과학의 일곱기둥

과학의 일곱기둥

황진명, 김유항 지음

사과나무 / 2016년 4월 / 431쪽 / 17,000원





part I 절망의 벽을 넘어서



바이런의 딸, 수학의 시인이 되다 - 최초의 컴퓨터 프로그래머, 에이다 러브레이스

1840년대에 오늘날의 컴퓨터과학의 탄생을 예견한다는 것은 황당한 일이었을 것이다. 그러나 마크Ⅰ, 콜로서스 또는 봄베가 발명되기 100년이나 앞서 에이다 바이런 러브레이스는 최초의 컴퓨터 프로그래밍 언어를 고안했다. 러브레이스 백작부인이라고 알려진 에이다 바이런은 빅토리아 여왕시절인 1815년 영국의 낭만파 시인 바이런 경의 딸로 태어났다. 그녀는 젊은 나이에 시적인 상상력을 과학에 적용하여 디지털 시대를 여는 현대 컴퓨터의 탄생을 예견한 인물이다. 아마도 에이다는 컴퓨터 역사상 가장 독창적이고 개성 있는 성격을 가진 인물 중 하나로 꼽을 수 있을 것이다.

그러나 최근까지도 컴퓨터과학 분야에서 에이다 러브레이스의 공헌은 거의 알려지지 않았었다. 그러다 1952년 영국의 역사가 보우든 경이 110년 전에 발표된 그녀의 주해를 발견하여 이듬해 디지털 컴퓨팅 기계 심포지엄에서 소개했다. 그 후 에이다 러브레이스는 세계 최초의 컴퓨터 프로그래머로 알려지게 되었다. 2009년에는 영국이 주축이 되어 10월 15일을 ‘에이다 러브레이스의 날’로 정하고, 매년 과학ㆍ기술ㆍ공학ㆍ수학 분야에서 여성들이 이룬 업적들을 경축하는 기념행사를 개최하고 있다.

에이다 바이런의 어린 시절_ 숫자의 여자 마법사: 에이다 바이런은 영국이 낳은 위대한 낭만파 시인 바이런 남작과 귀족 집안의 외동딸 밀뱅크 사이에서 태어났다. 에이다의 어머니 아나벨라는 전직 케임브리지 대학 교수들로부터 고전문학, 철학, 과학과 수학을 배운 매우 총명한 여성으로 특히 수학을 좋아하여 바이런은 그녀를 ‘평행4변형의 공주’라고 불렀다. 그러나 아나벨라는 때로는 냉정하고 고지식하다는 말을 들을 정도로 엄격한 도덕관을 가진 신앙심 깊은 여성이었다. 반면 급진적인 낭만파 천재 시인으로 유명한 바이런은 조각같이 잘생긴 외모로 영국 사교계를 주름잡는 인물이었다. 그러나 그는 매우 변덕스럽고 과격하며 숱한 여성ㆍ남성들과 닥치는 대로 염문을 뿌리고 다녔고 이복 여동생과도 부적절한 관계라는 추문이 돌았다. 대표작 <돈 후안>을 쓸 정도로 바이런 자신도 돈 후안에 뒤지지 않겠다는 듯 처신하여 악명이 높았다. 아나벨라의 사촌이며 한때 바이런과 불륜관계였던 레이디 캐롤라인 램의 표현을 빌리면 그는 여자들에게 ‘나쁜 놈, 미친 놈, 그리고 위험한 놈’이었다.

아나벨라는 사촌의 말을 경고로 받아들이는 대신 바이런의 바람둥이 기질을 고쳐주어야 할 도전으로 받아들였는지 1815년 1월 그와 결혼한다. 그리고 같은 해 12월에 에이다가 태어났다. 그러나 아나벨라는 남편이 이복 여동생과 근친상간 관계를 갖고 있다고 의심했고 에이다가 태어난 지 5주 만에 별거에 들어갔다. 아나벨라의 수학적 재능을 사랑하는 마음에서 한때는 ‘평행4변형의 공주’라고 불렀던 바이런은 이제 그녀를 계산적인 적대자 ‘수학의 메데아’로 생각했다. 그는 유명한 서사시 <돈 후안>에서 아나벨라를 빗대어 “그녀가 좋아하는 과학은 수학이다. 그녀는 걸어 다니는 계산기 같다”라고 조롱한다. 그들의 짧은 결혼생활은 그렇게 해서 결딴나고 말았다. 에이다가 태어난 지 4개월 후 바이런은 영국을 영원히 떠났고 1824년 그리스에서 말라리아에 걸려 36세의 나이에 요절했다. 아버지를 한 번도 만나 적이 없는 에이다의 나이 여덟 살 때였다.

