# “이런 젠장, 기차가 우리 쪽으로 돌진하고 있잖아. 비키라고 얼른.” 1895년 12월 28일 오후 9시 프랑스 파리 그랑카페에는 사교계 남녀 33명이 뤼미에르 형제가 재미있는 볼거리를 공개한다고 해서 입장료 1프랑을 내고 앉아 있었다. 카페가 어두워지면서 갑자기 앞에서 말이 짐수레를 끌고 다가오고 열차가 역으로 들어오는 모습이 보였다. 관객들 중 일부는 열차와 짐수레가 실제로 돌진해 오는 것으로 착각해 놀라 카페 밖으로 뛰쳐나가기도 했다. 이날 공개한 ‘시오타역으로 들어오는 열차’라는 3분짜리 동영상은 가장 대중적 예술 ‘영화’의 시작이었다. 지난 10일(한국시간) 열린 제92회 미국 아카데미 시상식에서 ‘기생충’이 작품상, 감독상, 각본상, 국제장편영화상 4개 부문을 휩쓸어 이번 주는 말 그대로 한국영화사를 새로 쓴 역사적인 한 주로 기록됐다. 영화는 19세기 말 연극, 서커스, 동물원 이외에 새로운 오락거리를 원했던 대중들의 요구와 움직이는 사진에 관심이 많았던 과학자와 발명가들이 내놓은 다양한 장치들 덕분에 자연스럽게 등장하게 됐다.기계문명의 발달과 함께 등장한 영화는 뇌가 사물을 인지하는 원리를 가장 잘 활용한 분야로 평가받고 있다. 망막은 사물을 한 장의 스틸 사진처럼 인식한다. 망막에서 받아들인 스틸 사진들을 동영상처럼 느끼도록 하는 것은 뇌의 잔상 효과 때문이다. 1740년 독일 수학자이자 물리학자인 요하네스 안드레아스 폰 제그너는 어둠 속에서 붉게 타는 석탄을 끈에 매달아 빠른 속도로 돌리면 연속된 빨간 원으로 보이며 이때 눈의 잔상 효과는 0.1초가량 지속된다는 사실을 측정했다. 비슷한 시기에 프랑스 과학자 파트리스 달시도 잔상 효과의 지속 시간을 측정했는데 그는 0.143초라고 주장했다.실제로 뇌는 어두운 곳에서 밝은 화면이 일정한 속도로 빠르게 지나가면 연속적 움직임으로 인식한다. 영화가 시작될 때 상영관 안을 어둡게 하는 것도 잔상 효과를 극대화하기 위한 것이다. 영화는 초당 24장의 사진이 빠르게 지나가도록 해 관객들의 뇌를 속이고 있는 것이다. 또 최근 들어 3D, 4D 등 다양한 입체영화들이 개봉되고 있다. 4D 영화는 3D 영상에 촉각이나 후각을 자극하는 기술을 덧입힌 것이니만큼 입체영화의 기본은 3D 영화다. 망막에 맺히는 2차원 평면 이미지를 뇌가 3차원 입체로 인식하도록 만드는 원리는 여러 가지가 있지만 3D 영화는 ‘양안(兩眼)시차’ 원리를 이용하고 있다. 사람의 두 눈은 6~6.5㎝가량 떨어져 있기 때문에 왼쪽 눈과 오른쪽 눈이 보는 이미지가 약간의 차이를 보이는데, 뇌에서는 이 둘을 합성해 인식하는 것이 양안시차다. 초창기 입체영화는 파란색과 빨간색으로 찍고, 관객들은 파란색과 빨간색 셀로판지를 붙인 적청(赤靑)안경을 쓰고 양쪽 눈이 다른 색의 영상을 보도록 함으로써 입체감을 느끼게 했다. 그렇지만 화질이 조악하고 입체 완성도도 떨어져 관객들의 외면을 받았다. 그러나 최근 기술 발달로 사람의 두 눈 간격과 각도와 비슷하게 영상을 촬영하고 관객들은 왼쪽과 오른쪽 렌즈가 각각 수직과 수평인 빛을 통과하지 못하도록 한 편광필터가 장착된 특수안경을 끼고 한층 세련된 입체영화를 즐길 수 있게 됐다. 과학자들은 “영화는 새로운 기술을 시험하기 가장 좋은 예술 영역”이라면서 “가까운 시일에 가상현실(VR)·증강현실(AR), 인공지능(AI) 기술이 영화에 접목되면 지금처럼 관객이 일방적으로 보는 형태가 아니라 관객과 배우가 직접 소통하고 영화 속에 들어가 직접 체험하며 즐기는 방향으로 진화하게 될 것”이라고 예측하고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

지난해 5월 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 이끄는 스페이스X가 스타링크 위성 60기를 탑재한 팰컨9 로켓을 쏘아올렸다. 전 세계에 사각지대가 없는 무료 인터넷망을 구축하겠다는 머스크의 원대한 ‘우주 인터넷망’ 계획의 일환으로 많은 이들의 찬사를 받았다. 이후 스페이스X 측은 3차례 더 로켓을 발사해 현재 총 240여개의 스타링크 위성이 우리 머리 위에 떠있다. 그러나 스타링크 계획을 모두 환영하는 것은 아니다. 특히 전세계 천문학계가 발칵 뒤집혔다. 우주 인터넷망 구축에 지나치게 많은 위성이 군집을 이뤄 천체 관측에 장애를 주고 전파방해를 초래할 수 있다는 주장 때문이다. 한마디로 지구촌 누구나 '밤하늘을 볼 권리'를 침해하고 있다는 것. 실제로 스페이스X는 지구촌의 인터넷 사각지대를 모두 커버하는 원대한 우주 인터넷 구상을 실현하기 위해 총 1만 2000개의 위성을 띄울 예정이다. 여기에 지난 7일(현지시간) 세계적인 통신회사 원웹 역시 스타링크와 같은 목적으로 인터넷 위성 34개를 하늘로 보냈다. 원웹은 2021년까지 총 648개 위성을 띄워 전세계에 무선 인터넷을 공급한다는 계획이다.또한 IT 공룡인 아마존 역시 전세계에 초고속 인터넷을 제공하기 위해 3000개 이상의 위성으로 네트워크를 구축할 계획이다. 이 때문에 일각에서는 오는 2029년이면 지구 궤도를 도는 인공위성이 무려 5만 7000개에 달할 것이라는 전망도 내놓고 있어 과장하면 하늘이 위성으로 가득찰 판이다. 이에 전세계 천문학계가 먼저 반발하고 나선 것은 당연한 일이다. 영국 임페리얼 칼리지 런던 천문학자인 데이브 클레멘트는 "밤하늘은 누구나 볼 수 있는 공유물"이라면서 "스타링크와 같은 수많은 위성은 잠재적 위험 소행성이나 퀘이사 등 관측의 모든 것을 방해한다"고 주장했다. 이탈리아 토리노 천체물리학관측소의 로널드 드리믈도 “스타링크 위성 군집의 잠재적 위협은 인류가 우주를 바라보는 데 큰 도전을 받게 된다는 것을 의미한다”며 “하늘을 망치는 결과를 가져올 수 있다”라고 경고했다.영국 서섹스대학 천체물리학자 대런 배스킬은 “스타링크 위성은 예상했던 것보다 훨씬 밝다”면서 낮은 궤도에서 너무 밝은 빛을 발산함으로써 대형시놉틱관측망원경(LSST) 등 천체 망원경을 무용지물로 만들 수 있다고 우려했다. 또한 호주 플린더스대학 연구자 앨리스 고먼은 “스타링크 위성이 10.7~12.7GHz 밴드의 주파수를 사용하는데, 많은 학자가 전파 천문학 연구에 쓰는 주파수와 중첩된다”면서 “매일매일 주파수 대역을 놓고 싸움을 벌여야 할지 모른다”고 지적했다. 그러나 이같은 천문학계의 우려에도 무료 혹은 값싼 인터넷망을 인류에게 제공한다는 명분으로 하나 둘 씩 하늘을 차지할 위성은 늘어나고 있다. 곧 인류는 아름다운 별자리 대신 유명 애니메이션 은하철도999가 연상되는 스타링크 기차를 보며 탄성을 지를 날이 멀지 않았다는 뜻이다. 　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr　

와인은 다른 어떤 음료보다도 다양하다. 와인을 좀 안다는 사람은 온갖 품종에 대해 이야기하고 품종에 따라 다른 형태의 잔을 사용해야 한다고 말한다. 그리고 와인 향을 제대로 즐기기 위해서는 와인을 적당히 따르고 그것을 잘 돌려서 향이 살아나게 해야 한다고 한다. 이렇게 와인잔을 돌리는 것을 스월링이라고 하는데 마구 세게 흔들면 안 되고 우아하게 잘 흔들어야 한다. 와인에는 왜 이런 우아함이 필요한 것일까. 여기서 물리학자는 다음과 같은 질문을 하게 된다. 와인잔을 돌리는 것은 분명 물리학적인 현상인데 어떤 회전 속도로 돌려야 하는지, 그리고 잔의 형태에 따라 돌리는 속도를 달리해야 하는지 등이다. 즉 에티켓을 지키기 위해서 필요한 물리학적 변수는 무엇인가 하는 것이다. 향이 중요한 부르고뉴의 피노누아는 매우 넓은 잔에 따른다. 반면 소비뇽 블랑 같은 화이트와인은 보다 폭이 좁은 잔이 적합하다고 한다. 그럼 이렇게 다른 모습의 와인잔을 돌리는 속도도 달라야 하는지 궁금해진다. 여러 가지 와인을 동시에 비교 시음할 때는 테이스팅 잔이라는 보다 작은 잔을 사용하는데 여기에는 와인을 조금 따르고 세차게 흔드는 것을 보게 된다. 더 깊은 향을 찾아내려고 이렇게 하는 것일까. 다양한 현상들에서 공통적인 법칙을 찾으면 개별적인 것을 외울 필요 없이 하나의 공식으로 정리할 수 있다는 것을 물리학자들은 지난 수백년 동안의 성과를 통해 익히 잘 알고 있다. 대포를 쏠 때 날아가는 거리를 대포의 각도에 따라 하나하나 개별적으로 외우는 대신 하나의 공식을 유도함으로써 쉽게 파악할 수 있는 것과 같은 이치이다. 경험적으로 큼직한 잔은 더 천천히 돌리게 되고 작은 잔에 담긴 것은 더 빨리 돌려야 한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 시험관에 담긴 용액을 돌리기 위해서는 사람이 하기에는 벅찬 속도로 돌려야 하고 반면에 국사발을 시험관만큼 세차게 돌리면 다 넘치게 된다.이런 호기심과 관련해 2011년 스위스 로잔연방공과대의 연구진은 와인잔에 담긴 액체에 대한 다양한 실험을 해 구체적인 공식을 발견했다. 최적의 스월링을 위한 회전속도는 와인잔의 지름과 상관이 있다는 것을 특정한 공식으로 구체화한 것이다. 좁은 잔은 더 빨리 회전해야 하는 것이다. 이는 식품공학 등에서 대규모로 용액을 섞어야 할 때도 곧바로 응용될 수 있을 것이다. 그럼 거품이 있는 맥주잔을 돌리면 어떤 현상이 일어날까. 2018년 프랑스에서는 놀랍게도 일정 양 이상의 거품이 덮여 있는 맥주잔에서는 조건이 갖춰지면 잔을 돌리는 것과 반대 방향으로 거품이 돈다는 것을 발견했다. 회전운동은 회전력을 주는 방향으로 일어나야 하는 것이 물리법칙인데 마치 물리법칙을 위배하는 것처럼 보이는 이런 현상은 도대체 어떻게 가능한 것일까. 사실 거품과 잔의 유리에 마찰이 있어 그 마찰력 때문에 거품이 반대로 도는 것이다. 이런 현상은 우유 거품이 덮여 있는 라떼에서도 재현할 수 있고, 알갱이가 떠 있는 액체에서도 조건이 맞으면 재현할 수 있다. 세상의 이치는 어떻게 보면 매우 단순하다. 그리고 그것을 응용하는 것도 쉽게 가능하다. 그래서 이런 이치를 이해하면 세상을 꿰뚫어 볼 수 있는 눈이 생긴다. 그런데 보다 복잡하고 얽혀 있는 사회도 인간의 마음의 이치를 깨달으면 꿰뚫어 볼 수 있는 날이 있을까.

