가십의 대표적인 역할은 ‘결속’이다. 게티이미지뱅크 제공

직장 상사에 대한 욕을 하거나 자신에게 상처를 준 사람에 대해 그 사람을 알고 있는 제 3자에게 이야기 하는 행위를 흔히 ‘가십(gossip)’ 또는 뒷담화라고 한다.

가십과 관련된 흥미로운 발견은 인류 역사를 통틀어 어떤 사회에서든 가십은 사람들이 가장 즐기는 사회적 스포츠 중 하나였다는 사실이다. 학자들은 이러한 가십이 사실 매우 중요한 사회적 기능을 한다고 본다.

우선 한 가지는 평판을 수정하고 처벌하는 효과다. 많은 사람들이 자신에게 어떤 영향력을 휘두를 수 있어서 잘 보여야 하는 사람들 앞에서는 간도 쓸개도 빼줄 것 처럼 잘 하다가 별루 중요하지 않은 사람에게는 함부로 대하는 등 대상에 따라 언행을 달리하는 모습을 보인다.

직장은 멀쩡하게 잘 다니고 있으면서 학교에서 교사를 상대로 갑질하는 학부모나 다른 사람들 앞에서는 예의바르면서 유독 나에게는 무례하게 구는 사람 등이 대표적인 다.

우리는 이런 사람들을 보면 다른 사람들에게도 ‘저 사람의 실체’를 알려야겠다는 마음을 갖게 되고 주변 사람들에게 그 사람에 대한 이야기를 하게 된다. 이렇게 함으로써 저 사람이 그동안 괜찮은 사람인 양 평가받아왔던 것이 사실은 터무니 없이 높게 책정된 잘못된 평판 또는 가격임을 알리고 그 사람의 평판은 수정을 거치게 된다.

이 과정에서는 불공정한 방법(거짓말, 겉과 속이 다름)을 통해 불공정한 방식으로 높은 평판을 얻어낸 사람에 대한 합당한 처벌을 이끌어 내고 나름의 사회적 ‘정의’를 실현하겠다는 의지가 나타난다.

옳고 그름을 떠나 양육비를 주지 않은 아빠들의 신상을 공개하거나 다른 여러 범죄의 가해자들의 신상을 퍼트리는 행위 또한 이러한 시도의 일환이다. 또한 가십은 어떤 사람의 실체나 다면성을 알려 사람들에게 주의를 줌으로써 소중한 사람들이 무방비 상태로 같은 피해를 입지 않게끔 2차 가해를 방지하는 역할을 하기도 한다.

가십의 또 다른 대표적인 역할은 ‘결속’이다. 보통 좋지 않은 일에 대한 이야기이고 가십의 대상이 가십의 존재를 알면 안되므로 많이들 ‘믿을 만한’ 사람에 한해 가십을 시도한다. 때로 아무에게나 모두의 험담을 하는 사람도 있긴 하지만 그런 사람들은 보통 무리 안에서 빠르게 신뢰를 잃기 마련이다.

특히 민감한 사안에 대한 폭로는 그 이야기를 듣는 사람에게서도 이 사람이 나를 믿고 의지하고 있다는 느낌을 갖게한다. 가십이 일어나는 경우 이미 상당히 친밀한 관계일 가능성이 높지만 서로 은밀하고 민감한 정보를 교류하면서 점점 더 친해지는 현상이 나타난다. 사람들은 좋아하는 것에 대해 나누면서 친해지기도 하지만 싫어하는 사람에 대한 욕을 하면서 친해지기도 하는 것이다.

최근에는 틱톡이나 유튜브 등을 통해 타인들의 대화를 촬영하고 인터넷에 공유하는 일이 늘어나면서 맥락 없이 대화에 참여한 모든 사람들을 사악한 캐릭터로 보이게 만들어 마녀사냥 하는 일들이 늘어나고 있다.

하지만 사실 가십은 인간이라면 누구나 다양한 이유로 많이 참여하는 대표적인 사회적 활동이다. 정도는 달라도 다들 적어도 한 번쯤 자신에게 큰 상처를 준 사람에 대한 이야기를 하며 제 3자의 의견이나 위로를 구한 적이 있을 것이다.

또한 아무리 오래된 친구 관계라도 타인을 정확하게 이해할 수 없는 우리는 자신이 쓴 색안경이나 오해로 인해 타인의 행동을 실제보다 더 부정적으로 해석하기도 한다. 따라서 정의를 실현하겠다고 어떤 이에 대한 험담을 잔뜩 했지만 실상을 알고보면 내가 틀린 경우 또한 적지 않다.

때문에 많은 이들이 이미 가십을 어느 정도 걸러 듣는 편이기도 하다. 따라서 가십 자체에 엄청난 의미를 부여할 필요는 없다. 물론 누군가가 나로 인해 상처를 받고 그 이야기를 다른 사람들에게 하는 일도 있겠지만, 이 또한 어느 정도는 자연스러운 일이다.

