【과학 쫌 아는 십대02】
물질 쫌 아는 10대/ 물질 씨, 어떻게 세상을 이루었나요?
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물질은 어떻게 등장해서 이토록 놀라운 세상을 만들었을까?
규칙을 따르는 듯하면서도 무질서를 좋아하는,
작은 변화만으로도
완전히 새로워지는, 물질의 매력 속으로!
도서 소개
초등과 중등 사이 10대를 위한 과학 교양 시리즈 <과학 쫌 아는 십대>의 2권으로 《물질 쫌 아는 10대: 물질 씨 어떻게 세상을 이루었나요?》가 출간되었다.《물질 쫌 아는 10대》는 물질의 원자와 분자 단위에서부터 상태 변화, 반응과 이동, 규칙성과 무질서까지, 마치 한 편의 이야기가 흘러가듯 서술한 기초 화학 교양물이다. 화학 교과에서 가장 돌파하기 어려운 부분 중에 하나가 기본 개념을 충분히 숙지하는 것임을 고려하여, 원리를 설명하는 어휘 선택, 그리고 일상생활에서 접할 수 있는 사례를 제시하는 데에 특히 공을 들였다. 과학적 사실에 입각하되 메시지와 유머를 담은 삽화는 내용을 보조하는 정도를 넘어, 글을 매끄럽게 이어 주는 역할을 한다는 점이 이 책의 또 다른 재미이다.
《물질 쫌 아는 10대》는 <과학 쫌 아는 십대> 시리즈를 탄탄히 다지는 화학 교양서로, 우리가 일상생활에서 의식하지 못하는 물질을 아주 가까이에서 세밀하게 살펴본 뒤, 아주 멀리서 조망하는 흐름을 취하고 있다. 우선 물질이라는 것이 없던, 상상할 수도 없는 암흑 속에서 어떻게 최초의 물질이 생겼는지를 최신 과학이 발견해 낸 바를 반영하여 다룬다. 그리고 물질의 근본에 파고든 고대 철학자부터 현대 과학자들이 축적한 사실들로, 물질의 가장 작은 단위를 살펴본다. 그 과정에서 문화‧사회‧정치‧경제가 어떻게 얽혀 들어가 있는지를 알아봄으로써 세상이 한 축으로만 움직이지는 않음을 보여준다. 다음으로는 물질이 서로 붙고 떨어지고 반응하고 변화하여 우리 손에 잡히는 물질이 된 과정을, 일상에서 쉽게 관찰할 수 있는 자연 현상에 빗대어 설명한다. 물질의 시작부터 변천사를 살펴보고 나면 이번엔 멀리서 조망할 차례. 이렇게 복잡할 것만 같은 화학 반응이 실은 간단한 규칙에 따라 일어나는데, 그러면서도 한편으로는 무질서, 즉 자유롭게 움직이는 편을 선호하는 물질의 매력을 알아채게 된다. 이 역동적인 여정을 마치고 나면 무작정 용어를 외우고 원리를 깨치려 애쓰지 않고도 화학의 세계에 성큼 발을 디뎠음을 느끼게 될 것이다.
외우는 대신 소설처럼 읽으며 자연스럽게 깨치는 물질의 기본 개념
인공지능은 인류의 난제다. 그것이 인류를 최상의 편리함으로 이끈다고도 하고, 인간의 일자리를 빼앗는 것은 물론 인간의 지능을 뛰어넘는 고도의 강한 인공지능이 되면서 인류를 파멸로 몰아넣는다고도 한다. 대체 무엇이 진실이고 인공지능에 대해 어떤 태도가 현명한지 알 수가 없다. 특히 인공지능과 함께 평생을 살아가야 할 십대는 모르는 만큼 두려움이 커 가는 걸 어쩔 수 없다. 대체 인공지능은 무엇인가.
