하늘과 바람과 별과 인간(김상욱, 바다출판사)

나에겐 친근한(강연, 유투브, TV, 도서)로 물리학자이자 저술가인 김상욱의 책이 나와 자연스럽게 보게 되었다. 물리학자임에도 불구하고 과학에 대한 사실을 인문학적인 방법으로 본인이 생각하고 있는 원자와 인간에 대한 빅히스토리를 부드럽게 서술하였다.

기원전 6세기경의 그리스에서는 그리스 철학의 제1기인 자연 철학의 시기가 시작되었다. 이 시기에 있어서의 그들의 관심사는 외견상 잡다하고, 변화 무궁한 자연 현상의 근저에는 어떤 근본 물질, 즉 원질(原質)이 무엇이냐 하는 문제였다. 탈레스가 세계의 원질은 ‘물’이라고 한 이후에, 아낙시만드로스는 원질을 무어라 규정지을 수 없는 '무한자(無限者)'라고 라고 하였고, 아낙시메네스는는 ‘공기‘라고 하였다. 피타고라스는 세계가 ‘수’(數)로 이뤄져 있다고 하였으며, 혹은 크세노파네스와 파르메니데스는 다(多)와 변화를 감각의 미망에 불과한 것으로 보고, 불생불멸, 불변부동, 유일절대의 신(神) 혹은 '유(有)'를 주장하였다. 엠페도클레스는 어떤 한 개의 원질만 가지고서는 삼라만상을 설명하기에 불충분하다 하여 원질을 ‘물’, ‘불’, ‘공기’, ‘땅’의 4종이라고 하였고, 아낙사고라스는 이 4종으로도 부족하다 하여 질적으로 상이한 무수한 '종자(種子)'를 원질이라 주장하였다. 끝으로 데모크리토스는 모든 질적 차이를 양적 차이로 환원하고, 만물은 질적으로는 동일하나 오직 형태상으로만 차이가 있는 불가분할(不可分割)의 '원자(原子)'로부터 성립한 것이라고 주장하였다.(위키피디아 고대 그리스 철학) 현대에 와서는 파인만은 《파인만의 여섯가지 물리이야기》에서 “모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 이들은 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 어느정도 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다.”하였다. 에드 콘웨이의 ‘물질의 세계’라는 책에 의하면, 모래, 소금, 철, 구리, 석유, 리튬 6가지 땅 속 물질이 인류의 과거, 현재, 미래를 바뀌었다고 주장하였다. 《칩워, 누가 반도체 전쟁의 최후 승자가 될 것인가》라는 책에서는 ‘산업의 쌀이라고 불리는 칩, 반도체다. 석유를 빼놓고 20세기를 이해할 수 없듯, 반도체를 제외하고 21세기를 조망하는 것은 불가능하다.’고 역설하고 있다. 과연 물질과 인간 그리고 인간을 둘러싼 자연과 우주는 어떤 것으로 이루어졌으며 이들의 관계는 어떤 룰이 적용되고 있을까?

