일반 대중과 전문 독자를 모두 배려한 현대 과학 입문서

1990년대 후반부터 봇물 터지듯 쏟아진 과학 서적들은 아마추어의 기를 죽이기에 충분할뿐더러, 전문가들조차 그 물량에 압도되어 자신의 전공 분야를 한눈에 파악하지 못할 지경에 이르렀다. 이러한 상황에서 어떤 지식이 유용한지, 그 지식을 어떻게 전달해야 할지, 그리고 그로 인해 우리 모두에게 어떤 결과가 닥칠지 판단하기는 쉽지 않다. ‘교양과학 오디세이’ 시리즈는 과학을 공부하는 학생이나, 과학에 관심이 많고 과학을 좀더 깊게 알고 싶은 성인에게 훌륭한 입문서가 되어준다. 무작정 쉽게 쓰기보다는 전문적이고 깊이 있는 내용을 전달하며, 각각의 주제가 체계적으로 정리되어 과학 전공자들 또는 예비 과학자들에게 좋은 개요서로서 많은 도움을 줄 것이다.
독일어 원저는 1990년대에 출간되었지만, 이번 한국어 판본에서는 감수 작업을 거쳐 당시와 달라진 내용을 보충했으며 지금까지의 새로운 발견, 학설 등을 보충했다. 본문 안에 옮긴이주 형식으로 덧붙인 설명뿐 아니라 책 말미에 있는 ‘용어 해설’과 ‘참고할 만한 책’ 소개도 과학을 공부하는 데 많은 도움이 될 것이다.

1권 지식과 감정에 대하여―두뇌 연구
육체와 정신의 관계에 대한 궁금증은 고래로부터 끊임없이 제기되어왔다. 우리는 어떻게 보고, 듣고, 냄새 맡는가? 우리는 왜, 그리고 어떻게 말을 할 수 있는가? 지능이란 무엇인가? 19세기 과학자(전문가)들은 이런 물음들에 본격적으로 답하기 위해 죽은 자들의 뇌 연구로 뇌과학 논쟁의 포문을 열었다. 저자는 최근까지의 연구 결과를 토대로 뇌에 관한 가장 기본적이고 핵심적인 질문에 대한 답을 알기 쉽고 간결하게 정리하고 있으며, 지능과 자유의지 같은 미완의 영역과 미래에 대해서도 논한다.

토머스 하비Thomas Stoltz Harvey가 외과용 메스를 갖다 대었을 때, 그는 이것이 범상치 않은 부검이 되리라는 것을 알았다. 미국의 작은 대학 도시 프린스턴 병원의 병리학자 하비 앞에는 그 세기 가장 유명한 남자의 시체가 놓여 있었다. 알베르트 아인슈타인Albert Einstein. 7시간 전에 그 물리학자는 죽었다. 하비가 나중에 확인한 결과, 동맥에 생긴 혹의 파열 때문이었다. ―1권 『지식과 감정에 대하여: 두뇌 연구』에서

2권 앵무조개와 사피엔스―진화론 입문
진화론이 자연과학에 근거한 현대의 세계관을 떠받치는 기둥 중 하나라는 사실은 이론의 여지가 없다. 그러나 이 이론이 관철되기까지, 다양한 생명체가 탄생할 때 그 중심에서 신을 배제하고 그 자리를 적자 생존과 같이 자연에 의해 규정되는 기준으로 대체하기까지는 끊임없는 투쟁이 이어졌다. 이 책은 다윈의 그 유명한 ‘비글’호 항해에서 출발하여, 번식에서의 장점들과 파트너 전략 및 적대 전략 등이 생명의 다양성을 가능케 했다는 인식을 확고하게 만들어준다.

