파퓰러사이언스는 바로 이와 같은 이유에서 뛰어난 10인을 선정하는 6개월이란 긴 과정을 거치면서 존경받는 과학자, 대학 학과장 그리고 저널 편집자들 수 백 명에게서 자문을 구하여 각각의 분야에서 가장 확고한 입지를 가지고 있거나, 혹은 가장 유명한 과학자들을 선정해 달라고 부탁했다.
우리가 원한 이들은 매버릭, 즉 젊은 과학자들이었다. 우리가 알고 있는 것은 물론, 우리가 알아낼 수 있으리라 생각하는 한계까지 바꾸고 있는 이들을 원했던 것이다.
최종 선정된 10인은 젊고(평균 연령: 34) 이제 막 각자 분야 밖에서도 인정을 받기 시작했다. 하지만, 이들은 급진적인 생각으로 동료들 사이에서 존경이나 격려를 받는 경우가 극히 드물고 우리들사이에서도 그렇다. 이와 같은 이유로 이들에게는 뛰어난 10인에 선정될 자격이 충분하다.
이론 물리학
우주속에 존재하는 제 5공간을 입증한다
니마 알카니-하메드 34세
그는 우리가 속한 우주는 거의 끝없는 해양 속에 있는 수 많은 우주 가운데 하나일 것이라 생각한다.
중력이 행성을 움직일 정도로 강한 반면 또 한편으로는 냉장고에 붙이는 자석에 저항할 수 있을 정도로 약할 수 있는 것일까? 이는 물리학의 핵심에서 많은 이들이 풀려고 노력하고 있는 의문점이다.
최고의 이론조차 중력이 왜 다른 원천적인 힘(예를 들어 전자기)보다 더 약한지를 설명하지 못하고 있기 때문이다. 그러나 이 같은 난제를 풀기 위해서는 종종 전통적이지 않은 방법이 필요할 때가 있다. 바로 니마 알카니-하메드와 그의 동료들은 아주 뛰어난 방법을 고안해 냈다. 이들은 중력이 삼차원 공간의 우주에서 어마어마한 크기의 2차원으로 빠져나와 그 힘이 약해진다는 가설을 세웠다. 다시 말하자면, 우리가 속한 우주 어딘가에 틈이 있어 새고 있다는 것이다.
그로부터 1년 그리고 세 개의 논문이 나온 후, 이 같은 생각을 중심으로 아주 새로운 연구 분야들이 생겨나기 시작했다.
버클리 대학에서 박사학위를 취득하고 1년 만에 그는 유명해 졌다I(이론 및 분자 물리학 분야에서 말이다). 알카니-하메드를 뉴잉글랜드에 있는 대학원으로 데려오기 위해 노력하였으나 결국 실패하였던 하버드 대학의 이론 물리학자 하워드 조지씨는 “니마가 대성할 조짐은 학부시절부터 확실히 있었죠. 이제 그는 자기 세대의 그 어느 누구보다 더 앞서 있어 이건 다소 난처하게까지 느껴질 정도죠.”라고 말한다.
결국 알카니-하메드는 하버드에 오게 되었는데, 30세에 물리학 정교수가 되었으며, 바로 이 곳에서 현재 그는 그가 최근 가진 직감을 따라 연구하고 있다. 그러나 이번에는 여분의 공간이 아닌 다른 부분, 바로 또 다른 우주들을 연구 중이다. 그 우주의 수는 약 10500개에 달한다. 알카니-하메니를 비롯한 소수의 독립적인 과학자들은 우리가 속한 우주는 광활한 우주 속에서 나란히 존재하고 있는 수 십억 개에 달하는 알려지지 않은, 각자만의 물리와 고유 성질을 가진 우주들 중의 하나가 아닐까 생각하고 있다.
이를 입증할 그의 첫 번째 증거는 비록 간접적인 것이나, 이르면 내년에 스위스 제노바에 있는 물리학자들이 전 세계에서 가장 막강한 입자 가속기인 거대 하드론 충돌기(LHC)를 작동시켜 모아질 수 있을 것으로 보인다.
알카니-하메드의 계산이 정확하다면, LHC로 ‘초대칭’이라 불리는 감춰진 우주의 특징을 밝혀낼 것이다. 이 ‘초대칭’은 우주의 모든 입자들 중 절반은 대칭되는 다른 똑같은 입자를 가지고 있으며 이를 LHC로 볼 수 있을 것이라는 학설이다.
