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미래의 과학(Science in the Future)

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미래의 과학(Science in the Future)

2001.05.12 10:47
1. 제목 슬라이드 오늘 이 자리에서 저는 여러분과 함께 미래를 내다보고자 합니다. 구체적으로, 새로운 천년 동안 세상에 대한 이해와 과학기술이 어떻게 발전될 지 살펴보았으면 합니다. 스타워즈 (Star Wars) 영화나 스타트렉(Star Trek) 드라마가 인기 있는 것을 보면 미래에 대한 사람 들의 관심은 대단해 보입니다. 저 자신도 어느 정도 스타트렉 팬이기 때문에 이 프로그램의 출연 요청에 쉽게 응했습니다. 2. 스타트렉 장면 삽입 제 동료 연기자 두 분, 뉴턴과 아인슈타인은 저작권법에 걸리지 않기 때문에 무료로 출연했습니다. 적색경보 때문에 저는 제가 딴 돈을 챙길 수가 없었습니다. 파라마운트(Paramount) 스튜디오에도 가 보았지만, 그 사람들은 우리가 가지고 놀던 돈에 대한 환율을 몰랐습니다. 스타트렉 출연은 재미 있는 일입니다. 하지만, 제가 이 장면을 보여 드린 것은 한 가지 중요한 점을 지적하기 위해서입니다. 웰스(Wells) 이래로 우리가 보아 온 거의 모든 미래의 모습은 변화가 끝난 상태입니다. 대부분 경우 미래의 사회는 과학, 기술, 정치 조직 면에서 현재 우리 사회보다 훨씬 앞서 있습니다. (마지막 사항은 달성하기 그리 어렵지 않을 듯). 물론, 현재와 미래 사이에 수많은 변화와 그에 따르는 갈등과 혼란이 있어야겠죠. 하지만, 일단 미래에 도달하면 과학, 기술, 사회 구성 모든 면이 거의 완벽한 단계에 이를 것으로 생각하고 있습니다. 저는 이러한 미래상에 대해, 그리고, 과연 과학기술이 더 이상 새로울 것 없는 완성에 도달할 지에 대해 의문을 제기하고 싶습니다. 마지막 빙하기 이후 지난 1만년 남짓 동안 인류의 지식과 기술이 일정단계에서 멈춰 있었던 적은 한번도 없었습니다. 가끔 로마제국 붕괴 이후 중세시대처럼 퇴보한 적은 있었지만요. 3. World pop graph 세계인구는 인류의 기술력과 생명을 보존하는 능력을 재는 척도가 됩니다. 세계인구는 그 동안 꾸준히 증가해 왔습니다. 흑사병 같은 천재지변을 제외하고 말이죠. 지난 200여년간은 인구가 기하급수적으로 늘기 시작했습니다. 인구가 매년 일정 비율로 늘어 난다는 뜻입니다. 현재, 세계 인구 증가율은 약 1.9%입니다. 1.9%라면 별로 높지 않은 것 같지만, 이 대로라면 세계 인구는 40년마다 두 배가 됩니다. 4. 전력 소비량과 과학 논문 최근 자주 사용하는 기술 발전의 척도는 전력 소비량과 과학 논문의 수 입니다. 이 두 가지도 40년에 한번씩 또는 더 자주 2배가 되며 기하급수적으로 늘고 있습니다. 사실, 요즘 사람들은 기대 수준이 워낙 높아져서 정치가들이나 과학자들에게 속는 느낌이 들곤 합니다. 왜냐하면, 아직도 우리 현실은 지상낙원 같은 미래의 모습과 거리가 머니까요. 5. 