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인간의 감각 저 너머, 보이지 않는 세계를 보다!
지식 전달을 넘어 감동을 선사하는 이미지의 효과

보이지 않는 것을 보이게 하는 기술은 과학의 눈이 되었고,
우리는 과학의 눈으로 더 넓고 깊고 섬세한 세상을 보게 되었다.

너무 작아서 볼 수 없는 것부터 너무 광대해서 볼 수 없는 것까지, 맨눈에는 보이지 않아도 우리 인간의 감각 저 너머에 분명히 존재하는 세상을 설명하기 위해 과학자들은 다양한 시각화 도구를 개발했다. 모눈종이 위에 손으로 그린 간단한 수치 그래프든, 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현한 정교한 이미지든, 과학 지식을 시각화한 결과물에는 공통점이 있다. 첫째는 복잡한 이론이나 방대한 데이터를 한 장의 이미지에 담았다는 것이고, 둘째는 그 한 장의 이미지가 백 마디 설명보다 훨씬 설득력이 뛰어나다는 것이다. 때로는 지식 전달을 넘어 생각지도 못한 감동을 불러일으키거나 경각심을 일깨워 인류의 행보를 되돌아보게 만들기도 한다. 이것이 바로 이미지의 효과, 시각화의 힘이다.

《과학의 눈》은 다양한 분야의 과학 지식을 복잡하게 설명하는 대신 한 장의 이미지로 함축해 눈앞에 대령하는 책이다. 책장을 넘길 때마다 호기심을 자극하고 강렬한 인상을 남기는 이미지들의 향연이 펼쳐진다. 무엇보다 과학을 시각적으로 탐구하는 과정을 보여 줌으로써 오늘날 인류가 도달한 과학적 이해와 성과에 시각적 정보가 얼마나 큰 역할을 해 왔는지 증명한다.

* 망원경으로 달의 크레이터를 관찰하고 그린 갈릴레오의 달 그림
* 병사들의 사망률을 극적으로 낮춘 나이팅게일의 원그래프
* 우주가 팽창하고 있다는 증거를 최초로 제시한 허블의 선그래프
* 지구 온난화 실태를 한눈에 보여 주는 온난화 줄무늬
* 코로나19의 원인을 밝힌 SARS-CoV-2의 주사전자현미경 사진
* 복잡한 뇌 구조를 개별 뉴런 수준까지 매핑하려는 트랙토그램

백 마디 설명보다 명확하고 설득력 높은 ‘시각화’의 힘
과학 발전을 이끈 기념비적인 시각화 자료를 한 권에 담아내다!


1911년, 〈뉴욕이브닝저널〉의 편집자 아서 브리즈번은 광고주들의 모임에서 다음과 같이 조언했다. “사진을 이용하세요. 천 마디 말의 가치가 있습니다.” 우리는 이 말에 익숙할뿐더러 광고 이미지들에 시달리고 있다. 그 이미지들은 우리의 두뇌에 스며들어 말보다 더 효과적이고 즉각적으로 욕망을 불러일으킨다. 이미지가 그토록 강력한 이유 중 하나는 이미지에 포함된 정보가 ‘병렬적으로’ 동시에 전달되기 때문일 것이다. 반면에 말이나 글이 통하려면 단어가 차례대로 전달되고 소비되어야 한다. 이미지에는 색상, 형태, 물체 사이의 거리, 물체의 집합, 얼굴의 표정과 몸의 자세, 움직임, 장소의 분위기 등 많은 세부 정보를 담을 수 있다. 우리 뇌는 이 모든 것을 놀랍도록 빠르게 해석한다. 광고에서 이미지가 특별한 힘을 발휘하듯 과학에서도 그렇다. 《과학의 눈》은 150가지 이상의 예시를 통해 과학에서 이미지가 얼마나 중요하고 어떻게 활용되는지 보여 준다.