중요한 것은 내가 틀렸다면 경솔한 판단이었음을 빨리 인정하고 사과하는 것, 관계를 다시 회복하기 위해 노력하는 자세일 것이다. 또한 나에 대한 험담을 한 사람에 대해서도 너무 서운해 하지 말고 나의 잘못이 존재하는 경우 수정조치하고 오해라면 이를 풀어나가려 노력하는 것도 좋겠다.

Foster, E. K. (2004). Research on gossip: Taxonomy, methods, and future directions. Review of general psychology, 8(2), 78-99.
Wu, J., Balliet, D., & Van Lange, P. A. (2016). Reputation, gossip, and human cooperation. Social and Personality Psychology Compass, 10(6), 350-364.

※필자소개
박진영. 《나, 지금 이대로 괜찮은 사람》, 《나를 사랑하지 않는 나에게》를 썼다. 삶에 도움이 되는 심리학 연구를 알기 쉽고 공감 가도록 풀어낸 책을 통해 독자와 꾸준히 소통하고 있다. 온라인에서 ‘지뇽뇽’이라는 필명으로 활동하고 있다. 현재 미국 듀크대에서 사회심리학 박사 과정을 밟고 있다

거대마젤란망원경(GMT) 완성 모습(예상도) 지름 8.4m의 거대한 반사경 7장이 특징이다. 한국천문연구원 제공

한국천문연구원은 천문연을 포함한 13개 글로벌 파트너 기관이 참여하는 거대마젤란망원경기구(GMTO)가 세계 최대 광학망원경인 거대마젤란망원경(GMT)의 마지막 반사경 제작을 시작했다고 5일 밝혔다.

GMT는 구경 25.4m의 차세대 초거대망원경으로 2020년대 말 완공을 목표로 하고 있다. 이 망원경은 지름 8.4m, 17t의 원형 반사경 7장을 벌집모양으로 배치해 25.4m의 단일 반사경과 동일한 성능을 갖는다.

GMT는 제임스웹우주망원경보다 4배 더 선명한 해상도와 200배 높은 감도를 지녔다. 망원경의 성능을 결정하는 중요한 요소인 집광면적은 368㎡이다. 160km 떨어진 곳에서 동전의 그림을 구분할 수 있는 수준이다.

GMT의 반사경은 미국 애리조나대가 보유한 리처드 캐리스 반사경 연구소에서 제작하고 있다. 반사경 하나당 형상 제작부터 표면 정밀 연마까지 약 4년이 소요된다. 첫 번째 반사경은 2012년에 완성됐으며 이어 여섯 번째 반사경까지 순차적으로 제작공정이 진행되고 있다.

GMT의 반사경 제작은 크게 세 단계로 나뉜다. 1단계는 반사경의 기본 형상을 만드는 주조, 2단계는 반사경의 형상을 다듬는 성형, 3단계는 반사경 표면을 다듬는 연마 작업이다. 반사경을 만드는 소재인 유리는 온도 변화에 따른 비틀림, 휨, 표면 왜곡 등을 최소화하기 위해 팽창계수가 낮은 특수 유리를 사용한다.

이 특수 유리블록 약 20t을 주형에 넣어 섭씨 1165도로 가열해 녹인 후 고체화되기 전에 주형을 회전시켜 원심력에 의해 상부 표면이 포물면이 되도록 한다. 약 3개월 동안 냉각시킨 유리는 연마의 과정을 거치는데 완성된 반사경 표면의 높낮이 차이는 사람 머리카락 두께의 1000분의 1보다도 작다.

거대마젤란망원경(GMT) 완성 모습(개념도). 천문연 제공

완성된 반사경들은 칠레 아타카마 사막의 라스 캄파나스 천문대에 있는 GMT 부지로 옮겨 설치된다. GMT가 건설되는 라스 캄파나스 천문대는 청명하고 어두운 하늘과 안정적인 대기조건을 갖추고 있어 남반구에서 천문관측 최적지로 꼽힌다.

GMT가 가동되면 기존의 대형 천체관측 망원경의 성능을 넘을 것으로 기대된다. 지금까지 관측한 것보다 먼 우주를 관측해 우주 탄생의 수수께끼를 밝히는 기여할 수 있다. 외계행성의 대기 성분에 대한 정밀한 분석을 통해 생명체가 존재할 수 있는 환경의 가능성을 살피는 데 활용될 수 있다.

가장 최근 완성된 반사경은 내년 초에 실제 크기로 제작된 시험용 반사경 지지시스템에 조립해서 광학 성능 시험을 실시할 예정이다. 이 성능 시험을 표준 삼아 전체 7개의 반사경에 대한 광학 성능 시험을 하게 된다.

