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세계적 물리학자의 여정으로 본 과학의 세계
기초과학을 연구하는 과학자의 호기심과 탐구심

캘리포니아 공과대학교 수리물리천문학부 교수이자 세계적인 초끈이론 연구가인 오구리 히로시가 과학에 처음 흥미를 느꼈던 어린 시절부터 지금까지 자신의 삶을 이야기하며 실용을 추구하는 시대 기초과학의 의미가 무엇인지 살펴본다.

오랜 시간 물리학을 탐구해온 학자로서 자신이 이전 물리학자들에게 물려받은 물리학 자산을 바탕으로 어떻게 자신이 공부하고 연구했는지 들려주면서 과학자를 꿈꾸고 있는 학생이나 연구의 길을 가고 있는 연구자 등 학문에 뜻을 두고 있는 사람에게 필요한 것이 무엇인지 이야기한다.

좋은 것과 좋지 않은 것, 도움이 되는 것과 도움이 되지 않는 것으로 양분하는 사회에서 자연의 진리를 탐구하는 물리학자는 무엇을 지도로 삼아야 할까? 이에 대해 오구리 히로시는 사회에서 기초과학이 지닌 중요성을 이야기하며 과학을 직업으로 삼는 것이 어떤 의미인지 되돌아본다.

20세기 물리학 진보의 산증인 오구리 히로시
삶을 통해 과학을 말하다
오구리 히로시는 138억 년 전 우주의 시작을 연구하는 세계적 물리학자이다. 현재 캘리포니아 공과대학교 교수외에도 카블리 수학물리연계 우주연구기구 기구장과 아스펜 물리학센터 이사장을 맡고 있는 그는 우주의 근원에서 시작된 초기 물질을 하나의 끈으로 보는, 20세기 물리학 개념인 초끈이론에서 다양한 업적을 이뤄냈다.
그는 초끈이론이 전자의 기본적인 성질조차 설명하지 못할 뿐 아니라, 연구자가 10명이 채 되지 않았던 시기에 초끈이론을 공부하기 시작했다. 주변에 초끈이론을 아는 사람도 많지 않았고 최신 논문을 받아보는 데도 3개월 이상의 시간이 걸렸다. 지금처럼 웹상에서 논문을 즉시 볼 수 있었던 시대가 아니었다. 이런 상황에서 연구를 시작했던 그가 이 분야에서 큰 업적을 이룰 수 있었던 것은 당시 물리학의 진보를 바로바로 도입해 공부하고 연구했기에 가능했다.
전기기학과 양자역학을 통합해 장의 양자론(양자장론)을 발전시킨 20세기를 대표하는 물리학자 리처드 파인만, 줄리언 슈윙거, 도모나가 신이치로 덕분에 대학원에 들어가자마자 장의 양자론에 대해 공부할 수 있었다. 그 후 에드워드 위튼이 칼라비 야우Calabi-Yau 공간’이라는 개념을 활용하여 그동안 학계에서 풀지 못한 문제를 해결하는데, 초끈이론으로 우리가 살고 있는 가로, 세로, 높이라는 3차원을 설명할 수 있게 된 것이다. 이 외에도 오구리 히로시는 소립자이론이 어떻게 도출되는지 밝힌 ‘초끈이론 혁명’과 10년 후 초끈이론이 하나의 이론이라는 것이 밝혀진 ‘제2의 초끈이론 혁명’ 등 초끈이론에 있어서 굵직한 역사의 중심에서 그 진보를 목격하며 공부를 해나갔다.
그 후 20세기 물리학의 유산을 활용해 초끈이론 연구의 다음 관문을 이어가는데 이 과정에서도 파인만이 만든 ‘파인만 도형’이 결정적 역할을 하게 된다. 그 결과 초끈이론의 오랜 과제인 중력과 양자역학의 통합에 응용할 수 있는 ‘BCOV 이론’을 만드는 데 성공한다. 이 업적으로 물리학과 수학에 기여한 공로를 인정받아 미국수학협회 아이젠버드상을 받았고, 일본의 니시나 기념상을 수상했다.

