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[강연] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 2강

중성미자는 우주를 구성하는 가장 기본적이면서도 신비로운 입자입니다. 지금 이 순간에도 우리 몸을 초당 수백억 개씩 통과하고 있지만, 전하가 없고 질량이 매우 작아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 하지만 이 작은 입자는 우주 탄생의 비밀을 풀 수 있는 열쇠를 쥐고 있습니다. 특히 물질-반물질 비대칭성을 설명함으로써, 왜 우주에 물질만 남게 되었는지에 대한 근본적인 답을 제시할 수 있는 유일한 단서로 주목받고 있습니다. 1987년 발생한 초신성 폭발은 인류가 중성미자의 실체를 확인한 역사적인 사건이었습니다. 당시 칠레의 천문대에서 찬란한 빛을 관측했을 때, 일본의 지하 1km 깊은 광산에서는 12개의 중성미자가 포착되었습니다. 이는 별이 죽음을 맞이할 때 방출하는 에너지의 99%가 빛이 아닌 중성미자의 형태로 쏟아져 나온다는 사실을 증명했습니다. 보이지 않는 입자를 통해 우주의 거대한 이벤트를 관측할 수 있다는 가능성을 확인하며 중성미자 천문학의 시대가 열린 것입니다. 중성미자는 물질과 거의 상호작용을 하지 않는 특성 때문에 '유령 입자'라고도 불립니다. 이들은 지구를 그대로 투과할 정도로 투과력이 강해, 이를 관측하기 위해서는 특별한 환경이 필요합니다. 우주에서 쏟아지는 다른 입자들의 방해를 피하고자 연구자들은 깊은 지하로 내려갑니다. 약 1km 깊이의 지하에서는 대부분의 노이즈가 차단되고 오직 중성미자만이 도달할 수 있기 때문입니다. 이러한 극한의 환경은 보이지 않는 우주를 탐험하기 위한 과학자들의 필연적인 선택입니다. 중성미자를 포착하기 위해서는 거대한 검출 장치가 필수적입니다. 일본의 슈퍼 카미오칸데는 5만 톤의 물을 채운 거대한 탱크를 이용해 중성미자가 전자와 충돌할 때 발생하는 미세한 빛을 감지합니다. 이때 입자가 물속에서 빛의 속도보다 빠르게 이동하며 발생하는 '체렌코프 복사' 현상을 광센서로 읽어내는 방식입니다. 남극의 빙하를 이용한 아이스큐브 실험 역시 거대한 얼음 덩어리를 검출기로 활용하여 우주 깊은 곳에서 날아오는 고에너지 중성미자를 추적하고 있습니다. 중성미자로 본 우주는 우리가 눈으로 보는 모습과는 전혀 다릅니다. 빛은 밀도가 높은 천체를 통과하지 못하지만, 중성미자는 태양의 중심부나 은하의 핵을 그대로 뚫고 나옵니다. 이를 통해 우리는 천체의 내부에서 어떤 일이 벌어지는지 직접 들여다볼 수 있는 '뉴트리노그래프'를 얻게 됩니다. 이는 보이지 않는 우주의 이면을 시각화하는 혁신적인 방법으로, 별의 탄생과 죽음, 그리고 은하의 구조를 이해하는 데 있어 기존의 광학 망원경이 주지 못했던 새로운 통찰을 제공합니다. 한국 역시 중성미자 연구의 중심지로 도약하고 있습니다. 강원도 정선의 예미랩(Yemilab) 지하 실험실과 전남 영광의 한빛 원자력 발전소를 활용한 연구는 세계적인 수준의 성과를 거두었습니다. 특히 원자로에서 발생하는 중성미자를 관측하여 중성미자의 종류가 변하는 '중성미자 진동' 현상을 정밀하게 측정해냈습니다. 이러한 연구는 중성미자가 가진 고유한 특성을 밝혀내는 데 기여했을 뿐만 아니라, 기초 과학 분야에서 한국의 위상을 높이며 우주의 근본 원리를 규명하는 중요한 발판이 되었습니다. 중성미자 연구의 궁극적인 목표는 우주 초기 물질-반물질 비대칭성의 원인을 밝히는 것입니다. 빅뱅 직후 동일하게 존재했던 물질과 반물질 중 왜 물질만이 살아남아 지금의 우리를 구성하게 되었는지에 대한 해답이 중성미자의 미세한 성질 속에 숨겨져 있기 때문입니다. 향후 일본과 한국을 잇는 거대 관측망이 구축된다면, 인류는 우주 탄생의 마지막 비밀을 풀 수 있을 것입니다. 보이지 않는 것을 쫓는 이 여정은 결국 우리가 어디에서 왔는지를 이해하는 과정입니다.

유종희

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물리학
천문학

[인터뷰] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험"

중성미자는 원자핵이 붕괴하거나 융합될 때 발생하는 아주 작은 입자로, 우주 초기부터 존재해 온 신비로운 존재입니다. 지금 이 순간에도 태양에서 생성된 수많은 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있지만, 일반 물질과 거의 상호작용하지 않아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 1930년대에 처음 이론적으로 예측된 이후, 현대 과학은 이 보이지 않는 입자를 인공적으로 만들어내고 관측하는 수준에 도달했습니다. 특히 우리나라는 원자로가 많아 중성미자 연구에 최적의 환경을 갖추고 있으며, 이를 통해 세계적인 수준의 실험 성과를 거두고 있습니다. 우주에는 우리가 알고 있는 물질 외에도 중력으로만 그 존재를 드러내는 암흑물질이 존재합니다. 은하의 회전 속도를 관측해 보면 중심에서 멀어져도 속도가 줄어들지 않는데, 이는 보이지 않는 무언가가 강력한 중력으로 은하를 붙잡고 있음을 의미합니다. 지난 수십 년간 수많은 과학자가 이 실체를 규명하려 노력해 왔으나, 아직 우리가 아는 입자 중에는 이를 설명할 수 있는 대상이 없습니다. 현재는 암흑물질이 일반 물질과 어떤 상호작용을 하는지 밝혀내기 위한 정밀한 탐색 실험들이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 입자물리학의 역사에서 중성미자가 서로 다른 종류로 변신한다는 '중성미자 진동' 현상의 발견은 매우 중요한 전환점이었습니다. 전자, 뮤온, 타우 중성미자가 일정한 비율로 섞이며 상태가 변하는 이 과정은 우주의 근본 원리를 이해하는 핵심 열쇠입니다. 한국 연구진은 이 진동의 정도를 결정하는 변수 중 가장 측정하기 어려운 값을 찾아내며 국제 학계에 큰 기여를 했습니다. 이러한 정밀 측정은 단순히 입자의 성질을 파악하는 것을 넘어, 우주가 어떻게 지금과 같은 모습을 갖추게 되었는지에 대한 근원적인 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 우주 탄생 초기에는 물질과 반물질이 같은 양으로 존재했으나, 어느 순간 균형이 깨지면서 물질이 아주 미세하게 더 많이 살아남게 되었습니다. 만약 이 대칭성이 깨지지 않았다면 물질과 반물질은 모두 소멸하여 현재의 인류와 우주는 존재할 수 없었을 것입니다. 과학자들은 이 미묘한 비대칭의 비밀이 중성미자에 숨겨져 있다고 믿고 있습니다. 현재 미국과 일본을 비롯한 전 세계 연구팀은 향후 수십 년을 내다보며 물질과 반물질의 비대칭 계수를 측정하기 위한 거대 프로젝트를 추진 중이며, 이는 인류의 기원을 밝히는 중요한 여정이 될 것입니다. 과학 연구는 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 미지의 세계를 향한 즐거운 탐험이자 일종의 몰입감 넘치는 취미와도 같습니다. 새로운 가설을 세우고 이를 증명해 나가는 과정에서 겪는 수많은 실패는 좌절의 이유가 아니라, 안 되는 방법을 하나씩 지워나가는 논리적인 진보의 과정입니다. 가능성이 없는 길을 빠르게 판단하고 전환하는 '빠른 실패'의 태도는 연구의 효율성을 높이는 중요한 전략이 됩니다. 시도조차 하지 않는 것이야말로 진정한 실패라는 마음가짐으로 끝까지 도전하는 자세가 현대 과학을 지탱하는 진정한 원동력이라 할 수 있습니다.

유종희

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물리학
천문학

[강연] 세상을 설명하는 양자이론 : 표준모형과 그 너머_by 박성찬 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 8강 | 8강

리처드 파인만은 인류 문명이 사라질 위기에 처했을 때 후세에 전해야 할 가장 중요한 지식으로 '모든 물질은 원자로 이루어져 있다'는 원자론을 꼽았습니다. 19세기 주기율표로 정리된 원자론은 물질의 근본을 설명하는 가장 정확한 이론처럼 보였으나, 과학의 발전은 그 이면의 더 깊은 세계를 드러냈습니다. 현대 물리학은 양자역학의 불확정성 원리를 통해 더 높은 에너지로 더 짧은 길이를 탐구하며 원자 내부의 핵과 쿼크라는 새로운 구조를 발견해냈습니다. 1970년대에 이르러 인류는 물질을 이루는 입자들을 체계적으로 정리한 '표준 모형'이라는 새로운 주기율표를 완성했습니다. 이 모형은 물질을 구성하는 3세대의 페르미온과 힘을 매개하는 게이지 보손, 그리고 입자에 질량을 부여하는 힉스 입자로 구성됩니다. 표준 모형은 인류가 우주에 대해 얻어낸 가장 정확한 설명서이며, 우리가 일상에서 보는 모든 물질 현상을 단 몇 종류의 근본 입자와 상호작용만으로 명쾌하게 설명해내는 놀라운 성취를 보여줍니다. 우리가 흔히 '입자'라고 부르는 존재의 더 깊은 본질은 사실 온 우주를 채우고 있는 '양자장'입니다. 현대 물리학의 두 기둥인 상대성 이론과 양자역학이 결합된 양자장 이론에 따르면, 입자는 양자장의 요동이 특정한 형태로 나타난 현상에 불과합니다. 진공조차 가만히 멈춰 있지 않고 끊임없이 요동치며, 충분한 에너지가 모이면 입자와 반입자가 쌍으로 생성되거나 소멸하는 역동적인 과정을 반복합니다. 이는 우주가 고정된 실체가 아닌 에너지의 끊임없는 변화임을 시사합니다. 표준 모형을 지탱하는 핵심 원리는 '대칭성'입니다. 시공간의 로렌츠 대칭성과 내부 공간의 게이지 대칭성은 자연계의 근본적인 힘들이 어떻게 작용하는지를 결정합니다. 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력이라는 세 가지 힘은 각각 특정한 게이지 대칭성에 기반하여 입자들 사이에서 정보를 전달하고 운동량을 교환합니다. 이러한 대칭성 덕분에 표준 모형은 이론적으로 무한한 정밀도를 가지고 계산이 가능한 '재규격화'라는 강력한 수학적 토대를 갖추게 되었습니다. 2012년 힉스 입자의 발견은 표준 모형의 마지막 퍼즐을 완성하는 역사적 사건이었습니다. 힉스 메커니즘은 우주 초기 하나였던 힘들이 대칭성의 자발적 깨짐을 통해 분화되는 과정을 설명하며, 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되었는지 밝혀냈습니다. 힉스 장과 강하게 상호작용하는 입자는 무거운 질량을 얻고, 그렇지 않은 입자는 가볍거나 질량이 없게 됩니다. 이 정교한 메커니즘 덕분에 우리 우주는 현재와 같이 다양한 질량을 가진 물질들이 존재할 수 있는 구조를 갖추게 되었습니다. 하지만 표준 모형의 완성은 물리학의 끝이 아니라 새로운 탐구의 시작입니다. 현재 우리가 이해하는 표준 모형의 물질은 우주 전체 에너지의 단 5%에 불과하며, 나머지 95%를 차지하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 또한 왜 입자의 세대가 세 번 반복되는지, 초기 우주의 급팽창은 누가 일으켰는지, 왜 우주에는 반물질보다 물질이 압도적으로 많은지와 같은 근본적인 질문들에 대해 표준 모형은 아직 명확한 답을 내놓지 못하고 있습니다. 물리학자들은 표준 모형을 넘어선 더 근원적인 이론인 '대통일 이론'이나 '초끈 이론'을 통해 우주의 신비를 풀고자 노력하고 있습니다. 전자와 양성자의 전하량이 왜 정확히 일치하는지, 우주의 진공은 과연 영원히 안정한 상태인지와 같은 질문들은 인류를 더 높은 에너지와 더 깊은 통찰의 세계로 인도합니다. 표준 모형은 비록 완벽하지 않을지라도, 우리가 우주의 기원과 본질을 이해하기 위해 반드시 거쳐야 할 가장 견고하고 아름다운 징검다리임이 분명합니다.