물리학자인 김상욱은 원자에서 안간까지의 인간의 삶과 과학의 향연을 그려낸 책을 출간하였다. 《하늘과 바람과 별과 인간》이 그것이다. 김상욱은 학창시절 物理帝國주의자였다. 오직 物理만이 이세상을 설명할 수 있다고 믿었다. 그러나 양자역학을 통해 원자를 이해한들 이 원자들이 어떻게 모여 생물이 되었고 인간이 되었는지 한발자국도 못 나갔다. 생물학을 비롯한 다양한 학문이 필요하다는 것을 느꼈다. 그러나 존재하는 것(物)의 이치(理致)를 物理라 하듯 그는 원자-분자-물질-우주-인간으로 이어지는 사슬에 있어서 物理의 이해가 세상의 모든 것을 이해할 수 있다는 생각으로 다시 환원되어 이 책을 저술하게 되었다. 그는 책 제목에 대하여 다음과 같이 서문에 담고 있다. '하늘과 바람과 별과 시'는 윤동주 시인의 유고시집 제목이다. 하늘, 바람, 별은 그 시집에 실린 '서시'에 등장하는 단어다. 다양한 해석이 가능하겠지만, 나에게 하늘은 우주와 법칙, 바람은 시간과 공간, 별은 물질과 에너지로 다가온다. 즉 물리적으로 존재하는 모든 것이라 볼 수 있다. 여기에 인간을 더하면 이 책이 다루는 내용이 된다. 그래서 책의 제목을 '하늘과 바람과 별과 인간'으로 정했다. 하늘을 우러러 부끄럼 가득한 책이지만, 별을 노래하는 마음으로 모든 죽어가는 것의 경이로움을 담아보려 했다. 존재하는 모든 것을 이해하고 싶은 필자의 마음을 담은 제목이라 할 수 있다. 물론 한 학문 분야의 시각으로 이해하기에 세상은 너무 거대하고 복잡하다. 서로 다른 분야의 전문가들이 소통해야 하는 이유다. 하지만 앞에서 이야기했듯이 온전한 '이해'는 한 사람의 뇌에서만 일어날 수 있다고 생각한다. 소통은 온전한 이해를 향한 중간 과정일 뿐 개별 이해의 합이 전체일 수 없기 때문이다. 온전한 이해 역시 창발의 결과물이 아닐까. 필자의 노력이 무의미하지 않았기를 바랄 뿐이다.(책 서문의 일부)

저자인 김상욱은 경희대학교 물리학과 교수로 양자 물리학을 연구하고 예술을 사랑하며 대중과 활발히 소통하는 다정한 물리학자다. 고등학생 때 양자 역학에 매료되어 카이스트 물리학과에서 양자 물리학 연구로 박사 학위를 받았다. 지은 책으로는 《김상욱의 양자공부》 《떨림과 울림》 《뉴턴의 아틀리에》(공저) 등이 있다. 전문 분야에만 머무르지 않고 경계를 넘어 대중과 호흡하며 과학, 특히 양자 역학을 통해 본 세상이 얼마나 놀라운지 널리 알리고 있다. 이 책에서 저자는 다시 한번 경계를 넘어 물리학자의 눈으로 본 세상 모든 것에 대해 이야기한다. 과학이 새로운 시대의 교양이 될 수 없는지 묻는 저자는 이 시도를 통해 차갑게만 느껴지던 우주가 물리학자의 시선 속에서 얼마나 따뜻할 수 있는지 보여준다. (교보문고) 이 책의 목차는

1. 들어가는 글: 하늘, 바람, 별, 그리고 인간. 존재하는 모든 것을 이해하고 싶었다

가. 원자는 어떻게 만물이 되는가?

1장 사물의 본성에 관하여 ─ 만물을 구성하는 원자의 비밀

2장 내 이름은 원자 ─ 원자의 프로필

3장 물질을 만드는 세 가지 방법 ─ 원자는 어떻게 만물이 되는가?

물리학자에게 신이란 ─ 인간이 함께 살기 위해 만든 최고의 상상력

나. 별은 어떻게 우리가 되는가?

4장 물리학의 관점으로 본 지구 ─ 지구에 존재하는 대부분의 만물

5장 핵과 별 그리고 에너지의 근원 ─ 지구 에너지의 근원을 찾아서

6장 기본 입자가 빚어내는 우주의 신비 ─ 가장 작은 것은 가장 큰 것과 통한다?

물리학자에게 죽음이란 ─ 우주는 죽음으로 충만하고 우리는 원자로 영생한다

다. 생명, 우주에서 피어난 경이로운 우연

7장 생물은 화학 기계다 ─ 물리학자의 눈으로 본 생명의 화학

8장 생물은 정보 처리 기계인가 ─ 사람은 사람을 낳고, 고양이는 고양이를 낳는 이유

9장 최초의 생명체와 진화 ─ 변화의 누적이 만든 기적

10장 다세포 생물에서 인간까지 ─ 지구상 생물의 장대한 역사

물리학자에게 사랑이란 ─ 필연의 우주와 궁극의 우연

라. 느낌을 넘어 상상으로

11장 우리는 어떻게 호모 사피엔스가 되었는가 ─ 물리학자가 본 호모 사피엔스의 특성

12장 나는 존재한다, 더구나 생각도 한다 ─ 정보란 무엇인가?

