유네스코는 올해를 ‘세계 결정학(Crystallography)의 해’로 선포했다. 100년 전 브래그 부자의 선구적인 엑스선 회절 분석으로 촉발된 결정 구조의 이해와 조작 기술은 수많은 노벨상을 낳았고, 소재·정보기술(IT)·생의학 분야에서 과학기술의 혁명을 이루었다.‘결정(Crystal)’이란 원자들이 규칙적으로 배열돼 있는 고체를 일컫는 말이다. 결정은 눈, 보석, 금속, 광물 등 우리 주위의 자연에서 흔히 찾아볼 수 있다. 400여년 전 대천문학자 요하네스 케플러는 눈의 육각형 결정성장에 대해 관심을 갖고 연구를 수행했다. 많은 사람의 선망 대상인 다이아몬드를 비롯한 수많은 보석도 아름답지만 희귀한 결정의 일원이다. 눈, 해빙, 빙하 등 다양한 형태의 얼음도 결정 또는 미세 결정이 합쳐진 다결정이다. 사실 자연계에는 40만종 이상의 결정이 존재하며 암석, 금속, 세라믹 등 대부분 결정이 지구 표면의 토양에 자리하거나 이로부터 추출된다.결정학은 원자 배열을 분석하고 고체의 결정 구조를 연구하는 과학이다. 결정학 연구자는 원자와 원자 간 거리와 비슷한 짧은 파장의 엑스선을 결정에 쏜다. 여기서 결정에 의해 회절된 빔은 반복적인 구조와 대칭성에 따라 매우 선명하고도 특이한 ‘브래그 피크’의 패턴을 보여주게 된다. 이 회절 패턴을 이론적 모델과 비교해 분석하면 대상 원자의 구조를 효율적으로 유추해낼 수 있는 것이다.결정의 연구와 응용은 지금까지 물리, 화학, 생의학 분야에서 무려 20개의 노벨상을 낳았다. 1914년 막스 폰 라우에는 결정에 의한 엑스선 회절 현상의 발견으로 이 분야에서 첫 노벨상을 탔다. 곧 이어 브래그 부자가 정교한 엑스선 회절 분석을 통해 염화나트륨의 구조를 밝혀내 노벨상을 탔다. 이들의 발견은 물리학뿐만 아니라 화학, 광물학, 금속학, 생의학에 이르기까지 엄청난 파급효과를 주었고 생화학, 분자생물학, 재료과학 및 공학에서 새로운 분야를 낳고 다양한 학제 간 협력을 촉진했다. DNA의 이중나선 구조를 밝혀낸 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 1962년, 단백질 결정학으로 비타민 B12와 페니실린의 구조를 밝혀낸 도러시 호지킨은 1964년 각각 노벨상을 수상했다. 또한 아다 요나트 등은 리보좀의 구조를 풀어내 2009년에 노벨상을 탔다. 김승환 포스텍 교수·물리학초기에는 한 개의 결정구조를 이해하는 데 오래 걸렸지만, 최근 매우 강력한 엑스선을 만들어내는 방사광가속기를 활용하거나 첨단 컴퓨터 및 프로그램을 이용해 3차원 구조의 지도를 바로 그려낼 수 있다. 현재 포항에 소재한 3세대 방사광가속기를 포함해 전 세계적으로 20여개 이상의 방사광가속기가 결정 연구에 활발하게 이용되고 있다.수많은 산업기술의 진보는 바로 이러한 결정의 구조 정보에 의존하고 있다. 예를 들면 비행기를 만드는 물질의 결정 구조를 이해하면 그 원자 배열을 인위적으로 조작해 더 강하고 가볍고 안전한 비행기를 만들 수 있다. 신물질 연구의 강력한 도구로 대두한 결정학은 반도체, 저장매체, 배터리, 수소저장물질 등 현대문명의 기반이 되는 첨단 소재 및 IT 물질 개발에 활발하게 활용되고 있다. 그뿐만 아니라 결정학은 예술품의 미시 분석, 화성의 토양 분석, 신약 개발의 촉매, 생명을 이루는 단위들의 이해 등 거의 모든 분야로 확산되는 추세이다.사실 대부분의 결정 물질들은 완전하지 않고, 규칙성을 깨뜨리는 결함이나 불순물이 섞여 있기 마련이다. 그런데 약간의 불순물 조작으로도 다이아몬드가 연파란색을 띠는 ‘전설의 블루다이아몬드’로 탈바꿈하거나, 물질의 전자기적 성질을 변화해 반도체를 IT의 총아인 트랜지스터로 만들어낼 수 있다. ‘21세기의 연금술’인 결정학은 물질의 근원적인 원자 배열에 대한 과학기술적 진보뿐만 아니라 신물질의 보고를 크게 확장해 우리 삶의 질을 높이는 데 기여했다. 무한의 공간에서 시각적 패러독스와 결정학적 탐구를 즐겼던 네덜란드 예술가 에스허르에 비유하자면 “우리가 결정을 사랑하는 이유는 새 물질을 창조하기 위해서이다.”김승환 포스텍 교수·물리학

오는 11일로 동일본 대지진이 발생한 지 3년이 된다. 2011년 3월 11일 오후 2시46분 일본 미야기현 동쪽 해역에서 발생한 규모 9.0의 동일본 대지진은 초대형 지진해일(쓰나미)을 유발함으로써 2만명 가까운 사망·실종자와 수십만명의 이재민을 발생시켰다. 특히 후쿠시마 제1원전에서는 원자로의 냉각 기능이 장시간 상실되면서 대량의 방사능 물질이 유출됐다. 사상 초유의 엄청난 재앙에 ‘3·11 사건’이라고도 회자되고 있다.미국 해양기상청(NOAA) 데이터베이스에 의하면 태평양 지역에서 일어난 지진 중 규모 6 이상은 약 1000개이며, 이 중 약 300개의 지진이 1m 이상의 해일을 일으켰다. 지진해일 높이로만 본다면 2011년 동일본 대지진이 9번째이며, 최대 높이를 기록한 10개의 지진해일 중 6개가 일본 근해에서 발생했다.