박성찬

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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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물리학
지구환경과학
천문학
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[인터뷰] 윤진희_ 산이 좋아 CERN에서 연구 시작했어요! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

인공지능은 현대 과학 기술의 정점으로 불리며 우리 삶의 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 과거에는 단순히 프로그래밍된 명령만을 수행하던 기계가 이제는 스스로 데이터를 학습하고 판단을 내리는 수준에 도달했습니다. 이러한 변화는 의료, 금융, 교육 등 사회 전반에 걸쳐 혁신적인 편리함을 제공하고 있으며, 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결할 수 있는 새로운 열쇠로 주목받고 있습니다. 기술의 발전 속도가 빨라짐에 따라 우리는 인공지능과 공존하는 미래를 진지하게 준비해야 하는 시점에 서 있습니다. 인공지능의 핵심 동력 중 하나는 인간의 뇌 구조를 모방한 인공 신경망 기술입니다. 딥러닝이라 불리는 이 기술은 방대한 양의 데이터를 처리하며 패턴을 찾아내고, 이를 통해 사물을 인식하거나 언어를 번역하는 등 고도의 지적 능력을 발휘합니다. 특히 수많은 층으로 구성된 인공 신경망은 신경망이 깊어질수록 더욱 정교한 추론을 가능하게 하여, 과거에는 불가능해 보였던 복잡한 비정형 데이터 분석에서도 놀라운 성과를 거두고 있습니다. 이는 기계가 인간의 학습 방식을 닮아가는 과정이라 할 수 있습니다. 우리 주변에서도 인공지능의 활약은 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 스마트폰의 음성 비서부터 개인의 취향을 분석해 콘텐츠를 추천해 주는 알고리즘에 이르기까지, 인공지능은 이미 일상의 깊숙한 곳에 자리 잡고 있습니다. 이러한 기술은 단순히 편의를 제공하는 것을 넘어, 자율주행 자동차나 정밀 의료 진단 시스템처럼 인간의 안전과 생명에 직결된 분야로 그 영역을 넓혀가고 있습니다. 이는 기술이 인간의 능력을 보조하고 확장하는 중요한 도구가 되었음을 의미하며 우리의 생활 양식을 재정의하고 있습니다. 하지만 인공지능의 급격한 발전은 동시에 여러 가지 윤리적 고민과 과제를 안겨주기도 합니다. 알고리즘의 편향성 문제나 데이터 프라이버시 침해, 그리고 자동화로 인한 일자리 변화 등은 우리가 반드시 해결해야 할 숙제입니다. 기술이 인간을 위해 존재하기 위해서는 투명하고 공정한 기준 아래 개발되어야 하며, 인공지능이 내리는 결정에 대한 책임 소재를 명확히 하는 사회적 합의가 필요합니다. 이는 기술적 진보만큼이나 중요한 인문학적 성찰의 영역이며 지속 가능한 발전을 위한 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 결론적으로 인공지능은 인류의 가능성을 무한히 확장할 수 있는 강력한 도구입니다. 우리는 이 기술을 두려워하기보다는 정확히 이해하고 올바른 방향으로 이끌어 나가는 지혜를 발휘해야 합니다. 인간의 창의성과 인공지능의 효율성이 조화를 이룰 때, 우리는 지금보다 더 나은 미래를 설계할 수 있을 것입니다. 지속적인 연구와 윤리적 가이드라인의 확립을 통해 인공지능이 인류 공동의 번영에 기여하는 동반자가 되기를 기대해 봅니다. 기술과 인간이 상호 보완하며 나아가는 미래는 이제 막 시작되었습니다.

윤진희

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

블랙홀은 인류의 상상력에서 시작되어 현대 물리학의 정수로 자리 잡은 신비로운 천체입니다. 18세기 존 미첼의 '검은 별' 개념에서 출발한 이 상상은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 거쳐 슈바르츠실트에 의해 수학적으로 증명되었습니다. 블랙홀은 중력이 너무 강해 빛조차 탈출할 수 없는 시공간의 영역으로, 사건의 지평선 너머의 정보는 우리에게 도달할 수 없습니다. 이는 단순한 이론적 가설을 넘어 우주의 근본적인 구조를 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 현대 천문학은 관측 기술의 발전을 통해 블랙홀의 실체를 입증해냈습니다. 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 주변 별들의 빠른 공전 궤도를 수십 년간 추적한 결과, 좁은 공간에 태양 질량의 400만 배에 달하는 초거대 질량이 존재함이 밝혀졌습니다. 또한 사건의 지평선 망원경(EHT) 프로젝트는 인류 최초로 블랙홀의 그림자를 촬영하는 데 성공하며 이론적 예측이 실제와 일치함을 보여주었습니다. 이러한 성과들은 블랙홀이 우주에 실재하는 물리적 실체임을 확고히 했습니다. 블랙홀은 질량에 따라 항성 질량 블랙홀부터 은하 중심의 초거대 질량 블랙홀까지 다양하게 분류됩니다. 특히 초거대 질량 블랙홀은 은하의 생성 및 진화와 밀접한 관련이 있으며, 은하의 질량과 블랙홀의 질량 사이에는 일정한 비례 관계가 존재함이 발견되었습니다. 이는 블랙홀이 단순히 물질을 빨아들이는 구멍이 아니라, 막대한 에너지를 방출하며 은하 전체의 환경을 조절하는 엔진 역할을 수행함을 시사합니다. 최근에는 그 기원을 밝히기 위한 중간 질량 블랙홀 연구도 활발히 진행 중입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 힘이 아니라 질량에 의해 휘어진 시공간의 기하학적 특성입니다. 블랙홀 주변의 극도로 휘어진 시공간은 시간 지연과 같은 기묘한 현상을 일으키며, 이는 영화적 상상력을 자극하는 타임머신의 이론적 토대가 되기도 합니다. 또한 스티븐 호킹은 양자역학적 효과를 도입하여 블랙홀이 미세한 빛을 내며 증발할 수 있다는 '호킹 복사' 이론을 제시했습니다. 이는 거시 세계의 상대론과 미시 세계의 양자론이 만나는 지점으로 현대 물리학의 최대 난제 중 하나입니다. 우주에는 눈에 보이는 물질보다 훨씬 많은 양의 암흑 물질이 존재합니다. 은하의 회전 속도가 예상보다 빠르다는 사실과 중력 렌즈 효과를 통해 우리는 보이지 않는 거대한 질량의 존재를 추론할 수 있습니다. 암흑 물질은 빛과 상호작용하지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 중력을 통해 우주의 거대 구조를 형성하는 뼈대 역할을 합니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면 암흑 물질이 존재해야만 현재 우리가 보는 은하와 은하단의 분포가 설명될 수 있으며, 이는 우주론의 필수 요소입니다. 암흑 에너지는 우주의 가속 팽창을 일으키는 미지의 힘으로, 우주 전체 에너지 밀도의 약 70%를 차지합니다. 1990년대 후반 초신성 관측을 통해 우주가 시간이 갈수록 더 빠르게 팽창하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 암흑 에너지는 물질을 서로 밀어내는 척력으로 작용하며, 우주가 팽창할수록 그 영향력이 더욱 커지는 특성을 가집니다. 하지만 그 정체가 진공 에너지인지 혹은 제5원소인지에 대해서는 아직 명확한 결론이 나지 않은 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 블랙홀, 암흑 물질, 암흑 에너지는 우리가 아는 우주의 95% 이상을 차지하는 '어둠의 존재들'입니다. 인류가 이해하고 있는 보통의 물질은 단 5%에 불과하며, 나머지 영역은 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 과학자들은 중력파 관측, 지하 입자 검출기, 거대 망원경 등을 동원하여 이들의 정체를 밝히기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 이러한 탐구는 단순히 지적 호기심을 충족하는 것을 넘어, 시공간의 본질과 우주의 시작과 끝을 이해하려는 인류의 위대한 여정이라 할 수 있습니다.

김지훈, 김형도, 박명구, 우종학

카오스재단카오스콘서트

천문학

[인터뷰] 김형도_ Winter is Coming! 이론물리학의 겨울이 왔다? | 2021 카오스콘서트 '어둠의 존재들'

인류는 끊임없이 증가하는 에너지 수요와 기후 위기라는 거대한 과제에 직면해 있습니다. 화석 연료의 고갈과 탄소 배출 문제는 이제 더 이상 미룰 수 없는 현실이 되었으며, 이를 해결하기 위한 궁극적인 대안으로 핵융합 에너지가 주목받고 있습니다. 핵융합은 태양이 에너지를 만들어내는 원리를 지구상에 구현하는 것으로, 바닷물에 풍부한 중수소를 원료로 사용하기 때문에 자원이 거의 무한정하다는 장점이 있습니다. 또한 탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원으로서 인류의 미래를 바꿀 게임 체인저로 기대를 모으고 있습니다. 핵융합의 핵심 원리는 가벼운 원자핵들이 결합하여 더 무거운 원자핵이 되면서 엄청난 에너지를 방출하는 과정에 있습니다. 태양과 같은 별들은 거대한 중력을 이용해 이 반응을 일으키지만, 지구에서는 이를 인위적으로 만들어내야 합니다. 이를 위해 중수소와 삼중수소를 1억 도 이상의 초고온 상태인 플라스마로 만들어야 하는데, 이 상태가 되면 원자핵들이 서로의 전기적 반발력을 이겨내고 충돌하여 융합하게 됩니다. 이 과정에서 발생하는 에너지는 기존의 원자력 발전보다 효율적이며 방사능 위험도 현저히 낮아 안전한 에너지로 평가받습니다. 하지만 1억 도가 넘는 뜨거운 플라스마를 직접 담을 수 있는 용기는 지구상에 존재하지 않습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 강력한 자기장을 이용해 플라스마를 공중에 띄우는 '토카막'이라는 장치를 고안해냈습니다. 자기력선이 플라스마를 도넛 모양의 진공 용기 안에 가두어 벽면에 닿지 않게 유지하는 방식입니다. 이 기술은 매우 정교한 제어가 필요하며, 아주 작은 불안정성만으로도 플라스마가 붕괴될 수 있기 때문에 전 세계 과학자들이 이를 안정적으로 유지하기 위한 연구에 매진하고 있습니다. 현재 핵융합 기술은 국제적인 협력을 통해 비약적인 발전을 거듭하고 있습니다. 한국을 포함한 주요 선진국들이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트는 인류 역사상 가장 큰 규모의 과학 프로젝트 중 하나로 꼽힙니다. 특히 한국의 핵융합 연구 장치인 KSTAR는 세계 최초로 1억 도 이상의 초고온 플라스마를 30초 이상 유지하는 데 성공하며 세계적인 기술력을 입증했습니다. 이러한 성과들은 핵융합 상용화가 단순히 꿈이 아닌, 실현 가능한 미래임을 보여주는 중요한 지표가 되고 있습니다. 핵융합 에너지가 상용화된다면 인류는 에너지 빈곤에서 완전히 벗어날 수 있을 것입니다. 저렴하고 깨끗한 에너지가 무한히 공급됨으로써 산업 구조는 물론 우리의 일상생활 전반에 혁명적인 변화가 일어날 것입니다. 물론 아직 극복해야 할 기술적 난관들이 남아있지만, 과학적 호기심과 인류의 생존을 위한 절실함이 결합되어 연구 속도는 더욱 빨라지고 있습니다. 인공 태양을 향한 여정은 결국 인류가 지속 가능한 문명을 유지하기 위해 반드시 완수해야 할 시대적 사명이라 할 수 있습니다.

