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우주의 시작, 암흑물질, 모든 것의 이론과 인류의 기원
그리고 뇌의 비밀까지 과학의 10대 미스터리 특강

유튜브 100만 조회, 국내 최고 석학들이 펼친 화제의 과학 강연!

▼ 모든 것의 기원을 찾아서
과학의 발전은 태양계 너머로 우주 탐사선을 보내고, 유전자의 비밀을 밝혀 복제 인간의 등장마저 가능케 하는 단계까지 와있다. 그러나 그토록 눈부신 발전에도 불구하고 인간이 밝혀내지 못한 비밀이 있다면 바로 ‘기원’이다. 게놈의 구조를 알아도 우리는 여전히 인간이 어떻게 기원하게 되었는지 모른다. 우주의 나이가 138억 년쯤이라고 추정하지만 정작 어떻게 시작되었는지 모른다.
사실 기원의 문제는 과학적으로 밝히기 어렵다. 이런 일은 일회적 이벤트이고 시간은 한 방향으로만 흐르기에 과학적 실험이나 방법으로 검증하기가 어렵기 때문이다. 따라서 가설을 세워 그 가설을 증명하는 최대한의 증거를 찾는 수밖에 없다. 빅뱅 이전에는 무엇이 있었을까? 왜 무(無)가 아니라 무언가가 존재하는가? 물질은 어떻게 존재하게 되었는가? 암흑물질과 암흑에너지란 무엇인가? 별과 은하는 어떻게 시작되었나? 우리우주는 어떤 운명을 맞이할까? 블랙홀이란 무엇인가? 생명의 기원, 어떻게 물질에서 생명이 탄생했는가? 어떻게 지구상에 이렇게 다양한 종이 탄생했는가? 인류의 기원은 누구인가? 호모사피엔스는 무엇이 달랐기에 지배적인 동물이 되었는가? 창의성은 어떻게 시작되었는가?
‘렉처 사이언스 KAOS’ 아홉 번째 책 《기원, 궁극의 질문들》은 이런 기원에 대한 미스터리를 10강으로 묶어 소개한다. 카오스재단의 유튜브 채널(KAOS science)로도 연재된 이번 강연은 총 100만 조회를 넘어서며 많은 구독자들의 열렬한 사랑을 받았다. 카오스재단은 2014년 ‘과학·지식·나눔’를 모토로 설립된 비영리 과학재단이다. 깊이 있고 다양한 과학 컨텐츠를 강연, 지식콘서트, 영상 및 출판 등을 통해 전달하고 공학, 예술, 인문학과 사회과학 등 다양한 분야와 교류하고 소통하여 많은 사람들에게 과학을 보다 쉽고 재미있게 전달하기 위해 노력 중이다.
2015년 상반기에 ‘기원’이라는 주제로 시작하여, ‘빛’, ‘뇌’, ‘지구’, ‘물질에서 생명으로’, ‘미래과학’, ‘모든 것의 수다’를 거쳐 2019년 다시금 우주와 생명, 인류의 기원에 대한 강연을 진행했다. 천문학, 물리학, 생물학, 인류학 분야 국내 최고 석학들의 강연을 정리 및 보완한 이 책을 통해, 별과 우주, 지구, 생명체, 물질, 인류에 이르기까지, 가장 밝혀지지 않은 기원의 비밀을 찾아보자.

1강 ‘우주론의 기원’에서는 다양한 우주론을 살펴보고, 과거의 우주론에서 표준우주론이 정립되기까지의 과정을 알려준다. 인간은 우주의 특별한 시점에, 특별한 장소에, 특별한 행성 위에 살고 있는 특별한 생명체이며, 그런 특별한 시점, 특별한 장소가 어떻게 생성되었는지, 인간이라는 생명체가 태어날 수 있었던 우주의 기원은 무엇인지 살펴본다.

