[100자평] 일상적이지만 절대적인 뇌과학지식 50

일상적이지만 절대적인 뇌과학지식 50 - 100년 동안 인류가 뇌에 관해 밝혀온 모든 것
모헤브 코스탄디 지음, 박인용 옮김, 정용 감수 / 반니 / 2016년 3월

뇌에 대해 많이 안다고 해서 인간을 이해할 수 있을까? 뇌 연구가 아무리 발전한다고 해서 우리 자신에 대해, 생명에 대해, 인간에 대해 모든 답을 줄 수 없을 것이다. 그렇다면 앞으로 인간의 뇌에 대한 연구 방향은 어떻게 잡아야 할까?

[100자평] 하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다

하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다 ㅣ 작은길 교양만화 메콤새콤 시리즈 4
이옥수 지음, 정윤채 그림 / 작은길 / 2016년 4월

글과 그림이 만화로 재미있게 편집된 이 책을 현재 과학을 전공하는 학부생들이나, 미래의 과학도들에게 추천하고 싶다. 부모가 자녀들과 함께 읽어도 좋은 책이다.

[북 리뷰] 하이젠베르크의 양자역학

하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다 ㅣ 작은길 교양만화 메콤새콤 시리즈 4
이옥수 지음, 정윤채 그림 / 작은길 / 2016년 4월

【 하이젠베르크의 양자역학 】 

  _이옥수 글, 정윤채 그림 / 작은길출판사

다재다능하면서도 괴짜 과학자라는 애칭이 붙었던 미국의 물리학자 리처드 파인먼은 “만일 기존의 모든 과학적 지식을 송두리째 와해시키는 대재앙이 일어나서 다음 세대에 물려줄 과학적 지식을 단 한 문장으로 요약해야 한다면, 그것은 아마도 ‘원자 가설’일 것이다.” 라고 말했다.

‘원자 가설’은 모든 물질이 원자로 이뤄져 있으며, 이들은 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 어느 정도 이상 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다는 가설을 뜻한다.

물리학자들에겐 ‘원자’의 존재를 인정하고, 파악하는 것이 기본이다. 파인먼이 원자가 사물의 기본이라는 생각은 세대를 이어서 전수되어야 할 물리학의 핵심 개념이라고 단정을 짓는 것도 무리가 아니다. 원자라는 개념을 처음 사용한 사람은 그리스 철학자 데모크리토스로 알려져 있다. 근대적 원자론은 19세기 초 영국의 존 돌턴에 의해 제창된다. 조지프 톰슨은 음극선관 실험을 통해 일명 푸딩 모델로 불리는 원자모형을 주장했다.

이 책의 주인공 하이젠베르크는 1958년 ‘세계공식(World Formula)’이라고 알려진 식을 만들어서 모든 소립자의 특성을 유도해내려고 했다. 그는 젊은 시절 플라톤의 『티마이오스』에 영감을 받아 양자론의 발전에 앞장선다. 코펜하겐 해석이 양자역학의 공리로서 널리 인정받게 된 이후 자연현상의 근본적인 법칙이 대칭성이라는 믿음을 갖고 세계 공식을 만들고자 했으나 결국은 실패했다. 평생의 친구이자 연구 파트너였던 파울리마저도 외면한 공식이지만, 대칭성에 대한 하이젠베르크의 믿음은 현대물리학 이론에 그대로 남아 있다.

책의 서두는 1958년 뮌헨시 800주년 기념행사장인 독일박물관에서 하이젠베르크가 연설을 하는 장면부터 시작된다. “제 고향은 뮌헨이 아닙니다. 제가 태어난 곳은 뷔르츠부르크입니다. 뮌헨에서 꽤 떨어진 곳이죠. 1910년 아버지가 뮌헨대학의 그리스 문헌학 교수로 초빙되면서 우리 가족은 뮌헨에 와서 지내게 되었습니다.” 그때 그의 나이는 아홉 살이었다. 1920년 뮌헨대학. 대학에서 무엇을 전공할까 고심하던 그는 처음에 수학을 염두에 뒀으나, 이론물리학으로 방향을 잡는다. 그가 대학에서 학문의 인정을 받게 된 계기는 조머펠트 교수와의 조우와도 관계가 있다. 조머펠트는 보어의 양자가설을 전자의 궤도를 원이 아닌 타원궤도로 확장하고 상대론을 적용함으로써 추가로 발견된 수소의 선스펙트럼을 완벽하게 설명했다. 이를 보어-조머펠트 원자모형이라고 한다. 조어펠트 교수는 하이젠베르크에게 제만 효과를 설명해보라고 하면서 의문점을 찾아보라고 지시한다. 그 당시까지만 해도 ‘이상 제만 효과’라는 명칭이 붙은 실험이었다. 원자에 자기장을 가했을 때 선스펙트럼이 분리되는 수는 항상 홀수여야 하는데, 그 수가 짝수로 갈라지는 것이 관찰되었다. 그런 현상을 그때는 도저히 설명할 수 없었기 때문에 ‘이상 제만 효과’라고 불렀다. 하이젠베르크는 이 문제를 반정수(+1/2, -1/2)를 사용하면 된다는 생각을 하게 된다. 당시에는 아무도 반정수에 대해서 말한 적이 없었다. 양자수는 정수였던 것이다. 조머펠트 교수조차도 “그건 불가능하네. 양자의 세계는 정수와 상관이 있는 걸세. 반정수는 있을 수가 없어.”라고 하이젠베르크의 말문을 닫는다. 그러나 그가 옳았다. 그의 이론은 나중에 전자의 에너지 상태를 기술하는데 쓰이게 된다.