이 책은 이런 갈피를 잡지 못하는 십대를 위해 기획되었다. 더불어 인공지능을 제대로 이해시키고 우리가 어떻게 인공지능을 활용하는 것이 올바른지 십대를 안내해야 할 교사와 학부모에게도 가르침의 교재로서 적합하다. 이 책은 인공지능의 작동 원리를 살피고 로봇과의 구별을 통해 인공지능의 기술적 정의를 내린다. 더불어 어떤 기술적 발전 단계를 거쳐 현재의 상태에 와 있는지 역사적 탐색을 해 나간다. 이런 과거와 현재의 상태를 모두 점검한 다음 이제부터 올바로 판단해야 할 중요한 질문들을 던지고, 미래를 준비할 근거를 마련한다. 인공지능이 선사할 선물과 인류를 위협하는 역기능 모두를 균형 있게 조망한다. 이런 순차적이고 단계적인 통찰을 통해 막연하게만 느껴졌던 인공지능이 서서히 장막을 걷고 그 실체를 또렷이 드러내 보인다.
세상의 근본이 궁금했던 고대 철학자, 그리고 우리의 연결점
인공지능이 야기하는 여러 문제들을 하나하나 풀기 위해서는 인공지능이 정확히 어떤 원리로 움직이는지 알아야 한다. 전 영역에서 광범위하게 쓰이는 만큼 그것의 원리는 대단히 복잡할 듯 생각되지만, 실은 매우 간단한 원리로 움직인다. 바로 알고리즘이다. 알고리즘은 ‘이럴 땐 이렇게, 저럴 땐 저렇게’라는 규칙으로 답을 찾아가는 논리적 방법이나 절차다. 일정한 규칙을 만들어 놓고 설계하면 그 규칙에 맞추어 답을 찾아가게 되고, 이것이 인공지능이 헤매지 않고 빠른 시간에 답을 내놓는 비법이다. 내비게이션, 검색 엔진, 쇼핑, 영화, 음악 추천 서비스 등은 빠지지 않고 이 알고리즘의 작동 원리에 따른다.
책은 인공지능의 엔진에 대해 설명한 다음 인공지능의 실체를 구체화하기 위해 로봇과 어떤 차이가 있는지 기술한다. 지능, 엔진, 상호작용의 3요소가 갖춰진 것이 로봇이며, 로봇의 지능에 해당하는 것이 인공지능이다. 즉, 로봇은 인공지능이라는 내적 기반에 일정한 외양을 갖추고 인간 혹은 다른 사물과 상호작용을 하는 형태를 말한다. 얼마나 지능이 높고 겉모양이 얼마나 인간과 가까운가에 따라 로봇의 종류와 발전 정도가 세분화될 수 있다. 로봇과 인간의 상호작용의 정도를 결정하는 것은 결국 로봇의 뇌에 해당하는 인공지능의 발전 정도이기 때문에, 인공지능의 지능이 얼마나 고도화되느냐에 따라 인간과의 교류도 결정된다고 할 수 있다.
인공지능은 비약적인 발전을 하여서 지금에 이르렀고, 기술의 가속화에 힘입어 지금도 계속적으로 발전에 발전을 거듭하고 있다. 빅데이터, 딥러닝 등의 확대와 발전이 그것의 원동력이 된다. 인공지능 개발의 목표는 인간의 지능과 같아지는 데에 있다. 인류 삶의 편리와 경제적 풍요를 위해 인공지능이 인간을 돕는 똑똑한 도구로 존재하길 바라서이다. 그러나 지능의 수준이 인간의 지능을 넘어서는 단계에 이른다면? 과연 인간이 개발에 총력을 기울였을 때의 소기의 목적을 달성할 수 있을까? 오히려 자신들의 지능을 훨씬 뛰어넘는, 통제 불가능한 인공지능에 의해 공존은커녕 생존의 위협을 느끼지는 않을까? 책은 인공지능의 설계 원리와 이 원리에 따른 발전 경로를 살핀 다음, 인간이 자신들의 도구로 개발했던 기술이 어떻게 인간에게 도움이 되고 있고 또 어떤 식의 위협을 가하고 있는지에 대해 예측을 해 나간다.