다윈은 무엇보다도 동물 화석을 찾아내는 것을 좋아했다. 암석이 많은 어느 해안 지대에서 그는 또다시 사멸한 거대 종의 나무늘보 화석을 발견했는데, 뼈가 거의 완벽하게 보존되어 있었다. 그리고 내륙 안쪽에서 찾아낸 나무늘보의 화석들 중 몇몇은 현대 포유동물의 뼈가 있는 퇴적층에 있었다. 이 거대 종의 나무늘보는 멸종한 반면에 몇몇 다른 종의 나무늘보는 여전히 존재하고 있었다. 따라서 많은 자연 연구가들이 추정하는 것처럼, 모든 생명을 단번에 절멸시킨 대재앙이 있었다는 것은 사실이 아니지 아닐까? ―2권 『앵무조개와 사피엔스: 진화론 입문』에서

3권 슈뢰딩거의 고양이―양자 물리학 입문
양자 역학 분야가 과학계에서 항상 논란의 중심에 서 있는 이유는 고전 물리의 논리나 명료함, 인과율, 예측이 통하지 않기 때문이다. 미시 세계를 수학적으로 관찰하고 연구하는 과학자의 입에서 추측, 우연, 불확실성, 확률이란 단어가 나열되는 상황은 얼마나 모순적인가. 그럼에도 어떻게 양자 이론가들이 고유한 물리학 이론 체계를 수립하는 데 성공했는지, 이 책의 저자는 당시 과학자들이 거쳐간 사고 과정을 통해 하나하나 살펴보고 있다.

원소 붕괴가 예정된 한 시간 동안 어떤 외부 관측자도 그 고양이의 생사 여부를 알 길이 없다. 어느 누구도 정확히 언제 방사성 원소가 붕괴할지 모르기 때문이다. 따라서 어찌 보면 고양이는 살아 있으면서 동시에 죽어 있는 셈이 된다. 또는 그 어느 쪽도 아닌, 삶과 죽음이 뒤섞인 상태에 있는 것이기도 하다. (……) 이런 상황이 1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거에 의해 고안된 사고 실험이라는 사실은 고양이에게 참으로 천만다행한 일이다. ―3권 『슈뢰딩거의 고양이: 양자 물리학 입문』에서

4권 푸른 행성―생태학 입문
생태학은 자연을 보호하고 유지하기 위한 학문이 아니다. 자연의 살림살이를 다루는 학문으로, 다른 말로 자연의 경제학이라고도 할 수 있다. 이 책의 저자는 우리가 생태학을 정치적 운동이나 생활 방식의 일환으로 이용하는 것을 우려하고 있다. 인간이 자연 보호라는 명목으로 행하는 행동은 엄청난 역효과를 일으키고 자연의 이익에 반하는 결과를 가져온다는 것, 자연은 원래 균형을 이루기보다는 극도로 변화무쌍한 혼란을 추구한다는 것, 동식물은 인간이 만든 생활에 빠르게 적응하고 문명을 따른다는 등, 자연에 대한 우리의 고정관념을 깨뜨리고 생태계를 바라보는 시각을 새롭게 변화시킨다.

생태학을 이용함으로써 얻는 것이 무엇일지는 근본적으로 학문적 기반이 얼마나 튼튼한지에 달려 있다. 아무리 아름다운 집이라 해도 기초가 튼튼하지 않으면 무너지고 만다. 생태학도 어떤 점에서는 건축과 유사하다. ‘생태학’이라는 말은 그리스어로 ‘집’을 뜻하는 ‘오이코스oikos’라는 말에서 유래했다. 즉, ‘자연의 집’, 자연의 살림살이라는 뜻이다. 이것이 바로 생태학이 다루는 내용이다. ―4권 『푸른 행성: 생태학 입문』에서

5권 초끈의 울림―소립자 세계 입문
이 책은 흥미진진한 방법으로, 모든 사물의 가장 미세한 구성 성분들이 이루고 있는 신비한 세계로 우리를 안내한다. 이러한 미세 구조의 세계는 우리가 일상적으로 관찰하여 얻은 평범한 인식들을 뒤죽박죽 엉클어뜨린다. 그리고 우리가 겪는 ‘거대 세계’ 경험과의 유사점은 전혀 찾아볼 수 없다. 쉽게 이해할 수 있도록 그려진 모델과 실감나는 그림들을 보면서 독자들은 쿼크에서 뉴트리노, 아직도 존재가 확인되지 않은 힉스 입자, 그리고 기묘한 초끈에 이르는 신비한 소립자의 세계와 만날 수 있다.

