도서 소개
우주의 시작부터 인류의 미래까지 시간 순으로 역사를 해설할 뿐 아니라, 천문학ㆍ물리학ㆍ생물학ㆍ인류학 등 분과 학문들까지 통합하여 소개하는 이 책은 말 그대로 ‘한 권으로 과학을 끝내는’ 가장 쉬운 방법이다. 저자가 직접 어려운 과학적 원리를 명쾌하게 보여주는 30여 가지 아름다운 풍경화와 150여 가지 손그림을 그려내어, 여느 과학책에서도 볼 수 없던 따뜻함과 친절함을 선보인다.
7년 만에 새로이 개정하여 발간하는 이 책은 그간 과학기술 분야에서 쏟아져 나온 이슈를 종합하여 더욱 복잡해진 오늘의 시대를 살아가기 위한 통찰을 제시한다. 인간계에 지각변동을 일으킨 생성형 AI가 어떻게 탄생했는지를 다룬 ‘컴퓨터과학’ 장과, 유전자가위 등의 기술로 더욱 우수한 종류의 작물과 인간을 만들어낸 ‘생명공학’ 장을 추가하여, 오늘날 첨예한 논란을 낳고 있는 과학기술들의 역사를 되짚고 더 나은 미래상에 살짝 발을 담글 수 있도록 안내한다.
목차
- 추천의 말 1: 우리의 과거, 현재, 미래에 가장 충실하게 답하는 책
추천의 말 2: ‘이해’를 넘어 ‘감동’으로, 세상을 움직이는 과학책
들어가며
여행에 앞서
연표 우주, 인류, 과학 역사의 결정적 순간
1부 생명을 탄생시킨 우주의 신비
1장 우주, 가장 보잘것없던 점이 광활한 천체를 이루기까지
2장 지구, 용암으로 들끓던 지옥이 최초의 생명을 품기까지
3장 바다, 고요한 침묵의 세계에서 역동적 약육강식의 세계로
4장 대륙, 지상을 정복한 히어로들의 파란만장한 진화 활극
5장 조상, 숨어 지내던 포유동물이 유인원으로 도약하기까지
2부 문명의 배를 탄 인류의 항해
6장 인류, 나무 위에서 내려와 지구 최강의 포식자가 되기까지
7장 무기, 들소를 겨누던 창촉에서 지구를 뒤흔든 핵폭탄으로
8장 농업, 생존을 보장하는 도구에서 생존을 위협하는 칼날로
9장 문자, 위기를 극복하고 새로운 문명을 탄생시킨 결정적 힘
3부 생명, 문명, 우주로 나아간 과학
10장 컴퓨터, 창조자의 두뇌를 닮아가다 이를 넘어서기까지
11장 생명공학, 유전자 발견을 넘어 신의 설계도에 다가선 인간
12장 천문학, 천상의 질서를 뒤흔든 도전과 혁신의 지성사
13장 빅뱅, 우주 최고의 미스터리 앞에 선 인류의 과제
책 속으로
들어가며
다시 고개 들어 지평선을 보죠. 지금 지평선을 향해 출발한다면 인류 문명의 역사는 0.1초도 안 걸려 지나치게 됩니다. 하지만 지평선에 도달하려면 종일 걸릴 겁니다. 아마 중간에 다리 아파서 다시 돌아올지도 모르겠어요. 138억 년이라는 우주의 나이에 비하면 인류 문명의 역사는 그냥 눈 깜짝할 사이나 마찬가지인 겁니다. 이렇게 우주의 역사는 정말 깁니다. 게다가 우리는 미래까지 다녀올 예정입니다. 이 여행의 스케일은 지금껏 여러분이 해왔던 여행과는 차원이 다릅니다. 그만큼 색다르고 놀라운 풍경들로 가득하죠. 기대하셔도 좋습니다.
_12~13쪽
1장 우주
예를 들어 지구가 갑자기 부풀어 올랐다고 생각해보세요. 한국의 서울과 미국의 뉴욕 사이의 거리가 그만큼 멀어지겠죠?
우주도 마찬가지입니다. 공간이 커지면 별과 별 사이의 거리는 그만큼 멀어지는 거예요. 지금 여러분이 책을 읽고 있는 순간에도 계속 멀어지고 있습니다. 만약 멀어지기 싫다면 그 별을 향해 초속 25km로 계속 달려가야 하죠. 초속 25km면 총알보다 25배 더 빠른 속도입니다. 그래봤자 가까워지기는커녕 간신히 멀어지지만 않을 뿐이지만요.