그렇다면 이 모든 것이 의미하는 바는 무엇인가? 약 500여년 전 코페르니쿠스가 우리의 작은 지구가 사실상 우주의 중심이 아니라고 외쳤던 것이 기억나는가? 알카니-하메드와 그의 동료들의 주장이 맞다면, 멀티버스 우주에서 우리 세계가 가진 의미는 우리 우주의 모든 물질에 비추어 볼 때 한 원자에 불과하다는 것이다.
행성과학
요동치는 지구 磁氣구 발견 입증
제리 골드스텐 35세
그는 지구가 원래 가지고 있는 플라즈마 막이 우리가 기대했던 것 만큼 안정적이지는 못하다는 것을 보여주었다.
브루클린 대학 학생시절 제리 콜드스텐이 유일하게 “B”학점을 받은 과목은 물리학이었다. 이에 그는 다른 올바른 사고를 하는 학생들과는 다른 행동을 취했다. 바로 다름 아닌 물리를 공부하기로 결심한 것이었다. 그는 이 같은 선택에 대해 “날 신나게 만든 유일한 것이 바로 물리였다”고 말한다.
요즘 그는 지구를 감싸고 있는 보이지 않는 자기막인 자기구를 연구 중이다. 과학자들은 이막의 바깥쪽 막이 시속 수백만 마일로 태양에서 떨어져 나오는 태양풍이 강타하고 있다는 사실은 알고 있었지만, 대부분은 그 속의 막인 자기구는 상대적으로 평온한 전기 가스 막이라고 생각하고 있었다.
골드스텐씨는 그 모든 것을 뒤집어 버렸다. NASA의 이미지 위성에서 읽어 들인 것을 이용하여 그는 가장 맹렬한 태양폭풍이 몰아치는 동안 그 평온하리라 생각하였던 자기막이 완전히 바깥 공간으로 침식해 버린다는 것이다.
이렇게 되면 우주비행사들은 강렬한 전자기 방사선에 노출되게 되며, 방어 및 통신 위성에 탑재된 회로판이 타버리고, GPS 기록에 250피트(약 76미터)의 오차가 생기게 된다.
골드스텐씨는 지구가 태양과 어떻게 상호작용하는 지를 보여주는 모형을 다시 만들기 시작해 새로운 기록과 맞도록 접목시켰다. 이런 과정에서 그는 지구의 자기구가 그 어느 누가 예견했던 것보다 더 변동이 심한 환경임을 증명해 보여 주었다.
골드스텐의 동료인 짐 버치씨는 “그가 없었더라면 10년 후에도 이 모든 것을 알아내려고 고심하고 있었을 것”이라고 말한다.
바이오 공학
세포간 흐름을 이용한 신체 조직 배양
멜로디 스와츠 37세
멜로디 스와츠씨는 우리 몸속의 신비로운 흐름이 조직배양에 어떻게 일조할 수 있는지 보여준다.
종이에 손이 베일 때마다 우리는 정맥에 피가 흐르고 있음을 깨닫게 된다. 하지만 멜로디 스와츠씨가 말하려 하는 바는 이보다 덜 알려진 흐름, 즉 우리 조직을 고동쳐 흐르고 있는 세포간 액의 느린 흐름이 가진 중요성에 대해서다.
운만 따른다면 그 흐름은 실험실에서 조직을 배양하기 위해 오랫동안 찾아왔던 결정적 단서가 될 것이다.
로잔 스위스 연방 기술국에서 멜로디 스와츠씨는 그녀의 컴퓨터 화면상으로 튜브가 얽혀 있는 것을 가리켜 보인다. “저 가늘고 긴 것들 보이시죠?”라고 그녀가 묻는다. 그녀는 노스웨스턴 대학의 바이오 공학자이기도 하다. “저것들은 바로 기능적 네트워크의 초기 단계입니다.” 바로 그녀가 세포간 흐름을 이용하여 배양해낸 최초의 생물 조직인 것이다.
이전에는 조직배양이 일어나게 하는 작용에 대한 이해가 부족하여 바이오 공학자들이 만들어낼 수 있는 것은 고작 피부나 심장근육과 같은 몇몇 간단한 조직들 밖에 없었다.
그러나 작년에 스와츠씨가 인간 세포를 가지고 한 실험에서 이 발달 과정에서 이런 흐름들이 모포젠이라는 단백질을 재분배하게 되고, 그러면 이들은 조직 배양을 돕는 모세혈관 망을 만들어 내라는 신호를 세포들에게 보내게 된다는 사실을 알게 되었다.