빅토리아 여왕 통치시대로 칭하는 19세기 중반 무렵은, 여성은 전문적인 교육을 받을 수도 없고 자신의 재산을 소유하거나 소송도 할 수 없으며, 결혼한 여성이 번 돈도 전부 남편의 것이었다. 한마디로 표현하면 여성은 남편의 소유물이던 시절이다. 그러나 동시에 산업혁명의 여파로 점차 많은 여성들이 유급 노동력시장에 뛰어들던 시절이기도 했다.

아나벨라는 1800년대 중반 귀족 집안 딸의 교육으로는 특이하게도 에이다에게 수학과 과학을 가르쳤다. 그녀는 바이런으로부터 물려받은 딸의 상상력이 위험하고 잠재적으로 파괴적이라고 생각해 이를 억누를 수 있기를 내심 기대했다. 엄격한 학문을 가르침으로써 자제력을 길러 감정 기복이 심하고 예측 불가능한 남편의 기질이 딸에게서 나타나는 것을 막을 수 있다고 믿었다. 그 결과 에이다의 인생은 아버지로부터 물려받은 기질과 어머니의 교육 영향으로 감정과 이성, 주관주의와 객관주의, 시와 수학, 안 좋은 건강과 폭발할 듯한 열정 사이에서 끊임없는 투쟁의 도가니였다고 할 수 있다.

에이다의 복합적인 감성은 1828년 그녀가 비행기에 관한 디자인을 그려냈을 때 선명하게 드러났다. 그녀의 인생에 날개를 달아준 것은 수학이었으며 이렇게 흔치 않은 주제에 몰두해 있는 에이다를 고무시킨 것은 어머니였다. 아나벨라는 에이다에게 과학과 수학에서 단단한 기초를 닦아주기 위해 최고의 선생님들을 가정교사로 모셨다. 중요한 가정교사들 중 한 사람인 모르간은 당시 새로운 분야였던 기호논리학의 선두주자로 유명한 영국의 수학자였다. 그녀에게서 뛰어난 수학적 재능을 발견한 모르간은 에이다가 독창적인 수학자가 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 아나벨라에게 말했다.

또 한 명의 중요한 가정교사는 1830년 에이다가 15살 때 만난 스코틀랜드 출신의 유명 수학자이자 천문학자인 소머빌이다. 에이다와 소머빌은 그 후로도 20년간 수학의 주제들에 관해 편지를 주고받으며 교류를 이어갔다. 에이다는 그림과 음악, 언어에도 뛰어났는데 그녀의 유창한 프랑스어 실력은 나중에 컴퓨터 역사에 기여하는 계기가 된다.

1833년 초 17살이 된 에이다는 런던 사교계의 한 파티에 참석했는데, 그 파티에는 자신이 발명한 차분기관에 관해 신나게 얘기하고 있는 42살의 케임브리지 대학 수학과 교수 배비지도 있었다. 두 사람의 만남은 에이다의 인생을 바꾸는 기회가 되었다. 차분기관에 매혹당한 에이다는 2주일 후 장비와 시연을 보기 위해 어머니와 함께 배비지의 집으로 찾아갔다. 25년이라는 나이 차이에도 불구하고 이렇게 시작된 그들의 우정은 18년간 지속된다. 에이다는 ‘수학의 여신’이었다. 그녀의 뛰어난 지적 능력에 감탄한 배비지는 그녀를 ‘숫자의 여자 마법사’라고 불렀다.