호기심 많던 소년, 물리학자가 되다
어린 시절의 오구리 히로시는 가족들과 전망대 레스토랑에서 밥을 먹다가 불현듯 창밖으로 보이는 지평선까지의 거리가 궁금해졌다. 학교에서 배운 삼각법을 떠올려 근처의 커피숍, 지평선상, 지구의 중심을 꼭짓점으로 하는 삼각형을 그린 후 이를 삼각법에 대입해본다. 시행착오를 겪긴 했지만 풀어낸 답은 정답에 가까웠다. 호기심과 관찰, 생각만으로 지평선의 거리를 알아낸 경험은 오구리 히로시에게 스스로 생각하는 즐거움을 알게 해준 경험이었다.
초등학교 때 매주 월요일마다 자신이 연구한 것을 커다란 도화지에 적어서 발표하는 ‘자유연구’도 그런 즐거움을 알아가는 과정이었다. 부모님의 가게를 다녀가는 사람의 수가 하루 동안 어떻게 변하는지 궁금해진 그는 자유연구로 그 변화를 조사해보는데 여기서 시간의 폭에 따라 그래프 모양이 어떻게 달라지는지 그 차이를 생각해보며 재미를 느꼈다.
이렇게 스스로 생각하는 즐거움을 다양한 방식으로 확장해나간 오구리 히로시가 가장 좋아했던 책은 《만유백과대사전》이라는 백과사전이었다. 물리나 수학뿐 아니라 철학과 종교, 세계사, 미술까지 세상의 모든 분야를 모아 놓은 이 책은 그의 지적 호기심을 충족시켜줬다. 특히 좋아했던 부분은 그리스의 과학자와 수학자들의 이야기였다. 책에 나와 있는 피타고라스의 증명 말고 스스로 다른 증명을 생각해보고, 부력에 대한 설명이 마음에 들지 않아 페트병과 간장병, 나사못으로 직접 실험해보면서 관찰한 것을 토대로 자신만의 설명을 생각해보기도 했다.
이론 물리학자의 꿈을 품게 되고, 그의 연구 분야인 중력의 세계를 처음 알게 해준 것도 책을 통해서였다. 어린 시절을 지나 학생이 되고, 연구자의 길을 가는 과정에서도 물리학뿐만 아니라 수학, 철학, 역사 등 다양한 책을 읽으며 과학과 이를 둘러싼 문제를 관통하는 사고력을 키워나갔다.
138억 년 전 우주의 시작을 설명하는 초끈이론과 같은 어려운 문제도 관찰과 사고의 힘으로 풀 수 있다는 자신감은 전망대 레스토랑에서 지평선의 거리를 풀어낸 경험에서 비롯되었다는 그의 말처럼 ‘스스로 생각해나가는 힘’이 소년을 지금의 오구리 히로시로 이끈 중심축이었다.

응용의 시대, 기초과학의 의미를 묻다
이 책에는 수많은 물리학자가 등장한다. 양자역학의 성질을 고양이 사고 실험으로 설명한 에르빈 슈뢰딩거를 비롯하여 리처드 파인만, 닐스 보어, 유카와 히데키, 도모나가 신이치로 등 이들이 어떻게 연구하고, 그 과정에서 어떠한 갈등에 부딪쳤는지를 그리고 있다. 그중에서도 하이젠베르크의 《부분과 전체》를 통해 원자폭탄 개발을 놓고 물리학자들이 고뇌하는 모습을 상세히 다루는데 이를 통해 물리학자의 연구는 자신의 호기심, 가치관뿐만 아니라 그 연구를 둘러싼 사회, 정치, 문화와도 연결되어 있음을 보여준다. 자신의 호기심을 포기할 것인지, 위험을 안고 연구를 감행할 것인지와 같은 선택의 문제도 결국 그 문제가 속한 사회와 문화를 밑바탕에 두기 때문이다. 이를 통해 오구리 히로시는 기초과학은 과학이라는 분야를 넘어서 우리가 살아가는 일상과 불가분의 관계라는 메시지를 전한다.
당장엔 쓸모없는 것처럼 보이지만 역사상 인류에게 큰 혜택을 가져다준 발견은 쓸모없을 거라고 생각했던 연구에서 나오는 경우가 많다. 전자 기술에 널리 사용되는, 맥스웰이 발견한 전기와 자기처럼 그것이 무엇에 도움이 될지 모른 채, 발견 그 자체에 가치를 두고 연구가 시작되기 때문이다. 오구리 히로시는 이렇게 시작된 연구일수록 보편성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 우리 일상과 떼려야 뗄 수 없는 응용으로 이어질 수 있는 가능성을 갖게 된다고 말한다.
기초과학의 사회적 가치는 바로 단번에 보이지 않지만 그 가능성 또한 누구도 예측할 수 없다.