스피처 우주망원경이 오는 30일 최종 관측을 마치고 자외선으로 미지의 우주를 스캔한 16년의 장대한 미션에 종지부를 찍게 된다. 미 항공우주국(NASA)의 적외선 우주망원경 스피처는 원래 2년 반 동안 작동하도록 설계되었으나, 계획된 임무를 완수한 뒤에도 지금까지 11년 넘게 관측 활동을 이어왔다. 그러나 지구를 뒤따라가듯 태양 궤도를 도는 스피처가 지구에서 점점 더 멀어지면서 통제가 어려워져 탐사 임무가 비정상적으로 종료되는 것을 피하기 위해 오는 30일 가동 스위치를 영구적으로 끔으로써 영면에 들게 된다. 스피처는 현재 지구-달 거리의 600배에 달하는 약 2억 5400만㎞ 거리에 있다.우주망원경의 필요성을 처음으로 주창한 미국 천체물리학자 라이먼 스피처(1914~1997)의 이름을 딴 이 망원경은 이런 역경에도 지난 16년간 혁혁한 성과를 냈다. 스피처는 허블 우주 망원경과 찬드라 X선 우주망원경의 뒤를 이어 NASA의 4대 관측소 중 하나로 2003년 8월에 발사되었다. NASA는 오는 22일 오후 1시(미국동부시간)에 스피처의 위대한 업적을 축하하는 기자회견을 열 예정이다. 시청자들은 스페이스닷컴(Space.com)이나 NASA의 유튜브 페이지를 통해 직접 이벤트를 볼 수 있다. 스피처는 적외선으로 관측을 수행하는 망원경으로, 기기가 극저온을 유지해야 기능을 발휘할 수 있다. 극저온을 유지하기 위해서는 액체 헬륨을 이용해 기기를 냉각한다. 적외선 관측의 기능은 가시광선을 사용하는 망원경과는 달리 산란이 적은 적외선으로 우주 먼지를 뚫고 대상을 관측할 수 있다.따라서 스피처 망원경을 통해 과학자들은 별과 행성의 형성이 진행되고 있는 우주의 먼지가 많은 지역을 연구할 수 있었을 뿐 아니라, 별이 죽어가는 과정과 거대한 블랙홀이 어떻게 다른 천체들을 먹어치우는지 대한 통찰을 제공했다. 16년 미션에서 스피처는 우주 곳곳에 숨어 있는 천체들의 장막을 거둬 토성 주변에서 새로운 고리를 발견했으며, 가장 멀리 있는 은하 중 하나를 찾아냈다. 지난 2017년에는 지구에서 가장 가까운 별인 ‘트라피스트(TRAPPIST)-1’이 7개의 행성을 가진 것을 확인하기도 했다. NASA가 2021년에 발사할 예정인 ‘제임스 웹 우주망원경'(JWST)은 스피처와 같은 파장의 빛을 관측하게 된다. 망원경 거울이 스피처의 7.5배에 달해 고해상도로 더 멀리 있는 천체를 관측할 수 있게 됨으로써 스피처가 놓쳤던 부분에 대한 후속 관측이 이뤄질 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

과학자들은 지금까지 수천 개 이상의 외계 행성을 찾아냈다. 이 가운데 2008년 발견된 'WASP-12b'는 뜨거운 목성형 가스 행성으로 많은 연구를 통해 흥미로운 사실이 알려져 있다. WASP-12b와 모항성과의 거리는 343만㎞ 정도로 공전 주기도 26시간에 불과하다. 따라서 표면 온도는 섭씨 2,600도에 달한다. WASP-12b는 모항성에 너무 가까워서 뜨거워진 뜨거운 목성형 행성의 대표적인 사례다. 후속 연구를 통해서 밝혀진 놀라운 사실은 목성 질량의 1.4배 정도 되는 가스 행성임에도 불구하고 목성과 달리 매우 어둡다는 것이다. 이는 표면에 풍부한 탄소 때문으로 산소보다 탄소가 훨씬 풍부한 것으로 밝혀진 첫 번째 외계 행성이기도 하다. 이 행성의 알베도(Albedo·행성 등 천체 빛의 반사율)는 0.064로 들어온 빛의 6.4%만을 반사해 아스팔트처럼 어두운 표면을 갖고 있다. 미국 프린스턴 대학 천체 물리학자들은 WASP-12b의 불안한 미래를 예측했다. 연구팀은 이 행성이 모항성과의 중력과 조석 작용에 의한 마찰력으로 점점 가까워져 천문학적인 관점에서 짧은 시간인 300만 년 이내에 파괴될 것으로 예측했다. 행성이 모항성의 중력에 의해 파괴되는 로슈 한계(Roche limit)에 도달하기 때문이다. 행성에 작용하는 별의 중력은 당연히 가까운 쪽이 더 크고 멀어질수록 작아진다. WASP-12b는 지구와 달처럼 행성의 한쪽 면만 별을 향한다. 별에 가까운 부분에 작용하는 중력과 반대쪽에 작용하는 중력의 차이가 점점 커지면 결국 행성을 양쪽으로 잡아당기는 힘이 된다. 이 힘이 너무 커지면 행성이 산산조각이 나는데, 그 거리가 바로 로슈 한계다. 파괴된 행성의 잔해는 고리 모양으로 별 주변에 존재했다가 시간이 지나면 서서히 사라진다. 이런 식으로 행성 혹은 위성이 파괴되는 일은 생각보다 흔하다. 비록 태양계에는 가까운 미래에 파괴될 행성은 없지만, 앞으로 파괴될 위성은 존재한다. 화성의 위성 포보스의 경우 3000~5000만 년 후에는 결국 파괴되어 고리를 형성할 것으로 예상된다. 토성의 고리 역시 과거 파괴된 위성의 잔해 중 일부라는 가설이 있다. 생자필멸의 법칙은 누구도 벗어날 수 없다. 모항성에서 안전하게 멀리 떨어진 행성이라도 별의 수명이 다해 적색거성이 되어 부풀어 오르는 과정에서 모항성으로 흡수되거나 혹은 본래 궤도에서 밀려나서 떠돌이 행성이 될 수 있다. 우리 지구도 예외는 아니지만, 다행히 300만 년 후가 아닌 50억 년 후의 미래의 일이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com　

