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  • 과학과 놀자

    10펨토미터(㎙) 크기 중이온을 15만분의 1초 만에 95.5m 날려

    고흐의 그림 ‘별이 빛나는 밤’은 우리가 보는 밤하늘과 너무나 달라 낯설지만 고흐의 작품인 만큼 친근함마저 든다. 21세기 첨단 과학의 시대를 살고 있는 우리는 19세기 고흐의 작품을 보면서 무엇을 생각할 수 있을까. 과연 고흐는 어떻게 우리가 보지 못한 밤하늘을 볼 수 있었을까.우리는 눈을 통해 세상을 바라본다. 눈으로 들어온 빛을 망막세포가 감지하고, 감지된 정보를 시신경이 뇌로 전달해 세상을 인식하는 것이다. 결국 본다는 것은 인간의 뇌에 잠재된 창의성과 지적 능력이 반영된 결과다. 고흐의 창의성이 우리가 보지 못하는 밤하늘의 또 다른 모습을 보게 한 것이다.과학자의 새로운 눈 중이온가속기현대 과학은 보는 과정을 첨단 장비와 인공지능으로 대체해 인간의 눈을 통해 볼 수 없는 매우 작은 세계의 새로운 모습을 우리에게 보여주고 있다. 첨단 과학의 시대에 우리가 볼 수 있는 가장 작은 세계는 어떤 모습일까. 과연 우리는 어디까지 볼 수 있을까. 그리고 이 과정에서 인간의 창의성과 지적 능력은 어떤 역할을 할까.현미경의 발견으로 인류는 아주 작은 세계를 볼 수 있는 새로운 눈을 가지게 됐다. 식물의 내부 구조에서 작은 미생물에 이르기까지 마이크로 세계의 모습들이 현미경을 통해 인류에게 드러났다. 그런데 현미경은 빛을 이용하는 것으로, 마이크로미터(㎛)보다 작은 세계는 볼 수가 없다. 마이크로미터는 100만분의 1m에 해당한다.이후 전자 현미경의 발견으로 반도체의 표면과 같이 마이크로미터보다 훨씬 작은 세계를 직접 촬영할 수 있게 됐다. 전자현미경은 빛이 아니라 전자를 이용해 물질의 구조를 보는 장치로, 물리학의 양자역학 원리가 적용된다. 현대

  • 과학과 놀자

    해리슨의 항법용 시계가 뱃사람에게 경도를 알려줬다

    신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)의 기세가 꺾일 줄 모르고 있다. 전 세계적 재난 상황에서 많은 나라가 앞다퉈 외국인의 입국은 물론 자국민의 일상적인 통행마저 제한하고 있다. 세계 각지에서 아시아인을 향한 혐오와 차별 역시 늘고 있다고 한다. 인종, 국가, 언어, 종교 등의 장벽을 허물기 위해 쏟아온 인류의 노력이 단 몇 개월 만에 역행하는 모습은 초현실적이기까지 하다. 이 사태가 진정된 이후의 세상이 사뭇 염려스럽다.각자 살아남기 위해서는 배척과 차별조차 어쩔 수 없는 선택이라고 말하기 전에, 우리가 이뤄놓은 세계화가 정치, 문화, 과학, 종교 등 인류의 모든 활동이 복합적으로 일궈낸 성취임을 되새기면 좋겠다. 그런 의미에서 세계화의 불씨를 댕긴 과학의 역할도 한 번 되짚어 볼 필요가 있겠다.인간은 고대 중국에서 실크로드를 개척한 이후 범지구적 교역을 멈춘 일이 없다. 오스만 제국이 육상 교역로를 틀어쥐자, 15세기 유럽인들은 보다 자유로운 교역을 위해 위험천만한 해상 무역도 마다하지 않았다.GPS(위성항법장치)를 비롯한 다양한 항법기술을 갖춘 오늘날과 달리, 당시 선박들은 전후좌우로 수평선만 펼쳐진 망망대해에서 길을 잃고 표류하기 일쑤였음에도 말이다.바다 위에서 내가 어디에 있는지 알아내는 일은 18세기까지 풀리지 않는 숙제로 남았다. 1707년 영국 실리 제도 근처에서 4척의 함대가 암초에 부딪히는 대형 사고가 나자, 영국 정부는 급기야 이 문제를 푸는 데 최대 2만파운드(오늘날 50억원 정도)의 상금을 걸기에 이른다.자전 탓에 측정이 어려웠던 경도망망대해에서 표류하지 않으려면 두 개의 좌표, 위도와 경도를 파악해야 한다. 다행히도 위도는-적어

