문과 남자의 과학 공부 : 나는 무엇이고 왜 존재하며 어디로 가는가? (유시민 저 / 돌베개, 2023.7.5. )

과학 관련 다양한 도서에서 얻은 물리, 화학, 생물, 지구과학, 수학의 핵심적인 지식과 원리들을 뼛속까지 문과인 저자의 관점으로 자신 만의 생각을 가미하여 기술한 책. 어려운 과학 용어나 수식 등이 문과 남자의 뇌에서 한번 필터링 되고 텍스트로 윤색되어 이해하기 쉽다. 일부 내용은 상당히 철학적이다. 과학이 철학적이라니.. 이러한 지적 신선함은 이 책이 주는 보너스다. 과학 분야의 도서에 관심이 있다면 이 책의 각주를 참조하는 것도 한 방법. ★ ★ ★ ☆

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서문 : 과학 공부의 즐거움

1. 그럴법한 이야기와 확실한 진리 (인문학과 과학)

호모 사피엔스의 뇌가 생물학적으로 진화해 자신을 이해하려는 욕망을 버리지 않은 한, 인문학이 사라지는 일은 없을 것이다. 인문학이 진짜 위기에 빠지는 경우는 단 하나뿐이다. 우리 자신을 이해하는 데 아무 도움이 되지 않는 때다. 나는 지금이 바로 그런 시기가 아닌지 의심한다. (p27)

인문학에는 진리와 진리 아닌 것을 가르는 분명하고 객관적인 기준이 없다. 매우 그럴법하거나 그럴 것 같기도 한 주장과, 별로 그럴듯하지 않거나 아주 말이 안되는 주장이 있을 뿐이다. (p28)

'내 몸과 똑같은 배열을 가진 원자의 집합은 우주 어디에도 없다.' '정신은 물질이 아니지만 물질이 없으면 정신도 존재하지 않는다.' '자아는 뇌세포에 깃든 인지 제어 시스템이다.' '내 몸을 이루는 물질은 별과 행성을 이루는 물질과 같다.' '지구 생물의 유전자는 모두 동일한 생물학 언어로 씌어 있다.' '태양이 별의 생애를 마칠 때 지구 행성의 모든 생명은 사라진다.' '모든 천체는 점점 더 빠른 속도로 서로 멀어지고 있으며 언젠가는 우주 전체가 종말을 맞는다.' (p32)

원자는 생각하지 않지만 원자의 집합인 인간은 생각한다. 사람은 유전자가 만든 생존기계인데도 때로 본능을 거스른다. 본성을 알고 욕망을 제어하며 스스로 삶의 방식을 결정한다. 인간을 이해하려면 과학뿐만 아니라 인문학도 필요하다. (p37)

2. 나는 무엇인가 (뇌과학)

'과학의 질문은 인문학의 질문에 선행한다. 인문학은 과학의 토대를 갖추어야 온전해진다.' (p47)

뇌의 구조와 작동 방식을 모르고는 호모 사피엔스라는 종을 이해할 수가 없고, 호모 사피엔스의 본성을 모르면 자기 자신을 이해하지 못한다. 그래서 말한다. '나는 뇌다.' (p48)

경제학개론 교과서는 보통 소비자행동이론으로 시작하는데, 그 핵심은 '한계 효용 체감의 법칙'이다. 내용은 간단하다. 어떤 소비자가 같은 재화의 소비량을 계속 늘려 나가면 마지막 한 단위를 소비해서 얻는 쾌락의 양이 점차 줄어든다는 것이다. <중략> 하지만 이것은 '법칙'이 아니라 신경세포의 작동 방식과 특성을 드러내는 '현상'일 뿐이다. (p53)

플랑크는 빛의 복사가 연속적인 에너지 덩어리의 방출, 던달, 흡수 현상이라는 사실을 밝혔다. 그가 발견한 불연속적인 에너지 덩어리가 바로 '양자'다. 빛의 복사는 물체에 작용하는 힘과 운동의 관계를 설명하는 고전역학으로는 다룰 수 없는 현상이었다. 플랑크가 발견한 현상을 설명하고 원자를 구성하는 입자의 운동을 설명할 수 있는 새로운 물리학이 필요했다. 그것이 바로 양자역학이다. (p74~75)

