과학과 친구가 되자

떨림과 울림 - 물리학자 김상욱이 바라본 우주와 세계 그리고 우리
김상욱 지음 / 동아시아 / 2018년 11월

빅뱅이 왜? 지금 나랑 무슨 상관이지? 뭐라고? 내가 쓰고 있는 스마트폰이 빅뱅 덕분이라고? 그게 무슨 말이야?

음.... 그러니까 스마트폰을 쓰려면 충전을 해야 하잖아. 그럼 전기는 어디서 오는 걸까? 전기→화력→석탄→3억년전 식물 리그닌→식물 광합성→햇빛→핵융합에너지→수소, 헬륨→빅뱅. 이렇게 해서 바로 빅뱅 덕분이라고.

사실 과학은 어렵고 현실과는 동떨어진 실험실 이야기처럼 들린다. 그런데 우리 일상이 과학이다. 음악과 미술은 역사부터 시작해 작가들 이름까지 교양이나 상식처럼 알기 위해 공부하지만, 과학은 그냥 옆에 저만치 떨어뜨려 놓는다. 하지만 과학 또한 일상이며 상식이자 우리 시대의 교양이라 할 수 있다.

김상욱 교수는 양자물리학을 토대로 과학이 현대인의 삶에 얼마나 녹아 있는지를 쉽고 명쾌하게 전달한다. 과학법칙만을 이야기하는 것이 아니라 그것이 우리 삶에 어떤 의미를 지니는지를 통찰하는 시선이 날카롭다. 이 책을 통해 양자물리학을 온전하게 이해한다는 것은 불가능하지만 그것이 우리 삶에 어떤 영향을 미칠지를 곰곰히 생각하게 만든다. 즉 과학적 사고에 보다 친근하게 다가가도록 만든다는 것이다. 또한 이를 통해 관찰하고 의심하고 도그마에 빠지지 않고 언제나 열려 있는 과학적 태도를 견지하고 싶은 마음이 저절로 일어날 것이다.   

양자장론이 보는 세상은 이렇다. 전자장에서 전자가 만들어진다. 전자는 실체가 아니라 전자장이 만들어내는 결과물이다. 정확하지는 않지만 비유하자면, 전자는 개별적으로 존재하는 것이 아니라 전자장의 일부분에 해당하는 형상에 불과하다. 따라서 모든 전자는 서로 구분할 수 없이 똑같다.

모든 인간의 유전자는 다른 사람과 평균적으로 99.5% 정도 같다고 한다.

자크 모노의 생각은 이렇다. 생명현상도 물리법칙의 지배를 받는다. 물리법칙은 원자 수준에서 확률만을 알려준다. 생명도 이 확률법칙의 지배를 받으며 살아간다 수많은 가능성 가운데 왜 특정 사건이 일어난 것인지 이유를 설명할 수 없다. 주사위를 던져 왜 하필 1이 나왔냐고 묻는 거랑 비슷하다. 1은 가능한 사건 중의 하나일 뿐이다. 이처럼 진화는 우연히 일어난다. 우연으로 선택된 수많은 사건의 연쇄에 의미를, 아니 더 나아가 의도를 부여할 수도 있다. 이렇게 우연은 필연이 된다. 하지만 거기에 의미가 있는 것은 아니다.

우주에는 네 종류의 힘이 존재한다. 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이 그것이다.

힘은 두 입자 사이에 작용한다. 입자가 혼자 있을 때 힘은 존재하지 않는다. 즉, 힘은 상호관계다.

에너지를 전기장 형태로 저장하는 장치를 축전기라 하고, 자기장 형태로 저장하는 장치를 코일이라고 한다.

알코올은 인간 역사에서 가장 중요한 유기화합물의 하나다. 술에 들어 있는 알코올은 효모라는 세균이 분해할 때 부산물로 나온다. 산소 없이 에너지를 만드는 이 과정을 발효라 부르는데, 루이 파스퇴르가 발견했다. 인간의 경우 산소를 이용하여 음식에 들어 있는 포도당을 분해한다. 우리가 숨을 쉬고 음식을 먹어야 하는 이유다. 파스퇴르는 발효가 단순한 화학반응이 아니라 생명의 고유한 현상이라며 여기에는 어떤 목적이 있을 거라고 확신했다. 이것을 생기론이라 한다. 화학으로 환원할 수 없는 생명의 고유한 현상이 있다는 생각이다. 파스퇴르가 죽은 후 에두아르트 부흐너는 발효가 화학반응에 불과하다는 것을 증명한다. 이 발견으로 생기론은 종말을 맞았으며 생명을 환원주의로 설명하는 시각이 득세하기 시작한다.

물질에서도 상전이를 통해 얼음이 물이 되거나 물이 수증기가 되듯이, 상전이 이전에 물질이 갖지 않았던 속성이 새롭게 생겨난다. 이처럼 구성요소에서 없던 성질이 전체 구조에서 나타나는 현상을 창발이라 부른다. ... 원자로부터 설명할 수 없는 것은 모두 창발이라 보면 된다.

근육 내 ATP를 만드는 데에는 에너지가 필요하다. 이 에너지는 호흡으로 얻는다. 호흡은 유기물을 산소로 태워 에너지를 얻는 과정이다. 유기물은 우리가 먹은 음식을 분해하여 얻는다. 우리가 먹고(유기물) 숨을 쉬어야(산소) 하는 이유다. 유기물을 태울 때 에너지가 나오는 것은 유기물이 높은 에너지 상태에 있기 때문이다. 이런 높은 에너지 상태의 유기물을 만드는 것은 대개 식물의 몫이다. 식물은 광합성을 통해 유기물을 만든다. 식물도 에너지를 창조할 수는 없다. 광합성에 필요한 에너지는 햇빛에서 얻는다. 결국 지구상 모든 생명체의 에너지원은 태양이다.

분자들 가운데 탄소화합물은 특별하다. 복잡하고 긴 구조물을 쉽게 형성할 수 있기 때문이다. 더구나 탄소화합물은 산소와 결합하여 에너지를 방출한다. 이를 연소라 부르는데, 쉽게 말해서 타는 거다. 이유는 모르겠지만 지금으로부터 38억년 전 지구상 어딘가에서 탄소화합물로 이루어진 화학반응의 복합체가 탄생한다. 그 복합체는 에너지를 생산하여 자신의 구조를 유지할 뿐만 아니라 그 구조를 같은 형태로 복제하는 능력을 가졌다. 바로 생명이다.

태양도 에너지를 창조하지는 못한다. 태양에서는 핵융합반응이 일어난다. 수소 원자들이 결합하여 헬륨이 되면서 에너지가 생성된다. 수소들이 따로 흩어져 있는 것보다 헬륨으로 뭉쳐 있는 것이 에너지가 작기 때문이다. 그렇다면 수소의 에너지는 어디서 왔을까? 수소는 우주의 탄생, 그러니까 빅뱅 때,정확히는빅뱅이 있은 후 38만 년이 지났을 즈음 만들어졌다. 빅뱅 당시 우주의 모든 에너지가 한 점에 응축되어 있었다. 이 에너지가 물질로 변환된 것이다 결국 우리 주위의 모든 에너지는 빅뱅에서 기원한다. 에너지 보존법칙이 우리에게 알려준 놀라운 사실이다.

사피엔스는 왜 농업을 선택했을까? 하라리는 우리가 농업을 선택한 것이 아니라 농작물이 우리를 선택한 거라 주장한다.