원자는 지름이 겨우 100만분의 10밀리미터인 아주 작고 더 이상 쪼갤 수 없는 공이다. 현미경으로 보아야 할 정도로 작은 원자들은 당구공처럼 공간을 이리저리 움직이다가 서로 계속 부딪치며, 이때 결합하여 분자가 될 수도 있다. 이 시대의 자연과학자들은 전체적으로 약 40여 개의 상이한 원자 종류를, 즉 당시의 견해로는 이것들을 가지고 다른 모든 물질들을 만들 수 있는 40여 개의 화학 원소들을 알고 있었다. 오늘날의 화학자들은 117개 이상의 원소 종류를 알고 있다. ―5권 『초끈의 울림: 소립자 세계 입문』에서

6권 E=mc2―상대성 이론
근대 자연과학의 이론 중 아인슈타인의 상대성 이론만큼 논란을 불러일으킨 경우도 없다. 그것은 상대성 이론의 주요 사상이 우리의 감각 세계의 경험에 모순되기 때문이다. 아인슈타인의 이론에 대한 반응들도 상반적이긴 마찬가지였다. 그런 논란이 이어지는 가운데 이 책은 아인슈타인의 주장이 옳았음을 보여주고 있다. 아울러 명료한 비교를 통해 꼬집어 말하기 힘든 내용을 이해하기 쉽게 풀이하고, 지금껏 자연을 설명하기 위해 인간이 고안한 가장 뛰어나고 매혹적인 사상으로 우리를 안내한다.

아인슈타인이 제시한 새로운 환산법의 특징은, 빛의 속도보다 훨씬 느린 경우 속도 덧셈 법칙에 근접하면서 결국 구분이 힘들어진다는 것이다. 하지만 속도가 빨라지면 빨라질수록 그 편차는 점점 더 커진다. 우리는 아인슈타인의 새로운 공식으로부터 그 어떤 물체 또는 정보도 빛의 속도보다 더 빨리 움직일 수 없다는 점을 알게 된다. 물리학 토대에 발생한 이러한 균열은 물리학의 전반적 체계를 뒤흔드는 결과를 불러일으켰다. ―6권 『E=mc2: 상대성 이론』에서

7권 카오스와 카오스의 질서―복잡계 입문
우리는 세계를 구조화시켜 인식하는 것에 익숙하면서도 한편, 일상에서는 구조 바깥의 경험이나, 불규칙성을 드러내는 현상들을 끊임없이 경험한다. 말하자면, 우리는 카오스와 카오스 질서에 현상학적으로 이미 ‘익숙’하다. 누구나 사소한 사건이 커다란 영향을 불러일으키는 경험을 한 적이 있을 것이다. 이 책은 카오스 이론이 신비주의 혹은 종교의 영역에서가 아니라 과학의 영역에서 다루어지는, 즉 ‘카오스 질서’인 이유를 다양한 예를 들어 이해하기 쉽게 설명한다.

우리는 물론 작은 변화가 커다란 영향을 끼치는 시스템에 대해서도 알고 있다. 우리가 주사위를 던질 때 언제나 6이 나오도록 던지려고 노력해도 결과는 아주 우연적이다. 심을 밑으로 하여 연필을 세워 놓으려는 경우에도 마찬가지로 연필은 언제나 제각각의 방향으로 쓰러진다. 유감스럽게도 많은 시스템이 그렇게 아주 작은 차이에도 민감하다. ―7권 『카오스와 카오스의 질서: 복잡계 입문』에서