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    금도 나노 크기로 쪼개면 헤어드라이어로 녹일 수 있어

    과학자는 물질을 연구한다. 물질을 연구하는 것은 물질의 새로운 성질을 알아내는 일, 새로운 물성을 가진 물질을 만드는 일, 새로운 물질을 활용하는 일 등을 포함한다. 예를 들면, 그래핀(graphene)에서 휘는 성질과 전기를 잘 통하는 성질이 있음을 밝히는 일, 그래핀을 합성하는 일, 이 물질을 이용해 생활에 필요한 도구를 만드는 일 등이 과학자가 하는 일에 해당한다. 그런데 새로운 성질이 없다면 합성하는 것도 응용하는 것도 의미가 없어진다. 그런 의미에서 물질의 성질을 연구하는 일이 어떤 위치를 차지하는지 짐작할 수 있다.학생들이 학교에서 배우는 과학의 개념은 국가에서 공시한 교육과정에 따르고 있다. 2015년 개정 교육과정 문서에서 물질의 특성에 대해서 다음과 같이 표현하고 있다.< 물질과 혼합물의 개념을 이해하여 우리 주변에서 볼 수 있는 여러 물질을 구별할 수 있도록 한다. 밀도, 용해도, 끓는점, 어는점 등이 물질의 특성이 될 수 있음을 알고…밀도, 용해도, 끓는점, 어는점이 물질의 특성이 될 수 있음을 설명할 수 있다. >한편, 중학교 교과서에는 다음과 같은 내용으로 물질의 특성을 정의하고 있다.< 물질은 색깔, 맛, 냄새와 같은 겉보기 성질과 부피, 질량, 길이 등 크기 성질과 끓는점, 밀도와 같이 물질의 양과 관계없는 세기 성질을 갖는다. 물질의 여러 가지 성질 중 그 물질만이 나타내는 고유한 성질을 물질의 특성이라고 한다. >그래서 학생들은 끓는점, 녹는점, 밀도, 용해도 등 양과 관계없이 일정한 값을 갖는 물질의 성질을 물질의 특성으로 이해하고 있다. 즉, 물질의 특성은 크기와 무관한 값을 갖는다고 인식한다. 예를 들어, 학교에서 배울 때도 금을 반씩

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    바이러스는 왜 변종이 발생해 치료제 개발을 어렵게할까?

    2020년 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)이 전 세계를 강타하고 있다. 온라인 개학, 비대면 회의 등 바이러스 전파를 막기 위한 전례 없는 조치들이 취해지고 있다. 코로나19 외에도 감기, 독감, 홍역, 볼거리, 에이즈(후천성면역결핍증) 등 인류를 괴롭혀온 수많은 질병을 바이러스가 일으킨다.무생물과 생물의 중간 단계인 바이러스그렇다면 바이러스란 무엇일까? 바이러스는 자신을 늘리는 목적밖에 없는 단순한 형태의 복제 기계다. 바이러스 입자는 전자현미경으로만 관찰 가능한 크기며, 단백질 등으로 구성된 껍질(캡시드)과 그 안에 있는 핵산(DNA 또는 RNA)으로 구성돼 있다. 캡시드는 핵산을 보호하고 바이러스가 침투할 숙주세포를 인식해 핵산을 세포에 주입한다. 핵산은 바이러스 증식과 관련된 여러 유전자 정보를 담고 있다. 숙주세포를 만나기 전까지 바이러스는 아무런 생명 활동을 하지 않아 무생물과 다름없다. 그래서 바이러스는 무생물과 생물의 중간 단계에 있는 것으로 간주된다.바이러스의 캡시드가 숙주세포와 접촉하면 바이러스는 핵산을 숙주세포 안으로 주입한다. 주입된 DNA는 바이러스 증식을 위한 프로그램을 가동한다. 단 자신이 바이러스를 구성하는 캡시드와 핵산을 생산하지 못하기 때문에 숙주세포의 생산공장을 이용한다. 숙주가 지닌 핵산복제효소를 이용해 자신의 핵산을 복제하고, 바이러스 유전자 정보에 담긴 단백질 성분을 만들기 위해 숙주의 단백질 생산기구를 이용한다. 단지 공장만 이용하는 것이 아니라 숙주가 갖고 있던 자원도 아낌없이 쓴다. 감염 후 어느 정도 시간이 흐르면 새롭게 만들어진 바이러스들로 숙주세포 내부가 가득해지고, 곧이어 바이러스

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    외계인이 지구를 찾아와 인류와 문명을 파괴할 수 있을까? 우리 은하에만 지구와 비슷한 외계행성 10여개