다만 가까이 있어서 강한 중력으로 서로 끌어당기고 있는 별들은 쉽게 멀어지지 않습니다. 우리 은하에 속해 있는 별들은 끼리끼리 중력으로 잘 붙잡아주고 있기 때문에 멀어지지 않죠. 그래서 우리가 보기에 이 우주는 별 변화가 없어 보이는 겁니다. 그러나 지금 이 순간에도 새로운 공간은 끊임없이 생겨나고 있고 저 멀리 다른 은하의 빛나는 별과 우리는 점점 멀어지고 있죠.
_32~33쪽
2장 지구
만약 해변의 웅덩이나 돌 틈에서 생명체가 탄생해야 했다면 수없이 밀려드는 밀물과 썰물의 등쌀에 애써 생겨난 물질들이 순식간에 휩쓸려 가버리는 일이 자주 일어났을 겁니다. 더군다나 당시엔 달이 훨씬 가깝다 보니 물을 끌어당기는 힘이 몇십, 몇백 배는 커서 밀물과 썰물이 초대형 쓰나미 수준이었죠. 게다가 바다가 물러가면 태양의 강력한 자외선이 물질들을 파괴합니다. 자외선을 막아주는 오존층이 두꺼운 지금도 해변에 나가면 살갗이 타는데, 오존층도 없었던 당시엔 말할 것도 없이 더 강력한 파괴가 일어났을 겁니다.
그런데 열수분출공에는 딱 좋은 공간이 있었습니다. 뿜어 나오는 물의 흐름에 따라 물질들이 여기저기 쌓이면서 만들어진, 10분의 1mm밖에 안 되는 미세한 미로들이죠. 바로 이 곳에서 수많은 화학물질들이 결합과 분해를 거듭하며 다양한 형태로 만들어지고 미로들 속에 쌓여갈 수 있었습니다. 열수분출공은 화학 실험실이면서 공장이며 동시에 창고이기도 했던 겁니다. 그러니 바로 이곳에서 40억 년 전 뭔가가 만들어졌을 가능성이 높은 거죠.
_58~59쪽
3장 바다
지구 역사상 처음으로 눈으로 볼 수 있을 만큼의 크기와 일정한 형태를 가진 생명체가 나타났습니다. 그러나 아직 처음이라 그런지 대부분 흐물거리는 젤리 같은 부드러운 조직을 가지고 있으며 형태도 단순해서 눈이나 입, 지느러미, 다리 같은 기관들은 찾아볼 수 없죠. 나뭇잎처럼 생겨 물결에 따라 출렁거리는 샤르니아Charnia, 납작하고 널찍한 둥근 매트 모양의 디킨소니아Dickinsonia, 짚신 발자국처럼 생긴 스프리기나Spriggina는 움직임이 매우 느려서 물결에 몸을 맡겨 떠다닌다든지 간신히 몇 밀리미터씩 스르르 미끄러져 가는 것이 다입니다. 지금 생물에 비하면 좀 심심하긴 하지만 나름대로 마음을 편안하게 해주는 ‘느림의 미학’ 같은 매력이 있는 풍경입니다. 잔잔한 클래식 음악과 잘 어울린달까요?
_77~78쪽
4장 대륙
그런데 이런 생존 방식이 물고기의 상륙에 뜻하지 않은 도움을 주게 됩니다. 물속 덤불들 사이를 헤집고 다니는 데는 지느러미가 별 도움이 되지 않았던 것이죠. 물론 아주 작은 물고기는 덤불에 걸리지 않으니까 상관없었지만, 웬만큼 큰 물고기는 빠르게 수영하는 것보단 기어 다니는 것이 나았습니다. 바로 이런 필요가 지느러미를 변화시킵니다. 진화를 통해 물갈퀴와 몸 사이에 뼈가 생겨나고 길어지면서 점점 다리가 되어갔고, 물갈퀴에도 뼈가 생겨나며 발의 모습을 닮아갔죠. 구부렸다 펼 수 있는 다리와 덤불을 헤집을 수 있는 발을 이용해 물고기는 어기적거리며 좀 더 편하게 이동할 수 있었습니다.