하이젠베르크는 1927년, 그의 나이 스물여섯 살에 라이프치히대학 이론 물리학 정교수가 된다. 독일에서 가장 젊은 교수로 기록된다. 히틀러의 등장으로 제2차 세계대전이 일어나고, 하이젠베르크도 힘든 시간을 보내게 된다. 나치의 강압으로 핵개발에 관여하게 되는 것이다. 실패로 돌아갔지만, 전쟁이 끝난 후 그 후폭풍을 견뎌내야 했다. 원자폭탄 개발 경쟁에서 독일은 연합국이 벌인 다각도의 방해 작전으로, 처음에는 우라늄 확보에 어려움을 겪었다. 충분한 양의 우라늄을 구하지 못하니 차선책으로 감속재인 중수를 사용하는 방법을 채택한다. 그때에도 중수 수송선 폭파 같은 방해공작이 끊이지 않았다. 반면, 미국은 중수 방식을 쓰지 않았고, 엄청난 비용과 우수한 과학자를 대거 투입한 덕분에 폭탄 제조에 성공한다. 하이젠베르크는 1932년 양자역학을 세운 공로로 노벨물리학상을 받았다. (노벨상은 1933년에 받음)

글과 그림이 만화로 재미있게 편집된 이 책을 현재 과학을 전공하는 학부생들이나, 미래의 과학도들에게 추천하고 싶다. 부모가 자녀들과 함께 읽어도 좋은 책이다.

[100자평] 잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽

잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽 - 이보다 재미있는 '천문학'은 없었다 - 우주 특강 27
이광식 지음 / 들메나무 / 2016년 5월

우주를 알아가는 데 있어 특히 중요한 토픽 27개를 골라서 나름대로 재미있고 이해하기 쉽게 쓰였다. 책 제목을 『잠 안 오는 밤에 읽는 우주토픽』이라 붙인 것은, 읽으면 잠이 잘 오는 책이란 뜻이 아니라 잠 안 올 때 부담 없이 읽을 수 있는 우주 이야기란 뜻이라고 한다.

[북 리뷰] 잠 안오는 밤에 읽는 우주 토픽

잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽 - 이보다 재미있는 '천문학'은 없었다 - 우주 특강 27
이광식 지음 / 들메나무 / 2016년 5월

【 잠 안 오는 밤에 읽는 우주 토픽 】

_이광식 (지은이) | 들메나무

때로 하늘을 올려다보는 것만으로도 위로가 될 때가 있다. 바닥을 향하던 마음도 잠시나마 위로 향하게 된다. 특히 요즘 하늘은 바라다보기만 해도 기분이 업 된다. SNS엔 하늘 사진이 대세다. 밤에 보는 하늘은 낮 하늘과 분위기가 다르다. 우주를 향한 시선이 답답한 현실을 벗어나게도 해준다. 그러나 전문가가 아닌 이상 우주에 대해 생각하는 것은 분명 한계가 있다. 기껏해야 밤하늘의 별을 바라보는 정도에 불과하다. 그나마 탁한 시야의 도심에선 별보다 건물의 불빛이 눈에 먼저 들어온다.

안톤 체호프의 소설 『세 자매』에 나오는 한 대목은 우리의 삶이 아무리 팍팍해도 시선을 위로 향하는 시간이 필요하다는 것을 잘 표현해주고 있다. “두루미가 왜 나는지, 아이들이 왜 태어나는지, 하늘에 왜 별이 있는지 모르는 삶은 거부해야 한다. 이러한 것들을 모르고 살아간다면 모든 게 무의미하여 바람 속의 먼지 같은 것이다.”

우주에 관해 사람들이 가장 궁금해 하는 질문은 무엇일까? “우주는 끝이 있는가?”가 아닐까? 인간의 지식범주는 유한에 익숙하다. 무한이라는 개념은 그저 추상적으로만 다가올 뿐이다. 스피노자는 “영원의 관점에서 사물을 생각하는 한 마음은 영원하다”는 말을 남겼다. 유한과 무한의 개념 역시 우리 마음 안에 있다는 의미로 받아들인다.