그녀는 처음으로 이 느린 흐름이 배양에 있어 아주 중요해 이들이 없을 경우 분화된 조직들이 생물 실험그릇에서 뭔가 잘못된 것처럼 변질해 버린다는 사실을 알아냈다.
스와츠씨의 이같은 발견은 늘 물리적 마음가짐에서 나왔다. 학부시절 그녀의 전공은 생물학이 아닌 공학이다.
그녀의 연구는 아주 새로운 것이라 종종 보조금을 유치하는데 어려움을 겪어 왔다. 그녀의 연구는리 지정된 연구방향과 맞지 않는 경우가 더러 있었다.
그녀의 동료들은 이러한 어려움은 바로 그녀의 접근방식이 얼마나 혁신적인 가를 보여주는 것이라고 말한다.
한 예로 그녀가 하는 연구에서는 이식이 가능한 기관을 실험실에서 만들어 내려면 세포 간의 흐름을 재현해야 할 필요성이 있음을 시사하고 있다. 암세포가 흐름을 타고 몸의 나머지 부위로 번지므로, 이런 흐름을 이해하고 나면 연구자들이 새로운 항암제를 만들어 내는데 도움이 될 것이다.
“그녀는 세포들이 흐름에서 일어나는 아주 작은 변화에도 얼마나 민감한지를 보여주고 있어요. 이러한 현상들이 결국은 아주 기본이 되는 아이디어로 남게 될 것입니다.”라고 MIT의 바이오공학자 린다 그리프스씨는 말한다.
기후학
북극 기후체계를 밝혀낸 과학자
데이비드 톰슨, 36세
그가 발견한 결정적인 북쪽 날씨 패턴이 기후 과학을 최고 수준으로 끌어올렸다.
데이비드 톰슨은 20대 워싱턴 주립 대학 대학원생 시절에 후에 기후학자가 북쪽의 날씨 패턴을 이해하는 방향을 바꾸게 한 현상을 발견하는데 일조 했다.
즉 톰슨과 그의 지도교수였던 대기과학자 존 M 월레스가 처음으로 지구 윗부분의 3분의 1을 차지하고 있는 기후 체계를 밝혀낸 것이다. 그들이 소위 AO라고 부르는 이것은 클리브랜드의 눈보라, 스페인의 비에서 동쪽 해안의 무시무시한 노리스터에 이르까지 성층권 전체에 걸쳐 날씨 패턴을 바꾼다. 이를 북쪽의 엘니뇨라 부르기로 하자.
북위 55도(모스코바와 케치칸 그리고 알래스카와 나란한)로부터 시계 반대방향으로 소용돌이치는 AO는 고요한 단계(바람이 더 서서히 불고 쉽사리 진로를 벗어나 차가운 북극의 바람을 중위도로 불게 한다)에서 활발한 단계(바람이 거세지고, 차가운 공기를 안고 있다)로 자주는 며칠 간격으로 바뀐다. 하지만 시간이 점차 흐르면 그 방향이 나타난다. 한 예로, 1980년대와 1990년대에는 좀 더 따뜻한 겨울과 관련 있는 활발한 사이클이 지배적이었다.
AO의 발견은 기후 연구의 많은 분야에 거의 즉각적으로 영향을 미쳤으며, 특히 배기가스로 인해 AO가 적극적인 단계에 머물러 있게 되지 않나하는 의문을 가졌던 기후변화 전문가들 사이에 영향을 주었다.
한편, 현재 콜로라도 대학의 교수로 있는 톰슨씨는 그의 주의를 남쪽으로 돌렸는데, 남극은 그 일부에 걸쳐 차가워지는 현상이 나타나는 것에 지구 온난화 회의론자들이 지구가 사실상은 더워지고 있는 것이 아니라는 것을 보여주는 증거로 삼은 지역이었다.
2001년에 톰슨씨와 수잔 솔로몬씨는 이상 기후에 대해 좀 더 그럴듯한 설명을 제시하였는데, 바로 오존구멍이었다.
이들은 대기권의 그 크게 난 구멍은 남극에 걸쳐 있는 바람의 방향을 바꾸어 놓아 결과적으로 이곳의 표면이 차갑게 되고, 여기에서 예외가 되는 남극반도에서는 놀라운 속도로 빙하들이 남해로 떨어져 나가고 있다는 것이다.