2강 ‘우주는 어떻게 시작되었는가?-빅뱅’에서는 우주의 시작이라는 빅뱅 이전에 또 다른 우주가 있었을 것이라는 추측을 바탕으로, 그렇다면 우주는 어떻게 시작되었는지 살펴본다. 그렇다면 우리우주만 있는 것이 아니라 다양한 형태를 지닌 다양한 우주가 있을지 모른다는 추측도 가능하며, 미래에 대한 시나리오도 다양하게 등장할 것이라고 설명한다.

3강 ‘물질의 기원-빅뱅에서 희토류까지’에서는 우주와 지구를 구성하는 물질이 과연 어디에서 비롯되었는지 알아본다. 빅뱅에서 흩어진 기본 입자들이 어떤 과정을 거쳐 점점 더 무겁고 복잡한 물질로 바뀌었고, 현재 지구와 생명체를 구성하는 다양한 원자가 되었다. 이런 원소들은 우주의 역사에서 한 과정에 나타난 역사적 사건이라고 설명한다.

4강 ‘별과 은하의 기원’에서는 별과 은하가 어떻게 태어나 어떤 과정을 거쳐 진화하는지, 어떻게 죽는지 알아본다. 많은 외계 행성을 찾아내어 외계 생명체의 가능성도 점치고 있는 현재, 지구, 태양계, 우리은하, 우리우주에 공존하는 인간은 놀라운 우연이자 기적이라고 설명한다.

5강 ‘블랙홀 전쟁에서 우주의 시작까지’에서는 블랙홀의 존재를 통해 현대 우주론이 어떻게 발전하고 있는지 알아본다. 양자물리가 미시세계뿐 아니라 거대한 우주의 모습까지 결정하는 놀라운 학문임을 설명하면서, 물리학적 관측 결과와 관측한 적 없는 블랙홀의 양자 현상이 동일한 원리에 의해 연결된다는 것을 알려준다.

6강 ‘생명의 기원, 그리고 세포내공생을 통한 식물의 진화’에서는 생물의 계통수를 통해 단세포생물이 어떻게 진핵생물로 진화했고 식물로 진화했는지 알아본다. 세포내공생설이라는 가설을 통해 어떤 진화 과정을 거쳤는지 설명하고, 세포내공생설을 통해 생물이 다양해질 수 있었음을 설명한다.

7강 ‘Why so many?-성 로살리아의 축복과 쥐라기 공원’에서는 다양성이 생명에 필수 불가결한 요소임을 살펴본다. 돌연변이가 생명에 다양성을 부여했듯 인간에게도 다름이 다양성을 부여하며, 다양성은 복잡하고 불편하지만 한편으로는 생존에 꼭 필요한 것임을 설명한다.

8강 ‘인류의 기원’에서는 호미닌에서 호모를 거쳐 현생 인류가 태어나기까지의 과정을 살펴본다. 호미닌이 두 발로 걷고 두뇌가 커지면서 호모속으로 진화한 과정, 호모속이 커다란 머리를 유지한 이유, 여러 현생 인류가 유전적 교류를 했다는 사실 등을 설명한다.

9강 ‘어떻게 호모사피엔스는 지배적 동물이 되었나?’에서는 다양하게 존재했던 호모속 중에서도 유독 호모사피엔스만이 남아 이 지구상의 지배적 동물이 되었는지 살펴본다. 특히 집단 지성과 사회성, 다양성이라는 인간의 특성이 현생 인류가 살아남은 이유가 되었다고 설명한다.

10강 ‘창의성의 기원-뇌가 사랑한 오브제’에서는 인간이 발달하게 된 이유가 창의성이라고 보고, 창의성의 기원은 뇌와 오브제의 관계라고 설명한다. 뇌가 어떻게 오브제를 인식하고 그를 어떻게 해석하고 처리하고 행동하는지 살펴보면서 인간의 창의성을 어떻게 끌어올릴 수 있는지 살펴본다.