해양판이 대륙판 밑으로 해마다 8∼9㎝ 정도의 속도로 밀려들어가는 환태평양지진대에서는 두 판의 충돌로 축적되는 탄성에너지가 어느 시점에서 급격한 단층 변위를 일으키게 되면서 빈번하게 지진이 발생한다. 정경태 한국해양과학기술원 책임연구원·해양학두 가지 지구물리학적 과정이 지진해일 발생의 원인으로 알려져 있다. 하나는 해저 단층의 급격한 변위로 국지적으로 변화된 상부의 해수면이 중력파 형태로 퍼져 나가게 되는 경우다. 또 다른 하나는 대륙사면에 축적돼 있는 다량의 해저퇴적물이 산사태처럼 이동하게 되면서 해수면이 영향을 받아 지진해일이 발생하는 경우이다. 물론, 이 두 가지 메커니즘이 동시에 원인이 되기도 한다. 일단 발생된 지진해일은 모든 방향으로 퍼져 나가는데 전파 속도는 수심에 좌우된다. 참고로 수심 1000m 해역에서는 초속 약 100m에 달한다. 연안으로 접근하면서 전파속도는 느려지나 여전히 상당한 크기(10m 수심에서 약 초속 9.9m)이고 해일 높이가 증폭돼 육지로 범람하는 경우 치명적인 피해를 주게 된다. 약 60㎞ 외 해역에서 약 6∼8m의 해저단층 상승으로 야기된 동일본 지진해일의 경우 빠르게는 약 10∼30분 만에 연안에 도달했으며 약 561㎢ 에 이르는 연안지역을 범람시켰다.일본 학자들은 일본 남해, 즉 난카이 해구에서 과거기록에 근거해 약 30년 이내에 초대형 지진이 다시 발생할 수 있으며, 이때 일본중앙전력의 하마오카 원전의 경우 최대 18m의 지진해일이 내습할 수 있다고 예측했다. 이에 따라 일본정부에서는 원전 전면에 장벽을 건설했다. 우리나라도 지진해일의 안전지대가 아니다. 태평양에서 발생하는 지진해일은 일본열도의 방파제 역할로 우리나라에 피해를 주지 않는 데 반해 동해의 일본 쪽 연안에서 발생하는 지진해일은 우리나라 동해안에 직접적인 피해를 줄 수 있다. 과거 기록에 의하면 동해에서는 최근 100년 이내에 9회의 지진해일이 발생한 것으로 파악되고 있다. 대표적으로 1983년 일본 아키타현에서 발생한 규모 7.7 지진으로 인해 울릉도, 묵호, 포항 등지에 2m 이상의 해일이 발생했다. 1993년 홋카이도에서 발생한 지진해일은 동해항 부근에서 최대 2.8m에 달했다. ‘3·11 사건’ 이후 시뮬레이션에 따르면 일본 난카이 해구에서 동일본 지진과 유사한 규모로 지진이 발생하는 경우, 지진해일이 규슈 남단을 돌아 약 3∼4시간 만에 제주도 및 우리나라 남해안에 영향을 주게 되고, 그 크기는 최대 1m 내외의 제한적인 영향을 미칠 것으로 나타났다. 오히려 중국 항저우만 입구 연안에 최대 2m의 해일이 집중되고 있어 경우에 따라서는 인근 원전에 상당한 피해를 주게 돼 우리에게도 잠재적인 위협이 될 수 있음을 보여 주고 있다.바다의 신 포세이돈이 극도로 분노한 탓인지 3·11 재앙은 결코 발생하리라 생각지 못했던, 결코 발생해서는 안 되는 사건이 일어난 것이다. 현재의 과학기술로 어느 시기에 특정 지점에서 얼마만한 규모로 지진 및 지진해일이 발생할 것이라고 예측하는 것은 사실상 불가능하다. 초대형 지진해일의 발생 확률은 낮으나 일단 발생하면 그 피해는 상상하기 어렵다. 확률론적이나 경제론적 접근을 초월해서 철저한 사전 대비가 필요한 문제이다.정경태 한국해양과학기술원 책임연구원·해양학

현재 우리 사회는 서로 상반되는 수많은 정보가 인터넷에 떠다니면서 어느 정보에 장단을 맞춰야 할지 판단하기가 어렵다. 지속적인 에너지 사용은 지구온난화 등 환경문제를 계속 증가시켜 결국 지구가 멸망하게 된다는 검증되지 않은 정보가 빠르게 퍼져 사회동요를 일으키기도 한다.일부 사이비 종교단체는 지구 종말론을 자연의 법칙인 엔트로피 증가의 법칙에 적용해 타당성을 주장한다. ‘노동의 종말’과 ‘제3의 산업혁명’의 저서로 큰 명성을 얻은 세계적인 경제학자 제러미 리프킨이 1983년 경제·사회의 미래 변화와 연결시킨 ‘엔트로피 법칙’을 발간함으로써 일반인에게도 큰 반향을 일으켰다.  김광선 한국기술교육대교수·기계공학과학기술의 발전으로 사회가 변화되고 지구상에 한정돼 있는 에너지 소비가 증가하면서 부수적으로 발생하는 사회혼란과 환경오염 문제 또한 지속적으로 증가한다는 논리를 엔트로피 증가의 법칙과 연계시킨 것이다. 국내에서는 엔트로피를 생각하는 사람이 모여 리프킨 책과 비슷한 내용으로 1999년 ‘쉽게 읽는 엔트로피’를 출간하면서 자연 환경과 미래 인류를 걱정하는 그룹을 만들기도 했다.원래 ‘엔트로피’라는 단어는 인류가 태고 때부터 관심을 가져온 열이라는 개념을 19세기 유럽의 과학자들이 역학적 이론으로 접근하는 과정 중에서 나온 용어이다. 우리 사회의 동력을 제공하는 에너지시스템을 지배하는 두 가지 중요한 법칙이 있는데 첫째는 시스템의 총 에너지는 변함이 없으면서 각각의 에너지만 변한다는 에너지 보존의 법칙이 있고, 둘째는 에너지가 생성되거나 소멸되는 과정에서 효용성을 나타내는 엔트로피 증가의 법칙이 있다. 