자연계자료-인조인간

[mari0311]

인조인간 어디까지 왔나 / '인간탈 로봇' 화성 습격하다

한 겨 레 2001-01-01 31면

뉴 스
21세기에 인조인간은 등장할 것인가.

미래학자들은 우주탐험가들이 처음 만나는 외계문명은 생명체가 아닌 로봇일 것이라고 예언하고 있다. 우주탐험은 생명체가 담당하기에는 너무나 멀고 험한 길이기 때문이다. 지구에서도 이미 우주탐험에 로봇을 사용하고 있지 않은가. 미국은 2003년에 쏘아올릴 화상탐사선에 2개의 로봇을 실려보낼 예정이다.

로봇(robot)이라는 말이 처음 세상에 나온 것은 1920년 체코슬로바키아의 극작가 카렐 차페크가 지은 희곡 (로섬의 만능로봇)에서다. 체코슬로바키아어 robota에는 '험한 노동' '강제 노동'의 말뜻이 들어 있다.

로봇의 미래 모습은? 단순히 산업현장에서 사람의 일을 대신하는 기계장치로 머물 것인가, 인간처럼 사고하고 독립적인 행동을 하는 사이보그로 발전할까.

인공두뇌, 전자코, 인공장기, 인공자궁의 개별 '부품'의 연구개발 속도는 인조인간이 공상과학물(SF작품)에나 나오는 가상 현실이 아닐지도 모른다는 생각을 들게 한다.
이근영 기자 kylee@hani.co.kr

인공귀 / 청각장애인 이식수술 미국서 상용화

사람의 귀는 왜 2개일까? 소리가 나는 방향을 쉽게 알아챌 수 있기 때문이다.

소리가 오른쪽 귀와 왼쪽 귀에 도착하는 시간은 다르다. 두뇌는 섬세한 시간차를 인식해 소리의 방향을 가늠하는 것이다. 또 달리는 기차 위에서 '본부'를 외쳐야 휴대폰은 소음 때문에 알아듣지 못한다. 그러나 사람은 굉음 속에서도 다른 사람 말소리를 듣는다. 사람의 귀에는 청각피질에 도달한 많은 소리 주파수 가운데 특정 주파수만을 선택적으로 받아들이도록 와우각에 신호를 보내는 메커니즘이 있다.

미국 볼티모어 존스홉킨스대 의과대학의 존 니파코 박사는 지난해 봄 심각한 청각장애 어린이들에게 인공귀 이식수술을 해준 결과 80%가 특수 교육과정에서 벗어나 일반학교에 다닐 수 있게 됐다고 발표했다. 인공귀 이식 수술은 미국내 200개 이상 병원에서 시행되고 있다. 사이보그는 좁게는 인체의 일부 기능을 잃은 사람들에게 인공장기를 달아주는 경우도 의미한다. 콘택트렌즈, 인조속눈썹, 가발을 쓴 사람까지 포함한다. 우리는 이미 사이보그 시대에 진입했다고 해도 과언이 아니다.

인공장기 / 이식용 돼지 복제 장기 대량공급 가능

인공장기는 동물복제나 배아간세포 배양을 통해 직접 장기를 제공하거나 생분해성 폴리머 등 바이오소재로 제작하는 방법이 연구되고 있다. 장기이식 역사는 30년에 불과하지만 기술 발전이 매우 빨라 이제는 장기 부족만이 문제로 남았을 정도다.

장기이식용 복제동물로는 사람 장기의 크기와 에너지대사량이 비슷하고, 다산성이어서 장기를 대량공급할 수 있는 돼지가 꼽히고 있다. 복제양을 탄생시킨 영국 로슬린연구소 자매회사인 피피엘 세러퓨틱의 미국 버지니아지사 연구진은 지난해 3월 체세포복제 방식으로 장기이식용 형질전환 돼지를 복제하는 데 성공해 관심을 모았다.

배아간세포를 이용한 장기 배양은 생명윤리 문제로 벽에 부닥치고 있지만 미국.영국 등에서는 부분적으로 연구를 허용하는 추세다.
많은 연구자들은 2020년께면 세포생물학과 고분자화학공업의 비약적 발전에 따라 조직공학 장기와 조직으로 시술하는 '네오장기' 시대의 막이 오를 것으로 기대하고 있다.

