웰컴 투 과학극장

웰컴 투 과학극장

김요셉 지음

동아시아 / 2025년 3월 / 256쪽 / 17,000원





Part 1-우주와의 조우



스타워즈-내 광선검을 받아라! 우주 미스터리 끝판왕

우주 전쟁 영화 중 단연코 으뜸으로 꼽히는 영화가 있다. <스타워즈>다. 1977년을 시작으로 48년이 흐른 현재까지 20편이 넘는 시리즈가 이어졌다. <스타워즈> 에피소드 ‘새로운 희망’을 시작으로 1980년 ‘제국의 역습’, 1983년 ‘제다이의 귀환’, 1999년 ‘유령의 위협’, 2002년 ‘클론의 습격’ 등 <스타워즈> 시리즈가 나올 때마다 전 세계적으로 우주에 대한 많은 이야깃거리가 꽃을 피운다.

<스타워즈>는 소설이나 만화가 아닌 영화 매체로 출발한 시리즈다. 가장 유명한 영화 시리즈라는 수준을 넘어 영화라는 상상력의 산물, 그 자체를 대변하는 브랜드로 자리매김했다. 반세기 가까운 시간 동안 <스타워즈>는 인류의 상상력 원천이었고, 미래 구상의 바로미터가 됐다고 해도 과언이 아니다.

<스타워즈>에는 첨단 신무기들의 화려함이 인상적이다. 제다이의 상징 ‘광선검’을 비롯해 로봇무기와 전투용 우주선, 레이저 무기, 심지어 포스라는 에너지까지 등장한다. 현존하는 과학 기술력으로 현실화가 가능한 무기일 수도 있고, 상상하기조차 어려운 것일 수도 있다. <스타워즈>에 등장하는 다양한 첨단 무기들의 실체와 원리, 가능성을 살펴보는 것도 훌륭한 과학기술 학습거리가 될 수 있다.

<스타워즈>의 ‘포스’, 과학적으로 설명 가능한가?: <스타워즈> 주인공 제다이들은 ‘포스(Force)’라는 힘을 이용해 적을 쓰러뜨리고 초인처럼 활약한다. 영화에 포스를 언급하는 대사가 나온다. 직역하면 이렇다. “글쎄, 포스가 무엇이냐면, 제다이의 힘, 에너지야. 모든 생물에 의해 창조된 에너지 영역이지. 포스는 우리를 둘러싸고 관통해. 포스는 은하를 하나로 묶어주지.”

포스라는 에너지를 과학적으로도 설명할 수 있을까. 포스를 논하기 전, 우선 우주를 지배하는 기본적인 힘을 이해할 필요가 있다. 자연을 이루는 기본적인 힘에는 중력, 전자기력, 약한 핵력(약력), 강한 핵력(강력)이 있다. 중력은 질량을 갖고 있는 두 물체 사이에서 작용하는 힘이고, 전자기력은 전하를 갖고 있는 물체 사이에서 작용하는 힘이다. 약력은 원자핵의 붕괴에서 나타나는 짧은 거리에서 작용하는 힘이고, 강력은 원자핵을 이루는 양성자나 중성자와 같은 핵자 사이에서 작용하는 힘이다. 이 중 가장 강한 힘은 강력이며, 약력, 전자기력, 중력 순으로 힘이 강하다. 강력과 약력은 핵 내부에서 작용하기에 우리 일상생활에서는 경험할 수 없다.

포스를 표현한 대사 ‘우리를 둘러싸고 관통하며, 은하계를 하나로 묶는다’에 따르면 포스는 자연계의 힘으로 해석할 수 있다. ‘모든 생물에 의해 생성되는 에너지 장’은 물리학에서 양자생물학으로 대변될 수 있다. 양자생물학은 미세한 생물학적 현상을 이해하는 데 도움을 주는 학문이다. 가령, 광합성은 식물이 빛을 흡수해 에너지를 만드는 과정인데, 양자생물학은 빛 입자인 광자가 식물의 엽록체 내에서 어떻게 작용하는지를 연구한다. 생체 내에서 분자들이 어떻게 상호작용하고 화학 반응이 일어나는지를 더 자세히 이해할 수 있다.