2001년 예를 들어, 영화 “2001년”에는 달 위의 우주 기지와 사람을 태우고 목성에 가는 우주선이 등장합니다만, 앞으로 3년 내에 그런 일은 못 이룬다고 봅니다. 누가 선거에서 이기든 간에. 과학과 기술의 발전이 가까운 미래에 느려지다가 멈출 것이라는 신호는 없습니다. 적어도 그리 멀지 않은 미래인 스타트렉의 시대까지는 그런 일은 없을 것입니다. 그러나, 현재의 기하급수적 증가가 새 천년 내내 계속될 수는 없습니다. 6. 2600년 지금 추세 대로 2600년에 이르면 지구상에 발 디딜 틈이 없을 만큼 인구가 늘어날 것이고, 전기 소비는 지구 전체가 빨갛게 달아 오를 만큼 많아질 것입니다. 또, 새로 출판되는 책들을 한 줄로 세우기 위해서는 시속 144 킬로미터로 달려야만 할 것입니다. 7. 자동차 만화 물론, 2600년에는 새 예술작품이나 과학 연구는 책이나 논문 대신 전자매체로 출판될 것입니다. 그렇다 하더라도, 기하급수적 증가가 계속된다면, 제가 하고 있는 이론 물리 분야에만 1초에 열 편씩 논문이 쏟아져 나와 도저히 읽을 시간이 없을 것입니다. 현재의 기하급수적 증가가 영원히 계속되지 못할 것은 당연합니다. 그러면, 어떤 일이 벌어질까요? 한 가지 가능성은 핵전쟁과 같은 큰 재난을 통해 인류가 멸망하는 것입니다. 우리가 아직 외계인을 못 만난 이유는 문명이 어느 단계에 이르면 점차 불안정해져서 결국 멸망하기 때문이라는 웃지 못할 이야기가 있습니다. 물론, 어쩌면 많은 사람들이 믿는 것처럼 유에프오(UFO)에 정말 외계인이 타고 있고, 온 정부가 비밀을 지키기 위해 음모를 꾸미고 있는지도 모릅니다. 만일 사실이라면, 정부의 다른 업무보다 훨씬 잘 하고 있음이 틀림없습니다. 저 개인적으로는 외계인을 못 만난 다른 이유가 있다고 생각합니다. 그 점은 나중에 다시 설명하겠습니다만, 우리가 지구상의 모든 것을 파괴할 위험이 있으며 그를 뒷받침하는 기술력이 있다는 사실을 상기시켜드리고 싶습니다. 인류가 완전히 멸망하지 않더라도 미개한 원시시대로 되돌아갈 가능성도 있습니다. 8. 터미네이터 영화 한 장면 하지만, 저는 낙관론자입니다. 저는 인류가 아마겟돈(Armageddon)과 새로운 중세 시대를 충분히 모면할 수 있다고 생각합니다. 그러면, 우리의 과학과 기술은 새 천년동안 어떻게 발전할까요? 대단히 어려운 질문입니다. 천년 전의 학자는 “심판의 날”이 다가왔다고 말했겠지요. 만약 천년을 더 준다면 그 학자는 고대의 세계로 돌아가길 바랬을 것입니다. 그 것이 1800년 정도까지만 해도 문명의 가장 궁극적인 기준으로 여겨졌으니까요. 그러나, 그는 최근 200년간 있었던 과학기술의 폭발적인 발전을 예견하지는 못했을 것입니다. 그래도, 두 번째 천년의 마지막에 살고 있는 사람들은 천년 전 사람들과 그리 다르지는 않습니다. 하지만 서기 3000년에는 완전히 달라질 수도 있습니다. 따라서, 지금 천년 후를 예언하는 것은 천년 전에 사람들이 했던 예언만큼 멀리 빗나갈 지도 모릅니다. 지금 현재의 경향을 통해 추정할 수는 있지만, 과거에서와 마찬가지로 예상치 못했던 일들이 벌어질 것입니다. 이 정도 해 두고, 이제 책임질 수는 없지만 미래에 대한 제 자신의 예언을 말씀 드리겠습니다. 