간단히 비유해보면 에우스테놉테론Eustenopteron에게서는 어깨에서 팔꿈치까지가 진화했고, 그 뒤를 이은 틱타알릭Tiktaalik은 팔꿈치에서 손목 위까지, 아칸토스테가Acanthostega는 손까지 생겼죠. 아칸토스테가는 악어와 비슷한 생김새로 엉금엉금 기어 다닌 최초의 물고기이며 얕은 물가에서 작은 먹잇감들을 잡아먹으며 살았습니다. 변화하는 환경 속 치열한 경쟁은 물속을 휘젓던 얇은 물갈퀴를 단단한 뼈와 근육으로 이루어진 팔다리로 변화시킨 겁니다.
_99쪽
5장 조상
이제 새로운 진화의 주인공은 천적들을 피해 나무 위로 올라갔던 포유류였습니다. 그중 하나인 카르폴레스테스Carpolestes는 무게 100g, 크기 15cm에 불과했죠. 메기스토테리움에게 잡힌다면 한 입 거리도 안 되는 크기였으므로 나무에 단단히 매달려 있지 않고서는 목숨을 부지하기 힘들었을 겁니다. 편평하고 딱딱한 발로는 나무에서 버틸 재간이 없기에 카르폴레스테스의 발은 독특하게 진화했습니다. 발가락들은 길었고, 심지어 안쪽 발가락은 마치 우리의 엄지손가락처럼 움직여 다른 발가락과 함께 나뭇가지를 움켜쥘 수 있었죠. 게다가 발톱 역시 남달랐습니다. 이전에는 늑대나 고양이, 독수리처럼 삐죽 나온 갈고리 모양의 발톱이었지만 카르폴레스테스의 신형 발톱은 인간들의 손톱처럼 납작하게 살 위를 덮고 있었죠. 덕분에 발톱 밑에 살이 있는 부위로 나무줄기를 좀 더 섬세하게 느끼며 정확한 자세로 붙잡을 수 있었습니다.
_131~132쪽
6장 인류
그럼에도 불은 분명히 쟁취할 만한 가치가 있었습니다. 맹수들을 막을 수 있는 최고의 보호 수단이기도 했지만 사실 더 중요한 것은 탁월한 조리 수단이었기 때문이죠. 조상들이 많이 먹었던 고구마 같은 덩이뿌리나 동물의 고기는 불에 구워 먹으면 소화흡수가 훨씬 잘 됩니다. 그리고 불을 이용해 고기를 구우면 생고기일 때보다 훨씬 오래 저장해서 먹을 수 있고 기생충도 예방할 수 있죠. 먹을 것도 많아지고 소화도 잘되고 여러모로 편해졌던 거죠.
이러한 효과적인 영양섭취 방법은 인간의 중요한 특징인 ‘큰 뇌’가 생겨나는 데 결정적 도움을 주었을 겁니다. 인간의 뇌는 무게로는 전체의 3%에 불과한데도 에너지는 20%나 쓰는 부담스러운 신체 기관이기 때문이죠. 그래서 불을 쓸 줄 알았던 호모 에렉투스Homo erectus의 경우, 조상들보다 덩치가 60%나 커졌는데도 불구하고 이빨은 더 뭉툭하고 장의 길이도 더 짧았습니다. 불 덕분에 장과 이빨이 클 필요가 없었던 거죠. 대신 뇌는 약 1,000cc로 커지면서 현대인의 뇌 크기인 약 1,400cc에 근접하게 됩니다. 괜히 그리스 신화에서 프로메테우스가 불을 몰래 훔쳐와 인간에게 줬다는 내용이 있는 게 아닌가봐요. 불이 없으면 인간도 있을 수 없었던 거죠.
_164~165쪽
7장 무기
핵폭탄이 그렇게 강력한 폭발을 일으킬 수 있었던 것은 물질 속에 숨겨져 있던 ‘핵분열’이라는 새로운 에너지 때문이었습니다. 핵분열은 화약과는 비교할 수 없을 정도로 엄청난 빛과 열을 만들어냈고 사실상 또 하나의 태양이 생겨난 것이나 마찬가지였죠. 실제로 핵폭발이 일어나면 불덩어리가 생겨나는데 그 중심온도가 1억 도를 넘는다고 하니 태양의 중심온도 1,500만 도에 비하면 오히려 더 뜨겁습니다. 불과 500여 년 전 조잡한 화약을 터뜨려 간신히 돌덩이를 날려 보내던 사람들이 이젠 태양을 만들어내는 수준에 이르게 된 겁니다.