8권 생명의 분자―유전학 입문
무엇이 각 생명체들의 특수성과 보편성을 결정할까. 또 이것은 어떤 방식으로 전해질까. 이 책은 유전학이 현대의 주요한 학문으로 자리 잡는 역사적 과정에 대한 서술이자, 현대 사회의 생활에 깊숙이 개입하고 있는 과학기술에 대한 통찰이며, 가깝고도 먼 미래에 던지는 질문이다. 멘델의 그 유명한 완두콩 실험에서부터 염색체의 발견, DNA의 발견, 게놈 프로젝트, 분자생물학과 유전자조작에 이르기까지 인류의 삶을 크게 변화시킨 사건과 실험, 인물 들을 긴박감 넘치는 역동적인 문체로 만난다.

유전자가 물리적인 단위를 의미한다면, 유전자도 세포의 다른 구성 요소들처럼 생물리학적인 방법으로 혹은 생화학적 방법으로 분자까지 연구할 수 있어야 한다. 이제 유전 물질의 화학적 구조를 밝히는 것이 분자 공학의 가장 중요한 목표가 되었다. 그런데 1953년에 이르러 분자의 토대 위해서 유전을 규명하려는 시합이 끝나게 되었다. 미국인 제임스 왓슨James Watson과 영국인 프랜시스 크릭이 분자 유전자, 즉 ‘DNA’의 구조를 밝혀낸 것이다. 우리 시대의 가장 유명한 분자인 DNA는 곧 생명의 분자이다. ―8권 『생명의 분자: 유전학 입문』에서

9권 논리의 문법―수학 입문
이 책은 우리를 피타고라스에서 현대 정보학에 이르는 수학의 세계로 인도한다. 저자는 수 이론과 논리학, 증명과 확률 계산, 그래프 분석과 산술 측정의 한계 등에 관해 놀라우리만치 쉽고 재미있게 서술하고 있다. 갈릴레이가 말한 바 있듯이 “우주라는 방대한 책은 수학 언어로 쓰여 있다. 그 철자는 원, 삼각형, 여러 가지 기하학적 도형들이다. 이것들이 없다면 우리는 우주라는 책 속의 글을 한 단어도 이해할 수 없을 뿐만 아니라 캄캄한 미궁 속을 헤매고 말 것이다.”

수학에서는 증명되지 않은 가설들이 수없이 많다. 하지만 ‘페르마의 마지막 정리’와 같이 오랜 기간에 걸쳐 수학자들의 골머리를 앓게 한 적은 없었다. 그리고 가설들은 대개 일반 사람들이 이해할 수 없을 정도로 난해했다. 하지만 페르마의 정리가 던지는 메시지는 이해하기 쉽다. 페르마의 정리에서 요점은 무엇일까? 피타고라스의 정리에 대해서라면 모르는 사람이 거의 없을 것이다. 피타고라스의 정리에 따르면 직각삼각형에서 직각을 낀 두 변의 길이의 제곱의 합은 빗변의 길이의 제곱과 같다. ―9권 『논리의 문법: 수학 입문』에서

10권 블랙홀과 우주―천문학 입문
우리는 누구이며, 이 세계는 어떤 곳인가. 이 책은 이러한 인문학적 질문에 대한 과학적 성과를 흥미롭게 보여준다. 우리 은하의 별과 행성 각각의 내용과 성격을 너무 얕지도 깊지도 않게 설명하며, 그에 따른 논리적, 과학적 근거를 충분히 제시한다. 이 책을 통해, 우리는 ‘태양과 달, 그리고 다른 별들에 대해 분명하면서도 전체적으로 살펴볼 수 있는 기회를 얻게’ 된다. 또한 우주의 과거와 현재를 보고 미래를 상상한다. 이 책은 입문서로서, 이 분야의 논문이나 전문 서적을 접하기 전 교두보가 되어줄 것이다.