우리가 필요한 에너지 시스템을 잘 설계해 활용하기 위해 에너지 보존과 엔트로피 증가의 원리를 동시에 같이 적용해야 한다는 뜻이다.가정에서 전기를 사용하기 위해 연결하는 전선은 옴(Ohm)의 법칙, 전압은 전류 곱하기 저항 이론을 활용한 일종의 에너지시스템이다. 에너지 보존의 법칙을 적용해 보면 전선을 통해 공급되는 총 에너지는 같지만 전선의 굵기가 작아지면 저항은 증가해 열손실이 발생하고 전류는 열손실만큼 감소하게 된다. 엔트로피 증가의 법칙을 추가로 적용하면 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르면서 발생하는 열손실은 피할 수 없고 추가적인 일 없이 전압의 낮은 곳에서 높은 곳으로 전류를 거꾸로 흐르게 할 수 없다. 원래 상태로 회복시키려면 추가적인 일이 필요하고 이를 정량적으로 표현한 값이 엔트로피의 생성량이다. 시스템의 변화과정에서 엔트로피는 항상 생성된다는 원리를 엔트로피 증가의 법칙으로 표현하고 있다. 상온 상태에서의 초전도 물질 개발이나 고효율 열전달시스템 등을 통한 열의 재활용시스템 개발 등은 대표적 사례이다. 새로운 창의적인 시스템 개발에서 특정 양의 엔트로피 생성은 피할 수 없지만 사회 전체시스템과 정성적인 면에서 그 이상 폭발적인 영향을 미치는 새로운 시스템 개발은 항상 열려 있다.우리의 환경시스템에 엔트로피 증가법칙을 적용해 에너지의 과다사용으로 발생하는 이산화탄소 및 환경폐기물의 무한정 증가와 지구온난화에 따른 바다 온도 및 수면의 급격한 상승이 지구 멸망 및 세계 인류의 재앙을 초래한다는 것도 그럴듯하게 들린다. 그러나 창의 과학기술의 발전으로 사회가 부분적으로 혼란해지고 비효용성을 나타내는 엔트로피 생성량은 피할 수 없다. 하지만 이를 효과적으로 줄이고 손실 에너지 재활용 등으로 극복하는 일은 얼마든지 가능하다.태고 때부터 만물의 영장인 인류는 이를 극복할 수 있는 새로운 방법을 찾아내면서 사회를 발전시켜 왔다. 35억년으로 추산되는 지구 위에서 180만년 전의 일하는 사람이라는 명칭을 가진 엘가스트인과 대략 20만년 전 호모사피엔스인으로 진화돼 온 인류는 얼마나 많은 엔트로피를 생성해 왔겠는가. 엔트로피 증가의 법칙을 단편적이고 얇게 보고 에너지 고갈과 함께 지구멸망, 그리고 종말론을 내세우는 논리는 비약됐고 매우 위험한 발상이다. 엔트로피 증가의 법칙, 제대로 이해하고 활용하자.김광선 한국기술교육대교수·기계공학

‘인공지능’(AI·Artificial Intelligence)이라는 기술에 대해 들어본 적이 있는가. 일반인에게는 공상과학 영화 등에서나 들어봤음직한 인공지능 이야기가 큰 관심을 끌고 있다. 사실 인공지능은 정보기술(IT)업계에서는 50년 가까이 중요한 기술로 인식됐지만, 초창기의 막대한 관심에 비해 1980년대 후반에는 ‘인공지능은 죽었다’는 이야기가 나올 정도로 큰 침체기를 겪기도 했다.그러나 1997년 IBM의 딥블루(Deep Blue)라는 컴퓨터가 세계 체스챔피언인 개리 캐스파로프를 꺾으면서 다시 주목을 받기 시작했다. 2011년에는 IBM의 왓슨(Watson)이라는 슈퍼컴퓨터가 세계 최고의 퀴즈쇼인 제퍼디(Jeopardy)에서 전설적인 두 명의 퀴즈왕을 상대로 한 대결에서 승리하면서 인공지능이 현실세계를 크게 바꾸게 될 것임을 강력하게 시사했다.현재의 컴퓨터는 존 폰 노이만이 중앙처리장치와 주기억장치, 보조기억장치와 입출력장치의 구조를 개념화한 것을 바탕으로 만들어졌다고 해서 ‘폰 노이만 방식 컴퓨터’라고 부른다. 초창기의 컴퓨터에 비해 기억장치의 용량과 속도가 수백만 배 늘어나고 빨라졌지만, 현재의 컴퓨터 역시 이런 계산기와 비슷한 기계의 형태를 가지고 있기 때문에 우리의 뇌와는 무척 다르다. 이런 구조의 컴퓨터는 주어진 작업을 효율적이면서도 정확하고 빠르게 처리하는 데 강점을 가지지만 인간의 뇌처럼 유연성 있는 판단을 하거나, 새로운 상황에 적응하고 진화하는 것에는 큰 약점을 가지고 있다. 이런 근본적인 문제를 극복하기 위해 IBM은 인간의 뇌처럼 낮은 수준의 에너지를 소비하면서 효과적으로 대규모 병렬처리를 할 수 있는 컴퓨터를 개발하기 위해 많은 연구를 했다. 인간의 뇌는 어찌 보면 오랜 기간 동안 자연선택에 의해 진화된 정보처리 기계이면서 현존하는 최고의 기계라고 할 수 있다.그러면 인공지능 슈퍼컴퓨터 왓슨을 인간의 뇌와 비교한다면 어떨까. 사실 왓슨이 퀴즈쇼를 통해 그 능력을 증명했고, 뒤이어 미국 최고의 암센터에서 암환자 진료에 활용되면서 광고에도 등장할 정도로 유명해졌지만, 공정하게 인간의 뇌와 비교한다면 많은 면에서 뒤처지는 것이 사실이다. 왓슨이 자신의 능력을 발휘하기 위해 사용하는 에너지는 4000명이 넘는 사람의 뇌가 동시에 사용하는 에너지와 동일하다고 한다. 정지훈 명지병원 IT 융합연구소장·미래학최근에는 단순한 인공지능의 수준을 넘어 인간의 뇌와 유사한 인지기능을 갖춘 컴퓨터 프로젝트가 속속 발표되고 있어, 컴퓨터 기술 자체도 새로운 패러다임을 맞을 것으로 예상되고 있으며 사회적인 반향도 그만큼 클 것으로 보인다. 