그러나 사람들은 거기에 만족하지 않았죠. 더 강한 핵폭탄을 만들기 위한 경쟁이 시작됩니다. 영국의 장궁에 맞서 프랑스가 대포를 내놨듯이 미국의 핵폭탄에 맞서 소련은 인류 최강의 폭탄을 만들어냅니다.
_202쪽
8장 농업
이렇게 농경은 토양 침식이든 토양 염화든, 결국 토양을 파괴할 가능성이 높습니다. 강수량이 풍부한 지역은 토양 침식 문제가 발생하고, 강수량이 부족한 지역은 토양 염화 문제가 발생하기 때문이죠. 생각보다 농업은 자연친화적인 산업이 아닌 겁니다. 공업과 똑같이 환경을 파괴하며 토양이라는 자원을 이용하는 ‘산업’이죠. UN에 따르면 이미 침식과 염화, 산성화 등으로 토양자원의 33%가 황폐해졌다고 합니다. 그리고 이런 속도로 토양이 계속 파괴될 경우 60년 후에는 지구상에서 농작물을 기를 수 있는 토양을 모두 잃게 될 것이라 예상했죠. 위의 지도는 2002년 침식으로 인한 토양 파괴 지역을 나타낸 것인데 위험을 나타내는 빨간색이 굉장히 넓게 퍼져 있습니다. 너무 춥거나 건조한 지역, 열대우림 지대를 제외하면 농경이 가능한 지역은 얼마 되지도 않는데 그중 대부분의 지역이 침식 피해를 받고 있죠.
_245~246쪽
9장 문자
사람들은 책에서 순수하게 재미만 추구하진 않았습니다. 유익한 정보나 지식에 대한 욕구도 강했고 출판업자와 서적상들은 돈을 벌기 위해 열심히 그 요구에도 부응했죠. 그 결과 하층민들의 지적 능력도 무섭게 성장합니다. 1700년대 프랑스의 신부들은 ‘시골 사람들이 너무 독서에 심취해 휴일에 놀지 않고 독서하기를 선호하며 자신들보다 헌법을 더 잘 이해하고 있다’는 기록을 남길 정도였죠. 이렇게 형성된 시민들의 저력은 프랑스 혁명의 주요한 동력 중 하나가 되어 결국 정부를 무너뜨렸고, 그토록 신성한 존재로 추앙 받던 국왕을 단두대에서 처형하는 놀라운 사건을 일으킵니다. 책에 실린 글자들의 힘은 왕정 체제를 뒤엎고 민주주의 시대를 열 정도로 강력했던 것이죠.
_283쪽
10장 컴퓨터
그런데 퍼셉트론은 사람을 닮아서뿐만 아니라 또 다른 부분에 있어서도 충격적이었습니다. 원래 컴퓨터 프로그램은 사람이 일일이 한 줄 한 줄 짜 넣은 코드, 즉 명령을 수행하는 것이죠. 이것은 지금도 마찬가지입니다. 여러분의 사용하는 핸드폰의 각종 앱이나 컴퓨터의 운영체제인 윈도우 같은 프로그램들 거의 대부분이 코드로 만들어져 있죠. 마이크로소프트 윈도우의 코드는 10억 줄이나 될 정도입니다. 그것을 수많은 프로그래머들이 한 줄 한 줄씩 만들어냈던 거죠. 그런데 퍼셉트론에는 그런 의미의 코드가 없습니다. 사람이 일일이 명령을 내리지 않아도 목표에 도달할 수 있었죠.
그 비결은 수학적인 뉴런들이 연결된 신경망 속에 있었습니다. 뉴런들은 서로 연결되어 단순히 신호만 전달하는 것이 아니라 입력받은 신호를 어떻게 전달할지 ‘판단’을 내리죠. 판단은 ‘기준’에 따라 이루어지는데 입력받은 신호들을 합쳐봐서 ‘기준’에 못 미치면 무시해버렸고 ‘기준’을 넘어가면 다른 뉴런으로 신호를 출력해서 내보냈습니다. 자신만의 판단기준이 있는 스위치와 비슷하죠. 신경망은 스위치들이 서로 연결되어 신호를 주고받고 있는 겁니다. 그리고 그 연결이 모아져서 최종적으로 답을 만들어내죠.