아인슈타인 이후 20세기 최고의 천재 물리학자로 평가되는 미국의 리처드 파인만은 1965년 양자전기역학 이론으로 노벨 물리학상을 수상했지만 양자역학에 대해 다음과 같은 말을 남겼다. “양자역학을 정말로 이해하는 사람은 단 한 명도 없다고 말할 수 있다.” 이 선언은 곧, 인간의 지능으로는 양자의 세계를 완벽하게 이해할 수 없다는 고백에 다름아닌 셈이다. 그렇다면 양자란 과연 무엇이며, 양자의 세계란 대체 어떤 곳일까? 양자(量子·Quantum)라는 말의 어원은 라틴어로 ‘단위’라는 뜻이다. 양자론에 따르면, 에너지와 물질들은 연속적인 양이 아니라 모두 띄엄띄엄한 최소 단위의 덩어리인 양자로 이루어져 있다. 빛 역시 양자의 묶음이며, 광자(光子)는 전자기장의 양자이다. 요컨대, 세계는 우리가 눈으로 보듯이 연속적인 것이 아니라 불연속적이라는 말이다. 고대 그리스인들이 신화를 버리고 우주에 대한 합리적인 이해를 추구한 이래로 가장 의미심장한 관점의 변화이자 20세기 과학의 위대한 발견으로 일컬어지고 있는 있는 ‘양자이론’은 실제 우리 생활과 무슨 관계가 있을까? 한마디로 말해 현대문명을 거의 떠받치고 있다 해도 과언이 아닌데, 먼저 현대사회를 지탱하고 있는 컴퓨터는 양자역학이 없이는 존재할 수 없는 것이다. 컴퓨터의 필수 부품인 반도체가 바로 양자역학의 산물이며, 스마트폰, 전자레인지, 원자력, MRI 장치 등이 모두 양자역학에서 나온 것들이다. 이처럼 양자역학은 상대성이론과 함께 현대 물리학의 기둥을 이루고 있을 뿐만 아니라, 철학, 문학, 예술 등 여러 분야에 크나큰 영향을 미친 중요한 이론으로 꼽힌다. 세계는 ‘확률’로 이루어져 있다 원자를 구성하는 전자 같은 아원자 입자들은 한순간에 여기 있다가도 다음 순간에는 저기에서 발견되는 등 정해진 자리가 없다. 심지어 어떻게 움직이는지 조차 알 수 없다. 우리가 알 수 있는 것은 어느 영역에서 전자가 발견될 확률뿐이다. 이 확률이란 전자의 위치나 이동경로가 관찰하기 전까지 어느 한곳에 결정되어 있다는 뜻은 아니므로, 하나의 전자는 우주 어느 곳에나 존재할 가능성이 있고 우주 어느 곳으로나 이동할 수 있다는 것이다. 심지어 안드로메다 은하에서 나타날 확률도 0는 아니다. 이는 우리의 인식이 불완전한 것이라 전자의 위치나 이동경로를 정확하게 알 수 없다는 뜻이 아니라, 이 세계가 ‘확률’로 이루어져 있다는 새로운 20세기 과학철학이다. 뉴턴은 자연을 하나의 거대한 기계, 즉 인과적이고 결정론적인 관계들에 따라 움직이는 거대한 기계와 같다고 생각했다. 뉴턴이 보기에 이 우주는 신의 완벽한 창조물로서 규칙적이고 조화로운 존재자이며, 따라서 자연법칙에 의해 언제나 정확하고 완벽하게 예측될 수 있는 것이다. 곧, 뉴턴 역학은 핵심은 자연에 존재하는 모든 것은 이미 결정되어 있다는 결정론을 견지한다. 그런데 20세기 초에 새로이 등장한 양자 이론은 이러한 믿음들을 근본부터 뒤흔들어 놓았다.양자론의 개척자 닐스 보어에 의하면, 전자의 ‘실재’가 무엇인가 묻는 그 자체는 의미가 없다고 말한다. 그 ‘실재’가 과연 무엇인지 물리학이 설명해주지 못하지만, 자연에 대한 우리의 견해만은 제공해준다고 믿는 보어는 하나의 원자가 두 곳에 동시에 존재할 수도 있으며, 결과가 원인보다 먼저 일어날 수도 있는 것이 양자의 세계라고 주장한다. 나아가 그는 “우주의 삼라만상이 우리가 그것을 관측했을 때 비로소 존재한다”면서 심지어 달까지도 그렇다고 주장했다. 그 자신의 광양자(光量子) 가설을 통해, 빛이 실재하는 입자로 구성되어 있음을 증명하여 양자론에 주춧돌 하나를 놓았던 아인슈타인은 그러나 두 가지 이유를 들어 양자 이론 자체를 늘 못마땅하게 생각했다. 양자 이론에 따르면 우연 또는 확률, 곧 예측 불가능성이 이 우주를 지배하게 된다. 즉, 양자 이론은 비록 우리가 우주의 현재 상태를 완벽하게 알고 있다 하더라도, 미래의 상태가 무엇인가에 대해서는 오직 확률적 예측만이 가능하다고 주장한다. 이는 결정론적 사고에 대한 전면 부정이다. 또한 올바른 과학 이론이라면 우주를 실재하는 그대로 완벽하게 그려낼 수 있어야 하는데, 양자 이론은 그러지 못하다는 것이다. 현재 상태를 우리가 정확히 알고 있다 하더라도, 미래의 상태에 대해서는 오직 확률적인 예측만이 가능하다는 양자론의 비결정론적 주장에 대해 아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로 이에 강하게 반발했으며, 보어는 “신에게 이래라 저래라 하지 마세요”라며 반박했다. ‘숲속 큰 나무는 쓰러져도 소리가 나지 않는다’ 18세기 영국의 경험론 철학자 조지 버클리는 ‘존재하는 것은 지각된 것이다’고 말했는데, 이는 곧 ‘지각되지 않으면 존재하지 않는다’는 뜻과 같은 말이다. 그는 또 다음과 같은 유명한 말을 남겼다. “아무도 없는 숲에서 큰 나무가 쓰러지면 소리가 나지 않는다.” 이 말 역시 ‘아무도 보지 않으면 큰 나무는 쓰러진 것이 아니다’는 뜻이기도 하다. 보어는 이 버클리의 관점을 양자론에 적용해, “어떠한 사물도 관측되기 전에는 존재하지 않으며, 따라서 특성이란 것도 없다”고 주장하며, 이것이 양자론의 특성을 이해하는 지름길이라 주장했다. 이 같은 보어의 주장에 철학자들은 분개하며 물리학자들이 사물에 대해 너무 단순한 생각을 가지고 있다고 보는 반면, 양자론자들은 철학자들이 물리적인 세계에 대해 너무나 무지하다고 생각했다. 보어에게 배웠던 미국 물리학자 존 휠러는 심지어 “철학은 너무나 중요한 것이기 때문에 철학자들에게만 맡겨둬서는 안된다는 생각이 든다”고 말하기까지 했다. ‘보지 않으면 없는 것이다.’ 50년대 초 프린스턴 고등연구소 시절, 아인슈타인은 가까운 젊은 후배 물리학자 에이브러햄 파이스에게 이렇게 물었다. “자네는 정말 자기가 달을 쳐다봤기 때문에 달이 거기 존재한다고 믿는가?” 아인슈타인은 후배에게 위안이 되는 답을 기대했겠지만, 이에 대한 대답은 오랜 시간 후 아인슈타인의 전기를 쓴 파이스의 글에 나와 있다. “나는 아인슈타인이 왜 그토록 과거에 집착하는지 이해할 수 없었다. 그는 현대 물리학에 가장 큰 업적을 남긴 대가임에도 불구하고 19세기식 인과율을 끝까지 고집했다.” 우주를 지배하는 것은 결정론이 아니라 우연이며 확률인 것이다. 우리를 포함한 세계는 결국 모두 원자로 이루어져 있는 게 아닌가. “관측하지 않으면 없는 것이다”는 양자론의 교의는 어떤 면에서는 불교의 일체유심조(一切唯心造)를 떠올리게 한다. ‘모든 것은 우리 마음이 지어내는 것’에 다름 아니라는 이 말은 ‘보지 않으면 존재하지 않는 것이다’는 양자론과 일맥 상통한다. 그래서 양자론자는 자신이 불행하다고 느끼는 사람에게 이렇게 말한다. “당신이 불행한 것은 불행에 초점을 맞추고 보기 때문이다. 당신의 행복에 초점을 맞춰라. 그러면 당신은 행복해질 것이다.” 아무도 없는 숲속에서는 큰 나무가 쓰러져도 소리가 나지 않으니까. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

실험엔 젬병 깨닫고 통계물리학 전공 “대중 상대 글쓰기, 강연 신나… 잘하고 좋아하는 것 해야 결과도 좋아”최근 대중에게 가장 많이 알려진 물리학자 중 한 명인 김범준(53) 성균관대 물리학과 교수의 연구실 한쪽 책장에는 놀랍게도 물리학, 수학 책이 아닌 인문사회 관련 책과 대중과학서로 가득 차 있었다. 이유를 묻자 김 교수는 “나만 그런 게 아니라 많은 통계물리학자는 세상 돌아가는 것에 관심이 많다”라면서도 “일반인들이 보기에는 이상할 수도 있을 것”이라며 멋쩍은 웃음을 지었다. 2020년 오늘을 그린 SF만화 ‘2020 원더키디’가 방영됐던 1989년은 김 교수에게는 어떤 해였을까. “1989년은 대학 4학년 때였습니다. 물리학과에 입학하기는 했지만 물리학에 자질이 있을까 학교 다니는 내내 의심했었지요. 고민만 하다 보니 계속 공부를 해야겠다는 결정이 동기들보다 늦어지고 유학은 생각도 못했었죠.” 실험에는 젬병이라는 것을 일찌감치 깨달은 김 교수는 이론물리학을 전공하기로 결정했다. 입자물리, 통계물리, 고체물리 세 분야를 저울질하다가 자신처럼 세상만사에 관심이 많은 사람에게는 통계물리 공부가 제격이라는 것을 알게됐기 때문이다. 김 교수 표현에 따르면 통계물리를 본격적으로 공부하면서 ‘좋아하는 연구’는 원 없이 할 수 있었다. 실제로 그는 2000년대 초 교수생활을 시작하면서부터 성씨집단과 인구밀도, 이동거리를 고려한 프로야구 구단의 대진표, 인구밀도에 따른 각종 시설 분포 등을 연구하는 독특한 물리학자로 알려지기 시작했다. 그런 그가 대중에게 본격적으로 이름을 알리기 시작한 것은 2015년에 쓴 ‘세상물정의 물리학’이라는 책 덕이다. 그후 TV출연은 물론 대중강연에도 단골연사로 불려 나가고 있다. 김 교수는 “예전에는 몰랐는데 연구를 하고 논문을 쓰는 것만큼이나 대중들을 상대로 강연하고 칼럼이나 과학책 같은 대중을 위한 글쓰기를 할 때 정말 신이 난다”면서 “사람들이 내 이야기를 듣고 ‘유레카’하며 뭔가를 깨닫는 순간 눈빛을 보면 기운이 나는 게 느껴진다”고 말하며 밝게 웃었다. 김 교수는 대중강연이나 책을 쓰는데 그치지 않고 사회적 문제에 대해 목소리를 내는 것에 대해서도 꺼리지 않는다. 보통 연구자들은 은퇴에 가까워져서야 과학대중화에 나서거나 사회적 목소리를 내곤 했는데 그런 과학계 관행으로 따지자면 김 교수는 ‘과학계 원더키디’인 것은 확실하다. “과학자들도 시민입니다. 사회적 문제가 있을 때 과학자이기에 이야기할 수 있는 부분이 분명히 있지만 과학자여서 목소리를 내지 않는 경우가 많았습니다. 반면 과학자들도 대중이 과학에 대해 이해하지 못한다고 불평하기 보다는 눈높이를 바꿔야 할 때라고 생각합니다.” 김 교수는 본인이 하고 싶은 일을 하면서 살았다고 자평했다. 그 비결은 다름 아닌 ‘호기심’이었다. “학생들한테도 자신이 평소 호기심을 갖고 있었거나 좋아하는 연구를 하라고 합니다. 하기 싫은 것을 억지로 시켜봐야 좋은 결과가 나올 수 없죠. 좋아하고 잘 할 수 있는 연구를 하는 것이 좋은 결과를 가져다 준다고 생각해요.” 올해 이루고 싶은 일을 묻자 김 교수는 장난이 생각 난 개구쟁이처럼 환하게 웃으며 답했다. “엄청난 과학계 난제를 풀겠다는 생각은 당연히 없어요. 그냥 지금까지 해온 것처럼 그때 그때 떠오르는 아이디어로 재미있는 연구를 할 겁니다.” 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

영국 최초의 우주인으로 활약했던 우주비행사가 외계인 존재설에 대해 입을 열었다. 미국 CNN의 6일 보도에 따르면 1991년 영국의 첫 우주인으로 미르 정거장에서 임무를 수행한 헬렌 셔먼(56)은 최근 현지 언론과 한 인터뷰에서 “외계인은 존재하며 다른 가능성은 전혀 없다”고 강조했다. 그녀는 “우주에는 셀 수 없이 많은 별이 있고, 각각의 별에는 서로 다른 형태의 생명체가 존재한다”면서 “그들은 당신이나 나와 닮아있을 수도 있고, 탄소나 질소의 형태로 이뤄져 있을 수도 있다”고 설명했다. 이어 “아마 그 외계 생명체들은 이미 이곳(지구)에 와 있을 가능성이 높으며, 우리가 그저 그들을 알아보지 못하는 것일 뿐”이라고 덧붙였다. 미국항공우주국(NASA) 등 굴지의 연구진이 다양한 프로젝트를 통해 외계 생명체의 존재 여부를 밝히기 위해 노력하는 가운데, 셔먼처럼 외계인은 ‘반드시’ 존재한다는 주장이 나온 것은 처음이 아니다. 미국 국방부에서 대외적으로 알려지지 않은 비밀 조직을 이끌었던 것으로 알려진 한 남성은 2017년 CNN과 한 인터뷰에서 “외계 생명체가 이미 지구에 당도했다는 증거가 있다”고 주장해 눈길을 사로잡았다. 영국 옥스퍼드대학의 한 교수는 지난해 4월 “외계인이 지구인을 납치하는 주된 목적은 인간과의 이종 교배로 혼혈종을 만들어 지구 곳곳에 스며든 뒤 기후 변화 등 지구의 주된 문제에 개입하기 위한 것”이라는 주장을 내놓아 주위를 놀라게 하기도 했다. 미국의 물리학자 제임스 벤퍼드는 지구에 근접하는 소행성은 외계인의 스파이라고 주장하는 논문을 발표하기도 했다. 한편 헬렌 셔먼은 1980년대 후반 당시 과자회사의 연구원으로 평범한 일상을 보내던 중 우연히 영국 최초의 우주인을 모집한다는 광고를 접한 뒤 지원했다. 1만 3000명의 경쟁자를 물리치고 당당히 우주인으로 선발된 그녀를 두고 사람들은 ‘우주 로또에 당첨된 인물’이라며 부러움을 감추지 못했다. 이후 당시 소련에서 훈련을 받은 뒤 1991년 5월 18일부터 일주일 동안 미르 우주정거장에서 머물렀으며, 이후 과학기술 홍보대사로 임명돼 다양한 활동을 벌였다. 현지에서는 셔먼이 영국의 과학교육 발전과 대중화에 큰 역할을 했다고 평가하며, 영국 최초의 우주인으로서 여전히 활발한 활동을 펼치고 있다. 사진=123rf.com 송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr

