여 속도를 줄이는 것은 나의 운동량을 감소시키는 행위이며, 이는 결과적으로 내가 상대방에게 가할 충격력을 줄여주는 역할을 합니다. 즉, 사고 순간의 제동은 나 자신의 피해를 직접적으로 줄이기보다 상대방의 피해를 최소화하려는 배려의 물리적 실천이라 할 수 있습니다. 결국 물리학의 운동량 보존 법칙은 우리에게 도로 위에서의 안전 교육과 타인에 대한 배려가 얼마나 중요한지를 일깨워줍니다. 이상적인 조건에서의 계산이 실제 사고의 모든 것을 설명할 수는 없겠지만, 충돌의 원리를 이해하는 것은 사고 예방의 첫걸음이 됩니다. 제동을 하여 속도를 줄이는 작은 노력이 상대방의 생명을 보호하는 결정적인 역할을 할 수 있다는 사실은, 과학이 단순한 수식을 넘어 인간적인 가치와 연결될 수 있음을 시사합니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학

[과학원리체험@HOME] 레이저 회절 2부

빛이 아주 좁은 틈인 슬릿을 통과할 때 나타나는 현상은 우리의 직관과는 사뭇 다릅니다. 단순히 틈의 모양대로 빛이 통과하는 것이 아니라, 옆으로 넓게 퍼지며 밝고 어두운 무늬가 반복되는 회절 현상이 발생하기 때문입니다. 이러한 현상은 빛이 입자가 아닌 파동의 성질을 가지고 있음을 보여주는 결정적인 증거 중 하나입니다. 실험을 통해 슬릿의 폭을 조절하며 관찰하면, 빛이 만들어내는 정교한 회절의 세계를 직접 확인할 수 있으며 이는 물리적 원리를 시각적으로 증명해 줍니다. 슬릿의 폭이 변화함에 따라 나타나는 무늬의 간격은 매우 흥미로운 규칙성을 보입니다. 슬릿의 폭이 0.01 mm로 매우 좁을 때는 밝은 무늬 사이의 거리가 상당히 넓게 형성되지만, 폭을 0.02 mm나 0.05 mm로 점차 넓히면 무늬 사이의 간격은 오히려 좁아지는 것을 볼 수 있습니다. 만약 슬릿을 완전히 개방한다면 빛은 회절되지 않고 다시 하나의 점으로 모이게 될 것입니다. 즉, 틈이 좁아질수록 빛의 회절 효과가 극대화되어 무늬가 더 넓게 퍼지는 결과를 낳는다는 사실을 실험적으로 확인할 수 있습니다. 회절 무늬의 중심부가 가장 밝게 빛나는 이유는 경로 차이에서 찾을 수 있습니다. 슬릿의 위쪽 끝과 아래쪽 끝, 그리고 그 사이의 모든 지점에서 출발한 빛들이 중앙의 한 점에 모일 때, 이들이 이동한 거리는 모두 동일합니다. 파동의 위상이 일치하는 상태로 만나기 때문에 에너지가 합쳐지는 보강 간섭이 일어나게 됩니다. 이처럼 경로의 길이가 같은 지점에서는 빛의 파동이 서로를 강화하며 가장 강렬한 빛의 기둥을 만들어내게 되는데, 이것이 우리가 보는 중앙의 밝은 무늬입니다. 중심에서 벗어나 특정 지점에 이르면 빛은 갑자기 사라지며 어두운 부분을 형성합니다. 이는 슬릿의 서로 다른 지점에서 출발한 빛들 사이에 경로 차이가 발생하기 때문입니다. 특히 경로의 차이가 반 파장만큼 벌어지는 지점에서는 파동의 마루와 골이 정확히 맞물리게 됩니다. 플러스와 마이너스 성분이 만나 서로를 상쇄시키는 상쇄 간섭이 일어나는 것입니다. 이 지점에서는 빛의 에너지가 합산 결과 0이 되어 우리 눈에는 아무런 빛도 보이지 않는 어둠의 영역이 나타나게 됩니다. 단일 슬릿 실험은 빛의 파동성을 이해하는 데 있어 매우 중요한 기초를 제공합니다. 슬릿 폭에 따른 무늬의 변화와 상쇄 간섭의 원리를 이해하면, 현대 광학의 다양한 기술적 토대를 파악할 수 있습니다. 단순히 빛이 직진한다는 고정관념에서 벗어나, 파동으로서 서로 간섭하고 회절하며 공간을 채워나가는 과정을 관찰하는 것은 과학적 사고를 넓히는 소중한 경험이 됩니다. 이러한 미세한 무늬 속에 숨겨진 물리 법칙은 우주의 근본적인 원리를 설명하는 중요한 열쇠가 되어 줍니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학

[석학인터뷰] 박형주 총장의 수학이 불완전한 세상에 대처하는 방법

물리학은 수학이라는 추상적인 언어를 현실의 구체적인 문제와 연결해 주는 가교 역할을 합니다. 수학자가 공학자들의 실무적인 대화를 이해하고 세상의 복잡한 현상을 수식으로 해석하기 위해서는 물리학적 관점이 반드시 필요합니다. 단지 이론적인 수치에만 매몰되지 않고 물리학을 통해 세상을 바라보는 훈련을 한다면, 이전에는 접근할 수 없었던 새로운 학문적 영역에 도전할 소중한 기회를 얻게 됩니다. 이러한 학문 간의 융합은 우리가 가진 지식을 실질적인 가치로 바꾸는 중요한 열쇠가 됩니다. 현대 과학에서 무작위성과 확률은 매우 난해하지만 동시에 대단히 유용한 개념입니다. 인공지능이 방대한 시나리오 중 최적의 수를 찾는 과정이나 열역학의 복잡한 체계를 설명할 때 무작위성을 활용한 샘플링 기법은 필수적입니다. 특히 딥러닝의 핵심인 최적화 이론은 수학적 기반 위에서 작동하며, 선형대수학과 같은 기초 학문은 인공지능을 자신의 분야에 창의적으로 활용할 수 있게 돕습니다. 인공지능의 부상은 결국 수학적 사고의 중요성을 다시금 일깨워주고 있습니다. 수학적 난제에 도전하는 과정은 때로 악마적이라 불릴 만큼 고통스럽지만, 인류는 끊임없이 이를 정복해 왔습니다. 페르마의 마지막 정리를 해결한 앤드루 와일스의 사례처럼, 때로는 문제에만 매몰되기보다 잠시 거리를 두고 다른 분야를 탐구할 때 예상치 못한 해답이 선물처럼 찾아오기도 합니다. 해결되지 않는 문제로 인한 스트레스를 관리하기 위해서는 새로운 시각으로 전환하는 유연함이 필요합니다. 익숙한 틀에서 벗어나 타인의 세상을 엿보는 경험은 학문적 성취를 넘어 삶을 더욱 풍요롭게 만듭니다. 온라인 교육 플랫폼인 무크(MOOC)의 확산으로 지식 습득의 장벽이 낮아지면서 전통적인 대학의 존재 가치에 대한 고민이 깊어지고 있습니다. 이제 대학은 단순한 이론 교육을 넘어 실제 현장의 프로젝트를 수행하며 실질적인 역량을 길러주는 공간으로 거듭나야 합니다. 기업이 진정으로 원하는 인재는 높은 성적보다 복잡한 상황에서 결과를 도출할 수 있는 실전 감각을 갖춘 사람입니다. 대학이 지식 습득은 온라인에 맡기고 오프라인에서는 문제 해결 경험을 극대화하는 방향으로 나아간다면 새로운 시대의 교육 모델을 정립할 수 있을 것입니다. 과학을 연극이나 음악처럼 하나의 공연으로 즐길 수 있다는 발상은 카오스(KAOS) 재단의 탄생으로 이어졌습니다. 대중이 지식 공유를 위해 기꺼이 시간과 비용을 투자할 준비가 되어 있다는 사실은 과학 커뮤니케이션의 새로운 가능성을 보여주었습니다. '무대 위에서 깨어나는 지식'이라는 의미를 담은 카오스는 학자들만의 폐쇄적인 세계를 넘어 대중과 지적으로 소통하는 장을 마련했습니다. 이러한 시도는 우리 사회의 지적 갈증을 해소하고 과학이 문화의 일부로 자리 잡는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.

박형주

카오스재단석학인터뷰

수학

[강연] 무한에서 시작하는 수수께끼 _ by한상근｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 9강

우리는 세상을 살아가며 수많은 질문을 던집니다. 그중에서도 '도대체'라는 말로 시작하는 물음은 사물의 본질과 근원을 꿰뚫으려는 강렬한 지적 욕구를 담고 있습니다. 과학은 바로 이러한 근원적인 호기심에서 출발했습니다. 눈앞에 보이는 현상 너머에 숨겨진 원리를 찾고자 하는 노력은 인류 문명을 발전시킨 핵심 동력이 되었습니다. 우리는 이 질문을 통해 익숙한 세상을 낯설게 바라보고, 그 안에서 새로운 질서를 발견하는 즐거움을 누리게 됩니다. 질문은 멈추지 않는 탐구의 시작입니다. 고대 철학자들부터 현대의 과학자들에 이르기까지, 인류는 우주와 생명의 신비를 풀기 위해 끊임없이 탐구해 왔습니다. 밤하늘의 별을 보며 우주의 크기를 가늠하고, 아주 작은 원자의 세계를 들여다보며 물질의 구성을 이해하려 노력했습니다. 이러한 탐구 과정은 때로는 좌절을 안겨주기도 하지만, 미지의 영역을 하나씩 밝혀낼 때마다 인류의 지평은 넓어집니다. 과학적 사고는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어 세상을 객관적으로 바라보는 눈을 길러주며, 우리를 더 넓은 세계로 안내하는 나침반 역할을 합니다. 현대 과학은 그 범위가 매우 넓고 깊어져서 한 개인이 모든 분야를 완벽히 이해하기란 불가능에 가깝습니다. 물리학, 화학, 생물학 등 각 분야는 고도로 전문화되었으며, 최첨단 기술과 결합하여 매일 새로운 발견을 쏟아내고 있습니다. 하지만 이러한 전문화 속에서도 변하지 않는 가치는 바로 '질문하는 힘'입니다. 복잡한 수식과 실험 데이터 속에서도 우리가 진정으로 알고자 하는 것이 무엇인지 잊지 않는 태도가 현대 과학의 복잡성을 이겨내는 열쇠가 됩니다. 본질을 꿰뚫는 질문은 복잡함 속에서 길을 잃지 않게 도와줍니다. 최근의 과학적 성과들은 여러 학문 분야가 서로 경계를 허물고 협력할 때 더욱 빛을 발합니다. 뇌과학과 인공지능, 생명공학과 윤리학의 만남처럼 서로 다른 시각이 교차하는 지점에서 혁신적인 아이디어가 탄생합니다. 이러한 융합적 사고는 우리가 직면한 복잡한 사회 문제를 해결하는 데에도 필수적입니다. 과학은 고립된 섬이 아니라, 인문학적 성찰과 예술적 상상력이 함께 어우러질 때 비로소 인간을 위한 진정한 가치를 창출할 수 있습니다. 다양한 학문의 만남은 새로운 가능성의 문을 여는 열쇠가 됩니다. 대중과 과학이 소통하는 장은 과학의 대중화를 위해 매우 중요합니다. 전문가들만의 전유물로 여겨졌던 과학 지식이 강연과 매체를 통해 공유되면서, 많은 이들이 과학적 즐거움을 함께 나누고 있습니다. 과학 강연은 단순히 지식을 전달하는 자리가 아니라, 함께 고민하고 질문하며 사고의 폭을 넓히는 축제의 장입니다. 이러한 소통을 통해 과학은 우리 일상 속으로 깊숙이 들어오며, 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되어줍니다. 지식의 공유는 우리 모두를 지적으로 성장하게 만드는 소중한 기회입니다. 우리가 아직 알지 못하는 미지의 영역은 여전히 광활합니다. 암흑 물질의 정체나 생명의 기원, 의식의 본질과 같은 난제들은 여전히 과학자들의 도전 정신을 자극합니다. 모르는 것을 인정하고 그 너머를 궁금해하는 태도는 과학이 가진 가장 큰 매력 중 하나입니다. 정답을 찾는 것보다 중요한 것은 올바른 질문을 던지는 과정 그 자체에 있습니다. 불확실성 속에서도 진리를 향해 한 걸음씩 나아가는 과정은 그 자체로 숭고한 여정이며, 우리에게 겸손함과 동시에 무한한 가능성을 가르쳐 줍니다. 과학의 여정은 결코 끝이 나지 않는 마라톤과 같습니다. 하나의 답을 찾으면 그 뒤에는 또 다른 수많은 질문이 우리를 기다리고 있기 때문입니다. 하지만 이러한 끝없는 탐구야말로 인류를 진보하게 만드는 원동력입니다. 우리는 앞으로도 '도대체'라는 질문을 멈추지 않을 것입니다. 그 질문이 이끄는 곳이 어디든, 우리는 그 길 위에서 세상을 더 깊이 이해하고 사랑하는 법을 배우게 될 것입니다. 과학은 우리에게 세상을 향한 끝없는 설렘을 선사하며, 더 나은 미래를 꿈꾸게 하는 가장 강력한 도구입니다.

한상근

카오스재단카오스강연

수학

올해 과학책 10권 핵심은? - [KAOS X] APCTP 2020 올해의 과학도서 선정 기념 방송 'Book Show'

코로나19라는 유례없는 팬데믹 상황 속에서 과학 도서는 우리에게 단순한 지식 전달 이상의 의미를 갖게 되었습니다. 외부 활동이 제한된 시기에 많은 이들이 책을 통해 세상과 소통하며, 과학적 사고를 바탕으로 현재의 위기를 이해하려 노력했습니다. 이러한 흐름은 과학이 전문가들만의 전유물이 아니라, 시민들이 갖추어야 할 필수적인 교양으로 자리 잡고 있음을 보여줍니다. 과학 문화를 확산시키려는 노력은 결국 우리 사회의 합리성을 높이는 밑거름이 됩니다. 최근 출판 시장의 경향을 살펴보면 과학과 인문학의 경계가 점차 모호해지고 있음을 알 수 있습니다. 과거에는 두 분야가 서로 독립된 영역으로 여겨졌으나, 이제는 인간과 세상을 온전히 이해하기 위해 과학적 배경지식이 필수적이라는 인식이 확산되었습니다. 과학자들은 인문학적 시선으로 자신의 연구를 돌아보고, 인문학자들은 과학적 데이터를 바탕으로 사회 현상을 분석합니다. 이러한 융합적 시도는 독자들에게 더욱 풍성하고 깊이 있는 통찰을 제공하며 과학의 외연을 넓히고 있습니다. 새로운 과학 도서를 선정하는 과정은 단순히 우수한 책을 고르는 것을 넘어, 시대의 변화에 발맞춰 지식을 업데이트하는 과정이기도 합니다. 고전으로 불리는 과학 도서들도 훌륭하지만, 현대 과학이 새롭게 밝혀낸 사실들을 반영한 최신 도서들은 우리에게 더 생생한 정보를 전달합니다. 또한, 신진 작가들을 발굴하여 그들이 지속적으로 좋은 콘텐츠를 생산할 수 있는 토대를 마련하는 것도 중요합니다. 이는 과학 커뮤니케이션 생태계를 건강하게 유지하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 과학은 우리 사회의 복잡한 관계망을 분석하는 강력한 도구가 됩니다. 통계물리학의 원리를 인간 사회의 상호작용에 적용하거나, 과학 기자의 시각으로 사회적 이슈의 팩트체크를 하는 시도들이 대표적입니다. 이러한 접근은 우리가 막연하게 느끼던 사회 현상들을 객관적인 데이터와 가설을 통해 냉정하게 바라볼 수 있게 해줍니다. 시민들이 과학적 사고를 갖추게 될 때, 우리 사회는 갈등을 해결하고 더 나은 방향으로 나아갈 수 있는 합리적인 토대를 마련하게 될 것입니다. 현장에서 직접 발로 뛰는 과학자들의 기록은 독자들에게 특별한 감동을 줍니다. 남극의 극한 환경에서 우주를 관측하거나 박물관에서 고고학 유물을 발굴하며 얻은 생생한 경험담은 과학이 이론에만 머물지 않는다는 사실을 일깨워줍니다. 또한, 인류의 시작부터 현재까지의 과학사를 되짚어보는 작업은 우리가 걸어온 길을 통해 미래를 조망하는 지혜를 제공합니다. 과거의 발견들이 현대 문명에 미친 영향을 이해함으로써, 우리는 과학이 지닌 진정한 가치를 재발견하게 됩니다. 물질의 근본 원리를 탐구하는 물리학이나 우주의 기원을 다루는 천문학은 여전히 많은 이들에게 경이로움을 선사합니다. 우리 주변의 평범한 물질 속에 숨겨진 복잡한 물리 법칙을 이해하고, 광활한 우주 속에서 인류의 위치를 확인하는 과정은 지적 호기심을 충족시키는 소중한 경험입니다. 특히 최신 과학적 성과를 바탕으로 고전적 주제를 재해석한 과학 도서들은 독자들에게 현대 과학의 정수를 맛보게 합니다. 이러한 지식의 탐구는 인간이 세상을 바라보는 시야를 근본적으로 확장해 줍니다. 기후 위기와 환경 파괴는 현재 인류가 직면한 가장 시급하고도 엄중한 과제입니다. 과학적 데이터를 통해 경고하는 거주불능 지구의 시나리오는 우리에게 즉각적인 행동 변화를 촉구합니다. 이는 단순히 과학적 예측을 넘어, 다음 세대에게 어떤 세상을 물려줄 것인가에 대한 윤리적 질문을 던집니다. 우리가 누리는 환경이 결코 당연한 것이 아님을 깨닫고, 과학적 근거를 바탕으로 지속 가능한 미래를 고민해야 합니다. 결국 과학은 인류의 생존과 희망을 위한 가장 강력한 길잡이가 될 것입니다.

백두성, 손승우, 이강영, 장동선

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융합

[그림으로 보는 과학뉴스] 알파폴드 part 1

과거 이세돌 9단과의 바둑 대결로 전 세계를 놀라게 했던 구글 딥마인드가 이번에는 생물학의 거대한 난제를 해결하며 다시금 주목받고 있습니다. 바로 '알파폴드'라는 인공지능 프로그램을 통해 단백질 구조 예측 분야에서 혁신적인 성과를 거둔 것입니다. 이는 지난 50여 년간 수많은 과학자가 매달려온 생물학적 과제를 인공지능이 해결했다는 점에서 과학계에 엄청난 충격을 안겨주었습니다. 단백질 구조 연구는 생명 현상을 이해하는 핵심 열쇠로 평가받으며, 이번 성과는 컴퓨터 과학이 노벨상 수준의 기여를 할 수 있음을 보여주는 사례로 거론되고 있습니다. 생명의 설계도라 불리는 DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합을 통해 아미노산 서열을 결정합니다. 총 64가지의 조합 중 실제로 우리 몸을 구성하는 아미노산은 약 20가지 종류에 불과합니다. 이 아미노산들이 사슬처럼 길게 연결되어 하나의 단백질을 형성하게 되는데, 이것이 단순히 일렬로 늘어서 있는 상태는 에너지가 매우 높아 불안정합니다. 따라서 단백질은 자연스럽게 에너지가 가장 낮은 안정된 상태를 찾아 복잡한 단백질 접힘 과정을 거치게 됩니다. 이러한 물리적 변화가 우리가 흔히 말하는 생명 활동의 기초가 됩니다. 단백질이 어떤 모양으로 접히느냐는 그 단백질이 수행할 기능을 결정하는 결정적인 요소입니다. 예를 들어 우리 몸의 손톱이 딱딱한 성질을 유지하거나 면역 체계에서 항체가 특정 바이러스를 인식하는 기능은 모두 단백질의 3차원 구조에서 비롯됩니다. 즉, 단백질의 3차원 구조를 정확히 파악하는 것은 곧 생명체가 어떻게 작동하는지, 그리고 특정 질병이 왜 발생하는지를 이해하는 근본적인 토대가 됩니다. 구조가 곧 기능을 정의한다는 점은 생물학의 대원칙 중 하나이며, 이를 규명하는 것은 인류가 생명의 신비를 푸는 과정에서 반드시 넘어야 할 산이었습니다. 단백질 구조 연구는 생물학의 영역을 넘어 물리학과 컴퓨터 과학의 융합이 필수적인 분야입니다. 아미노산 서열이 3차원 구조로 변하는 과정은 원자와 분자 사이의 물리적인 힘과 에너지 최적화 원리에 기반하기 때문입니다. 물리학자들은 이러한 미시적인 관점에서 생명체를 구성하는 물질들이 어떻게 안정된 구조를 형성하는지 탐구해 왔습니다. 이는 생명 현상이 단순히 화학적인 반응을 넘어 정교한 물리적 메커니즘에 의해 통제되고 있음을 시사합니다. 학문 간의 경계를 허무는 이러한 다학제적 접근은 복잡한 생명 현상을 시뮬레이션하고 예측하는 데 있어 핵심적인 역할을 수행합니다. 과거에는 단백질의 구조를 밝히기 위해 막대한 시간과 비용이 드는 실험적 방법이 동원되었습니다. 하지만 인공지능을 활용한 시뮬레이션 기술의 발전으로 이제는 컴퓨터가 원자 간의 힘을 계산하여 단백질의 모습을 정밀하게 구현해낼 수 있게 되었습니다. 실험 데이터와 인공지능의 예측치가 일치할 때 연구자들은 생명의 신비를 한 꺼풀 더 벗겨냈다는 희열을 느낍니다. 이러한 기술적 진보는 향후 신약 개발이나 질병 치료 등 인류의 삶을 개선하는 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 이끌어낼 것으로 기대됩니다. 인공지능은 이제 단순한 도구를 넘어 과학적 발견의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

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생명과학
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20세기 초, 인류는 물리학으로 어떤 것들을 알아냈을까? | 주간 1쿠키 EP01

인류가 세상을 이해하기 위해 던져온 수많은 질문 중 가장 본질적인 두 가지는 바로 '만물은 무엇으로 이루어져 있는가'와 '우리가 발디딘 우주는 어떤 방식으로 작동하는가'입니다. 과거 철학자들이 사유와 이성을 통해 자연 현상을 설명하고자 했던 시도는 현대 물리학의 모태가 되는 자연철학으로 이어졌습니다. 오늘날의 입자물리학과 천체물리학 역시 이 두 가지 질문의 연장선상에 자리 잡고 있으며, 우주의 신비를 밝혀내는 열쇠가 되고 있습니다. 거대하고 복잡한 자연을 한 번에 모두 이해하려는 것은 마치 뗏목 하나로 고래를 잡으려는 것처럼 무모한 일일 수 있습니다. 따라서 물리학은 단순한 형태의 움직임을 분석하는 것부터 시작해 변수를 점진적으로 추가해 나가는 방식을 취해왔습니다. 인류의 오랜 사유와 혹독한 수학적 연습이 결합되면서 파편적이었던 물리 개념들은 점차 체계적인 지식으로 구축되었고, 비로소 오늘날의 첨단 연구를 가능하게 만드는 초석이 마련되었습니다. 20세기 초까지의 물리학은 유클리드 기하학에 기반한 절대 공간과 균일한 시간관을 바탕으로 우주를 바라보았습니다. 당시 과학자들은 뉴턴의 운동 법칙과 에너지 법칙을 통해 자연을 설명했으며, 중력과 전자기력이라는 두 가지 거대한 힘의 존재를 이해하고 있었습니다. 또한 역학, 광학, 전자기학 등 개별적으로 발전하던 학문 분야들이 맥스웰의 전자기학과 분자 운동론 등을 거쳐 하나로 유기적으로 통합되기 시작하면서 고전 물리학의 정점을 이루게 됩니다. 물질의 근원을 탐구하는 과정에서 원자핵과 전자의 존재가 밝혀졌고, 원자는 마치 작은 태양계와 같은 구조로 이해되었습니다. 특히 음전하를 띤 전자가 진동할 때 전자기파가 발생한다는 사실은 빛과 무선 통신을 설명하는 핵심 원리가 되었습니다. 전자의 진동수에 따라 통신용 전파부터 가시광선, 자외선, 그리고 전자가 급격히 흔들릴 때 발생하는 X선에 이르기까지 일상의 다양한 파동 현상들이 하나의 맥락으로 명쾌하게 규명되었습니다. 하지만 원자 모형의 발견은 역설적으로 기존 고전 역학의 한계를 드러내는 새로운 질문들을 던져주었습니다. 궤도를 도는 전자가 에너지를 잃고 원자핵으로 왜 빨려 들어가지 않는지, 그리고 양전하를 띤 양성자들이 좁은 원자핵 속에 갇혀 있으면서도 왜 붕괴하지 않는지는 당시의 물리학으로 설명할 수 없었습니다. 이러한 미지의 과제들은 고전 물리학의 한계를 극복하고 현대 양자역학과 상대성 이론으로 나아가는 강력한 원동력이 되었습니다.

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[연구뭐하지?] 신용일 교수_서울대학교 '양자기체 연구실' | 초유동성?! 양자기체?! 이곳에서 물리 폭풍렙업 중!