보이지 않는 것을 보이게 만들기
“현실의 99.9%는 인간의 감각으로 인지할 수 없기 때문에 이미지의 도움이 중요하다.” 건축가이자 발명가, 미래학자인 버크민스터 풀러가 한 말이다. 이 세계에는 우리 눈에 보이는 것보다 훨씬 더 많은 것이 존재한다. 공기는 미세한 먼지 입자와 물방울로 가득하고, 무수한 원자와 분자로 이루어져 있으며, 대부분은 제트기보다 빠르게 이동한다. 가시 스펙트럼 너머의 복사선은 빛의 속도로 지나가고, 지구 밖에서 온 입자들은 뜨거운 칼이 버터를 자르는 것보다 더 쉽게 우리 몸을 통과한다. 전기장과 자기장이 우주의 모든 공간을 가득 채우고 있으며, 무수히 많은 과정이 너무 빨리 일어나서 우리가 인지할 수 없고, 반대로 너무 느리게 일어나서 알아차리지 못하기도 한다. 일반적으로 눈에 보이지 않는 사물을 이미지로 나타내려면 현미경, 망원경, 적외선이나 고속 카메라 등 애초에 사물을 볼 수 있게 해 주는 기술이 필요하다. 이런 기술로 만들어 낸 이미지는 보이지 않는 것을 보여 줌으로써 과학적 이해를 돕는다.

데이터, 정보, 지식 그리고 시각화
과학은 우리가 사는 세계에 대한 지식을 탐구하는 학문이다. ‘지식’은 가설을 세우고 검증함으로써 얻을 수 있다. 가설을 세우려면 ‘정보’가 필요하고, 정보를 생산하고 가설을 검증하기 위해서는 ‘데이터’가 필요하다. 데이터는 대개 숫자로 이루어져 있는데, 그 자체로는 별 의미가 없다. 데이터를 이해하고, 정보를 전달하고, 지식을 전수하려면 그것을 ‘시각화’해야 한다. 그래서 모든 분야의 과학자들이 데이터를 분석하는 데서 그치지 않고 동료 및 대중과 공유하기 위해 명확하고 매력적인 시각 자료를 만드는 일을 일상적으로 하고 있다. 오늘날 거의 모든 과학 논문에는 데이터를 해석한 이미지를 함께 싣는다.

수학 모델과 시뮬레이션
갈릴레오 갈릴레이는 우주를 “수학의 언어로 쓰인 위대한 책”이라고 표현했다. 과학에서 수학은 단순히 데이터를 수집하고 분석하는 일 이상으로 중요한 역할을 한다. 과학자들은 물체와 시스템의 거동을 설명하고 예측하기 위해 대수를 이용하는데, 대수 방정식으로 현실 세계에서 일어나는 현상을 모델링할 수 있다. 지금과 같은 컴퓨팅 시대에는 초기 조건을 다양하게 적용해 수학 모델을 구현함으로써 현실 세계를 시뮬레이션해 볼 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 현실 세계와 비교할 수 있게끔 결과를 예측해 주므로 과학자들은 이를 통해 가설을 검증할 수 있다. 중요한 것은 과학자들이 수학 모델의 출력값이나 시뮬레이션 결과를 시각화해 동료 과학자들뿐 아니라 더 많은 대중이 정보에 접근할 수 있게 한다는 점이다.

과학 속의 예술
과학자가 아이디어를 구체화하면서 끼적인 낙서부터 연구 결과를 폭넓게 전달하기 위해 제작한 애니메이션까지, 과학에서 예술의 역할은 무척 다양하다. 어떤 예술가들은 과학자들과 협력해 먼 과거의 광경이나 심우주의 물체 등 우리 눈으로 볼 수 없는 대상에 관한 정보가 담긴 장면을 만들어 내기도 한다. 이렇게 표현된 창작물은 복잡한 주제를 이해하기 쉽게 만들어 더 많은 대중에게 과학 지식을 전달해 준다. 때로 예술가들은 과학적 아이디어를 더욱 추상적으로 표현함으로써 지식 전달을 넘어 감동을 불러일으키기도 한다. 예술가와의 협업으로 과학자는 자신의 연구를 명확하게 보여 줄 수 있고, 과학이 가져다주는 새로운 통찰은 예술가에게 풍성한 영감을 준다. 과학과 예술의 협업은 학문의 경향이 STEM(과학, 기술, 공학, 수학의 융합)에서 STEAM(예술을 뜻하는 A까지 포함)으로 변화함에 따라 점점 더 보편화하고 있다.