세계적 팝아티스트 엘턴 존(72)이 신년을 맞아 영국 왕실의 서훈 체계 가운데 가장 영예로운 ‘명예 훈작’을 받았다.28일(현지시간) BBC 방송 등에 따르면 엘턴 존은 3억장 이상의 음반을 판매하는 등 50년간 음악에 매진한 데다 에이즈 파운데이션 등 23개 자선단체에서 활발히 활동한 공로를 인정받아 명예 훈작을 받았다. 명예 훈작은 예술과 과학, 의학, 정부 분야에서 공로가 큰 인사에게 서훈되는데 엘리자베스 2세 여왕을 제외하고 64명으로 제한된다. 명예 훈작 수여자는 소설 해리 포터의 작가 J K 롤링과 물리학자 스티븐 호킹(2018년 사망) 등이 대표적이다. 영국에서는 신년과 여왕의 생일(6월 둘째 토요일) 등 1년에 두 차례 서훈자 명단이 발표된다. 엘턴 존은 트위터에 “명예 훈작을 받아 매우 존경받는 이들에 합류하게 돼 영광이다”라며 “2019년은 나에게 매우 멋진 한 해로 축복받았다는 느낌을 받는다”고 밝혔다. 엘턴 존은 1998년 기사 작위도 받은 바 있다. 김규환 선임기자 khkim@seoul.co.kr

자녀가 있는 가정이라면 피할 수 없는 그 날, 크리스마스가 코 앞으로 다가왔습니다. 평소 갖고 싶었던 선물을 조르지 않고도 산타할아버지에게서 받을 수 있는 기회이기 때문에 아이들의 기대감은 그 어느 때보다 큽니다. 아이들은 선물에 대한 기대감과 함께 산타클로스에 대한 온갖 질문공세로 부모들의 상상력을 총동원하게 만듭니다. 그런 질문들을 받다보면 저 역시 ‘산타클로스가 전 세계 어린이들에게 선물을 주기 위해서는 얼마나 빨리 움직여야 할까’라는 궁금증이 떠오릅니다. 그런 궁금증은 과학자들도 마찬가지인 모양입니다. 가장 먼저 궁금증 해결에 나선 것은 항공공학자들입니다. 이들은 산타가 24일 밤 10시부터 25일 새벽 6시까지 종교와 상관없이 전 세계 약 20억명의 어린이들에게 선물을 나눠준다고 가정하고 이동속도를 계산했습니다. 세계 평균 출산율을 기준으로 한 가정에 평균 2.67명의 아이가 있으며 이들은 극지방과 사막 등을 제외한 5억 1800㎢에 넓게 분포돼 있고 각 가구들은 평균 2.67㎞ 떨어져 있다고도 가정했습니다. 그 결과 산타가 방문해야 할 가정은 약 7500만 가구이며 초속 2272㎞의 속도로 썰매를 끌어야 한답니다. 유엔인구기금(UNFPA)에서 올 초 펴낸 ‘2019 세계인구현황 보고서’에 따르면 전 세계 인구는 77억 1500만명이며 그 중 14세 이하 어린이는 20억 590만명이니 2000년 중반의 계산 결과를 현재에도 그대로 적용할 수 있을겁니다. 엄청나게 빨라보이지만 이 속도는 비행속도만 계산한 것 입니다. 산타가 썰매에서 내려 창문이나 굴뚝을 통해 집 안으로 들어가 선물을 놓고 나오는 시간까지 고려한다면 이동속도는 더 빠를 것입니다. 결국 한 집을 방문하는 시간은 100만분의 1초 수준인 마이크로초(㎲)에 불과할 것입니다. 눈 깜박하는 시간은 평균 100~150밀리초(㎳)라는데 이보다 더 빠른 시간이니 아이들이 산타할아버지를 볼 수 없는 것은 당연한 일일지도 모릅니다. 이 계산에는 문제가 하나 더 있습니다. 물체가 음속보다 빨리 이동할 때는 ‘소닉붐’이라는 엄청난 폭발음이 발생합니다. 선물을 기다리다 전 세계인이 난청에 시달릴 수 있다는 말입니다.이에 대한 해결책은 물리학자와 경영학자들이 내놨습니다. 산타클로스를 돕는 요정들이 있거나 지역별로 산타가 있어서 배달지역을 분담하면 각각의 썰매는 소닉붐을 일으키지 않고 조용히 선물을 전달할 수 있다는 설명입니다. 또 다른 물리학자들은 산타할아버지 1명이 양자역학 원리에 따라 동시에 여러 곳에서 나타날 수 있기 때문에 전혀 문제될 것이 없다고 주장하기도 합니다. 지난해 영국 엑스터대 실험심리학자들은 크리스마스를 맞아 산타클로스에 대한 설문조사와 심리분석 결과를 발표 했습니다. 연구팀에 따르면 산타할아버지의 실체에 대해 알기에 가장 적절한 나이는 10살 전후이며 아이들이 스스로 깨닫도록 하는 것이 좋다고 합니다. 느닷없이 사실을 폭로하게 되면 아이들은 어른에 대한 신뢰감을 잃을 가능성이 높아질 수 있다고 조언하기도 했습니다. ‘하늘에는 영광, 땅에는 평화’가 깃드는 성탄절이 일주일 앞으로 다가오면서 2019년 한 해도 서서히 저물고 있습니다. 이르긴 하지만 내년에는 독자 여러분 모두 아이들처럼 호기심 가득하고 항상 행복한 모습이길 기원합니다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우리 은하계의 총질량은 얼마나 될까? 우리은하 질량이 태양 질량의 약 8900억 배에 이른다는 초정밀 측정값이 밝혀졌다. 이를 미터법으로 나타내면 1.8 × 10^42제곱㎏이 된다. 곧, 1 뒤에 0이 42개나 붙는'1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000'이다. 코끼리로 치면 60억 마리의 10억 배의 10억 배가 되고, 지구로 치면 296×10^15제곱 개가 된다. 우리은하의 질량을 측정하는 것은 그 안에 우리가 살고 있다는 이유로 인해 몇 가지 특이한 어려움이 따른다. 은하를 저울 위에다 올려놓을 수가 없기 때문에, 과학자들은 은하의 중력과 별들의 상호작용을 추적함으로써 은하 천체의 질량을 측정하는 방법을 취한다. 예컨대, 은하 중심을 공전하는 별들의 움직임을 측정하면 우리 은하 전체의 질량을 알아낼 수 있다는 말이다.　​ 충분히 강력한 망원경을 가지고 있다면 안드로메다 은하 전체를 관측하기란 어렵지 않은 일이지만, 우리은하는 대부분이 우리 시야에 잡히지 않는다는 데 문제점이 있다. 우리와 가까운 별들과 우주 먼지 등이 멀리 떨어진 별들을 우리 시야로부터 차단하기 때문에 연구자들은 보다 정교한 기법과 통계적 방법을 사용하여 우리은하의 움직임과 외부에서 보이는 모습을 추론해야 한다. 또한, 우리의 태양계는 우리은하 안에서 특이한 방식으로 움직이고 있기 때문에 연구자들은 측정에서 이를 반영하고 보정해야 한다. 새로운 연구는 두 가지 주요 데이터 편집에 의존했다. 이 정보는 성간 가스, 별, 기타 물질이 우리은하의 다른 부분에서 어떻게 움직이는지를 보여준다. 과학자들은 이것을 사용하여 은하가 실제로 얼마나 무거운지를 나타내는 ‘회전 속도 곡선’을 만들 수 있다.“우리은하의 원반은 회전하지만 균일하지는 않다”고 전제한 임페리얼 칼리지 런던의 천체물리학자인 파비오 이오코 공동저자는 “은하 중심으로부터 다른 거리에 있는 물체들은 그 중심을 다른 속도로 돌고 있다”며 “이 회전하는 힘은 은하 원반의 각 지점에서 은하의 중력과 균형을 이루어야 하며, 그렇지 않으면 은하계 자체가 조각나서 은하 간 우주공간으로 갈가리 찢겨져나갈 것”이라고 설명했다. 이오코는 “중심에서 서로 다른 거리에 있는 두 물체에 대해 측정할 경우 거리가 멀어질수록 정확한 질량의 추정치를 얻을 수 있다”면서 “따라서 총질량 뿐만 아니라 질량 분포도 알아낼 수 있다”고 밝혔다. 물론 은하수는 별과 가스뿐 아니라 우리 눈에는 보이는 않는 것으로 구성된다. 거의 모든 은하들과 마찬가지로 우리은하의 대부분은 보이지 않는 암흑물질의 헤일로에 갇혀 있는데, 이 암흑물질은 우리가 직접 관찰할 수 있는 천체물리학적 물체를 형성하지 않지만, 중력에는 영향을 미치는 존재이다. 이번 연구에서 연구자들은 암흑물질의 질량이 태양 질량의 약 8300억 배, 은하계 전체 질량의 약 93%에 해당한다는 사실을 발견했다. 연구원들은 이 결과를 은하의 질량을 측정하기 위한 과거의 측정치와 비교한 결과, 대체로 일치한다는 결론을 얻었다. 새 연구는 출판 전 논문을 게재하는 웹사이트 아카이브(arXiv)에 월요일 (12월 9일) 발표되었다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

지구상에 존재하는 동물 중 가장 큰 것은 무엇일까. 바로 대왕고래라고 불리는 ‘흰긴수염고래’다. 몸길이가 24~26m, 몸무게는 약 125t에 이른다. 그러나 모든 고래가 그렇게 큰 것은 아니다. 흰긴수염고래와는 달리 몸길이가 1.5m 정도에 불과한 고래도 있다. 이렇듯 고래의 몸집이 천차만별인 이유가 무엇인지 밝혀내는 것은 생물학자들에게 주어진 오랜 숙제였다. 이 같은 상황에서 미국, 덴마크, 그린란드, 스페인, 영국, 네덜란드 등 6개국 21개 연구기관의 생물학자, 물리학자, 수학자로 이뤄진 국제공동연구팀은 작은 쥐돌고래부터 거대한 흰긴수염고래까지 다양한 크기의 돌고래와 고래에게 멀티센서를 부착해 관찰한 결과 고래 몸 크기의 비밀을 풀어내고 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 13일자에 발표했다. 멀티센서는 고래의 움직임과 위치, 이동속도, 에너지 소모량, 주변 먹이밀도, 주변 소리까지 파악할 수 있게 해 주는 장치다. 연구팀은 먹이를 얻고자 사용하는 에너지와 실제 먹는 양을 고래의 에너지 효율로 정의하고 몸집과 비교한 결과 둘 사이에 밀접한 관계가 있다는 사실을 확인했다. 이빨을 갖고 있어서 물고기들을 사냥해야 하는 고래에 비해 크릴새우를 진공청소기처럼 빨아들여 먹는 흰긴수염고래 같은 고래들이 몸집이 크다는 것이다. 쉽게 말하면 먹이 사냥에 이빨을 사용하는 고래들의 에너지 효율이 낮아 몸집이 커지지 못했다는 것이다. 한편 미국 미시간대 고생물학박물관, 이집트 자연보호국, 사우디아라비아 지질조사국 공동연구팀은 유네스코가 지정한 이집트 서부 와디알히탄 유적지구에서 2007년 발굴한 3500만년 전 고래 화석을 분석한 결과 고래는 꼬리가 아닌 발을 사용해서 수영한 흔적을 찾아냈다. 이 같은 연구 결과는 미국공공과학도서관에서 발행하는 국제학술지 ‘플로스 원’ 12일자에 실렸다. 연구팀에 따르면 4100만~4700만년 전까지만 해도 꼬리가 아닌 발을 사용해 수영했었지만 3700만년 전부터는 꼬리도 함께 사용하다가 이후에 발이 완전히 퇴화해 지금처럼 꼬리로만 수영하게 됐다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