“이 우주라는 시공간이 시작된 것이 약 138억 년 전이라는 계산서는 이미 나와 있다. 얼마 전까지만 해도 137억 년이라 했지만, 유럽우주국이 우주 탄생의 기원을 찾기 위해 미항공우주국(NASA)등과 협력해 2009년에 발사한 초정밀 플랑크 우주망원경의 관측 자료를 토대로 계산한 결과, 우주의 나이가 지금까지 알려진 것보다 약 8,000만 년 더 오래된 것으로 분석되어 138억 년으로 약간 상향 조정된 것이다.

밤하늘의 스타들 중에서도 진짜 스타가 있다. 우리 은하에 있는 별들의 수만도 3,000억 개에 이른다. 저자가 소개하는 스타들을 만나보자. 큰개자리의 알파별 시리우스, 거문고자리의 알파별 직녀성(베가), 별이 아닌 성단인 플레이아데스라고 불리는 좀생이별은 비교적 젊은 수백 개의 청백색 별들로 구성된 대표적인 산개성단이다. 지구촌 밤하늘에서 현재 가장 문제적 별인 베텔게우스가 있다. 이 별은 수명이 다되어가기 때문에 ‘조만간’ 초신성으로 폭발할 가능성이 많다. 물론 우주의 시간에서 조만간이란 오늘 내일일 수도 있고, 수천수만 년도 될 수 있다. 그리고 우리 눈과 귀에 익숙한 북두칠성이 있다. 북두칠성을 이루는 7개의 별은 모두 2등 내외의 밝은 별이다. 그래서 예로부터 항해 할 때 길잡이별이 되어 주었다. “그런데 사실 북두칠성은 7개별이 아니라 8개별이다. 북두팔성이라고 불러야 한다. 자루 끝에서 두 번째 별을 자세히 보라. 미자르라는 이름의 별인데. 그 옆에 알코르라는 작은 별 하나가 더 붙어있어 이중성을 이루고 있다. 그러나 두 별은 시선 방향에서 붙어 보일 뿐, 사실은 1.1광년 이상 떨어져 있다.”

이 책의 지은이 이광식은 독특한 이력의 소유자다. 나이 쉰다섯에 “이제부턴 돈벌이 안 한다!”고 결연히 선언한 후, 강화도 산속에 들어가 개인 천문대 하나 지어놓고, 낮에는 텃밭 가꾸며 책 읽고, 밤에는 망원경으로 별을 보며 사는 사람이다. 원래 전공인 문과의 성향을 담은 『우리 옛시조 여행』 외에 재미가 포함된 융합형 천문학이야기로 채워진 『별 아저씨의 별난 우주 이야기』외에 여러 권의 저술이 있다.

“별들 사이의 아득한 거리에는 신의 배려가 깃들어 있는 것 같다.” _칼 세이건의 말이다. 맞는 말이다. 별들이 서로 인접해있다면, 허구한 날 별들의 전쟁이 끊이지 않을 것이다. 태양이나 달까지의 거리를 측정하려는 시도는 고대 그리스 시대부터 행해져왔지만, 하늘의 단위와 지상의 단위를 결부시키는 것은 쉬운 일이 아니었다. 천문학자들은 먼저 지구의 크기와 달과 태양까지의 거리를 구한 다음, 그것들을 기초 삼아 가까운 별에서 더 먼 천체까지 차례로 거리를 측정하는 과정을 밟아왔다. 이런 식으로 단계별로 척도를 늘려나가는 측량 방식을 ‘우주거리 사다리’라고 한다. 그런가하면 작대기 하나로 지구의 크기를 잰 사람이 있다. 그는 역사상 최초로 천체의 크기를 잰 그리스의 천문학자이자 수학자인 에라토스테네스(기원전 273경~기원전 192경)였다. 그가 잰 천체는 물론 지구였다. 에라토스테네스는 터무니없이 간단한 방법으로 인류 최초로 지구 크기를 쟀다. 참값에 비해 10% 오차밖에 나지 않았다. 그가 이용한 방법은 작대기 하나를 땅에 꽂는 거였다. 이른바 해의 그림자를 이용한 측정법이었다.

이 책엔 이와 같은 이야기들이 수두룩하다. 우주를 알아가는 데 있어 특히 중요한 토픽 27개를 골라서 나름대로 재미있고 이해하기 쉽게 쓰였다. 책 제목을 『잠 안 오는 밤에 읽는 우주토픽』이라 붙인 것은, 읽으면 잠이 잘 오는 책이란 뜻이 아니라 잠 안 올 때 부담 없이 읽을 수 있는 우주 이야기란 뜻이라고 한다.