김형도

카오스재단석학인터뷰

물리학
천문학

[강연] 보이는 우주와 보이지 않는 우주 _ by박성찬ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 5강 | 5강

우주의 기원과 시간의 본질에 대한 탐구는 인류가 오랫동안 품어온 가장 근원적인 질문 중 하나입니다. 현대 물리학은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통해 시간과 공간이 별개의 존재가 아닌, '시공간'이라는 하나의 유기적인 구조로 얽혀 있음을 밝혀냈습니다. 이러한 관점의 변화는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 거대한 우주의 팽창과 기본 입자의 움직임을 하나의 틀 안에서 이해하려는 시도로 이어졌습니다. 시공간의 휘어짐이 중력을 결정한다는 사실은 우주의 거대 구조를 설명하는 핵심적인 열쇠가 되었습니다. 물질의 근원을 찾아가는 여정은 양자역학이라는 미시 세계의 법칙을 마주하게 합니다. 우리 주변을 구성하는 모든 물질은 원자보다 더 작은 기본 입자들로 이루어져 있으며, 이들은 끊임없이 상호작용하며 우주의 질서를 만들어냅니다. 에너지가 물질로 변하고, 다시 물질이 에너지로 환원되는 과정은 우주의 탄생과 진화의 핵심적인 메커니즘입니다. 이러한 물리적 법칙들은 단순한 수식을 넘어 우주가 존재하는 방식 그 자체를 설명해 줍니다. 미시 세계의 불확정성이 거시 세계의 확정성과 어떻게 연결되는지를 이해하는 것은 현대 과학의 중요한 과제입니다. 우주는 약 138억 년 전 빅뱅을 통해 시작되었습니다. 아주 작은 점에 불과했던 우주가 급격히 팽창하며 현재의 광활한 공간을 형성했다는 사실은 현대 우주론의 근간을 이룹니다. 초기 우주의 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 빛과 물질이 분리되었고, 그 흔적은 오늘날 우주 배경 복사라는 형태로 우리에게 전달되고 있습니다. 이는 과거의 사건이 현재의 우주 구조에 어떤 영향을 미쳤는지를 보여주는 결정적인 증거가 됩니다. 우주의 팽창 속도를 측정함으로써 우리는 우주의 나이와 미래의 운명을 예측할 수 있는 단서를 얻게 되었습니다. 시간의 흐름은 왜 한 방향으로만 흐르는가에 대한 해답은 엔트로피 법칙에서 찾을 수 있습니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 나아갑니다. 이러한 엔트로피의 증가는 과거와 미래를 구분 짓는 '시간의 화살'을 정의하며, 우주가 결국 열적 죽음이라는 평형 상태를 향해 가고 있음을 암시합니다. 질서에서 무질서로 향하는 이 거대한 흐름은 생명과 우주의 모든 변화를 관통하는 원리입니다. 우리가 경험하는 시간의 비가역성은 우주 전체의 통계적인 필연성에 기인한 것이라 볼 수 있습니다. 블랙홀은 시공간의 곡률이 극단적으로 휘어진 천체로, 현대 물리학의 한계를 시험하는 장소입니다. 엄청난 중력으로 인해 빛조차 빠져나올 수 없는 이 영역에서는 시간의 흐름이 멈춘 것처럼 느껴지기도 합니다. 블랙홀 연구는 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 양자 중력 이론의 실마리를 제공합니다. 우주의 가장 극단적인 환경을 이해함으로써 우리는 시공간의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 됩니다. 최근에는 블랙홀의 그림자를 직접 관측하는 데 성공하며, 이론으로만 존재하던 우주의 신비가 점차 실체적인 모습으로 드러나고 있습니다. 우리가 관측할 수 있는 물질은 우주 전체의 극히 일부에 불과합니다. 보이지 않는 암흑 물질과 우주의 가속 팽창을 일으키는 암흑 에너지는 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나입니다. 이들은 은하의 형성과 우주의 거대 구조를 유지하는 데 결정적인 역할을 하지만, 그 실체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 미지의 영역을 탐구하는 과정은 과학적 호기심을 자극하며 우주에 대한 우리의 이해를 확장하는 동력이 됩니다. 암흑의 세계를 밝혀내려는 노력은 우리가 알고 있는 물리 법칙을 재정의해야 할지도 모르는 거대한 전환점을 예고합니다. 시간과 물질, 그리고 우주를 관통하는 물리 법칙들은 서로 긴밀하게 연결되어 거대한 조화를 이룹니다. 우리는 우주의 먼지에서 태어나 우주의 법칙을 이해하려는 지적 존재로 진화했습니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 우리가 어디에서 왔고 어디로 가는지에 대한 답을 찾아가는 숭고한 여정입니다. 우주의 신비를 하나씩 풀어가는 과정에서 우리는 존재의 경이로움을 느끼며, 더 넓은 세계를 향한 탐구를 멈추지 않을 것입니다. 이러한 지적 탐구는 인류가 우주라는 거대한 무대에서 자신의 위치를 확인하고 미래를 설계하는 밑거름이 됩니다.

박성찬

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[강연] 초끈 이론과 양자 중력 _ by이성재ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 3강 | 3강

뉴턴의 만유인력의 법칙은 질량을 가진 물체 사이의 인력을 설명하며 고전 물리학의 기틀을 마련했습니다. 하지만 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌, 질량에 의해 휘어지는 역동적인 대상으로 재정의하며 중력의 본질을 새롭게 규명했습니다. 이는 시간과 공간이 독립적이지 않으며, 에너지가 곧 질량으로 치환될 수 있다는 혁명적인 통찰로 이어졌습니다. 현대 물리학은 이처럼 거시 세계를 지배하는 중력의 원리를 시공간의 기하학적 구조로 이해하며 발전해 왔습니다. 빛의 정체가 전자기파임이 밝혀진 이후, 물리학자들은 에너지가 연속적이지 않고 특정 단위로 쪼개져 있다는 '양자화' 개념을 도입하게 됩니다. 플랑크의 흑체 복사 연구에서 시작된 이 흐름은 하이젠베르크와 슈뢰딩거를 거쳐 양자역학이라는 거대한 체계로 완성되었습니다. 미시 세계의 입자들은 확정된 위치가 아닌 확률적 파동 함수로 존재하며, 이는 고전적인 결정론적 세계관을 무너뜨렸습니다. 이러한 양자적 특성은 물질의 근본 구조를 이해하는 데 필수적인 열쇠가 되었습니다. 상대성 이론과 양자역학의 결합은 무한한 입자의 상호작용을 다루는 양자장론으로 진화했습니다. 이 이론 체계 안에서 전자기력, 강력, 약력은 각각 광자나 글루온 같은 매개 입자를 교환하며 작용한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이를 집대성한 표준 모형은 17개의 기본 입자와 상호작용을 통해 자연계의 현상을 놀라울 정도로 정확하게 설명해 냈습니다. 하지만 이 정교한 모델조차도 중력이라는 거대한 힘을 양자역학적 틀 안으로 완전히 끌어들이지는 못하는 한계를 지니고 있었습니다. 일반 상대성 이론을 양자역학적으로 해석하려는 시도는 '재규격화'라는 수학적 장벽에 부딪혔습니다. 미시 세계로 갈수록 시공간의 요동이 극심해지며 계산 결과가 무한대로 발산하는 문제가 발생한 것입니다. 이는 중력이 다른 세 가지 기본 힘과는 근본적으로 다른 성질을 가졌거나, 우리가 아직 시공간의 진정한 미시 구조를 파악하지 못했음을 시사합니다. 따라서 물리학자들은 점 입자라는 기존의 관념을 넘어, 중력과 양자역학을 모순 없이 통합할 수 있는 새로운 근본 이론을 갈망하게 되었습니다. 초끈 이론은 만물의 근본이 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'이라는 파격적인 가설에서 출발합니다. 끈의 진동 방식에 따라 입자의 질량과 스핀이 결정되며, 놀랍게도 이 진동 모드 중에는 중력을 매개하는 중력자가 자연스럽게 포함되어 있습니다. 이는 중력을 억지로 끼워 맞추는 것이 아니라 이론의 구조적 필연성으로 수용한다는 점에서 매우 매력적입니다. 초끈 이론은 중력과 전자기력, 강력, 약력을 하나의 원리로 통합하며 아인슈타인이 꿈꿨던 대통일 이론의 강력한 후보로 부상했습니다. 초끈 이론의 수학적 정합성을 유지하기 위해서는 우리가 경험하는 4차원을 넘어 10차원 혹은 11차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 여분 차원들은 아주 작은 영역에 숨어 있으며, 이들의 기하학적 형태가 우리 우주의 물리 법칙을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 과거에는 서로 다른 다섯 가지 초끈 이론이 존재한다고 믿었으나, 에드워드 위튼은 이들이 사실 'M-이론'이라는 하나의 거대한 실체의 서로 다른 단면임을 밝혀냈습니다. 이는 우주를 설명하는 단 하나의 근본 원리에 다가가는 중요한 이정표가 되었습니다. 최근 양자 중력 연구의 핵심으로 떠오른 홀로그래피 원리는 우리 우주의 중력 현상이 사실 더 낮은 차원의 경계면에서 일어나는 양자 정보의 투영일 수 있다는 놀라운 통찰을 제공합니다. 이는 3차원 영상의 실체가 2차원 평면에 저장된 홀로그램과 같다는 비유로 설명되며, 중력의 본질을 정보와 양자 얽힘의 관점에서 재해석하게 만듭니다. 비록 초끈 이론이 실험적 검증이라는 거대한 과제를 안고 있지만, 시공간과 물질에 대한 우리의 인식을 근본적으로 뒤바꾸며 우주의 비밀을 푸는 가장 정교한 지도로 기능하고 있습니다.