과학자에게 필요한 세 가지 힘
오구리 히로시는 해결하지 못한 자신의 연구를 무려 20여 년에 걸쳐 푼 경험이 있다. 수학자 라마누잔의 공식을 초끈이론에 적용해서 완성한 박사 논문이었는데, 이렇게 긴 시간 동안 하나의 문제를 풀릴 때까지 포기하지 않는 모습은 이후 그의 연구에서 계속 찾아볼 수 있다.
위상 끈이론에서 ‘양’에 대한 방정식이 풀리지 않아 막혀 있을 때 그는 일 년 가까이 여기에만 매달렸다. 매일 칠판 앞에서, 방에서, 심지어 지하철 안에서도 그 생각 하나에만 몰두한다. 그러던 어느 날 파인만 도형을 이용해 ‘양’의 방정식을 풀어내는 데 성공하고, 이는 BCOV 이론을 만드는 결정적 역할을 하게 된다.
이렇게 오랜 시간 연구에 몰두해온 학자답게 오구리 히로시는 과학자의 길을 가거나 연구자가 되기 위해 길러야 할 세 가지 힘에 대해 이야기한다. 새로운 지식을 창조하기 위해서는 고등학교나 대학교에서와는 다른 공부 방법이 필요하기 때문이다.
첫 번째는 문제를 찾는 힘, 두 번째는 그 문제를 푸는 힘, 마지막은 그 문제를 풀기 위해 끈기 있게 생각하는 힘이다. 현존하는 지식과 기술로 성과를 얻을 수 있는 문제를 찾고, 필요한 기술과 지식을 활용해서 문제가 풀릴 때까지 끈기 있게 생각하는 힘이 중요하고 말한다. 이 세 가지는 오구리 히로시가 학자로 오랜 시간 연구해오면서 체득한 것이기도 하다.
실제 박사 과정의 자격이 주어지는 ‘박사 후보자’가 되기 위해서는 가치 있는 연구를 수행할 잠재력을 가장 중요하게 여기는데, 여기에는 문제에 대한 답을 찾을 때까지 ‘끈기 있게 생각할 수 있는 힘’도 포함된다. 이는 박사 과정뿐만 아니라 그 후 이어지는 연구에서 오구리 히로시처럼 20년이 걸릴 수도 있고, 그의 동료처럼 30년이 지나도 풀리지 않는 문제를 연구할 수도 있기 때문이다.

한국의 독자들에게ㆍ6

제1부 지식을 향한 여행의 시작
1장 생각하는 즐거움
전망대 레스토랑에서 지구의 크기를 재다ㆍ17
갓난아이도 ‘발견’의 기쁨을 느끼다ㆍ22
자유연구를 하며 시행착오를 즐기다ㆍ23
자유서방에 방임되다ㆍ26
블루백스와 《만유백과대사전》ㆍ29
아르키메데스 원리의 설명을 스스로 생각하다ㆍ33
눈은 하늘에서 보낸 편지다ㆍ37
공부의 세 가지 목표ㆍ40
1장을 마치며: 여행을 함께 한 ‘종이책’들ㆍ43

2장 생각하는 방법을 단련하다
입시를 위해 만난 고대 철학자들ㆍ49
데카르트가 도달한 진리 탐구의 방법ㆍ53
납득되지 않았던 칸트의 《순수이성비판》ㆍ57
철학과 과학의 교류로 탄생한 새로운 세계관ㆍ59
연구의 가치는 무엇으로 정해지는가ㆍ61
물리학·수학의 역사에서 배운 것ㆍ63
철학과 역사가 중요한 이유ㆍ67
로마 황제의 가르침ㆍ70
수험 참고서의 명작들ㆍ72
의학부가 아니라 이학부, 도쿄 대학교가 아니라 교토 대학교ㆍ75
물리학이란 원래 어떤 학문인가ㆍ79
인생에서 공부를 가장 많이 한 4년ㆍ81
프로베니우스 정리와 소바ㆍ83
파인만에게 배운 자유로운 발상ㆍ86
《이론 물리학 강의》에서 발견한 아름다움ㆍ88
논문을 읽는 이유ㆍ90
교양의 기초, 리버럴 아츠ㆍ91
글쓰기를 배우다ㆍ93
영국문화원에서 배운 것ㆍ95
2장을 마치며: 영어 실력을 향상시키기 위해서는 무엇이 필요한가？ㆍ98