얼음은 딱딱하다. 하지만 얼음을 이루는 물 분자는 딱딱하지 않다. 물 분자 사이의 연결 구조가 얼음의 딱딱함을 만들어 낸 것이다. 이처럼 하나의 존재로는 의미를 읽을 수 없어도 많은 구성 요소들이 연결돼 영향을 주고받을 때 전체는 완전히 새로운 특성을 만들어 낸다. 이런 현상을 만들어 내는 시스템을 ‘복잡계’라 부른다. 우리 인간 사회야말로 대표적인 복잡계다. 복잡계는 시스템의 내부 구성 요소들이 긴밀하게 연결돼 있다. 구성 요소 사이의 강한 연결로 인해 하나의 구성 요소에서 발생한 작은 사건이 엄청난 규모의 격변으로 이어질 수도 있다. 한 사람의 패셔니스타가 유행을 만든다거나, 작은 돌멩이 하나의 움직임이 지진을 불러올 수도 있다. 그러니 무엇이, 어떻게, 어떤 강도로 연결됐는지를 들여다보는 것은 사실상 전체를 보는 것과 다름없다. 이는 복잡계 과학이 세상을 대하는 방식이기도 하다. 신간 ‘관계의 과학’은 이 같은 방식을 충실하게 구현한 과학 에세이다. ‘과학으로 풀어낸 세상살이의 이치’랄까. 복잡계 물리학자인 저자가 통계물리학을 활용해 해석한 인간 사회의 모습을 담고 있다.저자는 질문을 던지고, 과학적으로 해석한 뒤 이를 현실 세계에 대입하는 방식으로 논지를 이어 간다. 이런 식이다. 우공이산이란 말이 있다. 우직하게 한 우물을 파는 사람이 큰 성과를 거둔다는 고사성어다. 우공이 오랜 시간 조금씩 흙을 나르다 보면 실제 산을 옮길 수 있을지도 모른다. 한데 바위도 그럴 수 있을까. 거대한 바위는 혼자 힘으로는 단 1㎝도 옮기기 어렵다. 여럿이 연결되면 다르다. 바위는 연결의 힘으로 옮길 수 있다. 연결은 전체를 부분의 단순한 합보다 훨씬 크게 만들기 때문이다. 단, 조건이 있다. 문턱값을 넘어야 한다. 문턱값은 상(phase)이 전이되는 순간을 뜻하는 과학 용어다. 안방과 마루를 가르는 문턱, 얼음이 녹아 물이 되는 순간이 바로 문턱값이다. 예를 들면 이렇다. 저항운동에 지속적으로 참여한 사람 숫자가 인구의 3.5%를 넘어선 ‘모든’ 저항운동은 성공했다고 한다. 이는 연구로 밝혀진 사실이다. 이를 인구 5000만명 정도인 우리에 대입하면 약 200만명이 지속적으로 저항운동에 참여할 경우 성공한다는 뜻이다. 이때 필요한 약 200만명이 바로 ‘거대한 바위를 옮기기 위한 문턱값’이다.이처럼 소통하며 연결된 다수는 세상을 바꾼다. 우리의 경우 퍽 많이 바꿨다. 저자는 이를 통해 민주주의의 동력은 ‘관계의 연결’이란 것을 확신한다. 책을 읽다 보면 실망스런 이야기도 종종 듣게 된다. 예컨대 누적확률분포로 보면 부의 불평등은 자연스러운 현상이다. 1만년 이상 이어져 온 부의 편중 현상을 막을 과학적 방법은 없다는 것이다. ‘완벽한 정의’를 꿈꿨던 이상주의자나 ‘계층의 사다리’ 아래 있는 장삼이사들에겐 실망스런 결과일 것이다. 하지만 정도를 줄일 방법은 있다. 소득세와 재산세를 적절히 부과하고 기본소득을 주는 거다. 당연한 말처럼 들리지만 상식과 과학적 사실은 엄연히 다르다. 저자는 하나의 현상을 과학적으로 증명해 움직일 수 없는 사실로 바꾸는 마법을 부린다. 책은 이 외에도 과학의 중요한 개념들을 현실에 대입해 소개하고 있다. 논란이 됐던 광화문 집회 참가 인원을 ‘암흑물질’이란 개념을 도입해 설명하고, 우정을 수치로 측정하는 방법, 연예인 차은우와 저자의 합성사진을 이용한 ‘중력파’ 검출 방법 등을 소개하기도 한다. 손원천 기자 angler@seoul.co.kr

물리학계의 록스타라면 리처드 파인먼을 떠올리는 사람들이 많을 것이다. 47세에 양자전기역학에 관한 연구로 노벨상을 받았고 양자컴퓨터와 나노과학의 기초를 놓았다. 이런 업적 외에 강의 잘하기로도 유명해 물리 공부 좀 해본 사람이면 그의 물리학 강의록을 탐독했을 것이다.3권으로 돼 있는 강의록 중 1권 3장에는 물리학과 다른 학문의 연관성이 폭넓게 조망돼 있다. 특히 3장 끝부분에서 그는 “와인 한 잔에는 전 우주가 담겨 있다”는 시구를 인용하면서 와인에 어떻게 우주의 역사와 과학이 담겨 있는지 짧게 설명했다. 처음 이 글을 읽을 당시에는 필자가 와인을 즐기지 않아 잘 이해하지 못했으나, 최근 들어 그 진가를 알게 돼 초겨울에 어울리는 묵직한 맛의 이탈리아 바롤로를 음미하면서 그의 말을 다시 떠올리게 됐다. 와인을 보면 원소 생성의 우주 역사, 화학 반응과 생명 현상이 다 떠오르는 것이다. 파인먼 외에 다른 물리학자들도 와인을 즐겼던 것 같다. 캘빈경으로 더 잘 알려진 물리학자 윌리엄 톰슨의 형 제임스 톰슨은 1855년 와인을 마시기 전에 빙빙 돌린 잔 속에서 흘러내리는 와인 방울들의 독특한 형태를 발견하고 이를 ‘와인의 눈물’이라고 불렀다. 과학적으로 살펴보면 매우 재미있는 현상이다. 보통의 물잔과 달리 와인잔에서는 눈물처럼 여러 개의 흐름이 잔의 내벽을 타고 내려가는 것을 볼 수 있다. 조금 더 재미있는 것은 이렇게 흐르는 와인이 잔 속에 담겨 있는 와인에 흘러들지 않고 와인 표면에 닿기 전에 다시 튀어 오르는 것처럼 보인다는 것이다. 이런 현상은 알코올과 물이 섞여 있는 경우 나타난다. ‘마랑고니 효과’라고 불리는 이런 현상이 일어나는 이유는 증발하는 알코올, 표면장력 등이 복합적으로 작용하기 때문이다. 알코올은 물보다 더 쉽게 증발한다. 그리고 물은 알코올보다 표면장력이 더 크다. 물은 동그랗게 물방울로 잘 모이는데 알코올은 그렇지 않다는 것이다. 따라서 와인 표면에서는 알코올이 증발하면서 물의 비율이 많아지고, 따라서 표면장력이 증가한다. 알코올 비율이 낮은 곳에서는 표면장력이 커지면서 주위의 액체를 끌어당기게 되고 그 빈자리에 다른 액체가 몰려오게 되는 것이다. 이런 미묘한 힘들의 작용으로 와인의 눈물이 만들어지는 것이다. 최근에는 ‘와인의 눈물’의 응용이 여러 분야에서 연구되고 있다. 넓은 면적의 기판에 유기반도체를 고르게 펴는 데도 활용할 수 있다고 한다. 이렇게 하면 훨씬 저렴하게 태양전지를 만들 수 있을지도 모른다. 또 다른 재미있는 응용은 ‘커피 링 효과’를 완화시키는 데도 도움이 된다. 커피 링 효과는 식탁보 위에 쏟은 커피가 마르면서 커피 가루가 얼룩의 가장자리에 몰려서 원을 만드는 현상이다. 페인트칠이 고르게 되려면 이런 현상이 완화돼야 하는데, 증발하는 속도가 다른 두 가지 물질을 섞어 고르게 페인트 입자가 번지게 할 수 있다는 것이다. 와인의 눈물 하나를 가지고도 우주 생성의 빅히스토리, 생명 현상의 놀라운 과정을 생각할 수도 있고, 한편으로는 우리의 일상에서도 매우 쓸모 있게 응용할 수도 있다니 경이로울 따름이다. 와인은 우리의 입과 코만 자극하는 것이 아니고 우리의 뇌를 자극해 우주 전체와 닿아 있는 경험을 하게 할 뿐만 아니라 우리의 삶 곳곳에서 어떤 역할을 하는 것이 아닌가 한다.