이성재

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물리학

[인터뷰] 임채호_양자역학이 일반인에게 어려운 이유ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

밤하늘의 은하수를 바라보며 느끼는 감성은 우리를 무한한 상상력의 세계로 인도합니다. 하지만 양자역학의 세계는 우리가 일상에서 직접 보고 느낄 수 있는 범위를 벗어나 있기에 매우 어렵고 생소하게 다가옵니다. 과학자들에게 양자역학은 자연의 근본 원리를 다루는 하나의 정교한 도구와 같습니다. 수많은 실험을 통해 축적된 지식은 비록 간접적일지라도 미시 세계의 특별한 메커니즘을 끊임없이 입증해 왔습니다. 일반인들이 양자역학의 복잡한 수식과 공식을 모두 이해하기는 힘들겠지만, 그 속에 담긴 핵심적인 사고방식 한두 가지만이라도 파악한다면 현대 과학의 정수를 이해하는 소중한 발판이 될 것입니다. 우주의 시작을 추적하다 보면 우리는 필연적으로 양자역학의 영역에 도달하게 됩니다. 현재 팽창하는 우주를 거꾸로 되돌리면 원자보다 더 작은 미시 세계, 즉 소립자 세계가 나타나기 때문입니다. 이 초기 우주에서는 양자 현상이 결정적인 역할을 하며, 우리가 일상적으로 경험하는 거시 세계의 물리 법칙과는 전혀 다른 원리들이 작동합니다. 당시에는 입자와 반입자가 찰나의 순간에 생성되고 소멸하는 역동적인 상호작용이 반복되었습니다. 이러한 미시적 과정들은 오늘날 우리가 목격하는 거대한 우주의 구조를 형성하는 근본적인 기초가 되었으며, 현대 물리학이 풀어야 할 가장 흥미로운 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 양자역학이 다루는 세계는 우리가 일상에서 경험하는 실수의 세계를 훨씬 넘어섭니다. 소립자의 미세한 움직임을 온전히 이해하기 위해서는 실수를 확장한 복소수 공간이라는 새로운 수학적 틀이 필요합니다. 여기에는 우리가 시계로 재는 일반적인 시간 외에 '허수 시간'이라는 독특한 개념이 존재합니다. 이러한 특수한 시간의 영역에서는 아주 짧은 찰나의 순간이 실제로는 매우 긴 물리적 과정이 될 수 있으며, 보이지 않는 곳에서 수많은 입자가 상호작용합니다. 이러한 현상들은 비록 우리 눈에 직접 보이지는 않지만, 결국 거시적인 자연의 다양한 현상 속에 간접적인 형태로 투영되어 그 존재를 드러냅니다. 오랜 시간 강연을 통해 지식을 전달해 온 학자로서, 정년 이후에는 새로운 방식으로 과학적 아이디어를 표현하고자 하는 시도가 이어지고 있습니다. 나무를 가공하여 추상적인 개념을 구체적인 형상으로 구현하는 작업은 복잡한 언어적 설명 대신 실물 그 자체로 메시지를 전달하는 독특한 매력이 있습니다. 기존의 예술적 형식을 그대로 답습하기보다 자신이 평생 탐구해 온 과학적 원리를 나무라는 따뜻한 소재에 담아내는 과정은 즐거운 도전입니다. 뉴턴 역학이나 확률의 개념을 시각적인 움직임으로 연결하는 목공 작업은, 말로 다 표현할 수 없는 과학의 심오한 아름다움을 대중에게 직관적으로 보여주는 새로운 소통의 언어가 됩니다. 우주를 향한 탐구는 인간의 순수한 상상력과 철학에서 시작하여 정교한 수학과 과학적 검증으로 완성됩니다. 과거에는 밤하늘의 별을 보며 신화와 이야기를 만드는 인문학적 상상이 주를 이루었지만, 20세기에 들어서며 인류는 우주를 객관적이고 과학적으로 탐구할 수 있는 단계에 이르렀습니다. 이를 현실화하기 위해서는 고도의 수학적 노력과 엄밀한 과학적 사고방식이 필수적으로 요구됩니다. 방대한 과학 지식 중에서 가장 기본적이고 핵심적인 원리들을 제대로 이해하고 체득한다면, 우리는 그것을 바탕으로 우주에 대한 사고를 무한히 확장할 수 있습니다. 결국 과학은 복잡한 현상 속에서 단순하고 명쾌한 본질을 찾아가는 여정입니다.

임채호

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물리학

[연구뭐하지] 양범정 교수_서울대학교 '위상물리이론연구실' | 위상 물질 연구로 우주의 구성을 알아보아요

서울대학교 위상물리이론연구실은 고체 물질의 물성을 연구함으로써 우주의 근본 원리를 탐구하는 곳입니다. 이곳의 주된 연구 주제인 위상 물질은 그 성질을 결정하는 근본 입자들이 우주 공간에 존재하는 입자들과 유사한 특성을 지니고 있습니다. 연구진은 고체 내의 입자 거동을 분석하여 우주를 구성하는 입자들의 성질을 규명하고자 노력합니다. 이는 거대한 우주의 신비를 작은 고체 물질이라는 매개체를 통해 실험실 안에서 확인하려는 독특하고도 매력적인 접근 방식이라 할 수 있습니다. 연구실에서는 응집물질물리학 이론 전반을 다루며, 특히 위상적 성질을 가진 물질에 깊은 관심을 두고 있습니다. 최근에는 위상 반금속뿐만 아니라 위상 초전도체에 관한 연구가 활발히 진행 중입니다. 어떤 환경에서 이러한 초전도 현상이 가장 안정적으로 나타나는지, 그리고 그 물질이 가진 고유한 위상적 성질을 어떠한 방식으로 관측할 수 있는지가 주요 연구 과제입니다. 이론적 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 정교한 접근이 이 연구의 핵심을 이룹니다. 이곳의 연구 문화는 매우 수평적이고 자유로운 분위기를 자랑합니다. 구성원들이 각자 상이한 세부 주제를 연구하고 있음에도 불구하고, 서로의 연구에 대해 자연스럽게 토론하고 의견을 나누는 문화가 정착되어 있습니다. 새로운 분야를 공부할 때 동료들과의 지적 교류는 큰 힘이 되며, 이는 연구실 내의 활발한 토론 문화를 활성화하는 계기가 됩니다. 또한, 퇴근 후 배드민턴과 같은 운동을 함께 즐기며 체력을 기르고 유대감을 쌓는 등 일과 삶의 균형을 중시하는 모습도 인상적입니다. 대학원 과정은 스스로 문제를 설정하고 해결책을 찾아가는 고독하고도 치열한 과정입니다. 따라서 지적인 자신감과 더불어 새로운 문제에 도전하려는 강한 의지가 필요합니다. 연구는 단거리 경주가 아닌 장기전이기에, 공부에만 매몰되기보다는 운동과 같은 취미를 통해 건강한 체력을 유지하는 것이 중요합니다. 창의적인 아이디어를 가지고 문제를 함께 고민할 준비가 된 학생들에게 이곳은 열려 있습니다. 단순한 지식 습득을 넘어 자신만의 연구 분야에서 전문가로 성장하려는 태도가 무엇보다 강조됩니다. 고체물리학의 가장 큰 매력은 이론과 실험의 조화를 직접 확인할 수 있다는 점에 있습니다. 위상 물질을 구성하는 저에너지 근본 입자들은 여러 형태의 새로운 페르미온으로 이루어져 있는데, 이는 우주 공간에 존재하는 입자들과 그 궤를 같이합니다. 우주 공간의 입자들은 실험적 검증이 매우 어렵지만, 고체 내의 페르미온은 실험실에서의 측정을 통해 그 물성을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 접근성은 기초 과학의 근본적인 질문에 대한 답을 보다 명확하고 구체적으로 제시해 주는 중요한 통로가 됩니다.

양범정

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물리학

[연구뭐하지] 이원종 교수_서울대학교 '격자게이지이론연구실' | 시공간을 유한하게 쪼개는 격자게이지이론

현대 물리학에서 시공간은 본래 연속적인 개념이지만, 이를 컴퓨터로 구현하기에는 자유도가 무한하다는 한계가 있습니다. 격자게이지이론은 이러한 시공간을 유한한 격자 형태로 쪼개어 컴퓨터 프로그래밍이 가능하도록 만드는 혁신적인 방법론입니다. 연구자들은 복잡한 자연의 강력 현상을 수치화하여 계산한 뒤, 격자 간격을 다시 영으로 수렴시키는 과정을 통해 우리가 실제로 살아가는 연속적인 시공간의 물리적 결과를 도출해냅니다. 이는 기존의 해석적인 방법으로는 풀기 어려웠던 복잡한 방정식들을 해결하는 핵심적인 열쇠가 되어 현대 물리학의 발전을 이끌고 있습니다. 물리학의 세계는 새로운 이론을 제안하는 이론 물리와 이를 객관적으로 검증하는 실험 물리로 나뉩니다. 격자게이지이론 연구실은 손으로 직접 계산하기 어려운 이론치들을 슈퍼컴퓨터를 활용해 정밀하게 산출해내는 역할을 수행합니다. 이렇게 도출된 이론치가 실험치와 일치하는지 확인함으로써 현대 물리학의 근간인 표준 모형의 정밀도를 검증하며, 기존 이론이 가진 잠재적인 문제점이나 새로운 물리 법칙의 가능성을 깊이 있게 탐구합니다. 이론과 실험의 간극을 메우는 이러한 작업은 우주의 근본 원리를 이해하는 데 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 연구진은 엡실론 K 파라미터나 메존의 붕괴 상수와 같은 정밀한 물리량들을 계산하기 위해 직접 슈퍼컴퓨터를 설계하고 구축합니다. 시중의 부품들을 직접 조립하고 운영체제를 설치하며 연구에 최적화된 계산 환경을 만드는 과정은 그 자체로 거대한 도전입니다. 때로는 컴퓨터를 구축하는 데에만 수년의 시간이 소요되기도 하지만, 이러한 과정을 통해 연구자들은 물리학적 지식뿐만 아니라 고도의 전산 능력까지 겸비하게 됩니다. 성경 속 지명을 딴 컴퓨터들은 지금 이 순간에도 우주의 신비를 풀기 위한 방대한 연산을 묵묵히 수행하며 연구의 든든한 버팀목이 되어줍니다. 연구실의 교육 철학은 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 학계에서 독자적으로 생존할 수 있는 연구자를 양성하는 데 집중되어 있습니다. 지도 교수의 엄격한 훈련 방식은 학생들이 자신의 연구 결과에 대해 누구에게도 의존하지 않고 스스로 증명해낼 수 있는 역량을 갖추게 하려는 의도에서 비롯됩니다. 이러한 혹독한 과정은 연구자가 학계의 리더로서 성장하기 위한 필수적인 밑거름이 됩니다. 자유로운 토론 분위기와 서로의 시간을 존중하는 문화 속에서 학생들은 점차 한 사람의 당당한 과학자로서 주체성을 확립해 나가며 미래의 연구를 준비합니다. 격자게이지이론의 길은 과거 프린스턴 대학교와 컬럼비아 대학교 시절, 컴퓨터를 활용한 물리 연구의 비전을 제시받았던 경험에서 시작되었습니다. 양성자의 질량이나 하드론의 특성을 직접 계산해낼 수 있다는 사실은 연구자들에게 커다란 지적 호기심과 재미를 선사합니다. 이론적으로만 존재하던 이론치들을 컴퓨터를 통해 구체화하고, 이를 실제 실험 결과와 대조해보는 과정은 물리학이 가진 본연의 매력을 보여줍니다. 비록 과정은 어렵고 복잡할지라도 우주의 근본 원리를 수치로 증명해가는 여정은 과학자들에게 멈출 수 없는 열정의 원동력이 되어줍니다.

