과학의 스무 가지 큰 의문들
The 20 big questions in science
―― 헤일리 버치(Hayley Birch), 콜린 스튜어트(Colin Stuart), 문 키트 루이(Mun Keat Looi)
1. 우주는 무엇으로 이루어져 있는가?
천문학자들은 당혹스러운 난문을 접하고 있다. 그들은 우주의 95%가 무엇으로 이루어져 있는지 알지 못한다. 우리 주변에서 보이는 모든 것을 형성하는 원자들은 매우 작은 양의 5%를 설명할 뿐이다. 지난 80년 동안 실질적인 나머지 부분은 두 개의 희미한 존재자들―암흑 물질과 암흑 에너지―로 구성되어 있다는 점이 명확해졌다. 1933년에 처음 발견된 암흑 물질은 은하와 은하단들을 결합시키는 보이지 않는 접착제 역할을 수행한다. 1998년에 밝혀진 암흑 에너지는 항상 증가하는 속도로 우주를 팽창시키고 있다. 천문학자들은 보이지 않는 이 침입자들의 참된 정체에 다가가고 있다.
2. 생명은 어떻게 시작되었는가?
사십 억 년 전에 원시 수프에서 무언가가 움직이기 시작했다. 소수의 단순한 화학물질들이 결합되어 생명계를 이루었는데, 자체를 복제할 수 있는 최초의 분자들이 나타났다. 우리 인간들은 진화에 의해 초기의 그런 생물학적 분자들에 연결되어 있다. 그런데 초기 지구에 존재했던 기본 화학물질들이 어떻게 자발적으로 생명을 닮은 것으로 배열되었는가? 우리는 어떻게 DNA를 얻었는가? 최초의 세포들은 어떤 모습이었는가? 화학자 스탠리 밀러(Stanley Miller)가 "원시 수프" 이론을 제안한지 반세기도 더 지난 후에도 우리는 여전히 무슨 일이 일어났는지에 대한 의견이 분분하다. 생명이 화산 근처의 뜨거운 웅덩이에서 시작되었다고 말하는 사람들도 있으며, 바다에 부딪친 운석에 의해 촉발되었다고 말하는 사람들도 있다.
3. 우주에는 우리만 존재하는가?
그렇지 않을 것이다. 천문학자들은 우리 태양계의 유로파 위성과 화성에서 몇 광년 떨어져 있는 행성들까지 물의 세계가 생명을 낳았었을 수도 있는 장소들을 찾아서 우주를 조사해 왔다. 전파망원경들은 하늘을 도청해 왔으며, 1977년에는 외계인 메시지의 잠재적인 특징을 품은 신호가 잡혔다. 현재 천문학자들은 산소와 물을 찾아서 외계의 대기들을 조사할 수 있다. 우리 은하에만 최대 600억 개의 잠재적으로 거주 가능한 행성들이 존재하기 때문에 다음 수십 년은 외계인 탐사자에게 흥미로운 시기일 것이다.
4. 무엇이 우리를 인간으로 만드는가?
자신의 DNA를 그저 살펴보는 것은 아무것도 말해주지 않을 것이다. 인간의 유전체는 침팬지의 유전체와 99% 동일하고, 그 점에 대해서는 바나나의 유전체와 50% 동일하다. 그런데 우리는 대부분의 동물보다 더 큰 뇌를 지니고 있는데, 인간의 뇌는 가장 큰 것이 아니라 고릴라보다 세 배 많은 신경세포들(정확히 860억 개)이 가득 차 있다. 우리가 한 때 우리에게 독특한 것이라고 생각했던 많은 것들―언어, 도구 사용, 거울에 비친 자신의 영상 인식하기―이 다른 동물들에서도 관찰된다. 차이를 생성하는 것은 우리의 문화―그리고 그것이 우리의 유전자에 미치는 영향(그리고 반대 방향으로의 영향)―일 것이다. 과학자들은 요리와 불의 지배 덕분에 인간이 큰 뇌를 갖는 데 도움이 되었을 것이라고 생각한다. 그런데 사실상 우리의 협동 능력과 기술 교역 능력 덕분에 지구가 유인원의 행성이 아니라 인간의 행성이 될 수 있을 것이다.