한편 빛보다 빠른 장거리 정보 교환은 우리가 흔히 생각하는 순간이동(teleportation)이 떠오른다. 순간이동은 물리학에서 양자 얽힘과 견주어 볼 수 있다. 양자 얽힘은 어느 한쪽이 관측됨과 동시에 관계가 있는 다른 요인도 정보가 결정되는 현상이다. 두 개의 입자가 얽혀 있을 때 한 입자의 상태가 변하면 다른 입자의 상태도 동시에 변하는 현상이다. 아무리 멀리 떨어져 있어도 순식간에 정보가 전달되는 것이다. 아인슈타인은 양자얽힘 현상을 두고 “귀신이 곡할 노릇”이라 했다. 양자얽힘 현상은 일상적인 물리 법칙에서는 경험할 수 없는 현상으로 양자역학에서만 관찰된다. 양자얽힘 현상은 양자 컴퓨팅, 양자 통신 등과 같은 기술의 기반이 된다.

빛의 속도 뛰어넘는 ‘초광속 이동’ 가능할까?: <스타워즈> 우주선들은 우주로 빨려 들어가듯 동에 번쩍 서에 번쩍하면서 머나먼 행성을 넘나든다. 빛의 속도를 뛰어넘는 속도로 순간이동하는 것처럼 보인다. 이를 가능하게 하는 핵심장비는 밀레니엄 팔콘 우주선 ‘하이퍼 드라이브(Hyperdrive)’다. 하이퍼 드라이브는 광속 이상의 속도를 내야 도달할 수 있는 초공간(Hyperspace) 항성 사이 빈 공간을 가로지를 수 있는 추진 시스템이다. 밀레니엄 팔콘 우주선을 타고 초공간으로 도약해 초광속으로 우주 공간 사이를 이동한다. <스타워즈> 세계에서 은하 간 무역이나 전쟁의 핵심 도구로 쓰인다. 하이퍼 드라이브의 존재는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 위배되는 현실 불가능한 장치이지만, 인간의 상상력에 한계가 없음을 보여준다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 물체가 빛의 속도에 근접할수록 그 질량이 무한대로 증가하게 되어 이론적으로는 빛의 속도 이상으로 가속할 수 없다.

영화 <스타트렉> 함선의 주요 추진 시스템인 워프 엔진(Warp Engine)도 초광속으로 항해할 때 사용한다. 블랙홀과 화이트홀을 잇는 연결 통로인 웜홀(Wormhole)로 이동하는 개념이다. 웜홀은 우주에서 먼 거리를 가로질러 지름길로 여행할 수 있는 가상 통로다. 우주의 시간과 공간의 벽에 난 구멍에 비유할 수 있다. 이는 ‘아인슈타인-로젠의 다리’라고도 불린다. 실존에 대한 논란 자체가 미스터리이지만, 2017년 노벨물리학상 수상자인 물리학자 킵 손이 블랙홀과 블랙홀 사이에서 일어날 수 있는 웜홀을 통한 시간여행 가능성을 제시한 바 있다.

광선검, 실제로 만들 수 있을까?: <스타워즈>의 주인공 제다이는 은하계의 평화를 지키는 수도사 집단이다. 적을 방어하기 위해 포스의 힘을 이용할 수 있고, 파란색·녹색·보라색 등 다양한 색상의 검날인 광선검(Lightsaber)을 사용해 싸운다. 광선검은 언뜻 보면 레이저 빛처럼 보인다. 광선검을 휘두를 때마다 ‘지잉’ 하는 소리를 내면서 적을 공격한다. 하지만 광선검은 레이저 빛이 아닐 가능성이 크다. 빛은 한정된 공간에 가둘 수 없고 교차할 때 서로 부딪히지도 않는다. 레이저를 이용한 것이라면 엄청난 에너지가 필요할 뿐만 아니라 빛의 끝이 보이지 않게 길게 쭉 뻗는 형태가 되어야 한다.

