과학 산책, 자연과학의 변주곡

들어가며

[1장] 과학의 본성: 세상을 이해하는 기본 지식과 사고방식

1절. 과학 지식의 여러 가지 모습
1. ‘과학’의 의미
1) 과학은 특별한 방식으로 세상을 본다
2) 과학은 특별한 방식으로 사고한다
3) 과학 지식에는 위계가 있다
2. 과학과 사회
1) 과학은 문화를 만든다
2) 과학은 사고의 패러다임을 바꾼다
3) 미래에는 과학적 소양이 필요하다

2절. 과학적 사고방식의 의미
1. ‘과학적’이란 것의 의미
1) 과학적 방법은 문제를 효율적으로 해결한다
2) 여러 분야의 과학이 공유하는 공통 개념
2. 과학적 방법이 바꾼 인류의 문명
1) 과학은 문명을 만든다
2) 미래 인류 생존을 위한 과학

* 1장 연습문제

[2장] 과학에서 법칙의 의미: 변하는 것 설명하기, 변하지 않는 것 찾기

1절. 과학 법칙이 바꾼 세계관
1. 물체의 운동을 지배하는 ‘힘’
1) 운동을 이해하는 두 방식 ? 아리스토텔레스와 갈릴레이
2) 수학으로 기술하는 뉴턴의 운동 법칙
2. 물리학의 네 가지 기본 힘
1) 우주를 지배하는 힘 ? 중력
2) 지상을 지배하는 힘 ? 전자기력
3) 원자핵을 묶는 힘 ? 강력
4) 원자핵을 깨는 힘 ? 약력
3. 20세기가 발견한 신세계 ? 양자역학
1) 원자의 내부 구조를 찾아내다
2) 오래 걸려서 찾은 양자 개념
3) 새로운 문명을 만든 양자역학

2절. 변하는 에너지의 형태, 변하지 않는 에너지의 총량
1. 에너지
2. 일과 역학적 에너지의 보존
1) 일을 하지 않는 힘도 있다
2) 일을 하는 힘은 운동 에너지를 만든다
3) 퍼텐셜 에너지를 알면 에너지 보존이 보인다
4) 보존력과 비보존력
3. 에너지의 생산과 이용
1) 발전기는 전자기력을 이용한다
2) 전력의 수송을 담당하는 스마트 그리드

3절. 거시 세계의 질서를 알려 주는 열역학 법칙
1. 열역학 제0법칙과 온도의 정의
1) 섭씨온도 눈금의 정의
2) 기체의 부피가 사라지는 절대영도
2. 열역학 제1법칙과 에너지 보존
1) 분자의 운동 에너지: 내부 에너지
2) 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙이다
3. 열역학 제2법칙과 엔트로피 증가
1) 열기관과 열역학적 엔트로피
2) 볼츠만의 통계역학적 엔트로피
3) 열역학 제2법칙과 시간의 화살

* 2장 연습문제

[3장] 우리가 보는 세상에 대한 설명

1절. 우리 생활을 이해하는 기반: 시간과 공간
1. 관성계와 상대성
2. 아인슈타인의 특수 상대성 이론
1) 빛의 속력에 대한 실험과 이론
2) 시간과 공간은 관측자에 따라 달라진다
3. 아인슈타인의 일반 상대성 이론
1) 등가 원리와 중력에 의한 시공간 변화
2) 일반 상대성 이론의 실험적 증거
3) 2017년 노벨 물리학상: 중력파

2절. 137억 년 전 우주의 탄생과 별의 미래
1. 우주의 탄생
1) 우주는 빅뱅에서 시작했다
2) 우주 초기에 탄생한 수소와 헬륨
3) 은하와 별의 탄생
2. 별과 행성의 진화
1) 무거운 원소는 초신성이 만든다
2) 평범한 태양을 도는 지구는 특별한 행성이다
3. 우주의 미래

* 3장 연습문제

[4장] 우리가 보지 못하는 작은 세계에 대한 설명

1절. 원자, 분자, 물질
1. 원자의 세계
1) 원자, 물질을 이루는 기본 단위
2) 원자들이 모여서 만드는 다양한 물질
3) 멘델레예프의 주기율과 비활성 기체
4) 보어 모델과 파동역학
2. 분자의 세계
1) 화학 결합
2) 분자 구조와 물질의 성질

2절. 원자 결합이 만드는 생명의 기본 물질
1. 화학 반응 속도
2. 생명의 화합물
1) 산과 염기
2) 아미노산과 단백질
3) 뉴클레오타이드와 DNA
4) 인지질

