심비한 뇌, 고마운 뇌, 무서운 뇌.

뇌의 흑역사 - 이토록 기묘하고 알수록 경이로운
마크 딩먼 지음, 이은정 옮김 / 부키 / 2024년 3월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

우리의 정체성은 어디서 만들어질까. 뇌를 빼고 정체성을 이야기할 수 없을 것 같구나. 심장이 달리고 있지만, 뇌가 죽었다면 뇌사라고 해서 의학적으로 죽은 것으로 인정하기도 한단다. 우리 몸 전체로 봤을 때는 적은 분량밖에 차지하는 뇌이지만, 우리 몸 전체를 지배한다고 할 수 있단다. 뇌는 정체와 동작원리가 완벽하게 알려지지 않은, 아직도 미지의 영역이란다. 뇌에 이상이 있으면 이상한 신체 증상을 보이기도 하는데, 그 증상들이 아주 다양하단다. 그런 다양한 증상들을 책으로 엮어 출간한 경우가 많이 있단다. 아빠도 그런 책들을 여럿 읽었고,

최근에 또 한 권을 읽었는데 그것이 오늘 너희들에게 이야기할 마크 딩먼의 <뇌의 흑역사>라는 책이란다. 책 제목에 흑역사라는 단어를 붙이는 것이 한때 유명했는데, 그런 맥락에서 이 책의 우리나라 제목을 <뇌의 흑역사>라고 진 것이 아닌가 싶구나.

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1.

이 책을 읽다 보면 우리의 뇌가 정상임에 감사한 마음이 들게 되더구나. 아빠는 기억력이 좋지 않은 뇌로 변해갔지만 말이야. 뇌가 고장이 나면 참 다양한 증상으로 나타나는데 그 중에 몇 가지 사례를 들어볼게.

먼저 자신이 이미 죽었다고 생각하는 사람들이 있대. 멀쩡히 살아있지만, 주변 사람들에게 자신은 이미 죽은 몸이니 장례를 치르고 묻어달라고 하는 이들이 있대. 주변 사람들이 얼마나 힘들까. 사고로 몸의 일부를 절단하게 되면 뇌는 한동한 그것을 인식하지 못하는 환상지에 대한 내용은 다른 책에서도 읽은 적이 있어서 그럴 수 있겠다고 생각했어. 그런데 멀쩡하게 있는 몸이 없어졌다고 인식하는 사람들이 있다는구나. 없어야 할 신체가 있어서 괴로워하던 그 사람은 멀쩡한 자신의 손가락을 자르고 나서야 만족감을 느꼈대. 그런데 그것도 시간이 지나면서 손마저 거추장스럽게 느껴져서 손목까지 잘랐다고 나는데, 손목을 자를 때의 고통이 안 느껴질까? 아무리 뇌에 이상이 있다고 하지만, 이런 일이 가능할까? 뇌의 정체가 무엇이길래, 이런 것을 용납한단 말인가.

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원치 않는 생각이 반복적으로 떠올라 불안감을 주는 것을 강박증이라고 하는데 이런 강박증은 대부분의 사람들이 갖고 있을 거야. 그런데 그 강박증이 심하면 생활하는데 문제가 되지. 어떤 여자는 강박증이 심해지면서 담뱃재를 먹는 사람이 있대, 먹을 수 없는 것을 먹는 것을 이식증이라고 하는데, 그 사례들을 들어주었는데 정말 이상한 것들을 먹는 사람들이 많더구나. 그리고 이상한 행동을 하는 이들도 있는데, 어떤 부부는 쓰레기를 모으는 경우도 있대. 이런 경우는 저장 강박증이라고 하는구나. 무엇인가 모아야 하는 하는 강박증. 좁은 공간에 수많은 동물들을 모으는 사람… 그것은 동물들을 사랑하는 것이 아니야.. 좁은 공간에 수많은 동물들을 몰아넣고 그곳에서 배변과 섞여 함께 지내는 동물들.. 열악한 환경으로 영양실조에 걸린 동물들… 아무리 뇌가 고장이 나서 한 행동이지만 동물 학대로 처벌 대상일 것 같구나. 연구를 해보니 뇌의 전전두피질에 손상이 생긴 경우 이런 저장 강박증상을 보이게 된다고 하는구나.

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뇌에 이상이 있을 경우 머리가 이례적으로 좋아지는 경우가 있단다. 서번트 증후군이라고 부르기도 하는데, 킴 픽이라는 사람의 예를 들었어. 킴 픽은 어릴 때 두개골 이상으로 정신지체아 판정을 받았어. 성인이 되어도 아이큐가 87에 불과했지… 정신지체, 발달이상의 예상되었던 그는 뛰어난 기억력과 산수 능력에 특출한 재능을 가지고 있었대. 58세까지 12000권을 모두 외웠다고 하니 정말 대단하구나. 이렇게 경이로운 천재 증상이 나타나는 서번트 증후군은 전측두엽에 이상이 있을 때 나타난다고 해..

2006년 마흔 살의 데릭 아마토란 사람은 수영장에서 수영을 하다가 바닥에 머리를 심하게 부딪혀 뇌진탕 증상이 있었대. 심한 두통과 기억력에 문제도 생겼다고 하는데, 이상하게도 갑자기 피아노를 치고 싶은 욕구가 마구 생겼다는구나. 그 전에는 피아노를 제대로 쳐 본 적도 없는데 말이야. 그렇게 피아노는 쳤는데 엄청 잘 치게 되었다는 거야. 이후 그는 피아노 연주자로 활동을 했다는구나. 머리에 충격을 받은 이후 천재적 재능을 갖게 된 경우 후천적 서번트 증후군이라고 하는데 극히 드문 사례라고 하는구나. 그러니 괜히 머리를 벽이 박고 그러면 안 된다^^ 그런데 더 신기한 사례는 머리에 손상이 없는데도 어느날 갑자기 지능이 좋아하는 경우도 있다고 하는구나. 뇌의 작동 비밀은 정말 신기하구나.

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2.

뇌에 이상이 생기면 성에 대한 욕망도 이상해진다고 하는구나. 에리카라는 사람은 에펠탑에 사랑에 빠져서 결국 2007년에 결혼까지 했대. 그런데 에리카가 사람이 아닌 사물과 사랑에 빠진 것은 에펠탑이 처음은 아니라고 하는구나. 그 전에는 활, 일본도와 사랑에 빠진 적도 있대. 이런 이들을 사물성애자라고 한단다. 그리고 성도착증이라고도 부르는 패티시에 관한 이야기도 실려 있단다. 정말 다양한 것에 성적 욕망을 느끼는 사람들이 있는데, 어떤 사람은 옷핀에 성적 끌림을 느낀다고 했대. 그 사람의 경우 측두엽을 일부 수술하고 증상이 나아졌다고 하는구나.

하지만 이런 잘못된 성적 욕망은 성범죄로 이어지는 경우도 있단다. 그리고 성아소애자도 뇌의 문제가 관련 지어 이야기하는 경우도 있는데, 그렇다면 이런 성범죄를 뇌의 문제로 책임을 돌릴 수 있을까. 지은이는 그런 성적 욕망을 실제로 실행하여 옮기는 것은 윤리적 결정을 한 것에 대한 책임을 지지 못한 것이므로 처벌을 받아야 한다고 이야기한단다. 정상적인 성적 욕망을 가진 사람들도 윤리적이지 않으면 실행하지 않는 책임감을 갖고 살아가니 말이야.

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(129)

성도착증의 신경과학적 논의도 쉽지 않다. 소아성애와 같은 문제 있는 성적 행동을 신경생물학적 이상의 탓으로 돌린다면 충동을 실행으로 옮긴 사람에게 범죄에 대한 면죄부를 줄 우려가 있기 때문이다. 만일 소아성애자가 자신의 행동을 뇌종양의 탓으로 돌릴 수 있다면, 만일 소아성애자가 자신의 행동을 뇌종양의 탓으로 돌릴 수 있다면, 이들은 행위의 책임에서 자유로울 수 있는 걸까? 이 질문에는 더 깊은 철학적 논의가 필요하지만, 소아성애자의 뇌가 소아성애적 행동을 일으킬 가능성을 높일 수 있음이 밝혀진다고 해서 범죄를 저지른 인해 죄가 없는 건 아니라고 나는 생각한다. 비정상적 뇌 활동으로 인해 소아성애적 관심이 생긴다 하더라도, 그것을 실천으로 옮기기까지 무수한 결정을 내려야 하며 (오늘날 개인의 책임을 바라보는 우리의 시각을 바탕으로)그 모든 결정에는 도덕적 책임이 뒤따른다.

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이 책을 보다 보면 영화나 드라마의 소재로 등장하는 여러 사례가 나오는 것 같구나. 다중인격장애라고 부르는 해리성 정체감 장애도 그런 것 중에 하나야. 내 안의 또 다른 자아가 있는 것은 영화와 드라마의 단골소재거든. 캐런이라는 사람의 경우 17명의 인격을 가지고 있었다는구나. 계속된 치료를 통해 9년만에 하나의 인격으로 만들었다고 하니, 이런 해리성 정체감 장애를 가지고 있는 이들은 희망을 가져야겠구나. 신기한 것은 인격뿐만 아니라 신체의 증상도 다르게 나타나는 경우도 있대. 예를 들어 어떤 인격의 경우 시력이 문제가 없는데, 다른 인격이 나타나면 실명을 한다는 거야. 음.. 정말, 알면 알수록 신기하구나.