이런 움직임을 포괄적으로 인지컴퓨팅(Cognitive Computing)이라고 부른다. 컴퓨터를 인지 시스템으로 본다면 단지 프로그래밍된 대로 일을 수행하는 것이 아니라, ‘무슨 일이 진행되고 있는지 인지를 하고 판단을 하며, 외부와 커뮤니케이션을 하고, 경험을 통해 배운다’는 것이 가능해야 할 것이다. 전통적인 컴퓨터 하드웨어를 이용해 소프트웨어를 개발하는 방식으로 도전했던 인공지능의 목표가 인간의 뇌에 대한 연구를 바탕으로 실제 인간의 뇌와 유사한 컴퓨터 칩을 만들고, 이렇게 만들어진 컴퓨터 칩을 이용해서 인간과 유사한 방식으로 판단하고 행동하도록 프로그래밍하는 방식으로 진화하는 것이다.이같이 새로운 인지컴퓨팅의 시대로 진입하기 위해서는 아직도 넘어야 할 산이 많다. 인간의 뇌와 같이 복잡하고 집적도가 높은 구조를 가지기 위해서는 소재나 집적기술 전반에 혁신이 있어야 한다. 뿐만 아니라 뇌과학 연구의 성과가 컴퓨터 과학 연구자들과 공유돼야 하며, 작업을 부여하고 작업을 평가하는 방식 등에서도 정의할 부분이 많다. 또한 어느 정도 수준의 자율성을 줄 것인지, 그리고 작업은 어떻게 정의할 것인지 등에 대한 작업모델이나 높은 수준의 자율성에 따른 윤리적인 측면도 고려해야 한다. 그런 측면에서 인지컴퓨팅이 중시되는 미래에는 더욱 융합의 중요성이 강조될 것이다.정지훈 명지병원 IT 융합연구소장·미래학

새해 첫날 중국에서 겨울 황사가 한반도에 유입됐다. 이어 며칠 전에도 중국에서 날아온 황사의 영향으로 서울과 수원 등 수도권 지역에 옅은 황사 현상이 나타났다. 중국 북부지방에서 발원한 이번 황사는 산둥반도에서 날아온 스모그와 합쳐지면서 수도권 미세먼지 농도가 크게 높아져 국민건강을 위협했다. 문제는 앞으로 겨울 황사의 발생빈도가 높아지고 규모가 강해질 수 있으며, 설상가상으로 중국에서 오는 스모그와 겹쳐 국민보건뿐만 아니라 막대한 산업 피해를 초래할 수 있다는 점이다. 황사의 발생 원인을 이해하고 황사 발생을 줄일 수 있도록 국가안보 차원에서 근본적인 노력을 해야 할 때다.황사 발생에는 세 가지 조건이 필요하다. 첫째가 사막지역과 황토고원의 모래이고, 둘째가 모래를 상공으로 상승시키는 저기압이며, 셋째가 북서풍이다. 이들 조건이 갖추어지면 황사는 계절에 관계 없이 우리를 괴롭힐 수 있다. 사막화는 인간의 욕망이 주된 원인인 반면에 저기압과 북서풍은 기상현상이다. 첫째 원인인 모래는 사막화 확산으로 계속 증가하고 있다. 중국과 몽골은 나름으로 사막화 방지를 위해 노력하지만 사막화는 점점 확대되고 있다. 중국은 국토 면적의 약 30%가 사막이며 매년 제주도 면적 1.5배가량의 사막화가 진행되고 있다. 몽골은 90% 면적이 사막화에 직면하고 있다. 이번 겨울에 발생한 황사는 네이멍구와 중국 북부지방의 건조지역이 따뜻한 겨울날씨로 인해 얼지 않은 토양이 주된 원인이다. 최근 동북3성 지역도 네이멍구처럼 건조지역이 늘어나면서 심각한 사막화가 진행되고 있다.중국 사막화 원인의 약 90%는 가난한 농민들에 의한 과다한 방목, 산림훼손, 부적절한 물과 토양 관리다. 사막화를 늦추려면 주민들이 환경을 고려하는 지속가능한 농사를 짓는 것이 바람직하지만 돈이 되는 가축을 키우기 위해 무분별하게 방목하고, 나무를 심어야 할 사람들이 겨울철 땔감으로 나무를 베고 있는 것이 현실이다. 아프리카를 포함한 세계의 사막화 원인도 중국과 비슷하다. 이런 점에서 사막화는 인재(人災)라 할 수 있다. 곽상수 한국생명공학연구원 책임연구원·생명공학사막화 방지를 위해 유엔은 사막화방지협약(UNCCD·1996년 발효)을 두고 있다. 사막화방지협약은 생물다양성협약, 기후변화협약과 함께 유엔 3대 환경협약이다. 사막화 방지는 매우 어려워 ‘전투(combat)’로 표현한다. 세계 식량 문제와 환경 문제를 심도 있게 전망하는 지구정책연구소의 레스터 브라운 소장은 세계 환경 문제를 다룬 ‘플랜 B 3.0’에서 지구가 당면한 중요한 문제로 사막화와 생물다양성 위협을 지적했다. 사막화가 확산되면 생명의 근간인 땅이 훼손돼 사막난민 발생, 식량생산 차질, 생물다양성 훼손 등을 초래하게 된다. 지속가능한 발전을 위해서는 땅을 지키는 것이 무엇보다 소중하다.황사의 발원지인 사막화 지역의 확산을 막으려면 첨단 생명공학기술을 이용해 사막화 지역에 잘 자라면서 식량과 사료 뿐만 아니라 의약품 등 각종 고부가가치 바이오 소재를 생산하는 산업식물을 개발할 필요가 있다. 이런 산업식물은 우리가 당면한 온실가스도 흡수하고 식량과 바이오에너지, 고부가가치 소재를 생산할 수 있어 지역주민이 소득 증대를 목적으로 적극 재배할 것이다. 겨울 황사는 2000년 본격적으로 시작됐는데 지금처럼 황사 발원지인 중국과 몽골에서 사막화가 계속 진행되고 겨울철 기상조건이 황사 발생에 적합하면 겨울 황사는 증가할 것이다. 이번 겨울철 중국에서 불어온 스모그의 주된 원인은 폭발적으로 증가하는 자동차의 배기가스, 겨울철 주된 연료로 사용하는 저급 석탄의 매연, 연안지역에 밀집해 있는 공업단지에서 발생하는 산업공해의 합작품이다. 중국의 급속한 산업화로 중국에서 발생하는 스모그는 앞으로 황사 못지않게 잦은 빈도로 발생해 우리를 힘들게 할 것이다. 황사와 스모그에 포함된 유해한 미세먼지로 인한 피해를 줄이기 위해서는 외출을 줄이고 접촉을 피하는 등 철저한 위생관리가 필요하다. 근본적으로는 사막화 방지를 위한 산업식물과 청정에너지 개발이 시급하다. 황사와 사막화를 방지하기 위해서는 한국과 중국이 환경공동운명체라는 의식을 가지고 긴밀하게 협력하는 노력이 절실하다.곽상수 한국생명공학연구원 책임연구원·생명공학