톰슨의 전 세계적인 연구를 결집시켜 주는 것은 상층 대기권의 중요성에 대한 열정이다. “이 아래쪽에서 일어나는 현상이 나중에 다시 되돌아오죠. 결국 꼬리가 개의 몸을 흔들게 되는 격이 되는 겁니다.”라고 그는 말한다.
동물학
벌레와 대화하는 여인
켈리 도간, 26세
그녀의 공학 기술은 땅 밑 세계를 완전히 뒤집어 놓았다.
“전 늘 벌레가 좋았어요.” 켈리도건은 벌레 한 마리를 젤라틴 탱크를 파고 들어가도록 유인하고 있었다. 근처 미끼 상점에서 공급받은 길이 6인치(약 16센티미터)의 갯지렁이는 협조할 기미를 전혀 보이지 않고있다.
메인 대학에서 박사 과정을 밟고 있는 도건은 이를 살짝 자극하면서 비디오 장비를 준비한다. 곧 작성할 논문을 위해서는 괜찮은 장면이 필요하기 때문이다. 도건이 조명을 켜자 벌레가 젤라틴 표면 위에서 꿈틀 거린다. 도건이 모니터를 조절하자 벌레가 이리저리 돌아다닌다.
대부분의 작업을 이 차가운 실험실에서 하는 도건은 벌레가 어떻게 움직이는 가에 대한 1세기 된 다윈의 학설을 시험하고 있다.
이 연구로 그녀는 단숨에 땅 밑 세상에 있어서는 전문가의 위치에 올랐다. 듀크 대학의 생체 역학 교수 스티븐 보걸은 “그녀가 속한 분야에서 연구하는 사람이면 누구건 처음에는 그녀가 쓴 논문을 읽거나 그녀에게 이메일을 보내는 것으로 시작하죠.”라고 말한다.
벌레들은 관찰하기에 힘든 것으로 악명이 높으며, 생물학자들은 지금까지 벌레들이 어떻게 움직이는 가에 대해 명확한 설명을 제시하지 못해 왔다. 다윈은 벌레들을 좋아하였고, 이 문제를 진지하게 밝혀 보고자 한 최초의 과학자 중 한사람이었다.
그는 땅을 파헤치며 지나가는 벌레들의 모든 측면에서 흙이 밀려날 것이라고는 생각하지 않았다. 그는 밀다가 밀치고 나가야할 상황에서는 벌레가 지나가는 길에 있는 흙을 삼킨다고 생각했다.
그의 학설은 120년이 넘게 자리를 지켜왔으나, 이는 후에 과학자들로 하여금 왜 하필 굴을 파는 것이일까라는 의문을 가지게 했다. 즉, 다른 돌아다니는 수단에 비해 흙을 먹으면서 나아가는 것은 아주 비효율적으로 보인 것이다.
도건은 벌레가 흙을 뚫고 나가는데 도움이 될 만한 어떤 방법을 쓰는 것이 틀림없다고 생각하였으나, 이와 관련한 힘들을 연구하기 위해서는 공학에서 학위를 취득하는 것과 같은 노력이 필요했다.
“제가 가진 학문적 배경은 생물학밖에 없었어요. 제가 필요로 하는 물리학에 대해선 아는 게 전혀 없었죠.”라고 그녀는 말한다. 이를 보완하기 위해 그녀는 낮에는 공학 수업을 듣고 저녁에는 구글 검색으로 각종 해법을 찾아다녔다.
그러던 중 마침내 광탄성 압력 분석이라고 알려진 방법을 찾아내게 된다. 여기에서는 편광과 카메라 필터를 정교하게 설치하여 어떤 물체에 가해진 압력을 측정한다. 그녀는 해양 침수물과 똑같은 물리적 특성을 가진 바닷물-젤라틴 혼합물을 찾아내어 이를 탱크에 넣었다. 그리고 난 후 여기에 벌레를 넣어 벌레가 굴을 파는 모습을 촬영하였다.
벌레 주위의 압력 범위를 연구한 결과, 도건은 벌레가 실제로 입을 마치 쐐기처럼 안팎으로 움직여 흙에 구멍을 뚫는다는 사실을 알게 된다. 그리고는 벌레는 틈에 생긴 공간으로 서서히 움직여 들어갔다. 계속 움직여 나가기 위해서는 단지 그 틈을 지레처럼 들어올리기를 반복하였다.
