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‘과학’이란 무엇인지 대한 멈추지 않는 질문!
우리가 알아야 할 과학의 중요한 근원적 질문들에 답하다!

“아무도 묻지 않는다면 ‘시간’이 무엇인지 안다. 정작 물어보면 그것을 설명할 수 없다.” 아우구스티누스의 이 질문을 간단히 ‘도대체?’로 바꿔봤습니다. 그랬더니 “도대체 시간이란 무엇일까?”란 질문이 되었습니다. 그리고 심사숙고 끝에 ‘시간’을 포함한 9개의 주제를 골랐습니다. 에너지, 엔트로피, 전기와 자기, 시간, 성(sex), 성장과 노화, 뇌, 인공지능, 무한. 이 각각의 주제가 그대로 질문이 되었습니다. 그러자 우리가 왜 이런 것을 궁금해 하고 알고 싶어 하는지 그 자체가 궁금해졌습니다. 자연스럽게 마지막 주제가 떠올랐습니다.

“도대체 ‘과학’이란 무엇일까?”
우리의 질문은 이제 시작되었습니다.

▼ 도대체 무엇일까?
제목이 《도대체 都大體 과학》이다. 어쩌면 심오하고 어쩌면 뜬금없는 제목이 아닐 수 없다. ‘도대체’는 질문할 때 사용하는 표현이다. 잘 알 수 없는 것, 알 듯 말 듯 애매한 것을 물어볼 때 흔히 도대체를 붙인다. ‘도대체 삶이란 무엇인가?’, ‘도대체 인생이란 무엇인가?’
과학은 증명을 통해 명확한 결론을 추론하는 학문이다. 하지만 정말 그럴까? 모든 과학이 명확할까? 우리가 안다고 생각하는 ‘과학’의 많은 주제들을 우리는 설명할 수 있을까? 예를 들어 ‘도대체 에너지란 무엇인가?’, ‘도대체 인공지능이란 무엇인가?’, ‘도대체 엔트로피는 무엇인가?’, ‘도대체 전자란 무엇인가?’ 등등을 명확히 과학적 잣대를 대어 설명할 수 있는가이다.
이 책은 우리 일상과 떼려야 뗄 수 없는 과학의 중요한 질문들을 주제로 한, 과학재단 KAOS의 2019년 가을 강연 ‘도대체’를 엮은 것이다. 각 분야의 전문가들이 펼친 근원적인 질문들에 대한 답이 담겨 있다.

▼ 과학은 언제부터 사용되었는가
과학이라는 말은 언제부터 사용됐을까? 과학이라고 하는 용어는 일본 사람들이 과학(科學)이라고 한자로 번역해 불렀던 말을 수입해 부르고 있는 것이다. 과학은 영어로 사이언스(Science)를 번역한 말이고, 더 거슬러 올라가면 라틴어로 스키엔티아(Scientia)라고 하는 말이 번역된 것이다. 스키엔티아는 원래 일반적이고 보편적인 지식 일반을 얘기하는 것으로, 특별히 과학 지식만을 뜻하지는 않았다.
과학은 이미 우리 일상과 충분히 밀접하게 연결되어 있다. 어디까지를 과학적이고, 어디까지를 비과학적이라 구분하는 것조차 무의미할지도 모른다. 하지만 동시에 그 근원이 어디서부터 시작인지 밝혀내는 것은 과학으로서도 쉽지 않은 일이다. 그렇기 때문에 ‘도대체’라는 질문은 중요하다. 근원에 다가가기 위해서는 끊임없는 질문만이 문제의 해결방안이 될 수 있기 때문이다.

▼ 근원을 찾는 질문의 과학
과학은 질문하는 학문이다. 그러나 하나의 질문에 대한 답을 얻었다고 모든 궁금증이 해소되는 것은 아니다. 그 안에서 다시 새로운 질문을 찾아내고 또 다른 해답을 찾아나가는 것이 과학을, 그리고 인류를 발전시킬 수 있는 원동력이 되기 때문이다.
과학이 우리 생활과 밀접한 관계가 있다는 것은 말할 필요가 없다. 이 책은 인류의 더 나은 미래를 위해 근원에 대한 탐구가 얼마나 필요한 것인지 잘 보여주고 있다.

