김범준의 이것저것의 물리학

김범준 지음

김영사 2023년 09월 21일 출간 종이책 : 2023년 09월 21일 출간

작품소개

책소개

XX, XY 말고 YY 염색체는 왜 없을까? 손가락에 침을 묻히면 책장이 잘 넘어가는 까닭은? 챗GPT는 과연 생각을 할까? 우리가 존재하게 된 과학적인 이유는? 미래는 이미 결정되어 있을까? … 세상의 온갖 것들이 궁금한 호기심 가득한 물리학자가 과학의 창으로 들여다본 경이로운 세상의 모습을 담은 책. 우리나라의 대표적인 통계물리학자이자 탁월한 과학커뮤니케이터인 성균관대학교 김범준 교수가 물리학에서 생물학, 신경과학, 인공지능까지 다양한 분야의 최신 연구를 소개하면서, 과학의 매력과 과학적 탐구의 즐거움을 보여준다.

“과학은 무지개를 낱낱이 풀어 헤치는 차가운 시선이 아닙니다. 과학의 눈으로 바라보아도 무지개는 여전히 아름다워요. 아니, 과학의 눈으로 보면 무지개가 더 아름답다고 저는 생각합니다. 아름다운 무지개를 보면서, 왜 하늘은 파란지, 예쁜 저녁노을은 왜 붉은지, 그리고 위에서 바라본 맑은 물은 왜 푸른지도 모두 함께 생각해볼 수 있도록 하는 것이 과학의 눈이 가진 매력이니까요.”

목차

머리말

1부 물리학 뜯어보기

존재의 이유 | 미래는 이미 결정되어 있을까? | 움직이는 모든 것은 운동량이 있다 | 시간의 크리스털 | 양자컴퓨터를 쓰는 법 | 양산을 쓴 얼음기둥 | 미끄러짐의 물리학 | 지진은 어떻게 발생할까? | 유리는 고체일까, 유체일까? | 중력파와 빛으로 함께 본 우주

2부 생물학 읽어보기

성이 둘이 아니라 셋이라면 | 암수 성비의 과학 | 무성생식과 유성생식 | DNA가 오른쪽으로 꼬인 이유 | 나는 한 개체일까? | 황제펭귄의 추위 대처법 | 생명은 늘 진화의 산을 오른다 | 3세대 만에 출현한 새로운 종

3부 뇌과학과 인공지능 훑어보기

짧은 시간을 길게 사는 법 | 내가 듣는 ‘내 목소리’는 왜 다를까? | 인공지능과 신경과학 | 인공지능 신경망 | 인공지능으로 이해하는 뇌 | 인공지능이 만들 인공지능 | 과학이 필요 없어지는 세계 | 인공지능이 그린 ‘하늘을 나는 물고기’ | AI 코페르니쿠스 | 챗GPT는 과연 생각을 할까?

4부 통계와 통계물리 톺아보기

우연이 필연이 되는 생일문제 | 까마귀 날자 배 떨어진다 | 현실 속 카오스 | 반딧불이의 때맞음 | 통계물리학으로 보는 뇌 | 양떼의 물리학 | 축구의 네트워크 과학 | 패턴의 형성: 달마티안과 도마뱀

5부 이것저것 들여다보기

테드 창의 소설 | 〈테넷〉과 시간의 물리학 | 〈그녀〉로 생각하는 사랑의 의미 | 선조들의 시공간 | 일식을 일으키는 법 | 혜성의 후예 | 늘어나는 되먹임 | 전분육등법으로 그려본 먼 미래

6부 과학과 사회 생각하기

물리학과 세상물정 | 과학이라는 신화 | 시간 상피제 | 세 번째 기준틀 | 99퍼센트와 1퍼센트 | 과학과 기술 | 과학은 과정이다 | 지구는 살아남을 수 있을까?