당시에는 수학자들이 로그함수나 삼각함수를 필요로 하는 모든 연산에 손으로 계산한 큰 수치표를 사용했기 때문에 오차가 나기 쉬웠다. 차분기관은 다항함수를 계산하기 위한 기계식 디지털 계산기로, 로그나 삼각함수를 포함한 모든 수학함수는 다항함수로 근사계산할 수 있어 차분기관은 다양한 분야에서 계산기로 사용할 수 있는 가능성이 충분했다. 영국 정부는 처음에 이 연구를 위해 1만 7000파운드(현재 가치로 약 170만 파운드)를 지원했지만, 배비지가 이 기계를 완성하지 않고 좀 더 복잡한 기계인 해석기관 연구에 착수하자 더 이상의 지원을 하지 않았다. 차분기관은 숫자가 새겨진 톱니바퀴들을 탑처럼 쌓아올려서 만들었는데 기계의 핸들을 돌려서 계산을 하는 원리이다. 이 미완성의 시제품에 매료된 에이다는 그때부터 차분기계의 잠재력, 수학문제들, 논리, 그리고 궁극적으로 모든 주제들에 관하여 배비지와 방대한 양의 서신 왕래를 시작했다.

러브레이스 백작부인이 되다: 1835년 7월, 19살의 에이다 바이런은 10살 연상의 윌리엄 킹과 결혼을 하고, 그 후 부부는 1839년까지 3명의 자녀를 두었다. 킹은 1838년 백작 작위를 물려받아 백작이 되었고 에이다는 러브레이스 백작부인이 되었다. 킹은 아내의 연구에 큰 관심을 갖고 응원해 주었으며, 자기주장이 강한 에이다의 의견에 반대하는 적이 거의 없었다. 에이다의 결혼생활은 어떤 면에선 부모의 결혼생활과 좌우가 바뀐 거울상이라고 할 수 있다. 단지 역할이 바뀌어서 에이다는 지나치게 독립적이고 총명하며 인습에 얽매이지 않은 반면, 남편은 유머감각이 없고 엄격한 기독교 신앙을 갖고 있었다. 사교적인 에이다는 사람들과 쉽게 사귀었고 몇몇 친분 있는 남성들과 여러 건의 스캔들을 일으키기도 했다. 성격과 인생관의 차이에도 불구하고 당시 대부분의 남성들이 가졌던 여성관과는 달리 러브레이스 백작은 항상 그녀의 연구와 야망을 지지해 주었다.

찰스 배비지와 해석기관: 배비지는 차분기관 프로젝트를 진행하는 동안 훨씬 더 다양한 용도로 사용될 수 있는 해석기관 설계가 가능하다는 것을 깨닫고 차분기관의 후속으로 자동계산기인 해석기관 설계에 착수한다. 이것은 오늘날 컴퓨터의 기초가 된다. 1837년 배비지는 최초로 해석기관 설계를 발표했지만, 1871년 죽을 때까지 설계를 끝내지 못했고, 차분기관과 마찬가지로 이 장치도 끝내 완성되지 못했다.

해석기관은 천공카드를 통해 프로그램과 데이터를 입력하는 방식인데, 이는 천공카드를 사용해 직물의 복잡한 문양을 짜는 자카르 직조기에서 아이디어를 가져온 것이다. 해석기관에는 3종류의 천공 카드가 사용되었는데, 수학연산을 위한 카드, 숫자 상수를 위한 카드, 그리고 숫자를 수학 연산 단위로 전달하거나 이를 다시 전달받는 데 사용되는 카드이다. 이 3종류의 카드를 읽기 위해 3가지의 카드 리더기가 존재한다. 출력장치로는 프린터와 곡선 플로터 그리고 종을 사용했다. 그리고 카드에 구멍을 뚫을 수 있도록 해서 나중에 숫자를 다시 읽어내도록 했다. 숫자는 고정 소수점을 갖는 10진수를 사용했으며 사용자가 채택한 프로그래밍 언어는 현대의 어셈블리어와 유사하다.