GMTO 이사회의 한국 대표를 맡고 있는 박병곤 천문연 대형망원경사업단장은 “2020년대 말 완공을 목표로 하는 GMT는 주반사경뿐만 아니라 망원경의 뼈대에 해당하는 마운트와 적응광학이 적용된 부반사경 등의 제작이 순조롭게 진행되고 있다”며 “천문연이 참여하는 세계 최대의 망원경은 한국의 천문학 수준을 비약적으로 발전시키고 최첨단의 광학 및 광기계 기술을 확보하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

대형망원경사업단의 교육홍보책임자인 김상철 천문연 책임연구원은 “GMT 주경 7장 중 마지막 거울의 공정이 시작된다는 것은 21세기 초거대 망원경 시대를 가장 먼저 여는 첫걸음이라는 의미가 있다”며 “GMT가 완성되면 ‘우리는 어디에서 왔는가, 우주에는 우리뿐인가’와 같은 질문에 대한 답을 찾아가며 우리나라가 추격자 역할이 아닌 선도자 역할을 하는 데 토대가 되어줄 것”이라고 말했다.

모운지 바웬디, 루이스 브루스, 알렉세이 아키모프(왼쪽부터). 노벨재단 제공

2023년 노벨 화학상은 물체의 색깔을 실제와 가장 가깝게 구현해 ‘디스플레이의 신세계’를 연 자발광 ‘양자점(퀀텀닷, quantum dot)’ 연구자 3인에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 모운지 바웬디 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수(62), 루이스 브루스(80) 미국 컬럼비아대 명예교수, 알렉세이 아키모프(78) 전 나노크리스탈테크놀로지(NCT) 선임연구원 등 화학자 3명을 올해 노벨 화학상 수상자로 선정했다고 4일(현지시간) 발표했다.

노벨위원회는 “크기가 매우 작아 스스로 특성을 결정하는 나노 입자인 양자점 발견과 발전을 이끌었다”고 수상자의 공로를 설명했다. 이어 “TV, LED 조명, 외과에서의 종양 조직 제거 수술 등에 활용할 수 있으며 크기에 따라 다른 색을 가지며 흥미롭고 특이한 특성을 많이 가지고 있어 다양한 실용화 가능성을 열 수 있을 것”이라고 선정 이유를 밝혔다.

성봉준 서강대 화학과 교수는 “바웬디, 브루스, 아키모프 교수는 처음으로 ‘양자점’이라는 이름을 만들고 양자점의 특성을 밝혔다”고 설명한다. 입자 크기에 따라 서로 다른 색을 흡수하거나 방출해 다양한 색을 내는 양자점 기술은 중세 교회에서 흔히 볼 수 있는 스테인드글라스와도 비슷하다. 다만 다양한 크기의 유리조각으로 다양한 색깔을 낼 수 있는 이유를 이론적으로 설명할 순 없었다.

1980년대 초 러시아 바빌로프 국립광학연구소에서 근무 중이던 알렉세이 에키모프 연구원은 스테인드글라스처럼 색깔 있는 유리를 제작하는 방법으로 입자의 크기가 유리 색깔을 좌우한다는 사실을 처음으로 증명했다.

양자점은 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 반도체 결정이다. 크기에 따라 서로 다른 색을 흡수하거나 방출하며, 빛이나 전류를 받을 경우 크기에 따라 다양한 색을 낸다. 예컨대 약 5-6nm 크기의 양자점이 빨간색을 방출할 수 있다면 이보다 조금 더 작은 크기의 양자점은 초록색, 그보다 더 작은 양자점은 파란색 빛을 방출하는 식이다.

이후 루이스 브루스는 미국 벨 연구소에서 유체(물)을 이용해 자유롭게 떠다니는 입자에서의 양자 효과를 입증했다. 브루스 교수의 제자로 브루스 교수와 같은 연구실에서 양자점을 연구한 바웬디 교수는 끓는 기름에서 양자점을 만드는 방법을 고안해 결함없는 양자점을 만드는 데 성공했다.

노벨위원회는 아웬디 교수의 연구 성과를 두고 “양자점의 화학적 생성에 일으킨 혁명”이라고 평가했다. 이전 단계까지는 균등한 크기의 양자점을 만드는 게 불가능했다면 바웬디 교수의 기술 개발로 원하는 크기의 입자를 만들 수 있게 됐다. 이는 색 순도와 광 안정성이 높은 QLED 디스플레이를 개발하는 바탕이 됐다.

양자점 기술은 디스플레이 분야 뿐만 아니라 의료 영역에서도 활발하게 사용된다. 바웬디 교수의 제자였던 김성지 포스텍 화학과 교수는 “진단 및 의료 영상에 쓰일 것으로 기대된다”며 “색깔의 변화로 증상을 감지하는 임신 테스터기, 코로나19 테스트기를 양자점으로 대체한다면 더 예민하게 감지하는 센서로 활용 가능할 것”이라고 말했다.