책 속으로

물질과 반물질이 정확히 같은 양만큼 만들어졌고 이들이 쌍으로 만나 모두 소멸한 완벽히 대칭적 인 세상에는, 이 과정을 이기고 살아남은 물질도, 반물질도 없다. 완벽한 우주라면, 이 글을 쓰는 필자도 독자도 없다. 지구도 태양도 없다. 빅뱅으로 시작한 우주에는 아무것도 없을 수도 있었다. 그런데 우리는 도대체 왜 존재하게 된 걸까? _16쪽

얼음판 위를 미끄러지던 돌멩이를 멈추게 하는 마찰력은 넷 중 뭘까? 용수철을 잡아당기면 물체가 원래 있던 위치로 돌아가려는 복원력은 또 넷 중 어떤 상호작용일까? 석탄을 태워 작동했던 증기기관의 원리는 이 중 어느 상호작용을 이용한 걸까? 휴대폰을 작동시키는 내부의 수많은 상호작용은 또 어떤 걸까? 이런 물음에 대한 답을 맞히는 요령이 있다. 모르겠으면 그냥 전자기 상호작용이라고 답하면 된다. 천체현상을 뺀 대부분의 자연현상에 대해 전자기 상호작용이 답이 되는 이유는 간단하다. _65쪽

환경에 아무런 변화가 없다면야 무성생식이 유리하지만, 세상의 환경은 시시각각 크고 작은 변화를 계속 이어간다. 미래에 닥칠 예측할 수 없는 환경 변화에 더 효율적으로 대비하는 것이 바로 유성생식이 제공하는 유전자의 다양성이다. 둘의 유전자를 절반씩 섞는 방식으로 더 다양한 자손을 만들어낼 수 있어서, 환경이 변해도 종 전체가 멸종하지 않고 생존을 이어갈 확률이 무성생식보다 더 크다. 유성생식의 또 다른 이점은 당장은 생존에 도움이 되지 않는 드러나지 않는 유전자라도 미래 후손을 위해 보험으로 남겨줄 수 있다는 것이다. _84쪽

두 실험 모두 갈릴레오는 자신의 맥박으로 시간을 쟀다. 진자시계는 갈릴레오의 심장이 만들었다. 요즘 우리는 시계로 맥박을 재지만, 갈릴레오는 맥박이 시계였던 셈이다. _108쪽

살아서 작동하는 신경세포는 전위 차를 음의 값으로 유지하기 위해 계속해서 이온펌프를 작동해 큰 에너지를 사용하고 있다. 신경세포의 발화로 우리 뇌가 정보를 처리한다는 것을 생각하면, 우리 뇌는 아무것도 안 하는 신경세포의 긴장 상태를 유지하기 위해 안간힘을 쓰고 있는 셈이다. 공부하나 멍 때리나, 우리 뇌가 소비하는 에너지는 실제로도 많이 다르지 않다. _118-119쪽

난, 사람이라는 생물종이 지구상 에서 거둔 놀라운 성공은 현재 가지고 있는 도구를 이용해 새로운 도구를 만든, 그 단순하지만 놀라운 딱 한 단계에서 결국 시작되었다고 생각한다. 처음의 딱 한 단계. ... 지금까지의 인공지능의 역사를 통해, 귀납법의 ‘바닥에 기초 놓기’는 이미 완성되었다. 우리는 이미 사람보다 바둑을 잘 두는 인공지능을 만들었다. 이제 귀납법에서 더 중요한 단계, 즉, 인공지능이 인공지능을 만드는 단계가 다가오려 하고 있다. 인공지능이 인공지능을 자유롭게 아무런 제약 없이 만드는 첫 단계가 이루어지는 순간, 인공지능의 무한 연쇄가 시작될 수 있다. _134쪽

AI 물리학의 발달에 대해 큰 기대를 할 수 있는 분야는 양자역학이다. 현재의 양자역학 체계는 물리학자들에게 여전히 불만이다. 만약 아무런 선입견 없이 관찰 데이터에만 기반해 양자역학을 인공지능이 처음부터 다시 구성한다면 과연 어떤 모습이 될지 나는 무척이나 궁금하다. _148쪽