'뉴런은 서로 연결함으로써 사람의 생각과 행동을 만들어내고, 사람의 생각과 행동은 거꾸로 뉴런의 연결 패턴에 영향을 준다.' 자아가 뇌에 그저 깃들어 있는 게 아니라 뇌를 형성하고 바꾼다는 말이다. 물질이 아닌 자아가 물질인 뇌를 바꾼다니, 신기하지 않은가? (p99)

3. 우리는 왜 존재하는가 (생물학)

지구가 우주의 중심이 아니라는 사실과 지구의 모든 종이 공통의 조상에서 유래했다는 사실, 이 둘을 알아낸 것은 인류 문명의 역사와 인간 지성의 발전 과정에서 가장 중요한 사건이라고 할 수 있다. (p111)

그는 전염병을 막는 공중보건 정책과 가난한 사람을 돕는 복지정책이 자연선택의 작동을 방해함으로써 인류의 생물학적 퇴화를 불어온다는 사회단윈주의자와 우생학자의 주장을 다음과 같은 '성 선택' 이론으로 반박했다. <중략> 질병과 빈곤을 방치하면 잠깐 동안 이익이 조금 생기긴 하겠지만 극도의 죄악을 함께 만들어 문명의 발전을 저해한다. 약자를 도우려는 마음도 자연이 준 인간의 본성이며 길게 보면 이런 훌륭한 덕성을 가진 사람이 많은 사회가 번영한다. (p112)

"모든 동식물의 유전자는 동일한 생물학 언어로 씌워 있다." 이건 감동잉었다. "생물학 이론으로 사회주의 체제가 실패한 이유를 설명할 수 있다." 이건 충격이었다. 오해하지 마시라. 도킨스가 사회주의 실패 원인을 생물학으로 분석했다는 말이 아니다. <중략> 모든 생물의 DNA가 똑같이 네 종류의 염기로 이루어져 있다는 사실은 "이기적 유전자"에서 처음 보았다. (p117)

두 생물 개체의 유전자를 섞어 각각의 천성을 가진 자손을 만들 수 있으면 같은 종에 속한다. 동물에 한정해서 일상 언어로 말하면, 암수가 교미해 생식 능력이 있는 자식을 낳으면 같은 종이다. 자식을 낳는다 해도 그 자식이 번석하지 못하면 같은 종이 아니다. 예컨대 암말은 당나귀 수컷과 교미해 노새를 낳지만 노새는 자식을 낳지 못한다. 말과 당나귀는 다른 종이다. 이 기준을 적용하면 피부색과 외모가 어떠하든 80억 호모 사피엔스는 모두 같은 종에 속한다. <중략> 나는 그 사실을 안 뒤로 '존재의 고독'을 덜 느낀다. (p119)

'삶의 의미는 무엇인가?' 나는 인문학이 준 이 질문에 오랫동안 대답하지 못했다. <중략> '우리의 삶에 주어진 의미는 없다.' 주어져 있지 않기 때문에 찾지 못한다. <중략> '내 인생에 나는 어떤 의미를 부여할까?', '어떤 의미로 내 삶을 채울까?' 이것이 과학적으로 옳은 질문이다. 그러나 과학은 그런 것을 연구하지 않는다. 질문은 과학적으로 하되 답을 찾으려면 인문학을 소환행야 한다. 그 질문에 대답하는 것이 인문학의 존재 이유이자 목적이다. (p127)

윤리학자 싱어는 <중략> 삶의 영역을 문화에 따라 크게 다른 것(경제구조, 정부형태), 조금 다른 것(결혼제도, 인종주의), 차이가 전혀 없는 것(사회적 위계)으로 나누고, 유토피아에 대한 이상이 아니라 인간 본성에 내재한 경향성에 근거를 둔 개혁 정책을 추진하라고 충고했다. 인간 본성과 마찰을 덜 일으키는 과제에 집중하라는 말이다. (p133~134)