양자기체 연구는 절대영도에 매우 근접한, 대략 10의 -9승 도 정도의 극저온 상태에서 물질의 성질을 탐구하는 분야입니다. 이렇게 극도로 낮은 온도에서는 기체가 평소와는 전혀 다른 독특한 양자 현상을 보이게 되는데, 그중에서도 마찰 없이 흐르는 성질인 '초유동성'이 핵심적인 연구 대상입니다. 서울대학교 물리천문학부 양자기체 연구실에서는 이러한 신비로운 물리적 현상을 규명하기 위해 다양한 실험적 접근을 시도하며, 자연의 근본적인 원리를 파헤치는 데 주력하고 있습니다. 과거에는 초유동성 연구가 주로 낮은 온도의 고체에서 나타나는 초전도 현상이나 액체 헬륨의 특이한 흐름을 통해 이루어져 왔습니다. 그러나 최근 원자 기체를 극저온으로 냉각할 수 있는 정교한 실험 기술이 비약적으로 발전하면서 연구의 지평이 넓어졌습니다. 이제 과학자들은 원자 기체의 내부 상태를 세밀하게 제어함으로써 새로운 시스템에서 초유동성을 관찰할 수 있게 되었습니다. 이는 양자 다체계 현상을 이해하는 데 있어 매우 중요한 전환점이 되었으며, 현대 물리학의 핵심적인 연구 분야로 자리 잡았습니다. 극저온 양자기체 물성을 연구하기 위해서는 고도의 기술적 숙련도가 요구됩니다. 연구자들은 기본적으로 진공 기술과 레이저 기술을 완벽히 익혀야 하며, 원자 물리학에 대한 깊은 이해가 필수적입니다. 실험 과정은 마치 만 피스짜리 퍼즐을 맞추거나 RPG 게임에서 레벨업을 하는 과정과 비슷합니다. 수많은 부품을 조립하고 정교하게 조정하며 차곡차곡 경험치를 쌓아가는 긴 여정은 때로 어렵고 힘들지만, 그 과정에서 얻는 지적 즐거움과 성취감은 무엇과도 바꿀 수 없는 중독성 있는 매력을 지니고 있습니다. 연구실의 분위기는 자유롭고 수평적인 의사소통을 지향하며, 팀원 간의 협력이 무엇보다 중요하게 여겨집니다. 복잡한 실험 장비를 다루고 방대한 데이터를 분석해야 하기에 팀플레이 능력이 필수적인 덕목으로 꼽힙니다. 일상적인 소통의 한 예로 식사 메뉴를 정하거나 커피 내기를 할 때 가위바위보를 활용하는 등 유쾌한 문화를 공유하기도 합니다. 이러한 유연한 분위기 속에서 연구원들은 서로의 아이디어를 자유롭게 나누며, 창의적인 연구를 지속할 수 있는 동력을 얻습니다. 초유동성과 초전도 현상에 대한 명확한 물리적 이해는 단순히 지식의 확장을 넘어 인류의 실생활에 혁명적인 변화를 가져올 수 있습니다. 만약 상온에서도 저항 없이 전류가 흐르는 초전도체를 개발할 수 있다면, 발전소에서 도시로 전력을 수송할 때 발생하는 막대한 에너지 손실을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 극저온 양자기체 연구는 이러한 꿈의 물질을 설계하기 위한 기초 지식을 제공하며, 에너지 절약과 효율적인 전력망 구축 등 미래 기술의 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.

신용일

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물리학

[궁금한 핵융합 이야기] 핵융합 연구원이 되려면 어떤 전공을 해야할까?

핵융합 분야의 훌륭한 연구자가 되기 위해 가장 먼저 고민해야 할 부분은 전공의 선택입니다. 사실 학부 과정에서는 '핵융합학'이라는 이름의 단독 전공을 찾아보기는 어렵습니다. 따라서 기초가 되는 학문을 먼저 닦는 것이 중요한데, 일반적으로 물리학이나 원자핵공학을 전공하는 것이 가장 큰 도움이 됩니다. 물리학적 사고는 핵융합의 핵심인 플라즈마 현상을 이해하는 기초가 되기 때문입니다. 최근에는 핵융합 연구의 외연이 넓어지면서 컴퓨터공학이나 기계공학, 전기전자공학 분야의 인재들도 많이 필요로 하고 있습니다. 자신이 관심 있는 공학적 토대를 쌓는 것이 연구소로 향하는 첫걸음이 될 수 있습니다. 전문 연구원으로 거듭나기 위해서는 심화 교육 과정을 거치는 것이 필수적입니다. 실제 현장에서 활동하는 대부분의 전문가들도 관련 연구를 수행하는 대학원에서 깊이 있는 공부를 마친 경우가 많습니다. 국내에서는 서울대학교 원자핵공학과를 비롯해 한양대, 포항공대, 카이스트, 울산과학기술원 등 여러 대학에 핵융합 관련 연구실이 활발하게 운영되고 있습니다. 대학마다 중점적으로 다루는 연구 분야나 실험 장비가 다르기 때문에, 본인이 구체적으로 어떤 기술을 연구하고 싶은지 미리 파악하는 것이 중요합니다. 학교의 명성보다는 자신이 흥미를 느끼는 세부 분야를 연구하는 연구실을 찾는 과정이 선행되어야 합니다. 조금 더 특별한 교육 과정을 원한다면 과학기술연합대학원대학교, 즉 UST를 주목해 볼 필요가 있습니다. 이곳은 캠퍼스 자체가 바로 한국핵융합에너지연구원이라는 점이 가장 큰 특징입니다. 석사나 박사 과정 학생들은 연구소 내에서 직접 생활하며 KSTAR와 같은 거대 실험 장치를 가까이에서 접하고 연구할 수 있는 기회를 얻습니다. 실제 진단 장치를 제작하는 프로젝트에 참여하거나 현직 연구원들과 긴밀하게 소통하면서 현장의 생생한 지식을 체득할 수 있다는 점은 UST만의 독보적인 장점입니다. 연구소의 인프라를 온전히 활용하며 실무 역량을 키울 수 있어 핵융합 연구원으로서의 정석적인 코스로 꼽히기도 합니다. 핵융합은 현대 과학의 정점이라고 불릴 만큼 복합적인 분야이므로 특정 전공에만 국한되지 않습니다. 플라즈마 물리를 연구하는 사람도 중요하지만, 거대한 장치를 가동하기 위한 초전도 자석이나 진공 기술을 다루는 기계 및 전기전자 전문가의 역할도 필수적입니다. 또한 최근에는 방대한 실험 데이터를 분석하고 제어하기 위해 인공지능 기법을 도입하는 추세여서 소프트웨어 전공자들의 진출도 활발해지고 있습니다. 이처럼 다양한 배경을 가진 인재들이 한데 모여 협업할 때 비로소 인공태양이라는 거대한 목표를 달성할 수 있습니다. 자신의 전공 분야를 핵융합과 어떻게 접목할지 고민하는 유연한 사고가 연구 현장에서는 무엇보다 필요합니다. 핵융합 연구는 다른 학문에 비해 진입장벽이 상당히 높은 편에 속합니다. 기본적인 물리 법칙을 이해하고 실제 연구에 적용하기까지 꽤 오랜 시간과 인내심이 요구되기 때문입니다. 현장에서는 전문성을 갖추기 위해 박사 학위까지 마치는 것을 권장하는 분위기지만, 학위 자체가 절대적인 제약이 되지는 않습니다. 기술원으로 시작해 연구 역량을 쌓아 논문을 쓰는 경우도 있으며, 배움에 대한 열정만 있다면 연구소 내에서 충분히 성장할 수 있습니다. 결국 중요한 것은 학위의 종류보다는 핵융합이라는 복잡하고 어려운 난제를 끝까지 파고들어 해결하려는 탐구 정신과 전문 지식을 습득하려는 꾸준한 자세라고 할 수 있습니다.

한국핵융합에너지연구원

물리학
융합
공학·기술

[과학자가 쓴 과학책#7] 물리학자 김상욱의 아틀리에 : '점은 명사가 아니라 동사입니다' | 뉴턴의 아틀리에 북토크(1)

유클리드의 '기하학 원론'은 수학적 방법론의 기초를 세운 고전으로, 그 첫 번째 정의는 바로 '점'에 관한 것입니다. 유클리드는 점을 부분이 없는 것이라고 설명했는데, 이는 현대 물리학자들이 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자를 정의할 때 사용하는 표현과 맞닿아 있습니다. 점은 크기가 없기에 부분이 존재할 수 없으며, 이는 우주의 근원을 탐구하는 과학적 시선과 예술적 영감이 만나는 출발점이 됩니다. 결국 과학과 예술은 가장 작은 단위인 점으로부터 세상을 재구성하며 보이지 않는 본질을 정의하려는 노력을 공유하고 있습니다. 조르주 쇠라의 점묘법은 모든 그림이 결국 점들의 집합이라는 사실을 직설적으로 보여주는 예술적 장치입니다. 그의 작품 속 점들은 경계를 모호하게 만들어 부드럽고 몽환적인 느낌을 자아내는데, 이는 현대의 디지털 디스플레이 원리와도 일맥상통합니다. 우리가 매일 마주하는 스마트폰 화면 역시 RGB라는 세 가지 색상의 점들이 모여 모든 이미지를 구현해냅니다. 충분히 작은 점들이 모여 하나의 형상을 이룰 때, 차가운 수학적 구조는 비로소 인간의 눈에 아름다운 예술적 풍경으로 변모하며 과학적 원리가 예술적 감동으로 승화되는 과정을 보여줍니다. 사물을 있는 그대로 재현하는 시대가 저물면서 미술가들은 대상의 본질적인 구조에 집중하기 시작했습니다. 몬드리안의 추상화는 캔버스의 수직과 수평이라는 최소한의 제약 속에서 근원적인 선과 색을 찾아낸 결과물입니다. 이는 물리학자가 대상을 10억 배 확대했을 때 마주하게 되는 차가운 수학적 구조와 매우 닮아 있습니다. 멀리서 볼 때 부드럽고 따뜻해 보이던 존재도 그 근원으로 다가가면 결국 엄밀한 법칙에 따라 배열된 원자들의 집합일 뿐이라는 사실은, 과학과 예술이 세상을 바라보는 방식이 근본적으로 다르지 않음을 시사합니다. 아리스토텔레스는 크기가 없는 점을 아무리 모아도 크기가 있는 선을 만들 수 없다는 심오한 질문을 던졌습니다. 현대 수학은 이를 무한과 극한이라는 개념으로 설명하지만, 물리학적 관점에서 선은 점이 시간에 따라 움직인 궤적을 의미합니다. 즉, 선은 점이 시간화된 형태이며 세상의 모든 운동은 기하학적인 선으로 환원될 수 있습니다. 물리학자가 연구하는 행성의 궤도나 물체의 움직임은 결국 보이지 않는 선을 찾아가는 과정이며, 이러한 선의 미학은 우주의 질서를 설명하는 핵심 언어이자 운동을 기하학으로 바꾸는 마법이 됩니다. 예술 작품에서 스케일은 관람객에게 압도적인 경험을 선사하는 중요한 요소이지만, 물리적으로 크기를 키우는 일은 중력이라는 거대한 제약과 싸우는 과정이기도 합니다. 자코메티의 조각상들이 비정상적으로 가늘고 왜소해 보이는 이유는 그가 중력의 법칙을 거스르며 인간의 고독과 위태로움을 표현했기 때문입니다. 만약 물리적 안정성만을 고려해 다리를 두껍게 만들었다면 그 특유의 고립된 정서는 사라졌을 것입니다. 이처럼 스케일의 변화는 단순히 크기의 문제를 넘어 존재의 무게와 중력이라는 물리적 실재를 다루는 철학적 질문을 던집니다. 데이비드 호크니는 오페라 무대 디자인을 통해 거대한 스케일에 대한 자신감을 얻으며 화풍의 중요한 전환점을 맞이했습니다. 수 미터에 달하는 거대한 캔버스는 관람객의 시야를 가득 채우며 심장을 떨리게 하는 블록버스터와 같은 감동을 선사합니다. 그는 피카소가 평생에 걸쳐 화풍을 바꾼 이유가 자신의 예술적 본질을 지키기 위함이었음을 깨닫고, 자신만의 구상주의적 시각에 모더니즘을 결합했습니다. 거대한 화면 속에 담긴 빛과 색채의 향연은 스케일이 예술적 메시지를 전달하는 강력한 도구가 될 수 있음을 증명하며 관객을 작품 속으로 깊숙이 끌어들입니다. 토마스 사라세노의 설치 미술은 우주의 거대 구조인 '코스믹 웹(Cosmic Web)'을 거미줄에 비유하며 우리의 시각을 뒤집어 놓습니다. 행성처럼 거대해 보이는 구조물도 우주적 관점에서는 먼지에 불과하며, 오히려 연약해 보이는 거미줄이 우주 전체를 지탱하는 본질적인 연결 고리일 수 있다는 통찰을 줍니다. 생명의 소중함은 거창한 구호가 아니라, 보이지 않는 곳에서 위태롭게 살아가는 존재를 인지하는 데서 시작됩니다. 새를 새장에 가두지 않고 마당에 나무를 심는 마음처럼, 과학과 예술은 세상을 있는 그대로 바라보고 사랑하는 법을 우리에게 가르쳐줍니다.

김상욱, 유지원

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[과학자가 쓴 과학책#5] 관계의 과학 by김범준 | KAOS X 공원생활 특집 | 김태훈의 게으른 책읽기

과학은 세상의 아름다움을 이해하는 또 하나의 창입니다. 물리학자는 붉은 노을과 쪽빛 하늘을 보며 빛의 산란이라는 원리를 떠올리지만, 이는 자연의 경이로움을 해치기보다 오히려 더 깊은 감동을 선사합니다. 특히 통계물리학은 수많은 입자가 모여 전체를 이루는 방식을 연구하는 학문으로, 그 대상을 사람과 사회로 확장하면 우리 삶의 복잡한 관계망을 분석하는 훌륭한 도구가 됩니다. 무엇이든 많이 모여 있는 곳에 관심을 갖는 이 학문은 현대 사회를 이해하는 새로운 틀을 제시하며 우리 삶을 더 자세히 들여다보게 합니다. 과학자가 논문이 아닌 책을 쓰는 이유는 주관적인 가치관이나 세상을 바라보는 시선을 더 자유롭게 담기 위해서입니다. 논문은 명확한 증거 없이는 단 한 문장도 쓰기 어렵지만, 책은 과학적 사실에서 출발해 사회적 함의로 나아가는 사유의 확장을 허용합니다. 예를 들어 꿀벌 집단이 의견을 조율하는 과정에서 민주주의의 원리를 발견하는 식입니다. 이러한 시도는 과학적 진술에 개인의 통찰을 더해, 독자들이 미처 생각하지 못했던 새로운 영역으로 사고를 넓힐 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 이는 과학이 상아탑을 넘어 대중과 소통하는 방식이기도 합니다. 우리 사회에는 혈액형과 성격의 상관관계처럼 과학적 근거가 부족한 믿음이 종교처럼 자리 잡기도 합니다. 통계물리학적 관점에서 보면 수만 가지 요인이 얽힌 인간의 심리를 단 네 가지 혈액형으로 분류하는 것은 불가능에 가깝습니다. 하지만 사람들은 어떤 사건이 벌어진 뒤에 그 이유를 끼워맞추려는 경향이 있으며, 이는 때로 특정 집단을 배제하는 위험한 기준으로 작동하기도 합니다. 과학은 이러한 편견을 데이터로 검증함으로써 우리가 세상을 보다 객관적이고 냉철하게 바라볼 수 있도록 이끌어주며, 막연한 공포 대신 합리적인 이해를 제공합니다. 자본주의 시스템 내에서의 부의 불평등 역시 개인의 능력 차이보다는 구조적인 결과로 이해할 수 있습니다. 시뮬레이션에 따르면 시장의 원리에만 맡겨둘 경우 부는 자연스럽게 소수에게 집중되며, 한 번 빈곤의 늪에 빠진 이들은 재기의 기회조차 얻기 힘든 구조가 고착화됩니다. 따라서 기본소득과 같은 사회 보장 제도는 단순히 부를 나누는 차원을 넘어, 실패한 이들에게 '두 번째 기회'를 제공하는 장치가 됩니다. 이는 사회 전체의 역동성을 유지하고 건강한 공동체를 만드는 필수적인 과학적 해법이며, 구성원 모두가 평화로운 삶을 영위하기 위한 기반이 됩니다. 정치권의 법안 발의 데이터를 네트워크 분석으로 살펴보면, 국회의원들이 주로 소속 정당 내에서만 협력하는 폐쇄적인 구조를 확인할 수 있습니다. 이는 초당적인 협력이나 전문성에 기반한 연대보다는 정당 논리가 우선시되는 현실을 보여줍니다. 결국 과학이란 단순히 지식을 암기하는 것이 아니라, 세상을 합리적으로 이해하고 비판적으로 사고하는 태도 그 자체입니다. 이러한 과학적 사고방식이 사회 전반에 확산될 때, 우리는 복잡한 세상 속에서 더 현명한 판단을 내리고 더 나은 미래를 향한 동력을 얻을 수 있습니다. 과학은 우리 사회를 더 나은 방향으로 바꾸는 힘이 됩니다.

김범준

카오스재단읽다과학

물리학

[연구뭐하지?] 우베 피셔 교수 _서울대학교 '차가운 원자이론 연구실' | 세상에서 가장 차가운 원자를 만나다?

현대 물리학의 최전선에서는 수많은 입자가 모여 만들어내는 양자적 행동을 탐구하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 개별 입자들이 독립적으로 존재할 때와 달리, 이들이 집합적으로 상호작용하며 나타내는 다체계 이론은 물리적 세계를 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 특히 원자와 빛 입자 사이의 정밀한 상호작용을 분석함으로써 우리는 눈에 보이지 않는 미시 세계의 질서를 구체화하고 있습니다. 이러한 연구는 단순한 이론 정립에 그치지 않고 실제 실험과의 긴밀한 협력을 통해 그 타당성을 검증하며 새로운 물리적 가능성을 열어갑니다. 극저온 상태의 원자는 물리학자들에게 매우 흥미로운 연구 대상입니다. 온도를 극한으로 낮추면 원자들은 마치 유체처럼 흐르는 독특한 현상을 보이는데, 이를 활용해 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 이는 중력이나 시공간의 곡률과 같은 거시적인 우주 현상을 실험실 내부에서 재현하는 놀라운 과정이라고 할 수 있습니다. 예를 들어 음향학적 호킹 복사나 블랙홀의 특성을 연구함으로써, 우주의 근본적인 원리를 작은 원자들의 움직임을 통해 증명해 나가는 지적 여정을 지속하고 있습니다. 서로 다른 물리적 시스템을 결합하는 하이브리드 시스템 연구는 현대 양자역학의 또 다른 중요한 축을 담당합니다. 초전도체와 극저온 원자 시스템을 융합함으로써 기존의 단일 시스템으로는 관찰하기 어려웠던 새로운 양자 현상을 탐구하는 것이 가능해집니다. 온도를 극도로 낮추었을 때 발생하는 양자역학적 변화는 우리가 흔히 알고 있는 초전도 현상과도 깊은 연관이 있습니다. 이러한 융합 연구는 물리적 경계를 허물고 더 넓은 범위의 과학적 발견을 가능하게 하며 미래 기술의 토대를 마련해 줍니다. 물리학의 진정한 매력은 복잡한 수식 너머에 존재하는 명확한 이미지에 있습니다. 연구자들에게 수식은 단순한 계산 도구가 아니라, 머릿속에 물리적 현상을 그려내고 서로의 생각을 공유하는 가장 효율적인 언어와 같습니다. 때로는 긴 설명보다 한 줄의 수식이 더 명확한 소통의 수단이 되기도 하며, 이를 통해 연구 결과의 방향성을 논의하고 새로운 가설을 세우기도 합니다. 이러한 학문적 소통은 연구자들 사이의 깊은 유대감을 형성하며 새로운 발견을 향한 강력한 동력을 제공해 줍니다. 연구의 성과는 강압적인 분위기가 아닌 연구자의 자율성과 주도적인 태도에서 비롯된다고 믿습니다. 교수의 세심한 가이드라인 아래에서 학생이 스스로 주제를 탐구하고 구상할 수 있는 환경은 창의적인 연구를 가능하게 하는 원동력이 됩니다. 시간 관리를 효율적으로 수행하며 자신의 연구에 책임을 다하는 태도는 물리학자로서 성장하는 데 필수적인 요소입니다. 다양한 배경을 가진 이들이 모여 자유롭게 토론하고 탐구하는 열린 공간에서, 양자역학의 신비로운 세계를 함께 밝혀나갈 동료를 기다리고 있습니다.

Uwe R. Fischer(우베 피셔)

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[과학을 찾는 사람들] 과학쿠키 1편 : 슈뢰딩거의 질문지 part 1

과학은 흔히 어렵고 지루하다는 편견에 부딪히곤 하지만, 과학 유튜버 과학쿠키는 단순히 재미를 넘어 과학의 본질을 전달하는 데 집중합니다. 특히 물리학처럼 눈에 보이지 않는 추상적인 개념들을 설명할 때, 그는 직접 그린 그림을 활용하여 머릿속의 이미지를 직관적으로 시각화합니다. 이러한 방식은 복잡한 수식이나 이론에 가려진 물리 법칙을 대중이 더 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 낙서처럼 시작된 작은 그림들이 모여 과학의 진입장벽을 낮추고 대중과의 접점을 넓히는 중요한 역할을 수행합니다. 현대 물리학의 거장 알베르트 아인슈타인은 실험보다 사고 실험과 통찰을 통해 우주의 비밀을 예견한 인물입니다. 그는 방대한 지식을 조합하여 인류가 미처 생각지 못한 새로운 이론을 정립했으며, 그가 머릿속에서 계산해낸 결과들은 훗날 실제 실험을 통해 증명되며 전 세계를 놀라게 했습니다. 이론 물리학자로서 그가 느꼈을 지적 쾌감은 현대 과학 문명의 발달을 이끄는 원동력이 되었습니다. 보이지 않는 것을 보는 그의 천재적인 직관은 오늘날까지도 많은 과학도에게 깊은 영감을 주며 과학적 탐구의 가치를 증명하고 있습니다. 리처드 파인만은 과학적 업적만큼이나 교육자로서의 열정으로 존경받는 과학자입니다. 그의 '물리학 강의'는 단순히 지식을 나열하는 것을 넘어, 과학자가 어떤 과정을 거쳐 진리에 도달했는지를 독자가 함께 탐구할 수 있도록 구성되어 있습니다. 복잡한 물리 법칙을 타인에게 이해시키기 위해 쏟은 그의 노력은 빌 게이츠를 비롯한 수많은 이들에게 감동을 주었습니다. 파인만의 사례는 과학이 소수 전문가의 전유물이 아니라, 적절한 설명과 열정만 있다면 누구나 공유할 수 있는 지적 자산임을 보여주며 과학의 대중화에 큰 획을 그었습니다. 양자역학은 인간 지성이 도달한 가장 위대한 승리 중 하나로 꼽힙니다. 비록 확률이라는 개념이 직관적으로 받아들이기 어렵고 수식이 복잡할지라도, 그 본질적인 문장은 매우 철학적이고 명료합니다. 우리는 양자역학의 모든 원리를 완벽히 이해하지 못하더라도 이미 실생활에서 이를 폭넓게 활용하고 있습니다. 스마트폰의 터치패드부터 전자레인지, 현대 문명의 핵심인 반도체에 이르기까지 양자역학이 적용되지 않은 곳을 찾기란 쉽지 않습니다. 이는 미시 세계의 법칙이 거시 세계의 기술 혁신을 이끌어내어 인류의 삶을 근본적으로 변화시킨 결과입니다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 그 원자들의 상호작용을 설명하는 학문이 바로 양자역학입니다. 20세기 초에 정립된 이 이론은 슈뢰딩거의 고양이 실험을 통해 그 기묘한 특성을 잘 보여줍니다. 관찰하기 전까지는 삶과 죽음이 중첩되어 있다는 이 역설적인 사고 실험은 미시 세계의 논리가 우리가 아는 상식과 얼마나 다른지를 시사합니다. 비록 상식적으로는 이해하기 힘든 현상일지라도, 이러한 물리 법칙을 탐구하고 증명해 나가는 과정 자체가 인류가 우주를 이해하기 위해 걸어온 위대한 여정이며 지적 도전이라 할 수 있습니다.

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가속도는 점점 빨라지는 것'만'을 나타낼까? | 물체의 운동을 분석하는 강력한 툴, 가속도 이야기 | 1일 1쿠키 EP06

우리가 일상에서 자주 사용하는 '가속'이라는 표현은 보통 속도가 빨라지는 현상만을 뜻하곤 합니다. 하지만 물리학에서 정의하는 가속도는 속도가 빨라지는 것뿐만 아니라 느려지는 현상까지 모두 아우르는 넓은 개념입니다. 가속도의 기본 단위로는 m/s²(미터 매 초 제곱)을 사용하는데, 이는 단순히 초의 제곱으로 나누었다기보다는 '매초마다 속도가 변화하는 정도'를 뜻합니다. 즉, 시간의 흐름에 따른 속도의 변화율을 정량화하여 나타낸 물리량입니다. 가속도는 분석하고자 하는 시간의 범위에 따라 평균 가속도와 순간 가속도로 세분화하여 관찰할 수 있습니다. 평균 가속도는 물체의 처음 상태와 나중 상태의 속도 차이를 전체 소요 시간으로 나누어 구하는 물리량입니다. 반면 순간 가속도는 그 시간 간격을 무한히 0에 가깝게 줄여, 아주 짧은 찰나의 순간에 물체가 겪는 가속도의 변화를 포착한 것입니다. 과학자들은 이러한 순간적인 물리량 변화를 통해 보다 정밀하게 물체의 거동을 예측합니다. 물리학에서 다루는 변위나 속도가 그러하듯, 가속도 역시 크기와 방향을 동시에 지니고 있는 대표적인 벡터(Vector) 물리량입니다. 가속도가 벡터 값을 가진다는 성질 덕분에 우리는 복잡한 물체의 운동 방향과 세기를 2차원 종이나 3차원 공간 상에 화살표로 명확하게 도식화할 수 있습니다. 이러한 벡터 분석은 물체의 움직임을 직관적이면서도 정교한 수학적 도구로 바꾸어 표현할 수 있게 도와주며, 역학 연구에 매우 강력한 기초를 제공합니다. 많은 이들이 가속도를 단순히 빠르기의 변화로만 한정 지어 생각하곤 합니다. 하지만 물리학에서 속도란 방향성을 지닌 개념이기에, 빠르기가 일정하더라도 방향이 꺾이거나 회전하는 움직임 역시 가속도의 범주에 포함됩니다. 실에 묶인 공을 공중에서 일정한 속력으로 돌리는 상황이 이에 해당합니다. 겉보기에는 속력의 변화가 없어 보여도 매 순간 운동 방향이 바뀌기 때문에 이 또한 가속도 운동입니다. 이처럼 가속도는 일상적인 직관을 넘어 우주의 정교한 메커니즘을 설명하는 열쇠가 됩니다. 결과적으로 가속도는 속도가 빨라지거나 느려지는 경우뿐만 아니라, 운동 방향이 지속적으로 변하는 모든 상황에서의 물리적 변화를 나타냅니다. 우리는 변위와 속도, 그리고 가속도라는 세 가지 핵심 개념을 통해 물체의 운동을 온전히 설명할 수 있게 되었습니다. 이러한 기초적인 물리 법칙들은 우리 주변에서 일어나는 수많은 움직임을 이해하는 출발점이 되며, 일상 속 자연 현상 뒤에 숨겨진 정교한 질서를 발견하는 즐거움을 선사합니다.

