과학이 필요한 시간지은을 통해 구매를 하게 되었다. 지인이 추천을 통해서 읽어보니 나한테 많은 도움이 되는것같다. 너무나 감사하게 생각하고 있다. 알베르트 아인슈타인에 따르면, 삶을 사는 데는 오로지 두 가지 길이 있다. 하나는 아무것도 기적이 아니라고 믿는 것이고, 다른 하나는 모든 것이 기적이라고 믿는 것이다. 21세기를 사는 우리에게도 두 가지 길이 있다. 하나는 어떠한 곳에서도 과학을 보지 못하는 것이고, 다른 하나는 모든 곳에서 과학을 보는 것이다.  너무나 내용이 잼있고 우리 모르는 과학이 많이 있어서 너무나 책 이 재미이가 있었다. 
 

과학이 필요한 시간 리뷰입니다.
다양한 분야의 과학주제에 대해서 예시를 들어가면서 설명하는 부분이
읽는이로 하여금 친절하게 느껴졌던거 같습니다.
과학커뮤니케이터로써 능력이 십분 발휘된거 같습니다.
많은 주제속에 내용은 길지 않지만 재미있게 읽을 수 있었고,
과학에 흥미를 붙이고자 하시는 분들에게는 교양서적으로
입문하시기에 좋은 책이라 할 수 있습니다.

아름다움을 찾아 나선 과학의 탐구

    흔히 예술은 인간의 무한한 상상력의 산물이며, 과학은 실재하는 현실에 작용하는 법칙을 발견하는 이성의 행위라고 생각한다. 그런데 원자나 우주의 법칙을 찾아내려는 최근의 과학은 인간의 눈으로는 볼 수 없는 것들이 연구의 대상이다. 이제 과학도 상상력 없이는 도저히 이해할 수가 없다. 상상력은 예술과 과학을 서로 친근하게 만든다.

    이 책은 빅뱅에서 다중우주로 가는 초광속·초밀착 길 안내서라는 부제가 달려 있다. 오늘날 과학자들이 매달리고 있는 연구 과제들을 쇼윈도의 진열 상품처럼 전시하고 있다. 백화점에서 쇼핑을 하듯이 쑥 지나가면서 살펴보면 현대 과학의 흐름을 한눈에 볼 수가 있다.

    이 책은 전체 5부로 되어 있다. 1부 기계가 인간을 위해 노래할 때에서는 인공지능과 양자컴퓨터, 2부 당신 인생의 이야기에서는 시간과 꿈, 인간의 수명을, 3부 블랙홀에 빠지는 가장 우아한 방법에서는 블랙홀과 화성, 천체망원경에 대해 다루고 있으며, 4부 최종 이론이라는 아름다운 꿈에서는 상대성이론, 엔트로피, 양자역학과 다중우주, 표준모형과 끈이론, 5부 무한보다 더 큰 무한을 담는 언어에서는 페르마의 마지막 정리, 차원의 이해, 수학의 7대 난제, 원주율과 무한수 등에 대해 이야기하고 있다.

1부 기계가 인간을 위해 노래할 때

    짧은 기간에 인공지능은 인간의 뇌를 흉내내며 엄청한 속도로 발전했다. 이제 인공지능이 인간처럼 학습하고 생각하는 새로운 변화의 시대가 머지 않았다. 인공지능을 학습시키는 여러 이유 중 하나는 인간의 노력으로 예측할 수 없는 미래를 미리 알고 싶다는 욕망 때문이다. 인공지능은 과연 미래를 예측하는 게 가능할까?

    우선 우리의 미래가 결정되어 있는지 아닌지부터 알아봐야 한다. 로또 1등 당첨 복권의 숫자는 1부터 45의 숫자 중 정해진 6개의 수가 나온다. 그러나 아무도 그 수를 예측할 수는 없다. 경우의 수가 너무 많기 때문이다. 우리의 미래도 결과가 정해져 있다하더라도 그 경우의 수가 무한히 많다. 영화 ＜어벤져스＞의 닥터 스트레인지는 1,400만 605개의 결정된 미래를 내다보았다. 그러나 현실에서는 미래가 결정되어 있는지 아닌지를 구분하는 건 의미가 없다. 어차피 예측할 수 없기 때문이다. 결론적으로 결정되어 있다는 사실과 무관하게 인간과 인공지능 모두에게 미래를 예측하는 건 어렵다.

    인공지능 없는 삶은 조만간 상상하기조차 어려워질 것이다. 인공지능이 진화하면 인간보다 더뛰어난 지능을 갖게 될 것이다. 이때 가장 중요한 것은 수많은 판단 가운데 인공지능의 결정이 대부분 옳더라도 도출된 결과만을 좇지 않아야 한다. 우리가 인공지능을 확신하고 과정에 대한 이해 없이 맹목적으로 추종하게 된다면, 아주 작은 프로그램 오류에서 시작된 부당한 지시, 핵미사일을 도심 한복판에 떨어뜨리는 일 같은 지시를 곧이곧대로 수행할지도 모른다.