《과학의 눈》은 다양한 분야의 과학 지식을 복잡하게 설명하는 대신 한 장의 이미지로 함축해 눈앞에 대령하는 책이다. 책장을 넘길 때마다 호기심을 자극하고 강렬한 인상을 남기는 이미지들의 향연이 펼쳐진다. ‘이런 사진은 대체 어떻게 찍었을까?’, ‘내 몸의 세포가 저렇게 생겼다고?’, ‘이 알쏭달쏭한 이미지의 정체는 뭐지?’ 하는 궁금증을 느끼며 각각의 설명을 읽어 나가다 보면 어떤 지점에서는 의문이 풀리고, 또 다른 지점에서는 그 분야를 좀 더 알아보고 싶은 의욕이 샘솟기도 할 것이다. 그리고 누구라도 과학의 매력에 빠져들 수밖에 없을 것이다.

시작하며: 보다, 보여 주다

1부 | 보이지 않는 것을 보이게 만들기
눈의 한계를 넘는 현미경과 망원경
정보를 포착하는 사진술과 전자현미경
가시 스펙트럼 너머의 세계
어디에나 있는 장과 입자

2부 | 데이터, 정보, 지식 그리고 시각화
데이터 시각화, 복잡한 수치를 이미지로
정보 전달, 실험실을 나와 대중에게로
지식 전수, 새로운 발견을 이끌다

3부 | 수학 모델과 시뮬레이션
현실 세계의 수학적 모델링
흐름을 예측하는 전산유체역학

4부 | 과학 속의 예술
영감을 주고받는 예술과 과학
시간 여행의 예술, 팔레오아트
무한한 가능성의 만남, 우주예술

옮긴이의 말
참고 자료
도판 저작권

우리는 모든 규모로 존재하는 섬세한 아름다움과 정교한 혼돈의 보이지 않는 패턴 속에서 살아가고 있다. 보이지 않는 복사선이 사방에서 쏟아져 나오고, 모든 공간을 채우고 변화하는 장이 우리를 둘러싸고 있다. 복잡한 분자 기계인 우리 세포는 보이지 않을 만큼 작고, 우리의 기원에 관한 이야기는 상상할 수 없을 만큼 긴 시간을 거슬러 올라간다. 과학이 발견한 것들을 이해하는 유일한 방법은 그것들을 마음속으로 상상하거나 더 나아가 우리 눈앞에 그려 보는 것이다. - p.9 〈시작하며: 보다, 보여 주다〉

현미경은 작은 물체를, 망원경은 멀리 있는 물체를 확대한 이미지를 만들어 낸다. 접안렌즈는 확대된 이미지를 우리 눈앞에 보여 주므로 결과적으로 망막에 형성되는 상은 같은 물체를 맨눈으로 볼 때보다 훨씬 커진다. 현미경과 망원경은 이런 방식으로 인간이 맨눈으로 볼 수 없을 만큼 너무 작거나 너무 멀리 있는 것들을 인식할 수 있게 해 준다. - p.13 〈눈의 한계를 넘는 현미경과 망원경〉

전자현미경은 전자빔을 물체에 비추었을 때 통과하거나 튕겨 나오는 전자를 검출해 이미지를 만들어 낸다. 전자의 파장은 가시광선의 파장보다 훨씬 짧다. 따라서 전자현미경이 광학현미경보다 분해능의 한계가 훨씬 작다. 이러한 차이로 전자현미경은 최대 5000만 배까지 확대할 수 있으며, 광학현미경은 최대 2,000배까지만 확대할 수 있다. - p.20 〈정보를 포착하는 사진술과 전자현미경〉

전자기 복사선을 방출하는 자연 현상은 무수히 많다. 인간의 눈은 전자기파 스펙트럼의 극히 일부분인 가시광선만 감지할 수 있어서, 다른 복사선을 탐지하는 기술이 개발되기 전까지는 그 많은 신기한 현상들을 알아차리지 못했다. 이 같은 기술의 혜택을 가장 많이 받은 과학 분야는 아마도 천문학일 것이다. 가시광선을 전혀 방출하지 않는 수많은 천체를 전파망원경이나 적외선망원경을 통해서 발견할 수 있었으니 말이다. 천체가 방출하는 복사선에는 그 천체의 구성 성분, 온도, 내부에서 어떤 에너지 과정이 일어나는지 등 중요한 정보를 밝힐 귀중한 데이터가 담겨 있다. - p.49 〈가시 스펙트럼 너머의 세계〉

