하버드 문과생의 과학 수업 - 우주 지구 생명을 향한 질문과 탐구

하버드대학교에서 ‘인문·사회’ 전공 학부생들을 위해 마련한 ‘과학’ 강의가 《하버드 문과생의 과학 수업》으로 태어났다. 과학을 전공하지 않는 학생들을 위한 수업인 만큼 개론의 형태를 띤 이 책에서는 우주, 지구, 생명이라는 세 가지 대주제 아래 고대부터 지금까지 인간이 자연 세계를 탐구해 온 과정을 폭넓게 살펴본다. 지구가 태양을 공전하고, 대륙이 이동하며, 생명체가 진화해 왔다는 사실은 오늘날의 지식으로 언뜻 당연해 보이지만, 그것을 처음 발견했을 때는 세상을 뒤엎는 심대한 통찰이었다. 발견의 과정 역시 순탄치 않았으며, 자연의 퍼즐을 맞추고자 뛰어든 과학자들이 엉뚱한 지점에서 헤매거나 잘못된 선택으로 막다른 길에 이르는 흑역사를 남기기도 했다. 《하버드 문과생의 과학 수업》은 이 같은 탐구의 여정을 좇아가면서, 과학이란 완성된 지식이 아니라 끊임없이 관찰하고 질문하고 증명해 가는 과정임을 보여 준다. 아울러 수업 내내 질문하기의 중요성을 강조한다. 과학은 질문에서 시작되고 탐구로 이어져 이해에 이르며 또 다른 질문으로 더 멀리 나아가기 때문이다. 한 학기짜리 개론 수업을 통해 과학을 다 알 수는 없다. 하지만 자연 현상을 관찰하고 그것이 어떻게 작동하는지 궁금해하며 증거를 바탕으로 사고하는 과학의 여정을 따라가다 보면, 단지 과학만이 아니라 세상을 이해하는 폭이 한층 넓어진다.

[목 차]
  

서문

들어가는 말: 과학의 통합에 관하여

1부. 우주의 베일 벗기기

1장. 하늘에서 움직이는 빛

2장. 천체 운동의 모형

3장. 망원경과 빛의 속도

4장. 뉴턴과 아인슈타인의 우주

5장. 우주 거리 사다리

6장. 우주 마이크로파 배경 복사

7장. 암흑물질과 암흑에너지

2부. 지구와 화석

8장. 지구의 모양과 크기

9장. 지구 내부 탐색과 지진

10장. 지구 표면의 진화

11장. 물질의 구조

12장. 지구의 나이

13장. 화석 기록

14장. 지상 최대의 초식동물

15장. 소행성 충돌과 대멸종

3부. 생명의 이야기

16장. 다윈과 월리스와 멘델

17장. 유전의 핵심 분자 찾기

18장. DNA의 구조를 밝히다

19장. 유전 정보와 생명의 중심원리

20장. 생명의 기원과 진화의 경로

21장. DNA 연구의 활용

22장. 외계 생명체를 찾아서

그림 출처

참고 문헌

찾아보기

[본 문]
  

과학은 종종 마술처럼 보이지만 과학과 마술, 그리고 과학자와 마술사 사이에는 아주 큰 차이가 있다. 과학자는 언제나 자신의 연구나 발견에 대해 기꺼이, 그리고 자세히 얘기하고 싶어 한다. 그래서 아마도 내가 이 책에서 그러듯이 끊임없이 떠들어 댈 것이다. 하지만 마술사는 정반대다. 마술사도 이 책에서의 나처럼 시연을 한다. 자, 방금 나는 여러분 앞에서 서로 묶여 있는 색깔 천 조각 세 개를 주머니에 넣었다. 그런 다음 적절한 주문을 외우고 다시 주머니에서 천 조각을 꺼냈다. 짜잔! 하나로 묶여 있던 천들이 모두 풀렸다. 하지만 나는 아무 설명도 하지 않는다. 마술사는 빠르게 주문을 외우는 데만 제 목소리를 사용한다. 서약에 따라 그들은 같은 마술 사끼리가 아니면 자신이 어떤 속임수를 사용했는지 절대 발설하지 않는다. 그들은 무덤까지 이 비밀을 가져갈 것이고, 그래서 결국 우리는 과학으로 돌아온다. - ‘들어가는 말’에서

과학의 일차적인 목적은 그 이유를 캐는 것이 아니라 자연의 행동을 탐구하여 적절한 모형을 세우는 것이다. 무엇을 위해서, 또 어떤 이유로 그렇게 하는 걸까? 여기에는 인류의 타고난 호기심을 채우는 것 말고도 훨씬 더 실질적인 목적이 있었다. 그중의 으뜸이 바로 식량이다. 작물을 심기에 가장 좋은 시기는 언제인가? 사냥에 나설 최적의 시기는 언제인가? 그리고 정확히 언제 이 질문의 답을 알아야 하는가? - ‘1장. 하늘에서 움직이는 빛’에서