2부 당신 인생의 이야기

    시간은 모두에게 공평하게 흘러갈까? 아인슈타인의 상대성이론에 의하면 빠르게 움직이는 물체는 시간이 상대적으로 느리게 간다. 실제 시간의 속도가 달라지지 않아도 우리가 시간의 속도를 다르게 느끼는 경우도 있다. 애인과 함께 있는 1시간은 끝종 치고 난 후에도 계속되는 수업 시간의 1분과도 같다. 이게 아니더라도 나이가 들수록 시간이 더 빨리 흐른다. 미국의 신경학자 피터 망간박사는 청년, 중년, 노년으로 세 구룹을 나누어 각자 마음속으로 3분을 세게 한 뒤 실제 흘러간 시간과 비교하는 실험을 했다. 결과는 예상대로 청년 참가자 대부분은 정확한 시간 길이를 맞혔지만, 60대 이상의 참가자들은 대부분 더 긴 시간을 3분으로 느꼈다. 체감 시간이 더 빠르게 흘렀다는 것이다.

    젊었을 때는 새로운 학습이나 보상 과정에서 도파민이라는 신경전달물질이 분비된다. 나이가 들면 도파민의 분비가 줄어들고 반복된 일상 속에서 특별한 자극도 점점 줄어들어, 예전처럼 뇌는 세상을 새롭게 느끼지 못하고 별다른 보상도 받지 못한 채로 하루하루 비슷하게 살아간다. 인지하는 세월은 그렇게 빨라진다. 처음 걷는 길은 꽤 멀게 느껴지지만, 그 길을 자주 걷다 보면 짧게 느껴지는 것과 같은 이치다. 시간을 붙잡아 두기 위해서는 새로운 경험과 새로운 생각을 많이 해야 한다. 낯선 기억이 시냅스에 저장되는 과정에서 도파민이 대량 분비되기에, 시간은 점점 느려질 것이며 하루를 이틀처럼 보내게 될 것이다.

    미국의 뇌신경학자 데이비드 스노든 박사는 수녀원으로부터 뇌를 기증받아 노화와 알츠하이머병의 관계를 연구해 왔다. 기증받은 뇌 가운데 심장마비로 85세에 사망하기 직전까지 모든 인지 시험에서 최우수 성격을 거둔 수녀의 뇌를 해부했을 때 놀라운 사실을 발견했다. 그녀는 심각한 알츠하이머병이 말기까지 진행된 치매 환자였던 것이다. 뇌의 상태만으로 봤을 때 이미 최악의 상태였던 그녀가 어떻게 가장 우수한 지적 능력을 보유할 수 있었을까?

    뇌에는 기억이 저장되는 시냅스라는 부분이 있는데, 시냅스가 복잡하게 연결될수록 기억이 단단하게 남아 있게 된다. 수녀의 시냅스는 무시무시하게 복잡한 연결을 형성하고 있었다. 그녀는 끊임없이 공부하고 생각하며 뇌를 관리해 왔다. 기억이 하나의 시냅스에만 저장되지 않고 새로운 시냅스를 계속 연결해 가며, 알츠하이머병으로 일부 연결이 끊어져도 나머지 시냅스가 그 자리를 채웠다. 치매를 예방하려면 역시 끊임없이 새로운 것을 배워야 한다.

    과학 기술의 발전은 인간의 수명을 늘려줄 것이 분명하다. 로보캅의 주인공처럼 인간의 몸에 기계장치를 부착하거나, 돼지와 같은 다른 동물의 장기를 이식하거나, 줄기세포를 이용해 인공장기를 만들어 이식하는 방법 등이 시행되고 있다. 이런 방법이 인간의 수명을 획기적으로 늘려줄지 몰라도, 모든 인류가 다 행복해지지는 않을 것이 분명하다. 인간 수명을 애써 몇 년 늘려봐야 우주의 역사에 비하면 찰나를 살 뿐이다. 결국 죽지 않고 오래 사는 최대의 삶보다 더 중요한 건, 살아 있는 동안 후회 없는 최선의 삶을 사는 것이다.

3부 블랙홀에 빠지는 가장 우아한 방법

    미국은 매리너 4호와 9호를 발사해서 화성의 사진을 찍는 데 성공했다. 바이킹 1호와 2호가 화성에 착륙해서 생명체의 흔적을 찾았으나 발견하지는 못했다. 1997년 패스파인더Pathfinder와 이동식 탐사선 소저너Sojourner가 화성에 착륙해 과거 화성이 따뜻했었고, 여러번 대홍수가 있었다는 증거를 발견했다.

