과학 산책 자연과학의 변주곡

과학과 함께하는 인류의 삶

오늘날 우리는 단 하루도 과학과 기술을 사용하지 않는 날이 없다. 인간의 삶에 깊숙이 자리한 과학은 언제 탄생했고, 어떤 발전 과정을 거쳐 지금에 이르렀을까? 그리고 앞으로 어떤 모습으로 인류와 함께하게 될까?
17세기에 시작된 근대 과학은 인류 문명을 획기적으로 발전시켰다. 과학은 진보에 진보를 거듭하고 시대에 부응해 변화해 왔으며, 20세기의 현대 과학이 새롭게 알아낸 지식은 놀랄 만큼 방대하고 엄밀하다. 물리학은 우리 눈으로 볼 수 없는 작은 원자의 세계부터 가장 큰 우주에 이르기까지 많은 것을 알려 주었고, 화학은 양자역학을 이용해 나일론, 플라스틱 등 신비에 가까운 물질들을 만들어 냈다. 지구과학은 우리가 사는 세상에 대한 이해를 도왔고, 생물학은 유전의 비밀을 밝혔으며 항생제와 백신은 인류가 건강하게 살 수 있게 해 주었다. 인터넷과 통신기술은 전 세계를 하나로 연결하였다.
과학은 제대로 이용하면 인류의 삶을 풍요와 평화의 길로 안내하지만, 그렇지 못하면 파멸과 파국의 길로 이끌 수도 있다. 핵무기 개발, 개인 정보 유출, 에너지 낭비와 기후 변화 등은 과학의 부작용이라고 할 수 있을 것이다. 그러므로 과학과 함께 살아가는 우리는 과학을 올바르게 이해하고 제대로 활용할 수 있도록 과학적 소양(Scientific literacy)을 갖춰야 한다.
우선 자연을 이해하려면 자연 현상에 대한 과학 이론의 설명을 이해할 수 있어야 한다. 심도 있는 내용까지는 아니더라도 어떤 이론이 우리 삶의 어떤 부분에 어떻게 적용되는지, 그 도덕적 함의는 무엇인지 정도는 파악해야 한다. 또한 과학적 사고에 기초하여 의식적으로 반성하고, 실증적으로 검토하고, 합리적이고 논리적으로 따져 보아야 진실에 다가갈 수 있다. 인간의 행동이 자연을 변화시킨다는 것을 의식하고 일상생활에서 현명한 결정을 내리려면 과학적 지식을 활용할 수 있어야 한다. 오늘날 전 지구적 문제인 기후 변화의 심각성을 정확히 인지하고 그에 요구되는 행동을 취하기 위해서도 과학적 소양이 필요하다. 이런 점에서 최첨단 과학기술 사회인 21세기를 살아가는 모든 이에게 과학적 사고방식이 요구된다고 할 수 있다.

과학의 눈으로 바라보는 세상

이 책은 교육 현장에서 과학 지식 전파와 과학의 대중화에 힘쓰고 있는 18명의 자연과학 전문가들이 모여 자연과학 전체를 아우르는 핵심 이론과 개념을 소개하고, 과학적 사고의 중요성을 전하는 책이다. 과학이 발견한 자연에 대한 새로운 이해를 소개하며, 문과와 이과를 망라한 모든 학생 그리고 일반 대중에게 과학의 참모습을 보여 주고 과학적 소양을 기를 수 있도록 하고자 집필되었다.
1장에서는 과학과 과학적 사고방식의 의미를 설명한다. 2장에서는 뉴턴의 운동 법칙, 물리학의 네 가지 힘(중력, 전자기력, 강력, 약력), 양자역학, 에너지의 개념, 열역학 법칙 등을 살펴본다. 3장에서는 관성계, 상대성 이론, 우주의 탄생, 별과 행성의 진화 등을 알아보며 4장에서는 원자와 원소의 개념, 파동역학, 분자의 결합과 구조, 화학 반응 등을 살펴본다. 5장에서는 지구의 탄생과 구조, 원시 생명체, 지질 현상 및 기후 변화 등을, 6장에서는 생명체의 구조와 진화론, 돌연변이, DNA, 유전, 세포분열 등에 대해 알아본다. 마지막으로 7장에서는 소재 기술과 바이오 에너지, 유전자편집, 인공지능, 빅데이터, 백신 논쟁 등에 대해 다룬다. 이해를 돕는 팁과 이미지가 삽입되어 있으며, 각 장의 끝부분에는 해당 내용과 관련된 문제를 제시하여 생각해 볼 수 있는 시간을 제공한다.
과학의 정신과 본질을 이해하고, 과학과 기술의 가치를 중요히 여기며, 과학과 관련된 사회 문제에 대해 올바른 판단을 할 수 있도록 과학에 대한 더 깊은 이해와 사고를 통해 과학과 함께하는 삶을 걸어가 보자.  