이원종

카오스재단연구뭐하지

물리학
천문학

액상 고상공정 비정질합금 부품제조 기술

양자 얽힘은 현대 물리학에서 가장 신비롭고 흥미로운 현상 중 하나로 꼽힙니다. 이는 두 입자가 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로의 상태를 즉각적으로 결정짓는 긴밀한 연결 고리를 의미합니다. 과거 아인슈타인은 이러한 현상을 '유령 같은 원격 작용'이라 부르며 회의적인 반응을 보였으나, 현대의 수많은 실험적 증거들은 양자 얽힘이 실제로 존재하며 우주의 근본적인 작동 원리임을 명백히 입증해내고 있습니다. 이처럼 입자들이 공간의 제약을 뛰어넘어 정보를 공유한다는 사실은 우리가 알고 있는 고전적인 물리 법칙의 한계를 다시금 생각해 보게 만듭니다. 입자들의 이러한 연결은 단순한 정보의 전달을 넘어선 근본적인 동기화를 의미합니다. 예를 들어, 얽혀 있는 두 전자 중 하나의 스핀을 측정하여 상태가 결정되는 순간, 수 광년 떨어진 곳에 있는 나머지 전자의 스핀 역시 그 즉시 반대 방향으로 결정됩니다. 이러한 과정은 빛의 속도보다 빠르게 진행되는 것처럼 보이지만, 실제로 데이터를 직접 전송하는 방식이 아니기에 상대성 이론과 충돌하지는 않습니다. 이는 우주가 우리가 인지하는 것보다 훨씬 더 복잡하게 연결되어 있으며, 보이지 않는 차원에서 상호작용하고 있음을 시사합니다. 양자 얽힘의 원리는 단순히 이론적인 탐구에 그치지 않고 차세대 기술 혁신의 핵심 동력으로 주목받고 있습니다. 특히 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신 분야에서 이 현상은 보안이 완벽하게 보장된 정보 전송과 초고속 연산을 가능하게 하는 열쇠가 됩니다. 비록 아직은 상용화 단계에 이르기까지 해결해야 할 기술적 난제들이 많이 남아 있지만, 이 신비로운 물리 현상이 완전히 정복되는 날 인류는 정보 처리의 패러다임을 완전히 바꾸는 새로운 시대를 맞이하게 될 것입니다. 과학자들은 이제 이 양자 얽힘을 제어하여 인류의 한계를 돌파하려 노력하고 있습니다.

한국재료연구원

물리학

[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

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 이강영_ E=mc^2, 에너지 보존법칙 싹 다 정리합니다 | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

물리학자는 자유로운 상상가이기보다 데이터와 우주라는 자연의 법칙에 묶여 있는 탐구자입니다. 지난 20여 년간 유럽입자물리연구소(CERN)의 LEP와 LHC, 그리고 미국의 테바트론 같은 거대 가속기들은 새로운 물리 현상을 발견하는 핵심적인 무대가 되어왔습니다. 이곳에서 이론을 실제로 구현하고 새로운 상호작용이나 입자 그리고 대칭성을 찾아내는 과정은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 연구 분야입니다. 우리가 알고 있는 이론이 가속기라는 거대한 실험 장치 속에서 어떻게 증명되는지를 지켜보는 것은 우주의 비밀을 푸는 첫걸음이라 할 수 있습니다. 현재 입자물리학의 표준모형은 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 정교하게 우주를 설명하고 있습니다. 하지만 이 완벽해 보이는 이론에도 여전히 우리가 납득하지 못하는 공백이 존재합니다. 예를 들어 입자 세대 간의 관계나, 표준모형 너머에 존재할 새로운 물리 법칙에 대한 의문은 여전히 남아 있습니다. 이에 따라 최근의 연구는 천체물리학적 관점에서 암흑물질의 정체를 규명하는 방향으로 확장되고 있습니다. 보이지 않는 존재를 탐구하고 실험하는 과정은 물리학이 나아가야 할 새로운 지평을 제시합니다. 에너지가 원래부터 존재해서 보존되는 것이 아니라, 이 세상에 무언가 변하지 않고 보존되는 것이 있다는 믿음에서 에너지라는 개념이 정립되었습니다. 즉, 관찰과 실험을 통해 확인된 '보존되는 물리량'을 우리가 에너지라고 부르기로 약속한 것에 가깝습니다. 이러한 관점의 전환은 에너지를 단순한 수치가 아닌, 우주의 질서를 유지하는 근본적인 속성으로 이해하게 만듭니다. 보존이라는 속성이야말로 에너지를 정의하는 가장 중요한 열쇠이며, 물리학의 근간을 지탱하는 핵심 원리로서 우리 곁에 존재하고 있습니다. 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²은 질량이 곧 에너지의 근원임을 시사합니다. 하지만 이 식의 진정한 의미는 운동항이 포함된 전체 관계식 속에서 더욱 명확해집니다. 평상시 우리는 질량 속에 내재된 거대한 에너지를 거의 느끼지 못하며 살아갑니다. 이는 마치 지표면에 있을 때 지구 중심까지의 거리를 의식하지 않는 것과 비슷합니다. 그러나 입자가 매우 높은 에너지 상태에 도달하게 되면, 질량이 부여하는 에너지와 운동을 통해 얻는 에너지의 효과를 동시에 체감하게 됩니다. 고에너지 상태는 우리가 미처 깨닫지 못했던 질량의 본질을 드러내는 순간입니다. 물질의 가장 기본적인 성질 중 하나인 스핀은 순수하게 양자역학적인 효과로 나타나는 독특한 현상입니다. 이는 고전적인 물리 상식으로는 설명하기 어려운 영역이며, 양자역학의 신비로움을 이해하는 핵심적인 주제이기도 합니다. 과학적 지식을 습득할 때는 훌륭한 저술가의 논리라도 비판적으로 수용하는 태도가 필요합니다. 에너지가 무엇인지 한마디로 정의하기는 어렵지만, 그것이 왜 필요했는지와 어떤 속성을 지니고 있는지를 추적하는 과정은 현대 물리학이 상대성이론과 양자역학을 만나 보여주는 놀라운 세계로 우리를 안내할 것입니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 블랙홀 전쟁에서 우주의 시작까지 _ by이필진｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 5강 | 5강

현대 물리학의 초석인 상대성 이론은 광속 불변의 원리에서 출발합니다. 아인슈타인은 이 원리를 바탕으로 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 일반 상대성 이론을 완성했습니다. 이 이론에 따르면 물질은 시공간을 휘게 만들고, 그 휘어진 길을 따라 빛과 물체가 이동합니다. 이는 단순한 상상이 아니라 수학적으로 정교하게 설계된 체계이며, 현대 과학이 우주의 거대한 구조를 이해하는 데 필수적인 도구가 되었습니다. 아인슈타인의 방정식이 발표된 지 100년 만인 2015년, 인류는 중력파를 직접 관측하는 데 성공하며 상대성 이론의 정점을 확인했습니다. 거대한 두 블랙홀이 충돌하며 발생한 시공간의 물결인 중력파는 10억 광년이라는 머나먼 거리를 지나 지구에 도달했습니다. 이 발견은 블랙홀이 실재하는 천체임을 증명했을 뿐만 아니라, 중력이 빛의 속도로 전달된다는 사실을 실험적으로 입증했습니다. 이제 우리는 중력파를 통해 우주의 가장 격렬한 사건들을 들여다볼 수 있게 되었습니다. 우주를 이해하기 위해 반드시 알아야 할 개념 중 하나는 '빛의 원뿔'과 '지평선'입니다. 빛의 속도가 유한하기 때문에 우리는 과거의 모습만을 볼 수 있으며, 관측 가능한 범위에는 물리적인 한계가 존재합니다. 블랙홀의 '사건의 지평선'과 우주의 '지평선'은 정보가 넘나들 수 없는 경계를 의미합니다. 이러한 상대론적 지평선은 단순히 시각적인 한계를 넘어, 우주의 시작과 블랙홀의 종말을 연결하는 핵심적인 공통분모로 작용하며 현대 물리학의 거대한 질문들을 관통합니다. 우주의 역사를 거슬러 올라가면 '인플레이션'이라 불리는 급팽창 시기를 마주하게 됩니다. 이 시기에는 우주가 상상할 수 없을 만큼 빠른 속도로 가속 팽창했으며, 이 과정에서 우주의 지평선 너머로 수많은 정보가 밀려 나갔습니다. 흥미로운 점은 이 거대한 팽창 과정이 미시 세계의 법칙인 양자역학의 영향을 받았다는 사실입니다. 당시 발생한 아주 미세한 에너지의 차이가 오늘날 우리가 보는 은하와 별들의 분포를 결정짓는 씨앗이 되었기 때문입니다. 스티븐 호킹은 블랙홀이 완전히 검은 것이 아니라 미세한 열복사를 방출한다는 '호킹 복사'를 예견하며 물리학계에 거대한 파장을 일으켰습니다. 이는 블랙홀이 에너지를 잃고 결국 증발할 수 있음을 의미하며, 그 과정에서 블랙홀 내부의 정보가 사라지는지에 대한 '블랙홀 전쟁'을 촉발했습니다. 양자역학의 정보 보존 원리와 상대성 이론의 충돌은 수십 년간 이어졌고, 이는 중력과 양자역학을 하나의 틀로 통합해야 한다는 현대 물리학의 가장 시급한 과제를 우리에게 남겼습니다. 초기 우주의 인플레이션 시기에 존재했던 양자 요동은 현대 우주론의 정설로 자리 잡았습니다. 공간이 급격히 팽창하면서 미시적인 양자 파동들이 거시적인 밀도 차이로 고착되었고, 이것이 중력에 의해 뭉쳐지면서 현재의 우주 구조를 형성한 것입니다. 즉, 우리가 밤하늘에서 보는 수많은 은하의 배치는 우주 초기에 일어난 양자역학적 사건의 결과물이라 할 수 있습니다. 실험실 안의 미시 세계에만 머물 줄 알았던 양자역학이 사실은 우주 전체의 설계도였음을 보여주는 놀라운 대목입니다. 중력과 양자역학의 완전한 통합을 꿈꾸는 초끈 이론은 만물의 이론을 향한 인류의 도전입니다. 모든 입자를 아주 작은 끈의 진동으로 설명하는 이 이론은 블랙홀 내부의 정보 문제나 우주의 기원을 설명할 수 있는 강력한 후보입니다. 비록 실험적 검증까지는 갈 길이 멀지만, 초끈 이론은 수학적 정합성을 바탕으로 시공간의 본질에 대한 새로운 통찰을 제공합니다. 우주의 시작부터 블랙홀의 심연까지, 하나의 원리로 모든 것을 설명하려는 물리학의 여정은 지금도 계속되고 있습니다.