인공피부 / 화상치료용 피복제 국내서도 개발

인체기관 중 가장 큰 기관은? 피부다. 성인의 피부면적은 1.6제곱미터, 무게는 체중의 16%를 차지한다. 피부는 보호, 체온조절, 감각, 분비, 배설, 비타민D 합성, 표정, 재생 및 면역작용 등 수많은 기능을 한다.
인조인간이 인간다워 보이려면 적어도 영화 '브이'에서 보듯이 인간의 '탈'인 피부를 덮어써야 한다.

인공피부는 이미 실험실을 벗어났다. 일본 나고야의 콘택트렌즈 전문회사인 메니콘은 화상과 궤양 치료에 쓰이는 배양피부를 상품화할 계획이다.

국내에서는 한양대 공업화학과 이영무 교수팀이 3도 이상의 화상 환자에게 이식하는 치료용 상처 피복제를 개발해 현재 한양대 구리병원에서 임상시험중이다.

인공두뇌 / 인간의 수십배 용량 슈퍼두뇌 탄생 눈앞

컴퓨터의 핵심인 중앙처리장치(CPU)는 흔히 인간의 두뇌에 비유된다. 실리콘 기술로 인간의 두뇌를 구성하려면 뉴런(신경단위)을 연결하는 시냅스(신경연접부)에 해당하는 배선 때문에 엄청난 공간이 필요하다. 뉴런은 여자는 190억개, 남자는 230억개를 갖고 있다. 그러나 양자역학을 이용하는 칩이 개발되면 1천억개의 뉴런과 1조개의 시냅스를 만들어내는 데 그리 많은 시간이 걸리지 않을 것이다. 일본선단전기통신연구소(ATR)의 실리콘두뇌제작사업 책임자인 유고 데가리스는 2011년께면 인간보다 50배가 많은 1조개의 뉴런을 가진 슈퍼두뇌가 탄생할 것이라고 예견하고 있다. 그는 올해 안에 7500개의 뉴런을 지닌 최초의 인공두뇌로 '로보키티(새끼고양이)'라는 로봇을 만들 계획이다.

과학자들은 로봇이 스스로 경험에서 배워 행동을 발전시키는 메커니즘을 연구하고 있다. 일본 나고야대학에서는 최근 15년 연구 끝에 로보멍키라는 로봇을 만들었다. 인공지능을 지닌 로보멍키는 초기정보만 넣어주면 반복 학습을 통해 이런 행동을 해낸다.

인공눈 / 물체 따라 자연스럽게 움직이는 시선

미국 매사추세츠공과대학(MIT) 인공지능연구실에서는 인간의 눈과 비슷한 기능을 지닌 로봇을 개발하고 있다. '코그'라고 이름 붙여진 이 로봇은 광각과 협각 2개씩 총 4개의 카메라로 된 2개의 눈을 갖고 있다. 광각 카메라는 원시용, 협각 카메라는 근시용으로 쓰인다. 코그의 눈은 안구운동 기능까지 갖춰 물체의 움직임에 따라 시선을 돌릴 수도 있다.

인공눈은 인공귀와 마찬가지로 시각장애인의 치료용으로 개발되고 있다. 벨기에 루뱅대 연구팀은 지난달 10일 시각장애인용 '바이오닉 아이'를 제작했다. 옷깃 등에 꽂아놓은 신호감지기로 전달된 이 정보들은 전기신호로 바뀌어 눈의 시신경 뒤쪽에 이식한 무전기로 보내진다. 무전기는 4개의 전극을 이용해 시신경에 전기자극을 준다. 이 자극으로 시각장애인은 사물의 모습을 식별한다.

인공두뇌가 완성돼 이 '바이오닉 아이'와 결합되면 로봇은 인간과 마찬가지의, 어쩌면 '600만불의 사나이'처럼 인간의 능력을 훨씬 뛰어넘는 시각능력을 가질 것이다.

전자코 / '개코'보다 정확하게 냄새 식별

냄새를 잘 맡는 사람을 '개코'라고 한다. 개가 냄새를 잘 맡는 이유는 숨을 들이쉴 때 코로 들어오는 냄새 섞인 공기와 내쉴 때 내뿜는 공기가 서로 섞이지 않도록 하는 특이한 구조로 돼 있기 때문이다. 미국 터브스대 공학자들은 이를 이용해 인공 개코를 만들어 로봇개에 달았다. 로봇개는 지뢰 탐지에 활용되고 있다.

