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헬로, 사이언스 - 내일의 과학자를 위한 아름다운 과학 시간 ㅣ 10월의 하늘 시리즈 3
정재승 외 지음 / 청어람미디어 / 2014년 10월
평점 : 
매년 10월 마지막 주 토요일 현역 과학자들이 과학자가 될 청소년을 직접 찾아 과학의 즐거움을 나눈다는 뜻에서 갖게 된 10월의 하늘 특강 세 번째 책인 '헬로, 사이언스'는 정재승, 김상욱, 이정모 등을 포함한 열 다섯 명의 과학자들이 과학자들의 상상연구소, 과학자들의 서재, 과학자들의 카페, 과학 해부실험실, 과학 야외실습실 등의 큰 주제 아래에 마음, 신의 입자, 슈뢰딩거의 고양이, 빅데이터, 과학과 예술, 생명과학, 기억, 우주 등에 대해 논한 책이다.
정재승은 꼭 과학자가 되지 않더라도, 그리고 무슨 일을 하더라도 결국 그것은 사람을 위한 일일 거라 생각한다고 말한다. 중요한 것은 사람의 마음을 잘 이해하는 것이다. 마음을 이해하기 위해 필요한 것은 결국 뇌를 이해하는 것이니 뇌 연구가 필요하다는 말을 할 수 있다.
이식은 '슈퍼컴퓨터가 나가신다!'는 글에서 미시적 관점에서는 고체, 액체, 기체 모두 원자로 이루어져 있는데 원자가 수천에서 수십만 개 존재하는 고분자나 생체 분자의 경우는 고전역학(뉴턴 역학)으로 연구하지만 원자의 개수가 적은 시스템의 경우 좀 더 정확한 양자역학적인 방법이 필요하고 입자들이 아주 빠르게 움직이거나 무게가 무거운 원자의 경우에는 상대성 이론까지 고려해야 하기에 수식이 훨씬 더 복잡해지기에 더 큰 컴퓨터(슈퍼 컴퓨터)가 필요하다고 말한다.(33 페이지)
슈퍼 컴퓨터는 일반 컴퓨터에 비해 계산 속도가 비교할 수 없을 만큼 빠르고 저장 공간(메모리, 하드디스크)의 용량도 훨씬 크다.(25 페이지) 전응진은 '드디어 나타난 신의 입자'란 글에서 힉스 입자를 신의 입자로 부르는 것이 적절해 보이지 않기도 하지만 입자 물리의 세계에서 힉스 입자가 맡고 있는 특수한 역할을 생각하면 결코 나쁘지 않은 문학적 조어라 생각된다고 말한다.(42 페이지)
힉스 입자의 존재가 예견된 것은 1964년이다. 새로운 입자에 이름을 붙일 때는 가장 먼저 발견, 예측한 사람의 이름을 따르는 것이 통례인데 힉스 입자란 이름이 붙은 것은 40대에 교통사고로 요절한, 한국인 물리학자 이휘소(Benjamin Whisoh Lee; 1935 - 1977)의 실수 때문이다. 힉스의 논문이 가장 먼저 발표된 것으로 오인해 힉스 입자라는 표현을 처음 사용한 사람이 이휘소이다.
정식 명칭은 BEH(브라우트 - 앙글레르 - 힉스) 입자이다. 신의 입자가 모습을 드러낸 무대는 CERN(유럽 공동 실험 무대)이다. 이 곳에서 인류 최대의 실험 장치인 거대 강입자 가속기(LHC; large hardron collider)가 건설되었다. LHC는 양성자 두 개를 빛에 가까운 속도로 가속, 충돌시켜 아직까지 도달해보지 못한 높은 에너지 상태에서 나타날 수 있는 새로운 현상을 관찰하려는 실험 장치이다.(47 페이지)
CERN은 인터넷의 대명사인 www의 탄생지이다. CERN은 1995년 반양성자와 반전자를 결합해 반수소 원자를 최초로 만들었다. 이로써 반물질 폭탄의 과학적 근거가 마련된 것이다.(46 페이지) 슈뢰딩거 방정식은 입자의 파동적 성질을 나타내는 방정식으로 양의 전하를 가진 무거운 원자핵이 만들어낸 전기장 속에서 (빛의 속도에 비해) 아주 느린 속도로 움직이는 전자의 운동을 기술하는 방정식이다.