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뇌의 정신이 신체를 지배하는 사례들도 이야기를 해주었어. 뇌에서 강하게 믿으면 그것이 신체에 영향을 준다는 거야. 어떤 사람이 오진으로 암을 진단 받았대. 그런데 그 사람은 자신이 암으로 곧 죽을 것이라고 강하게 믿었고, 그는 얼마 못 가서 죽고 말았다는구나. 그런데 죽고 나서 부검을 해보니 암은커녕 죽을 만한 어떤 병도 없었대. 자신이 죽을 것이라는 믿음 때문에 결국 죽었다는 거야. 이걸 반대로 이야기하면 아무리 큰 병이 걸렸더라도 자신이 살 수 있다는 강력한 믿음만 있다면 다시 건강을 회복할 수도 있다는 거야. 이런 믿음의 치료의 가장 유명한 것은 플라세보 효과라는 것이 있단다. 플라세보 효과는 너희도 들어봤을 것 같은데,  이것은 실제 효과가 있어서 의사들은 플라세보 효과를 많이 이용을 한다는구나. 플라세보 효과와 반대로 치료에 대한 부정적인 예상을 하면 해로운 결과가 나오는 노세보 효과라는 것도 있다는구나. 이것은 우리가 반면교사로 삼아야겠구나.

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뇌에 이상이 생기면 갑자기 글을 읽지 못하게 되는 경우도 있대. 특히 뇌졸중 후유증으로 이런 경우가 가끔 나타난대. 글을 쓸 수는 있지만 읽지 못하는 실독증 증상이 나타난다는구나. 그렇게 글씨를 읽지 못하는 기능 이외에 말을 잃어버리는 실어증 증상이 나타날 수도 있다는구나.

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(191)

명칭실어증은 대뇌피질의 여러 구역에 생긴 손상에 의해 발생한다. 특히 환자가 겪는 장애에 따라 손상 구역이 조금씩 달라진다. 동사를 잘 떠올리지 못하는 환자들은 대뇌피질의 전면부 근처에 손상을 입었을 가능성이 높고 명사를 떠올리는 데 문제가 있는 환자들은 측두엽 근처에 손상을 입는 경향을 보인다. 더 세세하게 구분할 수도 있는데, 측두엽에서 어떤 영역에 손상이 생기면 사물의 이름을 떠올리지 못하고, 이와는 또 다른 영역에 손상이 발생하면 생물의 이름을 떠올리지 못하는 장애가 유발될 가능성이 높아진다.

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실율증이라는 것이 있어. 언어에 강정이 실리지 않은 채 말을 하는 거야. 마치 대충 만든 AI의 목소리라고 해야 할까. 이 증상은 우반구가 손상되었을 때 나타날 수 있다는구나. 임플란트 수술 후 말투와 억양이 이상하게 변하는 외국인 억양 증후군이라는 것도 있대.

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앞서 믿음이 병을 낫게 할 수도 있고, 더 악화시킬 수도 있다고 했잖아. 그런 믿음이 혼자가 아닌 여러 사람이 함께 믿으면서 비극적인 일이 일어난 경우도 있대. 공유정신병적 장애 또는 유발된 망상 장애라는 부르는 증상은 여러 사람들이 같이 망상적 사고를 갖는 경우라고 해. 이 경우 무엇인가 의심하는 의심회로가 비정상적으로 기능하는 것으로 보이는데 이런 경우의 최악의 경우는 존스타운의 예처럼 사이비 종교 단체로 모여 900명이 단체로 자살하는 사건도 있었다는구나.

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그밖에 뇌수막염 치료 후 유달리 생물만 알아보지 못하는 현상, 얼굴을 알아보지 못하는 안면실인증 현상도 있고, 뇌졸중 치료 후 오른손이 마치 자아가 생긴 것처럼 자기 맘대로 행동하는 외계인손 증후군도 있고 손이 커지는 느낌을 갖는 앨리스 증후군 등 다양한 증상들에 대해서도 이야기를 해주었어.

이 책을 읽다 보면, 앞서도 이야기했지만 아빠의 뇌가 그래도 정상임에 고마워야 해야 하고, 앞으로도 뇌를 잘 관리해 주어야겠구나. 피곤하면 잠도 푹 자고, 적당한 운동으로 뇌를 활성화 시키고 말이야. 너희들도 숙제 한다고 늦게 자는 경우가 있는데 너희처럼 아직 뇌가 성숙하지 못한 청소년의 경우는 악영향을 줄 수 있단다. 제발 일찍들 주무시길.

오늘은 여기까지

PS,

책의 첫 문장: 1966년, 구름 한 점 없는 무더운 8월의 어느 날이었다.

책의 끝 문장: 이러한 현실을 열린 마음으로 받아들이고 남들도 나와 같다는 사실을 인정하는 것만으로도 우리 사회 전체의 정신 건강을 개선하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다.

알렉스가 겪은 건 카그라스증후군으로, 1923년에 이 병증을 처음 기록한 프랑스의 정신과 의사 조셉 카그라스의 이름을 따 명명한 이상증이다. 환자는 배우자, 자녀, 부모, 형제 등 가까운 사람들이 저도 모르는 새 똑같이 생긴 사기꾼으로 바꿔치기 되었다고 믿는 독특한 일탈 행동을 보인다. 환자는 대개 외관이나 행동의 사소한 차이점, 혹은 환자 자신도 잘 설명하지 못하는 특정할 수 없는 특징을 들어 사기꾼과 ‘진짜’ 사이의 차이를 설명할 수 있다고 주장한다. - P36

강박 사고와 강박 행동은 인간이 얼마나 쉽게 뇌에 관한 통제력을 잃을 수 있는지 다시금 일깨워 준다. 환자들은 자신의 생각으로 인해 고통받고 있으며 짜증날 정도로 달갑지 않은 행동부터 트라우마가 될 정도로 고통스러운 행동까지 심각한 수준의 행동들을 해야 한다는 압박감에 시달린다고 호소한다. 이러한 생각과 행동은 환자 스스로 원하는 것이 아니지만 자발적으로 발생한다. 마치 악덕한 선동가가 뇌 안에 들어앉아 우리 행동을 조종하는 것과 비슷하다. 신경과학 연구가 강박장애에 관한 사실들을 밝혀내 환자들의 생각과 삶의 주도권을 되찾을 수 있게 도와줄 날이 빠른 시일 내에 왔으면 한다. - P89

투쟁-도피 반응은 공포를 느끼거나 극도의 긴장을 느낄 때 심박수가 올라가고 혈압이 상승하며, 숨이 가빠지고 동공의 확장되는 등 우리가 이미 잘 아는 신체적 변화를 일으킨다. 여기에는 이유가 있다. 즉시 행동할 수 있도록 산소가 풍부한 혈액을 근육으로 더 많이 보내고 주변 사물을 더 잘 볼 수 있도록 동공을 확장하여 도망가든 싸우든 조치를 취하게끔 우리 몸을 대비시키기 위해서다. 동시에 현재 상황에서 에너지 쏟을 필요가 없는 과정을 억제하는 역할도 한다. 방광수 수축(싸우는 중에 오줌을 지린다고 무척 안타깝지 않겠나)이나 소화 같은 것 말이다. - P148

이와는 별개로, 비처의 발견은 임상 의학계에 큰 충격을 안겼다. 이 발견은 플라세보 효과가 상상 이상으로 강력하다는 점은 물론, 약의 효능이 상당 부분 플라세보 효과에 기인한다는 점을 암시했다. 다시 말해 가짜 약을 먹고도 나아진다고 느끼는 이유가 나아질 것이라고 믿기 때문인 것처럼 진짜 약을 먹고 느끼는 효능의 일부 역시 약을 먹으면 도움이 될 것이라고 믿기 때문이라는 것이다(나머지 효능은 약의 실제 성분 덕분이다) - P169

당신의 뇌가 정상적으로 기능한다면, 축하한다. 이 순간을 소중히 여기기를 바란다. 뇌와 나머지 신체 기관이 영원히 멀쩡하지는 않을 테니 말이다. 인간의 뇌는 경이로운 유기적 기계이지만, 모든 기계가 그러하듯 언젠가는 고장 나기 마련이다. 그러니 할 수 있을 때 뇌의 모든 기능을 활용하라. 잊지 못할 추억을 만들고, 다양한 감정을 경험하고, 즐거움을 탐닉하고(절제하는 연습도 하고), 깊이 생각하고, 몸을 움직이자. 뇌가 허락하는 모든 일을 해 보자. 그냥 하지 말고 즐겁게 하자. 우리의 뇌를, 그리고 뇌가 우리에게 빌려주는 능력을 당연하게 여기지 말자. - P297

패배의 결과...