과학재단 KAOS는 ‘과학, 지식, 나눔’을 모토로 대중이 과학을 좀 더 쉽게 이해하고 즐기게끔 노력하는 단체다. 매년 상반기와 하반기로 나누어 선정된 과학 주제로 10회에 걸쳐 강연한다. 2015년 상반기 주제 ‘기원’을 시작으로, ‘빛’, ‘뇌’, ‘지구’, ‘물질에서 생명으로’, ‘미래과학’, ‘수학’이 어떤 것인지에 대해 강연을 진행했다.

‘렉처 사이언스 KAOS’ 열 번째 책은 《도대체 都大體 과학》이다. 에너지, 엔트로피, 전기와 자기, 시간, 성(sex), 성장과 노화, 뇌, 인공지능, 무한 그리고 과학을 이해하기 위한 특강으로, 과학이 우리 삶에 자리한 중요성과 그 근원을 생각해보는 계기가 될 것이다.

1강 ‘어떤 숫자: 에너지에 관하여’에서는 이강영 교수가 일상에서 흔히 들을 수 있고, 가장 익숙한 물리학 개념인 에너지에 대해 말한다. 에너지가 도대체 무엇인지를 현대물리학의 관점에서 접근하고 있다.
2강 ‘인공지능과 로봇 지능: AI and Robot Intelligence’은 다니엘 리 교수의 인공지능과 로봇 지능에 대한 강연으로, 현대 세계에서 로봇 시스템을 어떻게 구축할 수 있는지를 살펴보았다.
3강 ‘엔트로피 : 티끌 모아 태산을 이해하는 법’은 김범준 교수가 엔트로피에 대해 설명하고 있다. 엔트로피 증가의 법칙으로도 불리는 열역학 제2법칙의 의미를 볼츠만의 엔트로피 공식을 이용해 소개한다.
4강 ‘전기와 자기가 만났을 때: 자석에 전류를 흘리면?’에서는 김갑진 교수가 전기와 자기가 만났을 때를 설명한다. 우리가 사는 세상은 ‘전기와 자기’가 없으면 하루도 살기 어려운 세상이 되었다. 그런 전기와 자기의 실체와 정말 그 둘이 만나면 어떤 일이 벌어지는지 알려주고 있다.
5강 ‘성sex: 성이라는 수수께끼’는 조세형 교수가 ‘성’이라는 수수께끼를 파헤쳐 보았다. 성이 무엇인지에 대한 호기심은 과학적 접근이 아니더라도 항상 궁금한 지점이다.
6강 ‘성장과 노화의 연결고리’에서는 류형돈 교수가 성장과 노화의 연결고리를 알려준다. 오래 살고 싶은 인간의 희망이 만들어낸 노화에 관한 여러 사회적 통설을 되짚어 본다.
7강 ‘내가 보는 세상, 뇌가 보는 세상’에서는 심원목 교수가 뇌에 대해 살펴보았다. 지각, 인지 과정에 대한 질문들을 통해 인간이 세상을 이해하는 원리를 파헤쳐 보았다.
8강 ‘도대체 시간이란 무엇인가?’은 김상욱 교수가 정말 도대체 시간이 무엇인지를 생각해 보게 한 강연이다. 안다고 생각했지만 실제로는 정말 모르는 것이 시간이라는 걸 알게 해준다.
9강 ‘무한에서 시작하는 수수께끼’에서는 한상근 교수가 우리가 직관적으로 받아들이던 무한이란 개념에 대해 진지하게 고찰한다. 사실 무한은 수학자들에게도 쉽지 않은 개념이다.
그리고 마지막으로 10강 ‘과학, 세계를 이해하는 그 특별한 방식에 관하여’는 천현득 교수의 강연으로 과학이야말로 우리가 살아가는 세계를 설명해주는 학문임을 설명한다.