호모 에렉투스나 네안데르탈인과 일정 기간 공존했던 호모 사피엔스가 절멸을 피하고 생태계 최상위 포식자가 된 것은 소통하고 협력하는 능력 덕분이었다. (p149)

나는 그 이론에서 물질의 증거를 토대로 대상의 보이지 않는 실체에 다가서는 과학의 매력을 보았다. (p154)

호모 사피엔스는 다른 종의 동물을 사냥했을 뿐만 아니라 같은 종의 다른 개체를 개별적, 집단적으로 살행하는 데도 망설임이 없었다. <중략> 집단은 행위의 결과를 책임지려 하지 않는다. (p156~158)

4. 단순한 것으로 복잡한 것을 설명할 수 있는가 (화학)

화학은 '환원'의 필요성과 위력을 잘 보여준다. 환원은 크고 복잡한 것을 작고 단순한 것으로 쪼개는 것이다. 모든 대상을 이런 방법으로 연구하려는 경향을 '환원주의'라고 한다. (p169)

물질세계는 원자로 이루어져 있고 원자들이 결합해 물잘의 분자를 만든다는 것을 우리는 안다. 그런데 원자들은 왜 결합할까? 결합한 원자들은 왜 흩어지지 않으며 흩어질때는 왜 흩어질까? 아떤 힘이 원자들을 뭉치게 할까? <중략> 원자를 결합하게 만드는 것은 두 경우 모두 전자다. (p171) 

물의 산소 원자와 수소 원자가 만든 전하의 미약한 불균형 덕분에 생명이 탄생했다는 이야기는 더 신기했다. <중략> 물이 없으면 세포라는 화확공장을 가동할 수 없다. <중략> 산소가 욕심이 많아서 다행이다. 산소가 전자를 자기 쪽으로 끌어 놓지 않는다면 물은 아무것도 녹이지 못할 것이다.(p174)

화학자들은 물질의 성질과 변화를 연구하는 과정에서 원소의 성격을 파악해 행동방식이 비슷한 원소를 그룹으로 묶었다. 그게 주기율표다. <중략> 하지만 원자의 결합을 이해하는 데 필요한 정보는 전자의 수 뿐이다. 그래서 원소기호와 원자번호만 남기고 다른 정보는 지웠다. 원자번호는 그 원자의 핵에 있는 양성자 수를 나타낸다. (p176~177)

원자핵에서 제일 멀리 있는 전자껍질, 줄여서 '최외곽 전자껍질'에 전자가 몇 개 들었는지에 따라 원소의 성질이 달라진다. 1층은 전자 2개가 들어가면 만석이고, 2층과 3층은 각각 전자가 8개 들어가면 꽉 찬다. 4층과 5층은 전자 18개, 6층과 7층은 전자 32개가 들어가야 모든 오비탈이 찬다. (p117)

원자한테는 최외곽 전자껍질을 전자로 채우는 게 중요하다. 최외곽 전자껍질에 빈자리가 있는 원자는 다른 원자의 전자를 탐낸다. 주기율표 우축 2열 3열의 산소, 황, 염소가 그렇다. 반면 최외곽 전자껍질에 전자가 한두 개밖에 없는 원자는 누구한테든 전자를 떠넘기거나 버리려고 안달한다. 주기율표 좌측 1열 2열의 수소, 나트륨, 칼륨, 칼슘이 그렇다. 소금이 녹고 종이가 불타는 게 다 그 때문이다. 반면 최외곽 껍질이 만석인 원자는 남의 전자에 관심이 없다. 헬륨, 네온, 아르곤 같은 원소는 아무 일을 하지 않으며 있다는 티를 내지도 않는다. (p182)

원자는 최외곽 전자껍질을 채우려는 욕망 때문에 다양한 분자와 이온화합물을 만든다. 그 분자의 화합물들이 결합해 자기를 복제하는 유기분자를 형성했다. 단순했던 최초의 생명체는 자연선택이라는 필연과 유전이라는 우연을 통해 다양한 종으로 진화했다. 그 진화의 어느 단계에서 우리  종이 탄생했고, 80억 호모 사피엔스의 한 개체인 내가 있다. (p184)

