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.

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…

근대 과학이 인류의 생활방식을 바꾼 근본적 이유는 비판적이고 합리적인 과학적 사고방식에 있다. ‘과학의 위력’이라고 하면 과학적 지식을 응용한 기술을 떠올리기 쉽고, 더 좁게는 물질문명이나 무기 같은 것을 생각하는 사람도 있다. 그러나 과학과 기술은 엄연히 다르고, 자연과학의 위력은 기술이 아니라 과학적 사고에 있다. 대개 “동양은 정신적이고, 서양은 물질적”이라고 하지만, 역사적으로는 동양이 먼저 물질문명을 개척했다. 세계 3대 발명품이라는 나침반, 종이, 화약은 물론 인쇄술도 동양에서 먼저 사용했다. 그런데 왜 근대에 들어오면서 상황이 바뀌었을까? 서양의 물질문명이 동양을 앞서기 시작한 계기는 18세기 산업혁명이다. 뉴턴의 공리적 방법을 응용한 과학적 사고는 19세기에 다양한 기술을 급속히 발전시켰고, 그 결과 물질문명이 고도화되었다. 서양의 물질문명은 과학적 사고를 다양하게 활용한 결과이며, 이처럼 과학의 진정한 위력은 과학적 사고에 있다.

또한 과학은 ‘삶의 새로운 의미’를 제공한다. 자연과학이 찾은 지식은 우리가 인간과 우주에 대해 더 잘 이해하게 해 주고, 세계관까지도 바꾼다. 뉴턴의 기계적인 우주관은 우주의 운행을 담당하는 신의 필요를 없앴다. 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 발견한 우주 팽창은 한없이 넓다고 생각한 우주를 유한하다고 규정했다. 모든 생명은 ATP8분자로부터 필요한 에너지를 얻는데, 이것은 식물이든 동물이든 모든 생물은 같은 조상을 가진다는 증거다. 새로운 과학적 세계관으로 생각하면, 우리 삶의 의미도 새롭게 바뀐다.

과학은 ‘실용적 의미’도 제공한다. 현대 사회는 과학의 산물인 기술을 사용하지 않는 날이 없다. 과학 문명은 과학 지식에 기반한 기술 덕분에 이루어졌다. 과학 지식을 올바르게 이용하면 풍요로움을 선사하지만, 잘못된 방향으로 이용하면 엄청난 재앙이 될 수도 있다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 지식은 원자력 발전에 사용될 수도 있지만, 인류 전체를 파멸시킬 수 있는 핵무기를 만드는 데도 사용된다. 과학 문명이 지배하는 현대 사회에서 건설적이고 책임 있는 시민의 역할을 제대로 하려면 모든 사람이 과학적 소양을 갖추어야 한다.
--- 「1장 1절 2_1), 과학은 문화를 만든다」 중에서

고생대와 중생대의 경계에 해당하는 2억 5천만 년 전, 지구 역사상 최대의 ‘페름기 말 대량 멸종 사건’이 일어났다. 해양에 서식하는 무척추동물의 최대 96%가 멸종했다고 추정되며, 단단한 골격을 가진 생물이 지구상에 나타난 이래 가장 참혹한 대멸종이었다. 오랫동안 그 원인을 알지 못했는데, 먼바다에서 원인을 알게 됐다. 원양 심해퇴적물을 조사하면서 2억 5천만 년 전 지구의 바다에는 ‘슈퍼아녹시아(superanoxia, 초(超)무산소화)’라 불리는 장기간(약 2천만 년)의 산소 결핍 상태가 있었음이 밝혀졌다. 이 시기는 지구의 모든 대륙이 모여 초대륙 판게아를 만들었을 때였다.

산소 결핍의 원인은 무엇일까? 여러 가지 원인이 있을 수 있지만, 현재 가장 설득력 있는 설명은 다음과 같다. 2억 5천만 년 전 아프리카 아래에 뜨거운 슈퍼 플룸이 탄생하고 판게아가 분리되기 시작했다. 뜨거운 슈퍼 플룸의 활동으로 맨틀 깊은 곳에 있던 물질들이 상승하여 다량의 마그마를 만들었다. 엄청난 양의 폭발적인 화산활동으로 대기 중에는 화산재와 가스로 이뤄진 분진의 장막이 생겨 생물의 광합성이 쇠퇴하고 대기 중의 유황이 산성비로 내려와 해양이 산성화됐다. 먹이사슬의 바닥에 있는 생물이 치명적인 타격을 입으면서 광합성이 줄고 산소 생산이 저하돼 사상 최대의 생물 대량 멸종이 일어난 것이다.

3억 년 전 아시아 대륙 아래에는 차가운 슈퍼 플룸이 만들어지기 시작했고, 세계의 모든 대륙은 이 차가운 슈퍼 플룸에 빨려들기 시작했다. 판게아에서 분리된 대륙들이 아시아 대륙을 중심으로 모이고 있고, 이런 움직임이 앞으로 4~5억 년간 계속된다면 새로운 초대륙이 출현하게 된다.