미국 캘리포니아공과대학은 두개의 전극 사이에 코팅된 고분자 혼합재로 된 32개의 센서 어레이로 제작된 노즈칩을 개발했다. 이 칩은 화학분석에 쓰인다. 미국 일리노이대학 연구팀은 지난해 여름 사람의 코보다 100배 이상 정확하게 냄새를 식별할 수 있는 고성능 '전자코'를 개발했다. 전자코는 한국에서도 만들어졌다. 한국과학기술원(카이스트) 출신들이 만든 벤처 카오스는 반도성 세라믹 재료를 이용해 가스의 반응정도에 따라 선택적으로 원하는 가스만 통과시켜 정확하게 화학물질과 종류, 양을 측정할 수 있는 제품을 개발했다.

인공다리 / 인공근육 구동 계단도 자유롭게

1997년 일본 혼다는 세계 최초로 두발로 걷는 로봇을 등장시켜 세계인의 눈길을 끌었다.'로보텍스2000'에 출품한 '아시모'는 보행중 자연스럽게 방향을 틀고 계단을 오르내려 감탄을 자아냈다.

로봇과 관련한 많은 제품은 우주산업 발달과정에 부산물로 제작되는 경우가 많다. 애리조나 대학에서 제작되고 있는 '바이로드'라는 로봇도 이중 하나다. 미국은 2003년 화성에 인공 근육에 의해 구동되는 다리를 가진 로봇 2개를 보낼 예정이다. 바이로드는 전기가 통하면 실제 근육처럼 수축하는 전선이나 스프링을 사용해 움직인다. 바퀴 로봇이 지날 수 없는 지형을 넘어갈 수 있는데다 자신의 무게보다 1만7천배 무거운 짐을 나를 수 있다. 국내에서는 한국과학기술연구원(키스트)이 1999년 7월 4개의 다리로 아장아장 걷는 휴먼로봇 '센토'를 선보였다.

용어 풀이
*생분해성: 생물에 의해서 분해된다는 의미.

*바이오테크놀러지( biotechnology)

생물체의 유용한 특성을 이용해서 여러 가지 공업적 공정, 공업적 규모로 이루어지는 생화학적 공정.

생물공학 또는 생명공학이라고도 한다. DNA 재조합 기술을 응용한 여러 가지 새로운 과학적 방법 등도 이에 속한다. 생물공학의 정의와 대상 내용은 시대에 따라 크게 변화되어 왔다. 현재는 생명과학의 전체 분야를 학제간의 구별없이 연구하는 기초적 학문과 이를 기반으로 새로운 기술의 개발을 목적으로 삼은 응용분야를 모두 내포하고 있다. 유전공학(genetic engineering)이 대두되면서 바이오테크놀로지란 용어를 쓰기 시작했지만 유전자 공학의 공업적 응용에 국한되지 않고 발효공학, 하이브리도마공학(모노클로날 항체 생산), 농업공학(동식물의 형질전환) 등 광범위한 내용을 포용한다.

1. 연구사

바이오테크놀러지의 시초는 생명체의 구조와 기능을 모방하여 공학적 기계생산 또는 그 공정을 응용해서 물질을 생산하는 데서 비롯되었다. 즉, 1960년대까지는 미생물을 이용한 발효공업과 같은 식품 ·조미료 ·알콜 생산의 산업적 공정 및 생산과 의약품을 개발하는 분야였다. 1960년대 이후 컴퓨터기술의 개발과 함께 로봇 제어기술을 뒷받침하는 인공지능에 관한 연구, 인간의 작동에 적합한 기계설계를 위한 인간공학의 연구 등이 등장했다.

특히 생물계에 존재하는 피드백 조절(feedbeck regulation)을 이용한 동물의 신경계와 운동의 조화를 적극적으로 활용하는 과학기술이 대두하여 이를 바이오닉스(bionics)라고도 한다. 병의 치료와 진단에 전자공학-기술을 활용한 분야를 의용공학(medical electronics 또는 medical engineering)이라 하며, 인체의 생리적 특성을 공학적 측면에서 연구하는 생체공학과 구별한다. 생체기능의 메커니즘이 분자 수준에서 이해되면서 생체공학 분야의 응용은 방대한 영역을 점유했다.

1970년대에는 생체의 기능조절을 공학에 응용하려는 시도가 도입되었으며, 1970년대 후반부터 바이오테크롤러지는 대상과 영역이 급속히 확대되어 생물공학의 전성기로 진입하였다. 종래의 미생물공학은 주로 유전공학으로 발전되었으나 현재는 그 외에 발생공학 ·세포공학 등과 같이 새로운 분야가 개척되었다.