경계 - 배제된 생명들의 작은 승리 ㅣ EBS 다큐프라임 <생명, 40억년의 비밀> 3
김시준.김현우,박재용 외 지음 / Mid(엠아이디) / 2016년 9월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

아빠가 오래 전에 EBS 다큐멘터리를 책으로 엮은 <멸종>이라는 책을 읽은 적이 있어. 그 책은 다큐멘터리 <생명, 40억 년의 비밀>을 책으로 엮은 세 권 중에 한 권이었어. 그 책을 너무 재미있게 읽어서 또 다른 책이 <경계>를 구입했단다. 그 <경계>라는 책은 책장 한쪽 구석에 박혀 있다가 얼마 전에 아빠가 다른 책을 찾다가 눈에 띄었단다. 그래서 이번에 읽은 거야.

<멸종>이라는 책을 언제 읽었는지 찾아봤더니 2017년에 읽었더구나. 정말 얼마 전에 읽은 것 같은데 이렇게 오래되다니… <멸종>을 통해 지구역사 상에 있었던 다섯 번의 대멸종과 현재 진행중인 여섯 번째 대멸종에 대해 알고 충격을 받았던 기억이 있구나. <경계>라는 책은 제목을 잘 지은 것 같구나. 그냥 ‘진화’라는 제목을 지어도 될 것 같았는데, ‘경계’라는 단어를 선택했어. 여기서 경계란 서로 다른 환경의 경계를 이야기한단다. 물 속에서만 살던 생명체들이 왜 경계를 넘어 육지로 올라왔는데, 육지에 살던 생명체들이 왜 경계를 넘어 하늘로 날아왔는지에 대한 이야기란다. 결론부터 이야기하자면 그렇게 경계를 넘어선 생명체들은 어쩔 수 없는 선택이었단다. 원래 살고 있던 환경에서 경쟁에 져서 밀려나서 새로운 환경에 갈 수 밖에 없었던 거야.

1.

먼저 경계를 넘어선 식물들을 이야기를 해보자. 아주 오래 전에 대기 중에 산소가 부족하고 태양의 자외선 때문에 물 밖에서는 살 수가 없었어. 바닷속에서 개체수를 늘려가던 생명체들이 만들어낸 산소가 대기 중에 모이기 시작하면서 대기 중의 산소 농노가 늘어갔어. 그리고 산소가 성층권까지 올라가서 환원성 기체들을 만나 오존층을 만들게 되었어. 너희들도 학교에서 배운 것처럼 그 오존층은 자외선을 막아주어 물 밖에서도 생명체가 살 수 있는 기반은 만들어졌지. 하지만 굳이 바닷속을 벗어갈 이유는 없었어. 경쟁에서 밀려나지만 않았다면 말이야.

바닷속 개체수가 늘어나면서 경쟁에서 밀려난 녹조류들이 뭍으로 조금씩 올라와 살기 시작했단다. 처음에는 수심 낱은 바닷가에서 살았겠지. 그러다 점점 밀려 올라와 습지에 자리를 잡았는데, 그때 생겨난 식물들이 양치식물과 선태식물들이었단다. 폐름기말의 대멸종을 거치면서 살아남은 고사리를 식물계의 제왕이 되었단다.

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(22-23)

대엽을 무기로 고사리는 폐름기말의 대멸종을 버티며 중생대를 자신의 시대로 맞을 준비를 한다. 더불어 고사리류는 엄청난 진화방산을 해낸다. 커다란 잎으로 광합성의 생산량을 비약적으로 키운 덕분이다. 마치 영국이 산업혁명을 통한 대량생산으로 해가 지지 않는 제국을 건설한 것처럼 고사리는 고생대 말과 중생대 초의 식물계의 패권을 차지한다.

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습지에서 살아나던 식물들 중에 경쟁에서 밀려난 식물들은 또 다른 환경으로 이동하면서 다양한 식물들이 나타나면서 결국 종자식물까지 진화하게 된 것이란다.

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(43)

중생대 전반을 거쳐 확연한 지상 생태계의 중심으로 자리매김한 겉씨식물의 경우 가장 살기 좋은 곳을 자신의 터전으로 삼았을 것이고 그곳에서 안정된 삶을 살아가는데 굳이 꽃을 피울 이유가 없었을 것이다. 하지만 이들과의 경쟁에서 밀려 점점 높은 산 위로 올라간 식물이다 건조한 지역으로 이동한 식물들은 살기 위한 시간과 진화의 싸움을 벌여야 했다. 이들은 좀 더 효율적으로 번식을 해야 했고 하나의 꽃가루도 하찮게 여기지 못하는 상황이었을 것이다. 짧은 우기에, 혹은 짧은 여름에 재빠르게 번식해야 했을 것이다. 그리고 애써 수정한 씨앗이 이런 건조하고 추운 환경에서 살아남기 위해선 특별한 장치가 필요했을 것이다. 그 투쟁의 결과가 꽃이고 배젖이다.

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2.

이번에는 더 흥미진진한 동물들의 경계 이야기를 해보자. 동물들도 바닷속에서 시작했어. 캄브리아기 대폭발 때 동물군들이 다수 발생하여 다양한 종들이 번성했단다. 척추동물도 이때 시작했어. 다양한 어류들이 나타났는데 그 중에 육기어류들도 있었어. 이 육기어류들은 폐가 있어 공기호흡도 했단다. 이런 육기어류들 중에 사지형 어류들이 있는데 이들이 바다에서 경계를 넘어 땅으로 올라오게 되었단다.

육지에 오면서 목이 길어지고 척추가 튼튼해지고 갈비뼈가 발달하는 등 새로운 환경에 적응하기 위해 진화를 했어. 그들이 이렇게 땅으로 올라온 것은 고생기 데본기였단다. 그런데 이때 대양한 육상 식물들도 폭발적으로 늘었어. 식물들이 늘어나다 보니 그들의 광합성 때문에 산소 농도가 급격하게 늘고 이산화탄소가 줄어들었어. 이산화탄소가 많으면 온실 효과로 지구의 온도가 올라가잖니… 그렇다면 이산화탄소가 적다면 어떻게 될까? 온실효과가 줄어들어 지구의 온도는 급격하게 떨어졌단다. 이건 생명체들에게 치명타였어. 많은 육지의 생명체들이 멸종되고 말았단다. 뿐만 아니라 이때 조산운동도 많이 일어났는데, 이 조산운동으로 바다의 환경도 급격하게 변하면서 바다의 생명체들도 많이 멸종되었대. 이 때의 멸종을 데본기 대멸종이라고 불렀단다.

…

멸종기였지만 살아남은 종들도 분명 있단다. 그렇게 살아남은 이들은 또 경쟁을 하고 경쟁에서 지면 경계를 넘어가 새로운 환경에 적응하는 것을 반복하면서 진화했단다. 그런데 육지에 살던 육식동물 중에 먹이가 떨어져서 먹이를 찾아 다시 바다로 돌아간 동물들도 있다고 하는구나. 바다에 살고 있는 포유류 중에 대표적인 것이 고래잖니. 아빠는 고래가 처음부터 바다에 살았던 동물인줄 알았는데, 고래는 육지에서 살다가 다시 바다로 돌아간 동물들이라고 하는구나. 고래가 덩치가 크잖니. 그들이 육지에서 살 때도 덩치가 크고 덩치가 크다 보니 느렸대. 그렇다 보니 다른 육식동물에게 먹어 사냥 경쟁에서 지고 만 거야. 그래서 쉽게 먹이를 구할 수 있는 바닷가 주변에서 사냥하면서 살다가 완전히 바다로 가서 살게 된 것이란다. 바다에서 살면서 고래의 덩치는 점점 커졌는데 그 이유는 체온 때문이라고 하는구나. 포유류는 정온동물인데 온도를 유지하려면 덩치를 키워야 한다는구나.

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(130)

바다에 살기 시작한 이후 고래의 조상은 점점 덩치가 커진다. 가장 큰 이유는 체온 때문이다. 바닷물은 공기보다 체온을 빨리 뺏어간다. 체온을 보존하는 것이 바다에서 살기로 결정하는 순간 가장 중요한 일이 된다. 특히 고래는 어떠한 조건에서도 항상 일정한 체온을 유지해야 생명을 유지할 수 있는 포유동물, 즉 정온동물이었다. 몸 전체에 두꺼운 피하지방을 둘러 체온은 유지하는 것은 불가결한 선택이었고, 이로 인해 덩치가 커질 수밖에 없었다. 커진 덩치는 부피 대비 표면적을 줄여 체온이 손실을 방지해주었다. 추운 극지방에 사는 생물들이 덩치가 커진 것도 같은 이유다. 바닷속에서 사는 시간이 많은 펭귄이나 물개, 바다사자 같은 생물들도 육지의 친척들에 비해 덩치가 크고 피하지방층이 두렵다.

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그리고 그 이후 바다의 제왕으로 오랫동안 지내오다가 최근 3세기 동안 백인들의 무차별 고래잡이로 멸종 위기까지 겪게 된 것이란다. 바다소라는 동물도 있었대. 고래처럼 경쟁에서 밀려나서 바다로 갔다고 현재는 네 종만 빼고 모두 멸종했다는구나. 이들의 멸종은 먹이 부족의 원인도 있지만 무엇보다 인간들이 큰 책임을 지고 있단다. 남아 있는 네 종도 멸종 위기라고 하고 하는데, 이 책이 나온 지 십 년이 다 되어가는데 잘 버티고 있는지 모르겠구나. 그 밖에 바다에 살고 있는 포유류들, 예를 들어 물개, 바다표범 등도 육지에서 경쟁에서 밀려나 바다로 가서 진화하여 오늘날에 이른 것이란다.