13장 느낌과 상상, 인간을 특별하게 만드는 것들 ─ 느낌에서 상상 그리고 다시 문화로

2. 나오는 글: 부분과 전체

저자는 고대 그리스 철학자들이 간절히 알고자 했던 “만물의 근원은 무엇인가?”라는 질문에 대하여 이제 우리는 당당히 답할 수 있다고 주장하면서 서두를 시작한다. 그 답은 원자다. 1417년 독일 남부 수도원에서 루크레티우스(Lucrestius)가 쓴 《사물의 본성에 관하여, De Rerum Natura》이란 필사본이 발견된다. 핵심은 원자가 모여 만물을 이룬다는 내용이다. 모인다는 것에는 신의 의도도 없고 삶에 대한 특별한 의미도 찾지 말라는 것이다. 당연히 중세에는 ‘원자가 모여 만물을 이룬다는 내용’이 위험하고 불온 사상이 되었다. 그렇지만 과학자들의 노력으로 원자들의 이름표인 주기율표를 만들고 화학이라는 학문의 기본이 되게 하였다. 화학은 원자들끼리 손잡고 분자가 되며 분자가 모여 생명체를 이루게 되고 그 생명체 중 하나는 인간이 나타나게 되며 인간들은 사회라는 집단을 이루게 된다. 그리고 집단 속의 인간들이 상상과 실재 간의 상호 작용을 통해 사회를 이루는 문화라는 것을 만들어 낸다고 저자는 이야기한다. 이 책은 원자 – 인간 – 문화 긴 고리를 설명하고 있다. 이 책을 시작부터 끝까지 연결시키는 단어는 창발(創發)이다. 창발(創發){또는 떠오름 현상}의 정의는 하위 계층(구성 요소)에는 없는 특성이나 행동이 상위 계층(전체 구조)에서 자발적으로 돌연히 출현하는 현상이다. 또한 불시에 솟아나는 특성을 창발성(영어: emergent property) 또는 이머전스(영어: emergence)라고도 부른다. 자기조직화 현상, 복잡계 과학과 관련이 깊다. (위키피디아). 전체는 부분의 합이 아니라는 측면에서 저자는 나오는 글(380~397 페이지)에 부분과 전체라는 제목을 사용한 것으로 생각된다.

기본입자에서 원자로

우주의 모든 물질은 기본입자이다. 물리학의 표준 모형에 의하면 기본입자 17종이 있다. 그 중 몇 가지를 소개하면 쿼크, 타우 입자, 전자, 글루온, 힉스 입자 등이 있다. 원자는 기본입자로 이루 져 있다. 그러므로 “만물은 기본입자로 되어 있다”라고 해야 한다. 그러나 기본입자에 대한 충분한 지식이 없어도 원자를 이해하는데 큰 무리가 없고, 인간이 적어도 간접적으로 인지할 수 있는 것은 원자이므로 “만물은 원자로 되어 있다”라고 말해도 큰 무리가 없다. 원자는 배우기를 양성자 중성자 전자로 이루 져 있다고 배웠다. 실은 양성자는 업쿼크 두개, 다운쿼크 1개, 모두 3개의 기본입자로 되어 있다. 원자만을 연구하는 연구자는 쿼크나 글루온이라는 기본 입자에 대해 전혀 알지 못해도 연구하는 데 거의 지장이 없다. 기본 입자들이 모여 원자가 되면 기본 입자와는 완전히 다른 특성을 갖기 때문이다. 이런 것을 '창발'이라고 부른다. 저자는 일반인이 알기 쉽게 창발을 설명한다. 한글 자모가 기본 입자라면 단어는 원자라고 할 수 있다. 'ㅅ', ‘ㅏ’, 'ㄹ', 'ㅏ', 'ㅇ'이라는 기본 입자가 모여 '사랑'이라는 원자가 되었지만, 자음 'ㅅ', 'ㄹ' 등으로부터 단어 '사랑'이 갖는 의미를 추론하는 것은 불가능하다. '사랑'이라는 단어의 의미는 한글 자모가 모여 각각의 자모에는 존재하지 않던 의미가 새롭게 나타난, 즉 창발한 것이다. 그래서 이 책세서 '창발'이 가장 중요한 키워드라고 하는 것이다.