지난 10월 23일 구글은 그들이 개발한 양자컴퓨터가 특정한 계산문제에서 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 결과를 보였다는 논문을 유명 과학저널인 네이처에 발표하였다. 그 과정에서 9월 말쯤 미리 논문의 초안이 실수로(?) 공개되기도 하고, 경쟁사의 반박 논문이 나오기도 하는 등의 해프닝이 있어 대중의 흥미를 유발했다.하지만 일반적으로는 양자컴퓨터란 것이 무엇이며 도대체 어떤 일을 그렇게 빨리 해냈다는 것인지 금방 머릿속에 떠오르지는 않는다. 어쨌든 구글의 새 양자프로세서 ‘시커모어’(Sycamore)를 기반으로 하는 초기 형태의 양자컴퓨터 시스템이 개발되었고, 특별한 수학 문제의 해결에 슈퍼컴퓨터에 비해 놀라운 성능을 보인 것은 사실이다. 그러면 드디어 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘은 양자컴퓨터가 등장한 것이고 양자컴퓨터의 시대가 도래한 것인가. 지금의 컴퓨터보다 수만배 수억배 빠른 컴퓨터가 드디어 등장해 지금의 컴퓨터를 대체할 것인가. 이러한 이야기를 좀 해보려 한다. ●양자컴퓨터란 무엇인가? 양자컴퓨터가 도대체 무엇인가 알아보기 전에 먼저 컴퓨터란 도대체 무엇인지 다시 한번 생각해보기로 하자. 요즈음에는 컴퓨터나 스마트폰이 워낙 널리 쓰이고 있고 그 안에서 어떤 일들이 일어나고 있는지 작동원리 따위를 사용자 입장에서 굳이 고민할 필요가 없다. 먼저 컴퓨터는 우리가 하려는 일을 입력받아서(키보드나 터치, 혹은 음성으로) 그것을 적당한 수학적 문제로 바꾼다. 그리고 그에 해당하는 숫자들을 이진법 디지털 신호로 바꾼 뒤 중앙처리장치(CPU)에 넣고 이런저런 작업을 시킨다. 그 결과물로 나온 디지털 신호를 다시 수학 문제의 답으로 해석하고, 그 결과를 우리가 원래 하려던 일의 결과물로 다시 해석해서 우리에게 알려 준다. 간단히 말하면 스마트폰의 자판에서 A자를 누르면 그게 위의 과정을 거쳐서 화면에 A자를 표시한다는 것이다. 양자컴퓨터는 이 과정 중에서 디지털 신호 대신에 양자역학적 상태를 신호로 이용하고, CPU 대신 양자프로세서가 양자역학적 현상을 이용해서 신호를 처리한다는 점이 다르다. 사용자 입장에서는 A 자판을 누르니 A가 표시되더라는 입력과 결과는 동일하다. 양자컴퓨터는 내부적으로 정보의 입력과 처리를 양자역학적으로 다루었을 뿐이다. 그런데 양자역학적으로 신호를 처리하면, 최소한 몇 가지 특별한 문제들에 대해서는 지금의 컴퓨터보다 어마어마하게 빠른 계산이 가능하다. 그 특별한 문제들 중에서 암호 해독 등이 있다. ●양자역학적인 신호처리는 어떤 것인가 기존의 컴퓨터에서 계산을 빠르게 하려면 어떻게 하는가. 일단 속도를 올려 주어진 시간에 더 많은 계산을 하게 하면 된다. 예를 들어 컴퓨터 CPU 클럭을 2GHz에서 4GHz로 올리는 일이다. 또 다른 방법은 여러 CPU를 병렬로 작동시키면 된다. 한 CPU에 여러 개의 코어를 넣거나, 혹은 CPU를 여러 개 동시에 작동시키면 된다. 이렇게 성능을 극대화한 것이 슈퍼컴퓨터이다. 속도를 2배 올리거나 개수를 2개 늘리면 성능은 대략 2배 증가한다. 기존의 컴퓨터에서 정보를 처리하는 단위는 0과 1의 디지털 신호를 다루는 ‘비트’(bit)다. 한편 양자컴퓨터에 정보를 저장하고 처리하는 기본단위는 양자비트, 즉 ‘큐비트’(qubit)다. 큐비트는 0과 1이 동시에 존재하는 중첩 상태를 이용할 수 있으며, 멀리 떨어져 있는 큐비트 간에도 서로 강하게 연결되어 있는 얽힘 상태를 이용한다. 예를 들어 세 개의 비트가 있다고 하면, 각각의 비트는 디지털 신호 0 또는 1 이므로, 우리가 표시할 수 있는 정보는 그중 한 가지 조합, 예를 들어 001 등으로 정해진다. 한편 큐비트는 각 큐비트가 0과 1을 중첩으로 동시에 가질 수 있으므로, 우리가 표시할 수 있는 정보는 000, 010, 111… 등 모든 조합이 ‘동시’에 가능하다(3개의 큐비트라면 8개의 조합이 가능하다). 즉 큐비트를 이용하면 계산공간이 커져서 더 많은 정보를 한꺼번에 다룰 수 있다. 게다가 큐비트들이 얽힘으로 연결되어 있으면, 한 번의 조작으로 많은 수의 정보를 동시에 변경하고 처리할 수 있으며, 이를 ‘양자 병렬성’(quantum parallelism)이라고 표현한다. 이 경우 큐비트의 수를 2배 늘리면 성능은 4배, 큐비트를 3배 늘리면 성능은 8배 좋아지는 것을 기대할 수 있다. 컴퓨터의 크기가 커짐에 따라 성능이 늘어나는 것이 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 것이다. 양자컴퓨터가 특정 계산에서 슈퍼컴퓨터보다 빠를 수 있는 것은 앞에서 설명한 ‘양자병렬성’을 최대한으로 이용할 수 있는 수학 문제인 경우인데, 아직 몇 가지만이 알려져 있고, 대표적인 것이 소인수분해 문제이다. 이같이 양자컴퓨터의 성능을 최대한 활용하려면, 양자컴퓨터에 맞게 완전히 새롭게 고안된 알고리듬이 필수적이다. 소인수분해 문제는 1994년 피터 쇼어에 의해서 양자컴퓨터 알고리듬이 제안되었고, 이 문제가 지금 우리가 널리 쓰고 있는 암호체계(RSA암호)의 원리이기 때문에, 현재 암호를 무력화시킬 가능성이 제안된 것이었다. 이를 계기로 1990년대 중반부터 양자컴퓨터 연구가 급격히 확대되었다. ●구글 ‘양자우월성’ 곧 달성될 것으로 기대 양자컴퓨터의 큰 전환기는 그 이후 몇 차례 더 있는데, 먼저 2007~2008년경부터 미국 정부가 대규모 투자를 시작한 시점, 2014년 구글이 본격적으로 뛰어들고 2016년 IBM이 양자컴퓨터를 클라우드로 일반에 공개하는 등 대기업들이 본격적으로 참여한 일 등이다. 이후 벌어진 개발 경쟁의 결과물이 이번 구글의 양자우월성 발표이며, 이 역시 아주 중요한 티핑포인트라고 할 수 있다.이번에 구글이 사용한 시커모어 프로세서는 초전도 회로로 제작된 큐비트 53개로 구성된 소자이다. 2012년 칼텍의 존 프레스킬 교수는 지금 컴퓨터에서는 매우 어렵지만 양자컴퓨터에는 쉬운 특정 수학 문제를 양자컴퓨터에서 푸는 것을 시연하면, 양자컴퓨터가 최소한 한가지 임무에서는 지금 컴퓨터보다 앞선다는 것을 명확히 보여줄 수 있다는 제안을 하였고, 이를 ‘양자우월성’(Quantum Supremacy)이라고 명명했다. 구글 팀은 이를 위해서 별칭 ‘qubit speckle’(큐비트 얼룩무늬)이라는 알고리듬을 만들었는데 (레이저 빛이 간유리를 통과하고 나면 반짝이 패턴을 보이는 것과 같은 원리임) 이것은 큐비트 회로에 무작위로 고른 계산을 시키고 그 결과에서 나오는 특정한 패턴을 기존의 컴퓨터로 계산할 수 있을 것인가의 문제이다. 이번 발표는 양자컴퓨터가 대략 200초에 계산한 결과를 세계 최고의 슈퍼컴퓨터인 서밋으로 계산하더라도 약 1만년 걸릴 것으로 예상한다는 것이다. ●“슈퍼컴 1만년 걸릴 것 단 200초에 계산 가능” 물론 슈퍼컴퓨터에서 새로운 알고리듬을 개발하면 그 시간을 지금보다 대폭 줄일 수 있고, 경쟁사인 IBM은 그 시간을 2.5일 정도까지 줄일 수 있을 것이라고 발표하기도 하였다. 하지만 이번 결과는 매우 명확하게 양자컴퓨터가 특정한 계산을 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 잘할 수 있음을 보인 것임에 이견이 없다. 한가지 이야기하고 싶은 것이, 이 결과가 베일에 싸여 있다가 갑자기 나온 것이 아니라는 점이다. 구글 및 다른 연구팀들은 이미 지난 수 년간 관련 연구결과들을 꾸준히 공개해 왔고 성능 향상도 꾸준히 보고되고 있었다. 구글도 이미 2년 전에 이번 실험의 청사진을 구체적으로 발표하였다. 이미 지난해부터 최근에 발표된 하드웨어 성능을 보면서 양자우월성이 곧 달성되리라는 것은 이미 기대할 수 있었다. 구글의 양자AI랩 디렉터인 하르무트 네벤은 금년 초 ‘양자컴퓨터 성능이 이중지수적으로 매우 빠르게 발전한다’는 네벤의 법칙을 언급했고 이미 상반기에 구글이 양자우월성을 달성했다는 소문이 연구자들 사이에 언급되고 있었다.●현실로 다가온 양자기술 앞의 설명에도 양자컴퓨터가 도대체 무얼 하는 것인지 잘 이해가 되지 않는다면, 그것은 지극히 정상이다. 양자현상은 우리의 일상에서 겪는 직관과는 완전히 다르기 때문에 금방 이해했다고 생각한다면 디테일을 간과하거나 잘못 이해한 것이기 쉽다. 20세기 초 원자를 설명하기 위해 태동한 양자역학은 수학적으로 완벽하고 매우 아름다운 이론으로 자연현상을 완벽하게 설명하며 수많은 혁신을 가져왔다. 하지만 그 내용이 우리의 직관과 너무나 달라서 지금 우리의 언어로 그 결과를 어떻게 해석해야 하는가는 아직도 논란이다. 그런데 양자기술이 지금처럼 눈앞의 현실로 다가오는 시대라면, 뭐 자동차를 운전하는 데 꼭 차동기어의 원리를 이해하거나 그런 것이 있다는 사실조차도 알 필요는 없지 않을까 하고 여길 수도 있겠다. 하지만 그와 동시에 만약 당신이 자동차를 개발·제작하는 사람이라면 차동기어의 원리나 유체역학을 매우 잘 알고 있어야 하지 않을까 싶은 그런 시점인 것이다. 전 세계가 지금 양자기술에 열광하고 투자하는 이유는 단기간에 무언가 만들어내기 위한 것이라기보다는, 이 기술이 지금의 기술 패러다임 전반을 완전히 바꾸는 기술이기 때문이다. 양자컴퓨터가 현재 슈퍼컴퓨터의 연장선상에 있는 것이 아니듯이, 양자기술은 지금의 기술을 극한까지 개발하면 되는 기술이 아니라 시작부터 개념부터 완전히 다른, 새로운 패러다임이다. 그래서 지난해 말 시작된 미국 정부의 양자 이니셔티브에서는, ‘양자-스마트’(quantum-smart)한 인력을 어릴 때부터 키우는 일을 중요하게 다루고 있다. 즉 뼛속까지 양자역학의 개념을 체득한, 중첩이나 얽힘에 대해서 열심히 설명하지 않아도 그냥 자연스레 체험으로 알고 있는, 그런 인력이 있어야 다가오는 기술 패러다임 시프트를 선도할 것이라는 점이다. ●비트코인에는 앞으로 상당기간 영향 없을 것 예전에는 원자 세계에서 일어나는 양자역학을 말과 글로써 열심히 설명해야 하는 상황이었다면, 지금은 완전히 양자역학적으로 동작하는 머신, 즉 양자컴퓨터가 일반 대중에 공짜로 공개되어 있는 상황이다. 실제 학생들과 양자컴퓨터에서 코딩을 조금만 해보면, 앞에서처럼 중첩이니 얽힘이니 열심히 설명하지 않아도 그것이 어떤 것이란 것을 금방 습득한다. 구글의 양자컴퓨터 팀을 이끌고 있는 존 마르티니스 박사는 세계 최고 수준의 물리학자이지만 항상 자신을 양자 엔지니어라고 부른다. 우리 눈앞에서 작동하는 양자머신을 만드는 사람이란 의미이다. 이제는 양자역학을 실생활에서 직접 체험하는 시대가 다가온 것이다. 양자우월성에 대한 소식이 전해진 그날, 비트코인 가격은 급락했다. 결론부터 말하면 양자컴퓨터는 당장, 그리고 앞으로도 한참 동안, 비트코인에 전혀 영향이 없다. 따라서 투자자라면 그때 저가에 비트코인을 샀어야 했다. 양자컴퓨터에 대해 과장해 이해한 사례다. 양자컴퓨터 관련 기술은 앞으로도 계속 빠르게 발전해 장기적으로는 암호 해독, 중단기적으로는 신약이나 신물질 개발 등의 응용분야에 도움을 줄 것이다. ●양자컴퓨터 시대 무얼 준비할 것인가 그러나 양자컴퓨터가 어떤 중요한 일을 해 줄지, 하드웨어가 어디까지 개발이 될지는 아직은 잘 모르는 열린 문제이다. 양자컴퓨터의 성능이 계속 향상되면서, 각 단계의 성능에 맞는 활용이 이루어질 것으로 예측할 뿐이다.그래서 지금을 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)시대라고 부른다. 몇 가지 분명한 것은 있다. 양자컴퓨터는 매우 비싸고 덩치가 큰 물건이다. 따라서 앞으로도 양자컴퓨터는 클라우드 형태로 운영될 것이다. 현재의 컴퓨터는 앞으로도 지금의 역할을 충실히 수행할 것이며, 양자컴퓨터는 현재의 컴퓨터가 지금까지는 아예 못했던 문제들을 새롭게 해결해 줄 것이다. 무엇보다 자명한 것은, 양자기술은 진입장벽이 매우 높은 기술이라서 미리미리 준비하고 대비해야 한다. 그것은 단지 투자의 규모를 늘리는 문제가 절대 아니다. 영화 ‘타짜’에서 정마담이 말하지 않았던가 “호구는 밑천이 적어서 돈을 잃는다고 생각한다.” 그보다는 게임을 잘하는 실력 있는 ‘양자-스마트’ 플레이어를 길러내는 것이 승리의 핵심이다. 사람이 전부다. 정연욱 한국표준연구원 연구원■ 정연욱 연구원은 필자 정연욱 연구원은 한국표준연구원 소속으로 서울대 물리학과를 나온 뒤 모교에서 석박사를 마쳤다. 독일 율리히연구소 연구원(1997)과 서울대 연구원(1999-2002), 미국 상무부 표준기술연구소인 NIST Boulder 연구원(2002-2005)을 거쳐 2005년부터 한국표준과학연구원 양자기술연구소에서 일하고 있다.