머리말 / 4
LECTURE 01 어떤 숫자: 에너지에 관하여 - 이강영
에너지란 도대체 무엇인가? / 16 에너지(개념)의 역사 / 17 열, 전자기파, 에너지보존법칙 / 22 에너지를 절약한다는 것은 무엇인가 / 26 일, 에너지, 일률 / 29 상대성 이론: 질량도 에너지다 / 32 패널 토의 / 39 질의응답 / 46

LECTURE 02 인공지능과 로봇 지능: AI and Robot Intelligence - 다니엘 리
인공지능 대 자연지능 / 50 사물인지 능력 / 52 인공 뉴런 / 57 매니폴드 이해하기 / 61 지능이 있는 로봇 만들기 / 64 새로운 로봇 지능 휴머노이드 / 67 패널 토의 / 70 질의응답 / 80

LECTURE 03 엔트로피 : 티끌 모아 태산을 이해하는 법 - 김범준
현재를 알면, 미래를 알 수 있다 / 84 고전역학과 통계역학의 다른 점 / 88 티끌을 모아 태산을 이해하기 / 89 동전 1,000개가 들어 있는 주머니 / 92 엔트로피 증가의 법칙 / 95 볼츠만의 엔트로피 정의 / 99 엔트로피 증가 법칙의 또 다른 조건 / 102 자연스럽다는 게 뭘까? / 103 패널 토의 / 108 질의응답 / 118

LECTURE 04 전기와 자기가 만났을 때: 자석에 전류를 흘리면? - 김갑진
전기와 자기의 등장 / 122 마법에서 화학으로 바뀌다 / 124 아인슈타인의 상대성이론 / 127
전기가 흐른다는 건 도대체 무엇이 흐른다는 말인가? / 129 N극과 S극은 어디서 나오는 것일까? / 131 트랜지스터의 발명 / 133 왜 전기와 자석을 따로 생각할까? / 134 자석도 전류의 영향을 받는다? / 136 패널 토의 / 141 질의응답 / 151

LECTURE 05 성sex: 성이라는 수수께끼 - 조세형
왜 고비용이 드는 유성생식을 할까? / 157 그럼에도 유성생식이 가지는 이점이 있다? / 163 천문학적인 다양성을 가진 유성생식 / 166 돌연변이 / 168 무성생식의 비용 / 171 종간 경쟁에 따른 공진화 현상 / 173 패널 토의 / 177 질의응답 / 185

LECTURE 06 성장과 노화의 연결고리 - 류형돈
늙는다는 것은 무엇인가? / 190 우리를 늙게 하는 것들 / 194 세계의 장수 마을 / 197 식사량, 호르몬 그리고 노화 / 200 진화론으로 풀어보는 노화 이야기 / 205 패널 토의 / 208 질의응답 / 216

LECTURE 07 내가 보는 세상, 뇌가 보는 세상 - 심원목
뇌가 보는 세상 / 220 인간의 시각 영역 / 224 우리가 본다는 것은? / 226 뇌가 일으키는 착시들 / 230 물체를 물체로 인식한다는 것 / 232 ‘무엇’이 ‘어디’에 있는가? / 235 패널 토의 / 237 질의응답 / 245

LECTURE 08 도대체 시간이란 무엇인가? - 김상욱
시간의 본질은 무엇인가? / 250 인지혁명 / 253 시간의 정의 / 256 시간의 화살 / 261 새로운 시대, 전자기 혁명 / 265 패널 토의 / 274 질의응답 / 281

LECTURE 09 무한에서 시작하는 수수께끼 - 한상근
도대체 무한이란 무엇일까? / 284 힐베르트 호텔 : 자연수 집합 / 285 수직선 : 실수 집합 / 288 연속체 가설 / 290 러셀의 역설과 괴델의 불완전성 원리 / 292 너무도 이상한 수학 / 295 패널 토의 / 299 질의응답 / 307

LECTURE 10 과학, 세계를 이해하는 그 특별한 방식에 관하여 - 천현득
과학자인가 철학자인가? / 310 도대체 과학은 무엇인가? / 313 세계를 이해하는 특별한 방식인 과학 / 315 시험가능성 & 설명 유관성 / 318 대안적인 설명 이론들 / 321 과학의 성공 비결-과학의 방법론 / 323 과학의 성공 비결-과학의 사회계약 / 329 패널 토의 / 333 질의응답 / 347

그림 출처 / 350
찾아보기 / 352

에너지라는 개념이 운동에너지에서 퍼텐셜에너지, 열, 전자기파 이렇게 확장되어 나간 것입니다. 그러니 어떤 의미에서는 에너지라는 개념보다 에너지보존법칙이 더 우선입니다. 결국 과학자들이 탐구했던 것은 ‘변하지 않는 양’이라는 일종의 형이상학적인 믿음이라고 할 수 있습니다. -25p