    유럽우주국ESA도 마스 오비터와 착륙선 비글2호Beagle2로 구성된 마스 익스프레스를 발사해 화성 남극의 얼음과 대기 중의 메탄을 발견했다. 미국은 다시 쌍둥이 화성 탐사 로봇 스피릿Spirit과 오퍼튜니티Opportunity를 화성에 착륙시켰으며, 화성탐사차 큐리오시티Curiosity를 보내어 지표 아래 물이 흐른 흔적을 발견했다. 2021년 2월에는 퍼서비어런스Perseverance라는 화성 탐사차가 생명체의 흔적을 찾을 가능성이 가장 높은 분화구에 착륙했다. 퍼서비어런스와 함께 도착한 인제뉴어티Ingenuty라는 소형 무인 헬리콥터가 화성 지상에서 처음으로 비행에 성공했다.

    2004년 3월, 유럽 우주국의 로제타호가 발사되어, 21년이 지난 뒤 추류모프-게라시멘코 혜성에 탐사 로봇 필레를 착륙시켰다. 실패했다고 생각한 필레는 7개월만에 귀중한 사진과 정보를 보내왔다.

    2022년 7월 12일, 미국 항공우주국에서는 허블 우주망원경의 뒤를 잇는 제임스 웹 우주망원경으로 찍은 사진을 공개했다. 이는 지구로부터 46억 광년 떨어져 있는 SMACS 0723이라는 은하단의 사진이었다. 계속해서 심우주Deep Field, 외계행성Exoplant, 별의 종말Stellar Death, 은하Galaxym, 별의 탄생Stellar Birth 순으로 사진을 공개했다. 제임스 웹 우주망원경은 당초 예산보다 11조원이 더 들어갔다. 제임스 웹 우주망원경은 허블 망원경보다 더 먼 과거를 볼 수 있고, 최초의 별이나 은하를 연구할 수도 있으며 이들이 어떻게 형성되고 죽어가는지, 그리고 외계 생명체 탐사나 생명의 기원을 연구할 수 있다.

    인류는 왜 이처럼 긴 시간과 많은 인력과 엄청난 비용을 들여서 우주를 탐색할까? 지구 생명체의 근원이 어디서 왔는지 그 비밀을 풀기 위해서이다. 생명의 근원을 찾으면 우리의 존재 의미를 알 수 있지 않을까? 우리가 살아가는 이유를 알 수 있을지도 모른다.

4부 최종이론이라는 아름다운 꿈

    영국의 과학자 맥스웰은 당시 별개로 나누어져 있던 전기와 자기를 하나로 통합해, 전자기파를 다루는 맥스웰 방정식을 만들었다. 그는 이 방정식을 통해 전자기파의 속력을 계산해 보았는데, 놀랍게도 빛의 속력과 정확히 일치했다. 빛은 전자기파일지도 모른다는 생각을 했다. 나중에 빛은 입자이면서 파동의 성질을 지닌 것으로 밝혀졌다.

    아인슈타인은 상대성이론을 발표하여 빛은 늘 일정한 속력을 갖고 있으며 이를 유지하기 위해 시간과 공간이 상대적으로 바뀌는 것이라 주장했다. 아인슈타인은 시간과 공간을 하나로 통합해 4차원의 시공간으로 만들었다.

    아인슈타인이 전자기파와 중력을 하나로 통합하려고 했으나 성공하지 못했다. 그러는 동안에 양자역학이 등장했다. 그동안 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자였는데, 현대물리학자들은 원자를 더 쪼갤 수 있다는 것을 알게 되었다. 원자를 쪼개면 전자, 양성자, 중성자, 광자가 나온다. 이들을 통칭하는 표현이 바로 ‘양자quantum’이며, 이들을 연구하는 물리학 분야가 ‘양자역학’이다. 중력을 기반으로 하는 아인슈타인의 일반 상대성이론은 거시적인 세계에서만 작동했고, 양자역학은 미시적 영역에서만 이해가 되었다.

    과학자들은 거시적 세계과 미시적 세계를 구분해서 이론을 적용했다. 그런데, 블랙홀이 등장하자 상황이 복잡해졌다. 블랙홀은 질량이 크고 거대해 중력이 강하게 작용하는 천체지만, 특이점 안쪽의 중심부는 매우 작아 양자역학을 적용할 수밖에 없었다. 일반 상대성이론과 양자역학을 동시에 적용할 수 있는 이론이 필요해진 것이다. 그래서 끈이론이 등장했다.