이 분야에서는 생물 구조의 여러 단위 수준에서 인위적인 조작을 통해 인간의 입장에서 보다 더 편리한 특징과 성질을 지닌 생물체의 일부 또는 전 개체를 만들기 위한 연구가 진행되고 있다. 인공심장과 같은 인공장기나 조직의 개발도 재활의학 측면에서 연구 영역이 넓어지고 있다. 1980년대는 생물학 전체 분야가 생물공학과 연관되어 있다.

2. 이용

특히 분자유전학적 연구 업적에 의해서 유전자 산업 ·유전(자)공학 등 생물산업의 분야는 새롭게 확장되고 있다. 생물산업의 한 가지 예를 들어보면 다음과 같다. 당뇨병 치료제인 인슐린은 생체 활성물질이므로 다량으로 생산할 수 있는 기술이 없었다. 우리는 대형동물을 이용해서 주로 인슐린을 생산했다. 그러나 분자의 아미노산 서열이 밝혀졌고, 바이오테크놀러지가 발전하여 사람의 인슐린 유전자를 클로닝하는 데 성공했으며, 그 유전자의 염기 배열순서도 정확히 밝혀졌다. 이처럼 클로닝된 인슐린 유전자는 플라스미드(plasmied)라는 작은 DNA단편에 붙여서 미생물 체내에 옮겨주면 그 미생물 체내에서 도입된 유전자 발현이 일어나서 사람의 인슐린을 사람이 아닌 미생물이 합성해 낸다.

이와 같은 과정을 밟아서 합성된 인슐린을 잘 정제하여 새로운 의약품 개발산업이 된 것이다. 인슐린 생산을 위한 연구가 단기간내에 이루어진 것은 아니다. 연구진행의 여러 단계에서 나타났던 문제들을 기초과학적 연구로서 해결했기 때문에 성공한 것이다. 이런 점에서 볼 때 기술개발에 관련된 기초과학적 연구는 매우 필수적이다. 이와 같이 DNA 재조합 기술의 이용은 농학 및 축산학 분야에서 새로운 품종개량을 적극적으로 추진하는 데 매우 유용하다. 뿐만 아니라 유전적 질병의 진단과 유전자 치료법의 개발에도 바이오테크놀러지는 무한한 가능성을 제시한다.

유전병은 종류에 따라서 사람의 발생 초기에 발병하는 경우도 있고, 소년기 ·청년기, 혹은 장년기에 가서야 발병하는 경우도 있다. 발생 초기에 발병하면 일반적으로 태아는 유산 또는 사산된다. 그래서 출생전 진단법도 다양하게 발전되었고, 출생 후에 진단하는 방법도 개발되었다. 뿐만 아니라 발병은 하지 않더라도 유전병의 원인이 되는 유전자를 가지고 있는 보인자 여부의 검사도 바이오테크놀러지에 의해 가능하다. 의학에서 관심깊은 과제 중의 하나는 유전자 치료이다. 건강한 사람의 DNA(유전자) 또는 mRNA와 상보적인 cDNA를 만들어 이것을 DNA 재조합법으로 레트로바이러스 벡터와 결합시키고, 그것은 그 DNA 결합으로 생긴 유전병 환자의 세포에 효율적으로 도입시키는 방안이 고안되어 있다.

그러나 현재는 배양세포를 이용한 실험적 단계에 있지만 응용될 수 있는 시기가 곧 올 것이다. 그런데 실제 응용할 단계에 이르면 윤리적 문제를 포함하여 많은 문제가 제기될 가능성도 있다. 순수 분자생물학의 연구에서도 DNA의 구조 비교, 생물의 특성에 대한 동질성과 이질성의 원인, 종의 특성과 분화, 생물의 진화 등 생명현상의 해석에 한 차원 높은 연구가 실시되고 있는데 대부분 바이오테크놀러지를 이용하고 있다.

*실리콘

폴리실록산(polysiloxane)이라고도 함.

유체(流體)·수지(樹脂) 또는 탄성 중합체의 형태로 만들어진 실리콘 원소가 포함된 화학 중합체.