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또 하나 땅 위에서 먹이 경쟁에서 진 생명체들 중에 나무 위에 있는 먹이를 먹다가 결국 날게 된 이들이 새가 된 것이란다. 처음에는 경쟁에서 져서 새로운 환경으로 밀려난 것이지만, 그 새로운 환경에 적응을 하면 더 멋진 삶을 살 수도 있다니, 전화위복이 따로 없구나.

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(168)

날개를 만들기까지의 고된 과정을 생각하면 이들이 스스로 원해서 날개를 가졌을 가능성은 없다. 드넓은 대지 위에 자신의 몸 하나 편안하게 누일 곳이 없었던 생명, 가는 잠이 들다가도 풀숲을 뒤척이는 작은 기척에 화들짝 놀라 큰 눈을 굴리며 사방을 살피던 생명, 먹이를 구하러 다니다가 천적의 냄새에 쪼르르 도망가던 생명. 이런 생명들이 나무를 타고 나무 위에서 생활하기 시작한 것이 새의 비상을 위한 첫걸음이었다.

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경쟁에서 져서 땅 속으로 도망가서 진화한 종들도 있어. 지렁이, 두더지가 대표적인데 뱀도 그런 동물이라고 하면 의아해 할 거야. 뱀의 집도 땅 속에 있지만 주로 땅 위에서 생활하며 우리를 무섭게 하잖니. 뱀도 지렁이처럼 경쟁에서 밀려나 땅 속에서 살다가 백악기 대멸종 이후 경쟁자가 줄어든 땅 위로 다시 올라와 살기 시작했다는구나.

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(237-238)

뱀이건 도마뱀이건 땅속으로 들어가야 했던 이유는 아마도 지상의 생태계에서 자신이 누리던 역할과 지위를 빼앗겼기 때문일 것이다. 벌레를 잡아먹자니 포유류의 선조들이 훨씬 더 빠르게 사냥을 해서 상대가 될 수 없었다. 다른 작은 동물을 잡아먹고 살지니 지배파충류에서 진화한 공룔 중 덩치가 비교적 작은 이들에게 밀려난다. 변온동물이라 밤에는 움직이기가 힘들고 낮에는 다른 동물과의 경쟁이 버겁다. 그래서 갈 수 밖에 없었던 곳이 바로 흙 속이었으리라 추측해 본다. 포식자를 피해 땅속으로 숨어, 흙 속을 헤매는 다른 벌레를 먹으며 살아가게 되었을 것이다.

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마지막으로 인류를 보자. 인류는 육식동물을 피해서 각박한 환경의 초원에 살 수밖에 없었어. 먹을 것도 제대로 없었어. 처음에는 다른 육식동물이 남긴 먹이를 먹었어.

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(257)

익숙한 환경과 삶에서 내몰린 모든 생명이 그러하듯 인간의 선조 역시 낯선 환경에 적응하는 것은 쉽지 않았다. 이미 나무를 타기에 적합하게 진화한 앞발로는 초원에서 사족보행을 할 수 없었다. 우리의 숲 친척인 고릴라와 침팬지 등은 손등은 땅에 대며 걷는 이른바 ‘손등걷기’를 한다. 손등걷기는 숲에서 잠시 걷는 것에는 괜찮을지 모르나 초원에서 천적들이 눈을 시퍼렇게 뜨고 있을 때 걷기에는 무리가 있었다. 나무를 타기에 적합한 손으로 오랜 기간 초원을 걷기가 힘든 일이었다.

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인류는 육식동물에 대항하기 위해 무리를 지어 같이 다니기 시작했어. 인류는 다른 동물과 달리 바뀐 생태계에 적응을 하는 것이 아니라 그 생태계를 자신들에게 맞췄단다. 음.. 개척한 거지… 그런 인류의 생태계 개척은 그곳에 적응하여 살고 있는 다른 생명체들에게는 최악이었단다. 멸종되는 거야. 그런 인류의 개척은 오늘날까지 이어져서 지금은 지구상의 연쇄살해자가 되고 말았단다.

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(267)

이런 인간의 탈출은 기존의 생태계를 배제하는 결과를 낳았다. 인간이 개척한 곳마다 기존의 생태계는 배제된다. 농경지를 일구면 그 곳에 살던 식물들이 사라지고, 식물과 함께 살던 동물과 균도 함께 사라진다. 도시를 세우면 숲이 사라지고 숲과 함께하던 동물들이 사라진다. 도로를 놓으면 도로 양쪽으로 자유롭게 오가던 동물들은 고립된다. 항구를 만들면 그 주변의 생태계가 파괴된다. 인간의 영역이 확장될수록 기존에 존재하던 지구 생태계는 줄어든다. 인간의 탈출은 이제 인간의 공습이 되었고, 한정된 지구에서 생태계는 지구상에 그 모습을 드러낸 이후 최초로 영역이 축소되기 시작한 것이다.

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지금은 제 6차 대멸종의 시대라고 하는구나. 그 전의 대멸종과 달리 이번 대멸종은 인류가 다른 생명체들을 제거하는 방식으로 진행되고 있어 더 가슴 아프구나. 이전의 대멸종보다 멸종 속도가 빠르고 생태계를 황폐화시키고 있지만, 인류는 그리 자각하지 못하는 것 같구나. 그 이전에 모든 대멸종이 최상위 포식자가 사라졌다고 하는데, 지금 지구상의 최상위 포식자는 누구? 지구의 미래는 디스토피아를 피할 수 없는 것일까. 오늘은 이만.

PS,

책의 첫 문장: 어린 시절 짧고 뭉툭한 손가락과 발가락이 콤플렉스였던 사람이었다.

책의 끝 문장: 넘을 수 없는 이 경계는 인간과 생물 모두에게 불행한 지금 이 시간에 대한 하나의 상징일 것이다.

그런데 은행나무는 생물분류상 은행문 은행목 은행과 은행속 은행종일뿐 아니라 놀랍게도 은행문에 속하는 유일한 생명이다. 그의 가까운 형제들은 2억 7천만 년 전 페름기에 처음 발견되었는데 중생대를 거쳐 번성하다가 신생대가 되자 모두 멸종해버리고 은행나무 하나만 남게 된 것이다. 신생대 이후 은행나무의 형제들은 화석으로도, 살아 있는 개체로도 보이지 않는다. - P30

딱정벌레부터 한 번 살펴보자. 곤충 중에서도 가장 많은 종수를 차지하는 딱정벌레목의 곤충은 현재 알려진 수만 35만여 종이다. 이는 곤충 전체로 봤을 때는 40%, 동물계 전체를 봤을 때 25% 가량을 차지하는 수치다. 아직 발견되지 않은 종까지 염두에 두면 약 500~800만여 종이 될 것으로 추정된다. 방아벌레, 잎벌레, 바구미, 풍뎅이, 곰보벌레, 물방개, 물진드기, 물맴이, 딱정벌레 등 다양한 곤충들이 딱정벌레목에 속한다. 두 번째로 종류가 많은 나비목에는 약 18만 종, 세 번째로 다양한 종수를 자랑하는 벌목에는 약 15만 종이 기록되어 있어 이들 셋이 종을 합치면 전체 곤충의 절대 다수를 차지하게 된다. - P59

이로써 피부는 기체 교환이라는 자신에게 주어진 가장 큰 임무를 내려놓게 되었다. 단순한 세포막이었던 시절부터 가져왔던 임무가 사라지자 피부는 외부의 자극으로부터 몸을 보호하는 역할에 더욱 매진하게 된다. 단단한 각질이 생겨 피부를 감싸기 시작했으며, 털이나 깃털이 나면서 외부의 온도변화로부터 몸 내부를 보호하는 역할도 적극적으로 하기 시작했다. 어떤 피부에는 땀샘이 만들어지면서 보다 능동적으로 외부의 온도변화에 대응했다. - P96

뱀은 몸이 가늘고 길다. 이런 몸의 형태를 유지하기 위해서 허파도 대단히 좁고 길게 진화해 왔다. 많은 종류의 뱀에서 왼쪽 폐는 퇴화되어버리기까지 했다. 땅속으로 들어가니 사지도 소용이 없었다. 뱀의 앞발과 뒷발은 조금씩 퇴화되어 줄어들다가 마침내 완전히 사라져버렸다. 네 다리가 사라지고 난 뒤 대신 긴 척추를 얻었다. 수백 개에서 많게는 천 개가 넘는 척추가 뱀들이 유연하게 움직이며, 기어 다니고, 땅속을 헤집고 다닐 수 있는 힘이다. - P234

생태계 내에 강력한 경쟁자가 생기면 경쟁에 진 생물종은 생태계의 경계까지 쫓기고 되고 그 곳에서 새로운 생태계로 자리를 옮기든가, 아니면 종 자체가 사라지는 두 가지 선택의 기로에 서게 된다. 그러나 강력한 경쟁자인 인간의 등장은 생태계의 모든 종들을 경계로 몰아붙이는 것도 모자라, 모든 생태계를 파괴해 나가며 경계를 넘어갈 수 있는 기회까지 차단해 버리고 있는 것이다. 이로 인해 생물들은 지금 엄청난 속도로 멸종해 나가고 있다. 지난 역사 속의 5대 멸종 중 가장 거대한 규모의 멸종이었던 폐름기 대멸종보다도 더 빠르게 생명종들이 사라지고 있는 것이다. 번성하는 종은 인간이 선택한 몇몇 가죽과 식물, 그리고 인간의 도시에서 살도록 진화한 특정한 생물들뿐이다. - P273

퀴즈로 쓰는 독서편지..