우선 비교적 정확히 예측할 수 있는 향후 100년간에 대해 말씀 드리고 나서 나머지 900년에 대한 과격한 추측을 말씀 드리죠. 지난 400여년간 우주를 지배하는 법칙에 대한 이해는 정말 눈부시게 향상되었습니다. 갈릴레오(Galileo)가 1588년에 그 시작을 열었습니다. 일찍이 아리스토텔레스까지 거슬러 올라가는 “순수한 생각에 의한 연역만으로, 불완전한 경험적 자료의 도움 없이, 우리는 우주의 구조를 이해할 수 있다”라는 관점이 있었는데, 갈릴레오는 이 아이디어에 도전장을 낸 첫 인물이었습니다. 그 때 이후로, 과학은 실험적 증거와 수학적 원리가 앞서거니 뒤서거니 하면서 발전해 왔습니다. 그러나, 점점 더 작은 세계를 관측하고 우주의 시작을 점점 더 자세히 탐지함에 따라 실험적 증거를 얻기는 점점 더 힘들어집니다. 따라서, 우리는 점점 더 수학적인 아름다움과 일관성에 의존할 수 밖에 없습니다. 아리스토텔레스의 실수를 되풀이하지 않게 되길 바랍니다. 갈릴레오와 다른 여러 사람들에 의한 천체 관측은 1679년 뉴튼의 만유인력법칙으로 집대성되었습니다. 마찬가지로, 패러데이(Faraday) 등에 의한 정전기 및 자기 유도 현상은 1875년 맥스웰(Maxwell)에 의해 정리되었습니다. 19세기 말까지는, 이러한 고전역학으로 우주를 완전히 이해할 수 있는 것처럼 보였습니다. 고전역학은 우리의 상식, 말하자면 위치나 속도 등의 물리량이 잘 정의되고 연속적으로 변한다는 상식적인 개념과 잘 맞습니다. 그러나, 상식은 우리가 자라면서 익숙해진 편견의 다른 이름일 뿐입니다. 아리스토텔레스는 상식에 따라 행성들이 원을 그리면서 움직여야 한다고 믿었습니다. 원이 가장 완벽한 모양이기 때문에. 하지만 관측해 보니 행성의 궤도는 타원형이었습니다. 마찬가지로, 상식적으로 에너지는 연속적으로 변한다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 20세기 초에 에너지는 양자(quanta)라고 불리는 묶음으로 나눠진다는 사실이 관측되기 시작했습니다. 자연은 연속적이지 않고 낱알처럼 보입니다. 양자역학이라고 불리는 새로운 이론이 1920년대에 만들어졌습니다. 양자이론은 현실세계를 완전히 다른 모습으로 그려내므로 우리 모두의 관심사입니다. 그러나, 물리학과 화학 이외의 분야에서는 거의 알려진 바가 없고, 심지어 이 분야 사람들 중 상당수도 제대로 이해를 못하고 있습니다. 그래도 만약 제가 기대하는 것처럼 기초과학이 일반 대중들 의식의 일부가 된다면 지금 양자역학의 모순처럼 보이는 것들은 아마 우리의 손자들 대에서는 상식의 일부가 될 것입니다. 9. 시카고 컵스(Chicago Cubs)의 우승 확률은 조금 낮겠지만, 미국 프로야구에서 시카고 컵스 팀이 우승하는 역사도 있어야만 합니다. 하지만, 큰 규모의 자연계는 마치 야구 경기와 같아서 어떤 특정 역사에 확률이 몰리게 되고, 따라서 불확정성이 거의 없게 됩니다. 그러나, 개별 입자와 같이 아주 작은 크기에서는 불확정성이 매우 크게 됩니다. 예를 들어, 어느 순간에 한 입자가 A점에 있다는 것을 정확히 안다면, 잠시 후에 그 입자는 어디에나 있을 수 있습니다. 10. 