한국에서도 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장이 이끄는 연구단이 의료 분야에서 양자점을 활용하는 연구를 진행 중이다. 현택환 교수는 글로벌 학술정보분석 서비스 기업 클래리베이트가 2020년 선정한 유력한 노벨상 후보로 이번에 노벨 화학상을 받은 모운지 바웬디함께 꼽히기도 했다.

한편 이번 2023년 노벨화학상에선 수상자 발표 4시간 전 이메일로 수상자 명단이 유출되는 사고가 발생했다. 이에 대해 스웨덴 왕립과학원은 “수상자는 결정되지 않았다”고 즉각 반박했으나 실제 수상 결과는 사전에 유출된 정보와 일치했다. 수상자 발표 이후 노벨위원회는 유출 사고에 대해 따로 언급하지는 않았다.

947년 미국 프린스턴 고등연구소에서 오후 차담을 나누는 로버트 오펜하이머(왼쪽)와 폴 디랙(가운데), 에이브라함 페이스(오른쪽). 1928년 디랙은 디랙방정식을 고안해 반물질로 가는 길을 가리켰고 1930년 오펜하이머는 디랙방정식을 해석한 논문에서 반물질의 완전한 비전을 제시했다. 위키피디아 제공

지난달 오랜만에 극장에 가서 영화를 봤다. 미국의 물리학자 로버트 오펜하이머의 전기 ‘아메리칸 프로메테우스’를 원작으로 한 ‘오펜하이머’다.

외모만 보면 전형적인 이론물리학자로 보이는 오펜하이머가 어떻게 원자폭탄 개발을 목표로 한 맨해튼 프로젝트를 이끌어 단기간에 성공시킬 수 있었을까 늘 궁금했는데 영화를 보니 조직력과 추진력이 대단한 인물이었다. 특히 박학다식함을 무기로 각 분야 전문가들 사이의 이견을 조율하고 다독이며 연구를 끌고 나가는 모습이 인상적이었다.

● 반물질의 완전한 비전 제시

1904년 미국 뉴욕에서 태어난 오펜하이머는 하버드대 화학과를 졸업한 뒤 유럽으로 유학을 떠나 당시 막 정립되던 양자역학을 공부하고 1929년 미국 버클리 캘리포니아대에 부임해 미국에 양자역학을 소개한 인물이다.

그러다 1942년 맨해튼 프로젝트를 이끌게 되면서 일찌감치 본인의 연구 활동은 접었다. 프로젝트가 끝난 뒤에도 1947년부터 프린스턴 고등연구소 소장에 부임해 과학행정가의 삶을 이어갔다.

오펜하이머는 베르너 하이젠베르크나 폴 디랙 등 양자역학을 만든 비슷한 나이대의 이론물리학자들과 맞먹는 천재성을 지녔음에도 이들에 버금가는 업적을 내놓지는 못했다. 아이디어는 뛰어남에도 끝까지 파고 들어가는 끈기가 부족했기 때문이다. 그러다 보니 버클리대 교수 시절에도 여기저기 건드리는 분야는 많았지만 대부분 일회성에 그쳤다.

그의 천재성과 기존 지식에 얽매이지 않는 기발함이 돋보이는 예가 바로 디랙방정식을 보고 떠올린 양전자 아이디어다. 1928년 영국의 이론물리학자 폴 디랙은 뛰어난 수학 감각으로 양자역학과 특수상대성이론을 결합한 디랙방정식을 만들어냈는데 그 결론이 뜻밖이었다. 원자 주위를 돌고 있는 전자의 에너지가 양의 값은 물론 음의 값도 나올 수 있었기 때문이다.

디랙방정식 해의 물리적 의미를 고민하던 디랙은 진공을 재해석해 돌파구를 마련했다. 진공은 텅 빈 공간이 아니라 음의 에너지인 전자로 꽉 채워진 상태라고 가정했다. 이때 외부에서 감마선 같은 에너지를 공급하면 양의 에너지가 된 전자가 튀어나오면서 구멍이 생긴다. 구멍은 음의 에너지를 지닌 전자의 부재로서 이는 양의 에너지를 지닌 양전하 입자라는 형태로 나타난다. 결국 감마선 에너지가 둘 다 양의 에너지인 전자와 양전하 입자 쌍으로 바뀐 셈이다.

디랙방정식 자체는 이론물리학자 사이에 엄청난 찬사를 받았음에도 음의 에너지에 대한 해석은 조롱의 대상이었고 결국 디랙은 이듬해 출판한 논문에서 이 양전하 입자가 양성자일지 모른다고 한발 물러섰다. 실제 그렇게 생각해서가 아니라 논쟁을 피하고 싶어서였다.

버클리에서 이 논문을 읽은 오펜하이머는 즉각 문제점을 파악하고 1930년 ‘전자와 양성자 이론에 대하여’라는 논문을 발표했다. 여기서 그는 전자의 쌍이 되는 양전하 입자가 양성자라면 수소 원소는 순간적으로만 존재할 수 있다며(감마선 쌍으로 소멸할 것이므로) 전자와 질량이 같은 미지의 입자가 존재해야 한다고 주장했다.

