사고(思考)하는 두 형제

[에듀인뉴스] 야생에서 문명으로의 긴 여정에서 인류는 자신의 지식 너머에 도사리고 있는 미지(未知)의 무시무시한 어둠을 메우기 위해 신화와 전설을 만들어냈다. 신화와 전설은 이해할 수 없었던 자연 현상을 설명하고 의미를 부여해주었다.

신화 속 이야기 덕분에 고대인들은 더 이상 번개 그 자체를 두려워하는 대신 번개의 힘을 휘두르는 신(神)들을 두려워하게 되었다. 하늘을 번개의 섬광으로 수놓는 성난 신들이 제물 또는 숭배 의식을 통해 진정되면, 곧 비가 내려렸고, 이는 농사에 보탬이 되었다.

그리고 점차 신화와 전설은 과학적으로 정리된 공리(公理)와 원칙에 그 영역을 내주었다. 이처럼 자연을 보다 정확하게 설명하는 힘을 얻게 될수록 인류의 삶은 보다 나아졌다.

프로메테우스와 에피메테우스는 이와 같은 이야기에 등장하는 형제들이다. 그들은 모두 생각하는 티탄들이었지만(메테우스는 '배우는 사람을 뜻함') 이 둘 사이에는 큰 차이가 있었다.

신중한 프로메테우스에게는 예지의 능력이, 진취적인 에피메테우스에게는 창의력과 행동력이 있었다.

제우스가 그들에게 ‘새로이 창조된 세상을 더 재미있게 만들기 위해’ 모든 생명체들에게 선물을 나눠주라는 임무를 맡겼을 때 프로메테우스는 깊은 생각에 잠긴 반면, 동생 에피메테우스는 동물들에게 신나게 선물을 나눠 주기 시작했다.

모든 동물에게 날카로운 송곳니, 뾰족한 발톱 그리고 두꺼운 가죽을 나눠주자 마지막으로 남은 인간들에게는 아무것도 줄 것이 없게 되었다. 인간에게 깊은 동정심을 느낀 프로메테우스는 헤파이스토스의 용광로에서 몰래 불씨를 훔쳐 인류에게 불을 선물하였다.

기술과 과학의 경계

프로메테우스의 선물은 인류 역사에 새로운 장을 열었다. 한때 신의 힘이었던 불은 이제 등잔과 난로, 부엌에서 어둠과 추위와 박테리아로부터 인류를 보호했다.

프로메테우스가 선사한 불의 선물은 2세대 및 3세대 불이라고도 하는 전기 및 원자력으로 발전하였다. 이것이 바로 인간 문명이 제한된 지식의 경계를 넘어서 어두운 미지의 공허를 정복해나간 역사다.

과학은 ‘왜’라는 질문에 대한 답을 찾는다. 한편, 기술은 ‘어떻게’라는 질문에 답하고자 한다. 실제로 ‘과학(science)’이라는 단어의 어원은 '분별하다'또는 '나누다'를 의미하는 라틴어 scientia이다. 반면 '기술(technology)'의 그리스어의 기원 teckhno는 ‘제작 및 건설을 위한 방법 또는 체계’라는 뜻이다.

과학의 저변이 넓어져 이를 기술에 적용함으로써 우리는 더 많은 문제를 해결할 수 있다. 오늘날 대다수의 대학 교과 과정은 과학 지식의 기술적 측면에 대한 연구를 중점으로 하는 공학과 순수한 과학을 구별하고 있다.

수 세기 동안 순수 과학과 응용 과학의 장벽은 학계에서 확고하게 자리 잡았다. 순수한 과학에 대한 연구는 단기적으로는 재정적 투자에 대한 결과물이 거의 보장되지 않아 많은 시간에 걸친 노력과 자원이 요구된다. 이에 따라 저명한 학자들은 순수과학에 대한 공공 투자의 중요성을 강력히 권고해왔다.

미국 중앙과학연구 개발국장으로서 미국 과학 정책의 기초를 수립한 Vannevar Bush(1890-1974)는 루즈벨트 대통령에게 제출한 ‘과학-끝없는 미개척지’라는 보고서에서 정부가 과학을 후원해야 하는 세가지 이유를 설명했다. (1) 질병에 인류의 전쟁에서 승리하기 위해 (2) 국가의 안보를 위해 (3) 공공의 복지를 위해.