광선검의 실현 가능성에 대해 과학자들은 플라스마를 이용하면 가능할 수도 있다고 본다. 핵융합 실험의 핵심 장치인 토카막과 같은 자기장을 이용해 플라스마를 공간에 가둘 수 있다. 토카막은 핵융합 반응에 필요한 플라스마 자기장을 제어하고 안정적으로 담아두는 도넛 모양의 장치다. 고온 플라스마를 생성해 열과 빛을 발생시키는 플라스마 토치처럼 세라믹 등 특수소재를 이용해 물리적 타격도 가능할 수 있다.



Part 2-인공지능 시대, 우리의 삶 어떻게 바뀔까



그녀-AI와 인간, 사랑에 빠지다

사랑. 인간만이 누릴 수 있는 감정일까? 이제 사랑은 더 이상 인류가 향유할 수 있는 특별한 권리가 아닐 수 있다. 영원할 것 같은 인간 사이 사랑의 종말이 서서히 고개를 든다. 인공지능 영화 <그녀>를 보면 사람이 인공지능과 사랑에 빠진다. 남자 주인공 테오도르가 형체 없는 인공지능 사만다와 일상 모두를 공유한다. 공허한 삶을 살아가던 인간이 인공지능과 마음을 나누며 상처를 위로받고, 진정한 사랑을 이뤘다고 믿는 이야기 자체가 우리 삶에서의 ‘관계’에 대한 본질적 질문을 던진다.

‘디지털 소울메이트’는 더 이상 공상과학 소설의 대상이 아닌 듯하다. 기계가 인간의 지능과 감정을 따라잡고 있는 과학기술 세계가 현실로 다가오고 있다. 이미 인간과 로봇의 관계를 합법화하는 문제로 고심할 날이 머지않았다는 전망을 내놓는다. 15년 전 미래학자 레이 커즈와일은 2045년 전후로 기계가 인간의 모든 능력을 뛰어넘는 특이점(singularity)의 시대가 열릴 것이라고 예측했다.

영화 포스터 색상이 강렬하다. 주인공은 레드 계열의 셔츠를 즐겨 입는다. 감독이 빨간색으로 의도하는 바가 있다. 바로 사랑이다. 보편적인 사랑이라기보다 열정적인 사랑이다. 사랑을 갈망하는 마음에서 포스터가 제작됐다. 현재 AI 감정지능 수준은 어디까지 왔을까. AI와 인간의 관계는 앞으로 어떻게 변할까. 이 둘의 관계가 사회를 어떻게 변화시켜 나갈지 생각하면서 <그녀>라는 영화를 마주해 보자.

사만다처럼 소통하려면?: <그녀>는 2014년에 개봉했다. 2017년 전 세계적인 핫이슈였던 알파고 쇼크 이전의 영화다. 영화에서는 AI 기계학습·강화학습에 대한 이야기가 나온다. AI 연구자들은 어떻게 그 이른 시기에 AI와 관련된 강화학습에 대한 기술적 상상력을 영화에 녹여낼 수 있었을까. 신기하다.

사만다가 주인공의 메일함이나 편지함, 주소록을 순식간에 정리해 준다든지, 필요한 정보가 있으면 관련 문헌을 순식간에 찾아 알려주는 장면들이 등장한다. 사만다의 인공지능 수준과 현재 개발된 AI를 비교해보면 언어를 학습하는 영역의 ‘텍스트마이닝’ 연구와 같다. 연구자들은 사만다의 통번역 소통 수준을 10이라고 봤을 때 현재 통용되고 있는 서비스는 3~4 수준에 도달한 것으로 평가한다. 현 수준은 일반 대중이 흔히 쓰는 내비게이션 정도 수준이기 때문에 단편적으로 기술들이 어느 정도 완성돼 있긴 하지만, 이를 사만다처럼 융복합하는 것은 현실적으로 아직 실현 불가능하다는 의견이 많다.