3장 물리학자들의 영광과 고뇌
양자역학 완성의 순간-하이젠베르크의 《부분과 전체》ㆍ103
나치 독일에 머물기로 하다ㆍ106
‘우라늄 클럽’에서 원자폭탄 개발을 지도하다ㆍ108
은사 보어와의 이별ㆍ110
전쟁 협력에 대한 갈등ㆍ113
대수학 타입 vs 기하학 타입ㆍ115
황폐된 도쿄에서 온 소포ㆍ117
도모나가 신이치로의 〈독일에서의 일기〉ㆍ120
‘자유로운 낙원’에서 멋진 날들ㆍ123
리켄·니시나의 원자폭탄 연구ㆍ125
과학자로서의 호기심 vs 사람으로서의 윤리ㆍ127
과학의 발견은 선도 악도 아니다ㆍ129
기초과학은 지도가 없는 여행-유카와 히데키의 《나그네》ㆍ132
개념을 창조하다-슈뢰딩거의 《생명이란 무엇인가》ㆍ134
3장을 마치며: ‘개념’의 사용에 주의하라ㆍ138

제2부 지식을 향한 여행
새로운 지식을 창조하다ㆍ143
대학원에서 길러야 할 세 가지 힘ㆍ144
몇 번이고 다시 공부한 ‘장의 양자론’ㆍ150
‘늦었다’는 조바심ㆍ152
고슴도치와 여우에게 배우다ㆍ154
“오구리는 비뚤어진 것을 너무 좋아해”ㆍ156
행운의 여신의 앞머리를 잡다ㆍ159
미국 유학 vs 도쿄 대학교 조수ㆍ163
이메일이 도입되기 직전의 텔렉스ㆍ166
대한민국으로 첫 해외 출장을 가다ㆍ168
인도에서 실종되다ㆍ170
행운은 준비된 사람에게 주어진다ㆍ172
인도에서 공중제비를 돌다ㆍ176
프린스턴 고등연구소로ㆍ178
박사 학위가 없는 연구자들이 우글우글ㆍ180
치열한 경쟁의 장인가, 자유로운 낙원인가ㆍ183
라마누잔의 공식을 초끈이론에 이용하다ㆍ186
난부 요이치로와의 추억ㆍ190
시카고 대학교로 전직은 실패ㆍ192
바흐를 들으면서 ‘장난감 끈이론’을 풀다ㆍ194
보편성을 가지는 성과 ‘BCOV 이론’ㆍ197
2부를 마치며: 스피치를 위한 전략ㆍ202

제3부 기초과학을 키우다
미국에서의 커리어 재도전ㆍ207
초끈이론의 두 번째 혁명ㆍ210 캘리포니아 공과대학교로ㆍ212
12년간 생각한 것이 성과를 내다ㆍ214
대학 운영에 참여하다ㆍ216
언어의 힘을 철저하게 키우는 미국 교육ㆍ217
지원자 평가를 위해 아끼지 않는 에너지ㆍ220
33억 엔의 연구 자금 조달에 성공하다ㆍ224
기적의 연구소, 아스펜 물리학센터ㆍ229
일본에서 나고 자란 사람이 미국 물리학 유산의 총재가 되다ㆍ231
도쿄 대학교의 연구 거점 구상에 참여ㆍ234
‘우주의 수학’이란 무엇인가ㆍ239
티타임에서 탄생한 분야 융합의 성과ㆍ243
IPMU 탄생, 그리고 카블리의 이름을 단 연구소ㆍ245
내가 진지하게 즐길 수 있는 것은 무엇일까ㆍ249
미션을 잊어서는 안 된다ㆍ254
코로나19로 가속화된 기초과학의 민주화ㆍ257
세계의 속도에 맞추지 못하는 일본ㆍ260
3부를 마치며: 시간과 컨디션 관리도 중요한 일ㆍ265