    <코스모스>로 우리에게 빅뱅 우주를 소개한 칼 세이건 박사는 1977년 태양계 행성 탐사를 위해 우주로 떠난 보이저호에 실린 금으로 만든 레코드판을 제작했다. 이 레코드판에는 외계 문명에 지구를 소개하기 위한 118장의 사진, 한국어를 포함한 55가지 언어로 된 인사말 등이 실려 있다. 외계 문명이 보이저호를 발견할 경우를 대비해 지구의 위치도 레코드판에 새겨 놓았다. 이 레코드판은 외계 문명의 존재 가능성에 대한 우리의 물음을 대변하고 있다.그런데 레코드판에 표시된 지구의 위치 때문에 많은 반대에 부딪혔다고 한다. 외계 문명이 지구를 찾아와 인류와 문명을 파괴할 것을 염려한 탓이다. 많은 SF(공상과학) 영화에 등장하는 파괴적인 외계인은 이러한 염려를 대변한다. 하지만 칼 세이건의 믿음처럼, 우리가 만날 외계인은 그런 모습이 아니길 기대해 본다.창백한 푸른 점에 불과한 지구칼 세이건 박사의 주도로, 태양계 내부를 여행하는 보이저호는 카메라를 돌려 지구를 촬영하는 데 성공했다. 보이저호에서 찍은 사진 속 지구를 칼 세이건 박사는 ‘창백한 푸른 점’으로 소개했다. 우주에서 먼지같이 미미한 지구의 모습을 처음으로 확인한 순간이었다. 이후 허블망원경을 포함한 많은 관측으로 지구는 태양계의 작은 행성에 불과하고, 태양은 우리 은하 속 작은 별에 불과하며, 우리 은하도 은하단 속의 작은 한 은하에 불과함이 밝혀졌다. 은하단조차도 먼지로 보일 만큼 우주는 넓은 공간이며, 우주의 중심은 없는 것으로 밝혀졌다. 우리가 살고 있는 지구가 우주에서는 특별한 존재가 아닐 수 있다는 뜻이다. 어쩌면 우리 또한 빅뱅 우주에서 특별한 존재가 아닐 수도….그런

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    2000년대 들어 지진 등 전조현상 활발해지는데…지하에 마그마 방 여럿…백두산 폭발 예측 어려워

    2019년 10월 우리나라에서 개봉된 영화 ‘백두산’은 국내 800만 관객을 돌파하는 흥행 실적을 올렸다. 이 영화가 이렇게 흥행한 것은 시나리오, 배우, 완성도 등 여러 가지 이유가 있겠지만 자연재해와 재난에 관한 우리의 관심이 증가한 것도 한몫했을 것이다. 영화 줄거리처럼 백두산 폭발은 우리에게 직접적으로 막대한 영향을 미칠 것이기 때문이다.백두산은 1903년 마지막 폭발을 한 높이 2750m의 성층화산이다. 성층화산(strato volcano)이라 함은 하와이와 제주도의 순상화산(shield volcano)을 형성한 현무암질 용암과는 달리 점성이 높은 유문암질 용암과 쇄설물이 교대로 쌓여 만들어진 화산이다. 정상부에는 분화 이후 함몰에 의해 만들어진 직경 5㎞의 칼데라 호수인 ‘천지’가 있다.900년대 중반 이후 16차례 폭발한 백두산백두산은 900년대 중반 대규모 폭발 이후 지금까지 총 16회 폭발한 것으로 추정되는데, 이 중 900년대 중반에 폭발한 대규모 폭발은 화산 폭발 지수(VEI: Volcanic Explosivity Index)로 따졌을 때 7 정도에 해당한다. 이는 서기(AD) 79년 이탈리아 남부 도시 폼페이를 화산재로 덮어 멸망시킨 베수비오 화산(VEI 5)의 100배, 2010년 폭발해 세계 항공기 대란을 일으킨 아이슬란드 화산(VEI 4)의 1000배 정도의 크기라고 한다. 이때 분출된 화산재는 일본 북부 퇴적층에서까지 발견된다고 한다. 분출한 화산재가 편서풍을 타고 일본까지 퍼져나간 것이다. 비슷한 시기에 발해 제국이 멸망한 것도 이때 폭발한 백두산 화산 때문일 것이라는 가설도 제기된다.백두산에 대한 우리의 주된 관심은 폭발 시기와 규모다. 첫째, 폭발 시기와 관련해서 영화에서는 2021년을 폭발 시기로 설정하고 있는데 과연 가능