시간과 공간이 특수한 관계로 연결되어 있는 아인슈타인의 상대성이론과는 동떨어진 비상대론적 방정식이다.(52, 53 페이지) 전자와 반전자가 만나 소멸(pair annihilation)하여 빛이 된다면 빛 에너지로부터 질량을 가진 전자와 반전자를 만들 수 있을까?(55 페이지) 그렇다. 이를 쌍소멸, 쌍생성(pair production)이라 한다. 이를 완벽하게 설명하기 위해서는 디락 방정식만으로는 불충분하고 양자장론이 필요하다.
양자장론이라는 언어로 자연계의 세 가지 기본적인 힘인 전자기력, 약력, 강력에 대해 기술한 것을 게이지이론이라 한다.(56 페이지) 게이지 대칭성의 원리에 따라 구성된 이론이다. 전자와 반전자, 광자의 상호작용을 기술하는 양자장론 방정식 속에 게이지 대칭성이 존재한다는 사실은 1940년대에 널리 알려졌다. 게이지 대칭성의 주요 결론 중 하나는 광자는 질량을 가질 수 없다는 점이다.
대칭성이 깨진 진공상태를 만들어주기 위해 가상으로 설정한 것이 힉스입자이다.(58 페이지) 디락이 문을 열어 놓았던 상대론적 양자역학의 세계는 게이지 대칭성과 그 자발적 깨짐의 원리에 따라 강력, 전자기력, 약력이 지배하는 기본 입자의 현상을 완벽하게 기술하는 표준모형의 완성으로 마무리되었다.(59 페이지)
김상욱은 뛰어난 물리학자라면 우리 주변의 모든 것을 무언가의 운동으로 설명할 수 있다고 말한다.(68 페이지) 운동 즉 움직이는 것은 공간에서 위치가 변하는 것을 말한다.(69 페이지) 시간의 함수로 위치를 나타내면 운동이 완벽하게 기술된다. 어느 주어진 순간 모든 것의 위치와 속도를 알면 우주는 스스로 굴러간다.
자연의 법칙은 속도가 일정한 운동은 자연스럽다는 말로 설명 가능하다. 관성의 법칙이다. 속도가 변하는 것은 자연스럽지 않다. 두 개의 구멍이 뚫린 벽에 전자를 날려보내는 실험을 하면 두 개의 줄이 아니라 여러 개의 줄이 생긴다. 전자가 두 개의 구멍을 동시에 지난다고 해야 한다.
파동은 두 개의 구멍을 동시에 지나는데 각 구멍을 지나온 파동들이 다시 퍼지며 서로 겹친다. 그래서 복잡한 간섭무늬를 만드는 것이다. 전자가 간섭무늬를 만들었다면 무언가와 간섭을 해야 한다. 물리학자들은 고민 끝에 전자는 두 개의 구멍을 동시에 지나갔다는 결론을 내렸다. 실제 전자가 두 구멍을 지나는지 확인(관측)하면 하나의 구멍만을 지난다.
물론 이 때 스크린을 보면 두 개의 줄이 나타난다. 입자처럼 행동한 것이다. 관측하지 않으면 스크린에 복잡한 간섭무늬가 나타난다. 쳐다 보면 두 개의 줄이 나타난다.(입자처럼 행동), 안 보면 여러 개의 줄이 나타난다.(파동처럼 행동) 두 개의 구멍 실험에서 전자는 두 구멍을 파동처럼 지나가는데 스크린에 부딪힐 때는 입자가 된다. 그래서 스크린에는 수많은 점이 찍히는 것이다.
이 점들의 패턴이 여러 개의 줄무늬를 만드는 것이다. 전자가 동시에 두 개의 구멍을 지난다는 말은 어느 구멍을 지나는지 모른다는 것이다. 어느 구멍을 지나는지는 확률적으로 정해진다.(고전역학의 결정론 포기) 이에 대해 아인슈타인은 신은 주사위 놀이를 하지 않는다는 말을 했다.(76 페이지)
유석재는 '과학과 예술, 만나다'에서 과학과 예술, 과학자의 예술가의 공통점을 논한다. 필자에 의하면 과학자들과 예술가들이 공유하는 가장 중요한 재능은 상상력이다. 전통적 시각으로부터 자유로운 것이 필요하다. 예술가들이 자신만의 스타일을 가지고 있듯 과학자들도 상상력을 펼치는 자신만의 스타일이 있다. 열 명의 시인이 같은 풍경을 보고 시를 쓸 경우 서로 다른 시를 쓴다면 열 명의 과학자는 같은 주제를 연구해 같은 결과를 내놓겠지만 결과를 내놓는 방법은 다 다를 것이다.(141 페이지)
스페인의 화가 호안 미로는 작업을 할 때 처음에는 자유롭지만 두 번째 단계는 신중하게 계산한다는 말을 했다.(142, 143 페이지) 과학자들과 예술가들은 전혀 다른 분야에서 전혀 다른 도구를 가지고 일하지만 그들은 이제까지 세상에 없던 새로운 것을 위해 자유로운 상상력을 이용해 창조성을 발휘하는 공통점을 가지고 있다.(148 페이지)
전자음악가로 활동하는 박승순은 '음악가가 바라본 우주'에서 우주는 늘 자신의 마음 속에 자리하고 있다고 말한다. 과학자와 예술가를 비교하는 필자에 의하면 한 가지 답을 증명하기 위해 객관적 사실과 현상 등을 분석하는 것은 수렴적 사고(convergent thinking)이다. 과학자의 사고 방법이다.