남들은 초등학교에 들어갈 나이에 벌써 대학에 다니는 멕시코의 천재어린이가 현지 언론에 소개돼 화제다. 멕시코 티아우아크에 살고 있는 아드아라 페레스가 바로 그 주인공. 멕시코기술대학(UNITEC)에 재학 중인 어엿한 대학생이지만 페레스의 나이를 알게 되면 누구나 깜짝 놀란다. 페레스는 올해 8살이다. 사람을 놀라게 하는 건 그의 나이뿐 아니다. 페레스의 아이큐(지능지수)를 알게 되면 누구나 또 한 번 깜짝 놀란다. 페레스의 아이큐는 162. 전설적인 천재 물리학자 앨버트 아인슈타인보다 아이큐가 높다. 하지만 불과 5년 전까지만 해도 페레스는 어린이집에서 따돌림을 당하던 아이였다. 천재성을 가진 페레스를 친구들은 '이상한 아이'라고 부르곤 했다. 친구들과 어울리지 못하고 아스퍼거장애까지 갖게 된 페레스는 "유치원에 가기 싫다"고 하소연했다. 어린이집에선 "수업시간에 잠을 자고, 수학문제를 풀 때도 집중하지 않는다"며 페레스를 문제아로 취급했다. 이랬던 페레스를 천재로 키워낸 건 그의 엄마 나옐리 산체스였다. 그의 엄마 나옐리 산체스는 "한 번은 유치원에 가보니 놀이터에서 아이가 따돌림을 당해 혼자 앉아 있었다"며 "아이를 그대로 두면 안 된다고 생각했다"고 말했다. 산체스는 딸을 심리학자에 데려가 상담을 받게 했다. 페레스를 테스트한 심리학자는 "천재성이 보인다"며 유치원을 그만두고 영재교육을 시키는 게 좋겠다는 소견을 냈다. 가족들의 전폭적인 지원을 등에 업고 이때부터 산체는 승승장구했다. 5살에 검정고시로 초등학교 과정을 마치더니 6살엔 중학교, 8살엔 고등학교 과정을 끝냈다. 이어 곧바로 멕시코기술대학에 진학한 페레스는 산업공학과 시스템공학을 복수전공하고 있다. 페레스의 꿈은 미국에서 공부한 뒤 우주인이 되는 것이다. 마음으론 이미 대학도 정해놨다. 미국 애리조나대학교다. 현지 언론과의 인터뷰에서 페레스는 "애리조나 대학에서 우주물리학을 공부하고 우주인이 되고 싶지만 비싼 학비가 걱정"이라며 "꼭 장학금을 받고 미국에서 공부를 하고 싶다"고 말했다. 손영식 해외통신원 voniss@naver.com

‘슈뢰딩거의 고양이’를 산 채로 볼 수 있을 방법이 있을 수 있다는 새 연구가 발표되어 관심을 끌고 있다. 우주전문 사이트 스페이스닷컴의 10일(현지시간) 보도에 따르면, 지난달 1일 ‘물리학 뉴 저널’(New Journal of Physics)에 발표된 새 연구는 슈뢰딩거의 고양이의 생사가 결정되지 않은 상태에서 고양이를 엿볼 수 있는 방법을 설명하고 있다. 슈뢰딩거의 고양이는 1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학 이론의 불완전함을 드러내기 위해서 고안한 사고실험에 나오는 가상의 고양이를 말한다. 슈뢰딩거는 자신이 만든 파동방정식의 해(파동함수)가 확률을 뜻한다는 막스 보른의 주장을 반박하기 위해 이 사고실험을 고안해냈다. 사고실험의 내용은 다음과 같다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 속에 들어 있고, 이 상자에는 청산가리가 들어있는 병이 방사능이 검출되는 가이거 계수기에 밸브로 연결되어 있다. 시간당 50% 확률로 붕괴하는 라듐 알파입자가 붕괴하여 방사능이 나오면 계수기가 검출하는 순간 연결된 망치가 내리쳐져 유리병을 깨고 청산가리를 방출하여 고양이가 죽게 설정돼 있다. 따라서 한 시간 뒤 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다. 양자역학에서는 이때 고양이는 죽은 상태와 산 상태가 ‘중첩’되어 있다고 보며, 상자를 여는 순간 확률이 붕괴되어 둘 중 하나의 상태로 결정된다는 것이다. 슈뢰딩거는 고양이에게 그런 상태에 있을 수 없기 때문에 양자역학의 확률 해석은 틀렸다고 주장한다. 새 연구는 아원자 입자의 신비한 행동을 설명하는 이 사고실험에서 불행한 가상의 고양이를 영구히 죽이지 않고도 상자 속을 들여다볼 수 있는 방법을 제안한 것으로, 이를 통해 물리학에서 가장 근본적인 역설 중 하나에 대한 과학자의 이해를 증진시킨다.아원자가 활동하는 미시세계와 다른 우리의 평범한 거시세계에서는 우리가 단지 물체를 바라보는 것만으로는 그것의 상태가 바뀌지는 않는 것처럼 보이지만, 대상을 충분히 확대하면 반드시 그렇지만은 않다. 일본 히로시마 대학 물리학과 홀거 F. 호프만 교수는 “보통 우리가 단지 보는 것만으로는 아무런 변화가 일어나지 않는다고 생각하지만, 보기 위해서는 빛이 있어야 하고 빛은 물체를 변화시킨다“고 전제한다. 하나의 광자(빛알)조차도 보고 있는 물체에 에너지를 전달하기 때문이다. 대표저자 호프만과 히로시마 대학교 학부생으로 연구에 참여한 카르틱 파테카는 슈뢰딩거의 고양이를 엿보기 위해 ‘대상을 변화시킴 없이 관측하는’ 기법에 대해 연구했다. 그들은 초기 상호작용(고양이를 바라 보는)과 판독 값(생존 또는 사망 여부를 구분)을 분리하는 수학적 프레임을 만들었다. 호프만은 "우리의 주요 동기는 양자 측정이 이루어지는 방식을 매우 주의 깊게 살펴보는 것이며, 핵심은 측정을 두 단계로 분리하는 것“이라고 밝혔다. 그렇게 함으로써 호프만과 파테카는 고양이의 상태에 대한 정보를 전혀 손실 없이 초기 상호작용에 관련된 모든 광자를 잡아내 고양이를 관측할 수 있다고 가정했다. 따라서 판독하기 전에 고양이의 상태(또한 고양이의 모습과 변화)에 대한 모든 정보를 계속 사용할 수 있다. 우리가 측정을 읽을 때만 정보가 손실된다. 호프만은 “흥미로운 점은 판독 프로세스가 두 가지 유형의 정보 중 하나를 선택하고 다른 정보를 완전히 삭제한다는 것”이라고 밝혔다. 슈뢰딩거의 고양이와 관련한 그들의 작업방법은 다음과 같다. 고양이가 여전히 상자 안에 있지만, 고양이가 살아 있는지 또는 죽었는지 확인하기 위해 내부를 들여다보는 대신 상자 안에 사진을 찍을 수 있는 카메라를 설치한다. 사진이 촬영되면 카메라에는 두 종류의 정보가 담긴다. 사진을 찍은 결과로 고양이가 어떻게 변했는지(연구자들이 양자 태그라고 부르는 것)와 상호작용 후 고양이가 살아 있는지 또는 죽었는지 여부다. 그 정보 중 어느 것도 아직 손실되지 않았다. 이미지를 ‘현상’하는 방법에 따라 하나 또는 다른 정보를 확보한다. 호프만은 동전 던지기를 생각해 보라고 한다. 동전이 던져졌는지 또는 던져진 동전이 앞면인지 뒷면인지 선택할 수 있다. 그러나 둘 다 알 수는 없다. 또한 퀀텀 시스템이 어떻게 변경되었는지 알고 그 변경사항을 되돌릴 수 있으면 초기 상태를 복원할 수 있다.(동전의 경우 다시 뒤집는 것) 호프만은 “시스템을 먼저 방해하지 않을 수 없지만 때로는 그렇게 하지 않을 수도 있다”고 말했다. 고양이의 경우, 그것은 사진을 찍는 것을 의미하지만, 고양이를 명확하게 볼 수 있도록 현상하는 대신, 고양이를 삶과 죽음의 중간 상태로 되돌릴 수 있는 방식으로 현상한다.　​ 결정적으로, 판독의 선택은 측정의 분해능과 그 측정방해를 교환하는 방식으로 이루어지는데, 이는 정확하게 등가이다. 해상도는 퀀텀 시스템에서 추출된 정보의 양을 나타내며 방해는 시스템의 불가역 변화의 정도를 나타낸다. 다시 말해, 고양이의 현재 상태에 대해 더 많이 알수록 상태는 불가역적으로 변화한다. 호프만 교수는 “놀라운 점은 측정을 방해하지 않는 능력이 측정하는 정보량과 직접 관련이 있다는 것”이라고 밝혔다. 이번 연구에 참여하지 않은 호주국립대학 물리학자 마이클 홀은 “이전 연구에서 양자 측정에서 분해능과 방해 사이의 교환을 지적했지만, 이 논문은 그 관계를 최초로 정량화한 이론”이라고 평가하면서 “내가 아는 한, 이전 연구는 분해능과 측정 교란에 관한 정확한 등가 관계를 밝혀내지 못했지만, 이 논문의 접근방식은 매우 깔끔하게 보인다“고 평가했다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　　