새로운 초대륙 출현을 시간순으로 예측해 보면, 5천만 년 후 호주 대륙이 한반도 근처 유라시아 대륙 동쪽과 충돌하여 아시아와 호주 양 대륙 사이에는 거대한 습곡산맥이 만들어질 것이다. 하와이 역시 유라시아 대륙 근처로 접근해 올 것이다. 2억 년 후에는 북아메리카와 남아메리카 두 대륙이 아시아 대륙과 합쳐지고, 이미 아시아 대륙과 연결된 아프리카, 아라비아반도와 함께 초대륙을 완성한다. 남극 대륙의 움직임은 예측하기 어렵지만 남아메리카 대륙과 충돌하고 결합하여 초대륙의 일부가 될 것이다. 이 시나리오는 예측에 불과하지만, 현재 대륙의 움직임 그리고 맨틀에서 일어나는 플룸의 운동을 고려할 때 가능한 일이다. 더욱 정밀한 과학적 관측이 이루어지면 좀 더 가능성이 큰 시나리오가 만들어질 것이다. 과학자들은 이미 이 새로운 초대륙에 ‘판게아 울티마(Pangaea Ultima)’라는 이름까지 지어 놓았다.
--- 「5장 1절 2_3), 초대륙이 알려 주는 미래의 지도」 중에서

산업혁명 이후 증가한 CO2는 매초 히로시마 원자폭탄 다섯 개, 매일 50만 개 정도의 원폭에 해당하는 에너지를 흡수한다. 그 양에 비해서는 지구 온난화가 크지 않은 이유는 이 에너지가 바다에 90% 이상, 육지에 5% 정도 흡수되고, 대기에는 2% 미만만 남기 때문이다. 바람이 바닷물을 휘저으면 열대와 아열대의 따뜻한 바다에서는 표층의 열이 깊은 바닷속으로 전달된다. 세찬 폭풍이 불면 표층의 열이 50~100m 깊이까지 전달되기도 하지만, 자주 있는 일은 아니다. 이 반응이 일어나는 데 걸리는 시간은 약 20~30년으로 추정된다. 전 지구 역전 순환은 1천 년 정도 걸리므로 열 순환 효과는 매우 작다. 빙하는 수천 년에 걸쳐 녹아서 기후계에서 반응이 가장 느리다. 지상 기온에 큰 영향을 주는 육지는 비교적 빠르게 반응한다. 열이 토양이나 암석의 표층을 데우지만 깊이 들어가지는 못하기 때문이다. 육지는 반응 지연 시간이 몇 주나 한 달 정도다. 모든 영향을 고려하면, 기후계의 반응 시간은 열대와 아열대 해양에서 표층 열이 가라앉는 시간이 좌우한다. 바다는 온실가스가 생성한 열을 서서히 흡수하기 때문에 수십 년이 지나서야 비로소 현재 온실가스의 영향을 온전히 감지할 수 있다. 지금 겪는 온난화는 수십 년 전 온실가스의 결과일 뿐, 현재 온실가스의 영향은 아직 기온 상승으로 모두 드러나지 않았다.

이를 ‘이미 저질러진 온난화’라고 하며, 현재의 온실가스에 의한 영향은 20~30년 동안 80% 정도 기온을 올리다가 70~80년까지도 장기적인 영향을 미친다. 이 현상은 2018년 인천 송도에서 열린 IPCC의 중요한 주제였다. 이 회의 이전에 IPCC의 목표는 산업혁명 이전보다 2℃ 높은 온도에서 온난화를 멈추려는 것이었는데, 이 회의에서 이 온도를 1.5℃로 낮추었다. 2℃ 높은 온도에서 나타나는 기후 재앙을 인류가 견딜 수 없을 것으로 판단했기 때문이다. IPCC는 ‘이미 저질러진 온난화’ 현상은 현재 온실가스 농도만으로도 장기적으로 기온을 0.5℃ 더 높일 것으로 전망했다. 현재 기온이 이미 산업혁명 이전보다 1℃ 높아졌으니, 지금 당장 온 세계가 온실가스 배출을 모두 중단해야 한다는 결론이다. 가능성이 있을까? 최근 온실가스 배출량은 그 어느 때보다 가파르게 증가하고 있다. 민간인 대부분은 이 심각성으로 모르고, 세계의 모든 정부는 경제적 이유를 내세우며 아무도 실질적인 노력을 기울이지 않는다.
--- 「5장 2절 2_1), 기후 변화는 아직 모두 드러나지 않았다」 중에서

근대 과학이 인류의 생활방식을 바꾼 근본적 이유는 비판적이고 합리적인 과학적 사고방식에 있다. ‘과학의 위력’이라고 하면 과학적 지식을 응용한 기술을 떠올리기 쉽고, 더 좁게는 물질문명이나 무기 같은 것을 생각하는 사람도 있다. 그러나 과학과 기술은 엄연히 다르고, 자연과학의 위력은 기술이 아니라 과학적 사고에 있다. 대개 “동양은 정신적이고, 서양은 물질적…