AI는 완성 단계가 아닙니다. 아직 많은 문제가 남아 있습니다. 우리가 이해해야 할 것은 기술이 어떤 것을 할 수 있는지, 어떤 제약이 있는지, 미래를 위해서 어떻게 계획할 수 있는지를 생각해봐야 합니 다. 그래서 인공지능 기술을 제대로 이해해야 합니다. -68p

열역학 제2법칙은 주변과 에너지를 주고받지 않는 ‘닫힌계’에서만 성립하기 때문입니다. 생명 현상은 열려 있을 때만 가능합니다. 그리고 우리는 그 열려 있는 외부와 서로 관계맺음하면서 끊임없이 모든 것을 교환하는 존재라고 생각할 수 있습니다. -107p

물리뿐만 아니라 어떤 원소와 원소가 결합하는 화학에도 전기력이 필요합니다. 그래서 화학도 전기를 이해해야 합니다. 생물도 뇌에 자극이 전달되어야 모든 것이 가능한데, 이 전달 메커니즘이 전기적인 신호입니다. 세상 모든 게 전기로 작동하기에 전기를 이해해야 하는 것입니다. -122p

성과 관련해서는 생식이라는 주제가 빠질 수 없습니다. 생식이라는 과정은 지구상에 있는 모든 생명체가 하는 일입니다. 왜냐하면 지구상에 있는 생명체들은 모두 유한한 수명을 갖고 있어서 자신의 수명이 다하기 전에 자신과 닮은 개체를 만들어 내야만 그 생명이 멸종하지 않고 생명의 연속성이 유지될 수 있는 가장 핵심적인 속성이기 때문입니다. 생물학에서는 결국 자신과 닮은 어떤 개체를 계속 해서 만들어 나가는 생식이라는 측면에서 성이 부각될 수밖에 없습니다. -156p

화학반응이 어떤 표면에서 일어났다는 걸 이해하려면 그 분자가 표면에 구체적으로 어디에 붙어 있느냐를 알아야지만 표면 현상들을 제대로 이해할 수 있습니다. 어떤 물질 기능의 거시적인 현상을 이해하기 위해서는 미시적인 관점에서 연구하지 않으면 안 된다는 게 표면 화학을 하는 큰 동기가 됩니다. -201p

화학은 물질의 구조와 변화를 연구하는 학문이라고 했습니다. 그래서 화학자들은 우리를 둘러싼 세상에 있는 물질이 어떤 경로를 통해 만들어졌는지 궁금해하고, 어떤 경우에는 이 과정을 오롯이 인간의 힘으로 똑같이 재현해보려고 합니다. -250p

공룡 DNA는 다 부서졌는데, 사람의 몸에 있는 DNA는 부서지지 않고 어떻게 있을 수 있을까요? 그 이유는 간단합니다. 우리 속에 있는 DNA와 호박석에 갇힌 DNA는 다릅니다. 우리는 영양분을 섭취 하고 그 에너지를 이용해서 세포 안에 망가진 부분들을 고칠 수 있는 그런 작은 단백질 기계들이 있습니다. -192p

우리가 경험하는 이 세계는 어떤 물체가 어디에 있는가를 넘어서는 훨씬 더 풍부하고 다채로운 정보를 포함하고 있다는 점입니다. 우리의 뇌가 어떻게 사건 간 인과관계와 사회적 상호작용 등 복잡한 고등 인지 정보를 처리하고 이해하는지에 관한 연구 역시 활발하게 진행되고 있습니다. 뇌는 무한하고 한없이 복잡해 보이는 우주와 견줄 만한 시스템이라고 생각합니다. -236p

사실 ‘우리 모두 잘 알고 있으니까’라고는 했지만 아마 뭔지 몰라서 정의하지 못한 것일 수 있습니다. 지금도 시간을 정의할 수 있는 사람은 아무도 없기 때문입니다. 그렇다고 시간이나 공간에 대해서 아무 이야기도 하지 않을 수는 없습니다. -257p

과학이 특별하다는 이유는 두 가지 의미입니다. 하나는 과학이 이해하는 세계는 다른 방식으로 세계를 이해하는 것과는 다릅니다. 그리고 또 하나는 더 믿을 만한 지식을 준다는 것입니다. -315p