이들은 조성에 있어서 부분적으로 유기물이지만 실리콘 분자는 유기화합물의 특징적인 원소인 탄소가 골격 구조에 포함되는 대신, 규소 원자와 산소 원자가 교대로 있는 폴리실록산 사슬의 골격을 이룬다는 점에서 차이가 있다. 대개 실리콘에는 각 실리콘 원자에 보통 2개의 메틸(－CH3) 또는 페닐(－C6H5)의 유기 원자단이 각각의 규소 원자에 붙어 있다. 실리콘 유체는 열·물 또는 산화제에 의한 분해에 대단히 안정하며 절연효과가 뛰어난 전기절연체이다. 실리콘은 유압장치의 유체 성분과 유탁액 파괴물질로 사용되며, 직물·종이와 그밖의 많은 물질에 방수성을 부여하기 위해 쓰인다. 실리콘 고무는 고무의 전기절연성, 화학적 안정성과 넓은 온도 범위에서 탄력이 유지되기 때문에 매우 유용하다. 실리콘 수지는 보호피복제(保護被覆劑), 전기절연용 니스, 얇은 유리섬유 직물제조에 사용된다.

*뉴런(neuron)

nerve cell이라고도 함.

자포동물(刺胞動物)보다 고등한 대부분의 무척추동물과 척추동물에서 신경계를 이루는 기본세포.

신경충격을 전달하는 전형적인 뉴런은 1개의 핵과 둘 또는 그 이상의 수상돌기(樹狀突起)가 있는 세포체를 가지고 있다. 신경충격은 하나 또는 여러 개의 수상돌기를 따라 세포체로 전달되며 고등신경계에서는 축색이 세포체로부터 신경충격을 전한다.

뉴런에서 나온 섬유다발은 결합조직에 의해 결합되어 신경을 형성한다. 대형 척추동물에 있는 어떤 뉴런은 길이가 1~2m 가량 된다. 감각 뉴런은 귀나 눈 같은 곳에 있는 수용기(受容器)에서 신경계의 중심부로 신경충격을 전하는 신경세포이며 운동 뉴런은 신경계의 중심부에서 근육 같은 실행기(實行器)로 신경충격을 전달하는 신경세포이다.

*시냅스(synapse)

신경접합부(neuronal junction)라고도 함.

두 신경세포(뉴런) 사이나 뉴런과 분비세포 또는 근육세포 사이에서 전기적 신경충격을 전달하는 부위.

뉴런과 근육세포 사이의 시냅스 연결을 신경근접합부(neuromuscular junction)라고 한다.

시냅스는 화학 시냅스와 전기 시냅스 2가지로 구분된다. 화학 시냅스에서는 신경섬유의 말단부분이 팽창해 혹 같은 구조를 형성하는데, 이것은 시냅스틈이라는 현미경적 틈을 통해 시냅스후신경세포라 부르는 이웃한 뉴런과 분리되어 있다. 전형적인 시냅스틈의 너비는 0.02μ 정도이다. 신경충격이 시냅스전신경말단 에 도달하면 시냅스소포라는 주머니가 시냅스전막 쪽으로 움직여서 막과 융합하고 신경전달물질이라는 화학물질을 분비한다. 이 물질은 시냅스틈을 가로질러 확산해나가 시냅스후막에 있는 수용체 분자에 결합해 시냅스후뉴런에 신경충격을 전달한다. 이 화학결합작용은 수용체의 모양을 변형시켜 채널 단백질분자들을 여는 여러 반응들을 시작하도록 한다. 그러면 전하를 띤 이온들이 그 채널을 통해 뉴런 안으로, 또는 밖으로 흐른다. 이렇게 시냅스후막을 가로지르는 전하가 갑자기 변함으로써 막의 전기적 극성을 변화시켜 시냅스후전위(postsynaptic potential/PSP)를 생성한다. 만약 세포 내로 양전하를 띤 이온들이 많이 들어오면 PSP는 탈분극되어 흥분성 시냅스후전위가 된다. 즉 그것은 활동전위라고 하는 새로운 신경충격을 생성해낼 수 있다. 신경전달물질이 일단 방출되어 시냅스후수용체에 결합되면 즉시 시냅스틈에 있는 효소에 의해 활성을 잃게 되거나 시냅스전막에 있는 수용체에 결합해 재순환한다. 이러한 메커니즘은 일련의 순간적인 전달과정을 일으키고, 각각은 0.5~4.0m/s 동안만 지속된다.