얼마 전 세계적 물리학자인 스티븐 호킹 박사가 온라인에 올린 짧은 논문 하나가 세계적인 주목을 받고 있다. 40년 전 자신의 이론과 배치되는 듯한 ‘블랙홀은 없다’는 주장을 담았기 때문이다.블랙홀은 보통 ‘중력이 너무 세 빛조차도 빠져나오지 못하는 시공간의 영역’으로 알려져 있다. 그래서 공상과학영화에서 보듯 우주인이나 우주선이 블랙홀에 빠지게 되면 탈출도 못하고 구조신호조차 보내지 못한다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 의하면 천체의 질량이 너무 무거울 때 중력붕괴와 함께 시공간의 뒤틀림으로 블랙홀이 생성될 수 있다.강한 중력에 의한 블랙홀이 존재할 것이란 것은 이미 18세기부터 예상돼 왔지만 막상 모든 빛을 빨아들이는 블랙홀은 눈으로 볼 수도 없어 직접적인 증명이 쉽지 않았다. 그러나 블랙홀은 직접 못 보더라도 다른 별과 짝을 이룰 때 X선이 방출되면 간접적인 관측이 가능하다. 이러한 다양한 관측 방법을 활용해 지금까지 백조자리의 X-1, 거대 마젤란성운의 LMC X-3 등 우주 곳곳에서 블랙홀의 존재가 입증되고 있다. 그런데 놀랍게도 우리 은하를 포함한 대부분의 은하 중심부에도 태양 질량의 수백만 배에 이르는 초거대 블랙홀이 자리하고 있다고 알려져 있다.블랙홀 자체의 안정성과 빛의 탈출을 가름하는 경계인 ‘사건지평’ 등 핵심 문제를 정확하게 이해하려면 상대론과 양자역학을 통합한 정교한 접근이 요구된다. 1974년 호킹 박사는 고전상대론에 양자장론을 접목해 ‘블랙홀이 서서히 에너지를 방출하며 증발한다’는 혁신적인 결과를 내놔 세계를 놀라게 했다. 사실 블랙홀에서 복사의 형태로 에너지가 나온다면 블랙홀도 검다고 할 수 없게 된다. 김승환 포스텍 교수·물리학하지만 보다 근원적인 문제는 호킹 복사가 양자역학의 기본 원리와 위배된다는 점이다. 양자역학에 의하면 시스템의 정보는 파동함수에 모두 담겨있고, 이는 시간이 지나도 보존된다.그런데 블랙홀에서 나오는 복사는 양자 상태가 뒤죽박죽이 돼 원래의 정보를 잃어버리게 된다. 즉 누군가 블랙홀 외부로 구조신호를 보낼 수 있다고 해도 그 내용이 뒤죽박죽이 되는 셈이다. 지난 40년간 전 세계의 내로라하는 이론물리학자들이 이 정보패러독스를 해결하기 위해 양자역학과 상대성이론을 묶는 다소 황당해 보이기도 하지만 다양한 아이디어와 이론을 시도해왔다. 이 과정에서 고전 상대론 관점을 중시하는 호킹 박사와 양자역학적 관점을 중시하는 끈이론 물리학자 레너드 서스킨드 교수가 공개적으로 ‘블랙홀 전쟁’ 을 치르기도 해 세간의 관심을 끌었다.호킹 박사는 최근의 논문에서 양자효과를 고려해 자신의 생각을 보다 명확하게 제시했다. 즉 블랙홀이 증발할 때 물체의 정보는 카오스적으로 뒤섞여 밖으로 배출된다. 또한 양자역학적 효과로 블랙홀의 사건 지평은 흐릿해지긴 하지만 외관상 꽤 오래 유지된다. 사실 블랙홀은 준 안정적인 상태이지만 실제로 모두 증발하기까지 우주 나이보다 훨씬 더 긴 시간이 걸리므로 블랙홀에 대한 우리의 현재 인식을 당장 크게 바꿀 필요는 없다.호킹의 주장은 아직 수학적 뒷받침은 부족하지만 ‘블랙홀 전쟁‘이후 다시 블랙홀과 관련된 과학적 논쟁을 재점화시켰다. 그러나 블랙홀이 어떻게 형성되고, 입자를 방출하고, 증발 후 어떻게 되는 지를 명확하게 설명해주는 완벽한 이론은 아직 없다. 가열되는 블랙홀 논쟁은 우리에게 현대물리학의 두 기둥인 상대론과 양자역학의 근원적 관계에 대한 새로운 도전과 기회를 주고 있다. 천재 물리학자 호킹 박사가 생전에 이 블랙홀의 문제를 혼자 해결할 수 있을지 아니면 입자물리학, 천체 물리학, 그리고 우주론 분야의 수많은 물리학자들과의 집단적 협업이 궁극적으로 승리를 거둘 지 블랙홀 이론의 미래는 ‘신의 입자’ 사냥만큼이나 흥미롭고 예측불가능하다. 다만 한 가지 확실한 사실은 ‘블랙홀은 한 번 빠지면 다시 같은 상태로 돌아오기 어렵다’는 것이다.김승환 포스텍 교수·물리학