* 4장 연습문제

[5장] 우리가 발을 딛고 사는 지구에 대한 설명

1절. 45억 년 전 탄생한 지구의 구조
1. 푸른 행성 지구의 탄생
1) 지구는 약 50억 년 전에 탄생했다
2) 지구의 껍질과 속은 매우 다르다
3) 약 27억 년 전에 생명체가 출현했다
2. 지구 내부의 순환
1) 살아 움직이는 지구를 만드는 핵
2) 맨틀이 대륙을 움직이다
3) 초대륙이 알려 주는 미래의 지도
3. 지구의 운동과 생태계
1) 지구 환경 변화는 생태계를 바꾼다
2) 지구는 심각한 기후 변화를 겪고 있다

2절. 인류가 바꾸는 지구의 위험한 환경
1. 기후 변화의 원인
1) 기후는 변함이 없고 날씨는 변한다
2) 기후를 좌우하는 지구의 순환
3) 지구의 급소인 온실가스
2. 기후 위기
1) 기후 변화는 아직 모두 드러나지 않았다
2) 이제 극한 날씨가 정상이다
3. 기후 변화 대응
1) 미래는 ‘주어지는 것’이 아니라 ‘이루어 가는 것’이다
2) 기후 위기는 우리 삶을 성찰하게 한다

* 5장 연습문제

[6장] 우리와 닮은 생명에 대한 설명

1절. 환경의 변화에 적응하며 진화하는 생명
1. 다양성과 통일성
1) 생물 종은 매우 다양하다
2) 생물 종은 계속 바뀌지만 공통점도 있다
2. 창발성과 복잡계
1) 세포는 생명의 기본 단위이다
2) 세포 위아래로 다양한 서열 구조가 있다
3) 생물의 복잡계는 창발성에서 시작한다
3. 진화론과 돌연변이
1) 화석 기록에 따르면 생물은 공통 조상에서 시작했다
2) 생물들은 끊임없이 변화하고 있다
3) 돌연변이는 염색체의 수 또는 구조의 변화, 염기 서열의 변화이다
4) 돌연변이는 진화에 기여한다
4. 자연선택과 인공선택
1) 인류는 오래전부터 인공선택을 수행했다
2) 자연에서는 남긴 자손의 수가 중요하다
3) 자연선택은 적응에 기여한다

2절. 다음 세대로 전달되는 생명의 속성
1. 생명의 속성과 유전 물질
1) 생명에는 여러 속성이 있다
2) 유전을 담당하는 물질은 DNA이다
3) DNA는 단백질을 이용해 복제한다
2. 중심원리
1) 전사와 번역은 유전자형과 표현형을 연결한다
2) 전사는 DNA 정보를 베껴 RNA를 합성한다
3) 번역은 RNA 정보를 이용하여 폴리펩타이드를 합성한다
3. 멘델의 법칙과 유전
1) 멘델의 법칙: 분리의 법칙과 독립의 법칙
2) 우성과 열성의 관계는 다양하고 복잡하다
3) 인간의 유전 형질도 멘델 법칙을 따른다
4. 세포분열과 감수분열
1) 세포분열은 클론을 만든다
2) 부모는 자손에게 유전자를 물려준다
3) 감수분열은 유전적으로 다양한 딸세포를 만든다
5. 현대 생물학과 유전체학

* 6장 연습문제

[7장] 미래 문명을 여는 과학과 기술

1절. 인류 문명을 열어 온 과학과 기술
1. 인류 문명의 변화에 대한 두 가지 기술
1) 기술에 의한 생활양식의 변화
2) 소재에 의한 생활양식의 변화
2. 에너지 기술의 발달
1) 에너지 소비 증가와 에너지 전환
2) 전기의 등장
3) 석유와 천연가스
4) 바이오 연료와 수소 에너지
3. 인류의 미래
1) 미래의 기술: NBIC 융합
2) 기술의 사회적 가치
3) 기술의 사회적 수용성

2절. 인류 문명을 열어 갈 과학과 기술
1. 과학과 기술
1) 과학, 기술, 공학
2) 과학과 기술·공학의 상호작용
3) 과학, 삶, 사회
4) 산업혁명과 21세기 첨단 기술 발전
2. 과학기술과 인류의 미래
1) 인류세의 도전과 에너지 문제
2) 생명공학의 쟁점: 바이오뱅크, 유전자 편집
3) 정보통신공학의 쟁점: 빅데이터, 인공지능
4) 과학과 함께 사는 삶: 백신 논쟁을 중심으로