화학 시냅스에서 신경충격이 전달될 것인지의 여부는 신경전달물질의 종류와 시냅스후수용체에 달려 있다. 같은 신경전달물질이라 하더라도 수용체가 다르면 다른 반응이 나타날 수 있다. 예를 들어 자율신경계의 일반적인 신경전달물질인 노르에피네프린은 신경전달을 자극하는 수용체에 붙기도 하고, 그것을 억제하는 다른 수용체와 결합하기도 한다. 시냅스후뉴런의 막에는 여러 종류의 수용체들이 있고 몇몇 시냅스전신경말단에서는 1종류 이상의 신경전달물질이 분비되기도 한다. 또한 각각의 시냅스후뉴런이 여러 뉴런들과 수백 개의 시냅스를 형성하기도 한다. 이러한 변수들은 주어진 자극에 대해 신경계가 복잡한 반응을 나타내는 데 중요하다. 시냅스는 화학전달물질과 함께 생리적 밸브로 작용해 신경충격이 규칙적인 회로 내에서 전달되도록 지시하고, 신경이 무작위적으로 또는 무질서하게 자극되는 것을 막아준다.

전기 시냅스는 간극결합(gap junction)이라는 채널을 통해 세포들 사이에 이온이 흐르게 함으로써 융합된 뉴런과 뉴런 사이에 직접적인 통신이 일어나게 한다. 무척추동물과 하등척추동물은 간극결합을 통해 뉴런 전체가 동시에 자극될 수 있을 뿐 아니라 시냅스 전달이 더 빠르게 일어날 수 있다. 간극결합은 인체에서도 볼 수 있는데, 신체기관에 있는 세포들 사이와 신경계의 신경교세포들 사이에서 가장 많이 볼 수 있다. 화학적 전달은 몸집이 크고 구조가 복잡한 척추동물의 신경계에서 진화되어왔는데, 그것은 보다 먼 거리로 여러 가지 정보를 전달해야 하기 때문이다.

*양자역학(量子力學, quantum mechanics)

전자·양성자·중성자·원자와 분자를 이루는 다른 원자구성입자들의 운동을 다루는 수리물리학의 한 분야.

이는 전적으로 20세기의 연구 결과인데, 특히 1925년 이후 베르너 하이젠베르크, 루이 드 브로이, 에르빈 슈뢰딩거, 막스 보른, 폴 A.M.디랙에 의해 발전된 것이다. 양자역학의 아이디어와 방법은 원자·핵·분자 물리와 화학의 진보에 크게 기여해왔다. 20세기의 처음 4반세기 동안 막스 플랑크, 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어에 의해 초기의 주요발견이 이루어졌다.

양자역학의 원리들이 발견되기 전 물리학자들은 원자수준에서 일어나는 운동도 뉴턴의 고전역학에 약간의 수정을 가하는 정도로 당연히 이해할 수 있는 것으로 여겼다. 고전역학은 원자보다 훨씬 큰 태양계의 행성과 달, 지구 주위에서 움직이는 투사체 운동의 연구를 위해 발전되었다. 이 뉴턴 역학은 예를 들어 음극선관의 전자나 사이클로트론(cyclotron) 또는 고에너지 가속기 속의 양성자 같은 원자구성입자들의 운동도 상당히 정확하게 기술할 수 있다. 1913년 보어는 고전역학적 방법으로 전자의 운동을 설명했는데 이 해석은 상당히 성공적이었으며, 이러한 방법의 발전에 커다란 자극제가 되었다. 그러나 1925년에 이 방법은 큰 문제에 부딪혔으며, 물리학자들은 양자역학의 원리가 아인슈타인에 의해 발전된 상대론을 사용한다 하더라도 뉴턴 역학과 전혀 다르다는 것을 깨닫게 되었다. 물론 고전역학과 양자역학은 피상적인 큰 차이에도 불구하고 서로 밀접하게 연결되어 있다. 이 관계는 19세기의 광학에 의해 알려진 것과도 같은 것이다. 여기서 광학장치에 사용된 반사와 굴절 이론의 대부분은 광학장치를 통과하는 빛의 선들이 마치 빛입자의 길인 것처럼 추적하는 기하광학의 방법에 의해 다루어질 수 있다. 그러나 빛의 간섭과 회절현상이 발견된 후 19세기에 전자파로 인식된 빛을 정확히 기술하기 위해 새로운 방법이 필요했다. 이와 유사하게 양자역학은 또한 모든 운동하는 입자들을 기술하기 위해서는 관계된 파동의 운동이 필요하다는 것을 인식하게 했다. 결국 양자역학은 때로 파동역학이라 불리는 분야가 되었다. 고전역학과 양자역학이 관계가 있는 데에는 또다른 깊은 의미가 있다. 과학이란 인간이 감각기관, 근육 구조, 신경계의 관찰과 보조기구를 사용해 수행하는 활동이다. 이것들은 자신들을 이루고 있는 원자에 비해 훨씬 큰 것들이다. 과학자들이 원자구조를 관찰하여 세밀히 이해하려 할 때 그들은 이런 큰 기구들에 의한 관찰에 제한되어 있다. 양자역학의 몇몇 면모들은 인간의 관찰능력의 한계에 의해 이해된다.