함수, 통계, 기하에 관한 최소한의 수학지식 ㅣ 처음 시작하는 교양 수학
EBS MATH 제작팀 지음, 염지현 글, 최수일 감수 / 가나출판사 / 2017년 1월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

오늘 이야기할 책은 <함수, 통계, 기하에 관한 최소한의 수학지식>이라는 긴 제목의 책이란다. 책 제목에서 알 수 있듯이 수학에 관한 책이란다. 책 제목부터 머리 아프다고 생각하는 사람들이 있겠지만, 이 책에는 수학에 관한 재미있는 상식들도 많이 들어 있어 재미있었단다. EBS에서 출간된 교양 서적들은 대부분 읽기 편한데, 이 책도 부담 없이 읽을 수 있었어 좋았어.

이 책은 사실 Jiny가 학교에서 이 책을 읽고 퀴즈 대회를 한다고 하길래, 궁금해서 아빠도 읽어 본 것이란다. 그리고 아빠도 이 책을 읽으면서 퀴즈를 한 번 뽑아볼까? 하면서 예상 문제를 뽑아봤단다. 아빠의 게으름으로 인해 뒷부분은 일부 문제를 뽑지 않았는데, 오늘 독서 편지는 이 책을 읽고 뽑은 문제로 대신하련다.

1.

<문제들>

1) x, y축 좌표를 처음으로 고안하여 사용한 사람은?

2) 그는 x, y축 좌표는 어떤 동물을 보고 힌트를 얻었나?

3) 그는 x, y축 좌표는 어떤 책에 처음 실었나?

4) 목성의 위성 4개를 발견한 사람은?

5) 사람이나 동물의 몸에 센서를 달아 그 움직임 정보를 컴퓨터로 인식해 영상으로 재현하는 기술을 무엇이라고 하는가?

6) 많은 초소형 카메라로 배우의 표정과 감정까지 가상 캐릭터의 표정과 감정으로 바꾸는 기술은 무엇인가?

7) MRI로 뇌 구조를 알아내는 것은 무엇인가?

8) 범죄지도를 만들어 범죄 발생 장소를 지도에 표시하여 범죄가 많은 곳에 가로등 추가 설치, 순찰차 자주 돌아서 범죄 발생을 줄인 도시는?

9) 범죄지도에 이용한 기술은 무엇인가?

10) 일종의 냄새 분자로 개미의 의사 소통 수단은 무엇인가?

11) 고대 바빌로니아 사람들의 새해의 시작은 언제인가?

12) 조선 태조 4년(1395) 달의 주기를 기준으로 다양한 정보를 담은 별자리 지도는?

13) 저녁에는 쌍둥이자리, 새벽에는 전갈자리가 별이 뜬다는 뜻의 말은 무엇인가?

14) 최초로 함수를 수학적으로 정의한 사람은?(함수를 function으로 최초로 부름)

15) y=f(x) 라는 식을 정리한 사람은 누구인가?

16) 오일러가 쾨니히스베르크의 다리를 한번에 모두 건널 수 없다고 증명할 때 이용한 개념은?

17) 2011년에 갔다가 2012년에 돌아온 화성탐사로봇 이름은?

18) 소리의 속도는?

19) 번개가 치고 천둥 소리가 4초 뒤에 들렸다면 번개가 친 곳의 거리는?

20) 농구 선수가 공이 그런 포물선은 어떤 그래프?

21) 포물선(이차함수 그래프)의 모양에 따라 최댓값과 최소값을 갖는데, 그 점을 무엇이라고 하는가?

22) 전파를 탐지하는 안테나는 무엇인가?

23) 표면이 포물선 모양인 오목렌즈를 이용해 거대한 거울을 만들어 무기로 이용한 사람?

24) 톱니가 5개, 높낮이가 5단계로 조절된 열쇠의 경우의 수는?

25) 확률의 기초가 된 주사위 게임의 법칙을 발견한 16세기 이탈리아 수학자는?

26) 조합(서로 다른 n개에서 순서를 생각하지 않고 r개를 택하는 것)이라는 개념을 공식으로 정리한 사람은?

27) 던지는 횟수가 무척 커지면 앞면이 나올 확률이 수학적 확률에 가까워진다는 법칙을 무엇이라고 하는가?

28) 근대 확률론의 창시자는 누구인가?

29) 원래는 실패할 경우를 미리미리 대비해야 한다는 뜻으로 쓰였으나, 훗날 사람들은 일이 잘 풀리지 않고 계속 꼬이는 일이 생길 때 쓰는 말(법칙)은?

30) 자신만의 이익만을 생각하다 결국 자신도 상대방도 좋지 않은 결과를 얻는 상황을 무엇이라고 하는가?

31) 크림전쟁에 참여해서 병원의 위생 상태가 나빠서 생긴 질병이 전염병으로 퍼져 죽는 경우가 많다는 사실을 깨닫게 사망한 군인들의 사망 원인을 통계로 분류하여 전염병으로 죽은 군인의 수를 크게 줄이는데 기여한 사람?

32) 인구조사가 남아 있는 가장 오래된 중국 한나라의 책은?

33) 17세기 전염병과 사망의 관계를 최초로 통계로 분석한 사람은?

34) 통계에서 줄줄이 나열된 자료를 무엇이라고 하는가?

35) 흩어져 있는 변량을 일정한 구간으로 나눠서 정리한 표?

36) 비교하려는 자료의 합계가 서로 다를 때 계급의 도수의 총합을 나누어 구하는 것을 무엇이라고 하는가?

37) 상대도수분포표의 합계는 얼마인가?

38) 자료 중에 가장 많이 나타나는 값을 대표값으로 하는 것은?

39) 각각의 흩어진 정보를 하나의 숫자로 나타낸 것은 무엇인가?

40) 어떤 문제를 알 수 있는 기초적인 지식과 논리적 추론만으로 대략적인 근사치를 추정하는 방법은 무엇인가?

41) 6명을 거치면 세상 모든 사람과 연결된다는 법칙은?

41) 기하학의 시작은 고대 어느 나라부터인가?

42) 기하학의 영어 단어 'geometry'는 그리스어로 무슨 뜻?

2.

<정답들>

1) x, y축 좌표를 처음으로 고안하여 사용한 사람은? (데카르트)

2) 그는 x, y축 좌표는 어떤 동물을 보고 힌트를 얻었나? (파리)

3) 그는 x, y축 좌표는 어떤 책에 처음 실었나? (기하학)

4) 목성의 위성 4개를 발견한 사람은? (갈릴레이)

5) 사람이나 동물의 몸에 센서를 달아 그 움직임 정보를 컴퓨터로 인식해 영상으로 재현하는 기술을 무엇이라고 하는가? (모션 캡쳐)

6) 많은 초소형 카메라로 배우의 표정과 감정까지 가상 캐릭터의 표정과 감정으로 바꾸는 기술은 무엇인가? (이모션 캡쳐)

7) MRI로 뇌 구조를 알아내는 것은 무엇인가? (뇌지도)

8) 범죄지도를 만들어 범죄 발생 장소를 지도에 표시하여 범죄가 많은 곳에 가로등 추가 설치, 순찰차 자주 돌아서 범죄 발생을 줄인 도시는? 뉴욕

9) 범죄지도에 이용한 기술은 무엇인가? (GIS(지리 정보 시스템))

10) 일종의 냄새 분자로 개미의 의사 소통 수단은 무엇인가? (페르몬)

11) 고대 바빌로니아 사람들의 새해의 시작은 언제인가? (낮과 밤의 길이가 같은 날)

12) 조선 태조 4년(1395) 달의 주기를 기준으로 다양한 정보를 담은 별자리 지도는? (천상열차분야지도)

13) 저녁에는 쌍둥이자리, 새벽에는 전갈자리가 별이 뜬다는 뜻의 말은 무엇인가? (혼정효미중)

14) 최초로 함수를 수학적으로 정의한 사람은?(함수를 function으로 최초로 부름) (라이프니츠)

15) y=f(x) 라는 식을 정리한 사람은 누구인가? (오일러)

16) 오일러가 쾨니히스베르크의 다리를 한번에 모두 건널 수 없다고 증명할 때 이용한 개념은? (한붓그리기)

17) 2011년에 갔다가 2012년에 돌아온 화성탐사로봇 이름은? (쿠리오시티)

18) 소리의 속도는? (340m/s)

19) 번개가 치고 천둥 소리가 4초 뒤에 들렸다면 번개가 친 곳의 거리는? (1360m)

20) 농구 선수가 공이 그런 포물선은 어떤 그래프? (이차함수 그래프)

21) 포물선(이차함수 그래프)의 모양에 따라 최댓값과 최소값을 갖는데, 그 점을 무엇이라고 하는가? (이차함수 그래프의 꼭짓점)