최근 화두가 되고 있는 K금융, N은행, L카드사의 개인신상정보 유출사건은 유출규모가 2000만명을 넘는 데다가 유출된 정보의 범위가 개인신상명세는 물론 카드번호와 유효기간까지 포함하고 있어 파장이 일파만파로 번지고 있다.필자가 중·고등학교를 다니던 1970년대만 해도 본격적인 전산화가 이뤄지기 전이었기에 오늘날과 같이 개인의 신상정보를 불법적으로 유출 및 유통하는 범죄가 존재하지 않았다. 그런데 불과 한 세대 만에 모든 작업이 전산화·네트워크화돼 펀치카드로 정보를 입력하고 종이에 담아 출력하는 대신 노트북과 개인용 이동식저장장치(USB) 메모리를 이용하면서 수천만 명의 개인신상과 금융정보가 손쉽게 유출되는 세상이 되고 만 것이다. 어쩌면 이번 개인신상정보 유출사건은 과학기술의 비약적인 발전에 따른 신종범죄 등장의 예고편일지도 모른다. 안도열 서울시립대 석좌교수·양자전자공학세계적 발명가이자 미래학자인 레이 커즈와일은 그의 저서 ‘특이점이 온다’에서 “기술의 발전 속도는 기하급수적이고 그 파급 효과도 기술의 발전 속도에 비례한다. 그렇기 때문에 미래의 어느 시점이 오면 기술의 발전 속도가 인간의 능력을 초월하게 되는 급격한 변화의 시점인 ‘특이점’(singularity)이 올 것”이라고 했다. 또한 그는 “인간의 뇌와 컴퓨터가 서로 유기적으로 연결돼 우리의 의식과 기억 자체를 컴퓨터로 이식하게 되는 ‘초월’(transcendent) 현상이 향후 50년 내에 일어날 것”이라고 예측했다.과거 컴퓨터 진화 속도를 살펴보면, 1980년대 초 중형컴퓨터의 대명사처럼 불렸던 VAX 780의 연산속도는 1밉스(MIPS)로 초당 100만회의 연산을 수행할 수 있었으며, 주메모리는 메가바이트(MB) 수준이었다. 30년이 지난 현재 개개인이 사용하는 컴퓨터는 초당 수십억 번의 연산 수행 시 주메모리는 기가바이트(GB) 수준이다. 80년대의 중형컴퓨터와 비교하면 연산속도와 메모리 용량이 1000배 정도 증가한 것이다. 30년마다 컴퓨터의 연산 능력과 기억용량이 1000배 정도 선형적으로 늘어난다고 가정하면 인간 뇌의 연산능력인 1018 수준의 연산을 수행하려면 지금부터 대략 90년 후가 될 것이다. 그러나 양자컴퓨터 등 새로운 기술의 등장과 그 진보 속도 여하에 따라서는 커즈와일이 말한 초월 현상이 일어나는 특이점이 반세기 앞당겨질 수도 있을 것 같다.그러면 과연 우리 인간은 이러한 기술의 기하급수적인 발전 속도를 따라잡을 수 있을 만큼 성숙한가. 그리고 우리의 도덕성이 이를 감당해 낼 수 있을까. 우리의 도덕성이 기술의 발전 속도를 감당해 내지 못한다면 개인신상 유출사건은 앞으로 일어날 일에 대한 서막에 불과한 것이다.과학기술은 인간이 창조하고 발전시켰음에도 불구하고, 인간의 탐욕에 의해 잘못 이용될 경우 핵무기처럼 엄청난 손실과 파괴를 가져다주며 본래의 목적과 달리 역이용되기도 한다. 또 요즘 사이버상에서 파란을 일으키고 있는 한 미니시리즈에서의 드라마 작가와 다른 매체의 창작물 작가 사이에서 일어난 설정과 스토리에 대한 표절 시비의 경우에서 보면 개인의 창의력마저 아무렇지 않게 도용되고 그에 따른 처벌 및 죄의식마저 부족한 우리 사회의 부끄러운 일면을 보게 된다. 문제는 과학기술의 발전을 위해 투자도 중요하지만 이에 따른 국민의 도덕성과 윤리의식을 고취시켜야 하는 것도 정부의 몫이 아닌가 하는 생각이 든다.만약 우리에게 인간성이 사라지거나 도덕성이 성숙해지지 못한다면 비약적으로 발전하는 과학기술로 인해 컴퓨터와 인간의 의식이 융합되고 난 이후의 미래사회는 조지 오웰의 소설 ‘1984’에서처럼 가상의 독재자 ‘빅 브라더’(Big Brother)에 의해 인간의 존엄성과 자유가 박탈돼 전체주의 사회로 회귀하게 될지도 모른다.안도열 서울시립대 석좌교수·양자전자공학

최근 9년이나 끌어온 인도의 포스코 제철소 건설과 광산 개발 사업이 다시금 조명을 받고 있다. 일반인의 시각으로는 다른 나라에 왜 그 많은 투자를 통해 자원 및 에너지 사업을 벌여야 하는지 이해가 안 될 수도 있겠다. 하지만 요즘 국내 에너지 및 첨단 제조 산업 관점에서 우리나라 원료소재의 지속적인 공급과 경쟁력 저하에 대해 우려하는 목소리가 높다. 더욱이 우리나라는 작년 ‘세계 에너지 지속가능성 평가’에서 세계 최하위권인 85위에 불과했다. 일본은 16위였다. 우리의 97% 해외 에너지 의존성, 낮은 에너지 생산성, 그리고 지난 10여 년간 약 43조원을 투자한 해외 자원개발 성과의 미진한 한계를 보여주는 수치이기도 하다.주지할 점은 자원 개발과 원료소재 수급, 그리고 해외 에너지원의 확보가 서로 연계돼 전 세계가 이전투구하고 있다는 것이다. 이는 단지 세계 인구가 앞으로 수십년 내에 70억명에서 90억명으로 증가할 것이라는 예측 외에도 이의 해결 방안이 미래 주요 기간산업의 경쟁력을 좌우할 것이라는 예상 때문이다. 더불어 전세계가 인구 팽창과 글로벌 산업화로 환경 문제뿐만 아니라 과연 지속적으로 필요한 자원과 에너지 수급이 가능할 것인가에 대해서도 의구심을 가지고 있다. 현재를 1700년대 초반 급격한 인구 팽창으로 식량 문제가 대두됐던 것과 비슷한 상황으로 보는 이도 있다. 그 당시에는 인구 감소가 필요한 듯했지만 농업기술의 혁신적인 발전으로 그 위기를 모면했다. 