양자론의 발전

고전역학

고전역학과 양자역학은 그들의 밀접한 관계 때문에 전자에 이용된 개념들이 후자에서도 나타나지만 똑같은 개념이 크게 변화된 의미로 쓰인다. 이것은 초보자에게 혼동을 일으킬 수 있다. 시간과 공간은 비상대론적 이론 형식에서는 고전적으로 이해되며, 입자란 원자구성 입자로만 생각될 것이다. 입자의 운동은 위치를 나타내는 3개의 좌표(x, y, z)와 시간에 따라 좌표의 변화를 나타내는 속도와 가속도로 기술할 수 있다. 뉴턴의 법칙에 의해 운동량(입자의 질량×속도)의 변화는 그 입자에 가해진 힘과 같다. 여기서 3개의 미분방정식을 얻는다. 일반적으로 N개 몸체 문제에서 3N개의 미분방정식을 얻고, 특수한 값을 갖는 6N개의 초기조건으로 모든 문제를 풀 수 있다. 6N개의 초기조건은 대체로 3N개의 위치좌표와 3N개의 속도 성분으로 주어진다. 이렇게 결정된 특수해로써 그 입자의 정확한 위치를 원리상 예측할 수 있다. 그러므로 고전역학에서는 주어진 힘과 질량, 초기위치, 속도에 의해 모든 미래의 상황이 결정된다. 좀 복잡한 운동의 경우는 측정상의 문제가 있지만 충분히 노력하면 정밀하게 운동을 예측할 수 있다. 이런 과정을 통해 달과 지구 사이 인공위성의 궤도운동을 정확히 예측할 수 있었다.

이런 결정론적 성격이 결정론과 자유의지의 철학에 중요한 역할을 해왔다. 이는 특히 18세기의 프랑스 수학자 피에르 시몽 라플라스에 의해 다음과 같이 강조되었다(이런 이유로 종종 라플라스의 결정론으로 불림). 우리는 우주의 현재상태가 과거에 있었던 상태의 결과이며 미래상태의 원인인 것으로 생각해야 한다. 어떤 한순간에 자연에 작용하는 모든 힘, 우주를 구성하는 모든 것의 순간적인 위치를 알 수 있는 사람이 모든 자료를 충분히 해석할 수 있다면 세상에 있는 가장 큰 물체의 운동과 가장 작은 원자 속에 있는 것도 이해할 수 있을 것이다. 불확실한 것은 없으며 미래와 과거 모두가 우리 눈앞에 나타날 것이다.

*세라믹스(ceramics):

비금속 무기재료의 통칭.

각각의 재료가 나타내는 성질과 기능에 따라 전기적 기능, 자기적 기능, 광학적 기능, 화학적 기능, 열적 기능, 기계적 기능, 원자력 관련 기능 등으로 다양하게 분류된다. 현대산업이 고도화됨에 따라 근간이 되는 여러 가지 공업재료에 대한 정확한 물성파악 및 제어가 중요한 분야로 등장했으며, 그중에서도 비금속 무기재료의 비중은 점차 증대되고 있다. 세라믹스 재료는 전통적인 요업 즉, 유리·시멘트 등의 분야로부터 각종 고온·구조·전자·자성 재료 및 생체·기술 분야 등에서 폭넓게 발전하고 있다. 이와 같이 세라믹스가 각광을 받고 있는 것은 고분자·금속 등의 다른 물질에는 없는 특이한 기능을 가지고 있기 때문이다. 예를 들면 전기적으로는 절연성·반도전성·초전도성 등의 다채로운 기능을 가지고 있으며, 그밖에도 압전성·유전성·형광성 등의 다른 재료로는 실현하기 어려운 성질을 가지고 있다. 특히 초정밀의 처리기술 및 사출성형기술 등 공정기술의 비약적인 발전으로 인해 그 응용 분야는 기존 제품의 대체뿐 아니라 새로운 제품의 창출로 확대되고 있다. 더욱이 고도로 정선된 원료를 이용하여 정밀한 화학조성을 갖도록 제조되는 ' 파인 세라믹스'는 종래에 볼 수 없었던 우수한 물성을 지니고 있어 점차로 용도가 다양해지고 있다.