22) 전파를 탐지하는 안테나는 무엇인가? (포물선 안테나 또는 파라볼라 안테나)

23) 표면이 포물선 모양인 오목렌즈를 이용해 거대한 거울을 만들어 무기로 이용한 사람? (아르키메데스)

24) 톱니가 5개, 높낮이가 5단계로 조절된 열쇠의 경우의 수는? (5x5x5x5x5=3125개)

25) 확률의 기초가 된 주사위 게임의 법칙을 발견한 16세기 이탈리아 수학자는? (지롤라모 카르다노)

26) 조합(서로 다른 n개에서 순서를 생각하지 않고 r개를 택하는 것)이라는 개념을 공식으로 정리한 사람은? (자코브 베르누이)

27) 던지는 횟수가 무척 커지면 앞면이 나올 확률이 수학적 확률에 가까워진다는 법칙을 무엇이라고 하는가? (베르누이의 큰 수의 법칙)

28) 근대 확률론의 창시자는 누구인가? (피에르 라플라스)

29) 원래는 실패할 경우를 미리미리 대비해야 한다는 뜻으로 쓰였으나, 훗날 사람들은 일이 잘 풀리지 않고 계속 꼬이는 일이 생길 때 쓰는 말(법칙)은? (머피의 법칙)

30) 자신만의 이익만을 생각하다 결국 자신도 상대방도 좋지 않은 결과를 얻는 상황을 무엇이라고 하는가? (죄수의 딜레마)

31) 크림전쟁에 참여해서 병원의 위생 상태가 나빠서 생긴 질병이 전염병으로 퍼져 죽는 경우가 많다는 사실을 깨닫게 사망한 군인들의 사망 원인을 통계로 분류하여 전염병으로 죽은 군인의 수를 크게 줄이는데 기여한 사람? (나이팅게일)

32) 인구조사가 남아 있는 가장 오래된 중국 한나라의 책은? (한서지리지)

33) 17세기 전염병과 사망의 관계를 최초로 통계로 분석한 사람은? (존 그랜트)

34) 통계에서 줄줄이 나열된 자료를 무엇이라고 하는가? (변량)

35) 흩어져 있는 변량을 일정한 구간으로 나눠서 정리한 표? (도수분포도)

36) 비교하려는 자료의 합계가 서로 다를 때 계급의 도수의 총합을 나누어 구하는 것을 무엇이라고 하는가? (상대도수)

37) 상대도수분포표의 합계는 얼마인가? (1)

38) 자료 중에 가장 많이 나타나는 값을 대표값으로 하는 것은? (최빈값)

39) 각각의 흩어진 정보를 하나의 숫자로 나타낸 것은 무엇인가? (표준편차)

40) 어떤 문제를 알 수 있는 기초적인 지식과 논리적 추론만으로 대략적인 근사치를 추정하는 방법은 무엇인가? (페르미 추정)

41) 6명을 거치면 세상 모든 사람과 연결된다는 법칙은? (케빈 베이컨의 6단계 법칙)

41) 기하학의 시작은 고대 어느 나라부터인가? (이집트)

42) 기하학의 영어 단어 'geometry'는 그리스어로 무슨 뜻? (땅을 재는 것)

PS,

책의 첫 문장: 내비게이션은 정말 신기하고 편리한 도구예요.

책의 끝 문장: 완벽하지 않을 수 있음을 알게 된 덕분에 새로운 이론이 탄생한 거예요.

과학을 보라~

과학을 보다 - 문과생도 과알못도 재미있게 읽는 기발하고 수상한 과학책 ㅣ 과학을 보다 1
김범준 외 지음, 김지원 그림 / 알파미디어 / 2023년 11월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0. 

오늘 이야기할 책은 <과학을 보다>라는 책이란다. 얼마 전에 유튜브 채널 ‘보다”에서 과학 관련 콘텐츠를 봤는데, 쉽게 잘 설명해 주는 것 같아서, 너희들도 같이 보면 좋겠다는 생각을 했단다. 특히 Shawn은 과학 관련된 책들도 재미있게 읽으니까 말이야. 그리고 그 채널의 콘텐츠를 책으로 엮은 것도 있다는 알게 되었어. 이미 몇 년 전에 책으로 출간되었고, 최근에는 시리즈 3권까지 출간이 되었더구나. 너희들과 함께 볼 수 있는 교양과학 책이 어떤 것이 있을까, 고민하던 찰나에 이 책이 안성맞춤이라는 생각이 들어, 우선 1, 2권을 주문했단다. 그리고 1권을 먼저 읽었단다. 글씨도 큼지막하고 그림도 잘 나와 있어서 쉽게 쉽게 읽을 수 있었어. 주제도 우리가 궁금해하는 것들이더구나. 아빠가 이미 알고 있던 내용들은 복습 차원에서 다시 한번 머릿속에 새길 수 있었고, 새롭게 알게 된 내용들도 좋았단다.

이 책의 지은이는 유튜브를 같이 진행하는 물리학자 김범준 교수님, 핵물리학자 서균열 교수님, 천문학자 지웅배 교수님, 그리고 진행을 맡은 정영진 님의 공저로 되어 있단다. 진행을 맡은 정영진 님이 과학에 관련된 궁금한 것을 물어보면 관련 있는 분이 답변하는 식으로 되어 있단다. 모두 67가지의 질문이 있단다. 아무래도 유뷰트 콘텐츠를 책으로 엮은 것이다 보니, 최근에 관심이 높은 과학 관련 내용으로 구성되어 있었어. 제임스 웹 우주망원경에 대한 질문도 있고, 영화 <테넷>에서 등장한 인버전이라는 기술에 대한 질문도 있고, AI에 관련된 질문 등 시의성을 띠는 이야기들이 있단다. 그리고 우주의 역사, 원자폭탄에 관한 이야기, 과학자들의 머릿속 등 궁금증으로 유발하는 질문들도 있었단다. 다양한 주제에, 쉬운 답변으로 너희들도 읽으면 좋겠다는 생각이 많이 들었어.

1.

아빠는 이 책에서 알게 된 몇 가지 사실만 전달해볼게. 너희도 학교에서 대기권이라는 것을 배우는데, 어디까지 대기권이냐고 물어본다면 지구의 중력이 미치는 데까지 대기권이라고 할 거야. 그런데 중력이라는 것이 불연속적인 것도 아니고, 거리의 제곱에 반비례하는데, 지구의 중력이 미치는 곳을 칼로 딱 자를 수가 없잖니. 그래서 이것을 두고 과거에도 과학자들 사이에 논쟁이 있었대. 결론은 편한 숫자인 100km로 결정했다는구나. 싱겁지만 나쁘지 않은 결정 같아. 그 경계면의 이름은 ‘카르만 라인’이라고 하는데, 아빠도 처음 들어봤단다.

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(36-37)

이 문제와 관련해 과거에 치열한 논쟁이 벌어진 적이 있습니다. 왜냐하면, 지구의 대기권은 정확하게 구분되는 경계면이 있는 것이 아니라 차츰차츰 대기의 밀도가 옅어질 뿐이니까요. 그래서 이 밀도의 변화에 따라 고도를 정해야 한다는 의견도 있었습니다. 현재 우리가 사용하는 대표적인 고도 100km 경계선인 ‘카르만 라인(Karman Line)’입니다. 그런데 왜 하필 100km로 정했을까요? 그 이유가 일반인에게는 의외라고 여겨질 수 있는데요, 그냥 100이 딱 떨어지는 편한 숫자라는 것이 이유였기 때문입니다.

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…

바다의 밀물과 썰물이 달과 지구 사이의 중력 때문에 일어난다는 것을 너희들도 학교에서 배운 적 있지? 그런데, 달이 1년에 3.8cm씩 멀어지고 있다고 하는구나. 새롭게 알게 된 사실.. 1년에 3.8cm라면 긴 거리는 아니지만, 100년이면 3m 인데 괜찮은 것인가?

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(85)

달은 1년마다 대략 3.8cm씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 그 원인이 재미있게도 지구에 있는 바다 때문입니다. 달은 거대한 중력으로 바닷물을 끌어당깁니다. 달이 가까워서 바닷물을 많이 끌어당기면 썰물이 되고 해변이 넓게 드러나죠. 반대로 달이 지구에서 멀어지면 중력이 약해져 바다가 평평해지면서 밀물이 되고 해변 끝까지 바닷물이 차오릅니다. 그 속도가 무시하지 못할 수준이어서 우리나라 서해안에서는 뻘에 있던 사람들이 미처 빠져나오지 못해 목숨을 잃기도 합니다.

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….

지구 환경이 점점 어려워지면서, 대체 지구로 화성을 사람이 살 수 있는 환경으로 바꾼다는 SF 소설이나 영화 등이 있단다. 그런데 있잖니… 화성을 사람이 살 수 있는 곳으로 바꾸는 게 쉽겠니. 지구 사람들이 다같이 노력하여 지구를 잘 보호하고 사랑하는 것이 쉽겠니.