추상표현주의 대표 화가이자 미국을 서양 미술의 중심지로 올려놓은 것으로 평가받는 잭슨 폴록(1912~1956). 44세라는 짧은 삶을 살았던 폴록은 커다란 캔버스를 바닥에 놓고 그림 속에 들어가 물감을 붓거나 떨어뜨리는 등의 방식으로 작품을 제작하는 ‘액션페인팅’ 기법을 만들어 그림을 그린 것으로 유명하다. 물리학자들이 폴록의 액션페인팅 기법이 어떻게 놀라운 작품을 만들어 낼 수 있게 했는지에 대한 유체역학적 분석을 내놔 주목받고 있다. 멕시코 국립자치대학 재료분석연구소, 미학연구소, 미국 캘리포니아 리버사이드대(UC리버사이드) 기계공학과, 브라운대 공대 공동연구팀은 폴록이 붓을 사용하지 않고 캔버스에 페인트를 부어 그림을 만들어 낸 것은 유체역학의 고전적인 현상을 응용한 것이라고 1일 밝혔다. 이번 연구결과는 미국공공과학도서관에서 발행하는 국제학술지 ‘플로스 원’ 10월 31일자에 실렸다.폴록은 아메리카 원주민들이 모래 그림을 그리는 것을 응용해 한 손에 물감 통을 들고 한 손에는 막대기나 팔레트나이프를 이용해 재빨리 물감을 튀기며 캔버스를 오가며 작품을 만들었다. 그저 혼돈스러운 장난으로 취급한 사람들도 있었지만 1956년 타임지에서는 19세기 말 영국을 충격에 빠뜨린 연쇄살인범 ‘살인마 잭’(Jack the Ripper)을 흉내내 ‘추락자 잭’(Jack the Dripper)이라고 부르며 현대 미국에서 가장 영향력 있는 화가라고 평가하기도 했다. 연구팀은 폴록의 작업 과정을 녹화한 비디오를 이용해 폴록이 얼마나 빨리 움직였으며 캔버스와 물감통의 거리, 팔레트나이프를 움직이는 속도 등을 정밀분석했다. 이와 함께 다양한 높이에 물감 낙하 장치를 설치한 다음 캔버스가 움직이는 속도도 다르게 하면서 폴록처럼 캔버스에 물감을 떨어뜨리는 실험을 했다.그 결과 폴록의 작업 과정은 유체역학에서 코일링 불안전성(coiling instability)이라고 불리는 현상을 피하려는 동작으로 이뤄져 있다는 사실을 확인했다. 코일링 불안정성은 물감이나 벌꿀처럼 점성이 있는 유체가 표면에 부어졌을 때 동그랗게 말리는 컬(curl)이나 돼지꼬리처럼 고리형태(coil)를 형성하는 현상이다. 꿀을 숟가락으로 뜬 뒤 접시에 떨어뜨려보면 길게 늘어나면서 돌돌 말려 쌓이는 것이 코일링 불안정성 현상이라고 볼 수 있다. 유체역학 관점에서 유체가 낙하할 때는 물방울이 만들어지면서 표면에 떨어지는데 폴락은 캔버스에 물방울 형태가 형성되거나 물감이 뭉치는 것을 막고 물감이 길게 늘어나도록 했다. 연구팀에 따르면 폴록은 물감을 캔버스에 부을 때 코일링 불안정성이 발생하지 않도록 적당한 높이와 충분히 빠른 속도로 캔버스를 이동하면서 캔버스나이프를 움직였음을 발견했다고 밝혔다. 로베르토 제닛 멕시코 국립자치대학 교수(유체역학)는 “폴록은 다른 화가들과 마찬가지로 자신의 작품과 창작기법을 완성하기 위해 오랜 실험 과정을 거쳤다고 알려져 있다”라고 말했다. 제닛 교수는 “이번 분석을 통해 폴록이 물리학을 알고 있었던 그렇지 않던 간에 오랜 실험 끝에 얻어낸 그림 그릴 때 움직임과 페인트를 붓는 과정은 유체역학에서 알려진 고전적 현상을 응용한 것”이라고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

반감기가 1시간인 방사성 물질과 독가스가 들어 있는 상자 속에 있는 고양이는 1시간 뒤 살아있을까, 죽어있을까. 양자역학의 파동방정식을 만들어 낸 물리학자 슈뢰딩거가 고안한 사고 실험인 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자역학의 불확실성을 보여주는 대표적인 사례이다. 양자역학에 따르면 우리 눈에 보이지 않는 물질인 원자, 분자, 양자 등이 존재하는 미시세계에서는 관측하는 행위가 측정 대상에 영향을 미친다. 이 때문에 정밀한 실험을 할 때는 문제가 될 수 있다. 그런데 한-미 공동연구진이 이런 양자역학적 딜레마를 극복하고 단일 원자의 정확한 사진을 촬영할 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다. 미국 IBM 알마덴연구센터, 한국 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단, 이화여대 물리학과, 영국 옥스포드대 물리학과 공동연구팀은 양자역학 원리를 이용한 주사터널링현미경(STM)을 이용해 개별 원자의 전자기적 상태를 측정하고 제어하는 실험에 성공하고 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 25일자에 발표했다.연구팀은 산화마그네슘(MgO) 표면 위에 티타늄(Ti) 원자를 올려놓고 STM으로 관찰했다. 티타늄 원자는 스핀 상태가 두 가지만 갖고 있기 때문에 다른 원자들에 비해 실험하기가 쉽다는 장점이 있다. 고체 표면 위에 있는 티타늄 원자를 관측할 때는 STM에서 마이크로파를 연속적으로 투사시켜 나오는 스핀정보를 측정하는데 두 종류의 스핀 상태 밖에 없음에도 불구하고 양자역학적 특성상 스핀을 원하는 방향만큼만 바꾸거나 특정 방향에서 멈추게 하는 것은 쉽지 않다. 관찰이라는 행위 자체 때문에 스핀 모양이 끊임없이 바뀌기 때문에 정확한 관측이 사실상 어렵다는 설명이다. 이에 연구팀은 마이크로파를 연속적으로 투사시키는 것이 아니라 나노초 단위로 끊어서 티타늄에 쏘는 방식으로 스핀 상태를 제어하고 측정했다. 그 결과 연속 투사방식에서는 할 수 없었던 티타늄 원자의 스핀을 원하는 상태로 설정하는 것이 가능해졌다. 이번 기술은 원자 스핀 제어능력이 더 높아진 만큼 측정 자체가 주는 영향에 신경쓰지 않고도 정밀한 미시세계 관찰을 가능케 해줄 뿐만 아니라 스핀 기반 양자컴퓨터에 정보를 저장할 때도 여러 큐비트(양자컴퓨터의 정보처리 단위)를 통제할 수 있어 정보처리 능력을 높일 수 있게 된다. 안드레아스 하인리히(이화여대 물리학과 석좌교수) IBS 양자나노과학연구단 단장은 “이번 연구결과는 물질 표면 위 원자의 양자 시스템을 제어하는데 중요한 단초를 마련했다는데 의미가 크다”라며 “이번 기술을 활용하면 양자컴퓨터의 정보저장 단위인 큐비트에도 활용이 가능해 양자컴퓨터의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

올해의 노벨 물리학상은 우주의 구조와 역사를 밝히고, 우주 속 지구의 위치에 대한 우리의 관점을 변화시킨 세 명의 과학자들에게 돌아갔다. 공동 수상자는 미국 프린스턴대의 제임스 피블스(84) 교수와 스위스 제네바대의 미셸 마요르(77), 디디에 쿠엘로(53) 교수 등이다. 스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회는 8일(현지시간) 우주 진화의 비밀과 우주 속 지구의 위치에 대한 인류의 이해에 기여한 공로로 이들 3명을 올해 노벨 물리학상 공동 수상자로 선정됐다고 밝혔다. 노벨위원회는 “올해 노벨 물리학상의 절반은 물리우주론의 이론적 발견의 공적을 세운 피블스 교수에, 나머지 절반은 태양과 같은 항성을 공전하는 외계 행성을 최초로 발견한 마요르·쿠엘로 교수 두 명에게 돌아갔다”고 말했다. 피블스는 미국 프린스턴대 알버트 아인슈타인 과학명예교수, 마요르는 스위스 제네바대 명예교수, 쿠엘로는 영국 캠브리지대와 제네바대 교수이다. 이론 천체물리학자인 피블스는 우주 속 수많은 은하의 분포와 양상을 수학적으로 표현하는 방법으로 우주를 이해하는 이론적 도구를 만들어 빅뱅부터 현재까지 우주의 역사에 대한 이해의 기초가 된 이론을 정립한 공헌을 인정받았다. 노벨 위원회에 따르면, 피블스은 우주의 기원과 진화에 대한 연구인 우주론의 영역을 추측에서 실제 과학으로 바꾸는 데 핵심적인 역할을 했다. 그의 연구는 우주의 단지 5%만이 정상적인 물질과 에너지이며, 약 95%는 물리학자들이 암흑 물질과 암흑 에너지라고 부르는 보이지 않는 물질이라는 사실을 밝혀냈다. 마요르와 쿠엘로는 관측 천문학자로 1995년 실제 관측을 통해 태양과 비슷한 외항성과 그 주위 도는 외행성 ‘51 페가수스 b’를 발견한 공로다. 페가수스자리 51(공식명칭 헬베티우스)는 페가수스자리 방향으로 약 50.45광년 떨어져 있는 G형 주계열성 또는 G형 준거성으로, 외계 행성(페가수스자리 51-b)을 거느리고 있음이 최초로 확인된 천체이다. 이후 천문학자들이 수많은 외계행성을 발견하게 된 것은 이 발견이 도화선이 되었다. 노벨상은 스웨덴의 알프레드 노벨(1833~1896)의 유언에 따라 인류의 복지에 공헌한 사람이나 단체를 매년 선정하여 수여되는 상으로, 1901년 제정됐다. 6개 부문 중 노벨 물리학상은 물리학을 통해 인류에 기여한 사람에게 주어지며, 시상식은 보통 노벨의 기일인 12월 10일 열린다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com