반면 한 가지의 답을 정하지 않고 다양하고 새로운 생각들을 제시하는 것은 발산적 사고(divergent thinking)이다. 대부분의 예술가들의 사고 방법이다. 이 두 유형의 사고 방법을 자유롭게 넘나드는 것이 창의적 사고(creative thinking)이다. 필자는 우주는 생명의 음악을 기술하는 악보라는 칼 세이건의 말을 인용한다.
필자는 들뢰즈가 '천의 고원'에서 언급한 어린아이가 어둠 속에서 노래를 부르며 안정을 취하려는 노력 자체를 코스모스가 아닐까, 말한다.(158 페이지) 필자는 음악이 바로 미지의 우주를 사람의 감각으로 탐사하는 또 하나의 방법이며 결국 우주를 탐구하는 것이 곧 예술이자 과학이라고 생각한다고 말한다.(160 페이지)
송영한은 '생명과학으로의 초대'에서 모든 학문이 그렇겠지만 생명과학도 왜라는 질문에서 시작한다고 말한다. 하지만 아무 것도 모르는 상태에서는 질문도 할 수 없다. 무언가 알고 있는데 더 관찰하고 공부하다 보니 또 다른 질문이 생기는 것이다.(167 페이지) 최유정은 '이산화탄소가 바다에 일으키는 문제'에서 바다가 대기 중에 늘어난 이산화탄소를 흡수하는 역할을 한다고 말한다.(180 페이지)
하지만 바다는 그렇게 많은 이산화탄소를 흡수하지 못한다. 이산화탄소 때문에 수소이온농도인 ph가 떨어지는 것이 해양산성화(Ocean Acidification)이다. ph는 용액의 성질 중 산성과 염기성을 나누는 기준이다. ph가 높으면 염기성, 낮으면 산성이다. 0에서 14까지 중 중간 값인 7을 기준으로 낮으면 산성, 높으면 염기성이다.
바닷물은 ph가 약 8.2로 염기성이었는데 지금은 8.1로 떨어졌다.(182 페이지) 해양학자들은 2100년에는 바닷물의 ph가 7.8에서 7.9까지 떨어질 것이라 예측한다. ph가 0.3 떨어진다는 것은 바닷물의 산성도가 100에서 150퍼센트 증가한다는 의미이다. 바닷물의 산성화란 말은 바닷물이 산성이라는 의미가 아니라 ph가 낮아졌다는 말이다. 육지 생물이든 해양 생물이든 ph의 작은 변화에도 민감할 수 밖에 없다.
이서울은 '기억과 학습은 어떻게 이루어질까?'에서 우리 몸의 컨트롤 타워인 신경계에 대해 설명한다. 중추신경계는 뇌와 척수(spinal cord), 말초신경계는 체성신경계(somatic nervous system)와 자율신경계(automatic netvous system)로 이루어져 있다.(193 페이지)
'우주의 크기를 느껴보자'란 글을 쓴 김형진은 한국 최초의 우주인 선발에 지원했다가 정밀신체검사에서 아깝게 떨어진 과학자이다. 현재 서울대 과학교육과 박사 과정 이수중이다. 필자는 우리가 원하지 않더라도 언젠가는 우주로 나가야 할 시대가 올 수도 있다고 말한다.(241 페이지)
'헬로, 사이언스'는 여러 필자가 참여해 모두 열 다섯 개의 이슈들을 설명한 책이다. 편식하는 습관을 가진 사람들에게 도움이 되는 책이다. 나의 경우 입자물리학, 우주론, 뇌과학, 과학과 예술 또는 과학과 문학의 관계 등에 많은 관심을 기울여왔다. 생명과학, 지구과학, 화학, 수학 등에도 관심을 기울여야겠다는 생각을 한다. 여러 강의가 고루 좋았지만 김상욱 교수의 이중 슬릿 부분이 특히 좋았다. 물론 신의 입자에 대한 내 이해력 부족은 문제이다.