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(107)

외계 행성을 지구화해서 인간이 살 수 있는 환경으로 바꾸는 걸 ‘테러포밍(Terraforming)’이라고 부르는데요. 일론 머스크처럼 핵폭탄을 이용하겠다는 것 말고도 이런저런 아이디어가 있긴 합니다. 화성의 우주 궤도에 어마어마한 반사경을 올려 인간이 거주할 지역에만 햇빛을 집중적으로 쏜다거나 화성에 탄소가스를 내뿜는 공장을 대량으로 지어 온실 효과를 만들자는 이야기도 있습니다. 하지만 이 모든 게 지금 현재 과학 기술로는 많은 한계가 있는 주장입니다. 가장 중요한 건 이런 아이디어들을 실제 추진하는 데 필요한 예산을 생각하면, 현재 지구가 직면한 심각한 환경 문제를 해결하고도 남는다는 사실입니다. 지금부터라도 우리 각자가 환경을 보호하고 지구를 더 사랑한다면 굳이 화성에까지 갈 필요가 있을까요?

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…

오늘은 이 정도로 마칠게. 이 책은 앞서도 이야기한 것처럼 책 내용이 쉽고 알차서 너희들도 한번 읽어보면 좋겠더구나. 재미있는 과학 상식을 쌓는 기회도 되고 말이야. 그럼, 오늘은 이만.

PS,

책의 첫 문장: 우주는 무한하다고 하는데 사실 끝이 없는 공간이라는 개념이 잘 이해가 가지 않습니다.

책의 끝 문장: 무속과 같은 민간 신앙은 그 자체로 문화로서는 존중할 필요가 있지만 과학적 근거가 있다고는 생각하지 않습니다.

인류의 진화 과정을 추론해봐도 왜 부정적 사건을 더 강하게 기억하는지를 알 수 있습니다. 원시 인류가 새로운 거주지에서 식용 가능한 식물을 찾는 과정을 떠올려봅시다. 낯선 열매들을 살펴보다가 먹어도 될 것 같은 외관을 가진 열매 하나를 따서 살짝 맛을 봅니다. 운 좋게도 달콤한 맛이 느껴집니다. 그러면 그다음에도 따 먹을 수 있게 기억해둡니다. 그러다가 다른 열매의 맛을 봤는데 이번에는 쓴맛이 나며 혀가 얼얼해지고 복통에 시달립니다. 이번에도 다음번에 실수하지 않기 위해 기억에 남겨둡니다. 생존을 위해 어떤 기억을 더 오래 남겨둬야 할까요? - P140

물리학자 중에 암흑물질을 연구하는 리사 랜들이라는 유명한 분이 있습니다. 이 물리학자가 <주기적 운석 충돌의 방아쇠로서 암흑물질>이라는 흥미로운 논문을 발표한 적이 있습니다. 리사 랜들은 원반 형태의 우리 은하 근처에 거대한 암흑물질이 이중 원반을 형성하고 있다고 주장합니다. 사실 우리 은하의 태양계를 포함한 모든 별은 수평으로만 원을 그리는 것이 아니라 마치 회전목마처럼 위아래로 진동하면서 돌고 있거든요. 그런데 이렇게 한 번의 진동이 완성되는 데 총 주기가 6,000만 년입니다. 그러니까 딱 3,000만 년마다 위로 한 번 지나가고 아래로 한 번 지나가고 하는 거예요. - P208

핵융합은 다릅니다. 만약 인류가 핵융합 반응을 안정적인 환경에서 지속적으로 관리할 수 있다면, 음 어떻게 표현해야 할까요? 말 그대로 그리스 신화의 프로메테우스가 인류에게 최초로 불을 건네준 이후, 최대의 사건이 되겠죠. 핵융합의 원료인 중수소와 삼중수소는 우주에서 가장 흔한 물질로서 고갈될 염려가 없고 핵분열과 달리 부산되는 방사성물질이 적어 훨씬 안전합니다. 거의 비용이 들지 않는 영구적인 에너지원이 되겠죠. 이렇게 인류의 모든 에너지 문제가 해결된다고 상상해보세요. 도대체 어떤 미래가 펼쳐질지 저는 짐작이 잘 가지 않을 정도네요. - P259

수식없는 양자물리도 어렵다

수식 없이 술술 양자물리
쥘리앙 보브로프 지음, 김희라 옮김, 이재일 감수 / 북스힐 / 2023년 4월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

오늘 이야기할 책은 쥘리앙 보브로프라는 사람이 쓴 <수식 없이 술술 양자물리>란다. 오랜 만에 양자역학 책을 읽는 것 같구나. 양자역학이라고 하면 어렵다는 선입견이 있는데, 어려운 것은 맞단다. 그런데, 이 책의 앞표지와 제목을 보면 그 어려운 양자역학을 쉽게 설명되어 있을 것 같은 착각이 든단다. 양자역학은 아빠가 관심 있어 하는 분야이고 중복되는 내용이 있어도 양자역학에 관한 책들을 가끔씩 읽는 것이 좋단다. 복습한다는 생각도 있고, 새로운 지식을 만난다는 생각도 있고, 무엇보다 기억력이 좋지 않은 아빠는 같은 내용이라도 주기적으로 읽어주어야 사라지는 기억력을 그나마 유지할 수 있게 된단다.

<수식 없이 술술 양자물리>라는 책은 몇 달 전부터 봐두던 책이란다. 이 책의 지은이 쥘리앙 보브로프는 프랑스의 대학 교수이고, 과학의 대중화에 노력하는 사람이라고 하는구나. 그래서 이 책도 양자역학을 일반 사람들에게 쉽게 설명해주려고 기획한 책이란다. 수식도 없이 말이야.. 그러나 책 제목처럼 ‘술술’ 넘어갈 양자역학이 아니지…

1.

아빠도 양자역학에 관한 책을 좀 읽었더니, 이 책의 많은 부분을 이전 책에서 본 내용들이 많았고, 지은이가 어떤 이야기를 꺼낼 때 왜 그런 이야기를 꺼냈는지 알겠더구나. 빛의 정체를 알아내려고 노력한 많은 과학자들이 빛이라는 것은 파동과 입자의 성격을 모두 가지고 있다는 것으로 결론을 내고 무척 놀랐을 거야. 파동과 입자라는 것은 그 성질로 보아 공존할 수 없다고 생각했거든… 빛도 그리 놀랬는데, 전자라는 물질이 그렇다면… 실험을 해보면 전자라는 입자도 파동처럼 움직이는 확인했을 때, 보면서도 믿을 수 없었을 거야.

파동이면서 입자.. 이것이 양자역학의 핵심이자 전부라고 아빠는 이해하고 있단다. 그렇다면 작은 입자 말고 큰 입자들은? 큰 입자들도 마찬가지라는 거야. 아빠가 이해한 바를 다시 이야기해보면… 모든 입자의 위치는 정확하게 정해져 있는 것이 아니야. 어떤 입자가 그 위치에 있는 것은 그 위치에 있을 확률이 높기 때문이라는 거야. 그리고 누군가 그 입자를 관찰하려고 하면 파동의 성질은 사라지고, 확률 높은 곳에 입자로 보이게 되는 것이지…

큰 물질들은 무엇인가에 의해 관찰되기 쉬워지고, 그로 인해 가장 확률적으로 가장 높은 위치에 있게 되는 거야. 파동의 성질을 실험적으로 확인한 가장 큰 입자는 어떤 것인가? 전자 알갱이에서 시작한 이후로 많은 과학자들이 더 큰 알갱이를 가지고 이중슬릿실험을 하여 파동의 성질을 찾아 보았다고 하는구나. ChatGPT에 물어보니 2000개 이상의 원자로 된 분자에서도 확인을 했다는구나. 정말 대단하지 않니? 우리 같은 사람도 어차피 원자와 분자로 이루어져 있기 때문에 이론적으로 가능한 거야. 그래서 그런 것을 확장하여 관련된 SF 소설도 있고 어벤져스 같은 영화도 있는 것이란다.

…

이 책에는 양자역학 하면 꼭 나오는 파동함수에 관한 이야기, 결 잃음에 관한 이야기, 그 유명한 코펜하겐 해석에 관한 이야기, 다세계(다중우주) 해석에 관한 이야기, 양자 얽힘에 관한 이야기도 실려 있단다. 이런 이야기들은 아빠가 이전에 다른 책에서도 이야기한 적이 있어서 오늘은 패스할게.

2.

양자역학을 읽다 보면 스핀이라는 용어가 나온단다. 스핀은 양자역학에서 입자의 고유한 각운동량으로 회전하는 것처럼 보여서 스핀(spin)이라고 불린단다. 스핀은 up, down 두 방향 상태를 가지고 있단다. 대부분의 물질을 이루는 up과 down은 거의 50대50으로 비슷하단다. 예전에 읽은 <쿼런틴>이라는 SF 소설에서 스핀의 방향을 하나씩 일일이 세던 사람이 생각나는구나. 스핀에 대해 자세히 이야기해주고 싶지만, 아빠가 제대로 이해하지 못해 잘못된 지식 전달의 우려로 하지 말아야겠다. 단지 전자 알갱이 하는 1/2 스핀이라는 점, 스핀 한 개는 2개 입자를 구성할 수 있다는 점, 스핀의 개수가 정수인 물질을 보손이라고 하는 점, 스핀의 개수가 정수가 아닌 물질은 페르미온이라는 점 정도만 이야기해야겠구나.