이필진

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[카오스 술술과학] 다중우주 (6) : 끈이론

인류는 아주 오래전부터 만물을 구성하는 단 하나의 근본 입자를 찾고자 노력해 왔습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 제안한 원자 개념은 근대 과학을 거치며 구체화되었으나, 기술이 발전함에 따라 원자 내부의 전자와 핵, 그리고 양성자와 중성자를 이루는 쿼크가 차례로 발견되었습니다. 이러한 탐구 과정은 거대한 우주의 구조를 파악하는 '줌아웃'의 여정과 동시에, 물질의 심연을 파고드는 '줌인'의 역사이기도 합니다. 과학자들은 더 이상 쪼갤 수 없는 최종 입자의 실체를 밝히기 위해 끊임없이 질문을 던져 왔습니다. 현대 물리학의 정수인 양자장론은 입자를 크기가 없는 수학적 점으로 정의하며 놀라운 성과를 거두었습니다. 이 이론에 따르면 우주는 보이지 않는 '장'으로 가득 차 있으며, 입자는 이 장이 요동치며 나타나는 파동과 같은 존재입니다. 양자장론은 실험 결과와 소수점 열 자리까지 일치할 정도로 정밀함을 자랑하지만, 중력을 설명하려 할 때 수학적 무한대가 발생하는 치명적인 한계에 부딪혔습니다. 이는 기존의 점 입자 모델로는 우주의 모든 힘을 완벽하게 통합할 수 없음을 시사하는 중요한 신호로 받아들여졌습니다. 이러한 난관을 돌파하기 위해 등장한 것이 바로 끈 이론입니다. 끈 이론은 만물의 최소 단위를 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'으로 상상합니다. 악기의 현이 진동 방식에 따라 다른 음을 내듯이, 끈의 진동 패턴에 따라 전자가 되기도 하고 쿼크가 되기도 한다는 발상입니다. 이 이론은 양자장론이 설명하지 못했던 입자들의 다양한 특성을 수학적으로 산뜻하게 유도해낼 뿐만 아니라, 점 입자 모델에서 발생하던 무한대의 문제를 자연스럽게 해결하며 중력을 포함한 모든 힘을 통합할 수 있는 강력한 가능성을 제시했습니다. 끈 이론이 수학적 일관성을 유지하기 위해서는 우리가 인지하는 4차원을 넘어선 10차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 나머지 6개의 차원은 아주 작은 공간 속으로 말려들어 있다는 '여분 차원'의 개념이 도입되었습니다. 이 숨겨진 차원의 기하학적 형태는 끈의 진동 패턴을 결정하고, 결과적으로 우리가 관측하는 물질의 성질을 규정하게 됩니다. 즉, 우리가 경험하는 물리 법칙과 입자들은 고차원 세계의 구조가 우리 차원에 투영된 결과물이라고 볼 수 있으며, 이는 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았습니다. 이후 다섯 가지 형태로 나뉘어 있던 끈 이론은 11차원의 M-이론으로 통합되며 더욱 거대한 체계를 갖추게 되었습니다. M-이론은 끈뿐만 아니라 '브레인'이라 불리는 다차원 막의 존재를 상상하며, 우주 전체를 진동하는 에너지의 거대한 교향악으로 묘사합니다. 비록 아직 실험적 증거를 확보하는 데에는 한계가 있지만, 끈 이론은 인류가 우주의 근본 원리를 이해하려는 여정에서 가장 우아하고 강력한 도구로 평가받습니다. 우리는 이 정교한 수학적 선율을 통해 우주의 탄생과 만물의 조화를 설명하려는 원대한 꿈을 계속해서 이어가고 있습니다.

카오스재단'다중우주'시리즈

천문학

[석학인터뷰] 그것이 알고 싶다?! 현대과학으로도 도저히 설명할 수 없는 미스터리는? _1편ㅣ미스터리 릴레이

현대 과학은 우주가 빅뱅을 통해 시작되었다는 수많은 증거를 확보했지만, 정작 그 현상이 왜 발생했는지에 대해서는 여전히 답을 내놓지 못하고 있습니다. 이것이 필연적인 사건이었는지 아니면 우연의 산물이었는지조차 명확하지 않은 상황에서, 인류가 과연 이 근원적인 질문에 답할 수 있을지는 미지수입니다. 빅뱅이라는 거대한 패러다임 속에서 우리는 우주에 대한 수많은 의문을 해결해 왔으나, 그 시작점의 본질은 여전히 인간의 지성이 도달하지 못한 미지의 영역으로 남아 있습니다. 현재 천문학계의 가장 큰 화두는 암흑 에너지와 암흑 물질의 정체를 밝히는 일입니다. 만약 이 요소들 중 하나라도 존재하지 않는다는 사실이 밝혀진다면 우리가 맹신해 온 빅뱅 이론의 근간이 흔들릴 수도 있습니다. 특히 우주 상수의 미세한 값을 이해하는 것은 현대 물리학의 성배와도 같은 과제로 여겨집니다. 수많은 학자가 이 문제에 도전해 왔으나 아직 명쾌한 해답을 찾지 못했으며, 이 수수께끼를 푸는 이는 인류 과학사에 획을 긋는 업적을 남기게 될 것입니다. 입자 물리학은 소립자를 연구하는 학문이지만, 더 근본적으로는 우주의 탄생과 진화 과정을 추적하는 학문이기도 합니다. 물리학자들은 우주를 구성하는 기본 입자들이 어떻게 상호작용하며 현재의 모습을 갖추게 되었는지 그 원리를 찾고자 합니다. 특히 우리가 살고 있는 시공간이 왜 하필 4차원인지, 혹은 우리가 인지하지 못하는 여분의 차원이 존재하는지에 대한 질문은 매우 흥미로운 주제입니다. 이러한 근본적인 원리에 대한 탐구는 우주를 설명하는 궁극적인 이론에 도달하기 위한 필수적인 과정입니다. 물질의 세계를 넘어 생명의 탄생으로 시야를 확장하면 또 다른 거대한 미스터리가 우리를 기다리고 있습니다. 무생물인 물질이 어떻게 생명력을 가진 존재로 진화했는지는 물리학이 아직 제대로 다루지 못하는 영역입니다. 우주의 역사 속에서 생명이 등장한 것이 물리 법칙이 예견한 필연인지, 아니면 극히 희박한 확률이 만들어낸 우연인지에 대한 논의는 끊이지 않습니다. 특히 인간이 가진 자의식의 정체와 그것이 어떻게 형성되었는지는 과학이 풀어야 할 가장 고차원적인 숙제 중 하나입니다. 인간의 뇌는 겉보기에는 특징 없는 조직처럼 보이지만, 의식을 만들어내고 고도의 인지 기능을 수행하는 경이로운 기관입니다. 최근의 인공지능 기술은 뇌의 기능을 모방하고 있지만, 스스로를 인식하는 '앎'의 단계에는 이르지 못했습니다. 신경과학이 의식의 비밀을 밝혀낸다면 인공지능 또한 자아를 가진 존재로 진화할 가능성이 있습니다. 더불어 인간이 대규모로 협동하는 이유나 끊임없이 출현하는 새로운 질병에 대한 연구는 생물학적 관점에서 인류의 미래를 이해하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

김대수, 김준홍, 김항배, 김형도, 박성찬, 윤성철, 이석영, 최재천

카오스재단릴레이 인터뷰

지구환경과학
천문학
융합

[석학인터뷰] 기원 릴레이 - '모든 것의 기원' 1편_우주, 질량, 소립자

현대 우주론의 근간인 표준 우주론은 빅뱅 이론과 이를 보완하는 급팽창 이론의 결합으로 이루어져 있습니다. 빅뱅 이론이 지닌 초기 조건의 한계를 극복하기 위해 등장한 급팽창 이론은 우주의 시작을 설명하는 핵심적인 틀을 제공합니다. 비록 아직 직접적인 검증이 완료되지는 않았으나, 과학자들은 이 이론이 초기 우주의 형성 과정을 설명하는 가장 유력한 방법이라는 점에 동의하고 있습니다. 현재는 초끈이론이나 중력 이론의 수정을 통해 급팽창의 구체적인 메커니즘을 밝히려는 연구가 활발히 진행 중입니다. 다중 우주론은 검증 불가능하다는 이유로 한때 과학계에서 금기시되기도 했으나, 급팽창 이론의 관점에서는 매우 자연스러운 결과로 받아들여집니다. 우주 초기 단계에서 발생한 양자요동이 지역마다 다른 진공에너지를 형성하게 되고, 이는 결국 서로 다른 물리적 특성을 지닌 수많은 우주의 탄생으로 이어질 수 있기 때문입니다. 우리가 관측할 수 있는 범위를 넘어서는 거대한 스케일에서 우리 우주와는 전혀 다른 환경을 가진 공간들이 존재할 가능성은 현대 물리학이 탐구하는 가장 흥미로운 주제 중 하나입니다. 양자역학적 관점에서의 다중 우주는 '다세계 해석'을 통해 설명되기도 합니다. 이는 양자 측정 과정에서 발생하는 파동함수의 붕괴를 이해하기 위한 시도로, 측정의 결과에 따라 우주가 여러 갈래로 나뉜다는 파격적인 개념을 담고 있습니다. 비록 이를 온전히 수용하기에는 직관적으로 거대한 도약이 필요하지만, 양자역학의 난제를 해결하는 가장 정교한 설명 중 하나로 평가받습니다. 이처럼 우주론적 급팽창과 양자역학이라는 서로 다른 두 경로를 통해 다중 우주라는 거대한 담론이 형성되고 있습니다. 입자물리학의 표준모형은 힉스 입자를 통해 기본 입자들이 질량을 얻는 과정을 설명합니다. 우주 전체에 퍼져 있는 힉스장과의 상호작용은 마치 초전도체 내부의 상전이 현상처럼 입자들에게 질량을 부여합니다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 실험을 통해 힉스 입자의 존재가 확인되면서 이 이론은 확고한 과학적 사실로 자리 잡았습니다. 다만 우리가 체감하는 질량의 대부분은 힉스 입자보다는 강한 상호작용에 의한 양성자 질량에서 기인한다는 점은 물리학의 또 다른 깊은 이면을 보여줍니다. 현대 물리학에서 입자의 성질과 상호작용을 결정하는 근본적인 원리는 바로 대칭성입니다. 시공간의 대칭성에 따라 입자들은 스핀이라는 고유한 물리량을 가지게 되며, 이는 물질을 구성하는 페르미온과 힘을 매개하는 보손을 구분 짓는 기준이 됩니다. 또한 내부 대칭성 혹은 게이지 대칭성은 빛과 물질이 어떻게 소통하고 결합하는지를 규정합니다. 결국 우주의 모든 현상은 그 기저에 흐르는 정교한 대칭성의 법칙에 의해 설계된 결과물이며, 물리학자들은 이 대칭성을 통해 우주의 근원을 이해하고자 합니다.

김항배, 김형도, 박성찬

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
천문학

[석학인터뷰] 김항배_ 양자요동이 창조주? | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

어린 시절 다락방에서 위험천만한 실험을 즐기던 소년은 이제 우주의 근원을 탐구하는 과학자가 되어 우리에게 놀라운 이야기를 들려줍니다. 현대 우주론의 근간인 급팽창 이론은 우주 내 물질이 왜 불균형하게 분포하는지를 설명하는 핵심적인 열쇠입니다. 아주 작은 미시 세계에서 발생한 양자 요동이 급팽창 과정을 거치며 거대하게 확장되었고, 그것이 오늘날 우리가 마주하는 우주의 구조를 형성했다는 것입니다. 다중우주의 관점에서 본다면, 이 양자 요동이야말로 우주를 탄생시킨 모든 것의 근원이자 일종의 창조주와 같은 역할을 수행했다고 볼 수 있습니다. 우주의 탄생에는 아주 특별한 조건이 필요합니다. 플랑크 부피라는 극미한 공간에 플랑크 에너지 수준의 고밀도 에너지가 응축된 미세한 질량이 존재한다면, 중력의 작용으로 급팽창이 일어나 현재와 같은 거대한 우주를 만들어낼 수 있습니다. 이는 중력이 가진 놀라운 힘 덕분에 가능한 일입니다. 마치 태양계 멀리서 시작된 작은 돌덩이가 태양의 중력에 이끌려 가속되며 지구를 파괴할 정도의 엄청난 에너지를 얻는 것과 유사한 원리입니다. 현대 중력 이론은 이처럼 미미한 시작이 중력을 통해 우주 전체를 채울 만큼의 거대한 에너지로 전환될 수 있음을 과학적으로 보여줍니다. 물리학자들은 물질의 궁극적인 형태를 규명하기 위해 끊임없이 노력해 왔으며, 그 대표적인 시도가 바로 끈 이론입니다. 모든 물질이 점 형태의 입자가 아닌 아주 작은 끈으로 이루어져 있다고 가정함으로써, 기존 입자 물리학에서 발생하던 무한대 문제들을 해결하고 표준 모형의 구조를 설명하고자 했습니다. 비록 이론의 난해함으로 인해 아직 완전한 예측을 내놓지는 못하고 현재는 다소 소강상태에 머물러 있지만, 끈 이론은 우주의 근본 원리를 이해하려는 인류의 지적 열망을 상징합니다. 물질의 본질을 쫓는 이러한 탐구는 앞으로도 물리학의 미래를 이끄는 중요한 이정표가 될 것입니다.