머리말

LECTURE 01: 우주론의 기원 _박창범
우주론이란? / 과학적 우주상 / 대의 우주관
패널 토의
질의응답

LECTURE 02: 우주는 어떻게 시작되었는가?-빅뱅 _김형도
우주의 나이 / 주배경복사와 급팽창이론 / 표준모형 / 우주의 운명
패널 토의
질의응답

LECTURE 03: 물질의 기원-빅뱅에서 희토류까지 _윤성철
원자란? / 원소와 빅뱅 / 빅뱅이론에 대한 반대 / 별의 진화와 생명의 가능성
패널 토의
질의응답

LECTURE 04: 별과 은하의 기원 _이석영
은하의 미스터리 / 별의 죽음과 원소 / 외계 생명체의 탐사
패널 토의
질의응답

LECTURE 05: 블랙홀 전쟁에서 우주의 시작까지 _이필진
절대적인 광속이 낳은 상대성이론 / 빛의 고깔 / 우주의 팽창과 우주의 지평 / 블랙홀과 사건의 지평
잠시 쉬어 가기 / 지평의 열역학 그리고 블랙홀 전쟁 / 지평의 열역학과 은하의 기원
패널 토의
질의응답

LECTURE 06: 생명의 기원, 그리고 세포내공생을 통한 식물의 진화 _윤환수
화학진화, 최초의 세포 / 진핵생물의 기원 / 식물의 기원
패널 토의
질의응답

LECTURE 07: Why so many?-성 로살리아의 축복과 쥐라기 공원 _최재천
성 로살리아와 다양성 / 돌연변이와 진화 / 다양성과 대절멸
패널 토의
질의응답

LECTURE 08: 인류의 기원 _이상희
호미닌의 기원 / 호모의 기원 / 현생 인류의 기원
패널 토의
질의응답

LECTURE 09: 어떻게 호모사피엔스는 지배적 동물이 되었나? _김준홍
호모사피엔스의 등장과 이주 / 해부학적 현대인의 등장과 인지 혁명 / 호모사피엔스가 지배적인 동물이 된 이유
동물과 인간의 문화 / 인간 행동의 다양성 / 문화와 유전자는 공진화한다
패널 토의
질의응답

LECTURE 10: 창의성의 기원-뇌가 사랑한 오브제 _김대수
오브제, 뇌가 인식하는 사물의 단위 / 행동, 오브제와의 만남 / 오브제를 활용하는 뇌
패널 토의
질의응답

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우주를 설명하는 분야는 천체물리학뿐 아니라 철학, 신화, 종교 등 여러 가지가 있는데, 과학과 마찬가지로 나름의 논리와 목표를 가지고 우주를 설명할 것입니다. 자연과학으로서의 우주론은 한계가 있는데, 과학은 연구하는 주체와 연구 대상이 되는 객체가 분리되어야 합니다. 그런데 우주론에는 자기 모순성 또는 자기 인용 패러독스가 있습니다. 예를 들어 우주의 기원을 이야기할 때 우주가 어떻게 생겨났느냐 하는 것을 자연법칙으로 설명해야 하는데, 자연법칙은 우주의 구성 성분 중 하나입니다. 우주 탄생의 결과가 자연법칙이니까요. 그러면 우주 탄생의 결과인 자연법칙을 가지고 우주 탄생을 설명한다는 자기모순이 일어납니다. 그렇게 되려면 우주 탄생 전에 우주 법칙이 이미 존재해야 한다는 말이지요. 또한 어떤 이론을 검증하려면 여러 번 그 현상을 관측하고 반복해야 합니다. 아니면 통계적으로 그 이론이 맞는지 봐야겠죠. 그런데 우주는 단 한 번 탄생해서 단 한 번의 진화를 겪고 있습니다. 그래서 검증하거나 통계를 낼 수 없는 독특한 연구 대상입니다.
( '우주론의 기원(박상범)' 중에서/ pp.20~21)