이는 공학용어로 ‘틈 확대’로 알려져 있는데, 도건은 연구에서는 이렇게 하면 벌레가 지나가는 길에 있는 모든 흙을 소화시키는 것보다 훨씬 더 적은 에너지가 소모된다고 말하고 있다.
그녀의 발견은 전 지하 생태계에 대한 과학자들의 이해를 바꿔 놓았다. 이제 생물학자들은 주변을 둘러보면 보이는 조개, 섬게, 심지어는 자라고 있는 뿌리의 끝조차 실제로는 살아있는 지레와 같은 것임을 깨닫고 있다.
도건은 땅을 파는 것이 해안지역에서 광범위하게 미치는 영향에 대해 조사할 계획이다. 해안지역에서는 벌레들이 묻혀 있는 영양분을 끄집어내고, DDT와 같은 오염물질을 위로 내놓는 과정을 통해 맨 위에 있는 두께 10센티미터의 흙을 골고루 섞어줄 수 있다.
재료 공학
수소 저장용 탱크를 나노재료로 설계
오마르 야기, 41세
그가 현재 만들고 있는 아주 작은 스카폴드(scaffold)가 언젠가는 어쩌면 우리들의 기름 탱크에서 수소를 담아두는 장치가 될 수도 있다.
오마르 야기는 UCLA에 있는 그의 화학 실험실에서 걸어 나와 문을 닫고는 자신의 어깨 뒤를 슬쩍 돌아본다. “전 제 경력 대부분 정말 끔찍한 비밀을 숨겨 왔어요. 바로 화학물질이 무섭다는 겁니다.”라고 그가 익살맞은 미소를 지어 보이며 말한다.
자신의 분야에서 가장 영향력이 있는 눈문을 발표한 바 있는 화학자가 이 같은 공포심을 가진다는 것은 좀 이례적으로 보인다. 그러나 ‘야기’가 이 분야의 연구를 택한 것은 폭발할 위험을 안고 있는 물질 때문이 아니라 지적인 문제 때문이다.
그가 발명해낸 물질 중 하나(마치 베이비 파우더처럼 보인다)를 항아리에 채우면, 거짓말처럼 들리겠지만, 여기에는 빈 방 하나를 가득 채울 양보다 더 많은 양의 천연가스를 담을 수 있다. 많은 화학자들은 야기의 발명품이 만약 수소 저장에 알맞도록 맞춰진다면 수소차용으로 사용이 가능한 최초의 연료탱크가 될 수 있을 것으로 본다.
그가 발명해 낸 물질을 10억배 정도 확대해 보면 마치 거대한 스카폴드(scaffold)처럼 보일 것이다. 재료 과학자들은 이와 비슷한 구조를 이전에도 본 적이 있긴 하나, 특수한 목적에 사용되도록 이를 맞추어 만들어 내지는 못하였다.
남 플로리다 대학의 마이크 카오로코 교수는 이같은 구조를 화학자들의 스펙에 맞추어 고안하는 것은 “꿈과도 같은 것이었는데, 야기가 이를 현실로 바꾸어 놓은 셈이죠.”라고 말한다.
이런 구조를 만들기 위해 야기는 아주 작은 금속 지지대를 사용하였는데, 이들 지지대의 접합 부분은 견고하여 거의 모든 형태를 만들어 보는 것이 가능하였다.
한 예로 그가 만든 단단한 벌집 모양의 구조물은 가스를 보관하는데 아주 안성맞춤인데, 가스 입자가 대들보에 들러붙으면서 서로에 밀착하게 되고 고압이나 저온 작용 없이 압축될 수 있기 때문이다.
앞으로 몇 년 후에는 야기씨는 자신의 연구가 실제 세상에서는 굴뚝에서 나오는 이산화탄소를 잡아내는 필터와 같은 응용물로 성과를 낼 것이다. 하지만 야기씨에게 있어 그 같은 사용은 부차적인 문제이다.
“사회의 문제들을 해결하기 위해 이걸 시작한 건 아니에요.” 라고 그는 말한다. 오히려 그는 단지 늘 미지의 것을 추구해 왔을 뿐이다. “진심으로 하다보면, 그게 언젠가는 사회에 쓸모 있는 것이 될 것입니다.”
수학
수학계의 위대한 통합자
테리 타오, 31세
그는 또 다른 굉장한 해법을 찾아 수학계를 탐색하고 있다.
조각난 메시지를 조합하기 위해 새롭고 강력한 방법을 원하는 암호 풀이가 들은 UCLA에 있는 보육시설에 감사해야 할 것이다.