김항배

카오스재단2019 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

물리학

[강연] 분자사용설명서 (1) _ 김지환 교수 | 2017 겨울 카오스 마스터 클래스 2017 겨울 카오스 마스터클래스 '화학' | 1강

화학은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 대중에게는 종종 위험하거나 난해한 학문으로 인식되곤 합니다. 많은 이들이 화학을 단순히 주기율표를 외우거나 실험실에서 물질을 섞는 요리와 같은 과정으로 생각하지만, 실제 화학자가 바라보는 세계는 훨씬 더 광범위하고 정교합니다. 화학은 단순히 유해물질을 다루는 학문이 아니라, 지구상의 모든 물질이 어떻게 구성되고 변하는지를 탐구하는 기초과학의 핵심입니다. 이러한 오해를 넘어 화학의 진정한 가치를 이해하는 것이 현대과학을 바라보는 첫걸음이 될 것입니다. 화학이 중요한 이유는 그것이 막대한 경제적 가치를 창출하는 첨단산업의 근간이기 때문입니다. 물리학이 하나의 방정식으로 세상을 정의하려 노력한다면, 화학은 수많은 분자가 얽힌 복잡한 시스템을 이해하기 위해 수만 개의 방정식을 동시에 풀어내는 과정을 거칩니다. 분자의 크기가 커질수록 물리 법칙만으로는 설명하기 어려운 영역이 나타나며, 화학자들은 이를 통해 새로운 물질의 특성을 규명합니다. 이는 기초과학으로서의 역할뿐만 아니라 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 실용적인 해결책을 제시하는 과정이기도 합니다. 현대 화학 연구의 핵심은 '3M 원칙'이라 불리는 세 가지 원칙, 즉 합성(Make), 측정(Measure), 모델링(Model)으로 요약할 수 있습니다. 과거의 화학이 단순히 새로운 물질을 만들어내는 요리에 가까웠다면, 오늘날에는 만들어진 물질의 특성을 정밀하게 분석하고, 실험이 불가능한 영역은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측합니다. 이러한 체계적인 접근 방식을 통해 화학자들은 보이지 않는 미시세계의 법칙을 현실의 기술로 구현해냅니다. 이는 단순한 실험을 넘어 논리적 추론과 첨단기술이 결합된 고도의 지적 활동입니다. 화학 연구의 대부분은 분자의 구조와 그에 따른 반응성을 탐구하는 데 집중되어 있습니다. 분자는 그 구조가 어떻게 생겼느냐에 따라 성질과 활동 방식이 결정되는데, 이를 '분자공학'의 관점에서 설계하고 조절하는 것이 핵심입니다. 예를 들어 신약개발 과정에서는 수만 개의 후보 물질 중 최적의 구조를 찾아내기 위해 15년 이상의 긴 시간을 투자하기도 합니다. 또한 디스플레이나 배터리 분야에서도 원하는 색상이나 효율을 얻기 위해 분자 구조를 미세하게 조정하며, 이러한 노력은 우리 삶을 바꾸는 혁신적인 제품들로 이어집니다. 분자가 형성되는 과정을 이해하기 위해서는 두 가지 핵심적인 물리 법칙인 쿨롱 법칙과 에너지 안정성 원리를 알아야 합니다. 양전하와 음전하가 서로 끌어당기는 힘은 원자와 분자를 결합시키는 근본적인 동력이 되며, 모든 물질은 에너지가 높은 불안정한 상태에서 에너지가 낮은 안정한 상태로 변하려는 성질을 가집니다. 화학자들은 이러한 자연의 섭리를 바탕으로 물질의 자발적인 변화를 예측하고 제어합니다. 복잡해 보이는 화학 반응의 이면에는 이처럼 단순하고 명쾌한 물리적 원리가 굳건히 자리 잡고 있는 것입니다. 원자의 내부를 들여다보면 양성자와 중성자로 이루어진 핵, 그리고 그 주위를 도는 전자가 존재합니다. 과거에는 전자가 행성처럼 일정한 궤도를 따라 움직인다고 생각했지만, 현대물리학과 현대화학은 이를 '전자 구름'인 오비탈로 설명합니다. 아주 작은 미시세계의 입자들은 고전역학의 지배를 받는 것이 아니라 양자역학의 지배를 받기 때문에, 전자의 위치를 정확히 알 수 없고 오직 확률적으로만 예측할 수 있습니다. 이러한 양자역학적 이해는 화학이 단순한 물질의 조합을 넘어 우주의 근본 원리를 탐구하는 학문임을 보여줍니다. 오늘날의 화학은 벤젠 고리와 같은 단순한 분자 구조를 넘어 그래핀, 리튬 배터리, 생체 분자 등 거대하고 복잡한 영역으로 확장되고 있습니다. 에너지 문제 해결부터 난치병 치료를 위한 신약설계에 이르기까지, 화학자의 시선은 인류가 직면한 거대 담론들을 향해 있습니다. 식물을 키우며 생명 현상을 연구하거나 새로운 에너지저장장치를 개발하는 등 화학의 경계는 이미 다른 학문들과 밀접하게 융합되어 있습니다. 결국 화학은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에서 시작해 가장 큰 변화를 이끌어내는 학문이라 할 수 있습니다.

김지환

카오스재단마스터클래스

화학

[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

카오스재단석학인터뷰

물리학
천문학
융합

[강연] 과학에서 '본다'는 것은 무엇인가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 1부 2강 | 1부 ②

과학에서 '본다'는 개념은 단순히 시각적 정보를 수용하는 단계를 넘어 실체적 진실을 탐구하는 과정으로 확장되었습니다. 과거에는 육안으로 확인 가능한 것만을 존재의 증거로 삼았으나, 현대 물리학은 보이지 않는 미시 세계와 거대 우주를 탐구하며 인식의 지평을 넓혔습니다. 이제 본다는 것은 빛의 파장을 이용한 직접적인 관찰을 넘어, 다양한 물리적 상호작용을 통해 대상의 정보를 추출하고 해석하는 고도의 지적 활동으로 정의됩니다. 원자와 같은 미시 입자는 빛의 파장보다 작아 원리적으로 가시광선으로는 볼 수 없습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 X선이나 전자빔을 활용하여 원자의 정보를 시각화하는 방식을 고안했습니다. 이는 인간의 생물학적 한계를 기술적 도구로 보완한 사례입니다. 중성미자나 블랙홀처럼 전자기 상호작용을 하지 않거나 신호를 주지 않는 존재들 역시, 그들이 주변에 미치는 영향이나 약한 상호작용을 포착함으로써 간접적으로 '보는' 것이 가능해졌습니다. 현대 입자 물리학에서 힉스 보존과 같은 입자를 관측할 때, 과학자들이 실제로 마주하는 것은 화려한 이미지가 아니라 검출기에서 발생하는 전기적 신호와 숫자 데이터입니다. 대중에게 공개되는 입자 궤적 그림은 이해를 돕기 위한 시각적 재구성에 불과하며, 과학적 본질은 오차가 적은 데이터를 정확하게 정의하고 추출하는 데 있습니다. 즉, 과학적 관찰의 핵심은 시각적 형상을 만드는 것이 아니라 신뢰할 수 있는 물리적 수치를 확보하는 과정이라 할 수 있습니다. 과학적 관찰에서 도구의 중요성은 갈릴레오의 망원경 사용 이후 결정적인 전환점을 맞이했습니다. 하지만 도구를 통해 본 것이 항상 객관적인 실재를 보장하는 것은 아닙니다. 갈릴레오가 그린 달의 분화구 그림이나 헤켈의 배아 발생도는 관찰자의 이론적 배경이나 믿음이 투영된 결과물이기도 했습니다. 이는 과학적 관찰이 단순히 렌즈를 통해 들어오는 빛을 수동적으로 받아들이는 것이 아니라, 관찰자의 패러다임에 따라 재구성될 수 있음을 시사합니다. 새로운 관측 기구의 신뢰성을 확보하기 위해 과학자들은 '미세 조정(Calibration)'이라는 과정을 거칩니다. 이미 알고 있는 대상을 새로운 기구로 측정하여 기존의 결과와 비교함으로써 기구의 타당성을 검증하는 것입니다. 전자현미경이나 원자현미경으로 얻은 이미지가 실제 미시 세계의 모습이라고 확신할 수 있는 이유는, 이러한 엄밀한 조작과 검증 과정이 뒷받침되기 때문입니다. 따라서 과학적 '봄'은 기구와 이론, 그리고 실험적 조작이 결합된 복합적인 산물입니다. DNA의 이중나선 구조나 뇌 영상 이미지(fMRI)는 일반인의 눈에는 모호한 형체로 보일 수 있지만, 훈련된 과학자는 그 안에서 유의미한 패턴을 읽어냅니다. 여기에는 고도의 이론적 해석과 암묵지가 개입됩니다. 특히 뇌 영상의 경우, 특정 부위의 활성화는 복합적인 데이터 처리와 해석 과정을 거쳐 도출된 결과물입니다. 이처럼 과학적 이미지는 있는 그대로의 자연을 비추는 거울이라기보다, 이론이라는 렌즈를 통해 정제된 지식의 표현에 가깝습니다. 결국 과학에서 본다는 것은 인간이라는 생물학적 존재가 가진 한계를 극복하려는 끊임없는 시도입니다. 과학자들은 데이터의 객관성을 추구하면서도, 동시에 직접 보고 싶어 하는 인간 본연의 욕구를 지니고 있습니다. 관찰의 과정에는 이론적 합의와 사회적 검증, 그리고 과학자들의 인내와 논쟁이 수반됩니다. 과학적 발견은 자연이 스스로 드러내는 것이 아니라, 인간이 정교한 도구와 이론을 통해 자연과 대화하며 얻어낸 값진 해석의 결과입니다.