영화 후반부를 보면 인공지능들끼리 서로 공부하고 이야기하면서 진화하는 장면이 나온다. 실제 가능한 이야기다. 좋은 예가 알파고다. 이세돌과 대국했던 알파고가 이세돌과 대국을 벌인 뒤 중국 바둑선수 커제와도 한판 승부를 겨뤘다. 당시 인공지능은 알파제로였다. 알파고와 알파제로의 가장 큰 차이는 알파고는 기보를 학습했다는 점이다. 사람들이 어느 정도 만들어 놓은 답을 가지고 학습을 했기 때문에 정해져 있는 규칙 안에서 연습을 했다. 알파고에서 알파제로로 넘어가는 과정에서는 컴퓨터끼리 대결을 시켰다. 인공지능끼리 이기는 방법에 대한 학습을 전개한 것이 전형적인 강화학습의 예다.

사만다는 과거 정보를 사용해 현재와 미래의 입력에 대한 신경망 성능을 개선하는 딥러닝 신경망을 비롯해 여러 AI 관련 기술을 갖췄다. 덕분에 사만다는 전 세계에 있는 지식을 빠른 시간에 섭렵하고 주인공과 소통하면서 또 다른 사람들과도 소통한다. 주인공 테오도르는 사만다가 교감하는 남자가 자기만이 아니라는 사실을 알게 되면서 좌절한다. 자기처럼 사만다를 OS로 사용하는 사람만 8,316명. 사만다는 테오도르를 정말 사랑한다면서 자기 말고도 641명과 사랑에 빠져 있다고 말한다. 테오도르는 결국 오열한다.

AI와의 교감… 세계 과학계의 중요한 화두: <그녀>처럼 앞으로 사람은 인공지능과 얼마나 많이 교감하고 교류할 수 있을까. 공학 계열의 연구자뿐만 아니라 심리학, 사회학 등 분야를 막론하고 여러 학제 간 연구자들이 인공지능과의 교감 연구에 주목하며 활발한 연구를 펼치고 있다.

세계적인 기술심리 분야 선구자인 셰리 터클 MIT 사회학 교수는 AI와 인간의 상호작용이라는 주제에 대해 끊임없이 연구하고 있다. 인간과 AI가 어디까지 교류할 수 있을지 질문하며 ‘상호교류가 정말 인간과 인간 사이 교감하는 것만큼 가능할까’라는 연구를 지속하고 있다. 그는 1980년대부터 기술이 더 이상 단순한 도구에 그치는 것이 아니라 우리 삶에 사회심리적으로 중요한 부분을 차지한다는 점을 강조하고 있다.

대개 사람은 다른 사람과 대면했을 때 60가지 표정을 짓는다고 한다. 서로의 다른 표정을 마주하면서 감정을 느끼고 교류한다. 사만다는 테오도르의 표정을 보지 않고도 대화만으로 감정을 나눈다. 심지어 주인공의 마음을 사로잡는다. 이 교감 과정 자체가 철저하게 학습된 것인지에 대해 사회심리학적으로 아직 확실하게 답을 내놓을 수 없는 상황이다. 바로 이 점이 셰리 터클 교수의 연구 대상이다.

인간과의 소통을 위한 교감형 인공지능의 세 가지 구성요소는 감정인식과 모방, 그리고 증강이다. 음성이나 텍스트 같은 언어적 특징뿐만 아니라 맥락과 감정 같은 비언어적 특징을 이해하고 인간과 정서적 교감을 적절한 수준으로 관리하는 게 연구 지향점이다.

<그녀>를 보면서 머지않은 미래의 순간, AI가 어느 수준까지 나의 외로움과 관계를 위로해 주고 보완해 줄 수 있을지 재밌는 상상을 해본다. 누구나 스마트폰에 수백 수천 명의 연락처가 있지만, 그중 과연 몇 명이나 ‘진정한 관계일까’라는 의문을 곱씹으면서 말이다.