고전적으로는 가장 낮은 에너지 상태가 중심점이 될 텐데, 항상 양자요동이 있기 때문에 정확하게 어디 있는지 알 수 없습니다. 양자요동은 이 안에서만 일어나면 평균적으로 아무것도 없는 것이나 마찬가지지만, 급팽창에 의해 확 늘어났기 때문에 양자요동이 아닌 고전적인 요동으로 얼어버렸다가 다시 우리우주에 진입하게 되어 우주 구조 형성을 도울 수 있게 됩니다. 한편 우주 전체는 2.7켈빈이지만 1만 분의 1 더 뜨거운 데가 있고 더 차가운 데가 있다고 했는데, 그 작은 차이가 더 많은 물질을 모으게 되고 조금 더 뜨거웠던 부분이 지금의 은하, 지금의 별을 만들어낸 곳이 됩니다. 이보다 훨씬 더 큰 양자요동도 가능합니다. 그렇게 되면 우주의 일부분이 더 급격하게 빠른 속도로 팽창하는 우주가 될 겁니다. 그러면 넓은 의미의 우주는 더 빨리 가속팽창하고 사라져버리는 우주가 대부분일 거예요. 이게 현재 급팽창이론이 예측하고 있는 아주 큰 우주의 모습입니다.
( '우주는 어떻게 시작되었는가?-빅뱅(김형도)' 중에서/ pp.68~69)

물질의 기원은 무엇인가? 이 질문에 대한 답을 찾아나가는 여정은 우리의 존재가 어디서 왔는가를 탐구하는 작업이라고도 할 수 있습니다.
현대 과학이 발견한 위대한 사실 중 하나는 지구 혹은 우주에 존재하는 모든 현상은 기본 입자들의 운동으로 설명이 가능하다는 것입니다. 물질을 구성하는 기본적인 단위가 있고, 그 기본적인 단위의 운동으로 자연의 모든 현상을 설명할 수 있다는 거죠. 사랑을 느끼는 감정, 생명현상, 의식, 이 모든 것이 기본적인 단위, 원자나 분자의 운동으로 설명이 가능하다는 것이 현대 물리학자들의 주장입니다.
( '물질의 기원-빅뱅에서 희토류까지(윤성철)' 중에서/ pp.94~95)

드디어 인류는 과학적인 틀을 기반으로 우주를 이해하기 시작했습니다. 인류는 지구를 필요로 합니다. 그러나 지구는 태양계를 필요로 하고, 태양계는 우리은하를 형성해야 가능한 존재입니다. 그리고 우리은하는 우주 전체와 공존하고 있습니다. 이 모든 것이 빅뱅에서 비롯된 것이고요. 그렇게 빅뱅에서 비롯된 많은 은하와 행성과 물질, 이 모든 우주는 138억 년에 걸쳐 인간이란 존재를 만들어냈습니다. 그만큼 우리는 귀한 존재이고, 이 세상의 모든 것은 놀라운 우연과 기적입니다.
( '별과 은하의 기원(이석영)' 중에서/ p.157)

블랙홀에 있는 사건의 지평에서 발견된 양자역학적인 효과를 우주의 지평에도 적용했더니 시공간의 곡률이 양자역학적인 요동을 한다는 사실을 알게 되었고, 이를 우주 역사에 대입하면 유추할 수 있는 초기 우주 밀도 섭동, 그리고 그로 인한 우주배경복사의 미세한 섭동이 관측되었습니다. 그리고 이 밀도 섭동이 현재 우리 우주에 있는 은하의 생성과 분포로 연 결된다는 놀라운 이야기였습니다. 이는 앞에서도 강조했듯이 양자물리가 미시세계의 전유물이 아닐 뿐만 아니라, 심지어 인류가 상상 할 수 있는 가장 거대한 구조인 우주의 모습을 결정했다는 말이 됩니다. 물리학자인 제가 생각해도 무척이나 놀랍고 신기한 이야기입니다만, 여러분이 현대 물리학에 대해 가지고 있던 선입견들도 일부 흔들어놓았기를 기대합니다.
( '블랙홀 전쟁에서 우주의 시작까지(이필진)' 중에서/ pp.203~204)