5. 의식이란 무엇인가?
여전히 우리는 결코 확실히 알지는 못한다. 우리는 의식이 뇌의 단일한 부분이 아니라 연결망을 이룬 상이한 뇌 영역들과 관련되어 있다고 알고 있다. 뇌의 어떤 부분들이 포함되고 신경 회로가 어떻게 작동하는지 파악한다면, 우리는 의식이 어떻게 창발하는지 파악할 것이고, 신경세포를 하나씩 연결하여 뇌를 만들어내려는 시도들과 인공지능이 도움이 될 것이라는 생각이 이어진다. 더 어렵고 더 철학적인 의문은 애초에 왜 무언가가 의식적이어야 하는지라는 것이다. 좋은 한 제안은, 우리에게 쏟아지는 감각적 입력에 반응하는 것이 아니라 집중하고 차단할 뿐 아니라 많은 정보를 통합하고 처리함으로써 우리는 실재적인 것과 실재적이지 않는 것를 구분하고 우리가 적응하고 생존하는 데 도움이 되는 다중의 미래 시나리오들을 상상할 수 있다는 것이다.
6. 우리는 왜 꿈을 꾸는가?
우리는 대략 삶의 3분의 1을 잠을 자면서 보낸다. 잠을 자는 데 얼마나 많은 시간을 소비하는지 고려하면, 여러분은 우리가 잠에 관한 모든 것을 알고 있을 것이라고 생각할 것이다. 그런데 과학자들은 여전히 우리가 왜 잠을 자고 꿈을 꾸는지에 대한 완전한 설명을 찾고 있다. 지그문트 프로이트(Sigmund Freud)의 견해를 수용한 사람들은 꿈이 충족되지 않은 소망―흔히 성적인―의 표현이라고 믿었던 반면에, 꿈이란 잠자는 뇌의 무작위적인 발화에 불과한 것이 아닌지 생각하는 사람들도 있다. 동물 연구와 뇌 영상 기술의 발전 덕분에 우리는 꿈꾸기가 기억, 학습, 그리고 정서에 있어서 중요한 역할을 수행할 수 있을 것이라고 시사하는 더 복잡한 이해에 이르게 되었다. 예를 들면, 쥐들은 깨어 있었을 때의 경험들을 꿈 속에서 재생하는 것으로 밝혀졌는데, 미로에서 길을 찾아내는 것 같은 복잡한 문제들을 해결하는 데 명백히 도움이 된다.
7. 물질은 왜 존재하는가?
여러분은 결코 존재하지 않았을 수도 있을 것이다. 여러분을 구성하는 "질료"는 물질인데, 그것은 전하만 다른 반물질이라고 불리는 대응물이 있다. 물질과 반물질이 만나면 순간적으로 에너지를 방출하며 둘 다 사라질 것이다. 우리의 최선의 이론들은 빅뱅이 똑같은 양의 물질과 반물질을 만들어냈다고 제안하는데, 그것은 모든 물질이 자체의 반물질 대응물을 만나서 소멸되고, 그래서 오로지 에너지로 가득 찬 우주가 남아 있었어야 했다는 점을 의미한다. 명백히 자연은 물질에 대한 미묘한 편향이 있는데, 그렇지 않다면 여러분은 존재하지 않을 것이다. 연구자들은 대형 강입자 충돌기 같은 실험들에서 얻은 데이터를 정밀하게 조사하여 그 까닭을 이해하려고 노력하고 있는데, 초대칭성과 뉴트리노가 두 개의 선도적인 경쟁자다.
8. 다른 우주들이 존재하는가?
우리 우주는 매우 있을 법하지 않은 장소다. 그것의 설정 조건이 조금이라도 바뀐다면 우리가 알고 있는 대로의 생명은 불가능해질 것이다. 이런 "미세 조정(fine-tuning)" 문제를 밝히려고 시도하면서 물리학자들은 다른 우주들이라는 관념에 점점 더 주목하고 있다. "다중우주(multiverse)"에서 무한한 수의 우주들이 존재한다면, 설정 조건들의 모든 조합은 어딘가에서 펼쳐질 것이고, 그래서 물론 여러분은 자신이 존재할 수 있는 우주에 처해 있음을 깨닫는다. 그것은 터무니없는 듯 들릴지도 모르겠지만, 우주론과 양자물리학으로부터의 증거는 그 방향을 가리키고 있다.