조용수 연세대 교수·신소재공학이로 인해 제한된 해외 자원개발과 해외 에너지원 확보 외에 기술 연구개발을 통해 이를 극복해야 한다는 점이다. 더욱이 원천자원의 한계로 외부에 의존해야 하는 우리의 처지에서는 과학기술 개발의 성과가 희망이 될 수 있다. 우선 새로운 자원소재 및 대체물질 기술 개발을 통해서 기여가 가능하다. 가령 몇 가지 금속원료만 필요했던 지난 20여 년 전과 달리 획기적인 연구개발의 결과로 이제는 컴퓨터, 휴대전화, 의료기기, 엔진터빈 등 첨단 완제품을 만드는 데 화학주기율표의 거의 모든 원소가 필요하게 됐다. 성능 향상을 위해 더 많은 새로운 원소를 필요로 하는 것이다. 이제 하나의 노트북에 1000여 개의 부품이 들어가고 제각기 다른 원소로 구성돼야 한다고 생각하면 이해가 간다. 이는 몇 가지 원소에 편중되는 위험을 줄일 수 있고 동시에 원천기술력으로 경쟁력 확보가 가능해진다. 희귀하고 매우 값비싼 물질의 대체기술 개발은 2차 전지분야에서 리튬 및 태양전지 분야에서 인듐, 카드뮴 제거 등에서와 같이 상당부분 진전이 이루어지고 있음이다.완제품으로부터 원료를 추출해내는 물질 재생 분야에서도 지속적인 연구개발이 필요하다. 1t의 금광석에 들어가 있는 금의 실제 양은 약 5g이지만 수거된 휴대전화 1t에서 400g, 컴퓨터 1t에서 52g의 금을 재생산할 수 있다고 알려져 있다. 광물자원에서 원천원료의 획득보다 우리가 생산하는 완제품에서 더 많은 소중한 원료자원이 확보될 수 있는 것이다. 하지만 현재로는 대부분 희귀금속을 일본이 중국에서 수입한 후 재가공하면 이를 우리가 고가로 수입해 완제품을 만들어 판매하고 수거된 폐품을 모아서 다시 일본에 보내 재생하면 다시 구입하는 바람직하지 않은 고리가 형성돼 있다. 원료물질의 재처리 및 재생 분야에서의 원천기술력 확보가 실로 절실한 것이다.이제 지속적인 해외 자원개발 및 에너지산업 분야 투자의 성공과 더불어 더 큰 고부가가치 창출이 가능한 원천 원료소재에 대한 연구개발과 관련 산업의 발전을 도모해야 할 때이다. 구체적인 중장기 로드맵에 따른 정부의 포괄적인 지원 하에 과학기술자의 구체적인 성과와 산업계의 관심과 투자를 기대해 본다.조용수 연세대 교수·신소재공학

수학은 노벨상 분야가 아니라 그런지 관련 연구가 사람들의 이목을 집중시키는 경우가 별로 없다. 그러나 응용수학자들이 연구하는 것 중 ‘외판원 문제(Traveling Salesman Problem·TSP)’는 현실 세계에서도 아주 유용한 것으로 뉴욕타임스 1면에 두 번이나 보도됐다. 외판원 문제를 쉽게 설명하면 방문영업을 하는 외판사원이 우리나라의 8개 특별·광역시의 각 도시를 한 번씩만 방문하고 출발한 도시로 되돌아오려면 어떤 순서로 방문하는 것이 가장 짧은 여행 경로를 갖느냐는 것이다.외판원 문제는 단순히 도시를 방문하는 지리적 문제로만 응용되지 않는다. 물류산업에서의 배차, 항공기 스케줄링, 반도체 설계, 드릴머신 배치 등은 물론 게놈정보 분석, 천체망원경 배치, 엑스선 결정학 등에서도 사용되고 있다. 따라서 수많은 수학자, 컴퓨터과학자. 산업공학자, 경영과학자들이 수학적 성질, 컴퓨터 알고리즘·데이터 구조 연구, 소프트웨어 개발, 산업·경영 문제 응용 등을 위해 연구하고 있다.외판원 문제의 해결책을 단순히 접근하면 가능한 모든 길을 나열하되 경로 중 가장 짧은 길을 선택하면 된다. 하지만 이런 나열식 방법은 8개 도시도 가능 경로가 2520개나 되고, 도시 수가 24개만 돼도 가능한 모든 경로의 수는 9407경3336조개나 된다. 만일 초당 1000억번의 연산을 수행하는 최신형 PC를 사용해 24개 도시의 가능한 모든 경로 수를 나열하는 데에만도 30년이나 걸릴 것이다. 이희상 성균관대 교수·기술경영학물론 과학자들은 단순한 나열과 비교보다는 훨씬 효율적인 방법을 연구한다. 그러나 외판원 문제는 8개 도시의 길을 사용해 서울에서 부산까지 가장 짧은 길을 찾는 최단거리 문제보다는 어렵다. 최단거리의 경우는 도시 수가 100개, 1000개로 증가해도 최단거리를 찾는 데 걸리는 계산 속도가 빠르게 증가하지 않으므로 최단 경로를 거의 모든 경우 정확히 찾을 수 있다. 반면 외판원 문제의 경우 도시 개수가 증가함에 따라 계산량이 기하급수적으로 증가할 수 있어 큰 문제의 경우 근사해를 찾는 데 만족해야 할 때도 많았었다.외판원 문제는 1930년대부터 연구가 시작됐지만 1954년 미국 랜드연구소의 과학자들이 49개 도시의 최단거리를 찾아낸 이래로 최적을 찾을 수 있는 도시 수가 1971년 57개, 1964년 120개, 1980년 318개, 1987년 666개로 느린 발전이 진행돼 왔다. 1980년대로 접어들면서 세상에 존재하는 많은 수학적, 계산학적 문제의 상당수가 비슷한 정도의 복잡도가 있으며, 외판원 같은 문제는 난제 중 하나라는 것이 증명된 게 이 문제를 이해하는 데 큰 도움이 됐다.