모든 역사에 대한 합 그 입자를 B점에서 발견할 확룰을 계산하려면, A점과 B점을 잇는 모든 경로 또는 역사에 대한 확률을 다 더해야 합니다. 모든 역사에 대해 확률을 더한다는 아이디어는 미국의 물리학자이자 한때 봉고 드럼 연주가였던 리차드 파인만 (Richard Feynman)이 고안한 것입니다. 한 입자가 경험할 수 있는 역사는 빛보다 빨리 가거나 심지어 시간을 거슬러 올라가는 경로까지도 포함합니다. 누가 지금 타임머신의 특허등록을 내러 뛰어나가기 전에, 적어도 보통 상황에서는 이 현상을 이용해 시간여행을 할 수는 없다는 것을 알려 드립니다. 그렇다고 해서, “시간에 거슬러 올라가는 경로” 라는 개념이 귀신 씨나락 까 먹는 소리는 아닙니다. 그런 경로 마저 더하는 것은 실제로 관측 가능한 결과를 냅니다. 11. 가상입자 빈 공간도 사실은 닫힌 고리 위를 돌아가며 움직이는 입자들로 가득 차 있습니다. 고리의 한 쪽에서는 시간 흐르는 방향으로 가고, 다른 한 쪽에서는 시간을 거슬러 올라간다는 말입니다. 이러한 입자들을 가상입자(virtual particle)라고 부르는데, 왜냐하면 입자 탐지기로 직접 측정할 수 없기 때문입니다. 하지만, 가상입자의 효과를 간접적으로 잴 수는 있습니다. 12. 카시미르(Casimir) 효과 가상입자의 효과를 재는 한 방법은 두 개의 금속판을 가까이 갖다 놓는 것입니다. 두 금속판 사이의 공간에는 바깥에 비해 상대적으로 적은 가상입자가 살게 되는데, 그러면 금속판 안쪽 보다 바깥쪽을 때리는 가상입자가 더 많게 됩니다. 결과적으로 두 금속판을 끌어 당기는 힘을 약간 느낄 수 있습니다. 터키의 물리학자 카시미르에 의해 처음 예측된 이 힘은 실험에서도 관측되었습니다. 따라서, 우리는 가상입자가 존재한다고 자신 있게 말할 수 있습니다. 여기서 한가지 설명하기 곤란한 점은, 시간과 공간상에 무한히 많은 점들이 있기 때문에 가상입자 역시 무수히 많다는 것입니다. 앞에서 두 금속판 사이의 힘을 계산할 때 이 점이 문제가 되지 않았던 것은, 안쪽과 바깥쪽 모두 무한히 많은 가상입자가 있기 때문입니다. 적어도 이 경우엔 두 무한대의 차이를 계산해서 유한한 답을 정확히 내는 방법이 잘 정의되어 있습니다. 이는 약간 미국의 예산과 비슷합니다. 정부의 세입과 지출 모두 매우 큰 액수이고 보통 사람들에겐 무한히 많아 보입니다. 하지만, 조심스럽게 예산을 집행하면, 세입에서 지출을 빼고 약간의 흑자를 볼 수 있습니다. 적어도 다음 선거 전까지는 말이죠. 무한히 많은 가상입자가 정말 심각한 문제를 일으킨 것은, 사람들이 양자역학과 아인슈타인의 일반상대론을 결합하려고 시도하면서부터 입니다. 일반상대론은 양자역학과 더불어 20세기 초의 위대한 과학 혁명을 일으켰습니다. 일반상대론에 따르면, 시간과 공간은 평평하지 않습니다. 한때 사람들이 지구는 평평하다고 믿었던 것과 마찬가지죠. 시공간은 그 내부의 물질과 에너지에 의해 휘어지고 일그러집니다. 무한히 많은 가상입자들은 무한히 큰 에너지를 갖게 되고 그 때문에 시간과 공간은 한 점으로 뭉쳐버릴 것입니다. 이 무한한 에너지 문제를 해결하기 위해서는 상당히 기막힌 계산법이 필요합니다. 