제4부 사회에서 기초과학이란 무엇인가
동일본 대지진으로 되묻는 기초과학의 의미ㆍ271
과학은 원래 천문학에서 시작되었다ㆍ274
바빌로니아와 그리스의 천문학이 만나 이룬 발전ㆍ277
‘12세기 르네상스’에서 과학 부흥이 시작되다ㆍ279
대학과 대학 교수가 탄생한 12세기ㆍ282
기독교적 세계관이 받은 충격ㆍ285
이성과 기독교를 양립시킨 토마스 아퀴나스ㆍ287
대학의 죽음 그리고 부활ㆍ289
공학부 탄생과 대학 역할의 변화ㆍ292
목적 합리성과 가치 합리성ㆍ293
바로 손에 잡을 수 있는 열매를 수확하기 위해서는ㆍ298
쓸모없는 지식의 쓸모ㆍ300
가치 있는 연구는 탐구심에서 탄생한다ㆍ306

나오며ㆍ314
옮긴이의 말ㆍ317

갓난아이가 시행착오를 하면서 세계를 발견해가는 모습에 감동합니다. 우리들이 당연하다고 생각하는 일상의 현상 하나하나가 그들에게는 새롭고 거기에서 패턴을 발견하는 것으로 자신들이 살아가는 이 세상의 구조를 이해해나갑니다. 패턴의 발견에는 순수한 기쁨과 감동이 있습니다. 갓난아이 때의 호기심을 그대로 가지고 어른이 된 사람이 과학자인지도 모릅니다.
갓난아이도 ‘발견’의 기쁨을 느끼다 / 23쪽

“우주라는 위대한 책을 읽기 위해서는 거기에 적힌 언어를 배우고 문자를 습득해야 한다. 이 책은 수학의 언어로 기술되어 있다.” 갈릴레오의 말에는 나카야의 “하늘에서 보낸 편지 속에 있는 문구는 결정의 형태 그리고 모양이라는 암호로 기록되어 있다”와 일맥상통하는 것이 있다고 느껴집니다. 눈에 대해서든 우주에 대해서든 과학은 자연에서 보내온 암호를 해독하는 작업입니다.
눈은 하늘에서 보낸 편지다 / 39쪽

고등학교 때까지는 지도에 따라 선생님에게 배운 바를 그대로 공부합니다. 그러나 대학에서는 먼저 무엇을 공부할 것인지 스스로 선택해야 합니다. 게다가 입시 공부와는 달리 대학에서 연구하는 문제에는 반드시 정답이 있다고 할 수 없습니다. 이제까지 아무도 가지 않은 길을 개척하고 스스로 생각하는 힘을 키우는 것이 대학 교육의 목표 중 하나입니다.
인생에서 공부를 가장 많이 한 4년 / 82쪽

‘과학은 원래 인간이 영위한 것’이고 ‘인간과 인간의 사회로부터 떨어져서’ 존재하지 않습니다. 하이젠베르크, 도모나가, 다이슨, 파인만의 갈등은 75년 이상 전의 일입니다. 그러나 지적 호기심과 윤리적 가치관의 모순은 오늘날에도 존재하는 문제입니다.
과학의 발견은 선도 악도 아니다 / 132쪽

이미 주어진 목적을 효율적으로 달성하기 위한 목적 합리적 행위는 단기적으로 큰 이익을 낳을 수 있습니다. 그러나 가치의 축이 바뀌면 쓸모가 없어집니다. 이것을 대비하기 위해서 주어진 목적을 비판적으로 보고 새로운 가치를 만들 수 있는 능력이 중요합니다. 유럽 대학이 12세기부터 보편적 가치를 추구하고 몇백 년에 걸쳐 독립된 지위를 유지할 수 있었던 것은 이것이 가능했기 때문이라고 생각합니다.
목적 합리성과 가치 합리성 / 297쪽

기초과학으로서 가치가 있는 발견은 폭넓은 자연 현상을 설명할 수 있고, 더 나아가 많은 과학 발전으로 이어집니다. 이런 큰 흐름에는 유익한 기술을 사회에 응용할 수 있다는 것도 포함되어 있습니다. 따라서 기초과학자가 가치 있다고 생각하는 발견이야말로 긴 안목으로 봤을 때 큰 도움이 되는 것입니다.
가치 있는 연구는 탐구심에서 탄생한다 / 308쪽