도대체 과학

‘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.

지은이 : 이강영
입자 물리학자이자 과학 저술가. 《LHC, 현대 물리학의 최전선》으로 물리학 교양서의 새로운 지평을 열며 한국출판문화상을 수상했다. 그 밖에 저서 《불멸의 원자》《보이지 않는 세계》 《스핀》은 연달아 아시아·태평양 이론물리센터 올해의 과학책으로 선정되었다. 이 외에도 《파이온에서 힉스 입자까지》를 썼으며 《천국의 문을 두드리며》와 《이것이 힉스다》를 번역했고 다수의 굵직한 과학 교양서의 감수를 맡았다. 1988년, 서울 대학교 물리학과를 졸업하고 카이스트에서 입자 물리학으로 석사와 박사 학위를 받았다. 카이스트, 고려 대학교, 건국 대학교의 연구교수를 지냈으며 현재 경상 대학교 물리교육과 교수로 재직하고 있다.

지은이 : 다니엘 리
하버드대학교 물리학과를 수석졸업하고, 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 응집물리학 박사 학위를 받았다. 미국 국립과학 재단 CAREER Award와 Lindback award for distinguished teaching을 수상했으며, 한국과학기술원(KAIST)과 연관된 예루살렘 히브리대학교 고등연구소의 펠로우를 지냈다. 현재 삼성리서치 부사장과 코넬공과대학교 교수로 재직 중이다.

지은이 : 김범준
서울대학교 물리학과를 졸업하고, 동 대학교 대학원에서 석사 및 박사학위를 받았다. 우리 사회를 과학적인 방법으로 살펴보는 연구에 관심이 많은 통계물리학자다. 스웨덴 우메오대학교와 아주대학교 교수로 있었으며, 현재 성균관대학교 물리학과 교수로 재직 중이다.

지은이 : 김갑진
서울대학교 사범대학 물리교육과를 졸업하고, 동 대학교 물리천문학부에서 박사학위를 받았다. 교토대학교 화학연구소 에서 박사후연구원과 조교수를 지냈고, 현재 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 조교수로 재직 중이다.

지은이 : 조세형
서울대학교 자연과학대학 분자생물학과를 졸업했고, 같은 대학원에서 석사학위와 박사학위를 받았으며, 미국 국립보건원(NIH)과 프랑스 유전 및 분자세포생물학연구소(IGBMC)에서 박사후 연구원으로 재직했다. 현재 경희대학교 의과대학 교수이고, 생체시계 연구실을 운영하고 있다. 함께 쓴 책으로 『신경호르몬』이 있으며, 옮긴 책으로 『생명의 떠오름: 세포는 어떻게 생명이 되는가?』, 함께 옮긴 책으로 『우리들이 성: 성의 과학적 이해』, 『웰치 성의 과학』, 『리핀코트의 그림으로 보는 생화학』 등이 있다.

지은이 :  류형돈
뉴욕 대학교 의과대학 세포생물학과 교수. 연세 대학교 생화학과를 졸업하고, 뉴욕의 컬럼비아 대학교에서 생화학으로 박사학위를 취득하였다. 록펠러 대학에서 박사후 과정을 거쳐, 2005년부터 뉴욕대 교수로 재직 중이다. 초파리를 모델로 하여 색소 망막염과 같은 퇴행성 질환을 연구하면서, 세포가 질병의 원인이 되는 스트레스에 어떻게 대처하는가를 주로 연구하고 있다.
최근에는 단백질 섭취를 줄이면 세포가 어떻게 반응하는지, 이같은 여건에서 왜 실험동물들이 오래 사는지에 대한 연구를 진행 중이다. ≪네이처≫, ≪셀≫, ≪미국국립과학원회보≫ 등 세계적인 과학저널에 40편 이상 논문을 발표했으며, ≪셀 리포트≫와 미국 미생물학회에서 출판하는 ≪분자세포생물학≫의 편집 위원으로도 활동했다. 컬럼비아 대학교 의과대학 학장상(2000년), 미국 백혈병 재단 특별 펠로우(2005년), 베이실 오코너 상(2006년), 엘리슨의학재단 신진과학자상(2008년) 등을 수상하였다.

]지은이 : 심원목
연세대학교 심리학과를 졸업하고 동 대학교에서 석사 학위를, 미국 하버드대학교에서 심리학 박사 학위를 받았다. 미국 하버드대학교 심리학과 박사후 연구원, 미국 MIT, Brain and Cognitive Sciences 학과 박사후 연구원, 미국 다트머스대학교 Psychological & Brain Sciences 학과 교수를 지냈고, 현재 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 교수로 재직 중이다.

지은이 : 김상욱
경희대학교 물리학과 교수. 예술을 사랑하고 미술관을 즐겨 찾는 ‘다정한 물리학자’. 카이스트에서 물리학으로 박사학위를 받았고, 독일 막스플랑크연구소 연구원, 도쿄대학교와 인스부르크대학교 방문교수 등을 역임했다. 주로 양자과학, 정보물리를 연구하며 70여 편의 SCI 논문을 게재했다. tvN「알쓸신잡 시즌 3」, 「금요일 금요일 밤에」 등에 출연했고, 《동아일보》, 《경향신문》 등에 연재를 했으며, 아시아태평양이론물리센터 APCTP의 과학문화위원장을 역임하는 등 과학을 매개로 대중과 소통하고 있다. 저서로 『김상욱의 양자 공부』, 『떨림과 울림』, 『김상욱의 과학 공부』 등이 있다.

지은이 : 한상근
서울 대학교 수학과를 졸업하고 오하이오 주립 대학교 수학과에서 박사 학위를 받았다. KAIST 수리과학과 교수로 재직하며 KAIST 정보 보호 대학원 교수를 겸임하고 있다. 대한 수학회 암호 분과 위원장과 정보 보호 학회 이사를 지냈다. KAIST 교수 협의회 회장과 KBS 시청자 위원을 역임했으며 국가 정보 학회 창립 회원이다.

지은이 : 천현득

서울대학교 물리학과를 졸업하고 동 대학원에서 과학사 및 과학철학 전공으로 석사 및 박사학위를 취득했다. 미국 피츠버그대학교와 서울대학교에서 연구원을 지냈고 이화여자대학교 인문과학원 조교수를 역임했다. 현재 서울대학교 철학과 조교수로 재직 중이다. 주요 논문으로는 「In what sense is scientific knowledge collective knowledge」, 「Distributed cognition in the scientific contexts」, 「Metaincommensurability revisited」 등이 있다.

기획 : 재단법인 카오스
우리는 과학이 세상에 도움을 줄 수 있고 과학적 사고가 세상을 바꿀 수 있다고 믿습니다. 더 많은 사람과 기초과학에 관한 다양하고 깊이 있는 지식을 대중 강연 콘서트, 출판 등을 통해 쉽고 재미있게 나누고자 합니다. 카오스재단의 강연은 누구에게나 열려 있으며 지난 강연은 홈페이지와 네이버 TV캐스트를 통해 다시 볼 수 있습니다.

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