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'속도'는 물체의 빠르기 뿐만 아니라, 방향도 알려줍니다. | 미분이 왜 필요한 지 알게 되는 영상! | 1일 1쿠키 EP05

속도는 우리 일상에서 매우 친숙한 개념이지만 과학적으로는 더욱 정밀한 정의를 가집니다. 일반적으로 속도는 길이를 시간으로 나눈 값을 의미하며 m/s나 km/h와 같은 단위를 사용합니다. 하지만 과학에서는 단순히 빠르기만을 나타내는 '속력'과 방향까지 포함하는 '속도'를 엄격히 구분합니다. 속도는 물체가 어느 방향으로 얼마큼의 빠르기로 이동하고 있는지에 대한 정보를 모두 담고 있어 속력보다 더 많은 정보를 제공합니다. 따라서 물체의 운동을 정확히 이해하기 위해서는 빠르기와 방향을 동시에 고려하는 속도의 개념을 명확히 파악하는 것이 기초적인 시작점이라 할 수 있습니다. 물체의 운동을 분석할 때 가장 먼저 접하는 개념은 평균속도입니다. 이는 시작점과 끝점이라는 두 가지 위치 정보와 그 사이를 이동하는 데 걸린 시간만을 이용해 구하는 값입니다. 예를 들어 물체가 A에서 B로 이동할 때 중간에 어떤 경로를 거쳤는지는 고려하지 않고, 오직 전체적인 이동의 경향성만을 파악하는 것입니다. 눈을 감고 있다가 물체가 이동한 후에 다시 눈을 뜨는 상황에 비유할 수 있는데, 이는 물체의 세부적인 움직임보다는 전체 과정에서 나타난 평균적인 빠르기와 방향을 확인하는 데 중점을 둡니다. 복잡한 중간 과정 없이도 운동의 결과를 요약해 보여준다는 특징이 있습니다. 하지만 평균속도만으로는 물체의 실제 운동 양상을 완벽히 파악하기에 한계가 있습니다. 물체는 이동하는 동안 매 순간 빠르기가 변하거나 방향을 바꿀 수 있기 때문입니다. 과거 갈릴레오 갈릴레이나 아이작 뉴턴과 같은 과학자들은 행성의 움직임이나 포물선 궤적을 그리는 공의 운동을 연구하며, 매 순간 물체가 어떻게 변화하는지 알고 싶어 했습니다. 단순한 평균값을 넘어 특정 시점에서의 정밀한 움직임을 분석하려는 이러한 호기심은 물리 법칙을 정립하는 데 매우 중요한 동기가 되었습니다. 즉, 시시각각 변하는 운동의 본질을 이해하기 위해서는 전체적인 평균이 아닌 찰나의 순간에 집중할 필요가 있었던 것입니다. 이러한 필요에 의해 등장한 개념이 바로 순간속도입니다. 순간속도를 구하는 원리는 평균속도에서 측정하는 시간 간격을 극단적으로 줄이는 데 있습니다. 측정하는 시간의 간격을 거의 0에 가깝게 만들면, 그 짧은 찰나에 물체가 보여주는 움직임을 포착할 수 있게 됩니다. 이는 정보가 부족했던 긴 시간의 공백을 매우 촘촘하게 메우는 것과 같아서, 어느 지점에서든 물체의 실시간 상태를 파악할 수 있게 해줍니다. 결국 순간속도는 우리가 인지하기 어려운 아주 짧은 틈을 과학적 기법으로 극복하여, 물체가 지금 이 순간 어디로 향하고 있는지를 명확하게 밝혀내는 과정이라고 할 수 있습니다. 순간속도의 개념은 수학적으로 도함수, 즉 미분과 연결됩니다. 변화하는 대상을 아주 작은 극한의 값으로 나누어 분석하는 미분은 종이 위에서 물체의 실시간 움직임을 계산할 수 있게 해주는 강력한 도구입니다. 미분을 활용하면 변화의 양상이 존재하는 모든 순간의 변화를 정확하게 읽어낼 수 있으며, 이는 현대 물리학이 우주와 자연의 법칙을 설명하는 핵심적인 방법이 되었습니다. 결론적으로 평균속도가 전체적인 운동의 경향을 요약해 준다면, 순간속도는 미분이라는 도구를 통해 물체 운동의 모든 순간을 속속들이 들여다볼 수 있게 해주는 정교한 열쇠라고 할 수 있습니다.

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과학에서의 운동은 일상과 다를까? | 운동에 필요한 과학개념은 무엇이 있을까? | 1일 1쿠키 EP04

우리가 흔히 '운동'이라고 하면 신체 활동을 떠올리기 쉽지만, 과학에서의 운동은 물체가 위치를 바꾸며 움직이는 모든 현상을 의미합니다. 그리고 이처럼 물체의 다양한 움직임을 체계적으로 연구하는 학문이 바로 물리학입니다. 물리학은 단순히 학문적인 연구에만 머무는 것이 아니라, 자동차 엔진의 가동 원리부터 지구 내부 지각 판의 움직임, 그리고 우리 몸속에서 혈액이 흐르는 과정에 이르기까지 실생활과 자연 현상 전반에 걸쳐 움직임을 분석하고 설명하는 중요한 도구가 됩니다. 물체의 운동을 효과적으로 기술하고 연구하기 위해서는 이를 표현할 수 있는 공통의 약속이 필요합니다. 물리학에서는 물체의 운동을 설명하기 위해 크게 세 가지 핵심 도구를 사용합니다. 첫 번째는 물체의 처음 위치와 나중 위치의 차이를 나타내는 '변위'이며, 두 번째는 움직이는 동안의 빠르기와 방향을 나타내는 '속도'입니다. 마지막 세 번째는 시간에 따라 속도가 어떻게 변하는지를 보여주는 '가속도'입니다. 이 세 가지 개념을 명확히 이해해야만 비로소 물체의 움직임을 정확히 분석할 수 있습니다. 이 중 '변위'는 한자로 위치의 변화를 뜻하며, 영어로는 'displacement'라고 부릅니다. 일상생활에서는 자주 쓰이지 않는 낯선 단어일 수 있지만, 과학에서는 매우 중요한 의미를 지닙니다. 변위는 물체가 실제로 어떤 복잡한 경로를 거쳐 이동했는지는 고려하지 않고, 오직 처음 출발한 위치와 최종적으로 도달한 위치 사이의 직선거리만을 나타냅니다. 중간에 어떤 일이 일어났든 상관없이 오로지 시작점과 끝점의 변화에만 집중하는 개념이라고 할 수 있습니다. 변위가 가지는 또 다른 중요한 특징은 거리라는 크기뿐만 아니라 이동한 '방향' 정보까지 함께 담고 있다는 점입니다. 예를 들어 어떤 물체가 특정 지점에서 다른 지점으로 이동했을 때, 우리는 변위를 통해 그 물체가 어느 방향으로 얼마만큼 멀어졌는지를 동시에 파악할 수 있습니다. 물리학에서는 이처럼 크기와 방향을 모두 가지는 물리량을 '벡터(vector)'라고 부르며, 벡터는 자연계를 수학적으로 표현하고 이해하는 데 있어서 대단히 강력하고 유용한 도구로 사용됩니다. 이러한 벡터는 2차원이나 3차원 공간에서는 대개 화살표를 그려 직관적으로 표현하지만, 일직선상의 1차원 운동에서는 부호를 통해 간단히 나타낼 수 있습니다. 이때 사용하는 플러스(+)와 마이너스(-) 부호는 수학에서의 덧셈이나 뺄셈을 의미하는 것이 아니라, 기준점을 중심으로 어느 쪽 방향으로 움직였는지를 가리키는 방향 표시기 역할을 합니다. 즉, 물리학에서의 부호는 공간 속에서의 방향을 약속하는 매우 단순하면서도 효율적인 도구인 셈입니다.

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모든 시계들의 시계는 어디에 있을까? | 무엇보다 가장 정밀해야 하는 단위, [시간] 이야기 | 1일 1쿠키 EP02

시간은 일상에서 약속을 정할 때처럼 시각의 의미인 'When'으로 자주 쓰이지만, 과학적 탐구에서는 사건의 지속 시간을 나타내는 'How long'의 개념이 더 중요하게 다뤄집니다. 과학자들은 어떤 현상이 특정한 시간 동안 어떻게 변화했는지를 정밀하게 측정하여 자연의 법칙을 규명하기 때문입니다. 이러한 시간은 눈에 보이지 않지만 우리 삶과 우주의 질서를 이해하는 데 필수적인 도구로 작용합니다. 따라서 과학에서의 시간은 단순한 숫자를 넘어 변화의 양상을 기록하는 핵심 척도라 할 수 있습니다. 인류는 아주 오래전부터 자연에서 반복되는 현상을 관찰하며 시간의 기준을 세워왔습니다. 가장 대표적인 것이 지구가 스스로 도는 자전에 의해 발생하는 일출과 일몰입니다. 이를 바탕으로 인류는 전 세계 어느 문명을 막론하고 태양의 움직임을 공통적인 시간의 지표로 삼았습니다. 오랜 세월 동안 이러한 방식은 일상생활과 과학 연구에 큰 불편함 없이 사용되었습니다. 자연의 규칙성에 의존한 직관적인 체계는 인류가 물리량을 정의하고 사회적 약속을 만드는 데 있어 가장 기초적인 출발점이 되었습니다. 정밀 과학이 비약적으로 발달한 19세기에 접어들며 과학자들은 기존 시간 기준의 모호함을 발견하기 시작했습니다. 영원히 일정할 줄 알았던 지구의 자전 주기가 사실은 달과 태양의 인력에 의해 미세하게 변한다는 사실이 드러난 것입니다. 비록 인간이 감각적으로 전혀 인지할 수 없는 아주 짧은 찰나의 변화였지만, 정밀한 계산이 요구되는 현대 물리 연구에서는 이 미세한 오차가 무시할 수 없는 변수로 작용했습니다. 결국 과학계는 환경의 변화에 영향을 받지 않는 우주적인 절대 기준을 갈망하게 되었습니다. 1967년 제13차 국제도량형총회에서는 세슘-133 원자의 진동수를 초의 새로운 기준으로 삼기로 공식 결정했습니다. 세슘 원자 내부의 특정한 에너지 준위 사이를 전자가 전이할 때 발생하는 주기성은 지구의 자전보다 훨씬 규칙적이고 정밀했기 때문입니다. 이를 통해 1초에 대한 명확하고 과학적인 정의가 수립되었으며, 이는 과학이 가변적인 자연 현상에서 벗어나 원자 단위의 보편성으로 나아가는 중요한 전환점이 되었습니다. 원자의 세계가 제공하는 규칙성이 시공간의 정밀한 지도가 된 셈입니다. 오늘날의 시간 측정 기술은 세슘 원자 시계를 넘어 상상조차 하기 힘든 수준의 정밀도에 도달해 있습니다. 최첨단 표준 연구소들은 10의 18승분의 1에 해당하는 극미한 오차까지 잡아낼 수 있는 시계를 개발하여 운영 중입니다. 이러한 극한의 정밀함은 당장 우리의 일상에 직접적인 변화를 주는 것처럼 보이지 않을 수도 있습니다. 하지만 기초과학의 엄밀한 기준이 토대가 되어야만 위성 항법 시스템이나 초고속 통신 같은 현대 문명의 편의가 온전히 유지될 수 있습니다. 정밀한 시간은 결국 인류 기술 발전의 근간을 지탱하는 보이지 않는 힘입니다.

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[정말 읽었니?#1] 김상욱 교수 “[시간의 역사], 물리학도만 읽어라!”

스티븐 호킹의 '시간의 역사'는 과학 교양 서적 중 가장 많이 팔린 베스트셀러로 꼽히지만, 역설적으로 대중이 그 내용을 온전히 이해하기에는 매우 어려운 책입니다. 저자의 인간적인 승리 서사가 책의 인기에 기여했을지 모르나, 정작 그 안에 담긴 시공간과 물리학의 최첨단 이론은 전공자조차 학부 시절에 포기할 만큼 난해합니다. 물리학자로서 충분한 경험을 쌓은 뒤에야 비로소 이해되는 이 책을 무작정 읽기보다는, 독자의 눈높이에 맞춘 다른 대안을 찾는 것이 지식 습득의 측면에서 훨씬 효율적일 수 있습니다. 어려운 고전 대신 현대 물리학을 더 친절하게 설명하는 책들이 많습니다. 브라이언 그린의 '엘러건트 유니버스'는 상대적으로 상세한 설명을 제공하며, 최근에는 카를로 로벨리의 저서들이 큰 주목을 받고 있습니다. 로벨리는 뛰어난 인문학적 소양을 바탕으로 양자 중력 이론과 같은 복잡한 주제를 비유를 통해 편안하게 풀어냅니다. 비록 특정 연구 분야에 치중된 면이 있더라도, 물리학의 본질적인 즐거움을 느끼고 싶다면 난해한 벽에 부딪히기보다 이러한 현대적 해설서들을 먼저 접해보는 것을 추천합니다. 현대 물리학은 세상의 근간을 이루는 기본 입자들을 통해 우주를 설명하고자 합니다. 현재 우리는 대부분의 입자를 이해하고 있지만, 거시 세계를 지배하는 중력은 아직 입자 물리학의 표준 모형 안에 온전히 통합되지 않은 상태입니다. 물리학자들이 꿈꾸는 모든 것의 이론은 바로 이 중력을 다른 기본 상호작용들과 하나의 틀로 묶어내는 양자 중력 이론을 지향합니다. 비록 이 이론이 완성된다고 해서 인간의 삶이나 복잡한 생명 현상까지 모두 해명할 수는 없겠지만, 우주의 설계도를 이해하려는 과학적 도전은 계속될 것입니다. 물리학자들이 언급하는 '신'의 개념은 일반적인 종교적 대상과는 거리가 멉니다. 아인슈타인을 비롯한 많은 과학자가 신을 말할 때, 이는 인격신이 아니라 우주를 관통하는 정교한 물리 법칙에 대한 관용적인 표현에 가깝습니다. 법칙은 그 자체로 존재할 뿐, 그것을 설계한 주체를 상정하는 것은 과학의 영역을 벗어난 질문일 수 있습니다. 물리학은 '누가' 만들었느냐는 의문보다는 우주가 어떤 원리로 작동하는지에 집중하며, 신이라는 단어를 빌려 자연의 경이로움과 질서 정연한 법칙의 존재를 설명하고자 합니다. 양자역학의 관점에서 보면 빛이 파동이자 입자인 광자로 이루어져 있듯, 중력 또한 입자적 성질을 가질 것으로 예측됩니다. 중력의 진동인 중력파는 이미 관측에 성공했지만, 이를 양자화한 가상의 입자인 '중력자'를 발견하는 것은 아직 먼 미래의 과제입니다. 현재의 기술력으로는 중력파를 겨우 측정하는 단계에 머물러 있어 중력자의 실체를 증명하기는 어렵지만, 물리학자들은 우주의 보편성을 믿습니다. 만약 외계 문명이 존재한다면 그들 역시 우리와 같은 물리 법칙을 발견하고, 비슷한 고민을 담은 과학 이론을 발전시켰을 것입니다.

김상욱

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아이언맨이 핵을 달고도 멀쩡한 이유 (ft. 3000만큼 사랑해ㄱ융합) / ㅎㄷㅋㄹ

영화 아이언맨의 상징인 아크 원자로는 토니 스타크의 생명을 유지하고 슈트에 강력한 에너지를 공급하는 핵심 장치입니다. 극 중 토니는 심장에 박힌 파편을 막기 위해 자동차 배터리를 사용하다가, 미사일에서 추출한 팔라듐을 활용해 소형화된 아크 원자로를 개발해 냅니다. 이 장치는 생존을 넘어 지구를 지키는 히어로의 원동력이 되며 관객들에게 강렬한 인상을 남겼습니다. 영화적 상상력이 더해진 이 장치는 실제 과학계에서도 오랫동안 꿈꿔온 혁신적인 에너지원인 핵융합 기술을 배경으로 하고 있어 더욱 흥미롭게 다가옵니다. 핵융합 반응은 원자핵이 결합하며 막대한 에너지를 방출하는 현상입니다. 질량수가 작은 원소들이 서로 결합하여 더 무거운 원소로 변하는 과정을 말하며, 우리에게 가장 익숙한 사례는 바로 태양입니다. 태양 중심부의 극심한 고온과 중력 덕분에 수소 원자핵들이 끊임없이 융합하며 막대한 빛과 열을 만들어내는 것입니다. 지구에서 이를 재현하려면 태양보다 10배나 뜨거운 1억 도 이상의 온도를 견디는 플라스마 상태를 안정적으로 조성하고 제어할 수 있는 고도의 기술력이 뒷받침되어야 합니다. 아이언맨의 아크 원자로가 현실과 다른 점은 상온 핵융합 가설을 기반으로 한다는 점입니다. 1989년 미국에서는 팔라듐을 이용한 상온 핵융합 성공 발표로 전 세계가 들썩였으나, 재현 실험 실패와 이론적 오류로 인해 결국 해프닝으로 끝난 바 있습니다. 비록 영화처럼 몸에 장착할 정도의 소형화나 상온 구현은 현재 기술로 불가능에 가깝지만, 핵융합은 바다의 중수소를 연료로 쓰며 방사성 폐기물 걱정이 없는 '꿈의 에너지'로 불립니다. 이 기술의 상용화는 인류가 직면한 에너지 문제를 해결할 결정적인 열쇠가 될 것입니다.

한국원자력연구원

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공학·기술

[과학자가 쓴 과학책#1] 떨림과 울림 by김상욱 | KAOS X 공원생활 특집 | 김태훈의 게으른 책읽기

물리학은 단순히 딱딱한 학문이 아니라 만물의 이치를 탐구하는 학문입니다. 고대 철학자 탈레스가 만물의 근원을 물이라 정의했듯, 인류는 끊임없이 세상이 무엇으로 구성되어 있는지 질문해 왔습니다. 현대 물리학은 이 거대한 우주를 수학적 법칙으로 설명하려는 노력을 이어가고 있습니다. 이는 보이지 않는 근원적인 질서가 존재할 것이라는 믿음에서 출발하며, 복잡한 현상 이면의 본질을 꿰뚫어 보려는 철학적 태도와도 맞닿아 있습니다. 우리는 흔히 우리가 보고 느끼는 것이 객관적인 실체라고 믿지만, 물리학의 관점에서 보면 이는 감각 기관을 통한 해석의 결과일 뿐입니다. 빛이 물체에 반사되어 망막에 맺히고 전기 신호로 변환되는 과정은 본질을 이해하기 위한 물리적 절차입니다. 렌즈를 통과한 빛이 굴절되듯 우리의 인식도 왜곡될 수 있음을 깨닫는 순간, 비로소 사물의 본질에 다가갈 수 있습니다. 물리학은 이처럼 건조한 기계적 진동의 세계를 인간적인 영역으로 연결하는 가교 역할을 합니다. 과학은 인류가 우주의 중심이 아니라는 사실을 깨닫게 하며 문명을 성숙시켜 왔습니다. 인간은 38억 년이라는 긴 진화의 역사 속에서 탄생한 수많은 생명체 중 하나이며, 광활한 우주의 작은 행성에 거주하는 원자의 집합체입니다. 이러한 사실은 때로 인간의 자존심을 건드리며 불편함을 주기도 하지만, 우리가 누구인지에 대한 명확한 답을 제시합니다. 과학이 알려주는 존재의 본질을 바탕으로 우리는 어떻게 살 것인가라는 인문학적 질문에 대한 답을 스스로 찾아나가야 합니다. 사회적 위기 상황에서 과학적 사고는 더욱 빛을 발합니다. 팬데믹과 같은 혼란 속에서 인간은 공포를 해소하기 위해 희생양을 찾으려는 본능적인 속성을 드러내곤 합니다. 그러나 과학은 진정한 적이 누구인지 명확히 지목해 줍니다. 바이러스라는 실체를 규명하고 대응 방안을 제시함으로써, 근거 없는 미신이나 혐오에 빠지지 않도록 돕는 것입니다. 호모 사피엔스 전체가 단결하여 공동의 적과 싸워야 한다는 이성적인 판단은 바로 과학적 사실에 근거할 때 가능해집니다. 우주가 수학이라는 언어로 기술된다는 사실은 그 자체로 기적과 같습니다. 인간의 뇌는 광활한 우주를 이해하기보다는 지구라는 환경에서 생존하고 사회적 관계를 맺는 데 최적화되어 진화했습니다. 따라서 양자역학이나 시공간의 휘어짐 같은 개념이 우리의 상식과 충돌하는 것은 당연한 결과입니다. 하지만 인간의 이해 범위를 넘어서는 현상일지라도 수학적 법칙 안에서 완벽하게 작동한다면, 우리는 자신의 한계를 인정하고 우주의 법칙에 맞추어 사고를 확장하는 노력을 기울여야 합니다. 물리학은 세상을 바라보는 두 가지 흥미로운 방식을 제안합니다. 하나는 현재의 상태가 다음 순간을 결정한다는 인과론적 관점이며, 다른 하나는 시작과 끝을 정해두고 전체 경로를 조망하는 목적론적 관점입니다. 후자의 방식은 마치 미래를 알고 현재를 사는 듯한 시각을 제공하며, 우리의 선형적인 시간 개념을 뒤흔듭니다. 이러한 물리적 통찰은 테드 창의 소설처럼 인문학적 상상력과 결합하여, 삶과 우주를 바라보는 우리의 시야를 다차원적으로 넓혀주는 계기가 됩니다. 결국 물리학을 공부한다는 것은 세상을 더 선명하게 바라보는 눈을 갖는 과정입니다. 비록 물리학이 인간의 복잡한 사회적 문제나 감정적인 갈등을 직접 해결해 줄 수는 없지만, 우리가 발을 딛고 서 있는 세계의 규칙을 이해하게 함으로써 삶의 불확실성을 걷어내 줍니다. 객관적인 물리 세계와 주관적인 인문학적 가치가 조화를 이룰 때, 우리는 비로소 우주라는 거대한 무대 위에서 자신의 위치를 정확히 파악하고 더 나은 삶의 방향을 설정할 수 있게 될 것입니다.

김상욱

카오스재단읽다과학

물리학

중성자가 계속 핵분열하려면? (중성자 감속, 핵연쇄반응) /ㅎㄷㅋㄹ

원자핵을 구성하는 중성자는 전하를 띠지 않는 입자로, 우라늄과 충돌하여 핵분열을 일으키는 핵심적인 역할을 수행합니다. 아인슈타인의 에너지 공식에 따르면 핵분열 과정에서 막대한 에너지가 발생하지만, 모든 중성자가 반응을 이끌어내는 것은 아닙니다. 갓 태어난 중성자는 매우 빠른 속도로 움직이는데, 아이러니하게도 너무 빠른 속도는 우라늄 원자에 흡수될 기회를 줄입니다. 마치 길가에서 손을 흔드는 승객을 너무 빠르게 달리는 택시가 미처 발견하지 못하고 지나치는 것과 비슷한 원리입니다. 따라서 원자력 에너지의 효율적인 활용을 위해서는 역설적으로 중성자의 속도가 적절히 줄어들어야만 합니다. 중성자의 속도를 늦추는 과정은 보통 '감속'이라고 불리며, 이를 위해 에너지를 흡수할 수 있는 매질인 감속재가 필요합니다. 당구대 위에서 빠르게 움직이는 공이 멈춰 있는 공과 부딪혀 에너지를 나누어주고 속도가 줄어드는 것과 같은 이치입니다. 하지만 감속재는 단순히 속도만 늦춰야 할 뿐, 중성자를 완전히 흡수해 사라지게 해서는 안 된다는 까다로운 조건을 만족해야 합니다. 중성자가 감속재와 충돌하면서도 살아남아 우라늄 원자와 만날 수 있는 적절한 상태가 되었을 때만 비로소 지속적인 핵 연쇄 반응이 가능해집니다. 이러한 세밀한 조절 과정은 원자력 발전의 안정성을 결정짓는 매우 중요한 기초가 됩니다. 실제 원자로 내부에서는 핵 연료봉 사이를 채운 물이 감속재 역할을 하며 중성자의 탄생과 반응을 돕습니다. 핵분열로 방출된 빠른 중성자가 물과 부딪혀 속도가 느려지면, 다시 핵 연료봉 속의 우라늄과 만나 핵 연쇄 반응을 이어가며 거대한 에너지를 만들어냅니다. 이 과정에서 중성자는 불순물에 흡수되거나 다른 핵에 사로잡히는 등 수많은 우여곡절을 겪게 됩니다. 고속의 탄생에서부터 감속이라는 고난을 거쳐 최종적으로 에너지를 창출하는 목표에 도달하는 중성자의 여정은 마치 우리네 인생의 굴곡과도 닮아 있습니다. 거친 속도보다 적절한 속도와 인내가 더 큰 성취를 이뤄낼 수 있다는 과학적 사실이 삶의 지혜와 연결되는 지점입니다.

한국원자력연구원

물리학
공학·기술

[석학인터뷰] 황정아_2021년 4개의 위성을 동시에 쏘아올리는 황정아 박사! | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

물리학의 수많은 분야 중에서도 우주 과학은 내가 직접 만든 물체를 광활한 우주로 쏘아 올릴 수 있다는 점에서 독보적인 매력을 가집니다. 지구를 떠난 인공위성이 궤도에 안착하여 지상으로 신호를 보내올 때, 마치 기계가 말을 거는 듯한 그 경이로운 순간은 연구자에게 잊지 못할 감동을 선사합니다. 이러한 특별한 경험은 우주 과학을 선택하게 만드는 강력한 동기가 되며, 미지의 공간을 탐구하려는 인간의 본능적인 호기심을 자극하여 끊임없는 연구의 원동력이 됩니다. 우리가 일상에서 미세먼지나 기후 변화에 민감하게 반응하듯, 우주에서 활동하는 인공위성에게도 주변 환경을 이해하는 일은 생존과 직결된 문제입니다. 특히 인류가 지구를 넘어 새로운 행성을 개척하려는 유인 우주 탐사를 준비함에 따라, 우주의 가혹한 환경을 파악하는 우주 날씨 연구의 중요성은 더욱 커지고 있습니다. 이는 단순히 기계를 보호하는 차원을 넘어, 미래 세대가 우주라는 새로운 공간에서 안전하게 정착하기 위해 반드시 선행되어야 할 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 현재 한국천문연구원에서는 네 개의 큐브샛을 동시에 제작하여 우주로 보내는 야심 찬 프로젝트를 진행하고 있습니다. A4 용지보다 조금 큰 6U 크기의 이 작은 위성들은 우주에서 정밀한 자세 제어를 통해 편대 비행을 수행하게 됩니다. 기존의 단일 위성과 달리 여러 대의 위성이 종대나 횡대, 혹은 십자 형태로 대열을 유지하며 관측을 수행함으로써, 특정 지점을 더 자주 그리고 정확하게 탐사할 수 있는 혁신적인 기술력을 세계 최초로 선보일 예정입니다. 여성 과학자로서 이공계 분야에서 살아남는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 특히 한국 사회의 현실은 더욱 도전적입니다. 후배 여성 과학자들에게는 실패를 두려워하지 않는 용기와 함께, 자신이 활용할 수 있는 모든 자원과 지원을 적극적으로 쟁취하는 태도가 필요합니다. 이는 단순히 개인의 이익을 챙기는 것이 아니라, 척박한 환경 속에서도 연구를 지속하고 성과를 내기 위한 치열한 생존 전략입니다. 이러한 강인한 정신력이 뒷받침될 때 비로소 과학계의 다양성이 확보될 수 있습니다. 과학자는 연구실 안에서의 성과에 안주하지 않고, 자신이 수행하는 최첨단 현대 과학의 가치를 대중에게 알릴 의무가 있습니다. 시민들이 낸 세금으로 연구가 진행되는 만큼, 복잡한 과학적 원리를 쉽고 정확하게 전달하여 사회적 공감대를 형성하는 일은 매우 중요합니다. 비록 한국이 우주 개발 분야에서는 후발 주자로서 벅찬 여정을 걷고 있지만, 인공위성 제작과 우주 날씨 연구에 대한 열정을 바탕으로 대중과 소통하며 우주 강국으로 나아가는 발판을 마련해야 합니다.