그 핵심은 초대칭성(supersymmetry)이라고 불리는 자연계의 새로운 대칭 또는 균형인데, 1971년에 처음 제안되었습니다. 아이디어를 설명하자면, 우리가 흔히 아는 시공간의 차원 외에 소위 그라스만(Grassmann) 숫자라는 다른 숫자로 세는 차원이 더 있다는 것입니다. 물론, 우리 우주 바깥의 차원은 오래 전부터 공상과학소설에 등장하는 소재입니다. 하지만, 그 어떤 공상과학소설에서도 그라스만 차원 같이 희한한 것을 생각해 낸 적은 없습니다. 13. 보통 숫자 보통 숫자들의 곱셈에서는 곱하는 순서를 바꿔도 같은 답을 얻습니다. 6 곱하기 4나 4곱하기 6이나 같죠. 14. 그라스만(Grassmann) 숫자 그러나 x 곱하기 y가 -y 곱하기 x 와 같다는 면에서 그라스만숫자는 (마치 기함수처럼) 기수라고 할 수 있습니다. 이러한 추가적인 기수차원의 존재는 모든 입자들이 각각 그 초대칭짝이 있음을 의미합니다. 이 초대칭짝들 역시 닫힌 고리를 만들 수 있습니다. 그러나 원래 입자들의 닫힌 고리에 비해서 초대칭짝의 닫힌 고리는 반대 부호의 에너지를 가지고 있습니다. 따라서 총 에너지는 서로 상쇄되는 경향이 있습니다. 그러나 여러분도 아시다시피 회계장부의 대차대조를 맞추는 것이 그리 쉬운 일은 아닙니다. 비록 큰 적자를 없애더라도 작은 적자들은 여전히 자꾸 나타나는 나쁜 습성을 가지고 있습니다. 지난 20년간 이론물리학자들은 주로 이 무한대 양들이 완벽하게 소멸되는 이론을 찾아 왔습니다. 그렇게 되어야만 우리는 진정으로 양자론과 아인슈타인의 중력이론을 통합할 수 있고 우리는 우주의 기본 법칙에 관한 완전한 이론을 얻을 수 있습니다. 이 완벽한 이론을 이번 새 천년 안에 찾을 전망은 어느 정도일까요? 저는 그 전망이 매우 좋다고 말하겠습니다만, 저야 낙관주의자 이지요. 1980년에 저는 이 이론을 20년 안에 찾을 확률이 50:50 이라고 말했습니다. 그러나 그 동안의 기간동안 주목할 만큼 많은 진보가 있어왔지만 최종이론에 도달하기 위해 우리가 가야 하는 거리는 별로 달라지지 않은 듯 합니다. 물리학의 성배와도 같은 최종이론은 항상 우리 능력 밖에 있는 것일까요? 저는 아니라고 생각합니다. 20세기 초 우리는 1 mm의 수 백분의 일 정도인 길이 까지에 해당되는 고전물리학의 영역에서 자연이 어떻게 움직이는 지를 이해했습니다. 20세기의 첫 삼십년 동안 원자물리학을 연구한 결과 우리는 1mm의 백만분의 일 길이까지 이해의 영역을 넓혔습니다. 15. 근접할 수 있는 가장 작은 크기 그 이후 핵 및 입자 물리학 연구를 통해 우리는 원자물리적 길이의 일조분의 일에 해당되는 영역까지 이해할 수 있었습니다. 이 상황까지를 보면 우리는 점점 더 작은 길이로 영원히 내려가야 하는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 마치 러시아 인형 속에 더 작은 인형들이 계속 들어있는 듯 해도 언젠가는 끝이 있듯이, 이 과정에도 끝이 있습니다. 16. 아홉겹의 러시아 인형 러시아 인형을 계속 열다 보면 결국 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 인형이 있습니다. 