반면 1980년 중반 다면조합(Polyhedral Combinatorics)이란 수학적 성취와 컴퓨터과학의 신기술, 경영 및 산업에 대한 축적된 응용 경험 등을 기반으로 외판원 문제의 최적화 가능한 문제 크기는 발전한다. 즉, 1987년 2392개, 2000년 5915개, 2004년 2만4978개 도시를 거쳐 2006년에 8만5900개 도시 문제가 가장 큰 크기의 최적해를 찾은 문제가 됐다.과학자들은 최근 10년간 인류가 거주하고 있는 거의 모든 마을 규모인 190만 4711개 도시의 외판원 문제에 도전하고 있다. 외판원 문제는 최적해가 입증되지 못한 근사해도 최적해보다 얼마 이상 나쁘지는 않다는 갭(gap)을 구할 수 있는 문제이다. 190만4711개 도시 문제에 대해 2001년 0.5% 정도의 근사해의 갭이 올 1월엔 0.0474%까지 줄어들었으니 조만간 글로벌 규모의 도시를 모두 방문하는 외판원 문제의 최적해가 구해질 수도 있을 것 같다.외판원 문제가 해결돼가는 과정에 수학, 컴퓨터과학, 산업공학, 경영과학 등 각 분야의 최상의 지식이 하나씩 더해지며 가능했던 것을 반추해보면, 세계 최고 수준의 과학연구란 단순한 아이디어를 발전시키거나 피상적 결합 이상의 헌신적 노력과 ‘통섭’(consilience·지식을 통합함)을 통해야 가능하다고 생각된다.이희상 성균관대 교수·기술경영학

얼마 전 빅뱅에 이어 우주 역사에서 두 번째로 큰 폭발이 관찰됐다는 소식이 있었다. 138억년 전에 우주를 탄생시킨 빅뱅이 가장 큰 폭발이었겠지만 빅뱅 자체는 우리가 관찰할 수 없고, 빅뱅의 결과물만을 볼 수 있을 뿐이다. 그렇다면 이번에 37억광년 거리에서 관찰된, 그러니까 37억년 전에 일어난 이 초신성 폭발은 인간이 지금까지 관찰한 가장 큰 폭발인 셈이다. 37억년 전이라면 지구상의 생명이 갓 태어난 시기이다. 37억광년 거리에서 일어났으니 다행이지, 태양계 가까이에서 일어났더라면 갓 난 생명이 꽃도 피워보기 전에 순식간에 사라질 뻔했다.초신성 폭발은 무거운 별이 일생을 마치면서 엄청난 에너지를 내놓고 사라지는 별의 죽음이다. 그런데 초신성 폭발이 중요한 것은 이때 그 별의 내부에서 만들어진 탄소, 산소, 철 등의 원소가 우주 공간으로 퍼져나가서 다음 세대의 별을 만들고, 또 그 과정에서 별 주위를 도는 행성을 만드는 재료로 사용되기 때문이다. 뿐만 아니라 초신성 폭발의 충격파는 주위 물질에 회전력을 제공해서 태양계와 같은 행성계의 형성을 가능하게 한다. 그러니까 지구상의 물질도, 지구가 태양 주위를 공전하면서 생명이 태어나고 번성할 수 있는 조건을 갖추게 된 원인도, 태양계가 태어난 46억년 전 그 이전 언제인가 일어난 어느 초신성 폭발이 제공한 것이다. 김희준 광주과학기술원 석좌교수·화학지구상 생태계의 일부인 인간은 수십억년 전 어느 초신성에서 온 원자들을 다른 생명체들, 심지어는 자연의 무생물들과 교환하면서 살아간다. 우리가 이 순간에 호흡하는 한 숨에도 2000여년 전에 석가가, 공자가, 그리고 예수가 내쉰 한 숨에 들어있던 산소와 질소 원자들이 한두 개는 들어있게 마련이고, 오늘 내가 내쉰 숨에 들어있는 이산화탄소는 언젠가는 어느 골짜기에서 진달래를 꽃피우거나 살아서는 가보지 못한 어느 땅에 암석으로 자리 잡을지도 모른다. 그런 의미에서 신토불이(身土不二)는 문자 그대로 맞는 말이고, 인류뿐 아니라 모든 생명체와 무생물까지도 원자들을 공유하는 하나의 형제인 셈이다. 한편 우리가 일생을 살아가는 동안에도 일부 세포는 죽어 해체되고, 끊임없이 새로운 세포가 만들어져서 죽은 세포를 대체한다. 그러니까 우리가 음식을 먹는 것은 살아가는 데 필요한 에너지를 얻는 데 그치는 것이 아니라, 우리 몸 자체를 유지하고 더 나아가 새로운 몸으로 거듭나기 위한 것이다. 그런데 흥미롭게도 우리 몸은 1년 동안에 자신의 체중 정도에 해당하는 원자들을 갈아치운다고 한다. 우리 몸에는 대략 100조개의 세포가 있고, 하나의 세포에는 대략 100조개의 원자가 있으니까 우리 몸은 100조 곱하기 100조개, 그러니까 1에 0이 24개 붙은 개수의 원자로 이루어진 셈이고, 우리는 1년 만에 100조 곱하기 100조개의 원자를 내보내고 또 새로 받아들이는 것이다. 우리는 또 한 번 새해를 맞았다. 지나간 일은 뒤로하고 새 마음, 새 결단으로 새해를 살아가야 하겠다. 그런데 건강한 신체에 건강한 정신이 깃든다는 말이 있듯이 몸과 마음은 불가분의 관계에 있다. 사고, 기억 등 모든 신경계의 작용은 결국 신경세포와 신경전달물질들의 작용에 달려 있기 때문이다. 그렇다면 상징적이나마 새해를 맞아 새 몸으로 거듭나고 새로운 마음으로 심기일전한다는 것은 충분히 근거가 있고 백번 타당한 말이다. 우리나라가 경제와 과학기술의 발전을 지속하고, 정치와 교육에서 획기적인 변화를 꾀하며, 특히 한반도의 새로운 질서를 준비하기 위해 우리 모두가 새 몸과 새 마음으로 다짐을 새롭게 해야 하겠다.김희준 광주과학기술원 석좌교수·화학