물질을 이해하는 이에게 세상의 가능성이 열리는 시대
인공지능이 똑똑해질수록 인류는 편리한 생활을 누릴 수 있다. 자율주행차에 타고 막히지 않는 도로 위에서 편안히 목적지에 도달할 수 있고, 험하고 번거로운 일은 기계에 맡겨 놓고 하고 싶은 일을 할 수도 있다. 첨단 의료 케어 시스템 안에서 질병과 노화를 걱정하지 않아도 되고, 원하는 것을 말하거나 생각만 해도 알아서 척척 해 주는 기특한 로봇 덕택에 집 안에서도 호텔에 온 것처럼 서비스를 받을 수 있다. 이 모두 갈수록 총명해지는 기술 덕분이다.
이런 핑크빛 미래만 펼쳐진다면 좋으련만, 인공지능 기술은 인간에게 걱정을 안긴다. 내 할 일이 줄어들어 좋기는 한데 내 일을 회사에서도 대신한다니 당장 먹고살 수 있는 직업을 구하기 어렵다. 지능이 높아져서 내가 원하는 것을 바로 알아채는 것은 고마운데, 그럴수록 내 단점까지 속속 파악해 명령에 불복종하기도 한다. 감정이 없는 로봇에 불과하다고 생각했는데, 똑똑한 지능은 자의식까지 만들어 낸다. 마치 살아 있는 친구나 애인처럼 마음속 얘기를 들어주는데, 나만의 친구와 애인이 아니어서 배신감이 든다. 뿐만 아니다. 인공지능의 개발자가 개발에 대한 경제적 이익을 모두 가져가서 실질적으로 인공지능이 주는 혜택은 있는 사람에게만 돌아가고 나머지 다수는 오히려 더 못한 삶을 살게 된다. 인간의 다양한 삶이라는 빅데이터가 지능과 학습의 기반이 되어 인공지능을 고도화하는데, 그 빅데이터가 인간 삶의 편견을 거르지 않고 답습하는 까닭에 인공지능의 판단력 또한 편견에 물들고 평등하지 못한 인간의 가치관을 그대로 이어받는다. 내 생각을 빨리 판단하기 위해서는 내 사생활을 가급적 모두 공개해야 하는데, 그런 만큼 나에 관한 정보는 비밀스러운 것까지 모두 어딘가에 축적되고 있다. 사생활 침해와 개인 감시가 나도 모르는 사이에 이루어지고 있다. 이런 감시는 결국 개인의 자유가 바탕이 되는 민주주의를 위협하기도 한다.
더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장 <과학 쫌 아는 십대>
‘2015 개정 교육 과정’은 자주적이고 창의적이며 더불어 사는 인간상을 추구한다. 그 가치관 아래 교과별 핵심 개념과 원리를 중심에 두고 인문․사회․과학기술에 대한 기초 소양 교육을 강화하면서 교과 간 통합과 융합 교육을 하는 데 초점을 맞추고 있다.
미래형 인재를 만들려는 이런 교육의 흐름에 맞춰, 풀빛은 지식의 양보다는 핵심이 되는 개념을 선별하고 그것이 어떤 원리로 이루어져 있고 어떻게 적용할 수 있는지를 또렷이 알게 하는 청소년용 과학 시리즈를 기획하였다. 핵심과 원리, 그리고 적용이라는 삼박자에 질문과 토론을 유도하는 인문학적 고찰은 중학생 독자와 현장 선생님, 학부모들이 원하는 바이자 과학 공부에 대해 <과학 쫌 아는 십대> 시리즈가 목표하는 분명한 방향이다.
첨단 과학기술인 인공지능은 물론 미래 에너지, 신소재, 생명공학, 기후 변화 등 미래 지향적인 현실 소재에서부터 빛, 중력, 빅뱅, 유전자, 물질, 원소 등 기초 과학의 토대가 되는 핵심 개념까지 <과학 쫌 아는 십대>는 전방위적으로 과학을 아우른다. 이런 지식들을 단순히 정보를 앞세워 기술하기보다 원리는 무엇이고, 어떻게 적용을 하며, 해결되지 않은 과학적 문제는 무엇이고, 야기하는 쟁점은 무엇인지, 결과적으로 우리가 그것을 어떻게 받아들여 해석하고 이해해야 하는지에 대해 대단히 입체적으로 다루는 것이 이 시리즈의 특징이다. 친절한 설명에 내용을 풍성하게 하는 사진 자료와 위트 있는 그림까지, 작은 부분도 놓치지 않고 십대를 위해 내용과 형식에 정성을 다했다.