바로 여기에서 UCLA 수학자인 테리 타오와 근처에 있는 캘리포니아 기술 연구소의 엠마뉴엘 캔데스가 아이들을 데리러 가서 기다리던 중, 뒤죽박죽이 된 메시지의 일부만 가지고도 이를 재구성해 낼 수 없을까 하는 의문을 가졌던 것이다.
이들은 기하학, 통계학, 미적분학과 같은 다양한 분야에서 가져온 아이디어를 사용하여 이것이 (특수한 경우에) 가능하다는 것을 증명했을 뿐만 아니라 그 방법까지 보여주었다. 전화선을 도청하는 CIA요원이건 불규칙한 뇌 스캔을 재구성하는 의사이건 아무튼, 이들의 기술은 현재 혼란스러운 신호를 명확히 하려는 사람들 모두를 채용하고 있다.
이 작업은 바로 도(길)의 정수라 할 수 있다, 즉 수학적 스펙트럼 전반에 걸친 기술들을 완전히 익혀야 하는 새로운 분야에서 돌파구와 같은 것이다. 바로 이 독창성으로 ‘타오’는 올해 수학의 노벨상과 맞먹는 필즈 메달을 수여했다.
타오는 1986년 이래 최연소 수상자이며, 이보다 2년 앞선 84년에는 타오는 세계 수학 올림피아드에서 최연소로 우승한 바 있다. 그 후 21세에 프린스턴 대학에서 박사 학위를 받은 후 10년 동안 “그는 수학계를 완전히 놀라게 만들었죠.”라고 토니찬 UCLA 물리학장은 말한다.
타오는 수학에서 최소 5개 분야에서 중요한 발견을 하였으며, 찬은 “이 분야의 선배격인 사람들이 경탄해 마지않으면서 머리를 긁을 지경이죠.”라고 말한다.
타오의 발견 중 가장 유명한 것은 수학계에서 수 백 년 동안 연구해온 것에 종지부를 찍었다. 여기서 그는 여러 분야의 방법을 사용하여 소수 사이에 놀라운 패턴을 발견했다.
그렇지만 타오에게는 서로 다른 수학 사이에 있는 기존의 경계선은 존재하지 않는 것처럼 느껴진다.
타오의 무한 소수
테리 타오와 영국 브리스톨 대학의 벤 그린이 소수 사이에 놀라운 패턴을 발견했다. 여기 그들이 35페이지에 걸쳐 증명한 것의 요약본을 보자.
우선, 소수를 찾는다
소수란 1과 바로 그 숫자만으로 나눌 수 있는 3,11,421과 같은 숫자를 가리킨다.
그런 후, 소수 산술 프로세스(PAP)을 만들어라
이 프로세스는 일련의 소수들로, 이 안의 소수들은 다음에 오는 소수들과 똑같은 차이로 떨어져 있는 것들을 말한다. PAP “5,11,17,23”은 4개의 숫자로 되어, 각 숫자와 다음 숫자의 차이는 6이다.
타오와 그린이 입증해 낸 것은?
각 길이별로 무한히 많은 PAP가 있다. 따라서 “5, 11, 17, 23”는 단지 4개의 숫자를 가진 무수히 많은 PAP 중 하나에 불과할 뿐이다. 여기에는 5개 또는 10개 심지어는 1,936,046개의 정수로 이루어진 PAP도 무한히 있다.
행성 지질학
우주에서 지구와 같은 행성 찾기
사라 시거, 35세
그녀의 시뮬레이션은 천문학자들에게 다른 행성에서 생명체가 어떤 자취를 남길 수 있는가를 보여준다
지난 10여 년간 천문학자들이 새로 발견해낸 멀리 있는 별 주변을 돌고 있는 행성의 수는 200개에 달하지만, 그 중 어느 것도 지구와 같은 모습을 하고 있지 않았다.
워싱턴의 카네기 연구소 소속의 천문학자 사라 시거는 이제 이를 바꿀 때가 왔다고 보고 있다. 멀리 있는 별들이 만약 대기권을 가지고 있다면 그것이 어떤 성질을 띠고 있는지를 알아낼 수 있는 방법을 고안해낸 그녀는 우리가 살고 있는 지구와 같은 행성들이 은하수에 무수히 많음을 입증해 내고자 한다.