* 7장 연습문제

근대 과학이 인류의 생활방식을 바꾼 근본적 이유는 비판적이고 합리적인 과학적 사고방식에 있다. ‘과학의 위력’이라고 하면 과학적 지식을 응용한 기술을 떠올리기 쉽고, 더 좁게는 물질문명이나 무기 같은 것을 생각하는 사람도 있다. 그러나 과학과 기술은 엄연히 다르고, 자연과학의 위력은 기술이 아니라 과학적 사고에 있다. 대개 “동양은 정신적이고, 서양은 물질적”이라고 하지만, 역사적으로는 동양이 먼저 물질문명을 개척했다. 세계 3대 발명품이라는 나침반, 종이, 화약은 물론 인쇄술도 동양에서 먼저 사용했다. 그런데 왜 근대에 들어오면서 상황이 바뀌었을까? 서양의 물질문명이 동양을 앞서기 시작한 계기는 18세기 산업혁명이다. 뉴턴의 공리적 방법을 응용한 과학적 사고는 19세기에 다양한 기술을 급속히 발전시켰고, 그 결과 물질문명이 고도화되었다. 서양의 물질문명은 과학적 사고를 다양하게 활용한 결과이며, 이처럼 과학의 진정한 위력은 과학적 사고에 있다.
또한 과학은 ‘삶의 새로운 의미’를 제공한다. 자연과학이 찾은 지식은 우리가 인간과 우주에 대해 더 잘 이해하게 해 주고, 세계관까지도 바꾼다. 뉴턴의 기계적인 우주관은 우주의 운행을 담당하는 신의 필요를 없앴다. 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 발견한 우주 팽창은 한없이 넓다고 생각한 우주를 유한하다고 규정했다. 모든 생명은 ATP8분자로부터 필요한 에너지를 얻는데, 이것은 식물이든 동물이든 모든 생물은 같은 조상을 가진다는 증거다. 새로운 과학적 세계관으로 생각하면, 우리 삶의 의미도 새롭게 바뀐다.
과학은 ‘실용적 의미’도 제공한다. 현대 사회는 과학의 산물인 기술을 사용하지 않는 날이 없다. 과학 문명은 과학 지식에 기반한 기술 덕분에 이루어졌다. 과학 지식을 올바르게 이용하면 풍요로움을 선사하지만, 잘못된 방향으로 이용하면 엄청난 재앙이 될 수도 있다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 지식은 원자력 발전에 사용될 수도 있지만, 인류 전체를 파멸시킬 수 있는 핵무기를 만드는 데도 사용된다. 과학 문명이 지배하는 현대 사회에서 건설적이고 책임 있는 시민의 역할을 제대로 하려면 모든 사람이 과학적 소양을 갖추어야 한다.
- 1장 1절 2_1) ‘과학은 문화를 만든다’ 중

고생대와 중생대의 경계에 해당하는 2억 5천만 년 전, 지구 역사상 최대의 ‘페름기 말 대량 멸종 사건’이 일어났다. 해양에 서식하는 무척추동물의 최대 96%가 멸종했다고 추정되며, 단단한 골격을 가진 생물이 지구상에 나타난 이래 가장 참혹한 대멸종이었다. 오랫동안 그 원인을 알지 못했는데, 먼바다에서 원인을 알게 됐다. 원양 심해퇴적물을 조사하면서 2억 5천만 년 전 지구의 바다에는 ‘슈퍼아녹시아(superanoxia, 초(超)무산소화)’라 불리는 장기간(약 2천만 년)의 산소 결핍 상태가 있었음이 밝혀졌다. 이 시기는 지구의 모든 대륙이 모여 초대륙 판게아를 만들었을 때였다.
산소 결핍의 원인은 무엇일까? 여러 가지 원인이 있을 수 있지만, 현재 가장 설득력 있는 설명은 다음과 같다. 2억 5천만 년 전 아프리카 아래에 뜨거운 슈퍼 플룸이 탄생하고 판게아가 분리되기 시작했다. 뜨거운 슈퍼 플룸의 활동으로 맨틀 깊은 곳에 있던 물질들이 상승하여 다량의 마그마를 만들었다. 엄청난 양의 폭발적인 화산활동으로 대기 중에는 화산재와 가스로 이뤄진 분진의 장막이 생겨 생물의 광합성이 쇠퇴하고 대기 중의 유황이 산성비로 내려와 해양이 산성화됐다. 먹이사슬의 바닥에 있는 생물이 치명적인 타격을 입으면서 광합성이 줄고 산소 생산이 저하돼 사상 최대의 생물 대량 멸종이 일어난 것이다.
3억 년 전 아시아 대륙 아래에는 차가운 슈퍼 플룸이 만들어지기 시작했고, 세계의 모든 대륙은 이 차가운 슈퍼 플룸에 빨려들기 시작했다. 판게아에서 분리된 대륙들이 아시아 대륙을 중심으로 모이고 있고, 이런 움직임이 앞으로 4~5억 년간 계속된다면 새로운 초대륙이 출현하게 된다.
새로운 초대륙 출현을 시간순으로 예측해 보면, 5천만 년 후 호주 대륙이 한반도 근처 유라시아 대륙 동쪽과 충돌하여 아시아와 호주 양 대륙 사이에는 거대한 습곡산맥이 만들어질 것이다. 하와이 역시 유라시아 대륙 근처로 접근해 올 것이다. 2억 년 후에는 북아메리카와 남아메리카 두 대륙이 아시아 대륙과 합쳐지고, 이미 아시아 대륙과 연결된 아프리카, 아라비아반도와 함께 초대륙을 완성한다. 남극 대륙의 움직임은 예측하기 어렵지만 남아메리카 대륙과 충돌하고 결합하여 초대륙의 일부가 될 것이다. 이 시나리오는 예측에 불과하지만, 현재 대륙의 움직임 그리고 맨틀에서 일어나는 플룸의 운동을 고려할 때 가능한 일이다. 더욱 정밀한 과학적 관측이 이루어지면 좀 더 가능성이 큰 시나리오가 만들어질 것이다. 과학자들은 이미 이 새로운 초대륙에 ‘판게아 울티마(Pangaea Ultima)’라는 이름까지 지어 놓았다.
- 5장 1절 2_3) ‘초대륙이 알려 주는 미래의 지도’ 중