교양과학연구회
곽영직 _ 수원대학교 물리학과 교수
권영균 _ 경희대학교 물리학과 교수
김범준 _ 성균관대학교 물리학과 교수
김원섭 _ 충북대학교 강사
김응빈 _ 연세대학교 시스템생물학과 교수
김항배 _ 한양대학교 물리학과 교수
김혜영 _ 한국체육대학교 교양과정부 물리학 교수
김희준 _ 서울대학교 화학과 명예교수
이강영 _ 경상대학교 물리교육과 교수
이덕환 _ 서강대학교 화학·과학커뮤니케이션 명예교수
이명현 _ 과학 책방 ‘갈다’ 대표
이보경 _ 연세대학교 학부대학 화학 교수
이상욱 _ 한양대학교 철학과 교수
장수철 _ 연세대학교 학부대학 생물학 교수
좌용주 _ 경상대학교 지질학과 교수
정진수 _ 충북대학교 물리학과 교수
조천호 _ 경희사이버대학교 기후변화 특임교수·국립기상과학원 전 원장
최무영 _ 서울대학교 물리·천문학부 교수

 

들어가며

[1장] 과학의 본성: 세상을 이해하는 기본 지식과 사고방식

1절. 과학 지식의 여러 가지 모습
1. ‘과학’의 의미
1) 과학은 특별한 방식으로 세상을 본다
2) 과학은 특별한 방식으로 사고한다
3) 과학 지식에는 위계가 있다
2. 과학과 사회
1) 과학은 문화를 만든다
2) 과학은 사고의 패러다임을 바꾼다
3) 미래에는 과학적 소양이 필요하다

2절. 과학적 사고방식의 의미
1. ‘과학적’이란 것의 의미
1) 과학적 방법은 문제를 효율적으로 해결한다
2) 여러 분야의 과학이 공유하는 공통 개념
2. 과학적 방법이 바꾼 인류의 문명
1) 과학은 문명을 만든다
2) 미래 인류 생존을 위한 과학

* 1장 연습문제

[2장] 과학에서 법칙의 의미: 변하는 것 설명하기, 변하지 않는 것 찾기

1절. 과학 법칙이 바꾼 세계관
1. 물체의 운동을 지배하는 ‘힘’
1) 운동을 이해하는 두 방식 ? 아리스토텔레스와 갈릴레이
2) 수학으로 기술하는 뉴턴의 운동 법칙
2. 물리학의 네 가지 기본 힘
1) 우주를 지배하는 힘 ? 중력
2) 지상을 지배하는 힘 ? 전자기력
3) 원자핵을 묶는 힘 ? 강력
4) 원자핵을 깨는 힘 ? 약력
3. 20세기가 발견한 신세계 ? 양자역학
1) 원자의 내부 구조를 찾아내다
2) 오래 걸려서 찾은 양자 개념
3) 새로운 문명을 만든 양자역학

2절. 변하는 에너지의 형태, 변하지 않는 에너지의 총량
1. 에너지
2. 일과 역학적 에너지의 보존
1) 일을 하지 않는 힘도 있다
2) 일을 하는 힘은 운동 에너지를 만든다
3) 퍼텐셜 에너지를 알면 에너지 보존이 보인다
4) 보존력과 비보존력
3. 에너지의 생산과 이용
1) 발전기는 전자기력을 이용한다
2) 전력의 수송을 담당하는 스마트 그리드

3절. 거시 세계의 질서를 알려 주는 열역학 법칙
1. 열역학 제0법칙과 온도의 정의
1) 섭씨온도 눈금의 정의
2) 기체의 부피가 사라지는 절대영도
2. 열역학 제1법칙과 에너지 보존
1) 분자의 운동 에너지: 내부 에너지
2) 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙이다
3. 열역학 제2법칙과 엔트로피 증가
1) 열기관과 열역학적 엔트로피
2) 볼츠만의 통계역학적 엔트로피
3) 열역학 제2법칙과 시간의 화살

* 2장 연습문제

[3장] 우리가 보는 세상에 대한 설명

1절. 우리 생활을 이해하는 기반: 시간과 공간
1. 관성계와 상대성
2. 아인슈타인의 특수 상대성 이론
1) 빛의 속력에 대한 실험과 이론
2) 시간과 공간은 관측자에 따라 달라진다
3. 아인슈타인의 일반 상대성 이론
1) 등가 원리와 중력에 의한 시공간 변화
2) 일반 상대성 이론의 실험적 증거
3) 2017년 노벨 물리학상: 중력파

2절. 137억 년 전 우주의 탄생과 별의 미래
1. 우주의 탄생
1) 우주는 빅뱅에서 시작했다
2) 우주 초기에 탄생한 수소와 헬륨
3) 은하와 별의 탄생
2. 별과 행성의 진화
1) 무거운 원소는 초신성이 만든다
2) 평범한 태양을 도는 지구는 특별한 행성이다
3. 우주의 미래