일식은 태양과 달, 지구가 하늘을 무대로 펼치는 그림자 연극이다. 연극의 시나리오는 복잡하다. 세 명의 배우, 즉 태양과 달, 지구가 제시간에 정해진 장소에서 자신들이 맡은 역할을 해야 한다. 달이 태양을 ‘조금씩 먹어들어 가면서’ 태양의 둥근면 앞으로 차츰 나오다가, 마침내는 완전히 덮어버린다. 이 경이로운 광경을 보게 될 때면 숫자와 공식에 철저한 자연과학자들조차도 본래의 임무에 대해선 까맣게 잊어버린다. ―10권 『블랙홀과 우주: 천문학 입문』에서

11권 원소를 찾아서―화학 입문
이 책은 고대의 자연 철학자들에서부터 오늘날의 최첨단 화학 실험실에 이르기까지 화학자들이 어떻게 해서 물질의 구조를 밝히는 데 성공했는지, 또 어떻게 원소와 그 화합물의 속성을 규명해냈는지를 가르쳐준다. 물론 화학이 늘 환영의 대상이 된 것은 아니다. 반환경적 연구의 대명사처럼 이야기되는 것이 또한 화학이다. 그런데 이러한 단정적 평가에는 흔히 ‘화학’이 없이는 자연조차 제대로 기능하지 못한다는 사실이 간과되고 있다. 이 책은 화학의 주요 개념, 방법, 연구 분야 등을 이해하기 쉽게 설명할 뿐만 아니라 균형 잡힌 시각에서 화학의 가능성은 물론 그 위험에 대해서도 지적한다.

약 8000년 전 인류는 납, 구리, 금, 은, 주석, 철 등을 추출하고 청동과 황동을 합금하기 시작했다. 금속의 사용이 인류에게 얼마나 큰 의미를 갖는지는 역사의 시기를 청동기, 철기 등과 같이 당시 이용된 광물을 통해 표시한다는 점에도 잘 드러난다. 또 고대 이집트에서는 염색을 위해 푸른 광물인 청금석 같은 특정 염료를 사용하기도 했다. 청금석은 현재까지도 화학적 합성과 변형을 거쳐 다양한 용도로 쓰이고 있다. ―11권 『원소를 찾아서: 화학 입문』에서

12권 사물의 핵―원자 물리학 입문
이 책은 원자 연구와 소립자 연구를 다루고 있다. 뢴트겐이나 러더퍼드, 퀴리 등이 행한 초기 실험의 발전 과정을 생생하게 추적하며, 이들의 연구 결과가 19세기에서 20세기로 넘어가는 전환기에 형성된 고전 물리학과는 다른 점이 많았다는 점도 구체적으로 설명한다. 또한 현대 원자로 공학 기술과 거대한 입자 가속기에 이르기까지 점차 미세한 세계로 우리를 인도한다. ‘응용 원자 물리학’의 위험과 기회, 방사능의 기술적 이용, 원자 폭탄, 핵융합 원자로, 복잡하기 이를 데 없는 컴퓨터 단층 촬영에 이르기까지 원자 물리학의 핵심에 대해 전문 지식을 곁들여 자세하게 설명한다.

오늘날의 관점에서 볼 때, 원자가 핵과 외피로 이루어져 있고 원자의 질량은 양전하를 띤 핵에 집중되어 있다는 러더퍼드의 발견은 현대 물리학을 이끈 아주 중요한 이정표 중의 하나였다고 평가된다. 이러한 발견에 힘입어 원자의 구조와 방사성 붕괴를 파악해 자연이 지닌 기본 힘을 해명하고 이를 또 다른 연구와 과학 기술에 응용할 수 있게 되었다. 어니스트 러더퍼드는 한참 후에야 자신의 발견이 과학 발전에 어떤 의미를 지니는지를 깨달았다. 그는 1932년에 한스 가이거에게 보낸 편지에서 다음과 같이 말했다. “맨체스터에서 행한 연구는 정말 훌륭했다네. 우린 당시에는 알지 못했지만 정말 큰일을 해냈어.” ―12권 『사물의 핵: 원자 물리학 입문』에서