_311쪽
11장 생명공학
덴마크의 요거트 회사 다니스코Danisco 연구원들은 어느 날 유산균에서 특이한 현상을 발견했습니다. 보통 요거트를 만드는 유산균들은 파지바이러스(박테리오파지bacteriophage) 감염에 취약합니다. 파지바이러스도 다른 바이러스들처럼 자신의 DNA를 세균에 주입해서 세균이 파지바이러스를 만들어내도록 하죠. 파지바이러스에 감염된 유산균은 자신의 에너지를 열심히 써서 바이러스를 계속 만들어내게 됩니다. 그렇게 파지바이러스들은 유산균 속에서 점점 불어나다가 유산균의 상태가 좋지 않으면 균의 세포막을 뚫고 나와 또 다른 곳으로 퍼져나가죠. 그런데 연구원들은 일부 유산균들이 파지바이러스에 잠식당하지 않는 모습을 관찰하게 됩니다.
연구원들은 호기심에 가득 차서 이 유산균의 DNA를 살펴봤습니다. 그랬더니 모두 특정 유전자가 활성화되어 있었죠. 뿐만 아니라 더 신기한 것은 이 특정 유전자에는 유산균을 못살게 구는 파지바이러스의 DNA가 들어 있었습니다. 바로 이 특정 유전자가 요즘 생명공학계에서 뜨거운 이슈가 되고 있는 ‘크리스퍼 유전자’입니다. 크리스퍼 유전자는 마치 현상수배 전단지 같은 역할을 합니다. ‘이런 형태의 유전자는 세균에게 피해를 주는 바이러스의 유전자이니 없애버려야 한다’는 의미죠.
_341~342쪽
12장 천문학
이제 아인슈타인이 풀어야 할 문제는 ‘만약 지구에서 빛이 휘어진다면 도대체 왜 휘어지는 것이냐’라는 겁니다. 여기서 또 빛나는 아이디어가 나옵니다. 바로 빛이 지나가는 시공간이 휜다는 거죠. 마치 당구공은 똑바로 굴러가려고 해도 당구대가 움푹 파여 있으면 당구공이 휘어지며 굴러갈 수밖에 없는 것처럼 말입니다.
이렇게 해서 그 대단하다는 일반 상대성이론의 핵심적인 아이디어가 나오게 됩니다. 중력은 시공간이 휘어져 있어서 생겨난다는 겁니다. 마치 트램펄린 위에 무거운 볼링공을 올려놓으면 그 부분이 푹 들어가게 되고 다른 공들을 놓으면 전부 볼링공 쪽으로 굴러가는 것처럼, 시공간이 휘어지면 그쪽을 향해 중력이 생기면서 끌려 들어가게 된다는 것이죠.
_371쪽
13장 빅뱅
프리드만은 뛰어난 수학 실력으로 상대성이론의 복잡한 수식을 단순화했습니다. 아인슈타인은 물리학자로서 기존의 안정적으로 보이는 우주를 설명하기 위해 반중력을 집어넣어 수식을 복잡하게 만든 반면 프리드만은 순수하게 수학적으로 접근해서 이를 단순화합니다. 실제 우주가 이렇든지 저렇든지 상관하지 않고 말이죠. 아인슈타인의 상대성이론 수식이 버스라면 프리드만의 상대성이론 수식은 자전거 같은 거라고나 할까요? 자전거는 어떻게 작동하는지 잘 보이지만 버스는 어떻게 굴러가는지 잘 안 보이죠. 그만큼 자전거가 원리 파악이 쉽습니다. 자전거가 어디로 갈지 알려면 페달 밟는 속도, 핸들의 방향, 사람의 무게 같은 요소를 알아보면 되죠. 마찬가지로 프리드만의 상대성이론 수식도 우주에 적용했을 때 우주가 어떻게 굴러갈지 알아내기에 더 쉬웠습니다.
프리드만은 상대성이론에서 우주가 어떻게 굴러갈지는 세 가지 변수에 달려 있다는 것을 알아내죠. 첫 번째는 우주의 팽창력, 두 번째는 물질의 양, 세 번째는 물질들 사이의 반중력이었습니다. 이 중에서 팽창력과 반중력은 둘 다 우주가 팽창하게 만드는 결과를 가져오죠. 팽창력은 사방으로 쫙 늘어나는 트램펄린을 상상하면 되고, 반중력은 물질들을 서로 멀어지게 하는 힘으로 생각하면 됩니다. 이들과반대로 작용하는 게 물질의 양인데 물질들이 많으면 끌어당기는 힘, 즉 중력이 커지면서 우주가 오그라들게 되죠.
_396~397쪽
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