멀리 있는 행성이 어떤 물질로 구성되어 있는지에 대한 정보가 빈약함에 따라 시거는 일찍이 지구가 수천광년 떨어진 곳에 있다고 가정할 경우 어떻게 보일 것인가를 고려하여 다른 태양계 행성의 모형을 만들었다.
그리고는 그녀가 고안한 이 지구와 같은 행성의 크기를 두 배로 하거나 대기권에 기묘한 가스를 채우거나 하는 등의 방법으로 수 천 차례의 다른 방법으로 변화를 주고는 그럴 때마다 그 모양이 어떤지를 다시 측정하였다.
이렇게 하여 그녀가 구축한 우주들을 보면, 새로 발견되는 행성들이 어떤 물질로 구성되어 있을지를 추측해 보는 것은 물론이며, 천문학자들이 무엇을 찾아야 하는 지를 알 수 있다.
실제로 시거가 만든 모형은 멀리 있는 행성을 감싸고 있는 대기권을 최초로 발견하는데 도움이 되었다. 1999년 그녀가 하버드 대학에서 박사학위를 받은 지 바로 한 달 후, 천문학자들은 지구에서 봤을 때 모체행성 주위를 한 번 돌때마다 아주 조금이긴 하나 눈에 보일 정도의 별빛을 가리면서 모체별 앞을 지나는 한 행성을 발견하였다.
시거는 이 행성에 대해 알려진 바를 그녀가 만든 모형에 집어넣어 본 후, 이 목성 같은 ‘가스 별’ 주변 대기권에 나트륨과 칼륨 성분이 있을 것이라고 추측하였다. 2년 후 천문학자들은 이 물질의 흔적을 찾기 시작하였고, 실제로 이 화학물질의 흔적을 찾을 수 있었다.
그 후로 시거는 자신의 기술을 사용하여 12개의 우주 주변의 대기권을 자료화 하여, 이제는 지구와 같은 환경이나 어쩌면 외계 생명체까지 보여줄 수 있을 오존과 같은 화학적 흔적을 찾고 있다.
그녀는 외계 생명체가 내뿜을 가능성이 있는 모든 화학물질을 목록으로 만들고, 이 각 혼합물들이 한 행성의 대기권에 남길 수 있는 생물학적 흔적에 대한 모형을 만들고 있다.
동물 언어학
새와의 대화를 통해 인간 언어진화 과정 탐구
에릭 자비스, 41세
그가 한 지저귀는 새에 대한 연구가 인간의 언어에 대해 우리가 알고 있다고 생각한 대부분을 바꾸어 놓고 있다.
지저귀는 새들의 합창소리에 둘러싸여 있는 것이 즐거운 경험이라고 생각한다면 다시 생각하라.
듀크 대학에 있는 에릭 자비스씨의 지브라 핀치 사육실의 정 중앙으로 들어간다는 것은 마치 200개의 나지막한 삑 소리를 내는 자동차 알람 200개가 가득 차 있는 대강당에 들어서는 것과 같다.
이 공간에서 듣기 좋은 유일한 소리를 내는 이는 자바스인데, 유명한 신경 생물학자인 그는 구애하는 수컷 지브라 핀치가 내는 곡과 놀라울 정도로 흡사한 버전을 부르고 있었다.
자비스는 이 곡을 핀치가 배우는 방식대로 배웠다, 즉, 다른 핀치들이 내는 소리를 듣고 음을 모방하는 방식으로 말이다. 이것으로 사람과 핀치는 둘 다 ‘소리 학습자’임을 알 수 있는데, 이는 동물 세계에서 찾아보기 힘든 특성이다(인간, 지저귀는 새, 벌새, 앵무새, 박쥐, 돌고래, 고래 그리고 코끼리만이 가능한 것으로 알려져 있다)
자비스씨의 이 새로운 연구는 이 공통된 능력이 기본적으로는 유사한 뇌 구조에서 기인하는 것임을 시사한다. 이것으로 어쩌면 ‘언어’가 모든 척추동물의 뇌에 입력되어 있는 타고난 능력임을 보여줄 증거를 제공할 수도 있을 것이다.
자비스가 처음에 지저귀는 새가 새로운 곡을 학습하는 방법을 알아내기 위해 사용한 방법은 새들이 마지막으로 노래를 부른 직후 그 뇌를 냉동하고 얇게 자른 후 염색하는 것이었다.