물리학에서의 가장 작은 러시아 인형은 플랑크 길이라고 불리며, 이것은 1 mm를 10만조의 조의 조로 나눈 길이에 해당합니다. 17. 플랑크(Planck) 길이 이렇게 작은 길이까지를 측정할 수 있는 입자가속기를 곧 만들 수는 없습니다. 그런 가속기가 있다면 그 장치는 태양계보다도 커야만 하는데 현재의 경제 상황에서 그런 장치의 건설이 허가 될 리는 없습니다. 그러나 현재 이론의 예측들을 검증하는 데는 이보다 훨씬 더 소박한 장치면 충분합니다. 이러한 예측들 중 가장 중요한 것은 초대칭성이며, 그것은 아인슈타인의 일반상대론과 양자론을 통합하려는 대부분 시도들의 핵심적 요소입니다. 초대칭성은 앞서 언급했듯이 초대칭 짝들을 찾음으로써 검증할 수 있습니다. 미국 텍사스주에 건설중이던 초전도 초가속기 (SSC)는 이 초대칭 짝들이 발견되리라 기대되는 에너지 대역에 이를 수 있었습니다. 18. 계획의 취소 그러나 미국 정부는 예산 부족이라 판단을 하고 그 계획을 절반쯤에서 취소하였습니다. 저는 이것이 매우 근시안적인 결정이었다고 생각합니다. 새 천년에는 미국을 비롯한 여러 나라들이 더 좋은 결정을 내려주기를 바랍니다. 초대칭성은 궁극적으로는 스위스 제네바의 CERN 가속기에서 검증될 것입니다. 그러나 플랑크 길이를 직접 관측할 수 있는 실험은 불가능할 것입니다. 지구상에서 얻을 수 있는 가장 짧은 길이와 가장 높은 에너지를 넘어서는 관측을 위해서 우리는 빅뱅을 연구합니다. 그러나 많은 부분에 있어 우리가 최종적인 “모든 것의 이론”을 찾기 위해서는 수학적인 미와 정합성에 의존할 수 밖에 없습니다. 저는 금세기 말까지는 우리가 이 이론을 찾을 수 있다고 확신하며 어쩌면 더 빠를 수도 있다고 생각합니다. 반반의 확률로 저는 지금부터 20년 안에 이 이론을 찾을 수 있다고 봅니다. 우주를 지배하는 근본 법칙의 이해에 있어서는 고도로 발전하여 더 이상 발전할 것도 없는 스타트렉 같은 미래가 올 수도 있습니다. 그러나 이 궁극적 이론의 응용에 있어서는 더 발전할 것도 없는 상태가 올 것이라고 결코 생각하지 않습니다. 그러나 몇몇 영역에서는 자연의 한계가 있을 수 있습니다. 예를 들자면 궁극적 이론은 거시적 물체가 빛보다 빨리 가는 것을 허용치 않을 것으로 보입니다. 이것이 사실이라면 공상과학 소설에 나오는 순간 이동과 같은 기술의 희망은 접어야 할 것이며 로켓을 이용한 느리고 지루한 여행을 해야 할 것입니다. 그러나 궁극적 이론은 우리가 만들어 낼 수 있는 시스템들의 복잡성에는 한계를 두지 않을 것이며, 저는 새 천년의 가장 중요한 발전들이 복잡성에 근거할 것이라고 생각합니다. 지금까지 우리가 보아온 가장 복잡한 체계는 우리 자신의 몸입니다. 생명은 40억년 전 지구를 덮고 있던 원시 바다에 기원을 둔 듯 합니다. 이런 일이 어떻게 일어났는지, 우리는 모르고 있습니다. 아마도 원자들 간의 무질서한 충돌이, 스스로를 복제하고 좀 더 복잡한 구조를 이룰 수 있는 거시적 분자들을 만들어 냈을 수 있습니다. 우리가 아는 것은 35억년 전에 매우 복잡한 분자인 DNA가 등장했다는 것입니다. 19. 이중 나선

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