표준모형 입자 중에서 보손의 예로는 광자, 글루온, W보손, Z보손, 힉스 입자, 폰론 등이 스핀 1개로 보손이고, 페르미온의 예로는 전자, 양성자, 중성자, 쿼크, 중성미가가 각각 1/2스핀 한 개로 이루어져 있어 페르미온이 된단다. 수소 알갱이 한 개는 양성자 1개, 전자 1개로 이루어져 있으니 1/2스핀 더하기 1/2스핀 하면 1개 스핀이 되어 정수의 스핀이기 때문에 보손이 되는 것이란다. 만일 너희들을 이루고 있는 원자의 구성과 개수를 모두 안다면 너희들이 보손인지 페르미온인지도 알 수 있게 되는 거야.

….

최근 양자 컴퓨터 관련 주식이 뜨거운 것 같구나. AI 다음은 양자 컴퓨터라면서 주식이 하늘 높이 치솟다가도 양자 컴퓨터는 아직 멀었다는 전문가의 이야기가 나오면 다시 아래로 치박기도 한단다. 컴퓨터의 기본 단위 bit는 한 개로 0, 1 이렇게 두 가지 정보를 알려주지만 양자컴퓨터의 기본 단위 큐비트는 양자의 중첩과 얽힘으로 더 많은 정보를 알려줄 수 있다고 했어. 전에도 한번 읽은 적이 있지만, 잘 이해가 안 가서 패스. 나중에 유튜브에서 쉽게 설명한 것이 있는지 찾아봐야겠다. 책에 큐비트에 대한 설명이 있는데, 너희들도 한번 읽어보렴.

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(238)

양자 컴퓨터에 대해 어떻게 생각하는가? 겉보기에는 고전적 컴퓨터처럼 비트와 논리 게이트를 가진 회로 같다. 그런데 더 깊이 생각해보면 각각의 비트는 단순한 0이나 1이 아니고 둘의 중첩 상태로 나타난다. 각각의 양자비트, 즉 ‘큐비트(qubit)’는 8장에서 언급한 것처럼 동시에 두 상태에 놓인다. 중요한 것은 스핀의 두 방향, 원자의 두 에너지, 광자의 두 분극이다. 핵심은 두 가지 상태의 중첩을 얻어내는 것이다.

고전적 컴퓨터와의 두 번째 큰 차이점은 ‘큐비트’가 서로 독립적이지 않다는 것이다. 이것들은 얽혀 있고 서로 복잡하게 섞여 있어 큐비트 하나에 영향을 주면 즉시 다른 모든 큐비트에 영향을 미친다. 요컨대 개별적인 0과 1 대신 우리가 접하게 될 것은 0과 1의 조합이 중첩되면서 동시에 얽혀 있는 상태다. 영원히 결속된 집단이 있는데 그 구성원들이 서로 팔짱을 끼고 있어 나중에는 서로 구별할 수 없을 정도가 되는 상황을 상상해보자. 거기에 이 개인들 각자가 남자인 동시에 여자라는 점을 추가해보라! 이것은 바로 양자 컴퓨터가 시작된 토대다.

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양자 컴퓨터의 사양 분야는 어디가 적합할까? 이 책의 지은이는 분자 시뮬레이션이라는 곳에 활용하면 좋겠다고 하는구나.

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(267-268)

양자 컴퓨터의 수많은 잠재적 사용 분야 중 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 것은 분자 시뮬레이션일 것이다. 우리는 이미 비료를 다른 방식으로 생산할 수 있음을 살펴보았다. 이 슈퍼컴퓨터는 더 저렴한 또 다른 화학반응을 개발하는 데도 큰 도움을 줄 것이며, 그 결과 화학공업의 새로운 촉진제가 발견될 것이다. 또 이 컴퓨터를 이용하면 이산화탄소를 고정하거나 광화학 반응을 촉진하는 과정을 연구할 수 있으며, 신약을 위한 분자를 고안하거나 몇 가지 암 치료에 핵심 역할을 하는 단백질 접힘 같은 메커니즘을 시뮬레이션할 수 있을 것이다. 그리고 더 효율적인 배터리 개발을 위한 인공 소재 발견에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

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아빠가 양자컴퓨터의 원리를 제대로 이해한 것은 아니지만, 아빠의 생각에 양자컴퓨터가 상용화까지는 많은 시간이 걸릴 것 같구나. 알고리즘이 너무 복잡하고, 아직은 오류율이 높아서 이것을 해결해야 한다고 해. 오류율을 30퍼센트에서 1퍼센트까지 줄이긴 했는데 여전히 높은 것은 마찬가지니까 말이야. 하지만 양자컴퓨터만 상용화된다면, 적은 비트로 많은 정보를 알려줄 수 있기 때문에 전력에 많은 도움을 줄 수 있다고 했어. 언젠가 양자컴퓨터가 상용화되어 전력을 확 줄여서 지구온난화를 더디 가게 하는데 도움이 되었으면 좋겠구나.

오늘은 여기까지.

PS,

책의 첫 문장: ‘왜 양자물리학을 이해해야 할까?’

책의 끝 문장: 또한 이 학문을 탐구하는 이들의 깊은 내면으로 빠져드는 일이고, 120년 전에 이미 시작되었으나 이제 막 출발한 탐험이다.

이제 당신은 어떤 홀에 있고 오케스트라는 첫 번째 화음을 연주한다. 악기들로부터 음악이 솟아나 홀 전체로 퍼져나가지만 확률적으로만 그렇다. 게다가 넓은 홀 안의 침묵은 완벽하고 아무 소리도 들리지 않는다. 파동은 침묵 속에 퍼져나가고, 그때 갑자기 파동이 한 점으로 축소되어 청중 한 명의 귀에 닿는다. 나머지 청중은 아무것도 듣지 못한다. 그다음 음이 두 번째 청중이 각자 단편적으로 들었던 것을 서로 주고받아야지만 그날 밤 연주된 교향곡을 재현해낼 수 있을 것이다. - P40

2018년 11월 16일 베르사유 컨벤션센터에서 전 세계 물리학자들은 역사적 결의안을 표결에 부칠 준비를 했다. 그것은 국제단위계의 변화였다. 참가자들은 열기가 넘쳤다. 각국 대표는 자기 차례에 일어나서 구두로 ‘예스(Yes)’를 외치며 자국 표지판을 들었다. 우루과이 대표가 마지막으로 ‘예스’를 외치자 모든 과학자가 일어나 진심으로 박수갈채를 보냈다. 이들은 만장일치로 킬로그램에 대한 새로운 정의를 결의했다. - P76

그런데 불확정성 원리를 적용하면 열역학은 심지어 절대 영도에서도 원자들이 계속해서 조금씩 움직일 거라고 예상한다. 원자들은 ‘영점 에너지(zero point energy)’를 가진다. 구체적이며 놀라운 결과로 절대 얼지 않는 액체 헬륨이 존재한다. 심지어 절대 영도에 대해 근접한 온도에서 불확정성 원리에 의해 생기를 얻은 조그만 움직임으로도 이 액체의 원자를 요동시키기에 충분하며, 결과적으로 원자들이 고체를 이루지 못하도록 막는다. 다른 액체는 모두 얼지만 헬륨 원자들은 상호작용이 극도로 적어 쉽게 불안정한 상태가 된다. - P86

게다가 양자물리학 논문에서 여러 해석 중 어떤 것을 언급하는 경우는 극히 머물다. 연구자 대부분이 취하는 입장은 데이비드 머민의 이 말로 잘 요약된다. "입 다물고 계산하라!" 과학의 역할에는 의문을 제기하는 것도 있다며 이들에게 반박하는 사람도 있을 것이다. 하지만 과학의 목표는 무엇보다 사물이 ‘어떻게’ 작동하는지 설명하는 것이지 반드시 ‘왜’를 설명할 필요는 없다. - P134

애초에 원자를 이해하려고 연구된 양자물리학은 입자물리학을 탄생시켰다. 이 학문은 소재의 세계와 IT 세계를 탐험했다. 마침내 입자물리학은 화학에 관한 새로운 관점을 제공했다. 흔히 물리학자들은 거만한 눈으로 동료 화학자들을 대한다. 아마도 이것은 두 학문의 역사적 기원에서 비롯되었을 것이다. 물리학은 갈릴레이, 뉴턴과 함께 탄생했고 이들은 세계에 대해 수학적이고 합리적인 관점을 제시했지만, 화학은 연금술사 덕분에 여러 의식으로 가득한 마법 세계에서 첫발을 떼었다. 양자물리학이 탄생한 이후 카드 패는 다시 섞였다. 화학과 물리학은 하나의 동일한 학문이 되었다. 물리학자들은 이 점을 유념해야 할 것이다. - P189

그런데 저항이 완전히 0이라고 하거나 저항이 너무 약해서 측정될 수 없다고 할 수 있을까? 이 점을 알아보기 위해 건전지를 제거해보자. 초전도체가 아닌 구리에서는 전류가 즉시 멈춘다. 전자들은 끊임없는 충격 때문에 계속해서 움직일 수 없다. 하지만 초전도체 고리에서는 전류가 계속해서 완벽히 흐른다. 한 시간 후에도 전자는 지친 기색을 전혀 보이지 않는다. 다음 날이 되어도 전류는 여전히 그대로다. - P217