이 방법으로 새들이 어떤 곡을 배우는 데는 두 개의 뚜렷한 신경경로를 사용한다는 것으로, 그 중 하나는 뇌의 앞부분에, 나머지 하나는 뇌의 뒷부분에 있다는 사실이 확인되었다. 그리고 그는 신경 단계에서 인간(그리고 앵무새 그리고 벌새)가 똑같은 방식으로 말하는 법(그리고 노래하는 법)을 배운다는 사실을 알아냈다.
그러나 각 그룹별로 말하는 능력을 독립적으로 발전시켜 왔다면 어떻게 우리 뇌 모두가 똑같은 신경체계를 사용하였을까? 자비스는 이에 대한 해답은 ‘진화’에 있다고 보는데, 즉 우리가 3억 년 전 똑같은 조상에서 출발하였을 때, 뇌가 언어에 필요한 구조를 갖추고 있었다는 것이다.
만약 그의 말이 옳다면, 정교한 인간의 언어조차 뇌의 오래된 구조에서 생겨나온 것이며, 이 구조는 핀치에서 나오는 언어들이 나오는 구조와 똑같다는 말이 된다.
컴퓨터 공학
매트릭스 설계
루이스 본 안, 27세
컴퓨터가 풀기에는 너무 어려운 문제가 있다면 그는 인간의 처리 장치에 약간 편법을 가해 문제를 해결한다.
가장 인공적인 지능 연구자들은 컴퓨터를 사람처럼 사고하게 만드는 엄청난 과제에 직면해 있다.
카네기 멜론 대학의 루이스 본 안 교수는 이를 다른 방식으로 접근하고 있다. 그는 컴퓨터가 해결하기에는 너무 힘든 사실 극소수의, 그럼에도 아주 중요한 일들에 대해 사람들이 생각하는 기술을 수천 수 만개 이용하고 있다.
그의 전략은 일이 게임처럼 보이게 만드는 데 있다. 본 안씨가 고안해낸 가장 인기 높은 어플리케이션은 컴퓨터 공학에서 가장 힘든 과제 중의 하나인 인터넷의 모든 이미지 레이블링 작업을 해결한다.
컴퓨터들은 시각적 정보에 대한 정밀한 구분을 해내지 못한다. 따라서 ESP게임(espgame.org)에서는 온라인 참여자들을 무작위로 짝지어 웹상의 사진을 레이블하는 경쟁을 시키고 있다.
만약 이것이 성공한다면 다음에 선보일 구글 이미지 검색에서는 우리가 찾는 것과 바로 일치하는 것을 찾아낼 수 있게 될지도 모른다.
플레이어 1 - 플레이어 2
피곤함 - 푸른
컴퓨터 - 일
광채
하품 - 하품
ESP게임이 여러분이 자막을 제공해야 하는 슬라이드쇼라고 생각해 보자. 웹에서는 이미지가 무작위로 뜨고 여러분은 이를 표현할 한 단어로 된 묘사를 맹렬하게 타이핑한다고 하자. 타이핑한 단어 중 하나가 파트너가 추측해낸 것과 일치하면 이는 그 이미지에 대한 레이블이 된다. 이것은 우수한 웹 게임처럼 아주 빠르고 중독성이 있으며 경쟁심도 자극한다.
데이타베이스 - 구글 이미지
레이블 - 레이블
이 방법이 통하는 이유는 사람들이 매일 일하는 시간 중 웹에서 컴퓨터 게임을 하는 시간을 다 합쳐보면 실제로 엠파이어 스테이트 빌딩을 하나 짓는데 걸리는 시간보다 더 많기 때문이다. “만약 오천 명이 이 게임을 동시에 한다면, 구글 디렉토리에 있는 모든 이미지에 대한 레이블 작업을 수개월 내에 끝낼 수 있을 겁니다.”라고 루이스 본 안씨는 말한다.
남자 - 얼굴
벽 - 거울
사람 - 사람
과테말라에서 태어난 본 안씨가 처음으로 자기 컴퓨터를 가진 것은 8세 때며, 같은 해에 스스로 프로그램하는 법을 익혔다. 이후 수학 지향적인 컴퓨터 공학을 공부하던 그는, 그가 정말 하고 싶은 일을 찾았다, 바로 뇌의 힘을 이용하여 컴퓨터를 좀 더 똑똑하게 만드는 일이었다.
“컴퓨터가 알아낼 수 있는 것 이상의 차이를 알아야 해결 가능한 문제에 봉착할 경우 아주 긴요하게 쓰이는 것이 바로 사람의 지능입니다.”라고 그는 말한다.
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