오래전 정립되어 많은 과학자가 이용하고 있는 표준적인 모형이라도 자연이라는 책이 실제로 보여주는 현상과 끊임없이 비교되어야 한다는 것이 방금 소개한 논문에서 내가 얻은 교훈이다. ... 아무리 이론이 멋져도 이론에 대한 최종 판관은 자연이다. _185쪽

즉, 한 마리가 가진 정보가 무리 전체에 빠르게 전달되고 뒤를 따르는 양들은 무리를 이끄는 양이 가진 정보를 신뢰해 묵묵히 그 길을 따라가는데, 바로 이 방법이 무리 전체가 빠르게 더 나은 장소로 이동하는 효율적인 방법이라는 얘기다. 양떼를 구성하는 어느 특정 양이 항상 무리를 이끄는 것이 아니라 정보를 가진 어느 양이나 다음의 집단이동을 이끌 수 있다는 것도 중요하다. 민주적 방식과 계층적 방식을 조합해 양떼가 효율적으로 움직인다는 흥미로운 결론이다. _197쪽

우리가 살아가는 지금은 지구, 달, 그리고 해의 삼각관계에서 무척이나 특별한 시기다. 달이 지구로부터 조금씩 멀어지고 있어서, 먼 미래에는 금환일식은 볼 수 있어도 개기일식은 더 이상 볼 수 없게 된다. 거꾸로, 먼 과거에는 달이 지금보다 훨씬 더 가까워 금환일식을 볼 수 없었다. 현재는 개기일식과 금환일식을 모두 볼 수 있는, 지구, 해, 달로 이루어진 일식 삼각관계의 황금기다. _238쪽

과학의 가치는 확실성에 있지 않다. 거꾸로다. 의심에 열려 있어 토론이 가능하고, 이에 바탕한 발전 가능성이 늘 남아 있다는 것이 과학의 진정한 가치다. 문제는 현대 과학이 이야기하는 의심과 회의(懷疑)가 대개는 과학자 사회 내부에 한정된다는 점이다. _262쪽

출판사 서평

과학의 눈으로 보면 더 멋지고 아름다운 세계가 열린다!
조금 더 과학적인 눈으로 세상을 보고 싶은 이들을 위한 온갖 것들의 과학

XX, XY 말고 YY 염색체는 왜 없을까? 손가락에 침을 묻히면 책장이 잘 넘어가는 까닭은? 챗GPT는 과연 생각을 할까? 우리가 존재하게 된 과학적인 이유는? 미래는 이미 결정되어 있을까? … 《김범준의 이것저것의 물리학》은 세상의 온갖 것들이 궁금한 호기심 가득한 물리학자가 과학의 창으로 들여다본 경이로운 세상의 모습을 담은 책이다. 우리나라의 대표적인 통계물리학자이자 탁월한 과학커뮤니케이터인 성균관대학교 김범준 교수가 물리학에서 생물학, 신경과학, 인공지능까지 다양한 분야의 최신 연구를 소개하면서, 과학의 매력과 과학적 탐구의 즐거움을 보여준다.


세상물정에 관심 많은 물리학자가
따끈따끈한 최신 연구를 소개하며 들려주는 자연과 세상의 경이로움!

우리가 과학에 익숙해져야 하는 이유로 저자가 맨 처음 꼽는 것은 “과학이 재밌고 아름답기 때문”이란 점이다. 물론 과학은 실생활에 도움을 주고 기술 발전을 가져오는 유용한 학문이기도 하지만 그에 앞서 그 활동과 과정 자체가 재미있고 가치 있으니, 그에 주목하자는 것이다. 복잡하고 무질서해 보이는 세계에서 단순한 질서와 원리를 발견하는 것이 얼마나 흥미진진한지를 저자는 매 글마다 재미있는 사례를 통해 보여준다.