디랙은 즉시 오펜하이머가 비판하는 바의 중요성을 알아차리고 이듬해 발표한 논문에서 “실험물리학에서 아직 밝혀내지 못한 새로운 종류의 입자로 전자와 동일한 질량과 전하량(절대값)을 지녀 반전자(anti-electron)라고 부를 수 있다”고 썼다. 이어서 “이 대칭성이 정말 자연의 근본 법칙이라면 어떤 종류의 입자라도 전하가 반대인 짝이 있어야 한다”고 덧붙였다.

이렇게 반물질(antimatter) 이론이 정립되고 1년 뒤 미국의 실험물리학자 칼 앤더슨은 우주선(cosmic ray)의 안개상자 궤적을 분석해 반전자를 발견했고 이를 보고한 논문의 학술지 편집자가 반전자 대신 양전자(positron)란 용어를 만들어 썼다.

● 일반상대성이론에 따르면 차이 없어

그렇다면 반물질에 미치는 중력의 영향은 어떨까. 중력은 질량과 관련한 힘이고 반물질은 대응하는 물질과 같은 질량이므로 영향도 같을 것이다.

아인슈타인의 일반상대성 이론에서도 질량이 같은 모든 물체는 내부 구조와 관계없이 무게가 같아야 한다. 반양성자와 양전자로 이뤄진 반원자라도 원자와 정확히 같은 중력가속도가 작용해야만 한다.

그러나 ‘추한 진실이 아름다운 이론을 무너뜨릴 수 있다’고 몇몇 물리학자들은 반물질이 중력을 다르게 느낄 가능성을 제기했다. 우주론의 표준모형에 따르면 오늘날 우리가 알고 있는 물질과 에너지는 우주의 물질/에너지의 5%에 불과하고 나머지는 실체를 모르는 암흑물질(27%)과 암흑에너지(68%)다.

따라서 반물질과 물질이 척력으로서의 중력인 반중력을 띤다면 암흑에너지의 일부를 설명할 수도 있다. 한편 같은 인력이라도 중력가속도가 다르게 작용한다면 빅뱅 직후 엄청난 에너지가 같은 양의 물질과 반물질로 바뀌었음에도 오늘날 물질로 이뤄진 세계가 된 비대칭성을 설명하는 실마리가 될 수도 있다.

스위스 제네바 유럽입자물리연구소(CERN)에 있는장비인 알파 실험 설비로 반수소 생성 및 물리 특성을 실험한다. CERN 제공

● 아래로 떨어지는 반수소

양전자는 물론 반양성자도 어렵지 않게 만들 수 있지만 전하를 띤 반입자는 전자기력에 너무 민감해 물리적 특성을 연구할 수 없다. 따라서 이들이 상호작용해 전기적 중성이 된 반수소 원자를 만들어야 한다.

스위스 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)는 1990년대 반수소 프로젝트를 시작해 2002년 최초로 반수소를 만드는 데 성공했고(아테나 실험) 2010년 반수소가 1000초 동안 소멸되지 않고 유지하는 방법을 개발했다(알파 실험). 영하 266도의 극저온과 진공 환경에서 전기장과 자기장을 교묘히 배치한 용기 안에 반수소를 공중부양시켰다(물질인 벽에 닿으면 소멸하므로).

그 뒤 반수소의 물리적 특성을 측정하는 실험을 진행했고 2016년 반수소의 빛 흡수 스펙트럼 패턴이 수소와 같다는 실험 결과를 얻었다. 이 역시 예상한 결과였지만 실험으로 증명해 불확실성을 없앴다는 게 중요하다.

2018년 연구자들은 미미한 힘인 중력의 영향을 측정하기 위한 정교한 장치를 만드는 실험을 진행했다. 몸무게가 수십㎏인 우리에게는 중력이 엄청난 힘을 발휘하지만, 물체의 질량이 작아질수록 영향도 줄어든다. 하물며 질량이 10의 –27승㎏ 단위인 반수소 원자에게는 더욱 그렇다.

반수소에 미치는 중력의 영향을 측정하는 장치인 알파-g의 모식도로 통로 가운데 포획된 반수소(antihydrogen)가 위와 아래로 빠져나오는 개수를 검출한다. 실험 결과 중력만 있을 때 반수소의 약 72%가 아래로 떨어져 수소와 마찬가지로 중력이 인력으로 작용하는 것으로 밝혀졌다. 네이처 제공

연구자들은 통로가 수직인 용기 안에 양전자와 반양성자로 반수소를 만든 뒤 운동에너지를 최소화하기 위해 절대영도보다 불과 0.5도 높은 영하 272.6도까지 온도를 낮췄다. 그리고 전자기장을 서서히 줄여 반수소에게 자유를 줬다.