황정아

카오스재단카오스강연

천문학

[친절한 핵융합 특강 3교시] 태양보다 뜨거운 1억도 만드는 3가지 방법 총정리

태양은 거대한 에너지를 내뿜는 우주의 신비로운 존재입니다. 이 거대한 별은 우리가 흔히 접하는 고체나 액체, 기체 상태가 아닌, 원자핵과 전자가 분리되어 자유롭게 움직이는 초고온의 플라스마 상태로 이루어져 있습니다. 태양의 표면 온도는 약 6,000도에 불과하지만, 수소 핵융합 반응이 격렬하게 일어나는 중심부의 온도는 무려 1,500만 도에 달합니다. 이러한 초고온 환경 덕분에 태양은 끊임없이 빛과 열을 만들어내며 지구를 포함한 태양계의 생명력을 유지하는 에너지원의 역할을 수행하고 있습니다. 사실 지구의 환경은 태양이 가진 조건과 비교했을 때 너무나도 다릅니다. 태양 중심부는 지구 대기에 비해 밀도가 약 100배 이상 높을 뿐만 아니라, 중력 또한 지구에 비해 28배나 강력한 상태를 유지하고 있습니다. 이러한 극한의 압력과 중력이 작용하는 환경 덕분에 태양에서는 1,500만 도라는 상대적으로 낮은 온도에서도 수소 원자핵들이 활발하게 서로 충돌하며 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 충분한 에너지를 얻게 됩니다. 결과적으로 태양은 이러한 독특한 물리적 조건 덕분에 거대한 에너지 효율을 자랑하며 끊임없이 빛날 수 있는 것입니다. 하지만 중력과 밀도가 현저히 낮은 지구에서 핵융합 반응을 실현하여 실제 전력을 생산하는 발전소를 만들기 위해서는 훨씬 더 가혹한 조건이 요구됩니다. 인공적으로 핵융합 반응을 빠르게 유도하기 위해서는 최소 1억 도 이상의 초고온 플라스마를 형성해야만 합니다. 이는 태양 중심부의 온도보다 7배 가까이 높은 수치로, 인간이 상상하기 힘든 극한의 온도라고 할 수 있습니다. 1억 도라는 경이로운 온도를 제어하고 유지하는 기술이야말로 미래의 무한한 청정 에너지원인 인공 태양을 완성하기 위해 인류가 반드시 넘어야 할 거대한 과학적 과제이자 숙명입니다.

한국핵융합에너지연구원[친절한 핵융합] 연구원이 들려주는 핵융합 이야기

물리학
천문학
공학·기술

[강연] 파동의 세계-바이올린에서 중력파까지 by최선호｜2019 서울대 자연과학대학 공개강연 '과학 선율' | 3강

우리 주변은 온통 파동으로 가득 차 있습니다. 바이올린의 아름다운 선율부터 우주 너머에서 전해지는 중력파에 이르기까지, 파동은 자연을 이해하는 핵심적인 열쇠입니다. 모든 파동의 근원은 무언가가 떨리는 현상인 '진동'에서 시작됩니다. 현이 떨리거나 공기가 진동하면서 에너지가 전달되는 과정이 바로 파동의 본질입니다. 이러한 떨림은 우리 눈에 보이지 않더라도 소리나 빛, 혹은 공간의 뒤틀림이라는 형태로 끊임없이 우리 곁을 흐르며 세상의 정보를 전달하고 있습니다. 진동을 이해하기 위해 가장 먼저 떠올릴 수 있는 것은 진자의 움직임입니다. 실에 매달린 진자가 왔다 갔다 하는 시간인 주기는 실의 길이에 따라 결정되며, 이는 중력의 영향을 받습니다. 반면 용수철 진자는 중력과 상관없이 추의 질량과 용수철의 강도에 따라 주기가 정해집니다. 이러한 진동의 특성은 시계의 정밀한 작동 원리가 되기도 합니다. 자연계의 수많은 현상은 이처럼 일정한 주기를 가지고 반복되는 진동 운동을 기본으로 하며, 이는 거대한 파동의 세계를 구성하는 기초가 됩니다. 파동은 공간의 한 부분에서 발생한 주기적인 진동이 주위로 멀리 퍼져나가는 현상을 말합니다. 흥미로운 점은 파동이 전달될 때 매질 자체가 이동하는 것이 아니라, 제자리에서 진동하며 옆으로 에너지만을 전달한다는 사실입니다. 마치 경기장에서 관중들이 파도타기 응원을 할 때 사람은 제자리에 있고 파도 모양만 이동하는 것과 같습니다. 이러한 파동은 마루와 골이라는 높낮이를 반복하며 진행하며, 1초에 몇 번 진동하는지를 나타내는 진동수는 파동의 성질을 결정하는 중요한 요소가 됩니다. 두 개의 파동이 만날 때 일어나는 '간섭' 현상은 파동만이 가진 독특한 특징입니다. 마루와 마루가 만나 소리가 더 커지는 보강 간섭이 있는가 하면, 마루와 골이 만나 소리가 완전히 사라지는 상쇄 간섭도 존재합니다. 일상적인 상식으로는 1에 1을 더하면 2가 되어야 하지만, 파동의 세계에서는 1과 1이 만나 0이 될 수도 있습니다. 이러한 상쇄 간섭의 원리는 외부 소음을 반대 파동으로 지워버리는 노이즈 캔슬링 헤드폰과 같은 기술에 응용되어 우리 삶을 더욱 편리하게 만들어 줍니다. 진동수가 약간 다른 두 소리가 만날 때 발생하는 '맥놀이' 현상도 흥미롭습니다. 두 소리의 진동수 차이만큼 소리가 커졌다 작아졌다를 반복하는 이 현상은 악기를 조율할 때 매우 유용하게 사용됩니다. 오케스트라가 공연 전 음정을 맞추는 과정도 결국 맥놀이 현상을 없애 모든 악기의 진동수를 일치시키는 과정이라 할 수 있습니다. 이처럼 파동의 간섭은 단순한 물리 법칙을 넘어 예술의 영역에서도 정교한 조화를 만들어내는 핵심적인 역할을 수행하며 자연의 질서를 유지하는 데 기여합니다. 현대 물리학의 정점 중 하나인 중력파 역시 파동의 원리로 설명됩니다. 거대한 블랙홀들이 충돌하거나 회전할 때 시공간 자체가 출렁이며 발생하는 이 파동은 아주 미세한 거리의 변화를 측정하여 검출합니다. 중력파 검출기는 레이저의 간섭 현상을 이용하는데, 시공간이 뒤틀리며 발생하는 빛의 경로 차이를 포착해 우주의 비밀을 밝혀냅니다. 이는 우리가 우주를 바라보는 새로운 눈을 갖게 되었음을 의미하며, 보이지 않는 중력의 떨림을 통해 인류는 우주의 역사를 새롭게 써 내려가고 있습니다. 더 깊이 들어가면 우리 몸을 구성하는 원자와 전자조차도 본질적으로는 파동의 성질을 지니고 있습니다. 양자장론이나 끈 이론에 따르면 우주의 모든 물질은 특정 진동수로 진동하는 파동의 뭉침으로 해석될 수 있습니다. 우리가 실체라고 믿는 단단한 물질들이 사실은 거대한 에너지의 떨림이 만들어낸 결과물일지도 모른다는 점은 매우 경이롭습니다. 결국 파동을 이해한다는 것은 단순히 소리나 빛을 공부하는 것을 넘어, 나 자신과 우주를 구성하는 가장 근본적인 원리를 탐구하는 여정과도 같습니다.

최선호

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[강연] 도대체 시간이란 무엇인가? _ by김상욱｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 8강

우리는 매일 시간을 소비하며 살아가지만, 정작 시간이 무엇인지 묻는다면 선뜻 답하기 어렵습니다. 물리학자들에게도 시간은 가장 난해한 주제 중 하나로 꼽힙니다. 고대 아리스토텔레스는 시간을 변화의 척도라 정의했고, 아무것도 변하지 않으면 시간도 흐르지 않는다고 보았습니다. 반면 신학자 아우구스티누스는 과거와 미래가 오직 인간의 정신 속 기억과 기대 속에만 존재한다고 주장하며 시간의 관념적 성격을 강조했습니다. 이처럼 시간은 물리적 실체와 인간의 심리적 인지 사이에서 오랫동안 모호한 상태로 머물러 왔습니다. 근대 과학의 기틀을 마련한 아이작 뉴턴은 시간을 수학적이고 절대적인 대상으로 규정했습니다. 그는 외부의 변화와 상관없이 스스로 일정하게 흐르는 '절대 시간'의 개념을 도입했습니다. 뉴턴에게 시간은 우주라는 무대 위에서 사건이 일어나는 배경과 같았으며, 이를 수직선상의 숫자로 표현하여 운동 법칙을 기술했습니다. 이러한 관점은 우리가 일상적으로 느끼는 시간, 즉 나나 세상의 움직임과 무관하게 시계가 째깍거리며 흐른다는 믿음의 근간이 되었습니다. 시간은 이제 측정 가능한 수학적 변수가 되었습니다. 뉴턴의 방정식에서 시간은 앞뒤 방향의 구분이 없지만, 우리가 경험하는 현실의 시간은 오직 미래로만 흐릅니다. 이 '시간의 화살'을 설명하는 열쇠는 열역학 제2법칙인 엔트로피 증가의 법칙에 있습니다. 루트비히 볼츠만은 우주가 확률적으로 더 무질서한 상태로 나아간다는 점을 통해 시간의 방향성을 제시했습니다. 정돈된 상태에서 흐트러진 상태로 가는 과정이 곧 시간의 흐름이라는 것입니다. 우리가 과거를 기억하고 미래를 예측하는 심리적 과정 역시 뇌 속에서 엔트로피가 증가하는 물리적 과정과 궤를 같이합니다. 알베르트 아인슈타인은 뉴턴의 절대 시간 개념을 무너뜨리고 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 하나로 얽힌 '시공간'임을 밝혀냈습니다. 관찰자의 운동 상태나 중력의 크기에 따라 시간은 다르게 흐릅니다. 빠르게 움직이는 물체나 중력이 강한 곳에서는 시간이 느리게 가는데, 이는 시간이 우주 어디서나 동일하게 흐르는 배경이 아니라 물질과 상호작용하는 유연한 실체임을 의미합니다. 아인슈타인에게 시간은 독립적인 존재가 아니라, 사건들 사이의 간격을 측정하는 도구이자 인간 지성이 만들어낸 자유로운 창작물이었습니다. 미시 세계를 다루는 양자역학에 이르면 시간의 개념은 더욱 묘해집니다. 양자역학의 기본 방정식에서도 시간은 여전히 외부 매개변수로 존재하지만, '측정'이라는 행위가 개입하면서 비가역적인 변화가 일어납니다. 어떤 학자들은 우주 전체를 하나의 양자 상태로 볼 때 시간이 사라지지만, 우리가 우주를 관찰자와 대상으로 나누는 순간 비로소 시간의 흐름이 생겨난다고 주장합니다. 즉, 주체와 객체의 분리가 엔트로피의 변화와 시간의 인지를 만들어낸다는 것입니다. 이는 시간이 우주의 본질적 속성인지, 아니면 관계의 산물인지 묻게 합니다. 천문학적 관점에서 시간은 우주의 역사와 진화를 기록하는 캔버스입니다. 인류는 농경 사회를 거치며 천체의 주기적인 운동을 통해 시간의 개념을 정교화해 왔습니다. 오늘날 우리는 지구의 자전이나 공전보다 훨씬 정밀한 원자시계를 통해 1초를 정의하며, 이를 통해 GPS와 같은 첨단 기술을 운용합니다. 하지만 블랙홀의 사건의 지평선처럼 극단적인 환경에서는 우리가 아는 시간의 질서가 멈추거나 왜곡됩니다. 우주의 시작인 빅뱅과 함께 시공간이 탄생했다는 사실은 시간 이전의 상태를 상상하는 것조차 불가능하게 만듭니다. 결국 시간이란 무엇인가에 대한 질문은 여전히 진행 중인 과제입니다. 어떤 물리학자는 시간이 환상에 불과하다고 말하며, 다른 이는 우주를 기술하기 위한 가장 근본적인 언어라고 말합니다. 명확한 정의는 내리기 어렵지만, 물리학은 시간을 수학적 숫자로, 확률적 방향으로, 그리고 휘어지는 시공간의 일부로 이해하며 그 실체에 다가가고 있습니다. 우리가 느끼는 찰나의 순간들은 우주의 거대한 엔트로피 흐름 속에서 만들어진 소중한 기억의 조각들입니다. 시간의 본질을 찾는 여정은 곧 우리가 우주를 어떻게 이해하고 있는지를 비추는 거울과 같습니다.

김상욱

카오스재단카오스강연

물리학

[카오스 술술과학] 도대체 '무한'이란 무엇인가? (1) - 인피니티 워 (Infinity War)

무한은 우리 주변 어디에나 있는 듯하지만, 정작 현실에서 그 실체를 마주하기는 어렵습니다. 밤하늘의 광활함이나 현미경 속 미세한 세계에서도 우리는 결코 무한히 크거나 작은 것을 직접 목격할 수 없습니다. 점이나 선과 같은 수학적 대상은 크기가 없다고 정의되지만, 이는 관념 속의 존재일 뿐 물리적 실체는 아닙니다. 결국 무한은 외부 세계의 대응물 없이 오직 인간의 머릿속에서 탄생한 독특한 개념이라 할 수 있습니다. 예술가들은 원근법이나 프랙탈 구조를 통해 이를 암시하려 노력해 왔으나, 이는 어디까지나 유한한 틀 안에 담긴 무한의 그림자에 불과합니다. 수학의 세계로 들어서면 무한은 비로소 구체적인 형상을 갖추기 시작합니다. 우리는 자연수를 하나씩 세어 나가며 아무리 큰 수라도 그보다 더 큰 수가 존재한다는 사실을 자연스럽게 깨닫게 됩니다. 이러한 직관은 수학적 귀납법이라는 강력한 도구를 통해 무한히 늘어선 도미노를 단숨에 쓰러뜨리는 지적 쾌거로 이어집니다. 또한, 직접 증명하기 어려운 대상을 우회하여 증명하는 귀류법은 무한의 벽을 넘는 영리한 전략이 되어줍니다. 이처럼 수학은 무한을 단순히 상상하는 것에 그치지 않고, 논리라는 정교한 틀 안에서 이를 다루고 증명할 수 있는 유일한 영역으로 자리매김했습니다. 반면 물리학의 관점에서 무한은 해결해야 할 난제이자 위험한 경고 신호로 받아들여집니다. 현대 과학은 물질을 무한히 쪼갤 수 없으며 시간과 길이에도 최소 단위가 존재한다고 말합니다. 만약 물리 법칙의 계산 결과에서 무한대가 등장한다면, 이는 대개 이론에 결함이 있거나 새로운 지식이 필요하다는 신호입니다. 블랙홀의 중심인 특이점이나 우주 탄생의 순간인 빅뱅이 대표적인 예입니다. 밀도가 무한해지는 지점에서 기존의 시공간 개념은 무너지고 맙니다. 물리학자들은 이러한 '벌거벗은 무한'을 가리기 위해 우주 검열 가설을 제안하며, 자연이 스스로 무한의 노출을 막고 있다고 생각하기도 합니다. 인류 역사 속에서 무한을 둘러싼 논쟁은 '인피니티 워'라 불릴 만큼 치열했습니다. 고대 그리스에서는 무리수의 존재를 두고 목숨을 건 갈등이 벌어졌으며, 아리스토텔레스는 무한을 잠재적 무한으로만 인정하며 실제적 무한의 존재를 부정했습니다. 중세에 이르러 무한은 신의 영역으로 옮겨가 신학적 사변의 중심이 되었습니다. 신의 완전함을 증명하기 위해 무한이라는 개념이 동원되었고, 인간의 유한한 지성으로 무한한 신을 이해할 수 있는지에 대한 철학적 탐구가 이어졌습니다. 이 시기의 무한은 지상에서 하늘로 비상하여 신의 속성을 대변하는 거룩한 상징으로 여겨졌습니다. 19세기 말, 무한은 다시 수학의 영역으로 돌아와 칸토어에 의해 집합론이라는 새로운 지평을 열었습니다. 그는 무한에도 서로 다른 크기가 있다는 사실을 밝혀내며 초한수라는 개념을 정립했지만, 이는 당대 수학자들의 거센 비난을 샀습니다. 무한을 정복하려 했던 칸토어와 그의 뒤를 이은 괴델은 평생을 바쳐 절대적 무한에 매달렸으나, 그 과정에서 겪은 정신적 고통은 비극적인 결말로 이어지기도 했습니다. 그럼에도 불구하고 그들이 개척한 무한의 세계는 오늘날 수학의 낙원이 되어 우리에게 무궁무진한 영감을 제공합니다. 무한은 여전히 인간 지성이 도달하고자 하는 궁극의 경계선으로 남아 있습니다.

카오스재단'도대체'시리즈

물리학

[공연] 밴드 '닥터스' by안성진, 김규목, 황승민 | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기' Special Stage

과학과 예술은 언뜻 보기에 서로 다른 영역처럼 느껴지지만, 사실 세상을 탐구하고 표현한다는 점에서 깊은 공통점을 지니고 있습니다. 복잡한 수식과 딱딱한 이론으로만 여겨졌던 과학적 원리들이 선율과 가사를 만나면 대중에게 더욱 친숙하고 아름답게 다가갈 수 있습니다. 이러한 시도는 과학이 가진 본연의 가치를 재발견하게 하며, 우리가 일상에서 무심코 지나쳤던 자연 현상 속에 숨겨진 경이로움을 일깨워 줍니다. 음악을 통해 전달되는 과학은 단순한 지식 전달을 넘어 감동을 주는 하나의 이야기가 됩니다. 물리학의 가장 기초적인 법칙 중 하나인 'F=ma'는 힘이 가속도라는 구체적인 물리량으로 변모하는 과정을 보여줍니다. 이는 단순히 수치상의 계산을 넘어, 보이지 않는 힘이 실질적인 변화를 이끌어내는 역동적인 변신의 과정이라고 할 수 있습니다. 열정과 에너지가 어떤 방향성을 가지고 투입되었을 때, 그것이 물체의 상태를 바꾸고 새로운 흐름을 만들어내는 모습은 우리 삶의 모습과도 닮아 있습니다. 과학적 법칙은 이처럼 정적인 상태에 머물지 않고 끊임없이 변화하며 세상의 움직임을 설명하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 지질학적 관점에서 대리암의 탄생은 고난과 역경을 거쳐 완성되는 예술 작품과 같습니다. 본래 평범한 석회암이었던 물질이 땅속 깊은 곳에서 엄청난 열과 강한 압력을 견뎌내며 비로소 대리암이라는 새로운 존재로 거듭나기 때문입니다. 이러한 변성 작용은 물질의 성질 자체가 완전히 바뀌는 극적인 변화를 의미합니다. 평범했던 광물이 극한의 환경을 통과하며 단단하고 아름다운 무늬를 가진 보석 같은 존재로 변신하는 과정은 자연이 우리에게 보여주는 가장 위대한 마법 중 하나라고 할 수 있습니다. 대리암의 주성분인 탄산칼슘은 화학적으로도 흥미로운 반응을 보여줍니다. 염산과 같은 산성 물질과 만났을 때 이산화탄소를 발생시키며 격렬하게 반응하는 모습은 물질 간의 상호작용이 만들어내는 또 다른 형태의 변신입니다. 탄산칼슘과 염산이 만나 염화칼슘과 물, 그리고 기체인 이산화탄소가 발생하는 과정은 눈에 보이지 않는 원자들이 재배열되며 새로운 물질을 형성하는 과학적 원리를 명확하게 보여줍니다. 이러한 화학 반응식은 단순한 기호의 나열이 아니라, 물질이 서로 소통하며 변화하는 생생한 기록과도 같습니다. 과학은 실험실 안의 전유물이 아니라 우리 주변 어디에나 존재하는 삶의 일부입니다. 물리 법칙부터 화학 반응에 이르기까지, 세상의 모든 변화는 과학이라는 틀 안에서 설명될 수 있습니다. 이러한 과학적 사실들을 창의적인 시각으로 바라보고 다양한 분야와 접목하려는 노력은 대중이 과학을 더욱 친근하게 느끼도록 돕습니다. 앞으로도 과학의 아름다움을 알리려는 시도들이 계속된다면, 우리는 세상을 이해하는 더 넓은 시야를 갖게 될 것입니다. 과학과 예술의 만남은 지적 호기심을 자극하고 우리 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 소중한 밑거름이 됩니다.

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[강연] 어떤 숫자-에너지에 관하여 _ by이강영｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 1강

에너지는 우리 일상에서 매우 친숙하게 쓰이는 단어이지만, 과학적으로 그 본질을 정의하기란 결코 쉽지 않은 과제입니다. 우리는 흔히 힘이나 연료, 전기를 떠올리며 에너지를 소비한다고 말하지만, 물리학의 관점에서 에너지는 결코 사라지지 않고 형태만 바뀔 뿐입니다. 운동 에너지, 퍼텐셜 에너지, 열, 빛 등 다양한 모습으로 나타나는 에너지는 세상을 움직이는 근본적인 동력이며, 과학자들은 아주 오래전부터 이 보이지 않는 양의 실체를 파악하기 위해 끊임없이 질문을 던져왔습니다. 에너지는 단순한 도구가 아니라 자연의 질서를 유지하는 핵심 요소입니다. 에너지 개념의 역사적 출발점은 17세기 라이프니츠의 '생명의 힘(vis viva)'이라는 통찰에서 찾을 수 있습니다. 그는 물체가 움직일 때 질량과 속력의 제곱을 곱한 양이 충돌이나 변화 속에서도 변하지 않고 유지된다는 사실에 주목했습니다. 이는 동시대 뉴턴이 강조한 운동량과는 또 다른 측면의 보존량이었습니다. 이후 토마스 영이 이 개념에 '에너지'라는 이름을 붙였고, 코리올리가 이를 '운동 에너지'로 구체화하면서 물리학의 핵심 개념으로 자리 잡게 되었습니다. 이러한 역사적 흐름은 에너지가 보존되는 양이라는 인식을 확립하는 과정이었습니다. 에너지는 단순히 움직이는 물체에만 존재하는 것이 아니라, 잠재된 능력의 형태로도 존재합니다. 이를 퍼텐셜 에너지라고 부르는데, 높은 곳에 있는 물체나 압축된 용수철은 언제든 일을 할 수 있는 상태를 유지합니다. 롤러코스터가 높은 곳에서 떨어지며 속력을 얻는 과정은 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환되는 대표적인 사례입니다. 이처럼 에너지의 형태는 끊임없이 변하지만, 외부와 차단된 닫힌계 안에서 그 전체 합은 항상 일정하게 유지됩니다. 이는 에너지가 형태를 바꿀 뿐 생성되거나 소멸되지 않는다는 원리를 잘 보여줍니다. 19세기 제임스 줄은 정밀한 실험을 통해 역학적인 일과 열이 서로 동등하다는 사실을 증명하며 에너지의 범위를 획기적으로 확장했습니다. 추를 떨어뜨려 물속의 프로펠러를 돌리면 물의 온도가 올라가는 현상을 측정함으로써, 눈에 보이지 않는 열 역시 에너지의 한 형태임을 밝혀낸 것입니다. 이 발견은 에너지 보존 법칙이 단순히 역학적 운동을 넘어 열역학의 영역까지 아우르는 보편적인 자연 법칙임을 확립하는 결정적인 계기가 되었습니다. 오늘날 우리가 사용하는 에너지 단위인 '줄'은 그의 업적을 기리기 위해 명명된 것입니다. 에너지가 왜 보존되는가에 대한 근원적인 해답은 20세기 수학자 에미 뇌터에 의해 밝혀졌습니다. 뇌터의 정리에 따르면, 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않는 '시간 대칭성'을 가질 때 그에 대응하는 보존량이 존재하는데 그것이 바로 에너지입니다. 즉, 어제의 물리 법칙과 오늘의 물리 법칙이 같다면 에너지는 수학적으로 반드시 보존될 수밖에 없습니다. 이는 에너지 보존이 단순한 경험적 관찰을 넘어 우주의 본질적인 구조와 깊게 연결되어 있음을 의미합니다. 물리 법칙이 존재하는 한 에너지는 필연적으로 보존되는 우주의 약속과도 같습니다. 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 통해 질량 또한 에너지의 한 형태라는 혁명적인 개념을 제시했습니다. 유명한 공식인 E=mc²은 아주 작은 질량이라도 어마어마한 에너지로 전환될 수 있음을 보여주며, 질량 보존 법칙을 에너지 보존 법칙으로 통합시켰습니다. 현대 물리학에서는 물질을 구성하는 입자들조차 '양자 장'이라는 에너지의 다발로 이해하기도 합니다. 결국 우리가 물질이라고 믿는 실체는 에너지와 물리적 성질이 결합하여 나타나는 현상이며, 우주의 가장 근원적인 바탕에는 에너지만이 존재할지도 모른다는 통찰을 제공합니다. 우주론의 관점에서 에너지는 더욱 거대한 질문을 던집니다. 우주가 가속 팽창하고 있다는 사실이 밝혀지면서, 우리가 아직 정체를 모르는 '암흑 에너지'가 우주의 대부분을 차지하고 있다는 점이 드러났습니다. 일반 상대성 이론의 틀 안에서 우주 전체의 에너지가 어떻게 정의되고 보존되는지에 대해서는 여전히 현대 물리학의 최전선에서 치열한 논의가 이어지고 있습니다. 에너지는 단순한 숫자를 넘어, 우주의 시작과 진화, 그리고 마지막을 설명하는 가장 강력하고 신비로운 열쇠로 남아 우리에게 끊임없는 호기심을 자극합니다.