세라믹스는 주로 알루미노실리케이트계의 요업재료, 전자재료, 자성재료, 산화물·질화물·탄화물 등의 구조재료, 내열재료로 연구·응용되고 있다. 여러 가지 재료의 특성에 따라 각 제품이 만들어지는데, 전통적인 세라믹스 요업제품으로는 자기류(磁器類)·도기류(陶器類)·식기류·건축자재·전기절연재·장식재 등이 있다. 이 제품들은 진흙을 원료로 고온처리를 하여 내열성·내구성이 크다. 근래에는 전기·전자 제품 분야에 응용되고 있는데 바륨과 티탄을 원료로 만든 고용량 축전지, 고순도 알루미나로 만든 자동차·비행기의 점화 플러그, 규소나 게르마늄을 소재로 한 반도체 등은 매우 중요하다. 1987년에는 이트륨·바륨·구리·산소를 적절히 배합하여(YBa2Cu3O7) 고온(100K) 초전도체를 만들어 비상한 관심을 모았다. 구조재료로는 세라믹스 재료의 단점인 깨지는 성질을 없애기 위해 질소나 탄소를 보강한 규소질화물(SiN4)이나 규소탄화물(SiC)이 있는데, 이들은 매우 단단하여 제트 기관의 터빈 날개 등에 금속 대신 사용되거나 보석가공용 연마제 등으로 쓰인다. 내열재료로는 이산화규소와 산화알루미늄을 원료로 만든 고온 타일 등이 있는데, 이는 내열성이 매우 커서 우주선의 외피재료로 쓰인다. 한편 페라이트(ferrite)를 주성분으로 하는 자성재료는 텔레비전·라디오 외에도 많은 전자제품의 자성 정밀부품으로 쓰이며, 페라이트에 크롬 등을 첨가한 자성 기억소재는 카세트 테이프, 비디오 테이프나 헤드(head)에 쓰인다. 또한 근래에는 광학재료로도 쓰이고 있는데, 여기에는 '레이저 발진용 석류석'(yttrium aluminium garnet/YAG), 주파수 변조용의 '비선형 광학'(nonlinear optics) 재료 등이 있다. 그외 원자로의 반응조절, 세라믹형으로 만든 핵연료 등 세라믹의 이용범위가 고도화·확대화되어 '제2의 석기시대'라는 말이 생길 정도로 그 중요성이 점점 커지고 있으며 발전 가능성도 무한에 가깝다.

생각의 창
*새로 배운 것:

1. 소리가 오른쪽 귀와 왼쪽 귀에 도착하는 시간은 다르다. 두뇌는 섬세한 시간차를 인식해 소리의 방향을 가늠하는 것이다. 또 달리는 기차 위에서 '본부'를 외쳐야 휴대폰은 소음 때문에 알아듣지 못한다. 그러나 사람은 굉음 속에서도 다른 사람 말소리를 듣는다. 사람의 귀에는 청각피질에 도달한 많은 소리 주파수 가운데 특정 주파수만을 선택적으로 받아들이도록 와우각에 신호를 보내는 메커니즘이 있다.

2. 장기이식용 복제동물로는 사람 장기의 크기와 에너지대사량이 비슷하고, 다산성이어서 장기를 대량공급할 수 있는 돼지가 꼽히고 있다.

3. 인체기관 중 가장 큰 기관은? 피부다. 성인의 피부면적은 1.6제곱미터, 무게는 체중의 16%를 차지한다. 피부는 보호, 체온조절, 감각, 분비, 배설, 비타민D 합성, 표정, 재생 및 면역작용 등 수많은 기능을 한다.

4. 개가 냄새를 잘 맡는 이유는 숨을 들이쉴 때 코로 들어오는 냄새 섞인 공기와 내쉴 때 내뿜는 공기가 서로 섞이지 않도록 하는 특이한 구조로 돼 있기 때문이다.