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    나트륨 불꽃이 주황색으로 보이면 잘못된 것일까? 스펙트럼 분석으로 빛의 세기 달라졌음을 찾아냈죠

    과학자가 하는 일의 핵심은 자연을 탐구해 새로운 지식을 만드는 일이다. 학생들이 푸는 문제지의 문제는 답지에 정답과 풀이가 있지만, 새로운 지식과 기술을 만드는 일에는 참고할 정답과 풀이가 없다. 그렇기 때문에 새로운 지식의 옳고 그름은 정답을 참고해 판단할 수 없고 문제를 해결하는 과정이 타당한지를 실증적으로 검증해 판단하게 된다.과학자가 문제를 해결하는 과정에서 필요로 하는 역량을 분석하면 다음 네 가지로 나타난다. 해결할 문제를 비판적으로 분석하고(critical thinking), 문제 해결의 실마리를 찾기 위해서 창의적인 시도를 하고(creativity), 구체적인 해결책을 얻기 위해서 관련 전문가와 소통하고(communication), 협업하여(collaboration) 문제를 해결한다. 교육학자들은 이 네 가지 역량을 21세기를 살아갈 학생들이 반드시 갖춰야 할 핵심역량이라고 정의하고 있으며, 이러한 역량을 키우기 위해서는 실질적인 맥락의 문제(authentic problem)를 해결하는 탐구 활동의 경험이 필요하다고 강조한다.문제를 정의하고 가설을 세워보자다음 사례는 학교 실험 수업에서 도출된 문제를 해결하는 과정을 보여주고 있다. 이를 통해서 학생들이 과학적 사고력을 활용해 문제를 해결하는 과정을 볼 수 있다. 금속 원소의 불꽃색은 물질의 고유한 성질 중 하나로, 대표적인 물질인 나트륨(Na) 불꽃색을 관찰했는데 다음과 같은 두 가지 경우가 관찰됐다. 그림 1에서는 불꽃색이 예상대로 노란색으로 관찰되는데, 그림 2에서는 주황색으로 관찰된다.문제: 주황색으로 관찰된 불꽃색은 나트륨 원소의 불꽃색이 아닌가?많은 경우 학생들은 교과서에 제시된 ‘나트륨의 불꽃색은 노란색’이라는 내용을 근거로

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    생명체가 스스로 살아갈 수 있으려면 얼마나 많은 유전자가 필요할까?

    생물학을 전공하지 않은 일반인이라고 해도 살아가면서 유전자라는 말을 많이 듣고 쓴다. 원래 유전자라는 용어는 말 그대로 유전되는 요소라는 의미로, 유전자는 부모로부터 자손으로 전달돼 자손이 부모를 닮게 만든다. 유명한 유전학자인 그레고어 멘델(Gregor Mendel·1822~1884)은 완두를 여러 가지 방식으로 교배시켜 유전자가 부모로부터 자손으로 어떻게 전달되는지 최초로 밝혀냈다.20세기 들어 많은 과학자가 유전자의 실체를 연구한 결과 유전자는 생명체의 특성에 관한 정보를 담고 있으며 DNA와 같은 핵산의 형태로 세포 안에 저장돼 있다는 것을 밝혀냈다. 즉 유전자는 생명체로 하여금 생존하며 자신과 닮은 자손을 남기는 생명체 고유의 특성을 갖게 해준다.사람의 32억쌍 뉴클레오타이드 가운데 유전자는 2만개게놈(Genome) 또는 유전체라는 용어를 들어본 사람도 많다. 유전체는 생명체의 특성을 나타내는 유전자의 염기서열과 유전자로 기능하지 않는 핵산 염기서열의 총합이다. 어떤 생명체의 특성을 알기 위해서는 당연히 유전자에 담긴 서열 정보를 알아야 하므로 여러 생물을 대상으로 유전체 서열이 연구돼 왔다. 사람의 유전체를 구성하는 핵산의 염기서열은 미국과 유럽, 일본을 포함하는 국제 컨소시엄의 13년에 걸친 노력 끝에 2003년 완전히 밝혀졌다. 사람의 유전체는 약 32억 개의 뉴클레오타이드(핵산의 구성 단위)로 구성돼 있으며, 추가적인 분석을 통해 약 2만 개의 유전자가 있다는 것이 알려졌다. 사람 외에도 많은 생물의 유전체 서열이 밝혀졌는데 초파리(약 1억4000만 뉴클레오타이드), 벼(약 4억2000만 뉴클레오타이드), 효모(약 1220만 뉴클레오타이드), 대장균(약 460만 뉴클레오타