이강영

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물리학

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

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

김갑진

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물리학

[석학인터뷰]김상욱_ 생명은 생화학 기계다! | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기'

과학 대중화 활동의 시작은 이공계 위기 극복이라는 실용적인 목적에서 비롯되었습니다. 초기에는 학생들이 과학과 수학에 친숙해지기를 바라는 마음으로 시간을 쪼개어 활동했지만, 시간이 흐르며 그 목적은 점차 사회적 가치로 확장되었습니다. 우리 사회가 겪은 여러 위기를 목격하며 합리적 사고의 중요성을 절감하게 된 것입니다. 합리적 사고가 사회 전반에 뿌리내린다면 더 나은 세상을 만들 수 있다는 믿음이 생겼고, 이는 곧 더 활발한 저술과 소통으로 이어지는 원동력이 되었습니다. 대중과의 소통은 과학자로서의 시야를 넓히는 계기가 되었습니다. 대학원 시절까지는 전공 지식에 매몰되어 일반적 수준의 문화 예술을 향유하는 데 그쳤으나, 다양한 사람들과 교류하며 인문학적 소양의 필요성을 깊이 체감했습니다. 과학 지식만으로는 설명하기 어려운 삶의 여러 국면을 마주하며 틈틈이 책을 읽고 공부하는 시간을 가졌습니다. 이러한 노력은 과학을 단순한 지식이 아닌 하나의 문화적 소양으로 전달하는 데 큰 밑거름이 되었으며, 소통의 즐거움과 보람을 일깨워 주었습니다. 과학의 본질은 합리성에 있지만, 그것이 과학만의 전유물은 아닙니다. 철학 역시 오랜 역사 동안 논리적이고 합리적 체계를 구축해 왔으며, 과학은 넓은 의미에서 철학의 한 부분이라 할 수 있습니다. 다만 과학이 철학이나 수학과 구별되는 결정적인 지점은 반드시 물질적 증거에 기반한다는 사실입니다. 아무리 논리적 가설이라도 실제 관측과 실험을 통해 증명되지 않으면 과학적 사실로 인정받기 어렵습니다. 이러한 엄격한 물질적 증거 중심의 사고방식이야말로 과학이 지닌 독특한 합리성의 핵심입니다. 현대 과학이 직면한 가장 거대한 질문 중 하나는 바로 생명의 기원입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 주변의 무생물과 다를 바 없는 물질이지만, 특정한 방식으로 조합되었을 때 비로소 생명이라는 경이로운 현상을 일으킵니다. 왜 하필 이러한 조합이 생명력을 갖게 되는지에 대해 인류는 아직 명확한 답을 찾지 못했습니다. 여러 가설과 추론이 존재할 뿐, 원자가 생명으로 변모하는 구체적인 과정은 여전히 풀리지 않은 수수께끼로 남아 있습니다. 이는 과학자들이 끊임없이 탐구해야 할 미지의 영역입니다. 물리학자의 시선으로 바라보는 생명은 생물학자의 관점과는 또 다른 통찰을 제공합니다. 양자역학의 거장 에르빈 슈뢰딩거가 '생명이란 무엇인가'를 통해 DNA 구조 발견의 단초를 제공했듯이, 물리학적 접근은 생명의 신비를 푸는 새로운 열쇠가 될 수 있습니다. 비록 타 분야에 대한 도전이 실수를 동반할지라도, 원자 단위에서 생존과 번식을 수행하는 생화학 기계로서의 생명을 탐구하는 과정은 그 자체로 가치가 있습니다. 이러한 시도는 우리가 세상을 이해하는 방식을 확장하고 새로운 지적 지평을 열어줄 것입니다.

김상욱

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물리학

[강연] 물리 어벤져스 | 강연자 토론 _고재현, 김범준, 김상욱 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리'

현대 물리학의 궁극적인 지향점 중 하나는 자연계에 존재하는 네 가지 힘을 하나의 원리로 설명하는 '모든 것의 이론(TOE)'을 완성하는 것입니다. 하지만 물리학자들이 이 이론을 손에 넣는다고 해서 세상의 모든 현상을 즉각적으로 이해할 수 있는 것은 아닙니다. 우주를 구성하는 기본 입자와 그들 사이의 규칙을 아는 것은 문학 작품을 구성하는 알파벳과 문법을 익히는 것과 같습니다. 문법을 안다고 해서 셰익스피어의 희곡을 저절로 쓸 수 없듯이, 기초 법칙만으로 생명이나 사회 현상 같은 복잡한 층위의 의미를 다 설명하기에는 근본적인 한계가 존재합니다. 양자 컴퓨터는 최근 과학계와 산업계에서 가장 뜨거운 화두 중 하나이지만, 현재의 기대감에는 다소 거품이 섞여 있다는 냉철한 시각도 필요합니다. 이론적으로 양자 알고리즘은 특정 작업에서 기존 컴퓨터를 압도하는 성능을 보여줄 수 있으나, 이를 실제로 구현하는 과정에는 극저온과 진공 상태 유지라는 가혹한 기술적 장벽이 존재합니다. 현재는 범용 컴퓨터로서의 상용화보다는 기본적인 연산이 가능한 큐비트 칩을 개발하고 검증하는 초기 단계에 머물러 있습니다. 따라서 기술적 가능성에 대한 낙관과 함께 현실적인 한계를 직시하는 균형 잡힌 시각이 중요합니다. 한국의 주력 산업인 디스플레이와 반도체 분야에서 물리학은 기술 격차를 유지하는 핵심적인 역할을 수행합니다. LCD 시장이 이미 포화 상태에 이른 상황에서 OLED와 마이크로 LED 같은 차세대 기술은 빛의 스펙트럼을 정교하게 제어하는 물리학적 원리에 기반하고 있습니다. 특히 색의 순도를 높여 선명한 화질을 구현하는 퀀텀닷 기술은 나노 세계의 물리 법칙을 산업에 응용한 대표적인 사례입니다. 메모리 반도체의 집적도를 높이는 공정 기술 역시 물리학적 이해가 필수적이며, 이는 국가 경쟁력을 좌우하는 중요한 먹거리 산업의 토대가 됩니다. 물리학자를 꿈꾸는 학생들에게 가장 필요한 덕목은 세상에 대한 호기심과 이를 끝까지 파고드는 근성입니다. 교과서에 담긴 지식은 수백 년간의 탐구 결과물일 뿐이며, 진정한 과학적 사고는 일상의 사소한 현상에서도 '왜'라는 질문을 던지는 것에서 시작됩니다. 물리학의 언어인 수학은 도구로서 중요하지만, 고등학교 수준의 기초를 탄탄히 다지는 것만으로도 충분합니다. 중요한 것은 정해진 답을 찾는 선행 학습이 아니라, 실험적 장벽이나 이론적 난관에 부딪혔을 때 엉덩이가 짓무를 정도로 앉아 고민할 수 있는 끈기 있는 태도입니다. 과학에서 이론과 법칙은 신뢰도의 차이라기보다 자연을 묘사하는 틀의 성격에 가깝습니다. 뉴턴의 운동 법칙이 상대성 이론에 의해 보완되었듯이, 물리학의 법칙은 100% 완결된 진리라기보다 현재의 기술로 검증 가능한 최선의 설명입니다. 물리학자들은 실험적 증거가 쌓일수록 이론의 신뢰도를 99.9%에서 99.99%로 높여가는 과정을 반복합니다. 이러한 혹독한 검증 과정을 거치며 이론은 더욱 견고해지며, 때로는 기존의 틀을 깨는 새로운 발견을 통해 우주에 대한 우리의 이해는 한 층 더 깊어지게 됩니다. 물리학에서 정의하는 정보는 일상적인 의미와 달리 확률 분포를 정량화한 매우 건조한 개념입니다. 이는 엔트로피와 밀접하게 연결되어 있으며, 시스템의 무지나 복잡성을 나타내는 척도로 사용됩니다. 하지만 양자역학적 관점에서 정보는 측정 주체와 대상 사이의 상호 관계를 의미하기도 합니다. 우리가 대상을 측정하여 정보를 얻는 행위는 두 시스템 사이에 관계가 형성되는 과정이며, 이는 우주의 본질이 개별적인 입자들의 집합이 아니라 그들 사이의 얽힘과 상호작용으로 이루어져 있음을 시사합니다. 암흑 물질과 암흑 에너지, 비평형 통계역학처럼 물리학에는 여전히 인류가 답하지 못한 거대한 미제들이 산적해 있습니다. 이러한 미지의 영역은 다음 세대 과학자들이 도전해야 할 과제이며, 이를 위해 기초 과학에 대한 사회적 관심과 안정적인 연구 환경 조성이 필수적입니다. 물리학은 단순히 물질의 법칙을 찾는 학문을 넘어, 세상을 객관적이고 합리적으로 바라보는 사고방식을 제공합니다. 모든 시민이 물리학자가 될 필요는 없지만, 과학적 사고를 통해 사회 문제를 논리적으로 판단하는 힘을 기르는 것은 성숙한 민주주의를 위한 밑거름이 됩니다.

고재현, 김범준, 김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학

[석학인터뷰] 최선호_ 좋은 교수라면 벽을 허물어 줘야죠｜2019 서울대 자연과학대 공개강연 '과학자의 꿈과 도전 : 과학 선율'

어린 시절의 호기심은 종종 엉뚱한 행동으로 이어지곤 합니다. 새로 산 라디오의 내부가 궁금해 이를 분해했다가 결국 고장 내 버렸던 일화는 과학자로서의 탐구심이 어디서 시작되었는지를 잘 보여줍니다. 단순히 겉모습에 만족하지 않고 그 속이 어떻게 구성되어 있는지, 어떤 원리로 작동하는지 직접 확인하고 싶어 하는 열망은 물리학이라는 학문의 본질과도 맞닿아 있습니다. 이러한 어린 날의 경험은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에 대한 깊은 관심으로 이어졌습니다. 우리가 살아가는 세상은 원자와 분자로 이루어져 있지만, 그 너머에는 더 깊고 신비로운 미시 세계가 존재합니다. 원자핵 속에는 양성자와 중성자가 있고, 그 안에는 다시 쿼크라는 기본 입자들이 자리 잡고 있습니다. 핵입자물리학은 이처럼 작은 입자들이 서로 어떻게 상호작용하며 하나의 사회를 형성하는지 연구하는 학문입니다. 최근에는 국내에서도 연구용 가속기가 건설되면서 이러한 미시적 상호작용을 더욱 정밀하게 이해할 수 있는 토대가 마련되고 있어 학계의 기대가 매우 큽니다. 과학적 지식을 전달하는 과정에서도 소통과 공감은 필수적입니다. 학생들의 눈높이에서 그들이 무엇을 어려워하는지 파악하고, 고등학교 교육과정과의 연결고리를 찾는 노력은 교육의 질을 높이는 핵심입니다. 단순히 이론을 설명하는 데 그치지 않고 몸소 시연하며 지루함을 깨는 방식은 지식이 머릿속에 깊이 각인되도록 돕습니다. 은퇴 후 시골에서 아이들에게 과학을 가르치며 고장 난 물건을 고쳐주는 삶을 꿈꾸는 모습은, 과학이 결국 우리 삶의 현장과 긴밀하게 연결되어 있음을 시사합니다.

최선호

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[카오스 술술과학] 모든 것의 이론

현대 물리학의 역사는 거대한 통합의 과정이라 해도 과언이 아닙니다. 마치 분단된 국가가 통일을 꿈꾸듯, 물리학자들은 우주를 지배하는 근본적인 원리를 하나로 묶어내고자 끊임없이 노력해 왔습니다. 이러한 열망의 종착지는 바로 '모든 것의 이론'입니다. 이는 우주의 복잡한 현상들을 관통하는 단 하나의 원리를 찾아내어 세상의 설계도를 완성하려는 물리학계의 가장 원대한 도전이자 숙원 사업이라고 할 수 있습니다. 현재 물리학은 여러 기본 힘을 통합하는 '대통일 이론'을 표준 모형을 통해 정립해 나가고 있습니다. 이제 남은 마지막 과제는 거시 세계의 질서를 담당하는 중력을 이 체계 안으로 완벽하게 끌어들이는 일입니다. 미시 세계를 설명하는 양자역학과 거시 세계를 다루는 상대성 이론이 하나의 틀 안에서 모순 없이 융합될 때, 비로소 인류는 우주를 설명하는 최종적인 물리 법칙에 도달하게 될 것입니다. 그러나 물리 법칙의 완성이 곧 세상 모든 것에 대한 해답을 의미하는지에 대해서는 여전히 의문이 남습니다. 우리 삶을 구성하는 생명의 신비나 인간의 정신, 그리고 도덕적 가치와 의미 같은 요소들은 단순한 수치나 물리량으로 환산하기 어렵기 때문입니다. 모든 현상을 물리 법칙으로만 환원하려는 시도는 자칫 복잡한 세상의 본질을 놓칠 위험이 있습니다. 그래서 많은 이들은 '모든 것의 이론'이라는 명칭이 가진 한계를 지적하며 과학이 다루지 못하는 영역에 대해 진지한 고민을 던지곤 합니다.

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융합

영상에 검은 줄이 보이는 건 카메라가 고장난 게 아닙니다! - Slog #13

프랑스 파리 근교의 상쾌한 공기를 마시며 시작된 이번 여정은 낯선 장소에서 마주하는 일상의 즐거움을 선사합니다. 파리 시내와는 또 다른 매력을 가진 이곳에서 현지인이 추천한 빵집을 찾아가는 산책길은 무척이나 여유롭습니다. 1존을 벗어난 외곽 지역 특유의 한적한 분위기와 맑은 공기는 본격적인 취재를 앞둔 긴장감을 기분 좋게 해소해 줍니다. 동료들과 합류하기 전 혼자만의 시간을 가지며 프랑스에서의 첫 아침을 맞이하는 과정은 앞으로 펼쳐질 과학적인 탐구와 기록에 대한 기대감을 더욱 고조시킵니다. 촬영 장비를 챙겨 팀원들과 합류한 뒤 본격적인 기록을 시작하자 흥미로운 현상이 발견되었습니다. 카메라 스크린 속 화면이 일렁이며 잔상이 남는 모습이 포착된 것인데, 이는 한국에서 동일한 셔터 스피드로 설정하고 촬영할 때와는 확연히 다른 결과였습니다. 이 현상의 근본적인 원인은 국가마다 서로 다르게 설정된 교류 전력의 주파수에 있습니다. 한국은 60Hz의 표준 주파수를 사용하는 반면, 유럽권은 50Hz의 주파수를 공급하기 때문입니다. 이러한 전력 공급 방식의 미세한 차이가 정밀한 촬영 장비의 렌즈를 통해 시각적인 일렁임으로 나타나게 됩니다. 교류 전류는 자석의 진동을 통해 만들어지며 회로 내에서 전하가 끊임없이 방향을 바꾸며 흐르는 특성을 가집니다. 이러한 전기의 진동은 방전관 속의 빛이 순식간에 꺼짐과 켜짐을 반복하게 만듭니다. 50Hz 환경인 유럽에서는 1/60초로 설정된 카메라 셔터와 전류의 진동 주기가 어긋나면서 중간에 빛의 손실이 발생하게 되는데, 이를 '플리커 현상'이라고 부릅니다. 이 명칭은 방전관을 이용해 빛을 만드는 아이디어를 처음 제안했던 독일의 물리학자 율리우스 플뤼커의 이름에서 유래되었으며, 전기의 진동이 빛의 변화로 이어지는 과학적 원리를 잘 보여줍니다. 센강의 유람선 위에서 바라보는 파리의 야경은 단순한 아름다움을 넘어 과학사의 중요한 순간들을 떠올리게 합니다. 과거 산업혁명 시기 기술자들은 철강의 정확한 온도를 측정하고자 노력했고, 이러한 기술적 요구는 빈의 변위 법칙을 거쳐 양자역학이라는 거대한 학문의 출발점이 되었습니다. 전기를 이용해 빛을 만들어 내려 했던 수많은 과학자와 기술자들의 끈질긴 연구는 인류의 밤을 밝히는 혁신적인 변화를 이끌어냈습니다. 어둠을 물리치기 위한 그들의 노력이 오늘날 우리가 마주하는 도시의 화려한 불빛 속에 고스란히 녹아 있는 셈입니다. 전등이 없던 시절의 어두운 밤을 상상해 보면, 전기를 통해 빛을 구현해낸 과학적 성취가 얼마나 위대한지 새삼 깨닫게 됩니다. 빛을 제어하고 활용하기 위한 인류의 탐구는 물리학의 발전뿐만 아니라 인류 문명의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 아름다운 에펠탑과 센강의 야경을 감상하며 느끼는 경외감은 곧 자연의 원리를 밝혀낸 선구자들에 대한 깊은 감사로 이어집니다. 일상 속에서 마주하는 사소한 현상 뒤에 숨겨진 거대한 과학적 원리들을 되새기며, 이번 프랑스 취재는 지식과 감성이 공존하는 소중한 기록으로 남게 되었습니다.

과학쿠키

물리학

가격만 무려 12억! 세상에서 가장 둥근 구슬을 들어보다!? - Slog #8

독일의 안개 낀 아침을 뚫고 도착한 독일연방물리기술연구소(PTB)는 과학적 전통과 현대 물리학의 정수가 공존하는 곳이었습니다. 이곳의 모든 연구동은 저명한 물리학자들의 이름으로 명명되어 있어 연구소의 자부심을 느낄 수 있었으며, 특히 아인슈타인 동에서는 과거의 유산을 넘어선 혁신적인 프로젝트가 진행되고 있었습니다. 질량의 기준이었던 킬로그램 원기가 시간이 흐름에 따라 미세하게 변한다는 문제를 해결하기 위해, 이곳의 과학자들은 실리콘 원자의 개수를 정밀하게 측정하여 킬로그램을 재정의하려는 역사적인 과업에 도전하고 있습니다. 질량 재정의의 핵심 기술인 XRCD 간섭계는 실리콘 구의 반지름을 나노미터 단위로 측정하여 아보가드로 상수를 정확하게 도출해내는 역할을 합니다. 연구실 내 설치된 간섭계는 구의 다양한 위치에서 직경을 측정하고 그 데이터를 분석하여 표면의 미세한 굴곡을 시각화한 토포그래프를 생성합니다. 육안으로는 완벽하게 매끄러워 보이는 실리콘 구일지라도 실제로는 미세한 요철이 존재하는데, 이러한 정밀 분석 과정을 통해 구의 부피를 계산하고 그 안에 포함된 원자의 총 개수를 산출함으로써 불변의 물리적 기준을 확립하게 됩니다. 실험에 사용되는 실리콘 구는 인류가 제작한 물체 중 지구상에서 가장 완벽한 구형에 가깝다고 평가받는 정밀도의 결정체입니다. 아주 작은 이물질도 측정 결과에 치명적인 오차를 줄 수 있기에, 실험 전에는 산소를 제어하는 특수 세제와 3차 증류수를 활용한 엄격한 세척 과정이 필수적입니다. 마지막 단계에서 메탄올을 부어 표면을 증발시킬 때 발생하는 무지갯빛 간섭 무늬는 마치 예술 작품처럼 보이지만, 그 이면에는 소수점 아래 수많은 자리까지 오차를 허용하지 않으려는 과학자들의 치열하고도 섬세한 노력이 담겨 있습니다. 실제로 1킬로그램의 무게를 가진 실리콘 구를 마주하는 경험은 현대 물리학이 도달한 정밀함의 정점을 체감하게 합니다. 단순히 킬로그램 원기를 드는 것이 아니라 우주 어디서나 변하지 않는 자연의 상수를 인간의 기술로 구체화한 결과물을 직접 느껴보는 것이기 때문입니다. 이 묵직한 무게감은 킬로그램이라는 단위가 더 이상 박물관의 킬로그램 원기에 의존하지 않고, 물리 법칙과 원자 단위의 질량을 기반으로 새롭게 정의되었음을 상징합니다. 이는 과학의 신뢰도를 한 단계 높이는 중요한 진보라고 할 수 있습니다. 독일의 연구원들과 소통하며 확인한 과학의 힘은 정밀한 측정 장비뿐만 아니라 지식을 공유하려는 열정에서도 드러났습니다. 킬로그램과 아보가드로 상수를 재정의하는 복잡한 과정은 결국 자연의 질서를 명확히 이해하고자 하는 인간의 순수한 호기심에서 비롯된 것입니다. 연구소에서 이루어지는 이러한 보이지 않는 노력들은 우리 삶을 지탱하는 표준을 더욱 견고하게 만들며, 미래 과학 기술이 나아갈 방향을 제시해 줍니다. 정밀함의 한계에 도전하는 물리학자들의 탐구 정신은 세상을 더 정확하게 이해하는 밑거름이 될 것입니다.

과학쿠키

물리학

[강연] 우주는 수인가 모양인가? by김민형 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 1부 | 1부

구글은 현대인에게 단순한 검색 엔진 이상의 의미를 지닙니다. 데이터 과학자 정하웅 교수는 이 거대한 플랫폼이 가진 정보의 힘에 주목하며, 우리가 일상에서 마주하는 수많은 질문과 고민을 해결해 주는 데이터의 가치를 강조합니다. 디지털 시대의 정보는 멀리 있는 존재가 아니라, 우리 손안의 스마트폰과 컴퓨터 화면 속에 상주하며 우리의 모든 궁금증을 실시간으로 해결해 주는 핵심적인 자원이 되었습니다. 이러한 정보의 흐름은 우리의 사고방식과 삶의 양식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 우리가 구글에 입력하는 검색어는 단순한 단어의 나열이 아닙니다. 그것은 우리의 욕망, 불안, 그리고 현재의 상태를 가장 솔직하게 드러내는 지표입니다. 친구나 가족에게도 말하지 못하는 은밀한 고민부터 사소한 궁금증까지, 구글은 인류의 집단지성과 개별적인 행동 양식을 고스란히 기록합니다. 이러한 방대한 데이터는 개별적으로는 파편화되어 보이지만, 이를 거시적으로 분석하면 인류 전체의 흐름을 읽어낼 수 있는 강력한 도구가 됩니다. 데이터는 이제 인간을 이해하는 새로운 언어가 되었습니다. 구글의 데이터 권력을 상징적으로 보여준 사례가 바로 '구글 독감 트렌드'입니다. 2008년 구글은 사람들이 독감 증상을 검색하는 빈도를 분석하여, 미국 질병통제예방센터보다 훨씬 빠르게 독감 유행 지역을 예측해 냈습니다. 전통적인 방식이 병원 보고를 집계하는 데 수주가 걸렸던 반면, 구글은 실시간 검색 데이터를 통해 즉각적인 결과를 도출했습니다. 이는 데이터가 이론이나 가설을 넘어 현실의 문제를 해결하는 강력한 수단이 될 수 있음을 증명한 사건이었으며, 빅데이터 시대의 서막을 알렸습니다. 빅데이터의 핵심은 '왜'라는 인과관계보다 '무엇이' 일어나는지에 대한 상관관계에 집중하는 데 있습니다. 구글은 독감이 왜 발생하는지 연구하는 대신, 독감에 걸린 사람들이 어떤 단어를 검색하는지에 주목했습니다. 이러한 접근 방식은 복잡한 현상을 단순화하여 빠르게 결론에 도달하게 해 줍니다. 데이터 과학은 수많은 변수가 얽힌 현실 세계에서 유의미한 패턴을 찾아내고, 이를 통해 미래를 예측하는 새로운 통찰력을 제공하며 학문의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 이는 효율성을 극대화하는 현대 과학의 특징을 잘 보여줍니다. 그러나 데이터의 전지전능함에는 분명한 한계가 존재했습니다. 구글 독감 트렌드는 시간이 흐르면서 실제 독감 발생률을 과도하게 높게 예측하는 오류를 범하기 시작했습니다. 이는 검색 알고리즘의 변화와 사용자들의 행동 양식 변화를 데이터가 온전히 반영하지 못했기 때문입니다. 데이터는 과거의 기록일 뿐, 변화하는 미래를 완벽하게 보장하지는 않습니다. 기술적 결함이나 데이터의 편향성은 언제든 예측의 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 이는 데이터 맹신에 대한 경종을 울리는 계기가 되었습니다. 결국 데이터 과학의 본질은 숫자가 아닌 인간에 대한 깊은 이해에 있습니다. 데이터는 인간의 활동이 남긴 흔적이며, 그 이면에는 복잡한 심리와 사회적 맥락이 숨어 있습니다. 데이터를 분석하는 과정에서 인간의 직관과 비판적 사고가 배제된다면, 우리는 숫자가 만들어낸 환상에 빠질 위험이 있습니다. 진정한 통찰은 방대한 데이터 속에서 유의미한 가치를 발견하고, 그것이 현실 세계와 어떻게 연결되는지를 파악하는 인간의 지혜로부터 나옵니다. 데이터는 결코 인간의 판단을 완전히 대체할 수 없습니다. 우리는 이제 데이터가 지배하는 세상을 살아가고 있습니다. 데이터가 우리 삶에 깊숙이 침투해 있다는 사실은 부정할 수 없는 현실입니다. 하지만 데이터는 도구일 뿐, 그 도구를 어떻게 활용하고 어떤 방향으로 나아갈지를 결정하는 것은 결국 인간의 몫입니다. 기술의 발전이 가져다주는 편리함을 누리되, 데이터 뒤에 숨겨진 진실을 탐구하려는 노력을 멈추지 말아야 합니다. 그것이 바로 인공지능과 빅데이터의 시대에 우리가 갖추어야 할 진정한 지성이며, 미래를 준비하는 올바른 자세일 것입니다.