원자에서 분자로

자연에 존재하는 원자는 92종류이다. 1번은 수소, 2번은 헬륨, ….., 92번은 우라늄이다. 주기율표 상에 그 이외 것은 인위적으로 만들어진 원자이다. 우라늄은 금속이다. 열화우라늄은 핵폭탄을 만드는 원료가 아니다. 일반 포탄의 탄두에 사용되는 매우 강한 금속이다. 이렇듯 원자들이 어떻게 구성되어 있는가에 따라 다른 물질을 만들어 낸다. 같은 예로 우리가 잘 아는 탄소가 있다. 탄소 원자가 어떻게 모이는지에 따라 다이아몬드와 흑연으로 될 수 있다. 원자가 모이면 분자가 된다. 탄소 하나에 산소 하나가 붙으면 일산화탄소(CO), 산소 두개가 붙으면 이산화탄소(CO2)되며, 다른 원자들이 붙으면 ‘인슐린’같은 거대 단백질이 만들어진다. 즉 개별 원자의 특성을 안다고 해서 개별 원자 여럿이 모인 분자의 특성을 예상할 수 없다. 불과 수십 가지의 원자로 모든 물질을 만들어 낼 수 있지만 그들의 특성을 알 수 없다. 원자가 단어라고 하였다면 분자는 문장이다. 제임스 조이스의 《율리시즈》에는 한 문장이 4,391개로 된 경우도 있다. 개별 단어를 안다고 해서 이야기가 있는 문장의 의미를 알 수 없다. 이 또한 창발이라고 설명한다. 기본입자는 원자와 단절되고 원자는 분자와 단절된다.

분자에서 물질로

인간이 만들어 낸 것은 자연 그대로 보면 보잘 것 없이 적다. 거의 없는 것이나 다름없다. 높이 10미터의 건축물을 지표면에 채워도 지구 전체 부피의 100만 분의 1이 안된다. 인간이 만들지 않은 것은 크게 생물과 무생물로 구분할 수 있다. 지구 대부분은 규소 산화물과 금속 산화물로 되어 있다. (과장해서 말하면, 모래와 광물) 이들이 산화물인 이유는 주변에 친화력이 센 산소가 있기 때문이다. 규소 산화물을 여러가지 화학 공정을 거치면 유리가 되고 반도체가 된다. 인간이 만든 것 중에 큰 것은 콘크리트 건물이다. 콘크리트는 시멘트, 자갈, 모래, 물을 석은 것이다. 시멘트는 칼슘이 포함된 규소 산화물이고, 자갈 모래도 규소 산화물이다. 단지 원자입장에서 단지 조성 비율을 바꾸면 불투명한 콘크리트, 투명한 유리가 된다. 이렇듯 원자들끼리 뭉쳐 분자가 되는 과정을 다루는 학문이 화학이고 주로 한두개의 원자나 작은 분자를 연구하는 분야는 물리이다. 물리에서 화학으로 창발을 통해 이루어지는 것이다.

분자에서 생명으로

지구에 가장 많은 것은 산소와 규소이다. 산소와 규소는 지구에도 우주에도 중요한 물질이다. 지구보다 우주에는 상대적으로 탄소와 질소가 많다. 탄소와 질소는 지구 표면에 존재하는 광물과 전혀 다른 물질을 만들기고 하는데, 그것이 바로 생물(生物)이다. 지구상 생물은 탄수화물, 지질, 단백질로 되어 있다. 이들 모두 탄소를 기반으로 하고 있다. 그러므로 탄소는 생명의 원자라 할 수 있다. 지구의 에서의 생명은 빛과 이산화탄소로 에너지를 저장하는 식물(광합성)과 산소를 받아들여 그 에너지를 사용하여 이산화탄소를 내 뿜는 동물의 공생으로 이루어진다. 이것이 생물이 수십억 년 동안 지속해온 탄소의 순환(공생)이다. 결국 생명은 불과 몇가지의 원자로 만들어진 거대 분자(탄수화물, 지질, 단백질) 사이에 일어나는 복잡한 화학 반응의 집합체이다. 그러나 이들 거대 분자를 자세히 안다고 하여 생명을 이해할 수 없다. 몇 개의 단어의 뜻을 안다고 하여 수만 단어가 모인 책의 주제를 알 수 없듯이 말이다. 즉 창발이 일어난 것이다.