탄소는 왜 생명의 중심이 되었을까? 과학자들이 찾은 답을 정치학 언어로 번역하면, 탄소는 '유능한 중도'여서 성공했다. <중략> 열정이 있어도 몰입하지 않으며, 원칙을 지녔지만 독선에 빠지지 않는다. 싸움을 먼저 걸지는 않아도 누가 싸움을 걸면 피하지 않는다. <중략> 탄소는 전자를 공유할 기회가 오면 거부하지 않지만 남의 전자를 함부로 탐하지는 않는다. 원자핵과 전자가 비교적 가까이 있어서 잘 깨지지 않는데, 그렇다고 해서 어떤 경우에도 깨지지 않을 만큼 단단한 것은 아니다. 모든 면에서 어중간하다. 바로 그런 성격 덕분에 생명 탄생의 주역이 되었다. (p188~189)

그 혁명을 이끈 연구방법론이 바로 환원주의였다. 과학자들은 흔히 호모 사피엔스가 찾아낸 지식 가운데 가장 중요한 한 가지로 원자론을 꼽는다. '세계는 원자로 이루어져 있다' 이것이 인류 문명사에서 가장 중요한 발견이라는 것이다. <중략> '세계는 무엇으로 이루어져 있는가?' 답을 찾으려면 크고 복잡한 세계를 작고 단순한 것으로 끝없이 쪼개야 한다. 과학의 역사는 환원주의 연구방법론의 위력을 결과로 증명했다. (p197~198)

분야를 가리지 않고 통섭을 행하기 때문에 과학은 극적으로 발전했고, 사회과학은 통섭을 거부하기 때문에 발전이 더디다는 말이다. (p205)

5. 우리는 어디서 왔고 어디로 가는가 (물리학)

'무엇을 기준으로 미시세계와 거시세계를 나누며, 두 세계가 서로 다른 법칙을 따르는데도 우주가 붕괴하지 않는 건 무엇 때문인가. 두 세계 모두를 아우르는 법칙을 우리가 찾지 못하고 있는 것일 뿐이야.'  (p218)

이론만 보면 원자 제조법은 간단하다.양성자와 중성자를 좁은 공간에 집어넣고 전자를 양성자 수만큼 오비탈에 뿌리면 된다. <중략> 하지만 실제로는 전혀 간단하지 않다. 양성자와 중성자는 가까워지면 서로 강하게 당기거나 밀어내기 때문이다. 그것들을 핵에 욱여넣으려면 엄청나게 높은 온도에서 엄청나게 강한 압력을 가해야 한다. 지구에는 그런 일을 할 만큼 온도가 높은 곳이 없고 그 정도로 강한 압력을 만들 방법도 없다. 그러니 확실하게 말할 수 있다. 우리 몸을 이루는 원자는 지구 밖에서 왔다. (p228)

원자는 왜 안정되어 있을까? 원자핵과 전자 사이의 빈 곳을 그 무엇도 침범하지 못하는 이유는 무엇인가? 물질은 왜 뒤섞이지 않은가? 힘 때문이다. 세 가지 힘이 텅 빈 원자를 꽉 찬 물질로 보이게 한다. 우주에는 네 가지 근본적인 힘이 있다. 중력, 강력, 약력, 전자기력이다. <중략> 원자의 구조를 결정하고 원자를 결합해 물질을 형성하는 힘은 핵력과 전자기력이다. (p240~241)

인문학의 과제는 객관적 진리를 찾는 것이 아니라 인간과 사회를 이해하는 데 도움이 될 만큼 '그럴법한 이야기'를 만드는 일이다. <중략> 인문학의 임무는 인간과 사회를 이해하고 설명하는 데 유용한 '담론'을 생산하는 것이다. (p244~245)