Part 3-〈어벤져스〉의 과학



아이언맨-아이언맨, 걷고 뛰고 나는 핵융합 발전소

슈퍼히어로 영화 <어벤져스>는 모두의 꿈이자 미래다. 아이언맨, 스파이더맨, 블랙팬서와 같은 어벤져스를 접하면서 ‘나도 히어로가 되고 싶다’는 상상의 나래를 펼친다.

1970년대만 해도 슈피히어로 영화에서는 용접공처럼 생긴 아이언맨이나 몸에 초록색 물감을 잔뜩 바른 헐크가 등장했다. 하지만 CG 기술이 발전하면서 최근에는 우리가 상상했던 미래 모습들이 그대로 가시화되고 있다. 아이언맨이 슈트를 입고 우주를 날아다니고, 토르가 망치로 번개를 내리치는 장면이 가상의 세계가 아닌 현실인 것만 같은 느낌을 준다.

외계인 침공으로부터 지구를 지켜낸다는 <어벤져스>의 뻔한 스토리에 열광하는 이유는 단순히 슈퍼히어로 캐릭터들을 부각시킨 요소 때문만은 아니다. 바로 <어벤져스>를 보면 미래가 보이기 때문이다. 영화의 장면들엔 과학기술이 총집결된 미래의 꿈 그 자체인 덕분이다. <어벤져스>는 전혀 불가능한 미래가 아닌 우리의 상상이 곧 현실이 되는 과학기술 미래 스토리다.

실제 아이언맨 슈트와 같은 엑소 스켈레톤과 엑소 슈트, 스파이더맨처럼 벽에 달라붙는 게코 도마뱀 장갑, 자비스·캐런과 같은 인공지능 등 영화 속 등장 기술을 활발히 연구 중이다. <어벤져스> 영화 속 과학 원리를 파헤쳐 보면, 아이언맨이나 헐크와 같은 슈퍼히어로들이 진짜 현실이 될 수 있다는 재미난 상상을 펼칠 수 있다.

소형 원자로 ‘아크 리액터’ 구현 가능할까?: 아이언맨이 슈트를 입고 하늘을 날 수 있는 동력은 아크 리액터다. 가슴 한가운데 밝게 빛나는 아크 리액터는 아이언맨이 필요로 하는 모든 에너지를 공급하는 핵심이다. 주인공 토니 스타크가 동굴에서 만든 아크 리액터 초기 버전 출력이 3기가와트(GW)다. 걸어 다니는 원자력발전소 수준이다. 우리나라의 최근 지어진 신한울 1·2호기가 1.4GW급이다. 초기 버전의 아크 리액터 출력이 신한울 원자력발전소의 두 배인 셈이다. 수력발전은 가장 큰 충주댐의 경우 0.4메가와트 수준이고, 날개 지름 80미터의 풍력발전기는 대당 2메가와트의 전력 생산이 가능하다. 1GW는 1메가와트의 1,000배이자 1킬로와트의 100만 배이며 1와트의 10억 배다.

아크 리액터는 주먹만 한 크기의 소형 원자로라 할 수 있다. 현존 기술로는 소형 원자로를 영화처럼 작게 만들 수 없다. 하지만 과학기술 발전은 함부로 예단할 수 없다. 연구가 계속되는 한 머지않은 미래에 소형 원자로가 주먹만 한 아크리액터로 줄어들 가능성이 전혀 없진 않다. ‘아크’라는 단어는 영화에서 명명한 단어다. 현실에서 찾자면 플라스마, 즉 핵융합에너지로 생각해볼 수 있다. 핵융합 연구는 국제적으로 활발히 진행 중이다. 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업은 인류 최대의 과학기술 협력 프로젝트다. 우리나라를 비롯해 미국, 러시아, EU, 일본, 중국, 인도 등 7개국이 참여해 프랑스 남부 카다라쉬에 거대하고 강력한 핵융합 실험로를 건설하고 있다.