만일 중력이 작용하지 않는다면 운동량의 방향에 따라 통로 위나 아래로 빠져나가는 반수소 개수가 비슷할 것이다. 참고로 통로를 벗어난 반수소는 물질로 된 벽에 닿아 소멸하면서 검출돼 존재가 확인된다.

만일 물질(지구)의 질량이 척력인 반중력으로 작용한다면 반수소의 운동량 방향이 위쪽으로 치우치며 통로 위쪽으로 빠져나가는 반수소가 더 많을 것이다. 반대로 인력인 중력으로 작용한다면 운동량의 방향이 아래쪽으로 치우치며 통로 아래쪽으로 빠져나가는 반수소가 더 많을 것이다.

실제 실험 결과 용기 내 반수소의 72%가 통로 아래쪽으로 빠져나갔고 28%가 위쪽으로 빠져나갔다. 반수소 역시 수소처럼 중력이 인력으로 작용했다는 말이다. 한편 반수소가 중력을 인력으로 느낀다고 할 때 시뮬레이션 결과는 약 80% 정도가 아래쪽으로 빠져나가는 걸로 나와 약간 차이를 보였다.

다만 실험 조건이 아주 정밀하지 않아 정말 차이가 있는 것인지 단순히 실험 오차인지는 아직 언급할 단계가 아니다. 아무튼 이번 실험으로 반물질과 물질 사이에 반중력이 작용해 서로 밀쳐낸다는 가설은 폐기됐다.

1925년 21세의 오펜하이머는 하버드대를 졸업하고 대서양을 건너 영국 케임브리지 캐번디시연구소의 패트릭 블래킷 교수를 지도교수로 대학원 과정을 시작했다. 그러나 실험에 서툴렀고 향수병에 시달리며 정신이 이상해져 사과에 독을 묻혀 블래킷의 책상에 올려두는 충동 범죄를 저질렀다.

다행히 블랫킷은 사과를 먹지 않았지만, 살인 미수 사건은 대학 당국에 알려졌다. 그러나 마침 그곳에 머물렀던 부유한 아버지의 로비 덕분에 형사 처벌과 퇴학을 면했다. 영화 ‘오펜하이머’도 이 장면을 각색해 그리고 있다.

이듬해 양자역학 논문을 읽고 흥미를 느낀 오펜하이머는 여름에 케임브리지에서 학위를 받게 될 두 살 연상의 디랙을 만났다. 그는 디랙의 작업에 대해 “이해하기 쉽지 않았다”면서도 “나는 그가 훌륭하다고 생각했다”라고 말했다. 오펜하이머는 실험과 결별하기로 하고 양자역학의 산실인 독일 괴팅겐의 막스 보른 교수팀으로 옮겨 이듬해 박사학위를 받았다.

이처럼 실험에 서툴렀던 오펜하이머가 수많은 실험물리학자와 공학자들을 지휘하며 맨해튼 프로젝트를 성공으로 이끌었다니 놀라운 일이다. 반수소를 만들고 물리 특성을 연구하는 알파 실험에는 현재 7개국 14개 기관이 참여하고 있다. 만일 오펜하이머가 반수소 프로젝트를 맡았더라도 거뜬히 해내지 않았을까.

※ 필자소개
강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com). LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했고 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페》(1~7권),《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.

K2-18b 행성의 모습. 사진출처 위키미디어.

천문학자들은 향후 몇 년 내에 지구 먼 곳에서 생명 징후를 발견할 수 있을 것으로 보고 있다. 생명 존재 가능성을 감지할 수 있는 기술적 발전을 이뤘다는 설명이다.

무수히 많은 별과 행성이 존재하는 우주에서 인간이 유일한 지적 생명체일 가능성은 낮다고 과학자들은 판단하고 있다. 과학자들이 현재 관심을 두고 있는 것은 우주 생명체의 존재 여부가 아니라, 우주 생명체를 언제 발견할 수 있을까다.

미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주망원경이 태양계 바깥 행성에서 생명체 존재 가능성을 암시하는 신호를 이미 감지했다. 망원경은 지구에서 멀리 떨어진 별의 주위를 도는 행성들의 대기를 분석할 수 있다. 이는 지구에서 살아있는 유기체만 생성하는 화학물질을 찾는 수단이 된다.

지난달 초 실질적으로 120광년 떨어진 K2-18b 행성의 대기에서 지구에서 해양 생물에 의해서만 생성되는 가스 신호가 감지됐다. 디메틸황화물 분자가 있을 잠재적 가능성이 확인된 것이다. 향후 1년 내에 이에 대한 명확한 결론이 날 예정이다.

이 행성은 천문학자들이 ‘골디락스’라고 부르는 영역에 위치해 있는데 골디락스는 ‘표면이 뜨겁지도 차갑지도 않은 상태’를 의미한다. 생명체 탄생과 유지를 위해 중요한 물이 액체 상태로 존재하기 위한 조건이 형성된 곳이다.