생명에서 인간으로

지구상 생명체 중 하나인 인간은 다른 모든 생물과 마찬가지로 진화의 산물이다. 진화는 무작위적인 과정이다. 유전자를 복제하는 과정에서 실수로 변이가 일어나는데, 변이가 생존이나 번식에 도움이 되면 그 유전자는 더 많이 살아남는다. 이게 전부이며 이것이 다윈의 진화론이다. 최초의 생명체에서 인간까지 이어지는 진화의 역사는 경이롭지만 진화의 특성상 이과정에 필연성을 부여하기는 힘들다. 단세포 생물에서 다세포 생물로의 진화가 필연인지는 알 수 없다. 진화의 무작위적인 성격을 생각해본다면 동물을 단세포 수준으로 환원하여 이해하는 일은 불가능하다. 생명의 진화 대부분이 누더기 덧대듯이 그때그때 제멋대로 일어났기 때문이다. 인간의 몸을 이루는 수많은 유기 분자들을 따로 준비하여 한꺼번에 그냥 합친다고 인간이 되기는 어렵다. 생명 현상은 그것을 이루는 개별 요소 그 자체가 아니라 그들 사이에 맺어진 정교한 관계의 집합이다. 더구나 이 관계는 유일무이하거나 필연적인 이유로 만들어진 것도 아니다. 결국 생명체에서 인간으로 되는 과정 역시 따라 새로운 특성이 창발한 것이다.

인간에서 사회로

인간은 사회적 동물이라고 배웠다. 개별 인간이 집단을 이루며, 결국 거대한 사회를 만들었다. 이간이 동물과 다른 것은 여러가지가 있겠지만 가장 중요한 것은 언어이다. 이로서 더 정교한 소통이 가능하게 되었다. 이로서 가상의 스토리도 만들어 낼 수 있다. 소설이 그 예가 될 수 있다. 더 특이한 예를 든다면 화폐이다. 그저 종이일 뿐이다. 그러나 화폐가 만들어 내는 허구의 가치가 인간 세상에서 제일 중요한 것 중에 하나가 되었다. 화폐가 없다면 인간 사회는 곧 바로 붕괴할 것이다. 결국 개인을 이해한다고 사회를 이해할 수 있는 것은 아니다. 사회는 인간, 기계, 허구, 자연이 서로 복잡하게 뒤얽힌 시스템이다. 사회는 인간이 모여 창발한 새로운 시스템이다.

본 독후감에서는 주로 마지막인 ‘부분과 전체’에 대한 요약을 사용하였다. 앞의 이야기는 여러 과학적 사실이 있어 요약하기 어려웠다. 그러나 저자가 ‘부분과 전체’에 일반인도 이해하기 쉽게 요약해주었다. 이 책은 물리학자가 본 세상의 빅히스토리이다. 저자는 다른 전문가가 보는 세상의 빅히스토리와 이야기해보고 싶어한다. 독자 입장에서 그러면 좋겠다는 생각이 든다. 이 책의 주제는 결국 창발이다. 하위 레벨에서 상위 레벨로 진화될 때 일어나는 알지 못하는 현상을 어떻게 이해하느냐 하는 문제이다. 문제를 우연으로 보느냐 필연으로 보느냐이다. 나는 과학을 전공하고 기독교 신자이기도 하다. 나는 필연보다는 우연 쪽으로 기울어져 있다. 나는 개인적으로 가정 좋아하는 책이 있다면 김상욱의 《떨림과 울림》이다. 《떨림과 울림》의 독후감을 쓸 예정이다.

김종일 (㈜비앤에이치웍스 대표)