이강영, 홍성욱

카오스재단마스터클래스

물리학
융합

[강연] 물질의 기원 by김성근 | 2015 여름 카오스 콘서트 '기원 Origin' 2강 | 2강

우주의 기원을 탐구하다 보면 우리는 필연적으로 물질의 기원과 마주하게 됩니다. 138억 년 전 빅뱅의 순간, 현재 우리 몸을 구성하는 수소 원자핵들이 탄생했다는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 우리는 단순히 수십 년을 산 존재가 아니라, 우주의 시작과 함께 태어난 유구한 역사의 산물인 셈입니다. 이러한 관점은 인간을 포함한 모든 생명체가 우주라는 거대한 흐름 속에서 어떻게 형성되었는지 이해하는 중요한 출발점이 됩니다. 물질은 질량을 가지고 있으며 더 작은 입자들로 이루어진 다층적인 구조를 지닙니다. 마치 러시아 인형(마트료시카)처럼, 물질을 쪼개면 분자가 나오고, 이를 다시 나누면 원자와 원자핵, 그리고 궁극적으로는 소립자인 쿼크에 도달하게 됩니다. 과학자들은 이 보이지 않는 미시 세계의 구성 요소들이 어떻게 결합하여 우리 눈에 보이는 거시적인 세상을 만들어내는지 연구하며, 우주의 내용물을 채우는 물질의 본질을 파헤치고 있습니다. 우주에는 물질뿐만 아니라 그에 대응하는 반물질도 존재할 수 있다는 대칭성의 원리가 숨어 있습니다. 입자와 반입자가 만나면 서로 소멸하며 거대한 에너지를 빛의 형태로 방출하는데, 이는 아인슈타인의 상대성 이론인 질량-에너지 등가 원리로 설명됩니다. 우리가 관찰하는 우주는 대부분 일반적인 물질로 이루어져 있지만, 보이지 않는 우주 저편에는 반물질로 구성된 또 다른 세계가 존재할지도 모른다는 상상은 현대 물리학의 흥미로운 화두 중 하나입니다. 빅뱅 직후의 초기 우주는 상상을 초월할 정도로 뜨겁고 에너지가 응축된 상태였습니다. 하지만 우주가 팽창하면서 온도가 급격히 낮아졌고, 이 과정에서 에너지는 입자로 응축되기 시작했습니다. 수증기가 식어 물방울이 맺히듯, 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자가 되고, 다시 전자가 붙어 안정적인 원자가 형성되었습니다. 이러한 냉각과 응축의 과정은 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어, 생명으로 나아가는 물질적 토대를 마련한 결정적인 사건이었습니다. 원자들이 서로 결합하여 분자를 형성하는 과정은 마치 개인이 모여 가정을 이루는 것과 비슷합니다. 주기율표상의 100여 개 원소는 컴퓨터 키보드의 자판과 같아서, 이들을 어떻게 조합하느냐에 따라 수억 가지의 화학적 특성을 지닌 물질이 탄생합니다. 분자 상태가 되어서야 비로소 고유한 화학적 성질이 나타나며, 이러한 다양성은 우주가 단순한 원소의 집합을 넘어 복잡하고 정교한 화학적 진화의 단계로 진입했음을 의미합니다. 생명의 설계도인 DNA를 구성하는 염기들이 특정 종류로 제한된 이유는 분자의 안정성 때문입니다. 아데닌과 같은 염기는 빛 에너지를 받아 들뜬 상태가 되어도 금방 평정심을 되찾아 원래의 안정된 상태로 돌아오는 성질이 있습니다. 만약 쉽게 흥분하고 변하는 분자가 유전 정보를 담았다면, 생명은 외부 자극에 의해 끊임없이 훼손되었을 것입니다. 자연은 가장 냉철하고 안정적인 분자를 선택함으로써 수억 년 동안 생명의 정보를 안전하게 보존해 왔습니다. 단백질을 이루는 아미노산이 왜 모두 왼손잡이 형태인 'L-아미노산(왼손잡이형)'인지는 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 실험실에서는 왼손과 오른손 형태가 똑같이 만들어지지만, 지구상의 모든 생명체는 오직 한쪽 방향만을 선택했습니다. 이는 초기 우주에서 발생한 아주 미세한 대칭성의 파괴가 진화 과정을 거치며 증폭된 결과일지도 모릅니다. 이처럼 물질의 기원에서 시작된 탐구는 생명의 독특한 비대칭성을 거쳐, 다시 우주의 근원적인 법칙으로 우리를 인도합니다.

김성근

카오스재단카오스콘서트

화학

[강연] 물질의 기원 (4) - 패널토의 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ④

우주의 시작은 거대한 에너지의 분출이었습니다. 빅뱅의 순간, 형체도 없던 순수한 에너지는 찰나의 시간 속에 물질과 빛으로 변모하며 우주의 역사를 써 내려가기 시작했습니다. 이 과정에서 탄생한 기본 입자들은 오늘날 우리가 보는 모든 만물의 근간이 되었습니다. 초기 우주의 높은 온도와 밀도 속에서 에너지가 질량을 가진 입자로 응축되는 과정은 현대 과학이 밝혀낸 가장 경이로운 사건 중 하나입니다. 이러한 변화는 단순한 물리적 현상을 넘어, 무(無)에서 유(有)가 창조되는 우주적 오케스트라의 서막과도 같았습니다. 물질의 최소 단위로 알려진 쿼크는 현대 물리학의 핵심적인 연구 대상입니다. 특히 업 쿼크와 다운 쿼크는 양성자와 중성자를 구성하는 가장 중요한 요소로, 이들의 조합에 따라 원자핵의 성질이 결정됩니다. 흥미로운 점은 쿼크가 단독으로 존재하지 않고 강력한 핵력에 의해 서로 묶여 있다는 사실입니다. 아무리 강한 에너지를 가해도 이들을 개별적으로 떼어낼 수 없다는 점은 자연이 설계한 정교한 질서를 보여줍니다. 이는 마치 원자핵이라는 견고한 성벽 안에 갇혀 외부로 나오지 못하는 입자들의 운명을 상징하는 듯합니다. 동양 철학의 노자는 '도가 하나를 낳고, 하나가 둘을, 둘이 셋을 낳아 만물이 된다'고 말했습니다. 이는 현대 과학의 관점에서도 놀라운 통찰을 제공합니다. 빅뱅의 에너지가 빛과 물질로 나뉘고, 다시 양성자, 중성자, 전자의 세 가지 기본 요소로 조합되면서 비로소 우리가 아는 복잡한 세상이 만들어졌기 때문입니다. 피자나 고양이, 그리고 우리 자신에 이르기까지 우주의 모든 존재는 결국 이 세 가지 입자의 변주곡이라 할 수 있습니다. 세 가지 요소가 결합하여 무한한 다양성을 만들어내는 과정은 과학과 철학이 만나는 지점이기도 합니다. 우주 초기에는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었습니다. 만약 두 물질의 양이 완벽하게 일치했다면, 서로 충돌하여 빛으로 소멸하고 현재의 우주는 존재하지 않았을 것입니다. 그러나 기적적으로 물질이 반물질보다 10억분의 1 정도 더 많이 살아남았고, 그 미세한 차이가 오늘날 우리가 발을 딛고 서 있는 물질 세계를 형성했습니다. 이 신비로운 비대칭성은 과학자들이 여전히 풀고자 노력하는 우주의 거대한 수수께끼 중 하나입니다. 우리가 존재한다는 사실 자체가 10억분의 1이라는 희박한 확률이 만들어낸 결과인 셈입니다. 우리가 단단한 물체를 만질 때 느끼는 감각은 사실 원자와 원자 사이의 직접적인 접촉이 아닙니다. 원자의 내부는 태양계처럼 대부분 텅 비어 있으며, 원자핵은 아주 작은 영역만을 차지하고 있습니다. 우리가 무언가를 '만진다'고 느끼는 것은 손가락 끝의 전자와 물체 표면의 전자가 서로 밀어내는 전기적 반발력과 파울리 배타 원리 때문입니다. 즉, 우리는 우주의 텅 빈 공간 속에서 입자들의 힘이 만들어내는 정교한 상호작용을 촉각이라는 감각으로 해석하고 있는 것입니다. 만짐의 본질은 결국 전자 구름과 전자 구름이 만나는 보이지 않는 힘의 대결입니다. 과학은 끊임없이 더 작은 세계를 탐구하며 물질을 쪼개어 왔습니다. 쿼크와 렙톤이 현재로서는 가장 기본적인 입자로 여겨지지만, 초끈 이론과 같은 현대 물리학은 그 너머의 세계를 수학적으로 그려내고 있습니다. 비록 실험적으로 검증하기에는 기술적 한계가 존재하지만, 과학자들은 자연의 법칙이 단순하고 아름다울 것이라는 믿음을 바탕으로 진리를 추구합니다. 복잡한 현상을 관통하는 하나의 명쾌한 원리를 찾아내는 과정은 과학이 지닌 최고의 미학입니다. 인간의 지성이 도달할 수 있는 한계가 어디인지 묻는 과정 자체가 인류 문명을 발전시키는 원동력이 됩니다. 우주의 기원을 탐구하는 여정은 인간을 겸허하게 만듭니다. 138억 년 전의 뜨거운 가스 속에서 만들어진 입자들이 오늘날 우리의 몸을 구성하고 있다는 사실은 우리가 우주와 연결되어 있음을 상기시킵니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 자연이 남긴 정교한 설계도를 한 장씩 읽어 내려가는 인내의 과정입니다. 완성된 결과물보다 그 속에 담긴 원리와 진화의 과정을 이해할 때, 우리는 비로소 우주라는 거대한 무대의 진정한 의미를 깨닫게 됩니다. 과학적 탐구는 결국 우리가 어디에서 왔으며, 이 거대한 우주 속에서 어떤 존재인지를 찾아가는 끝없는 질문의 연속입니다.

고계원, 김성근, 김희준, 정하웅

카오스재단카오스강연

물리학
천문학

[강연] 물질의 기원 (1) - 빅뱅 우주론의 세 기둥 _ 김희준 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ①

우주의 탄생 이후 물질이 어떻게 형성되었는지를 탐구하는 것은 인류의 가장 근본적인 질문 중 하나입니다. 물질은 소립자에서 시작하여 원자와 분자를 거쳐 생명체로 이어지는 거대한 흐름 속에 존재합니다. 과거에는 물질의 기원을 과학적으로 논하기 어려웠으나, 현대 과학은 우주의 역사를 통해 이를 일목요연하게 설명해 줍니다. 물질과 빛의 상호작용으로 이루어진 이 세상에서 우리가 어디서 왔는지를 추적하는 과정은 곧 우주와 생명의 기원을 이해하는 열쇠가 됩니다. 우주의 역사는 크게 다섯 단계의 진화 과정을 거쳐 현재에 이르렀습니다. 빅뱅 직후 소립자들이 급격히 변모한 초기 진화를 시작으로, 별들이 탄생하고 소멸하며 무거운 원소를 만들어낸 별의 진화가 이어졌습니다. 이후 우주 공간에 퍼진 원소들이 결합하여 유기물을 형성하는 화학적 진화가 일어났고, 지구라는 환경에서 생명체가 등장하는 생물학적 진화로 연결되었습니다. 마지막으로 인류가 등장하여 지성을 갖추게 된 인류의 진화까지, 이 모든 과정은 정교한 인과관계로 얽혀 있습니다. 시간을 거슬러 올라가면 물질의 변화 양상을 더욱 구체적으로 확인할 수 있습니다. 수만 년 전 농경의 시작과 수십만 년 전 현생 인류의 등장을 지나, 수억 년 전 공룡의 시대를 거쳐 10억 년 전에는 바닷속 광합성 박테리아가 지구의 환경을 바꾸어 놓았습니다. 100억 년 전으로 더 깊이 들어가면 태양계조차 형성되기 이전의 원시 우주와 마주하게 됩니다. 이러한 시간적 추적은 우리가 단순히 현재에 머무는 존재가 아니라, 우주의 유구한 역사와 긴밀히 연결된 존재임을 깨닫게 합니다. 빅뱅 우주론은 세 가지 강력한 증거를 통해 뒷받침됩니다. 첫째는 허블의 법칙으로 알려진 우주의 팽창이며, 둘째는 우주 전체에 균일하게 퍼져 있는 우주 배경 복사입니다. 마지막으로 가장 결정적인 증거는 우주에 존재하는 원소의 분포 비율입니다. 우주 어디를 보더라도 수소와 헬륨의 질량비가 약 3대 1로 일정하게 나타난다는 사실은, 이 가벼운 원소들이 우주 초기의 뜨거운 상태에서 한꺼번에 만들어졌음을 시사합니다. 이는 물질의 기원을 밝히는 결정적인 단서가 됩니다. 원소의 기원에 대한 과학적 이해는 20세기를 거치며 완성되었습니다. 초기에는 모든 원소가 별 내부에서 만들어졌거나 혹은 빅뱅 당시에 생성되었다는 주장이 대립했으나, 현재는 두 과정이 상호 보완적임을 알고 있습니다. 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소는 빅뱅 초기에 형성되었고, 탄소나 산소, 철과 같은 무거운 원소들은 별의 내부와 초신성 폭발 과정을 통해 탄생했습니다. 결국 우리 몸을 구성하는 수소는 138억 년 전의 것이며, 우리는 말 그대로 별의 먼지로부터 온 존재들입니다.

김희준

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물리학
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