만약 이 행성에서 디메틸황화물 분자가 존재한다는 점이 증명된다면 이는 우주에 생명체가 흔하게 존재할 가능성을 크게 높이게 된다. 니쿠 마두수단 케임브리지대 천문학과 교수는 1일 BBC를 통해 “5년 안에 우주 생명체에 대한 우리의 이해에 ‘큰 변화’가 생길 것”이라고 예측했다.

K2-18b에서 생명 흔적을 발견하지 못했을 때는 골디락스에 있는 행성 10개가 연구 목록에 추가될 예정이다.

먼 우주뿐 아니라, 태양계 내 연구도 지속될 예정이다. 생명체 존재 가능성이 높은 목성의 위성 중 하나인 유로파 연구를 위해 나사의 우주탐사선인 클리퍼와 유럽우주국의 탐사선이 2030년대에 이곳에 도착할 예정이다. 과학자들은 목성의 얼음 위성 중 한 곳에 생명체가 없다면 오히려 놀라운 일일 것으로 평가하고 있다.

다만 현재 연구가 가진 한계도 존재한다. K2-18b는 지구의 8배 크기로, 지구처럼 작은 행성이 먼 거리에 있을 땐 그 대기를 감지할 수 없다. 태양의 밝은 빛도 관측을 방해하는 요인이 되고 있다. 이에 나사는 2030년대 발사 예정인 차세대 우주망원경 HWO에 햇빛 가리개를 더해 행성의 대기 발견 가능성을 높일 계획이다.

수학자 이승재 인천대 수학과 교수(왼쪽), 인문학자 이은수 서울대 철학과 교수(오른쪽). 수학동아 제공

현대 문명의 근간이라고 불리는 미적분은 무선통신 기기 설계, 로켓 발사, 인공지능, 감염병 예측 등 다양한 곳에서 활용된다.

그중 미분은 변화하는 양을 이해하고 표현하기 위해 만들어졌다. 세상의 모든 것이 시간이 흐르면서 변화하므로 이를 연구하기 위해서는 미분이 꼭 필요하다.

Q(인문학자). 미분의 정의부터 알아보면 좋을 것 같아요. 미분이 뭔가요.

A(수학자). “미분은 쉽게 말해 ‘미세한 부분’을 뜻해요. 영어로는 차이라는 의미의 ‘differential’이지요. 미세한 변화를 연구하는 분야가 미분이에요. 이렇게 이야기하는 동안에도 시간은 계속 흐르고 지구가 태양 주위를 공전하며 사람은 어디론가 이동해요.

그게 아니어도 나이나 몸무게 등 우리의 모든 것이 변화해요. 이렇게 변화하는 세상을 이해하려면 특정 값 자체보다는 특정 시간 동안 어떻게 변했는지에 더 관심을 가져야 해요. 이를 위해 만들어진 학문이 미분학이에요.”

Q(인문학자). 변화는 아무래도 수학보다 물리학에서 더 많이 이야기할 것 같은데요.

A(수학자). “미분은 태생적으로 물리와 함께 발전해왔어요. 물리학은 세상을 이해하고 연구하는 학문이에요. 세상에 많은 것이 변화하므로 이 움직임을 이해하고 설명하기 위한 도구를 발전시키면서 미분이라는 개념이 탄생했지요.

쉬운 예를 들어볼게요. 속력은 (거리시간)으로 계산하는데요. 기준 시간 동안 어떤 물체의 위치가 변화하는 거리가 속력입니다. 시속 5km라는 것은 다시 말해 1시간 동안 5km를 이동한다는 거지요.

하지만 사람은 일정한 속력으로 이동할 수 없으니 속력이 미세하게 계속 바뀌어요. 따라서 평균 속도가 아니라 특정 시점에서의 순간 속력을 알기 위해서는 1시간이 아니라 1분, 1초보다 더 작은 시간 동안 이동한 거리를 측정해야 해요.”

수학동아 제공

Q(인문학자). 물리학의 기본적인 개념인 속력을 이해하는 데도 미분이 필요하군요. 흔히 미적분학을 배우기 전에 물리학을 공부하면 어렵다고 하는데 이 말이 이해되네요. 이런 미분에 대한 일반적인 개념이 수학에서는 어떻게 발전했나요.

A(수학자). “미분은 태생적으로 물리와 함께 발전해왔어요. 물리학은 세상을 이해하고 연구하는 학문이에요. 세상에 많은 것이 변화하므로 이 움직임을 이해하고 설명하기 위한 도구를 발전시키면서 미분이라는 개념이 탄생했지요.

쉬운 예를 들어볼게요. 속력은 (거리÷시간)으로 계산하는데요. 기준 시간 동안 어떤 물체의 위치가 변화하는 거리가 속력입니다. 시속 5km라는 것은 다시 말해 1시간 동안 5km를 이동한다는 거지요. 하지만 사람은 일정한 속력으로 이동할 수 없으니 속력이 미세하게 계속 바뀌어요.