    우주에는 네 가지 힘, 중력, 전자기력, 강력, 약력이 있다. 현대물리학의 표준모형은 전자기력을 강력, 약력과 통합하고 있지만 여전히 중력은 포괄하지 못하고 있다. 하지만 초끈이론을 사용하면 표준모형의 근간인 양자역학을 중력에 적용할 수 있게 된다. 끈이론은 수학적으로는 깔끔하게 네 가지의 기본 힘을 통합할 수 있는 유일한 이론이지만 아직까지 검증할 방법이 없으며, 끈을 양자화하기 위한 중력자는 관측되지 않고 있다

5부 무한보다 더 큰 무한을 담는 언어

    페르마는 파타고라스 유클리드와 더불어 가장 유명한 수학자이다. 페르마는 프랑스 법대를 졸업한 변호사로서 수학을 그저 재미삼아 취미로 즐겼을 뿐이라 한다. 그는 다른 수학자에게 나는 이미 증명했으나 당신도 한번 해보라는 식으로 여러 수학 문제를 남겼다. 많은 수학자들이 그 문제를 해결하고 마지막 한 문제가 남아 있었다. 무려 358년 동안 마지막까지 증명되지 않아서 페르마의 마지막 정리라 불리게 되었다.

    “하나의 세제곱 수는 다른 2개의 세제곱 수의 합으로 표현될 수 없고, 네제곱 수 역시 다른 2개의 네제곱 수의 합으로 표현될 수 없다. 일반적으로 3차 이상의 거듭제곱 수를 같은 차수의 합으로 표현하는 것은 불가능하다. 나는 경이로운 방법으로 이를 증명했으나, 여백이 충분하지 않아 여기 적을 수 없다.”

    독일의 수학자 파울 볼프스켈은 짝사랑하던 여성에게 차이자 자살을 결심했다. 정확히 자정에 삶을 끝내기로 하고 남은 시간에 수학 서적을 뒤적이다 페르마의 마지막 정리에 관한 논문을 읽었다. 논문 읽기에 몰두하다 자정을 넘기고 새로운 삶의 목표를 찾은 그는 페르마의 마지막 정리를 증명한 사람에게 자신의 전 재산을 상금으로 주기로 했다. 그 덕분에 페르마의 마지막 정리는 대중에게도 널리 알려지게 되었다. 결국 영국의 수학자 앤드루 와일스가 페르마의 마지막 정리를 증명했다.

    2,000년, 다가오는 21세기를 한껏 기대하던 수학자들은 뭔가 재미있는 이벤트 같은 게 없을까 고민하다가 수학계에서 가장 어려운 문제 7개를 뽑기로 했다. 나비에-스토크스 방정식의 해의 존재와 매끄러움, 리만 가설, 버츠와 스위너톤-다이어 추측, 양-밀스 가설의 존재와 질량 간극, 호지 추측, P-NP 문제, 그리고 푸앵카레 추측의 7개가 가장 어려운 문제로 뽑혔다,

    페르마의 마지막 정리가 증명되자 수학자들은 행복해 하지 않았다. 그들은 기뻐하기는커녕 오히려 목표를 잃었다고 좌절했다. 새롭게 도전할 새로운 문제가 필요했다. 그래서 탄생한 것이 밀레니엄 7대 난제다. 수학자들은 유일하게 증명된 푸앵카레 정리를 제외한 나머지 6개의 난제에 여전히 즐거운 마음으로 도전하고 있다.

    푸앵카레는 “과학자가 자연을 연구하는 이유는 쓸모 있기 때문이 아니라 아름답기 때문이다. 만약 자연이 연구할 가치가 없다면, 우리의 인생 또한 살 가치가 없을 것이다.”라고 말했다. 아름다움을 탐구하는 과학자의 마음은 예술가의 마음과 다르지 않다. 상상력의 동원 외에도 과학과 예술의 닮은 점이 여기에 또 있다.

    과학과 예술의 목표도 서로 다르지 않다. 과학자들이 천체망원경을 통해 우주를 들여다보는 것은 생명의 근원과 우리 인간의 존재 의미를 확인하기 위한 작업이다. 예술가가 예술을 하는 목적과 같다. 과학과 예술은 둘 다 우리 인간의 아름다움과 삶의 가치를 찾아가는 여정이다. 과학기술로 편리해진 문명 속에서 오히려 삶의 의미를 잃어가고 있는 우리는 이제 과학을 통하여 우리의 존재 의미를 발견해야 한다. 지금은 과학이 필요한 시간이다.

    저자 궤도는 과학 커뮤니케이터로서 유튜브 과학 채널 ＜안될 과학＞의 진행자이다. 연세대학교 및 대학원, 한국천문연구원에서 천문우주학을 공부하고, 청와대 과학기술 분야 정책자문위원과 서울예술대학교 겸임교수를 지냈다.