김민형

카오스재단카오스콘서트

수학

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

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

정하웅

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물리학

[강연] 히치토론쇼 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 4부 | 4부

노벨상과 필즈상은 인류 지성의 정점을 상징하는 두 축입니다. 100년 넘는 역사를 지닌 노벨상이 인류 보편의 가치와 실용적 공헌을 중시한다면, 필즈상은 만 40세 이하라는 엄격한 나이 제한을 통해 수학적 잠재력과 순수한 학문적 성취를 기립니다. 두 상은 상금의 규모나 수여 주기에서 큰 차이를 보이지만, 인류가 우주의 비밀을 풀기 위해 걸어온 고귀한 여정을 증명한다는 점에서는 그 궤를 같이합니다. 학문적 권위의 우열을 가리기보다 각 상이 지닌 고유한 철학을 이해하는 것이 중요합니다. 산업혁명의 역사는 곧 기초과학 발전의 역사이기도 합니다. 증기기관이 이끈 1차 혁명은 열역학이, 전기를 활용한 2차 혁명은 전자기학이 그 토대가 되었습니다. 또한 컴퓨터와 인터넷이 주도한 3차 디지털 혁명의 이면에는 반도체 기술의 핵심인 양자역학이라는 현대 물리학의 정수가 자리 잡고 있습니다. 이처럼 새로운 과학적 발견은 단순한 기술적 진보를 넘어 사회 구조 전체를 뒤흔드는 거대한 변혁의 물결을 만들어왔으며, 우리는 그 혁명의 연쇄 속에서 살아가고 있습니다. 최근 화두가 되고 있는 4차 산업혁명에 대해서는 학계에서도 다양한 시각이 존재합니다. 인공지능과 빅데이터가 가져올 변화를 혁명으로 받아들이는 입장도 있지만, 이를 뒷받침할 새로운 기초과학적 토대가 아직 미진하다는 신중론도 만만치 않습니다. 진정한 의미의 혁명이 되기 위해서는 기술적 현상을 넘어 우주와 생명을 바라보는 근본적인 과학적 패러다임의 전환이 동반되어야 하기 때문입니다. 과학적 토대 없는 기술의 발전은 사상누각에 불과할 수 있다는 경고의 목소리에 귀를 기울여야 합니다. 자연이라는 거대한 책은 수학이라는 언어로 쓰여 있습니다. 물리학자들에게 수학은 우주와 대화하기 위한 필수적인 문법이며, 수학자들에게 과학은 그 문법을 통해 서술되는 경이로운 내용입니다. 수학이 실제 자연에 존재하지 않는 허수나 무리수를 다룸에도 불구하고 현실 세계를 이토록 완벽하게 설명해낸다는 사실은, 인간의 지성과 우주의 구조 사이에 깊은 연결고리가 있음을 암시합니다. 수학적 논리는 단순한 지적 유희를 넘어 자연의 본질을 꿰뚫는 가장 강력한 도구입니다. 수학적 구조가 우주의 본질인지, 아니면 인간의 두뇌가 우주를 이해하기 위해 만들어낸 도구인지에 대한 논쟁은 여전히 흥미롭습니다. 어떤 이들은 수학이 관찰과 실험을 넘어선 추상적 영역이라고 비판하기도 하지만, 역사적으로 수학적 아름다움을 쫓던 발견들이 훗날 물리적 실체로 증명된 사례는 수없이 많습니다. 결국 수학과 과학은 서로를 비추는 거울처럼 인류의 인식을 확장하는 상호보완적 관계에 있습니다. 이러한 융합적 사고는 우리가 직면한 복잡한 문제들을 해결하는 열쇠가 됩니다. 현대 물리학의 궁극적인 꿈은 자연계의 네 가지 힘을 하나로 통합하는 '모든 것의 이론'을 완성하는 것입니다. 전자기력과 약력, 강력은 표준모형을 통해 어느 정도 통합의 길을 찾았으나, 시공간의 휘어짐을 다루는 중력은 여전히 양자역학과의 결합을 거부하고 있습니다. 이 거대한 수수께끼를 풀기 위한 노력은 우주의 기원과 종말, 그리고 우리가 존재하는 이유에 대한 근원적인 해답을 찾는 과정입니다. 비록 완벽한 방정식이 모든 삶의 의미를 설명해주지는 못할지라도, 그 탐구 자체로 가치가 있습니다. 과학의 진정한 가치는 정해진 답을 얻는 것보다 더 나은 질문을 던지는 데 있습니다. 우주는 고정된 상태로 멈춰 있지 않고 끊임없이 요동치며 변화하는 역동적인 실체입니다. 이러한 변화의 흐름 속에서 우리가 던지는 질문들은 인류의 지평을 넓히는 등불이 됩니다. 세상이 왜 이토록 수학적인지, 그리고 우리는 왜 이 재미있는 과학을 탐구하는지 끊임없이 묻는 행위 자체가 인류 진보의 원동력입니다. 호기심을 잃지 않고 자신만의 질문을 찾아가는 과정이 곧 과학하는 마음의 본질입니다.

김민형, 박권, 송영조, 정하웅

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물리학
수학

[카오스 술술과학] 과학의 중간계, 다양성의 제왕!

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

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

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

정하웅

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[카오스 술술과학] 피카츄는 뚱뚱할까?

17세기 과학자 갈릴레오 갈릴레이는 생명체의 크기가 커질 때 뼈의 구조가 어떻게 변해야 하는지 깊이 고민했습니다. 그는 면적은 길이의 제곱에, 부피와 무게는 길이의 세제곱에 비례한다는 '제곱-세제곱 법칙'을 발견했습니다. 만약 동물의 크기가 두 배로 커지면 무게는 여덟 배로 늘어나지만, 이를 지탱하는 뼈의 단면적은 네 배밖에 증가하지 않습니다. 따라서 거대한 동물은 늘어난 무게를 견디기 위해 필연적으로 뼈가 더 굵어져야 하며, 결과적으로 작은 개체보다 훨씬 육중하고 뚱뚱한 체형을 갖게 됩니다. 조너선 스위프트의 소설 '걸리버 여행기'에 등장하는 거인들은 주인공과 똑같은 신체 비율을 가진 것으로 묘사되지만, 물리 법칙에 따르면 이는 실현 불가능한 설정입니다. 실제 거인이라면 자신의 엄청난 무게를 지탱하기 위해 다리뼈가 비정상적으로 굵어야 하며, 외형 또한 훨씬 비대해져야 합니다. 여기서 우리는 몸무게가 키의 몇 제곱에 비례하는지를 나타내는 지수 'p'의 개념을 마주하게 됩니다. 이론적으로는 부피와 비례하는 세제곱이 타당해 보이지만, 우리가 흔히 사용하는 체질량 지수(BMI)는 독특하게도 키의 제곱을 기준으로 삼습니다. 다양한 생명체의 데이터를 분석해 보면 흥미로운 사실이 드러납니다. 물고기나 고래, 그리고 네 발로 걷는 대부분의 포유류는 몸무게가 키의 세제곱에 비례하는 양상을 보입니다. 이는 성장에 따라 신체의 전체적인 비율이 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다. 반면 인간은 키가 커질수록 체형이 변화하는 독특한 특징을 가지고 있습니다. 이러한 차이는 생물학적 종의 차이라기보다는, 각 생명체가 중력에 저항하며 신체를 지탱하고 이동하는 물리적 방식의 차이에서 비롯됩니다. 인간이 다른 포유류와 달리 키의 제곱에 비례하는 체형을 갖게 된 결정적인 이유는 바로 직립 보행에 있습니다. 두 발로 서서 걸을 때 신체에 작용하는 역학적 힘을 분석하면, 체중 지탱의 효율성이 키의 제곱에 수렴하게 된다는 것을 알 수 있습니다. 실제로 아직 걷지 못하는 영아기 아이들의 통계를 살펴보면, 생후 1년 미만까지는 다른 포유류처럼 지수 'p'의 값이 3에 가깝게 나타납니다. 그러다 아이가 본격적으로 두 발로 걷기 시작하면서 이 수치는 2로 변화합니다. 결국 체질량 지수(BMI)는 인간이 직립 보행을 하는 존재임을 증명하는 물리적 지표인 셈입니다. 피카츄의 사례를 통해 이러한 물리 법칙을 적용해 보면 재미있는 결론에 도달합니다. 키 40cm에 몸무게 6kg인 피카츄의 체질량 지수(BMI)는 약 37.5로, 인간의 기준으로는 고도 비만에 해당합니다. 물론 네 발로 뛰기도 하는 가상의 존재에게 인간의 잣대를 그대로 적용할 수는 없겠지만, 이러한 호기심은 세상을 새로운 시각으로 보게 합니다. 물리학은 단순히 공식을 암기하는 학문이 아니라, 익숙한 현상 뒤에 숨겨진 원리를 찾아내는 시선 그 자체입니다. 과학의 눈으로 세상을 관찰할 때 우리는 일상 속의 평범한 숫자들 사이에서 우주의 질서를 발견하는 즐거움을 누릴 수 있습니다.

카오스재단술술과학

융합

[석학인터뷰] 하승열_ 자연을 탐구하는 수학자 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다'

수학자들은 물리학자들에 비해 학문적 탐구의 영역에서 상대적으로 더 높은 자유로움을 누립니다. 물리학이 실제 존재하는 현상을 설명하고 증명하는 것에 일차적인 목적을 둔다면, 수학은 이론 그 자체의 논리적 완결성과 아름다움만으로도 충분한 가치를 지니기 때문입니다. 아무리 정교한 이론이라도 현실의 현상을 뒷받침하지 못하면 외면받기 쉬운 물리적 세계와 달리, 수학자들은 이론이 지닌 고유한 질서와 구조 속에서 순수한 즐거움을 발견합니다. 이러한 자유로운 사고의 확장은 수학이 단순한 계산을 넘어 하나의 예술적 경지에 도달하게 만드는 원동력이 됩니다. 복잡해 보이는 자연 현상 속에는 이를 관통하는 단순하고 명료한 공식들이 숨어 있습니다. 미분 방정식을 활용하면 수많은 변수가 얽힌 복잡한 시스템을 간결한 언어로 기술할 수 있으며, 이는 곧 보이지 않는 질서를 시각화하는 작업과도 같습니다. 복잡성 속에서 피어나는 다양성은 그 자체로 거대한 아름다움을 형성하며, 수학적 도구들은 이러한 자연의 신비를 해독하는 가장 강력한 열쇠가 되어 줍니다. 이러한 수학적 원리는 단순히 학문에 머물지 않고 실생활의 다양한 분야로 확장되어 새로운 가치를 창출하는 기반이 됩니다. 자연을 탐구하는 수학자로서의 삶은 눈에 보이는 생동감 넘치는 현상들로부터 시작됩니다. 하늘을 가로지르는 새들의 군무나 바닷속 물고기 떼의 일사불란한 움직임은 그 자체로 경이로운 연구의 대상이 됩니다. 이러한 생태적 현상들은 수학자의 마음을 움직이고 새로운 탐구의 영감을 제공하며, 추상적인 수식에 생명력을 불어넣습니다. 앞으로도 자연의 복잡한 결을 따라가며 그 속에 숨겨진 조화를 찾아내는 여정은 계속될 것입니다. 수학은 결국 자연이라는 거대한 캔버스 위에 그려진 정교한 밑그림을 이해하고 감상하는 가장 깊이 있는 방법이기 때문입니다.

하승열

카오스재단2018 카오스강연 '모든 것의 수數다'

수학

[석학인터뷰] 김범준 ─ 물리학은 일석백조? | 2018 카오스 마스터클래스 '물리'

통계물리학은 수많은 입자로 구성된 거대 시스템이 보여주는 집단적인 행동을 탐구하는 학문입니다. 이는 단순히 개별 입자의 움직임을 넘어 전체 시스템이 어떻게 조화를 이루는지 분석하며 자연의 질서를 찾아냅니다. 이러한 학문적 접근은 불확실성이 가득한 미래를 준비하는 젊은 세대에게 매우 유용한 도구가 됩니다. 기초를 탄탄히 다지는 과정은 변화무쌍한 세상 속에서도 흔들리지 않는 내면의 힘을 길러주며, 어떤 상황에서도 새로운 길을 개척할 수 있는 유연한 사고의 원천이 되어주기 때문입니다. 위대한 과학자들은 지식을 단순히 수용하는 데 그치지 않고, 자신만의 독창적인 시각으로 세상을 재해석하곤 합니다. 이미 정립된 이론이라 할지라도 이를 새로운 관점에서 바라보고 탐구하는 과정은 학문의 깊이를 더해줍니다. 무엇보다 중요한 것은 연구 그 자체에서 순수한 즐거움을 찾는 태도입니다. 외부의 평가나 결과에 매몰되지 않고 오직 호기심과 재미를 동력 삼아 나아가는 자세는, 과학을 딱딱한 학문이 아닌 흥미진진한 모험으로 변화시킵니다. 이러한 열정은 연구자뿐만 아니라 세상을 살아가는 우리 모두에게 필요한 덕목입니다. 우리의 일상은 과학적 시선을 통해 더욱 풍요로워질 수 있습니다. 복잡한 사회 현상이나 인간관계 속에서도 합리적인 사고를 유지하려는 노력은 세상을 더 명확하게 이해하도록 돕습니다. 타인을 바라볼 때도 고정관념에서 벗어나 그 이면의 인간적인 면모를 발견하려 애쓰는 태도는 과학적 관찰과 닮아 있습니다. 통계물리학이 선사하는 통찰은 우리 사회의 다양한 단면들을 연결하고, 그 속에 숨겨진 아름다움을 발견하게 합니다. 이러한 시선은 우리가 함께 살아가는 세상을 더 깊이 고민하고 공감하게 만드는 소중한 밑거름이 됩니다.

김범준

카오스재단석학인터뷰

물리학

[석학인터뷰] 고재현 ─ 빛을 공부하는 이유 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리'

하늘을 올려다보면 태양과 빛이 만들어내는 보석 같은 현상들을 마주하게 됩니다. 무지개나 햇무리, 구름이 오색빛으로 물드는 채운과 같은 아름다운 풍경 이면에는 빛의 마술이 숨어 있습니다. 이러한 현상을 과학적으로 탐구하는 분야가 바로 분광학입니다. 분광학은 빛을 파장이나 색깔별로 분류하여 그 안에 담긴 원자나 분자의 고유한 특성을 파악하는 학문입니다. 모든 원자와 분자는 자신만의 고유 진동수를 가지고 있으며, 분광학은 이를 통해 물질의 정체를 밝혀내는 중요한 열쇠가 됩니다. 분광학은 단순히 이론에 머물지 않고 우리 삶의 다양한 영역에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 전통적으로는 수만 광년 떨어진 항성이나 은하를 구성하는 원소의 조성을 파악하는 데 필수적인 도구였습니다. 하지만 그 활용 범위는 우주에만 국한되지 않습니다. 현대 사회에서는 보이지 않는 미세한 증거를 포착하거나, 귀중한 예술 작품의 진위를 판별하는 정밀한 분석 도구로도 널리 쓰입니다. 이처럼 거대한 우주부터 미세한 사물까지 진실을 규명하는 과정은 분광학만이 가진 독보적인 매력입니다. 물리학의 역사에서 빛은 이론적 발전을 이끌어온 핵심적인 존재였습니다. 뉴턴의 고전 역학부터 아인슈타인의 상대성 이론, 그리고 미시 세계를 다루는 양자역학의 탄생에 이르기까지 빛의 속성은 언제나 연구의 중심에 있었습니다. 우주의 기원과 자연의 근원을 파헤치는 물리학은 결국 우리 존재의 이유를 찾아가는 과정이며, 빛은 그 길을 안내하는 가장 명확한 지표가 되어줍니다. 이러한 학문적 탐구는 우리가 세상을 바라보는 관점을 넓혀주고 깊은 통찰을 제공하며 삶을 풍요롭게 만듭니다.

고재현

카오스재단석학인터뷰

물리학

솔베이 전쟁! 그리고 슈뢰딩거 고양이! - 양자역학 Last Part

1920년대 중반, 물리학계는 하이젠베르크의 행렬역학과 슈뢰딩거의 파동역학이라는 두 가지 혁신적인 체계의 등장으로 큰 전환점을 맞이했습니다. 동일한 전자의 움직임을 설명하면서도 전혀 다른 수학적 전제를 사용했던 두 이론은 과학자들에게 깊은 고민을 안겼습니다. 이러한 혼란 속에서 1927년 제5차 솔베이 회의가 개최되었습니다. 당대 최고의 석학들이 모인 이 자리에서는 아주 작은 미시 세계를 어떻게 해석할 것인가를 두고 치열한 논쟁이 벌어졌습니다. 불연속성을 주장하는 진영과 연속성을 옹호하는 진영의 대립은 물리학 역사상 가장 뜨거운 사상적 전쟁의 서막을 알렸습니다. 보어와 하이젠베르크를 중심으로 한 코펜하겐 학파는 관측하기 전까지 전자는 존재하지 않으며, 단지 확률적인 중첩 상태로만 존재한다고 주장했습니다. 측정이라는 행위가 일어나는 순간 파동함수가 붕괴하여 비로소 하나의 실재가 결정된다는 것입니다. 반면 아인슈타인은 이러한 확률적 해석에 강력히 반대했습니다. He는 우리가 달을 보지 않는다고 해서 달이 존재하지 않는 것이 아니듯, 관측과 상관없이 대상은 고유한 물리적 상태를 지녀야 한다고 믿었습니다. 이러한 세계관의 차이는 단순히 수식을 해석하는 문제를 넘어, 우리가 우주의 실재를 어떻게 정의할 것인가에 대한 근본적인 질문을 던졌습니다. 이러한 코펜하겐 해석의 모순을 지적하기 위해 슈뢰딩거는 고양이를 이용한 유명한 사고실험을 제안했습니다. 상자 속에 방사성 원소와 독극물 장치, 그리고 고양이를 함께 넣어두었을 때, 미시 세계의 확률적 중첩이 거시 세계인 고양이의 생사로 이어진다면 고양이는 살아 있으면서 동시에 죽어 있는 기묘한 상태에 놓이게 됩니다. 슈뢰딩거는 이러한 기괴한 결론을 통해 미시 세계와 거시 세계를 이분법적으로 나누고 관측의 순간에 실재가 결정된다는 코펜하겐식 논리가 가진 취약성을 꼬집고자 했습니다. 이 패러독스는 양자역학의 해석 문제에서 가장 까다로운 난제로 남게 되었습니다. 오랫동안 풀리지 않던 이 미스터리는 현대 물리학에 이르러 '결어긋남(Decoherence)'이라는 개념을 통해 새로운 돌파구를 찾았습니다. 결어긋남 이론에 따르면, 미시 입자가 지닌 파동적 성질은 완전히 고립된 진공 상태에서만 유지됩니다. 하지만 실제 세계에서는 주변의 수많은 공기 분자나 전자기파 등 환경과의 상호작용을 피할 수 없습니다. 이처럼 우주 전체의 무수한 환경 요인들이 입자와 끊임없이 충돌하면서 입자가 가진 파동의 정밀한 결이 흐트러지게 되며, 그 결과 미시 세계의 중첩 상태는 순식간에 사라지고 우리가 일상에서 보는 거시 세계의 확실성으로 고착화됩니다. 결국 결어긋남 이론은 관측자가 반드시 의식을 가진 인간일 필요가 없음을 말해줍니다. 시스템을 둘러싼 우주 전체가 끊임없이 대상을 관측하고 상호작용하는 주체가 되기 때문에, 상자 안의 고양이는 인간이 뚜껑을 열기 전이라도 이미 물리적으로 생사가 결정될 수밖에 없습니다. 양자역학은 단순히 괴상한 확률의 세계를 넘어, 우주의 모든 존재가 서로 어떻게 얽혀 있고 영향을 주고받는지를 보여주는 깊이 있는 학문입니다. 보이지 않는 작은 원자들의 춤사위에서 시작된 물리학의 여정은, 오늘날 우리가 발을 딛고 서 있는 거대한 우주 전체의 존재 방식을 이해하는 열쇠가 되었습니다.

과학쿠키과학쿠키 - 물리학 정주행

물리학

[강연] 고차원 비유클리드 공간으로의 초대 (5) _ by황준묵 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 5강 | 5강 ⑤

수학자 민코프스키는 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 접하고 이것이 단순한 물리 이론을 넘어선 새로운 기하학임을 직관했습니다. 그는 유클리드 기하학이 다루는 3차원 공간에 시간이라는 축을 더해 4차원 시공간의 개념을 정립했습니다. 이러한 시공간 기하학의 등장은 우리가 우주를 바라보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓았으며, 물리적 실체에 대한 새로운 정의를 내리게 했습니다. 그는 수학적 논리를 통해 우주의 구조를 새롭게 규정하며 기하학적 통합의 시대를 열었습니다. 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 해석하며 비유클리드 기하학의 원리를 물리 세계에 도입했습니다. 유클리드 기하학에서는 평행한 두 직선이 영원히 만나지 않지만, 중력이 작용하는 시공간에서는 이 평행선들이 서로 교차하게 됩니다. 아인슈타인은 물체들이 서로 끌어당기는 현상을 공간 자체가 휘어져 나타나는 기하학적 결과로 보았습니다. 즉, 중력이란 거대한 질량이 시공간의 지도를 바꾸어 놓음으로써 발생하는 자연스러운 흐름인 셈이며, 이는 우주의 구조를 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 아인슈타인 방정식은 시공간의 휘어짐과 물질의 분포 사이의 관계를 수학적으로 명확하게 규정합니다. 방정식의 좌변은 리만 곡률을 통해 시공간이 얼마나 휘어져 있는지를 나타내고, 우변은 에너지-운동량 분포를 보여줍니다. 이 간결한 한 줄의 식 안에는 블랙홀의 탄생부터 우주의 팽창인 빅뱅에 이르기까지 우주 삼라만상의 물리 법칙이 모두 응축되어 있습니다. 이는 물리적 현상이 수학적 언어를 통해 얼마나 아름답고 정교하게 표현될 수 있는지를 보여주는 정수라 할 수 있으며, 현대 물리학의 가장 위대한 성취 중 하나로 꼽힙니다. 스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 아인슈타인 방정식이 단순히 이론적인 가설에 그치지 않음을 수학적으로 증명해 냈습니다. 그들은 '호킹-펜로즈 특이점 정리'를 통해 블랙홀이나 빅뱅과 같은 특이점이 우주에 실제로 존재할 수밖에 없음을 논리적으로 밝혀냈습니다. 초기 과학자들은 특이점을 계산상의 오류나 특수한 사례로 치부하려 했으나, 호킹과 펜로즈는 이것이 물리 세계의 안정적인 구조임을 입증했습니다. 이들의 연구는 현대 우주론이 수학적 토대 위에서 더욱 견고해지는 계기가 되었으며, 인류가 우주의 기원을 탐구하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 수학과 물리학은 서로에게 영감을 주며 발전해 온 밀접한 동반자 관계입니다. 19세기에 탄생한 리만 기하학이 당시에는 순수 수학적 유희로 여겨졌으나 훗날 일반 상대성 이론의 핵심 도구가 된 것처럼, 수학적 상상력은 때로 시대를 앞서 나갑니다. 반대로 물리학적 직관은 수학자들에게 새로운 탐구의 방향을 제시하며 논리적 한계를 뛰어넘는 충격적인 발견을 이끌어내기도 합니다. 당장 응용되지 않는 것처럼 보이는 고도의 수학이라 할지라도, 그것은 미래의 우주를 이해하는 가장 강력한 열쇠가 될 잠재력을 품고 있으며, 인류의 지적 지평을 넓히는 원동력이 됩니다.

오성진, 황준묵

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 고차원 비유클리드 공간으로의 초대 (4) _ by황준묵 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 5강 | 5강 ④

수학계의 노벨상이라 불리는 필즈상은 40세 이하의 젊은 수학자에게 수여되는 독특한 전통을 가지고 있습니다. 이는 초기 제정 당시 신진 연구자들을 독려하기 위한 취지였으나, 오늘날에는 세계 최고의 권위를 상징하는 상으로 자리 잡았습니다. 반면 노르웨이의 아벨상은 나이 제한 없이 평생의 업적을 기리는 방식으로 운영되어 노벨상의 형식과 더 유사합니다. 이처럼 수학계는 젊은 천재의 번뜩임과 노학자의 깊은 통찰을 모두 존중하며 학문의 발전을 이끌어오고 있습니다. 흔히 수학은 타고난 천재들만의 전유물이라고 생각하기 쉽지만, 실제 수학의 세계는 상상할 수 없는 노력의 산물입니다. 우리가 천재라고 부르는 이들의 결과물 뒤에는 논문에 드러나지 않는 수많은 시행착오와 인고의 시간이 숨겨져 있습니다. 특정 분야에서 두각을 나타내는 것은 천부적인 재능 덕분이라기보다, 적절한 시기에 해당 개념을 접하고 이를 체화하기 위해 쏟아부은 집중력의 결과인 경우가 많습니다. 결국 수학적 성취는 번뜩이는 영감보다는 끈기 있게 진리를 탐구하는 태도에서 비롯됩니다. 수학자라고 해서 모든 수학 분야에 능통한 것은 아닙니다. 어떤 이는 기하학적 시각화에 탁월한 반면, 다른 이는 복잡한 연산이나 조합론적 사고에 어려움을 느끼기도 합니다. 하지만 이러한 개인의 차이는 연구의 걸림돌이 되지 않습니다. 자신이 부족한 부분은 해당 분야에 강점을 가진 동료와의 협업을 통해 보완할 수 있기 때문입니다. 수학은 단일한 능력을 측정하는 시험이 아니라, 각기 다른 재능을 가진 이들이 모여 거대한 지식의 지도를 완성해 나가는 집단 지성의 과정이라 할 수 있습니다. 최근 교육 과정에서 기하학의 비중이 줄어드는 것에 대한 우려가 큽니다. 기하학은 단순히 도형을 배우는 과목을 넘어, 물리학의 언어인 벡터를 이해하고 미적분의 개념을 시각적으로 구체화하는 핵심적인 토대입니다. 기하학적 사고가 결여된 상태에서의 수학 학습은 자칫 공식 암기 위주의 형식적인 공부에 그칠 위험이 있습니다. 상상력과 엄밀함을 동시에 길러주는 기하학은 사고의 틀을 형성하는 중요한 역할을 하므로, 입시를 넘어 학문의 깊이를 더하기 위해 반드시 거쳐야 할 필수적인 과정입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 수학과 물리학이 만나는 가장 아름다운 지점 중 하나입니다. 이 이론은 유클리드 기하학이 공리에서 출발하여 체계를 세운 것처럼, 광속 불변의 원리와 같은 몇 가지 가정을 바탕으로 우주의 구조를 설명합니다. 중력이 시공간의 곡률로 설명되는 이 거대한 체계는 기하학이라는 언어가 없었다면 탄생할 수 없었을 것입니다. 수학적 논리 체계가 어떻게 현실 세계의 물리 법칙을 규명하는 강력한 도구가 되는지를 보여주는 일반 상대성 이론은 현대 과학의 정수라 할 수 있습니다.