예를 들어 어린 시절 저자의 한 학급 학생 수는 60명쯤이었는데, 꼭 생일이 같은 친구들이 있었다. 어떻게 이런 우연이 있을까? 사실 이것은 통계학에서 ‘생일문제’라 불리는 것인데, 한 집단에서 생일이 같은 사람들이 한 쌍이라도 존재할 확률은, 1에서 구성원의 생일이 모두 다를 확률을 빼는 간단한 계산을 통해 확인할 수 있다. 계산해보면 60명으로 구성된 집단에서 생일이 같은 사람이 있을 확률은 99.4%나 된다. 놀라운 우연 같아 신기하기만 했던 것이 실은 필연에 가까운 일이었던 것이다.(〈우연이 필연이 되는 생일 문제〉)

책에서는 성(性)이 셋이 아니라 둘인 이유, 도마뱀이 지금과 같은 알록달록한 비늘무늬를 갖고 있는 이유, 오래된 단층에서는 상대적으로 큰 지진이 덜 일어나는 까닭 같은 자연현상의 원인을 찾아보기도 하고, 축구경기에서 수비수가 공격수를 마크하는 방식을 네트워크 과학으로 어떻게 분석하는지, 경제성장률이 왜 0으로 수렴할 수밖에 없는지를 설명하기도 한다. 인과관계와 상관관계, 중력/전자기력/마찰력 같은 물리적 힘, 신경세포의 작동, 되먹임, 대칭성 같은 중요한 과학 내용과 개념을 톺아보기도 하고, ‘나는 과연 한 개체인가?’, ‘짧은 시간을 어떻게 길게 살 수 있을까’ 같은, 모두가 관심 있어 할 만한 물음들을 살펴보기도 한다. ‘시간결정(time crystal)’, 과학에서의 ‘지형(landscape)’ 등 다른 과학교양서에서는 찾아보기 어려운 내용들, 그리고 양자컴퓨터와 챗GPT를 비롯한 최신 이슈에 관한 핵심적인 설명과 전망도 담았다.

“과학은 무지개를 낱낱이 풀어 헤치는 차가운 시선이 아닙니다. 과학의 눈으로 바라보아도 무지개는 여전히 아름다워요. 아니, 과학의 눈으로 보면 무지개가 더 아름답다고 저는 생각합니다. 아름다운 무지개를 보면서, 왜 하늘은 파란지, 예쁜 저녁노을은 왜 붉은지, 그리고 위에서 바라본 맑은 물은 왜 푸른지도 모두 함께 생각해볼 수 있도록 하는 것이 과학의 눈이 가진 매력이니까요. 이 책은 한 물리학자가 바라본 재밌고 경이로운 세상의 모습을 담고 있어요.”(머리말에서)

생물학에서 신경과학, 인공지능까지, 물리학의 관점에서 살펴본
따끈따끈한 과학 연구 이야기

과학자들이 모두 거대한 연구 시설에서 우주의 심오한 비밀을 캐는 연구만 하는 것은 아니다. 책에는 소박하지만 과학 탐구의 즐거움을 보여주는 연구들도 여럿 소개된다. 가령 책의 차례 페이지에는 얼어붙은 바이칼 호수의 가느다란 얼음 기둥 위에 올라가 있는 돌멩이 사진이 들어 있다. 명상에 잠긴 선승의 모습과 유사하다 하여 ‘바이칼 젠’이라고 흔히 불리는 이런 모습은 어떻게 만들어진 것일까? 주위 얼음판보다 높게 솟아 있고, 돌 아래가 우묵하게 파인 이 같은 형태가 어떻게 만들어졌는지를 두 과학자가 “실험과 수치 계산을 통해” 알아냈는데, 독자는 어렵지 않게 이해할 수 있는 설명을 통해 이 현상을 만든 원인이 덮개돌의 복사광이란 점을 알게 된다.(〈양산을 쓴 얼음 기둥〉) 덮개돌의 흑체복사가 이뤄낸 느린 승화가 이런 신기한 형태의 원인이었던 것이다.