무기물에서 유기물의 생성은 실험적으로 증명이 가능합니다. 하지만 최초 생명의 기원은 아직까지 규명할 수 없습니다. 진핵생물은 고세균과 박테리아의 세포내공생으로 시작됐고, 모든 식물의 엽록체는 시아노박테리아로부터 세포내공생을 통해 기원한 것을 알 수 있습니다. 엽록체는 2차 또는 3차 내공생 과정을 통해 미역이나 다시마처럼 갈조류 그룹으로도 많이 확장돼서 현재 약 500만 종의 진핵생물 그룹으로 진화했습니다. 따라서 세포내공생은 생물의 다양성을 일으키는 진화적 촉매라고 할 수 있습니다.
( '생명의 기원, 그리고 세포내공생을 통한 식물의 진화(윤환수)' 중에서/ p.241)

2002년에 조엘 코언(Joel Cohen)이라는 록펠러 대학의 석학이 우리나라 세계생태학대회에 참석했는데, 어느 일간지와 인터뷰하면서 “생태학이 우리를 이 위기로부터 구원해줄까요?”라는 질문에, “생태학 혼자서는 불가능하지만, 생태학을 빼놓고 하기는 어려울 것이다”라는 명답을 내놓더군요.
사회학자들은 인류의 역사를 ‘전환turn’이라는 개념으로 종종 설명합니다. 언어적 전환, 문화적 전환 같은 것이죠. 지난 세기말 국제 학회에서 저는 이제 우리에게 남은 유일한 전환은 생태적 전환(ecological turn)이라고 선언했습니다. 우리 존재 자체가 공격받고 있으니까요. 다른 생물과 함께 이 지구를 공유하고 공생하는 호모 심비우스(Homo Symbious)로 거듭나야 할 것입니다. 다양성을 유지하지 않는 한, 가장 먼저 절멸될 그룹 중 하나가 인간이기 때문입니다.
( 'Why so many?-성 로살리아의 축복과 쥐라기 공원(최재천)' 중에서/ p.270)

오브제와 창의성이 세상에서 잘 적용된 예가 있어요. 스티브 잡스는 뇌를 끌어당기는 오브제의 중요성을 이미 알았어요. 그래서 ‘아이콘’이라는 가상의 오브제를 창조해냈죠. 아이콘을 보면 눌러보고 싶은 욕망이 생깁니다. 그래서 애플사의 모든 것은 이렇게 아이콘으로 만들어져 있죠. 아이콘은 뇌의 신경과학적인 원리가 숨어 있는 굉장히 성공적인 예라고 생각합니다. 스티브 잡스가 한때 애플사에서 쫓겨나서 픽사를 설립했는데, 3차원 애니메이션을 만들죠. 3차원은 호기심을 더욱 자극하게 되죠. 역시 신경과학적인 원리를 굉장히 잘 적용한 예가 되겠습니다.
창의성은 오브제를 향한 뇌의 본능입니다. 그리고 오브제를 유용하게, 유전자를 유용하게 전달할 수 있도록 활용하는 능력입니다. 지나가는 사물이나 물체에 좀 더 관심을 가지고 그것의 아름다움을 느낀다면 신경이 자극되고 좋은 일이 일어나지 않을까 싶습니다. 그리고 삶의 여유와 쉼이 물건을 보게 하고 호기심을 만들고, 앞으로 어떻게 살아야 할 것인가 즐거운 고민을 하는 시작이 되리라 믿습니다.
( '창의성의 기원-뇌가 사랑한 오브제(김대수)' 중에서/ p.369)