<과학 쫌 아는 십대>는 초등과 고등 사이, 거대한 지식의 산 앞에서 방향을 잡지 못하는 십대에게 또렷한 지침과 열린 시각을 건네는 시리즈로서 《인공지능 쫌 아는 10대》를 시작으로 차근차근 그 목록을 쌓아 갈 것이다.
§ 지은이 소개
▶ 글 장홍제
한국과학기술원(KAIST) 화학과를 졸업하고, 같은 대학원 화학과에서 박사학위를 받았습니다. 조지아 공과대학교의 연구원으로도 활동했어요. 현재 광운대학교 화학과 조교수를 맡아 무기화학과 나노화학을 가르치고 있습니다. 다양한 원소로 이루어진 나노 물질 설계와 합성, 그리고 의약 분야에 대한 응용 연구에 매진하던 중 원소와 주기율표에 매력을 느껴 글쓰기와 강연을 하고 있습니다. 세상에 존재하는 모든 원소들을 다루고, 만지고, 알고 싶다는 꿈을 가지고 있습니다. 지은 책으로 《원소가 뭐길래》가 있습니다.
▶ 그림 방상호
홍익대학교에서 시각디자인을 전공했어요. 오랫동안 책을 기획하고 그림을 그리고 디자인을 했습니다. 상상하고 그리고 만들고 디자인하고 책 읽고 글 쓰고 운동하면서 어제와는 또 다른 하루를 만들려고 합니다. 《인공지능 쫌 아는 10대》, 《사라진 민주주의를 찾아라》, 《대중음악 히치하이킹하기》, 《엘레멘티아 연대기》, 《단박에 한국사》 등 여러 책에 그림을 그렸고, 단행본 외에도 다양한 매체에 그림을 그리고 있습니다.
§ 차례
들어가며_ 물질이라는, 아직은 깜깜한 방에서 팔을 휘저어 보자
1장 물질 탄생이라는 우주의 대 사건
빅뱅과 물질, 그리고 에너지 • 물질을 쪼개 보자, 작게, 더 작게 • 이렇게 섞인 물질, 저렇게 섞인 물질 • 원소들의 탄생은 쾅, 활활, 펑펑!
2장 드디어 화학이 시작되다
원소와 원자, 끝내 헷갈리는 그 이름 • 그 작은 원소와 원자를 어떻게 발견했을까? 다시 원자론을 수정하다 • 같은 원자지만 무게가 다른 원자 • 도무지 이해할 수 없었던 두 가지 물질 •연금술을 탄생시킨 동서양의 원소설, 그리고 인간의 욕망 • 서양과 동양의 화학이 만나다
3장 물질은 어떤 모습으로 세상에 존재할까?
물질은 단단하거나 흐르거나 떠 있거나 • 끌어당기는 힘이 바로 물질의 차이 • 무엇이 물질의 상태를 바꿀까?: 상전이 • 상전이의 제1 공헌자, 온도 • 느끼기는 어렵지만 늘 존재하는 압력 •끈적끈적 꿀렁꿀렁 젤, 졸, 플라스마
4장 물질의 상태를 바꾸는 기가 막힌 세 가지
따뜻하고 차가운 정도: 온도 • 표면을 누르는 힘: 압력 • 진하고 묽은 정도: 농도
5장 물질이 끓거나 얼거나 녹을 때
증발, 기화, 끓는점 • 어는점 혹은 녹는점 • 용액의 끓는점과 어는점
6장 이렇게 매력적인 화학 반응
아보가드로수 • 기체 반응의 법칙과 화학 반응식 • 돌이킬 수 있거나, 없거나: 가역 반응과 비가역 반응
7장 화학 반응으로 세상을 짓다
분자의 가짓수=원자의 조합? • 원자 배열을 바꿔 보자: 화학 반응 • 화학 반응과 반응 속도
8장 물질은 무질서를 좋아해
열을 뿜는 화학 반응, 열을 빨아들이는 화학 반응 • 반응 속도를 조절할 수 있는 열의 이동 • 자유도와 무질서도
나오며_ 깜깜한 그 방에서 한 발짝 밖으로