높은 수준의 질서를 이룬 것은 그 무엇도 저절로 또는 우연히 생길 수 없다. 입자들이 우연히 뭉쳐 거미줄을 만들지는 않는다. 흙이 우연히 달라붙어 컵이 되는 일도 없다. 원숭이가 아무리 컴퓨터 키보드 위를 뛰어 다녀도 베스트셀러 소설이 나오지는 않는다. 큰 자루에 부품을 넣고 흔드는 방식으로 자동차를 조립하지 못한다. 종이에 아무렇게나 먹물을 뿌려서 난초 그림을 그릴 수는 없다. 거미줄, 컵, 소설, 자동차, 난초 그림은 특별한 형태의 생명활동이 개입해 자연의 입자를 특별하게 배열했기 때문에 생겼다. 저엔트로피 상태인 모든 것은 강력한 힘이 개입했다는 사실을 알려준다. <중략> 엔트로피 법칙은 내게 '세상에는 아무리 노력해도 안 되는 일이 있다'고 가르쳐 주었다. '거부할 수 없는 것은 순순히 반아들이라'고 조언했다. 그 충고를 받아 들이면 열정을 헛되이 소모하는 어리석음을 피할 수 있다. (p250)

열역학 제1법칙에 따르면 어떤 기관도 외부에서 공급한 에너지보다 더 많은 일을 할 수 없다. 열역학 제2법칙에 따르면 열효율 100퍼센트인 열기관은 만들 수 없다. 모든 열기관은 일을 하는 과정에서 무질서도가 낮은 형태의 고품질 에너지를 무질서도가 높은 형태의 저품질 에너지로 바꾸기 때문이다. 그래서 모든 열기관은 주기적으로 에너지를 공급해 주어야 일을 한다. (p251)

엔트로피 법칙을 투사해 보면 우리 우주는 어떤 방식으로든 종말을 맞을 수 밖에 없다는 결론에 이른다. 행복한 결말을 보여주는 시나리오는? 없다. (p255)

존재의 의미는 지금, 여기에서, 각자가 만들어야 한다. 우주에도 자연에도 생명에도 주어진 의미는 없다. 삶은 내가 부여하는 만큼 의미를 가진다. (p256)

6. 우주의 언어인가 천재들의 놀이인가 (수학)

하디는 '하찮은 수학은 유용하지만 지루하고, 진정한 수학은 아름답지만 무용하다.'고 주장했다. (p263)

하디는 학문 연구의 일반적인 동기를 세 가지로 보았다. 진리에 대한 호기심, 성과를 이루려는 직업적 자긍심, 명성과 지위에 대한 야심이다. <중략> 수학은 한 번 진리로 판명되기만 하면 영원히 진리로 남는다. 이것이 바로 수학의 매력이다. (p269)

힐베르트는 그런 관점에서 수학은 참인 명제를 중명할 수 있고(완전한), 모순이 없으며(일관된), 어떤 명제가 참인지 여부를 판단할 수 있는 알고리즘이 존재한다(결정 가능한)는 것을 증명하려고 했다. <중략> 힐베르트는 수학의 완전성에 대한 믿음을 후일 자신의 묘비에 새긴 문장에 집약했다. '우리는 알아야 하며 알게 될 것이다.' (p275~276)

수학은 수학자들이 창조한 추상의 세계다. 수학자는 수학적 실재를 서술하려고 수학을 연구하지 않는다. 수학의 아름다음과 수학적 진리의 영원성에 끌려 추상의 세계를 구축한다. 자신들이 창조한 것이 언제 어떤 방식으로 물리적 실재를 서술하는 도구가 되어 현실의 선악과 관계를 맺을지는 그들 자신도 모른다. (p278)

후기 : 바보를 겨우 면한 자의 무모한 도전

과학 공부 이야기를 뇌과학으로 시작했다. 뇌과학을 알면 생물학에 호기심이 생긴다. 생명 현상을 확실하게 이해하고 싶으면 화학을 들여다보게 된다. 원소 주기율표를 이해하려다 보면 양자역학과 친해진다. 양자역학을 알면 우주론이 덤으로 따라온다. 우주와 수학이 무슨 관계인지 궁금해진다. (p290)

인문학 이론은 진리인지 오류인지 객관적으로 판정할 수 없다. 그게 인문학의 가치이고 한계다. 한계를 넓히려면 과학의 사실을 받아들여야 하고, 가치를 키우려면 사실의 토대 위에서 과학이 대답하지 못하는 질문에 대해 더 그럴법한 이야기를 만들어 나가야 한다. (p292)