1842년, 배비지는 이탈리아 튜린 대학에서 해석기관에 대해 강연을 했다. 그때 청중들 가운데 있던 이탈리아 수학자 메나브레아가 배비지의 강연 내용을 듣고 프랑스어로 「배비지가 발명한 해석기관 요점」이라는 논문을 써서 제네바에서 발행되는 학술지에 발표했다. 베비지의 친구인 휘트스톤은 에이다에게 이 논문을 영어로 번역해 달라고 맡겼고, 배비지는 에이다가 장비에 관해 누구보다 잘 알고 있으니 메나브레아의 논문에 주석을 달아 달라고 부탁한다. 이미 8년 전부터 해석기관에 큰 관심을 갖고 있던 에이다에게는 절호의 기회였다. 그녀는 1842년~1843년 사이 9개월 동안 열정적으로 그 일에 몰입했다. 번역과 함께 베르누이 수를 계산하는 방법을 포함해 광범위한 7개 항목의 주석을 달았다. 그렇게 해서 원래의 논문 번역문보다 3배 분량이나 되는 주석서가 탄생했다. 사실상 그녀가 덧붙인 상세한 주석이 메나브레아의 논문보다 훨씬 중요했는데, 이 주석으로 인해 에이다 러브레이스는 세계 최초의 컴퓨터 프로그래머라는 불후의 명성을 얻게 되었다.

해석기관에 관한 한 에이다는 동시대의 어느 누구도 필적할 수 없을 정도로 깊게 이해하고 있어, 심지어 고안자인 배비지를 능가할 정도였다. 에이다는 정교한 문양을 짜는 자카르 직조기처럼 인간의 무한한 상상력으로 아름다운 태피스트리를 짜는 해석기관의 미래를 예언했다. 그녀는 컴퓨터가 발명되기 100년도 더 전에 현대 컴퓨터의 탄생에 기여한 4가지 주요 개념에 대해 설명했다.

첫째, 미리 프로그램된 작업을 수행할 뿐만 아니라 사실상 무제한적인 범위의 작업을 실행할 수 있는 범용기계, 한마디로 현대 컴퓨터를 예측했다. 둘째, 기계는 단순한 수학적 계산보다 훨씬 더 많은 것(음악, 글, 그림, 숫자, 심벌, 예술적 표기 등)을 다룰 수 있는 상징적인 메데아로, 즉 디지털 시대의 기초가 될 것임을 예언했다. 셋째, 한 단계씩 작동하는 방식의 개요, 즉 우리가 현재 컴퓨터 프로그램, 혹은 알고리즘이라고 하는 개념을 만들었다. 넷째, 지금까지 남아 있는 에이다의 가장 중요한 개념은 “기계가 독립적으로 생각할 수 있는가?” 하는 질문이다. 이 질문에 대해 그녀는 “해석기관은 무엇이든지 스스로 시작할 수 없으며 다만 우리가 명령하는 것을 수행하고 분석할 수 있는 능력은 있다.”라고 말한다. 그녀는 생각하는 컴퓨터를 제안했던 엘런 튜링과는 달리 컴퓨터가 정말로 인간과 같은 지능을 갖기는 어렵다고 생각했던 것이다.

에이다 러브레이스의 말년_ 수학으로 통제되지 않는 바이런의 DNA: 바이런의 정서불안과 정신병을 딸이 물려받을까 봐 걱정되어 에이다의 감정을 논리적인 수학과 과학으로 억제하려던 아나벨라도 바이런의 DNA까지는 통제하지 못했던 모양이다. 에이다 스스로도 수학 공부가 자신의 정서불안에 도움이 되었다고 말하지만 그녀 인생의 후반기는 스캔들과 실패, 그리고 비극으로 점철되었다. 메나브레아 논문에 대한 에이다의 주석서가 출판되었을 때, 29살의 그녀는 이미 정신적, 육체적으로 병이 들어 고통받고 있었다. 수시로 호흡곤란과 소화장애를 겪는 그녀에게 의사는 브랜디, 와인, 맥주, 아편, 모르핀 등을 섞은 위험한 처방을 해주었고, 그 결과 에이다는 심각한 성격장애를 겪어야 했다. 그녀는 미친 듯이 경마 도박에 빠져들어 큰돈을 잃고 나중에는 가족의 보석들까지 저당 잡혔다. 남편인 러브레이스 백작은 그녀가 큰 빚을 진 것을 알고도 스캔들로부터 에이다를 보호하려고 애썼다. 설상가상으로 에이다는 자궁암에 걸려 1852년 36살의 젊은 나이에 요절했다. 아버지 바이런 경이 사망했을 때와 같은 나이였다.