대한민국 정부 또한 이 조언에 귀를 기울여 순수 과학 분야의 연구 개발 노력을 지속적으로 지원해 왔다. 그러나 최근 수십 년간의 과학 발전 동향은 순수과학과 응용과학 간의 벽이 급격하게 허물어지고 있는 양상을 보인다.

첨단기술이 개척하는 과학의 지평

현대 과학 연구는 한 명의 천재의 영감에 의존하는 것이 아니라 탁월한 지성을 갖춘 여러 분야의 전문가 간 협력에 보다 좌우된다.

최신 연구장비와 글로벌 학술 교류를 통해 이전에는 실험실에서 관찰할 수 없었던 정확한 데이터를 수집할 수 있게 되었다. 최첨단 기술이 과학 발전의 지평을 열고 있는 3가지 대표적인 영역은 입자 물리학, 항공 우주 공학 및 양자 컴퓨팅이다.

CERN(European Research for Nuclear Research)이 구축한 제네바의 LHC(Large Hadron Collider)는 세계 최대의 에너지 입자 충돌기이다. 이 프로젝트의 예산은 약 90억 달러 또는 1조원으로, 100여 개 국가의 수백 개 대학에서 온 1만여 명의 과학자들이 10년간 협력하여 가까스로 완공하였다.

막대한 물적 그리고 인적 노력의 주요 성과는 2012년 힉스 입자(Higgs Boson)의 발견이었다. 신의 입자라고도 불리는 힉스 입자는 물질에 질량을 부여하는 것으로 밝혀졌다.

저궤도(LEO: Lower Earth Orbit, 고도 2,000km 이하)의 위성군(衛星群: Satellite constellation)은 광대역 통신 및 우주 탐사의 판도를 바꿀 것으로 예상된다.

SpaceX의 Starlink와 Amazon의 Kuipir 프로젝트는 수천 개의 미니 위성을 LEO로 보내는 것을 목표로 하고 있다. 이에 성공한다면, 전세계에 광대역 인터넷을 제공할 수 있으며 향후 다른 행성에서도 통신망을 지원할 계획이다.

한편, 컴퓨터 과학에서 집적 회로의 밀도는 기하급수적으로 증가하여(무어의 법칙) 회로 설계를 점점 더 세밀하게 만들고 있다. 미시(微視) 세계에서 전자(電子:electron)는 터널링 효과로 인해 매우 다르게 행동한다. 이것은 현재 컴퓨팅 하드웨어의 원리인 바이너리 컴퓨팅이 그 속성을 유지하기 어렵다는 것을 의미한다.

양자 컴퓨팅은 터널링 효과를 해결하고, 이를 오히려 강점으로 활용하고자 한다. 이진법에 기초한 비트(bit) 대신, 양자 비트 또는 큐빗(qubit)은 더 복잡한 데이터를 처리하여 컴퓨터 과학의 새로운 시대를 열어 나갈 것이다.

손에 손잡고

인류의 지식을 넘어선 미지의 공허는 먼저 공포로 채워진다. 그리고 이 두려움은 신화 속 이야기와 전설에서 부여된 의미를 통해 극복된다. 추상적 신화에서 진일보하여 과학 연구를 통해 정복된 미지의 영역은 인간의 본성에 따라 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 기술로 활용된다.

그러나 현대의 최첨단 기술은 전례 없는 속도로 과학적 발견을 가속화하고 있다. 마치 프로메테우스와 에피메테우스 형제가 함께 손을 잡고 보폭을 맞춰 걷고 있는 셈이다.

우리는 이 길을 걸어갈 때 주의를 기울이는 한편 조심스러운 희망을 유지한 채 걸어가야만 한다. 판도라의 상자에서 꺼낸 힘의 통제력을 언제든지 잃을 수 있기 때문이다.

The Two Thinking Brothers

In the long journey from nature to civilization, mankind relied on stories to fill the fearsome dark void beyond human knowledge. These stories helped us to weave meaning into nature. Thanks to these stories, ancient civilizations no longer feared lightning, but feared the gods who wielded it. When the angry gods who set the sky on fire with lightning were appeased after a sincere worship or sacrifice, it was soon going to rain, and it was good for the farmlands. These stories helped us to find patterns and rules that later developed into axioms and principles. The more accurately we could explain nature, our quality of life improved.