산업혁명 이후 증가한 CO2는 매초 히로시마 원자폭탄 다섯 개, 매일 50만 개 정도의 원폭에 해당하는 에너지를 흡수한다. 그 양에 비해서는 지구 온난화가 크지 않은 이유는 이 에너지가 바다에 90% 이상, 육지에 5% 정도 흡수되고, 대기에는 2% 미만만 남기 때문이다. 바람이 바닷물을 휘저으면 열대와 아열대의 따뜻한 바다에서는 표층의 열이 깊은 바닷속으로 전달된다. 세찬 폭풍이 불면 표층의 열이 50~100m 깊이까지 전달되기도 하지만, 자주 있는 일은 아니다. 이 반응이 일어나는 데 걸리는 시간은 약 20~30년으로 추정된다. 전 지구 역전 순환은 1천 년 정도 걸리므로 열 순환 효과는 매우 작다. 빙하는 수천 년에 걸쳐 녹아서 기후계에서 반응이 가장 느리다. 지상 기온에 큰 영향을 주는 육지는 비교적 빠르게 반응한다. 열이 토양이나 암석의 표층을 데우지만 깊이 들어가지는 못하기 때문이다. 육지는 반응 지연 시간이 몇 주나 한 달 정도다. 모든 영향을 고려하면, 기후계의 반응 시간은 열대와 아열대 해양에서 표층 열이 가라앉는 시간이 좌우한다. 바다는 온실가스가 생성한 열을 서서히 흡수하기 때문에 수십 년이 지나서야 비로소 현재 온실가스의 영향을 온전히 감지할 수 있다. 지금 겪는 온난화는 수십 년 전 온실가스의 결과일 뿐, 현재 온실가스의 영향은 아직 기온 상승으로 모두 드러나지 않았다.
이를 ‘이미 저질러진 온난화’라고 하며, 현재의 온실가스에 의한 영향은 20~30년 동안 80% 정도 기온을 올리다가 70~80년까지도 장기적인 영향을 미친다. 이 현상은 2018년 인천 송도에서 열린 IPCC의 중요한 주제였다. 이 회의 이전에 IPCC의 목표는 산업혁명 이전보다 2℃ 높은 온도에서 온난화를 멈추려는 것이었는데, 이 회의에서 이 온도를 1.5℃로 낮추었다. 2℃ 높은 온도에서 나타나는 기후 재앙을 인류가 견딜 수 없을 것으로 판단했기 때문이다. IPCC는 ‘이미 저질러진 온난화’ 현상은 현재 온실가스 농도만으로도 장기적으로 기온을 0.5℃ 더 높일 것으로 전망했다. 현재 기온이 이미 산업혁명 이전보다 1℃ 높아졌으니, 지금 당장 온 세계가 온실가스 배출을 모두 중단해야 한다는 결론이다. 가능성이 있을까? 최근 온실가스 배출량은 그 어느 때보다 가파르게 증가하고 있다. 민간인 대부분은 이 심각성으로 모르고, 세계의 모든 정부는 경제적 이유를 내세우며 아무도 실질적인 노력을 기울이지 않는다.

- 5장 2절 2_1) ‘기후 변화는 아직 모두 드러나지 않았다’ 중