9. 우리는 모든 탄소를 어디에 두는가?
지난 이백 년 동안 우리는 대기를 이산화탄소로 채워 왔는데, 옛날에 지표 아래에 탄소를 보관했던 화석 연료를 태움으로써 이산화탄소를 방출했다. 이제 우리는 그 탄소를 되돌려 놓아야 하는데, 그렇게 하지 않는다면 기후 온난화의 영향으로 입을 위험을 무릅쓰야 한다. 그런데 우리는 어떻게 그것을 할 것인가? 한 착상은 탄소를 옛날의 유전과 가스전들에 묻는 것이다. 다른 한 착상은 탄소를 해저에 숨기는 것이다. 그런데 그것이 얼마나 오랫동안 그곳에 머무를지, 또는 어떤 위험이 존재할지 알지 못한다. 한편으로, 우리는 숲과 이탄 습지 같은 오래 가는 자연적인 탄소 저장소들을 보호하고, 더 이상 이산화탄소를 내뿜지 않는 방식으로 에너지를 만들기 시작해야 한다.
10. 우리는 어떻게 태양으로부터 더 많은 에너지를 얻는가?
점점 감소하고 있는 화석 연료의 공급은 우리가 지구에 에너지를 공급하는 새로운 방식을 필요로 한다는 점을 의미한다. 우리의 가장 가까운 항성은 하나 이상의 가능한 해결책을 제공한다. 우리는 이미 태양 전력을 생산하기 위해 태양 에너지를 이용하고 있다. 다른 한 착상은 물을 자체의 구성 성분들―산소와 수소―로 분해하기 위해 햇빛 속의 에너지를 사용하는 것인데, 그것은 미래 자동차들의 청정 연료를 제공할 수 있을 것이다. 또한 과학자들은 항성 자체의 내부에서 진행되는 과정들을 재현하는 것에 의존하는 에너지 해결책에 관해 연구하고 있는데, 그들은 핵융합 기계를 제작하고 있다. 이런 해결책들이 우리의 에너지 필요를 충족시킬 수 있을 것이라고 희망하고 있다.
11. 소수와 관련하여 무엇이 그렇게 기묘한가?
여러분이 인터넷으로 안전하게 구매할 수 있다는 사실은 소수―1과 자기 자신으로만 나누어질 수 있는 수―덕분이다. 공개 열쇠 암호화 방식―인터넷 상거래의 핵심―은 여러분의 민감한 정보를 엿보는 눈들로부터 보호할 수 있는 열쇠를 만들기 위해 소수를 사용한다. 그런데, 우리의 일상 생활에 대한 소수의 중요성에도 불구하고, 소수는 여전히 수수께끼다. 소수 안에서 분명히 보이는 유형―리만 가설―은 여러 세기 동안 수학의 가장 뛰어난 인물들 가운에 일부를 괴롭혔다. 그런데, 지금까지 소수의 기묘함을 길들일 수 있었던 사람은 아무도 없었다. 그것을 해낸다면 틀림없이 인터넷을 붕괴시킬 것이다.
12. 우리는 어떻게 박테리아를 물리치는가?
항생제는 현대 의학의 기적들 가운데 하나다. 알렉산더 플레밍 경에게 노벨 상을 안긴 발견 덕분에 의학은 가장 치명적인 질병들 가운데 일부에 맞서게 되었고 수술, 장기 이식, 그리고 화학요법이 가능해졌다. 그런데 이 유산이 위험에 처해 있는데, 유럽에서는 매년 대략 25,000명의 사람들이 다양한 항생제에 내성을 지닌 박테리아에 감염되어 사망한다. 수십 년 동안 우리의 약 공급라인은 항생제들을 토해내었고 우리는 항생제의 과잉처방과 남용을 통해 문제를 더 악화시켰는데, 미합중국 항생제의 80%가 농장 동물의 성장를 촉진시키는 데 사용된다고 추산된다. 다행스럽게도, DNA 염기서열 분석 기술이 등장함으로써 우리는 박테리아가 생산할 수 있을 것이라고는 결코 알지 못했던 항생제들을 발견하는 데 도움이 되었다. 배설물로부터 좋은" 박테리아를 이식하는 것과 같은 역겹게 들릴지라도 혁신적인 방법들과 더불어 심해의 새로운 박테리아를 탐색함으로써 우리는 우리보다 30억 년 앞선 유기체들과 벌이는 무기 경쟁에서 계속 뒤지지 않을 수 있을 것이다.