Prometheus and Epimetheus were brothers who appear in such stories. They were both thinkers (-metheus means ‘one who learns’) but with big differences. Prometheus had the gift of foresight and discretion. Epimetheus had the gift of creativity and vigor. When Zeus tasked them to endow the living things with gifts to ‘make the newly created world more interesting,’ Prometheus reflected into deep thought, while his brother began handing out gifts to the wild animals. When all the animals were given fangs, talons, sharp teeth and thick hides, there was nothing left for the poor humans. Prometheus, who felt such deep compassion for the humans, stole an ember from Hephaestus’ furnace and gifted fire to mankind.

The Wall between Science and Technology

Prometheus’ gift unlocked a new chapter in human history. Fire, once a divine power, now served man to protect him from darkness, the cold, and bacteria in his lamps, hearth and kitchen. The mythical Promethean fire evolved into the lightbulb and the nuclear energy, often referred to as 2ndand3rdgenerationsoffire.Thisishowcivilizationconqueredthedarkvoidbeyondthefrontiersofhumanknowledge.Firstthroughstories,thenthroughscience,andultimatelybyharnessingwhatwelearnedintoserveusthroughtechnology.

Science answers the question of why. Technology answers the question of how. The etymology of the word “science” is the Latin scientia, meaning ‘to discern’ or ‘to divide;’ whereas the Greek origin of techno- for “technology” means a ‘system or method of making or doing.’

The more we broaden our scientific knowledge to consistently explain nature, the more problems we can solve through applying this knowledge in technology. Modern university curricula often distinguish pure sciences with engineering which now represents the study of technological aspects of scientific knowledge.

For centuries, the wall between pure science and applied science have stood firm in academia. Research in pure science costs long and painstaking amount of effort and resources with little guarantee of recouping financial investment in the short term.

As such, several prominent scholars have strongly advised the importance of public investment in pure science. Vannevar Bush, who headed the American Office of Scientific Research and Development emphasized the essential imperative of the government to sponsor scientific research in his report to President Roosevelt, “Science- the Endless Frontier,” for three reasons: (1) for the war against disease, (2) for national security and (3) public welfare. The Korean government has heeded this advice and have consistently supported R&D efforts in the pure sciences. But recent decades of development trends show how this wall is swiftly tumbling down.

Leading the way with cutting edge technology

Modern scientific research relies less on the perceptive mind of the single genius and more on the collaboration of brilliant minds across multiple disciplines. Collection of accurate data that were unobservable from the lab before are possible through state-of-the-art equipment and global academic exchanges. Three representative areas where cutting edge technology is paving the way of scientific progress are particle physics, aerospace engineering, and quantum computing.

The Large Hadron Collider(LHC) in Geneva built by the European Organization for Nuclear Research(CERN) is the world’s largest and highest energy particle collider. It was the result of a decade of collaboration with over 10,000 scientists from hundreds of universities in more than 100 countries. The budget for this project was roughly 9 billion dollars or 1 trillion won. The crowning achievement of this extremely expensive and massive concentration of human effort was the discovery of the Higgs Boson in 2012. Higgs particle is what gives mass to the material world.

Satellite constellation in the lower earth orbit (LEO) is expected to be a game changer for global broadband communication and space exploration. SpaceX’s Starlink and Amazon’s Project Kuipir aim to send thousands of mini satellites to the LEO (altitude of 2,000 km or less). When successfully operational, these satellites will provide broadband internet with global coverage and potentially to other planets.

In computer science, the density of our integrated circuits is expected to continuously increase, rendering its transistor parts to microscopic levels. In the microscopic world, electrons behave very differently due to the tunneling effect. This means that binary computing, which is the building block of current computing hardware will be difficult to maintain its properties. Quantum computing aims to solve the tunneling effect and use it to our advantage. Instead of binary bits, the quantum bit or the qubit can contain more complex data and unlock new dimensions of computing.

Hand in hand

The dark void beyond human knowledge is first filled with fear. This fear is overcome through the meaning enchanted by mythical stories and legends. Once we identify discrete patterns beyond abstract stories through science, we apply the lessons we learned to harness nature for our benefit almost by instinct. But in today’s world, technology fuels scientific discovery at an unprecedented pace. The brothers Prometheus and Epimetheus now walk hand in hand, expanding our understanding of the universe.

We must, however, walk this unbeaten path with caution and shrewd hope lest we lose control of the forces we unleash from Pandora’s jar.