엄밀히 말해 케플러의 법칙은 어길 수 없다는 의미에서의 법칙은 아니다. 그러나 자연의 행동에 대해, 더구나 1600년대 초에 가능했던 관측 수준에서는 상당히 훌륭한 근사치를 제공했다. 특히 행성의 위치를 관측한 튀코의 기록에 제법 잘 일치하게 예측한다. 한 가지 중요한 예를 들자면, 지구와 화성에 동시에 적용했을 때, 과거 모형이 골치를 썩였던 역행 운동에 대한 예측 오류가 흔적도 없이 사라졌다. 케플러가 일으킨 혁신은 현대 과학 발전에서 아주 중요한 이정표가 되었다. 그의 법칙은 독립적으로 상정되었고, 다른 단순한 원리를 따른 것도 아니었지만 커다란 일 보 전진이었다. 현대적 관점에서는 이 법칙이 어설픈 임시 모형으로 보일 수밖에 없지만, 앞에 서 말한 대로 당시의 측정 수준까지 모형의 수준을 끌어올린 눈부신 도약으로, 인간이 행성 운동의 정량적 모형을 만들기 위해 애쓴 1,500년의 노력 끝에 나타난 최초의 발전이었다. - ‘2장. 천체 운동의 모형’에서

에드윈 허블로 돌아오면, 그는 멀리 떨어진 은하에 있는 세페이드 변광성을 관측한 결과를 바탕으로 수백만 광년이라는 거리를 추정했다. 과거보다 훨씬 더 강력한 망원경을 사용한 덕분에 가능한 일이었다. 허블이 내놓은 결과는 섬우주가 당시 우리은하의 경계라고 믿었던 영역보다 훨씬 멀리 떨어져 있음을 보여 주었고, 우리은하와는 다른 별개의 은하라는 결론으로 이어져 천문학계의 흐름을 바꾸었다. 이렇게 해서 우리가 우주에서 특권을 누리는 자리에 있다는 우월감은 또 한풀 꺾였고, 일개 은하의 중심에서조차 멀리 떨어진 존재임을 확인하게 되었다. 이제 우주 어딘가에 지적 생명체가 존재한다는 확실한 증거를 찾는 것은 우리가 우주에서 특권적인 지위를 차지한다는 과거의 믿음을 무너뜨리는 다음 단계이자 마지막 단계가 될 것이다. - ‘5장. 우주 거리 사다리’에서

CMB(우주 마이크로파 배경 복사)의 발견은 과거에는 순전히 추측에 가까웠던 우주론 분야에 탄탄한 관측 기반을 마련했다는 점에서 가치가 크다. 사실상 우주론은 우주의 기원과 이후의 발달 과정을 가장 거대한 공간 및 시간 규모에서 연구하여 궁극적인 ‘큰 그림’을 그리는 분야다. 더 나아가 CMB에 대한 많은 후속 관측과 이론 연구는 우주론을 데이터 중심의 최첨단 천문학 분야로, 그리고 실제로도 가장 큰 규모에서 우리의 기원에 관해 생각하게 하는 분야로 바꾸어 놓았다. - ‘6장. 우주 마이크로파 배경 복사’에서

여기서 중요한 질문. 프래킹 공법 자체가 지진을 일으키는 것일까? 아니면 폐수를 땅속에 도로 넣는 과정이 직접적인 원인일까? (……) 이 질문의 답은 현실적으로 중요하다. 만약 프래킹 공법 자체가 원인이면 이 방식을 금지해야 한다. 반대로 폐수가 원인이라면 처리 방식을 바꿔 해결책을 찾아볼 수 있다. (……) 한 가지 확실한 것은, 인간의 활동이 지구 환경에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 프래킹이 똑똑히 보여 준다는 사실이다. 또 이 문제는 시민의 목소리가 정책에 반영될 수 있는 사례로서, 과학과 관련된 사회 문제에 대하여 최소한의 이해라도 갖추는 것이 얼마나 중요한지 느끼게 한다. 물론 반드시 그런 건 아니지만, 배경지식을 갖추면 조금 더 현명한 선택을 할 수 있을 것이다. - ‘9장. 지구 내부 탐색과 지진’에서

이런 계산을 토대로, 그리고 이 전제에 내포된 불확실성을 어느 정도 고려하여, 켈빈은 1860년대 초에 지구의 나이가 약 4000만 년에서 1억 년 사이라는 결론을 내렸다. 반면에 지질학자들은 지구가 그보다 훨씬 더 오래됐다고 생각하면서도 검증할 방법이 없어서 켈빈의 정량적 접근 앞에서 꼼짝 못 했다. 물론 유창하게 반론을 펴는 회의론자들이 없진 않았지만, 과학의 논쟁은 말솜씨가 아닌 증거로 해결되어야 함을 명심하기 바란다. - ‘12장. 지구의 나이’에서

그렇다면 한 사람이 지니는 DNA의 총길이는 세포 한 개에 들어 있는 DNA 길이를 전체 세포 수와 곱한 값으로, 대략 10의 14제곱 미터라는 결과가 나오며, 이 값을 천문단위로 바꾸면 700AU다. 이 길이는 태양계 전체의 지름과 맞먹는다. 한 발 더 나가서 지구에 사는 80억 인구의 총 DNA 길이를 계산하면, 약 7500만 광년으로 우리은하의 긴지름의 1,000배가 넘는다. - ‘19장. 유전 정보와 생명의 중심원리’에서