에이다는 사후 100년 동안 사실상 잊혀 있다가 컴퓨터 시대가 열리면서 그녀의 연구 결과가 재조명되어 마침내 업적을 인정받게 되었다. 미국 국방부는 자신들이 사용하던 수백 개의 프로그래밍 언어를 대체하기 위한 새로운 언어를 공모했고, 이치비아가 이끄는 팀에서 설계한 언어가 채택되었다. 1980년 미 국방부는 이 새로운 프로그래밍 언어를 에이다라고 명명했는데, 이는 세계 최초의 컴퓨터 프로그래머인 에이다 바이런 러브레이스 백작부인을 기리기 위한 것이다.



part II 편견과 장벽에 맞선 여성 과학자들



방사능 시대를 연 선구자 - 최초로 두 번의 노벨상 수상, 마리 퀴리

지난 2011년은 마리 퀴리가 방사성 원소인 라듐과 폴로늄을 발견한 공로로 노벨 화학상을 받은 지 100년이 되는 해로, 이를 기념하기 위해 ‘세계 화학의 해’로 지정된 해이기도 하다. 마리 퀴리는 최초로 노벨상을 수상한 여성일 뿐만 아니라 최초로 서로 다른 분야, 즉 물리와 화학에서 두 번이나 노벨상을 수상했고, 파리 대학 최초의 여성 교수였으며, 파리의 국가 영묘 판테온에 묻힌 최초의 여성이었다. 그녀는 방사능 과학의 문을 열고 이를 기초학문으로 정립했을 뿐만 아니라, 의학적인 연구와 치료에까지 활용하여 새로운 시대로 이끄는 역할도 했다. 모든 사회적 인습과 장벽을 넘어, 시대를 앞선 선구자이며 진정한 의미의 여성해방 운동가이기도 하다. 수많은 젊은이들의 삶의 방향에 영향을 주었고, 학문에 대한 불꽃같은 열정을 불사른 마리 퀴리의 생애를 조명해 본다.

어린 시절: 마리 퀴리의 어릴 적 이름은 마냐 스쿼도프스카로, 1867년 폴란드의 수도 바르샤바에서 1남 4녀 중 막내로 태어났다. 당시 폴란드는 세 나라에 의해서 분할되어 있었는데, 동쪽은 제정 러시아, 남쪽은 오스트리아 제국, 그리고 서쪽은 프러시아의 지배를 받았다. 마냐의 아버지는 남자 고등학교에서 수학ㆍ물리 수석 교사였고, 어머니 역시 여학교 교장이었다. 그녀의 부모는 폴란드의 독립은 무력에 의해서가 아니라 끊임없는 교육과 지적 성장, 특히 과학을 통해서 가능하다고 믿고 있었다.

마냐가 태어날 무렵 제정 러시아는 폴란드인의 민족적 정체성 말살 정책으로 폴란드 문화와 언어를 배우거나 사용하지 못하도록 박해를 했다. 공립학교에서는 폴란드에 적대적인 러시아 교사들이 전 과목을 러시아어로만 가르쳤다. 마냐가 6살 때 아버지가 친폴란드적이라는 이유로 학교에서 해고당하고 점점 한직으로 학교를 옮겨 다니자 집안 형편은 점차 악화되었다. 마냐가 12살 되던 해, 어머니는 결핵으로 세상을 뜬다. 마냐는 어릴 때부터 총명하여 어려운 집안 상황에도 불구하고 고등학교를 최우등으로 졸업했다. 그녀는 대학에 진학하고 싶었지만 당시 여자들에겐 대학 입학이 허용되지 않아, 언니 브로니슬라브와 함께 이동학교에 다녔다. 이동학교란 제정 러시아 당국의 눈을 피해 이리저리 옮겨 다니며 가르치는 야간학교를 말한다. 아버지가 투자 실패로 그나마 있던 돈을 몽땅 날리게 되자 언니 브로니슬라브와 마냐는 더욱 힘겹게 투쟁하지 않을 수 없었다. 브로니슬라브가 파리로 가서 의과대학을 다니는 동안, 마냐는 돈을 벌어 언니를 도와주고 2년 후에는 교대해서 언니가 그녀를 도와주기로 약속을 한다. 마냐는 약속대로 언니를 돕기 위해 처음에는 변호사 집에서, 그 후에는 농장을 경영하는 아버지의 친척 조라프스키 집에서 가정교사를 했다.