광학현미경은 물론이고 전자현미경의 해상도로도 전자, 원자, 분자는 직접 볼 수 없다. 수십 년 동안 과학자들은 이 같은 한계에 부딪혀 체념하고 있었다. 그런데 1980년대에 IBM 연구소의 과학자들이 원자 표면의 이미지를 상세하게 만들어 내는 혁신적인 도구를 발명했다. 바로 게르트 비니히와 하인리히 로러의 발명품인 주사터널현미경(STM)이다. 주사터널현미경은 끝이 매우 뾰족한 탐침으로 물질 표면을 훑으면서 터널링(tunneling, 전자가 파동성을 띠며 물질을 통과하는 현상)을 일으키는 전류의 변화를 기록하여, 이 데이터를 이용해 물질 표면의 미세한 기복을 알아내는 현미경이다. 주사터널현미경을 시작으로 이렇게 탐침을 이용하는 현미경(주사탐침현미경)이 여러 종류 개발되어 더 다양한 물질을 시각화할 수 있게 됐다. - p.70 〈어디에나 있는 장과 입자〉

빅 데이터의 특징을 규정할 때는 종종 세 가지 V를 언급한다. 바로 Volume(양), Variety(다양성), Velocity(속도)다. 빅 데이터는 대개 다양한 원천에서 다양한 종류로(다양성) 대량의 데이터가 모이는데(양), 일반적으로 빠르게 도착하여 처리된다(속도). 방대한 데이터가 빠르게 입력되면 많은 컴퓨터가 저장과 처리를 동시에 수행한다. 이렇게 대량의 데이터를 다루다 보면 또 다른 V, 즉 Visualization(시각화)이 핵심 요소가 될 것이다. - p.102 〈깊이 들여다보기: 빅 데이터〉

지식이 가져다주는 깨달음은 그 자체로 기쁨이자 매혹이면서 실용적인 이점도 있다. 엔지니어, 건축가, 정책 담당자, 예술가 등 다양한 분야에 종사하는 사람들이 과학 지식을 활용한다. 그렇기에 새로운 지식을 발견한 과학자들은 그것을 다른 과학자들뿐 아니라 더 많은 사회 구성원에게 전달할 의무와 욕망을 동시에 지닌다. - p.132 〈지식 전수, 새로운 발견을 이끌다〉

컴퓨터 시뮬레이션은 주로 물리학, 화학, 지구과학, 천문학과 같은 분야에서 활용했는데, 이제는 다른 분야에서도 역할이 늘고 있다. 생물학에서는 장기를 컴퓨터로 정확하게 모델링함으로써 연구자들이 인비보(in vivo, 생체)가 아닌 인실리코(in silico, 컴퓨터)에서 ‘살아 있는’ 시스템을 실험할 수 있다. - p.153 〈현실 세계의 수학적 모델링〉

우주예술과 팔레오아트는 작품의 주제가 확실히 다르다. 더불어 한 가지 차이점이 더 있다. 우리는 과거로 되돌아가서 팔레오아트 작품을 실제와 비교할 순 없지만(멸종된 종을 쥐라기 공원 스타일로 재현하지 않는 이상), 우주예술에 담긴 장면 중에는 이미 이미지로 포착된 것도 있고, 앞으로 그럴 가능성도 충분히 있다. 실제로 체슬리 보네스텔은 토성의 고리를 놀랍도록 정교하게 그렸는데, 이후 우주 탐사선이 비슷한 장면을 사진으로 포착했다. 미래의 망원경은 외계 행성의 세부 모습까지 자세히 보여 주거나, 현재 희미하고 흐릿한 점으로만 보이는 퀘이사의 이미지도 선명하게 만들어 낼 수 있을 것이다. - p.246 〈무한한 가능성의 만남, 우주예술〉