13. 컴퓨터는 계속 더 빨라질 수 있는가?
우리의 태블릿과 스마트폰들은 1969년에 우주인들이 달에 가지고 갔던 것보다 더 큰 계산 능력을 갖춘 소형 컴퓨터들이다. 그런데 우리가 주머니에 휴대하는 계산 능력의 크기를 계속 증가시키기를 바란다면, 우리는 어떻게 그것을 해낼 것인가? 컴퓨터 칩에 억지로 쑤셔 넣을 수 있는 대단히 많은 부품들이 있을 뿐이다. 한계에 이르렀는가, 아니면 컴퓨터를 제작할 다른 방식이 있는가? 과학자들은 양자 계산 같은 새로운 체계뿐 아니라 원자적으로 얇은 탄소―그래핀―같은 신소재도 고려하고 있다.
14. 도대체 우리는 암을 치료할 것인가?
간단히 대답하면 그렇지 않다. 단일한 질병이 아니라 수백 개의 질병들의 느슨한 집단으로서의 암은 공룡 시대 이래로 존재해 왔으며, 그리고 고장난 유전자에 의해 초래되기 때문에 암에 걸릴 위험은 우리 모두에게 배선되어 있다. 우리가 오래 살면 살수록, 다양한 방식으로 무언가가 잘못 될 가능성은 더 커진다. 암은 살아 있는 것, 생존하기 위해 항상 진화하는 것이기 때문이다. 그런데 믿을 수 없을 정도로 복잡하더라도, 유전학을 통해서 우리는 무엇이 암을 유발하는지와 암이 어떻게 퍼지는지와 관련하여 더욱 더 많이 알아가고 있고, 암을 치료하고 예방하는 데 더 능숙해지고 있다. 그런데 이 점을 알아야 한다. 모든 암―일 년에 3백7십 만―의 절반 정도는 예방할 수 있는 것이다. 금연, 금주, 그리고 소식하기, 적극적인 태도를 유지하기, 그리고 한낮의 태양에 장기적으로 노출되는 것을 피하기 등이 있다.
15. 로봇 집사는 언제 가질 수 있는가?
로봇은 이미 음료수를 대접히고 가방을 나를 수 있다. 현대 로봇공학은 개별적으로 특화된 로봇들의 "스태프"를 제공할 수 있다. 그들은 여러분의 아마존 주문들의 배달 준비를 하고, 젖소의 젖을 짜고, 이메일을 분류하며, 공항 터미널 사이에서 승객들을 실어나른다. 그런데 참으로 "지적인" 로봇을 제작하기 위해서는 인공지능 문제를 해결할 필요가 있다. 진짜 궁금한 것은 여러분이 집에 여러분의 할머니와 함께 로봇 집사 혼자 남겨 둘 것인지 여부다. 그리고 일본이 2025년 경에 자국 노인들을 돌보는 로봇 보조자를 배치할 작정을 하고 있는 상황에서 현재 인간들은 그것에 관해 열심히 생각하고 있다.
16. 해저에는 무엇이 존재하는가?
해양의 95%는 탐사되지 않았다. 저 아래에는 무엇이 존재하는가? 1960년에 돈 월시(Don Walsh)와 자크 피카드(Jacques Piccard)는 해답을 찾아서 해양의 가장 깊은 지역으로 해양 속 깊이 7마일까지 여행했다. 그들의 항해는 인간 노력의 경계를 밀어내었지만, 해저 생물을 흘깃 보았을 뿐이다. 해양의 바닥에 닿는 것은 매우 어려워서 대체로 우리는 무인 잠수정을 정찰선으로 보내는 것에 의존해야 한다. 지금까지 이루어진 발견들―머리가 투명한 배럴아이(barreleye) 같은 괴상한 물고기에서 갑각류 동물들에 의해 만들어진 알츠하이머병의 잠재적인 치료제까지―은 파도 아래에 숨겨진 기묘한 세계의 매우 작은 부분이다.