따라서 평균 속도가 아니라 특정 시점에서의 순간 속력을 알기 위해서는 1시간이 아니라 1분, 1초보다 더 작은 시간 동안 이동한 거리를 측정해야 해요.

이때 시간의 변화량을 무한히 줄이면 우리가 원하는 순간 속력에 가까워집니다. 이 미세한 변화를 찾아내기 위해서 미분이 등장했지요.”

수학동아 제공

인문학자 이은수 서울대 철학과 교수 (왼쪽), 수학자 이승재 인천대 수학과 교수(오른쪽). 수학동아 제공

Q(수학자). 미분에 관한 관심은 어떻게 시작됐나요.

A(인문학자). “이승재 교수님께서 설명해주셨듯이 미분은 함수의 특정 위치에서의 접선의 기울기를 의미합니다. 그런데 이것을 어떻게 구할지 관심을 가진 건 16, 17세기예요. 대표적인 인물로 프랑스 수학자 피에르 드 페르마(1607~1665)가 있지요.

페르마는 처음에 ‘극점’을 어떻게 찾을까에 관심을 가졌습니다. 극점에는 함수가 증가하다가 감소하는 ‘극대점’과 감소하다가 증가하는 ‘극소점’이 있어요. 이런 극점에서 접선을 찾으면 그 접선이 x축과 평행한 직선이 돼요.

극대점과 극소점의 탐구. 페르마의 전집 3권

페르마는 극점 근처에서는 함수의 변화 속도가 점점 더 느려진다는 것에 주목했어요. 그래서 ‘만약 x가 갖는 함숫값 f(x)와 x와 조금 떨어진 x + h의 함숫값 f(x + h)가 거의 같아진다면 그것이 바로 극점이지 않을까’라고 기대했지요.

이를 통해 {f(x + h) – f(xh가 0이 되는 극점을 찾았어요. 다시 말해 f'(x) = 0이 되는 x값을 찾으려 한 것이 오늘날 미분계수와 접선의 기울기 연구에 관한 시초라고 볼 수 있습니다.

페르마의 접근은 미분계수에 대한 아이디어를 담고 있으면서도 대수적인 계산을 동원했다는 특징이 있어요. 프랑스 수학자 르네 데카르트(1596~1650)는 이 대수적인 계산 요소를 더 많이 활용하면서 극점이 아니라 일반적인 지점에서 함수 그래프의 접선을 찾는 방법을 연구했습니다.

데카르트는 함수 그래프의 한 점에서 접선을 긋고 이와 수직한 법선을 긋습니다. 그런 뒤 이 법선이 x축과 만나는 x절편을 원의 중심으로 놓고 x절편과 접점까지의 거리를 반지름(r)으로 하는 원을 그려요. 원과 함수는 오직 한 점에서만 만나게 되지요.

따라서 원의 방정식과 함수식을 연립하면 이 방정식은 중근을 가져야 합니다. 데카르트는 이 작업을 통해서 접점을 찾고 법선의 기울기를 구한 뒤 법선과 수직인 접선의 기울기를 얻었지요.”

수학동아 제공

미적분학의 창시자로 불리는 아이작 뉴턴과 고트프리트 라이프니츠. 위키미디어 제공

Q(수학자). 수학사를 이야기할 때마다 아르키메데스, 페르마, 데카르트가 자주 등장하는데 미분에서도 등장하는 걸 보면 이분들이 정립하고 만든 수학이 정말 대단합니다.

그렇지만 미적분을 이야기하면서 영국의 물리학자이자 수학자인 아이작 뉴턴(1643~1727)과 독일 수학자 고트프리트 라이프니츠(1646~1716)를 빼놓을 수 없을 텐데요. 페르마와 데카르트 이후에 뉴턴과 라이프니츠가 어떻게 미적분을 확립하고 발전시켰나요.

A(인문학자). “둘은 그전까지 발견된 수학을 종합해서 발전시켜 미적분학을 꽃피우게 했습니다. 그런데도 뉴턴과 라이프니츠가 미적분학의 창시자라고 불리는 이유는 미적분학을 이용해서 물체의 운동을 기술했기 때문이에요.

당시에는 물리학의 적용 분야라고도 할 수 있는 천문학에서 천체의 운동을 기술하기 위한 계산 도구가 필요했어요. 뉴턴은 수학적 도구를 총동원해서 지금까지 흩어졌던 아이디어들을 한데 모아서 미적분학을 집대성했어요.

그 결과가 1687년에 간행된 총 3권으로 이뤄진 ‘자연철학의 수학적 원리(프린키피아)’이지요. 라이프니츠는 뉴턴과 별개로 여러 서신에 미분학적 연구를 진행했는데 수학자들과 주고받은 초고들이 남아있습니다.”