* 3장 연습문제

[4장] 우리가 보지 못하는 작은 세계에 대한 설명

1절. 원자, 분자, 물질
1. 원자의 세계
1) 원자, 물질을 이루는 기본 단위
2) 원자들이 모여서 만드는 다양한 물질
3) 멘델레예프의 주기율과 비활성 기체
4) 보어 모델과 파동역학
2. 분자의 세계
1) 화학 결합
2) 분자 구조와 물질의 성질

2절. 원자 결합이 만드는 생명의 기본 물질
1. 화학 반응 속도
2. 생명의 화합물
1) 산과 염기
2) 아미노산과 단백질
3) 뉴클레오타이드와 DNA
 4) 인지질

* 4장 연습문제

[5장] 우리가 발을 딛고 사는 지구에 대한 설명

1절. 45억 년 전 탄생한 지구의 구조
1. 푸른 행성 지구의 탄생
1) 지구는 약 50억 년 전에 탄생했다
2) 지구의 껍질과 속은 매우 다르다
3) 약 27억 년 전에 생명체가 출현했다
2. 지구 내부의 순환
1) 살아 움직이는 지구를 만드는 핵
2) 맨틀이 대륙을 움직이다
3) 초대륙이 알려 주는 미래의 지도
3. 지구의 운동과 생태계
1) 지구 환경 변화는 생태계를 바꾼다
2) 지구는 심각한 기후 변화를 겪고 있다

2절. 인류가 바꾸는 지구의 위험한 환경
1. 기후 변화의 원인
1) 기후는 변함이 없고 날씨는 변한다
2) 기후를 좌우하는 지구의 순환
3) 지구의 급소인 온실가스
2. 기후 위기
1) 기후 변화는 아직 모두 드러나지 않았다
2) 이제 극한 날씨가 정상이다
3. 기후 변화 대응
1) 미래는 ‘주어지는 것’이 아니라 ‘이루어 가는 것’이다
2) 기후 위기는 우리 삶을 성찰하게 한다

* 5장 연습문제

[6장] 우리와 닮은 생명에 대한 설명

1절. 환경의 변화에 적응하며 진화하는 생명
1. 다양성과 통일성
1) 생물 종은 매우 다양하다
2) 생물 종은 계속 바뀌지만 공통점도 있다
2. 창발성과 복잡계
1) 세포는 생명의 기본 단위이다
2) 세포 위아래로 다양한 서열 구조가 있다
3) 생물의 복잡계는 창발성에서 시작한다
3. 진화론과 돌연변이
1) 화석 기록에 따르면 생물은 공통 조상에서 시작했다
2) 생물들은 끊임없이 변화하고 있다
3) 돌연변이는 염색체의 수 또는 구조의 변화, 염기 서열의 변화이다
4) 돌연변이는 진화에 기여한다
4. 자연선택과 인공선택
1) 인류는 오래전부터 인공선택을 수행했다
2) 자연에서는 남긴 자손의 수가 중요하다
3) 자연선택은 적응에 기여한다

2절. 다음 세대로 전달되는 생명의 속성
1. 생명의 속성과 유전 물질
1) 생명에는 여러 속성이 있다
2) 유전을 담당하는 물질은 DNA이다
3) DNA는 단백질을 이용해 복제한다
2. 중심원리
1) 전사와 번역은 유전자형과 표현형을 연결한다
2) 전사는 DNA 정보를 베껴 RNA를 합성한다
3) 번역은 RNA 정보를 이용하여 폴리펩타이드를 합성한다
3. 멘델의 법칙과 유전
1) 멘델의 법칙: 분리의 법칙과 독립의 법칙
2) 우성과 열성의 관계는 다양하고 복잡하다
3) 인간의 유전 형질도 멘델 법칙을 따른다
4. 세포분열과 감수분열
1) 세포분열은 클론을 만든다
2) 부모는 자손에게 유전자를 물려준다
3) 감수분열은 유전적으로 다양한 딸세포를 만든다
5. 현대 생물학과 유전체학

* 6장 연습문제

[7장] 미래 문명을 여는 과학과 기술

1절. 인류 문명을 열어 온 과학과 기술
1. 인류 문명의 변화에 대한 두 가지 기술
1) 기술에 의한 생활양식의 변화
2) 소재에 의한 생활양식의 변화
2. 에너지 기술의 발달
1) 에너지 소비 증가와 에너지 전환
2) 전기의 등장
3) 석유와 천연가스
4) 바이오 연료와 수소 에너지
3. 인류의 미래
1) 미래의 기술: NBIC 융합
2) 기술의 사회적 가치
3) 기술의 사회적 수용성

2절. 인류 문명을 열어 갈 과학과 기술
1. 과학과 기술
1) 과학, 기술, 공학
2) 과학과 기술·공학의 상호작용
3) 과학, 삶, 사회
4) 산업혁명과 21세기 첨단 기술 발전
2. 과학기술과 인류의 미래
1) 인류세의 도전과 에너지 문제
2) 생명공학의 쟁점: 바이오뱅크, 유전자 편집
3) 정보통신공학의 쟁점: 빅데이터, 인공지능
4) 과학과 함께 사는 삶: 백신 논쟁을 중심으로

* 7장 연습문제