단순해보이는원자와중력부터기후위기그리고양자컴퓨터까지
세상의복잡성에는단순함이숨겨져있다
이책은중력에서시작된다.중력은우리의일상을지배하는공기와도같은것으로중력에의해세상의모든물체는서로를끌어당긴다.뉴턴은사과를땅으로끌어당기는힘과행성이궤도를돌게하는힘이결국같은것임을놀라운통찰력으로파악함으로써우주에보편적으로작용하는힘인중력을설명한다.그러나중력은인간이의존하는또다른힘인전기에비하면아주미약하다.전기는중력보다1만의10억배의10억배의10억배의10억배나강한힘으로,그위력은상상할수없을정도이다.인간은전기를필요에따라활용할수있게되면서부터지구의모습을완전히바꾸었다.전기를사용하면서인간의삶은윤택해졌지만,세상의무질서함은커졌다.지구가뜨거워지면서우리의일상이되어버린기후위기의과정은열역학제2법칙으로도설명할수있다.영국의물리학자아서에딩턴경이“자연법칙중에서최고의지위를차지한다고생각한”이법칙에따르면엔트로피(무질서)는언제나증가하기때문에,인간이질서를수립하면할수록주변은무질서해진다.인간이지금수준의삶을영위하는것만으로도세상은앞으로도계속엉망이되어갈것이다.다시말해서인간이만든질서는엄청난무질서를우주로발산하고있다.
그렇다면세상은어떻게이루어져있을까?세상을구성하는92종의원자는서로다른특성을가지고우주의모든다양성을만들어낸다.같은원자들을가지고도배열에따라서완전히다른것을만들수있기때문이다.배열에따라장미와은하,신생아까지만들수있는이원자의존재를저자는“자연의알파벳”이라고말한다.한편원자가“자연의알파벳”이라면,그알파벳을구성하는획과같은존재가바로입자이다.20세기초에처음으로원자와그것의구성입자를연구하던물리학자들은세상의궁극적인단위인원자,전자,광자등이입자인동시에파동처럼행동하기도한다는사실을발견했다.입자와파동은근본적으로양립할수없는것처럼보이지만,양자장이론에서입자는근본적으로파동이다.이를설명한양자이론은레이저,컴퓨터,핵반응로등인류의삶을바꾼획기적인발명으로이어졌으며,오늘날과학계에서가장주목받는주제중하나인양자컴퓨터의초석을놓았다.양자컴퓨터는엄청나게많은자기복사본을만들어서각기다른계산을동시에수행한다.마치평행우주에존재하는스스로의복사본을활용하는것같다.양자컴퓨터는원자나원자비슷한것들이여러계산들을동시에수행해서많은일을한꺼번에해치우는능력을이용한다.저자는양자컴퓨터의위력을기존의컴퓨터와비교하며앞으로20년이내에양자컴퓨터가사람들의문제를해결해줄것이라고말한다.
한편특수상대성이론은최근SF영화에서가장많이등장하는물리학이론으로,속도와시간에대해서말해준다.엄청난속도로시간을되돌리는영화속장면과달리,특수상대성이론은누구도빛을따라갈수없다고말한다.누군가빛의속도에가까운속도로움직이면,그에게는무한대에가까운저항력이작용하게된다.즉에너지는그에대응하는질량을가지기마련인것이다.
판구조론부터지구온난화까지
모든과학은연결되어있다
태양의빛은모든지구생명의근원이다.태양은세상에서가장가벼운원소인수소의중심에있는핵을,두번째로가벼운원소인헬륨의핵으로융합시키는과정에서나오는에너지로작동한다.이핵융합반응에서발생하는부산물이바로햇빛이다.수소의원자핵에는1개의양성자가있고,헬륨의원자핵에는2개의양성자와2개의중성자가있다.양성자가다른양성자와충돌해서일어나는핵융합은평균적으로100억년에1번정도일어난다.그런데결과적으로태양이그토록비효율적이기때문에인간과같은복잡한생명이지구에서진화할수있는충분한시간을가질수있었다.
그러나태양만으로지구에생명이탄생할수있었던것은아니다.일단햇빛이지구에도달하면지구대기의온실가스에의해온실효과가발생한다.공기처럼사소한것이열을가둬둔다는사실도놀랍지만,대기의0.04퍼센트에지나지않을정도로적은양의이산화탄소가엄청난효과를낸다는점은더욱놀랍다.여기에서더욱흥미로운점은지구의판구조가이산화탄소를땅속에묻는다는점이다.지구의지각이마치갈라진포장도로처럼부서져움직이면서지구온난화의영향을완화한다는것이다.이현상은대기중의온실가스가지나치게누적되는것을막아주었고,수십억년동안지구의기후를안정시켜왔다.
산업혁명이후인류는화석연료를연소함으로써이산화탄소를엄청난양으로배출하기시작했다.일상에서흔히볼수있는시멘트또한이산화탄소의주요한배출원이다.소와같은가축의소화과정에서발생하는메테인과자동차배기구에서배출되는이산화질소등도지구온난화를가속화한다.인간의생활로말미암은지구온난화는지구의자체적인정화과정을넘어선다.이온실효과가누적된다면지구는머지않아수성이나금성처럼생명체가살수없는뜨거운불덩이가될지도모른다.
뇌부터진화론까지
자연선택으로우리의뇌가더대단한뇌로진화할수있을까?
인간의뇌는대략1,000억개의뉴런으로구성되어있다.그리고에너지를공급하는약1조개의보조세포가있어서뉴런이건강하게작동하도록해준다.인간의뇌가작동하는방식을완전하게이해한다면,그존재는이미인간이아니라는말과같다.뇌는우리가알수없는아주복잡한방식으로암호화되어있다.인간의뇌는희미한전구를밝힐정도의전력인20와트정도의전력으로슈퍼컴퓨터가20만와트의전력을필요로하는양의계산을해낼수있다.다시말해서뇌의에너지효율은슈퍼컴퓨터의1만배나된다.
자연선택에의한진화를거듭하면현인류의뇌보다훨씬더큰뇌를가진먼미래의인간이등장할수도있을까?진화론적인예측을따르면그렇지않다.현인류는이전의인류보다훨씬더온화한세상에서살고있고,다른사람들이대신해서사냥을해주며,대신하여위험요소를없애주기도한다.따라서미래의인간은우리보다몸집도더작고,뇌도더작을수도있다.
각각의과학분야가넘을수없는벽을사이로점점전문화되어가고있다는일반적인생각과달리,이책은물리학과지구과학,생물학을넘나들며각각의개념들이서로연결되어있음을드러낸다.수많은과학개념에서가장중요한하나에서출발하여또다른중요개념으로넘어가는이책은마치과학의징검다리와같다.독자들은이책을통해서과학내의여러분야를가로지르며현대과학을이해하는체험을할수있을것이다.