책에는 이처럼 다양한 분야에서 활동하는 다른 과학자들의 최신 연구를 소개하는 대목이 많다. 길지 않지만 모두 상당한 시간을 들여 논문 또는 기사를 읽고 내용을 소화해야 쓸 수 있는 글이다. 이를 통해 독자는 과학 연구가 어떤 식으로 이루어지는지, 한 분야의 연구가 다른 과학자에게 어떤 아이디어를 제공하는지를 엿볼 수 있다. 배경 지식을 먼저 설명한 뒤에 논문 내용을 소개하는 까닭에 찬찬히 집중해서 읽으면 논문이 담고 있는 내용을 따라갈 수 있다. 머리말에서는 지금 이루어지고 있는 과학 연구에 일반 독자들이 어떤 식으로 접근하면 좋을지, 어떤 매체의 글을 찾아 읽으면 좋을지를 차근차근 일러준다. 관심 있는 독자가 본문에서 소개된 실제 논문을 찾아볼 수 있도록 논문 고유 식별부호인 DOI도 부기했다.

“현실이 보여주는 복잡함의 바탕에서 의외로 단순한 메커니즘을 찾을 수 있을 때도 있다. 아무리 자연이 복잡해 보여도 그 안에서 단순성을 찾으려는 영원히 계속될 인류의 치열한 노력의 이름이 과학이다. 여럿을 하나로 관통하고자 하는 것이 물리학의 방식이다.”(211쪽)

“과학의 가치는 확실성이 아니라 의심에 열려 있다는 데 있다”
더 합리적이고 과학적인 사회를 꿈꾸며

우리가 과학에 익숙해져야 하는 두 번째 이유로 저자는 “세상에서 일어나는 온갖 사건들을 합리적으로 이해해 이성적으로 판단하려면 과학적인 사고방식이 꼭 필요”하다는 점을 꼽는다. 특히 6부에 실린 글에는 우리 사회가 더 과학적이고 합리적인 사회가 되기를 바라는 저자의 간곡한 마음이 담겨 있다. 과학적 사고가 절실히 요구되는 시절, 무엇이 과학적인 태도인지를 두고 이견들이 부딪히는 때다. 기후변화, 인공지능의 발달과 같이 인류 전체에 엄청난 영향을 끼칠 사안들은 물론, 후쿠시마 오염수 방류를 둘러싼 논란, 백신 위험론이며 항암효과가 있다고 광고하는 식품을 어떻게 볼 것인가까지, 크고 작은 많은 사안에서 우리에겐 과학적이고 합리적인 태도가 필요하다.

저자는 과학의 확실성에 대한 지나친 믿음도 경계한다. “일반 사람들의 생각과 달리 과학은 100퍼센트 확실한 결과를 주는 것이 아니다. 단지 지금까지의 증거를 모아서 현재 내릴 수 있는 최선의 잠정적 결론을 내리고, 끊임없이 그 결론을 개선해가는 과정이다. 과학의 적은 목표에 대한 확신이다.”(281쪽) 회의와 비판적 태도야말로 과학이 지닌 중요한 가치이다. 이것은 최근 상온 상압 초전도체 발견 주장을 놓고 우리 사회에 있었던 떠들썩한 반응에도 시사하는 바가 크다. “과학은 도달한 장소의 이름이 아니다. 영원히 이어질 긴 여정에 붙은 이름이다.” 이 책을 통해 과학적 여정의 아름다움을 독자들이 느끼고 즐길 수 있기를 기대한다.

“이 책은 과학의 눈으로 세상의 온갖 것들을 보고 싶어 하는 사람들을 위한 책입니다. 이 책을 읽은 독자가 책에서 소개한 세세한 과학의 내용보다, 과학이 진행되는 방식과 과정을 기억해주시기를 바랍니다. 그리고 책을 읽고 습득한 방법과 사고방식을 여러분이 마주치는 세상의 많은 것들에 직접 적용해보시면 좋겠어요. 과학의 눈으로 세상을 바라보는 사람이 늘어날수록 더 나은 세상이 앞당겨진다고 믿기 때문입니다.”(머리말에서)

작가정보

저자(글) 김범준