오성진, 황준묵

카오스재단카오스강연

수학

[강연] 자연에 숨어 있는 질서를 찾아서 (7) _ by하승열 | 2018 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 2강 | 2강 ⑦

최근 우리나라의 기초과학 분야는 눈부신 발전을 거듭하며 세계적인 수준에 도달했습니다. 특히 물리학이나 수학 같은 기초 학문 분야에서는 국내에서 학위를 마친 연구자들도 탁월한 연구 성과를 내놓고 있습니다. 과거에는 해외 유학이 필수적인 과정으로 여겨졌으나, 이제는 국내 연구 환경에서도 충분히 높은 경쟁력을 갖춘 인재들이 배출되고 있습니다. 이러한 변화는 우리 과학계의 자생력이 강화되었음을 보여주는 고무적인 현상이며, 앞으로의 발전 가능성을 더욱 밝게 비추고 있습니다. 자연이나 사회 현상에서 나타나는 군집 현상을 이해하려는 노력은 새로운 기술적 시도로 이어지고 있습니다. 평창 동계 올림픽에서 선보인 드론 쇼는 군집 현상을 공학적으로 구현한 대표적인 사례입니다. 아직은 이러한 기술이 다양한 제품이나 상품군으로 상용화된 사례가 많지 않지만, 드론을 활용한 불꽃놀이와 같은 창의적인 아이디어들이 제안되고 있습니다. 예술과 기술이 결합한 이러한 시도들은 군집 연구가 실생활에 응용될 수 있는 무궁무진한 가능성을 제시하며 대중의 관심을 끌고 있습니다. 산업 수학의 부상은 수학자가 단순히 계산을 돕는 보조적 역할을 넘어 새로운 패러다임을 주도할 수 있음을 보여줍니다. 위상적 데이터 분석이라 불리는 TDA의 사례처럼, 수학적 이론은 데이터의 본질을 파악하는 강력한 도구가 됩니다. 뛰어난 아이디어를 가진 수학자와 이를 상업화할 수 있는 감각을 지닌 전문가가 협력할 때, 학문적 성과는 비로소 산업적 가치로 전환됩니다. 이는 기초 학문이 현대 산업의 복잡한 문제를 해결하는 핵심적인 동력이 될 수 있음을 시사하며 수학의 위상을 높이고 있습니다. 순수 수학과 응용 수학의 경계는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 모호하며 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 1900년대 초반 수학자들이 순수한 호기심으로 연구했던 이론들이 오늘날 컴퓨터 시뮬레이션이나 데이터 분석의 핵심 기술로 쓰이고 있습니다. 당시에는 컴퓨터라는 개념조차 없었지만, 시대를 앞서간 수학적 통찰이 수십 년 뒤 산업의 필수적인 도구가 된 것입니다. 따라서 당장의 유용성을 따지기보다 학문 그 자체의 깊이를 추구하는 것이 결국 미래의 혁신을 위한 가장 단단한 밑거름이 됩니다. 수학적 모델링은 수학이 단순한 숫자의 나열이 아니라 세상을 설명하는 과학의 언어임을 증명합니다. 연구 과정에서 마주하는 수많은 난관과 증명의 어려움은 연구자에게 고통을 주기도 하지만, 이를 극복하고 얻어낸 결과는 무엇과도 바꿀 수 없는 보람을 선사합니다. 좋은 수학은 언젠가 반드시 유용하게 쓰일 것이라는 믿음 아래 묵묵히 연구에 매진하는 태도가 중요합니다. 이러한 끈기 있는 탐구 정신이야말로 기초과학이 인류 문명에 기여하는 가장 근본적인 방식이며 연구자가 지녀야 할 진정한 가치입니다.

배형옥, 하승열

카오스재단카오스강연

수학

대체 빛의 속도를 어떻게 알아냈을까?

인류는 아주 오래전부터 빛의 속도에 대해 깊은 의구심을 품어왔습니다. 고대 그리스의 엠페도클레스는 빛도 물체처럼 이동하는 시간이 필요하다고 주장한 반면, 아리스토텔레스와 헤론 등은 빛이 무한한 속도를 지녔다고 믿었습니다. 이러한 논쟁은 17세기까지 이어졌으며, 케플러는 우주의 광활함을 근거로 빛의 속도가 유한할 것이라 추측했습니다. 하지만 데카르트는 월식 현상이 일직선상에서 어긋나지 않는다는 점을 들어 빛이 즉각적으로 전달된다는 무한 속도설을 옹호했고, 이로 인해 오랜 기간 빛은 측정 불가능한 영역으로 남게 되었습니다. 갈릴레오 갈릴레이는 두 개의 등불을 이용해 빛의 속도를 직접 측정하려는 최초의 실험적 시도를 감행했습니다. 하지만 빛의 속도가 인간의 인지 능력을 훨씬 뛰어넘는다는 사실만을 깨닫고 실패의 쓴맛을 보았습니다. 이후 1676년, 올레 뢰머는 시선을 지구 밖 우주로 돌려 돌파구를 찾았습니다. 그는 목성의 위성인 이오가 목성 그림자에 가려지는 식 현상이 지구의 위치에 따라 시간 차가 발생한다는 것을 발견했습니다. 뢰머는 이 오차를 근거로 빛의 속도가 유한하다는 사실을 증명하며, 인류 역사상 처음으로 구체적인 빛의 속도 값을 제시했습니다. 18세기에 들어서며 제임스 브래들리는 광행차를 통해 빛이 태양에서 지구까지 도달하는 데 약 8분 12초가 걸린다는 사실을 수학적으로 밝혀냈습니다. 이후 산업혁명의 발달로 정밀한 기계 장치 제작이 가능해지자, 실험의 무대는 다시 지상으로 돌아왔습니다. 이폴리트 피조는 빠르게 회전하는 톱니바퀴 사이로 빛을 통과시켜 반사된 빛이 차단되는 지점을 찾는 정교한 실험으로 오차 범위를 크게 줄였습니다. 그의 동료인 푸코는 여기서 더 나아가 회전 거울 방식을 고안하여 오차 범위를 0.6% 수준으로 낮추며 현대적 빛의 속도 값에 매우 근접한 결과를 도출했습니다. 19세기 천재 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 전자기학을 통합하며 전자기파의 속도가 빛의 속도와 일치한다는 사실을 이론적으로 증명했습니다. 이는 빛이 곧 전자기파의 일종임을 깨닫게 한 과학사의 기념비적인 사건이었습니다. 20세기에 이르러 측정 기술은 더욱 고도화되었고, 마침내 1983년 제17차 국제도량형총회에서 빛의 속도는 299,792,458 m/s라는 확정된 상수로 정의되었습니다. 이로 인해 과거 환경에 따라 변하기 쉬웠던 1미터의 기준은 이제 우주 어디서나 변하지 않는 절대적인 빛의 속도를 통해 새롭게 재정의되었습니다. 빛의 속도를 측정하고자 했던 인류의 여정은 단순히 숫자를 찾아내는 과정이 아니었습니다. 그것은 보이지 않는 자연의 법칙을 이해하려는 끝없는 호기심과 기술적 한계를 극복하려는 도전 정신의 산물이었습니다. 갈릴레오의 소박한 등불 실험에서 시작해 맥스웰의 정교한 수식, 그리고 현대의 정밀한 표준화에 이르기까지, 우리는 수많은 과학자의 헌신 덕분에 우주의 절대적인 기준점을 가질 수 있게 되었습니다. 오늘날 우리가 당연하게 누리는 과학 문명의 이면에는 이처럼 진리를 향한 인류의 위대한 열망이 굳건하게 자리 잡고 있다는 사실을 잊지 말아야 할 것입니다.

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물리학

적외선은 우리 몸에서 무슨 일을 할까?

우리가 병원, 특히 이비인후과에 가면 흔히 접하게 되는 적외선 치료기는 일상에서 매우 익숙한 의료 기기입니다. 적외선은 전자기파의 일종으로, 가시광선보다 파장이 길고 마이크로파보다 짧은 영역에 위치합니다. 적외선의 어원인 '인프라레드(Infrared)'는 '빨간색 아래'라는 의미를 담고 있는데, 이는 에너지가 가장 낮은 붉은색 가시광선보다도 더 낮은 에너지 영역에 존재하기 때문에 붙여진 이름입니다. 보이지 않는 빛이지만 우리 곁에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 적외선은 진동수가 낮은 만큼 파장이 길며, 주로 열을 전달하는 특성이 있어 '열선'이라고도 불립니다. 이러한 성질 덕분에 염증 부위에 적외선을 쬐면 피부 표피를 뚫고 안쪽까지 열이 효과적으로 전달됩니다. 이는 세포를 이완시키고 혈액순환을 원활하게 도와 면역력을 높여주는 효과를 가져옵니다. 그래서 이비인후과뿐만 아니라 근육통이나 관절 염증을 다루는 재활의학과와 통증의학과에서도 치료 목적으로 널리 활용되고 있는 것입니다. 많은 사람이 적외선 치료기에서 나오는 붉은 빛을 적외선 자체라고 생각하곤 합니다. 하지만 인간의 눈은 가시광선 영역만 볼 수 있으므로, 실제 적외선은 우리 눈에 보이지 않습니다. 치료기에서 보이는 붉은색은 기기가 작동 중임을 알리거나 보조적인 역할을 하는 가시광선일 뿐이며, 진짜 적외선은 색깔이 존재하지 않습니다. 이처럼 눈에 보이지 않는 전자기파의 세계는 우리가 인지하는 것보다 훨씬 넓으며, 각기 다른 고유한 특성을 통해 다양한 기능을 수행합니다. 빈의 변위 법칙에 따르면 생명체의 온도 범위에서 가장 많이 방출되는 전자기파가 바로 적외선입니다. 체온을 가진 모든 동물은 몸에서 적외선을 방출하며, 이를 감지하는 센서를 활용하면 생명체의 위치와 온도 분포를 시각화할 수 있습니다. 예를 들어 방울뱀은 열 감지 기관을 통해 어둠 속에서도 먹잇감을 찾아내며, 현대 과학은 이를 응용하여 열화상 카메라 등을 개발했습니다. 이는 생물학적 이해가 기술적 진보로 이어진 대표적인 사례라 할 수 있습니다. 적외선의 활용도는 의학을 넘어 일상과 군사 분야까지 확장됩니다. 리모컨의 발광 다이오드는 적외선을 이용해 가전제품과 근거리 통신을 하며, 고속도로의 하이패스 시스템 역시 정보를 주고받는 데 적외선을 활용합니다. 또한 군사 분야에서는 야간 전투 시 적의 위치를 파악하거나 미사일을 정밀하게 유도하는 추적 시스템에 핵심적으로 쓰입니다. 보이지 않는 곳에서 묵묵히 제 역할을 다하는 적외선은 현대 문명을 지탱하는 필수적인 기술 요소 중 하나입니다.

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물리학
생명과학
융합

고대 그리스 호기심 3대장! 탈레스, 데모크리토스, 아르키메데스!

인류 문명의 여명기인 고대 그리스에서는 세상의 근원을 파악하려는 지적 탐구가 시작되었습니다. 그 중심에는 '철학의 아버지'라 불리는 탈레스가 있었습니다. 그는 하늘의 이치를 연구하다 우물에 빠졌다는 일화로 유명하지만, 실제로는 천문학과 수학에 능통하여 일식을 예언하고 피라미드의 높이를 측정하기도 했습니다. 또한 올리브 수확 주기를 분석해 기름 압축기를 매점매석함으로써 큰 부를 축적했는데, 이는 과학적 관찰이 실생활과 경제적 통찰로 이어질 수 있음을 보여주는 최초의 사례 중 하나로 꼽힙니다. 탈레스는 만물의 근원을 '물'이라고 정의하며 자연 현상을 신화적 해석이 아닌 합리적인 틀 안에서 바라보고자 노력했습니다. 그는 송진이 굳은 광물인 호박을 문질러 발생하는 정전기를 연구하며 전기학의 시초를 닦았고, 대지가 물 위에 떠 있다는 독창적인 우주관을 제시했습니다. 비록 현대 과학의 관점과는 차이가 있을지라도, 현상을 직접 관찰하고 공통된 원리를 찾아내려 했던 그의 시도는 이후 아낙시메네스의 공기설 등으로 발전하며 고대 자연철학의 기틀을 마련하는 중요한 전환점이 되었습니다. 탈레스가 거시적인 관찰에 집중했다면, 데모크리토스는 물질의 미시적인 세계에 주목했습니다. 그는 세상의 모든 만물이 더 이상 쪼개지지 않는 작은 입자인 '원자'와 텅 빈 '진공'으로 구성되어 있다는 원자론을 주장했습니다. 기원전 400년경에 현대의 원자 모형과 흡사한 개념을 떠올렸다는 사실은 놀라움을 자아냅니다. 만물의 변화가 원자들의 결합과 분리에 의해 일어난다는 그의 통찰은 당시로서는 파격적인 주장으로 치부되기도 했으나, 훗날 근대 과학이 꽃피는 데 결정적인 영감을 제공하게 됩니다. 고대 그리스 최고의 수학자이자 공학자로 꼽히는 아르키메데스는 왕의 금관이 순금인지 판별하라는 과제를 해결하며 '부력의 원리'를 발견했습니다. 목욕탕에서 물이 넘치는 현상을 보고 밀도와 부피의 상관관계를 깨달은 그는 기쁨에 겨워 유레카를 외치며 거리로 뛰쳐나왔다는 유명한 전설을 남겼습니다. 이 발견은 물체가 액체 속에서 받는 힘의 크기가 밀어낸 액체의 무게와 같다는 과학적 법칙으로 정립되었으며, 오늘날까지도 유체역학의 가장 기초적이고 중요한 원리로 우리 곁에 살아 숨 쉬고 있습니다. 아르키메데스의 천재성은 도구의 원리를 설명하는 데에서도 빛을 발했습니다. 그는 힘의 작용점과 받침점 사이의 거리에 따른 효율성을 분석하며 지레의 원리를 정립했습니다. 그러나 위대한 과학자의 최후는 비극적이었습니다. 2차 포에니 전쟁 당시 시라쿠사가 함락되는 혼란 속에서도 그는 기하학 문제를 푸는 데 몰입하고 있었습니다. 로마 군인이 다가와 방해하자 연구를 마칠 때까지 기다려달라고 요청했지만, 결국 군인의 칼에 목숨을 잃고 맙니다. 죽음의 순간까지 진리 탐구를 멈추지 않았던 그의 열정은 인류 과학사에 깊은 울림을 줍니다.

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물리학
천문학
수학

도대체 벡터는 누가, 왜 만들었을까?

수학이나 물리 시간에 자주 접하는 벡터는 시작점과 크기, 그리고 방향이라는 세 가지 요소로 이루어진 화살표 모양의 개념입니다. 이 독창적인 도구를 처음으로 고안한 인물은 네덜란드의 수학자이자 교수인 시몬 스테빈입니다. 그는 자신의 저서인 '균형의 원리'에서 각 화살표의 방향은 힘의 방향을, 길이는 힘의 크기를, 그리고 시작점은 힘이 작용하는 지점을 나타내도록 정의했습니다. 스테빈이 제안한 이 기하학적 표현 덕분에 우리는 복잡한 물리적 힘의 관계를 시각적으로 한눈에 파악할 수 있게 되었습니다. 여러 힘이 꼬리를 물고 이어지는 합성을 통해 전체 힘의 총합을 구하는 것도 가능해졌습니다. 이후 아이작 뉴턴은 자신의 기념비적인 저서 '프린키피아'에서 이 개념을 적극적으로 도입하여 현대 벡터의 기틀을 마련했습니다. 이때부터 벡터는 단순히 힘을 표현하는 도구를 넘어 속도나 가속도, 변위처럼 시간에 따라 변화하는 다양한 물리량을 명확히 규정하는 도구로 거듭나게 되었습니다. 우리가 공간 속에서 움직이는 물체의 상태를 정량적으로 분석할 수 있게 된 것도 모두 벡터 덕분입니다. 오늘날 벡터는 물리학뿐만 아니라 공학적 해석에서도 가장 기본적이면서도 강력한 언어로 자리 잡고 있습니다. 그렇다면 일상에서 벡터는 어떻게 활용될까요? 예를 들어 책상 위에 가만히 정지해 있는 물체를 생각해 봅시다. 물체가 정지해 있다는 것은 가해지는 모든 힘의 합이 영(0)이라는 뜻입니다. 이 상태를 벡터로 표현하면, 먼저 지구 중심 방향으로 작용하는 중력 화살표를 아래로 그릴 수 있습니다. 그리고 이 물체가 아래로 추락하지 않도록 책상이 위쪽으로 똑같은 크기로 떠받치는 수직항력 화살표를 반대 방향으로 그리게 됩니다. 크기가 같고 방향이 반대인 두 벡터가 서로를 완벽하게 상쇄함으로써 물체는 안정적인 정지 상태를 유지하게 됩니다. 이번에는 이 물체를 일정한 속도로 미는 상황을 벡터로 시각화해 보겠습니다. 물체가 일정한 속도로 등속 운동을 할 때도 가속도가 없으므로 알짜힘은 역시 영이 됩니다. 이때는 앞서 언급한 중력과 수직항력 외에 추가적인 힘들이 작용합니다. 우리가 물체를 미는 방향으로 향하는 추진력 벡터가 존재하며, 이 힘에 정확히 맞서며 방해하는 마찰력 벡터가 운동 반대 방향으로 작용합니다. 이 두 수평 방향의 힘 역시 크기가 같고 방향이 반대여서 서로 상쇄되므로, 물체는 속도의 변화 없이 일정한 빠르기로 계속 나아갈 수 있습니다. 마지막으로 공중에서 낙하하는 물체의 순간적인 힘의 관계를 분석해 보겠습니다. 아래쪽으로 점점 빨라지며 가속 낙하하는 물체는 알짜힘이 아래 방향으로 작용하고 있음을 의미합니다. 이 경우 물체에는 가장 먼저 아래를 향하는 강력한 중력 벡터가 표시됩니다. 동시에 미미하지만 공기와의 마찰로 인해 발생하는 유체의 저항력 벡터가 중력의 반대인 위쪽 방향으로 아주 작게 작용합니다. 결과적으로 아래 방향의 힘이 위 방향의 힘보다 훨씬 크기 때문에 합산된 알짜힘 벡터는 아래를 가리키며, 물체는 아래로 속도가 증가하는 낙하 운동을 하게 됩니다.

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물리학
수학

[강연] 물리학이 사회 현상을 설명하는 데 도움을 줄 수 있을까? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 3부 1강 | 3부 ①

물리학은 흔히 무생물의 법칙을 다루는 학문으로 여겨지지만, 그 범위를 넓히면 인간 사회의 복잡한 사회 현상을 설명하는 강력한 도구가 됩니다. 사회는 결국 사람들의 모임이며, 사람은 물리적인 구성 요소로 이루어진 존재라는 점에서 사회 현상 또한 물리학의 연구 대상이 될 수 있습니다. 이러한 관점은 사회를 거시적인 시스템으로 파악하고, 그 안에서 흐르는 일정한 패턴과 규칙성을 찾아내려는 시도로 이어집니다. 이는 단순한 비유를 넘어 데이터와 수식을 통해 사회의 구조를 분석하는 새로운 지평을 열어줍니다. 구체적인 사례로 커피숍과 학교의 분포 방식을 살펴보면 사회물리학적 접근의 유용성이 드러납니다. 영리를 추구하는 커피숍은 고객의 수가 중요하기 때문에 인구 밀도에 비례하여 분포하는 경향을 보입니다. 반면, 공공성을 띠는 학교는 학생들의 통학 거리를 최소화하는 방향으로 배치됩니다. 이러한 차이는 인구 밀도와 시설 밀도 사이의 상관관계를 나타내는 지표인 '알파 값'의 차이로 명확히 규명됩니다. 이는 복잡해 보이는 도시의 시설 배치가 사실은 효율성과 이윤이라는 명확한 물리적 원리에 기반하고 있음을 시사합니다. 물리학이 사회를 바라보는 방식의 핵심은 '단순화'에 있습니다. 복잡한 사회적 변수들을 모두 고려하기보다는, 현상을 결정짓는 가장 핵심적인 동기나 원리를 추출하여 모델을 만듭니다. 누구나 동의할 수 있는 상식적인 가정에서 출발하여 수학적 결론을 도출하는 과정은 물리학적 접근의 강력한 힘입니다. 이러한 방식은 복잡한 현상 뒤에 숨겨진 보편적인 질서를 발견하게 하며, 중고등학생도 이해할 수 있는 명쾌한 논리로 사회 구조를 설명할 수 있게 해줍니다. 하지만 물리학적 설명이 모든 사회 현상을 완벽히 포괄할 수 있는지에 대해서는 철학적인 의문이 제기됩니다. 물리학의 모델은 수치적 예측에는 탁월할 수 있지만, 그 수치가 갖는 깊은 사회적 맥락이나 인문학적 통찰을 제공하는 데에는 한계가 있을 수 있습니다. 예측이 성공적이라고 해서 그 현상의 본질을 완전히 이해했다고 단정하기는 어렵기 때문입니다. 사회 현상은 단순히 데이터의 일치만으로 설명되지 않는, 인간의 의도와 가치가 개입된 복잡한 영역이라는 점을 간과해서는 안 됩니다. 자연 현상과 사회 현상의 결정적인 차이는 인과 관계의 위계에 있습니다. 물리학이 다루는 자연계는 주요한 원인과 부차적인 원인이 비교적 명확히 구분되어 근사적인 접근이 잘 들어맞습니다. 그러나 사회 현상은 비슷한 크기의 다양한 요인들이 서로 경쟁하며 시간에 따라 끊임없이 변화합니다. 정치, 경제, 심리적 요인들이 복잡하게 얽혀 있는 상황에서 특정 변수만을 추출하여 일반화하는 것은 외적 타당성을 확보하는 데 어려움을 겪게 만듭니다. 또한, 물리학의 대상인 입자들은 개별성이 없는 '동일 입자'로 취급되지만, 사회의 구성원인 인간은 저마다의 고유한 개성과 비합리성을 지닌 존재입니다. 집단으로서의 인간이 보여주는 '예측 가능한 비합리성'은 통계적인 패턴으로 나타날 수 있지만, 그것이 개개인의 삶이 가진 절실함이나 특수한 사정을 모두 반영하지는 못합니다. 거시적인 정책 수립에는 통계적 모델이 유용할지라도, 개별 사례의 구체적인 진실을 파악하기 위해서는 인문학적 통찰과의 상호 보완이 필수적입니다. 결국 물리학과 사회과학의 만남은 서로의 한계를 인정하고 보완하는 과정이어야 합니다. 물리학은 사회 현상을 정량적으로 분석하고 거시적인 규칙성을 제시함으로써 정책적 판단의 근거를 마련해 줍니다. 동시에 철학적 성찰은 그러한 데이터가 놓치기 쉬운 인간적 가치와 인문학적 통찰의 중요성을 일깨워줍니다. 과학이 끊임없이 발전하듯, 사회를 이해하려는 노력 또한 고정된 틀에 머물지 않고 다양한 학문적 경계를 넘나들며 더욱 깊어질 것입니다.

김범준, 이상욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 통계적인 예측과 동역학적 예측은 다른 것인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 3부 2강 | 3부 ②

물리학에서 동역학적 예측은 고전 역학이나 양자역학의 슈뢰딩거 방정식을 통해 입자의 미래 상태를 기술하는 방식입니다. 이는 특정 입자의 현재 위치와 운동량 정보를 입력값으로 삼아, 아주 짧은 시간 뒤의 상태를 결정론적으로 추적합니다. 미시적인 정보에서 시작하여 다시 미시적인 결과를 도출하는 과정이라 할 수 있습니다. 개별 개체의 움직임에 집중하여 그 인과 관계를 명확히 규명하려는 시도가 이 예측의 핵심이며, 입자 하나하나의 미래를 정밀하게 들여다보는 것을 목표로 합니다. 반면 통계적 예측은 수많은 입자가 모인 전체 시스템의 거시적인 변화에 주목합니다. 개별 입자의 구체적인 경로를 일일이 추적하는 대신, 온도나 압력과 같이 시스템 전체를 대표하는 소수의 변수를 통해 현상을 설명합니다. 이는 미시적인 복잡함 속에서 질서 있는 패턴을 찾아내는 과정이며, 개별 요소의 세세한 정보보다는 전체가 보여주는 통계적 성질이 무엇인지를 파악하는 데 목적이 있습니다. 수많은 기체 분자가 상호작용하며 만들어내는 거시적 상태를 이해하는 것이 통계 물리학의 주요 과제입니다. 이러한 통계적 관점은 사회 현상을 분석할 때도 유용하게 활용됩니다. 특정 학교나 커피숍이 정확히 어디에 위치할지 개별적으로 예측하기는 어렵지만, 이들이 모여 형성하는 전체적인 분포 패턴은 일정한 규칙성을 띱니다. 통계 물리학자들은 구체적인 개별 사례보다는 전체적인 데이터가 그리는 기준선을 제시함으로써, 현상이 적절한 범위 내에 있는지 판단할 근거를 마련합니다. 이는 개별 예측을 넘어선 거시적 통찰을 제공하며, 복잡한 사회 시스템 속에서 우리가 무엇에 주목해야 하는지를 알려주는 이정표가 됩니다. 철학적 관점에서 보면, 전체는 단순히 부분의 합이 아니라는 '창발 현상'이 중요하게 다루어집니다. 나무 하나하나를 볼 때와 숲 전체를 볼 때 나타나는 현상이 다르듯, 통계적 서술은 개별 동역학적 서술이 주지 못하는 새로운 층위의 정보를 제공합니다. 다만 집단의 평균적 특징을 개별 구성원에게 무분별하게 적용하는 '평균화의 오류'를 경계해야 합니다. 이는 통계적 지식과 개체 단위의 지식을 혼동할 때 발생하는 인식론적 위험이며, 과학적 권위를 빌려 사회적 편견을 조장하지 않도록 주의가 필요한 지점이기도 합니다. 확률의 존재 의미에 대해서도 고전 역학과 양자역학은 서로 다른 해석을 내놓습니다. 고전 역학에서의 확률은 우리가 모든 정보를 알지 못하는 '무지'에서 비롯된 도구적 성격이 강하지만, 양자역학에서는 세계의 본질적인 속성으로 이해되기도 합니다. 이러한 존재론적 차이는 우리가 세상을 기술하는 방식에 깊은 영향을 미칩니다. 결국 통계적 서술과 동역학적 서술은 단순히 방법의 차이를 넘어, 세계를 바라보는 근본적인 시각의 차이를 반영합니다. 우리가 세상을 얼마나 정확히 알 수 있는지에 대한 겸손한 성찰이 필요한 이유입니다. 과학적 연구는 종종 허공에 화살을 쏘고 그 자리에 과녁을 그리는 과정에 비유됩니다. 복잡한 현실을 단순화된 모형으로 만들고, 그 모형이 실제 데이터와 일치하는지 확인하며 이론을 정교화해 나가는 것입니다. 자연은 불연속적인 입자들로 구성되어 있지만, 물리학자들은 이를 연속적인 미분 방정식으로 기술하며 세상을 근사적으로 이해합니다. 이러한 모델링 과정은 완벽한 진리를 찾는 것이라기보다 세상을 이해하기 위한 유용한 도구를 만드는 작업입니다. 직관적인 가설에서 시작해 경험적 자료로 검증하는 과정이 과학의 본질입니다. 결론적으로 동역학적 예측과 통계적 예측은 서로 보완적인 관계에 있습니다. 지진의 정확한 시점을 예측할 수는 없어도 통계적 패턴을 통해 재난에 대비할 수 있듯이, 통계 물리학은 사회의 거시적 흐름을 이해하는 강력한 틀을 제공합니다. 다양한 학문적 접근이 경쟁하고 협력하며 세상의 인과 구조를 밝혀내는 과정은 인류의 지평을 넓혀줍니다. 우리는 이러한 다각적인 시선을 통해 복잡한 사회 현상을 더욱 깊이 있게 통찰할 수 있으며, 단순한 수치를 넘어 그 속에 담긴 의미를 해석하는 능력을 갖추게 됩니다.