17. 블랙홀의 바닥에는 무엇이 존재하는가?
이것은 우리가 아직 대답할 도구를 갖추고 있지 않는 문제다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은, 붕괴 중인 죽어가는 거대한 항성에 의해 블랙홀이 만들어질 때 그것은 특이점이라고 불리는 무한히 작고 밀도가 무한히 높은 점을 형성할 때까지 계속해서 함몰된다고 말한다. 그런데 그런 규모에서는 양자물리학도 말할 것이 있을 것이다. 그것 외에 일반 상대성 이론과 양자물리학은 결코 가장 행복한 동반자였던 적이 없는데, 수십 년 동안 그것들을 통일하고자 한 모든 시도는 허사였다. 그런데, 최근의 한 착상―M 이론으로 불리는―이 어느 날 우주의 가장 극단적인 창조물들 가운데 하나의 보이지 않는 중심을 설명할지도 모른다.
18. 우리는 영원히 살 수 있는가?
우리는 경이의 시대에 살고 있다. 우리는 "노화"를 생명의 사실이 아니라 치료될 수 있고 아마도 예방될 수 있거나, 또는 최소한 매우 긴 시간 동안 연기될 수 있는 질병으로 여기기 시작하고 있다. 노화의 원인―그리고 무엇 때문에 어떤 동물들은 다른 동물들보다 더 장수할 수 있는지―에 관한 우리의 지식은 빠르게 팽창하고 있다. 그리고 모든 세부 사항을 완전히 규명하지는 못했지만, 노화를 조절하는 유전자들에 덧붙여 DNA 손상, 노화의 균형, 대사작용, 그리고 재생 적합성과 관련하여 우리가 수집하고 있는 실마리들이 더 큰 그림을 채우고 있으며, 잠재적으로 약물 치료법을 낳을 것이다. 그런데 진짜 의문은 우리가 어떻게 더 오래 살 것인가라는 문제가 아니라 우리가 어떻게 더 오래 잘 살 것인가라는 문제다. 그리고 비만과 암 같은 많은 질병이 노화의 질병이기 때문에 노화 자체를 치료하는 것이 열쇠가 될 수 있을 것이다.
19. 우리는 인구 문제를 어떻게 해결하는가?
1960년대 이래로 지구의 인구는 두 배로 늘어나서 70억 명이 되었고, 2050년 경에는 인구가 최소 90억 명이 될 것이라고 예상된다. 우리 모두는 어디에서 살 것인가? 그리고 항상 증가하는 인구를 위한 충분한 식량과 연료를 어떻게 확보할 것인가? 우리는 모든 사람을 화성으로 이주시키거나 지하에 아파트 단지들을 건설하기 시작할 수 있을 것이다. 또한 우리는 실험실에서 키운 고기를 식량으로 삼기 시작할 수 있을 것이다. 이것들은 과학소설적 해결책처럼 들릴 것이지만, 우리는 그것들을 더 진지하게 고려하기 시작해야 할 것이다.
20. 시간여행은 가능한가?
시간여행자들은 이미 우리들 사이에서 걷고 있다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론 덕분에 국제 우주정거장에서 지구를 공전하고 있는 우주인들은 시간이 더 느리게 움직이는 것을 경험한다. 그런 속도에서는 효과가 미미하지만, 속도를 증가시키면 그 효과는 어느 날 인간들이 수천 년 미래로 여행할 수 있을지도 모른다는 점을 의미한다. 자연은 사람들이 반대 방향으로 가서 과거로 돌아가는 것에 덜 우호적인 듯 보이지만, 웜홀과 우주선들을 이용하여 그것을 행하는 방법에 대한 정교한 청사진을 고안한 물리학자들이 있다. 또한 성탄절에 자신에게 선물을 건네는 것이 가능해지거나, 또는 우주의 거대한 미지의 것들과 관련되어 있는 많은 의문들 가운데 일부에 대한 해답을 찾을 수 있을 것이다.