김범준, 이상욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 물리법칙은 자연에 존재하는가, 인간이 만든 것인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 1부 1강 | 1부 ①

자연 법칙이 실재하는 것인지, 아니면 인간이 만들어낸 발명품인지에 대한 논의는 과학의 본질을 꿰뚫는 핵심적인 질문입니다. 역사적으로 '자연 법칙'이라는 개념은 17세기 유럽에서 본격적으로 등장했습니다. 당시 사람들은 유대교와 기독교 전통 속에서 입법자로서의 신이 세상에 부여한 규칙이 있다고 믿었습니다. 그 이전 시대에는 무생물인 자연이 인간의 법처럼 어떤 법칙을 따른다는 생각 자체가 생소하거나 희화화의 대상이 되기도 했습니다. 즉, 자연 법칙은 특정 시대의 종교적, 사회적 배경 속에서 탄생한 개념적 틀이라고 볼 수 있습니다. 데카르트와 뉴턴 같은 근대 과학의 선구자들은 신이 우주를 창조할 때 부여한 변하지 않는 법칙을 찾는 것을 과학의 사명으로 삼았습니다. 이들은 운동량 보존의 법칙이나 만유인력의 법칙에 깊은 종교적 의미를 부여하며, 이를 신의 예지와 지배의 증거로 보았습니다. 하지만 흥미로운 점은 이러한 법칙들이 우리가 일상에서 경험하는 복잡한 자연 그대로를 묘사하기보다는, 마찰이 없는 진공 상태나 완벽한 타원 궤도와 같이 고도로 추상화되고 이상화된 수학적 공간을 전제로 성립되었다는 사실입니다. 실제로 갈릴레오의 자유 낙하 법칙이나 유전 법칙을 살펴보면, 실제 실험 데이터가 법칙과 완벽히 일치하는 경우는 드뭅니다. 공기 저항이나 유전적 변수 등 현실의 복잡성 때문에 수치는 항상 미세하게 어긋나기 마련입니다. 그럼에도 과학자들은 복잡한 현상에서 핵심적인 요소를 뽑아내어 단순한 수학적 관계로 정립합니다. 이러한 관점에서 본다면 법칙은 자연 속에 숨겨져 있던 것을 그대로 발견한 것이라기보다, 인간이 자연을 이해하기 위해 창의적으로 설계한 모델에 가깝다고 할 수 있습니다. 반면 물리학의 관점에서는 법칙을 자연에 내재된 패턴의 발견으로 정의합니다. 우리가 관찰하는 수많은 현상 속에는 일정한 규칙성이 존재하며, 과학은 이를 수식의 형태로 포착해내는 과정입니다. 비록 우리가 인식하는 패턴이 비례 관계와 같은 단순한 형태에서 시작할지라도, 이는 자연의 근본적인 작동 원리를 반영합니다. 좋은 법칙일수록 더 넓은 범위에 적용되며, 상황이 바뀌어도 변하지 않는 보편성을 지닙니다. 뉴턴의 법칙이 지상을 넘어 천체의 운동까지 설명해낸 것이 그 대표적인 사례입니다. 20세기에 들어서며 과학계는 '법칙'이라는 용어 대신 '원리'나 '이론'이라는 표현을 더 자주 사용하기 시작했습니다. 상대성 이론이나 양자 역학의 원리들은 과거의 법칙들보다 훨씬 심오하고 정확하게 자연의 실재에 다가갑니다. 현대 물리학자들은 우리가 아직 모든 것을 알지는 못하지만, 정밀한 실험 데이터를 통해 진정한 자연 법칙에 점점 가까워지고 있다고 믿습니다. 현재의 이론이 특정 조건에서만 유효한 '유효 이론'일지라도, 그것은 분명 실재하는 자연의 질서를 반영하고 있습니다. 법칙의 실재성을 뒷받침하는 강력한 근거 중 하나는 바로 과학의 예견 능력입니다. 우리가 의자에 앉을 때 의자가 존재함을 의심하지 않듯, 법칙에 따라 예견된 현상이 실제로 일어난다는 사실은 그 법칙이 자연에 실재함을 증명합니다. 만약 법칙이 인간의 자의적인 구성물에 불과하다면, 그 법칙을 바탕으로 세워진 현대 문명과 기술적 성취는 불가능했을 것입니다. 법칙은 우리가 자연이라는 거대한 시스템을 이해하고 신뢰할 수 있게 만드는 실질적인 토대가 됩니다. 결국 자연 법칙을 둘러싼 논쟁은 과학이 자연을 '발견'하는 것인지 '발명'하는 것인지에 대한 철학적 성찰로 귀결됩니다. 과학은 복잡한 자연 현상을 인간의 언어와 수학으로 해석하는 창조적인 활동인 동시에, 우리 외부에 실재하는 객관적인 진리를 추구하는 여정이기도 합니다. 법칙이 인간의 필터를 거쳐 정의된다는 점과 자연에 근본적인 질서가 존재한다는 점은 서로 배타적인 것이 아니라, 과학이라는 거대한 지적 체계를 지탱하는 두 축이라고 할 수 있습니다.

이강영, 홍성욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (1) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ①

빛은 우리 일상과 뗄 수 없는 존재이지만, 과학적 관점에서 보면 빛은 전자기파의 일종이라고 할 수 있습니다. 19세기 맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 빛이 진공을 통과하는 전자기파임을 명확히 증명해냈습니다. 우리가 흔히 사용하는 휴대폰 전파와 눈에 보이는 가시광선은 근본적으로 같은 성질을 지니고 있으며, 단지 파장의 길이에 따라 그 용도와 이름이 달라질 뿐입니다. 이러한 전자기파의 발견은 현대 과학기술의 튼튼한 토대가 되었으며, 오늘날 우리가 누리는 수많은 광학 기술의 위대한 시작점이 되었습니다. 빛은 물질을 구성하는 원자나 분자에서 발생합니다. 단순히 물질이 존재한다고 해서 빛이 저절로 나는 것은 아니며, 외부에서 에너지를 적절히 공급받아야만 빛의 형태로 에너지를 방출하게 됩니다. 태양처럼 열에너지를 통해 빛을 내거나, 다른 빛을 흡수하여 다시 방출하는 등 자연계에는 다양한 방식이 존재합니다. 과학자들은 이러한 원리를 깊이 연구하여 인공적인 빛을 만드는 방법을 찾아냈으며, 그 과정에서 탄생한 가장 드라마틱한 결과물이 바로 레이저입니다. 에너지를 정밀하게 제어하여 빛을 만드는 기술은 현대 문명을 밝히는 핵심 동력이 되었습니다. 레이저는 우리가 흔히 보는 일반적인 빛과는 확연히 다른 물리적 특성을 지니고 있습니다. 단색성, 직진성, 간섭성이라는 세 가지 주요 특징을 통해 레이저는 매우 강력하고 똑똑한 빛으로 거듭나게 됩니다. 일반적인 전구의 빛이 사방으로 퍼지는 무질서한 군중과 같다면, 레이저는 잘 훈련된 군대처럼 일정한 방향과 파장을 유지하며 질서 있게 나아갑니다. 이러한 특성 덕분에 레이저는 아주 먼 거리까지 에너지를 집중해서 전달할 수 있으며, 오늘날 정밀한 측정이나 가공, 통신 등 수많은 첨단 분야에서 필수적인 도구로 활용되고 있습니다. 레이저의 역사는 이론적 통찰과 실험적 도전이 반복되는 치열한 경쟁 속에서 발전해 왔습니다. 1917년 아인슈타인의 유도 방출 이론을 시작으로, 1960년 마이먼이 최초의 루비 레이저를 제작하기까지 수많은 과학자의 헌신적인 노력이 있었습니다. 당시 학계의 권위자들은 고체 물질인 루비로는 레이저를 만들 수 없다고 예측하기도 했으나, 마이먼은 실험을 통해 이를 당당히 증명해내며 새로운 광학 시대를 열었습니다. 이후 가스 레이저와 반도체 레이저가 잇따라 개발되었고, 이러한 연구들은 수많은 노벨 물리학상 수상자를 배출하며 인류의 지식 지평을 넓혔습니다. 한국의 레이저 연구 역시 매우 척박한 환경 속에서 선구자들의 의지로 시작되었습니다. 1967년 헬륨-네온 레이저를 최초로 제작할 당시에는 필요한 가스나 접착제조차 구하기 힘든 상황이었지만, 과학자들의 뜨거운 열정 덕분에 독자적인 기술력을 확보할 수 있었습니다. 현재는 광통신용 광원이나 초소형 레이저 개발에 이르기까지 세계적인 수준의 연구가 활발히 이어지고 있습니다. 자연이 허용하는 가장 작은 크기의 레이저를 만들려는 연구자들의 꿈은 여전히 현재진행형이며, 이러한 똑똑한 빛들은 앞으로도 우리의 세상을 더욱 멋지게 변화시킬 것입니다.

이용희

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 패널토의 및 대담 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (7)

2016년 서울대학교 자연과학 공개 강연의 대미를 장식한 대담은 '과학자의 꿈과 도전'이라는 주제로 진행되었습니다. 화학부 신석민 교수님의 사회 아래 물리천문학부 박혜윤 교수님, 수리과학부 이기헌 대학원생, 생명과학부 도경완 학부생이 한자리에 모여 과학에 대한 열정과 고민을 나누었습니다. 서로 다른 전공과 세대를 아우르는 이들은 과학이라는 공통분모를 통해 자신들의 삶과 학문적 지향점을 진솔하게 풀어내었습니다. 강연장의 열기는 마지막까지 식지 않았으며, 참석자들은 과학자들이 전하는 생생한 현장의 이야기에 깊이 공감하며 귀를 기울였습니다. 이번 강연의 핵심 키워드인 '무질서에서 질서로'에 대해 패널들은 각자의 학문적 관점을 제시했습니다. 수학은 복잡한 현상 속에서 단순한 패턴을 발견하고 이를 논리적인 언어로 서술하는 과정이며, 생명과학은 엔트로피 법칙 속에서도 질서를 유지하며 복잡성을 키워가는 생명체의 신비로움을 다룹니다. 무질서해 보이는 자연현상 이면에 숨겨진 아름다운 법칙을 찾아내는 과정이야말로 과학이 가진 진정한 매력임을 확인하는 시간이었습니다. 이러한 질서를 이해하려는 노력은 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어 자연의 본질에 다가가는 숭고한 여정입니다. 과학자의 길을 걷게 된 계기는 거창한 이론보다는 소소한 호기심에서 시작된 경우가 많았습니다. 밤하늘의 별을 보며 우주를 동경하거나, 뇌의 작동 원리에 의문을 품고, 집 옥상에서 위험천만한 화학 실험을 감행하던 어린 시절의 기억들이 그들을 과학의 세계로 이끌었습니다. 다큐멘터리를 보며 생명의 경이로움을 느꼈던 경험이나 수학이 가진 근원적인 설명력에 매료된 순간들은, 불확실한 미래 속에서도 과학자라는 꿈을 포기하지 않게 만드는 강력한 원동력이 되었습니다. 작은 호기심의 씨앗이 자라나 인류의 지식 지평을 넓히는 거대한 나무가 된 셈입니다. 과학자로 성장하는 과정은 결코 순탄치만은 않습니다. 여성 과학자로서 겪는 환경적 제약이나 대학원 과정에서의 학문적 고뇌, 그리고 학부생이 느끼는 진로에 대한 불안감은 모든 과학도가 마주하는 현실적인 도전입니다. 하지만 패널들은 다양성이 존중될 때 과학이 더욱 풍요로워질 수 있다고 강조합니다. 남성 중심적인 문화에서 벗어나 새로운 시각을 도입하고, 한국인으로서 특정 분야의 전문가가 되겠다는 자부심을 갖는 것은 과학계의 발전을 위해 매우 중요한 요소입니다. 어려움 속에서도 긍정적인 마음가짐을 유지하는 것이 과학자에게 필요한 덕목임을 시사합니다. 꿈에 대한 확신이 서지 않을 때 어떻게 해야 하느냐는 질문에 대해, 신석민 교수님은 '함께 꾸는 꿈'의 중요성을 역설했습니다. 혼자서 모든 짐을 짊어지기보다는 동료들과 함께 고민하고 힘을 합칠 때, 불확실성은 도전의 기회로 바뀔 수 있습니다. 과학은 단순히 지식을 습득하는 과정이 아니라, 끊임없이 질문을 던지고 그 해답을 찾아가는 긴 여정입니다. 이 과정에서 동료들과 나누는 유대감과 격려는 연구의 고단함을 잊게 하고 다시금 앞으로 나아갈 수 있는 에너지를 제공합니다. 혼자가 아닌 함께일 때 과학자의 꿈은 더욱 견고해지고 현실에 가까워집니다. 자연과학을 전공하면 경제적으로 어려울 것이라는 편견에 대해서도 심도 있는 논의가 이루어졌습니다. 물리학이나 수학 같은 기초과학은 금융, 게임, IT 등 다양한 산업 분야로 진출할 수 있는 탄탄한 사고의 기초가 됩니다. 100세 시대를 살아가는 현대인에게 과학적 사고방식은 변화하는 환경에 적응하고 문제를 해결하는 핵심 역량이 됩니다. 단순히 일자리를 구하는 수단을 넘어, 세상을 바라보는 논리적인 틀을 갖추는 것이 과학 교육이 지향해야 할 진정한 가치입니다. 과학은 굶주림의 길이 아니라, 세상을 더 넓고 깊게 이해하며 자아를 실현하는 풍요로운 길입니다. 대담의 마무리는 미래 과학이 해결해야 할 도전적인 과제들로 채워졌습니다. 상대성이론과 양자역학을 통합할 수 있는 새로운 수학적 언어의 개발, 뇌의 신비를 밝히는 신경세포 연구, 그리고 생태학과 동물 행동학 같은 거시적 생물학 분야의 개척 등은 다음 세대 과학자들이 짊어져야 할 몫입니다. 과학자의 꿈은 정체된 것이 아니라 시대의 흐름에 따라 계속해서 진화하며, 이러한 도전을 멈추지 않을 때 인류의 지식 지평은 더욱 넓어질 것입니다. 오늘 대담에 참여한 학생들의 눈빛에서 우리는 인류의 미래를 밝힐 새로운 과학의 희망을 발견할 수 있었습니다.

박혜윤, 신석민

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학
화학
생명과학

[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] 뇌 : 신비한 세계로의 초대 (4) _ 신희섭 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 1강 | 1강 ④

우주는 인류에게 언제나 경외심과 탐구의 대상이었습니다. 밤하늘을 수놓은 수많은 별을 보며 우리는 저 너머에 무엇이 존재하는지, 그리고 이 거대한 공간 속에서 우리의 위치는 어디인지 끊임없이 질문해 왔습니다. 이러한 호기심은 단순한 상상을 넘어 과학적 탐구로 이어졌으며, 오늘날 우리는 과거에는 상상조차 할 수 없었던 우주의 깊은 곳까지 들여다볼 수 있는 기술적 토대를 마련하게 되었습니다. 천문학의 역사는 도구의 발전과 궤를 같이합니다. 갈릴레이가 망원경을 통해 목성의 위성을 발견한 순간부터, 현대의 제임스 웹 우주 망원경이 수십억 년 전의 빛을 포착하기까지 인류의 시야는 비약적으로 확장되었습니다. 관측 기술의 진보는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았으며, 보이지 않던 영역을 가시화함으로써 우주의 구조와 진화 과정을 더욱 정밀하게 이해할 수 있도록 도와주었습니다. 우리가 관측할 수 있는 우주의 범위는 빛의 속도라는 물리적 한계에 의해 결정됩니다. '관측 가능한 우주'라는 개념은 빛이 우주의 탄생 이후 우리에게 도달할 수 있었던 거리 내의 영역을 의미합니다. 이 경계 너머에는 여전히 우리가 알지 못하는 광활한 공간이 존재하며, 우주의 팽창 속도가 빛보다 빠를 수 있다는 사실은 우리가 영원히 도달하거나 관측할 수 없는 영역이 존재함을 시사하기도 합니다. 현대 우주론의 가장 큰 화두 중 하나는 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체입니다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 별과 은하, 가스 등은 우주 전체 에너지 밀도의 극히 일부에 불과합니다. 나머지 대부분을 차지하는 암흑 물질은 중력을 통해 은하를 유지시키고, 암흑 에너지는 우주의 가속 팽창을 주도하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 미지의 영역을 규명하는 것은 현대 물리학이 직면한 가장 거대한 도전 중 하나입니다. 우주의 기원을 추적하는 과정은 필연적으로 빅뱅 이론과 연결됩니다. 초고온, 초고밀도의 상태에서 시작된 우주가 어떻게 현재와 같은 복잡한 구조를 갖추게 되었는지를 연구하는 것은 물질의 근원을 찾는 과정이기도 합니다. 초기 우주의 미세한 온도 변화가 오늘날 거대한 은하 구조의 씨앗이 되었다는 사실은, 아주 작은 물리적 법칙이 우주 전체의 운명을 결정지었음을 보여주는 놀라운 증거입니다. 우주 탐사는 이제 한 국가의 역량을 넘어 전 지구적인 협력이 필요한 분야가 되었습니다. 국제 우주 정거장 운영이나 화성 탐사 프로젝트 등은 인류가 공동의 목표를 위해 지혜를 모으는 대표적인 사례입니다. 과학적 발견은 국경을 초월하며, 우주라는 거대한 환경 속에서 인류는 하나의 공동체로서 서로의 기술과 자원을 공유하며 미지의 세계를 향한 발걸음을 멈추지 않고 있습니다. 미래의 우주 탐사는 단순히 관측에 머물지 않고 인류의 생활권을 확장하는 방향으로 나아갈 것입니다. 달 기지 건설이나 화성 이주 계획은 더 이상 공상 과학 소설 속의 이야기가 아닙니다. 우리는 지구라는 요람을 벗어나 우주로 나아가는 전환점에 서 있으며, 이러한 여정은 인류의 생존 가능성을 높이는 동시에 생명과 존재에 대한 근원적인 성찰을 제공할 것입니다.

신희섭, 이창준, 이현숙

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[석학인터뷰] 김성근 KAOS 과학위원(서울대학교 화학과 교수, 자연대 학장) 인터뷰

과학은 흔히 전문가들만의 영역으로 여겨지기 쉽지만, 대중과의 거리를 좁히는 노력은 현대 사회에서 매우 중요한 과제입니다. 카오스재단과 같은 단체들은 전문가 집단과 대중을 연결하며 과학의 대중화를 이끄는 가교 역할을 수행하고 있습니다. 과학자들이 대중에게 지식을 전달하는 과정은 결코 쉽지 않지만, 이러한 소통을 통해 과학이 우리 삶의 일부로 자리 잡는 과정은 매우 흥미롭고 가치 있는 일입니다. 앞으로도 이러한 활동이 활발해져 과학이 모두가 즐길 수 있는 문화로 정착되기를 기대합니다. 어린 시절 만화책이나 우주선 발사 장면을 보며 키웠던 과학에 대한 동경은 많은 이들에게 과학자의 꿈을 심어주는 계기가 됩니다. 저 역시 달 착륙 장면을 지켜보며 과학을 무작정 동경하게 되었지만, 고등학교 시절 적성에 대한 고민으로 첫 번째 좌절을 겪기도 했습니다. 주변에서는 문과 적성이라고 권유했고 실제로 수학이나 과학 성적이 기대만큼 나오지 않아 고민이 깊었지만, 과학을 향한 순수한 동경은 결국 저를 이 길로 이끌었습니다. 적성이라는 틀에 갇히기보다 열정을 따르는 것이 중요함을 깨닫는 과정이었습니다. 리처드 파인만의 저서 '파인만 씨, 농담도 잘하시네요!'는 과학이 무엇인지 보여주는 훌륭한 입문서입니다. 이 책은 과학적 사고 체계가 자연을 어떻게 바라보는지 평이하고 유머러스하게 설명하며, 과학이 결코 딱딱한 학문이 아님을 일깨워줍니다. 과학은 단순히 지식을 암기하는 것이 아니라, 세상을 바라보는 독특한 시각과 호기심을 바탕으로 합니다. 간결한 문장 속에 담긴 과학자의 사고방식을 접하다 보면, 대중도 과학 본연의 즐거움을 발견하고 자연의 작동 원리에 대해 깊이 이해할 수 있는 기회를 얻게 될 것입니다. 한국 사회에서 과학은 오랫동안 경제 발전을 위한 도구이자 기술 발전을 위한 소비재처럼 인식되어 왔습니다. 서구 사회가 근대 과학의 태동기부터 우주와 자연에 대한 근본적인 호기심을 바탕으로 과학을 발전시켜 온 것과는 대조적입니다. 이제 우리나라는 남을 따라가는 추종형 기술에서 벗어나 세계 최첨단을 달리는 선도형 국가로 도약해야 하는 시점에 서 있습니다. 이를 위해서는 모방이 아닌 창조가 필요하며, 그 핵심은 결국 기초과학의 탄탄한 토대 위에 세워진 원천 기술의 확보에 달려 있다고 할 수 있습니다. 화학은 물리학이라는 뿌리와 생명과학이라는 꽃을 잇는 줄기와 같은 '중심 과학'입니다. 하지만 대중에게 화학은 종종 오염 물질이나 위험한 약품이라는 부정적인 이미지로 각인되어 있기도 합니다. 사실 우리가 마시는 물을 포함해 세상의 모든 물질은 화학 물질이며, 이를 무조건 두려워하기보다는 정확히 이해하고 제어하는 태도가 필요합니다. 현대 사회의 다양한 위험 요소들을 피하기만 하는 것이 아니라, 과학적 이해를 바탕으로 적극적으로 조절하려는 의지가 있을 때 비로소 화학은 인류의 발전을 돕는 진정한 역할을 수행할 수 있습니다.

김성근

카오스재단석학인터뷰

화학
융합

[석학인터뷰] 교수님처럼 글을 잘 쓰려면 어떻게 해야하나요?- KAOS 최재천 국립생태원장 인터뷰 영상

생명의 기원을 밝히는 일은 과학계에서 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 생명이 처음 탄생하던 순간을 직접 목격한 이가 없기에, 우리는 현재 관찰 가능한 데이터만을 바탕으로 과거를 유추할 수밖에 없습니다. 종교적 설명이나 외계 유입설은 언뜻 명쾌해 보이지만, 이는 근본적인 발생 원리에 대한 과학적 해답이 되기 어렵습니다. 외계에서 생명이 왔다고 가정하더라도 그 생명이 어디서 어떻게 시작되었는지에 대한 질문은 여전히 남기 때문입니다. 결국 우리는 지구라는 환경 안에서 생명이 태동한 과정을 논리적으로 추적해야만 합니다. 좋은 글을 쓰는 비결은 타고난 재능보다는 치열한 퇴고의 과정에 있습니다. 마감 기한을 스스로 앞당겨 설정하고, 완성된 초고를 수십 번 다시 읽으며 다듬는 정성이 필요합니다. 특히 글을 소리 내어 읽었을 때 느껴지는 리듬감은 독자에게 의미를 전달하는 핵심적인 요소입니다. 귀로 들었을 때 매끄럽지 않거나 호흡이 끊기는 문장은 과감히 수정해야 합니다. 글쓴이가 스스로 읽기에 불편함이 없을 때까지 고치고 또 고치는 반복적인 노력이 뒷받침될 때, 비로소 독자의 마음을 움직이는 생동감 넘치는 문장이 탄생하게 됩니다. 자연과학의 여러 분야 중 생물학은 독특한 위치를 차지합니다. 물리학이나 화학이 대상을 더 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의적 접근에 집중한다면, 생물학은 그 분석된 요소들을 다시 하나로 묶어내는 종합력을 요구합니다. 세포 하나를 들여다보는 분석력도 중요하지만, 그 세포들이 모여 하나의 생명체를 이루고 나아가 생태계 속에서 상호작용하는 전체적인 그림을 그릴 수 있어야 합니다. 생명의 오묘함은 단순히 부분을 합친 것 이상의 복잡성을 지니고 있기에, 이를 이해하기 위해서는 분석력과 종합력의 균형이 필수적입니다. 생물학적 탐구는 미시적인 세계와 거시적인 세계를 동시에 아우르는 매력을 지니고 있습니다. 분석력만을 강조하는 학문적 풍토에서 벗어나, 쪼개진 파편들을 연결하여 생명이라는 거대한 퍼즐을 완성해 나가는 과정은 지적 호기심을 자극하기에 충분합니다. 이러한 종합력은 생명 현상의 본질을 꿰뚫어 보는 힘이 됩니다. 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어 생명체가 살아가는 방식과 그 의미를 탐구하는 일은 인간이 자연을 이해하는 가장 깊이 있는 방법 중 하나입니다. 분석력과 종합력을 넘나드는 통찰력은 생물학자가 갖춰야 할 최고의 덕목입니다. 현대 과학에서 생물학의 역할은 갈수록 중요해지고 있습니다. 기후 위기나 질병 등 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 생명 시스템에 대한 다각적인 이해가 필요하기 때문입니다. 분석적인 데이터에 기반하면서도 전체적인 조화를 고려하는 생물학적 접근 방식은 미래 과학의 핵심적인 방법론이 될 것입니다. 자연의 섭리를 존중하며 생명의 기원부터 현재의 다양성까지 아우르는 학문적 여정은 우리에게 세상을 바라보는 새로운 눈을 제공합니다. 지적 치열함과 종합력을 통해 우리는 생명의 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.

최재천

카오스재단석학인터뷰

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