하늘과 바람과 별과 인간 -김상옥을 읽다

김상옥교수님의 두 번째 책 읽기를 마치면서 그는 진정 인문물리학자라는 생각을 했다. 물리라면 절레절레 머리를 흔들면서 절대무식인 내가 도달할 수도 없고 이해불가한 세계라고 생각했는데 물론 지금도 마찬가지다 하지만 그의 말처럼 물리는 결국 만물의 존재 이유와 이치를 깨닫는 것이고  인간도 또한 물질의 한 부분이기 때문에 인간의 물적 특성을 아는 것 또한 나를 이해하고 주변의 사물을 이해하는 데 필요할 것이라는 결론에 이른다. 
김상옥 교수님의 책이 매력적인 것은 기초물리도 모르는 나같은 사람들이 쉽지는 않지만 책 읽기를 포기하지 않게 하기 위해 쉼 없이  예를 들어가며 물리의 현상을 무한반복해서 설명하고 있다는 것. 그리고 무엇보다 인문학적인 소양이 남다른 작가의 폭넓은 인문지식과 소양이 물리와 인문학의 계보를 넘나들며 흥미로운 이야기를 하고 있다는 것이다. 
친절한 작가의 안내를 받으며 물리의 세계를 따라가다 보니 커다란 장애물처럼 느껴지는 어려운 부분이 있긴 했지만 미처 몰랐던 부분을 알아가는 즐거움이 컸다. 
책을 따라가 본다. 
존재하는 것에는 이유가 필요없다. 하지만 존재하는 것에는 이유가 필요하다. 이유를 아는 것은 이치를 아는 것이라 할만하다. 존재하는 것을 물질이라 하면 존재의 이유는 사물의 이치이고 우리는 이것을 물리라 부른다. 
 
1. 원자는 어떻게 만물이 되는가
1417년 독일의 수도원에서 발견된 포지오 브라치올리니가 쓴 <사물의 본성에 대하여>의 핵심은 세상은 진공으로 비어 있고 , 그 속에 원자라는 입자들이 모여 만물을 이룬다. 우리 몸도 원자들이 모여 만들어진 것이며 시간이 지나면 다시 원자로 뿔뿔이 나누어진다. 
존재하는 만물은 100여 종류의 원자들이 마치 레고 블록 같이 여러 방식으로 결합하여 만들어진다.  20세기에 탄생한 양자역학은 개별 원자들의 특성뿐 아니라 이들이 결합하는 방식까지 설명한다. 
원자의 존재는 기체연구에서 밝혀진다. 
1774년 조지ㅡ 그리스는 산화수은이라는 고체에 열을 가했더니 알 수 없는 기체가 발생하는 것을 발견하고 이 기체를 '탈플로지스톤공기'라고 불렀고 이 공기 속에 촛불을 놓으면 불이 엄청나게 활활 탔다. 이 기체가 '산소'다
1776년 헨리 캐번이 금속을염산에 넣으면 또 다른 이상한 기체가 발생하는다는 것을 발견하고 이 기체에 열을 가 하면 폭발했기 때문에 가연성 기체라고 했는데 오늘날 "수소"다
원자혁명이 화학혁명이 일어나던 시기는 유럽에서 시민혁명의 시대. 전근대적 정치, 사회제도에 반감을 가지고 있었다. 프랑스혁명을 지지했던 프리스톨리는 공공의 적이 되었고 그의 실험실은 약탈당한다. 라부아지는 세금징수가 관련된 회사에서 일했는데 세금징수인의 시민의 적이었고 결국 단두대에서 처형당한다. 수학자 라그랑주는 "라부아지의 머리를 베어버리는 것은 순간이지만 프랑스에서 그의 같은 두뇌를 만들려면 100년도 넘게 걸릴 것이다'라고 말했다고 한다.
 
<원자는 어떻게 생겼나?>
원자는 원자핵과 전자로 구성된다. 1897년 조지프 톰슨에 의해 발견되었고 원자핵은 1911년 어니스트 러더퍼드가 발견했다. 원자를 기술하는 양자역학은 20세기 전반에 시작되었다. 
 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 나뉜다. 양성자는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띤다. 중성자는 전하가 없다. 
지구가 태양 주위를 돌듯 전자는 원자핵 주위를 돌고 있다. 전자가 원자내에서 점할 수 있는 상태는 호텔에 비유하자만 1층에 객실 1개 2층에 객실 4개 3층에 객실 4개이다. 
 
<타울리의 배타 원리>
원자핵에 들어 있는 양성자의 수를 원자번호라고 한다. 각 객실 하나에 전자 2개까지 들어갈 수 있다. 이것이 '파울리의 배타원리'라 한다. 방 하나네 전자 두 개가 들어가면, 그다음부터 오는 전자를 배타적으로 대한다고 해서  배타원리다.
 
<원자가 우주에 대해 알려준 것>
우리가 죽으면 원자로 산산이 나뉘어져 나무가 될 수도 있고 산이 될 수도 있다. 나라는 원자들의 집합은 죽음과 함께 사라지겠지만 나를 이루던 원자들은 다른 집합의 부분이 될 것이다. 이렇게 우리는 우주의 일부가 되어 영원불멸한다. 
<내 이름은 원자>
현재까지 자연상태로 존재하는 원자는 92번. 이후 인공 핵 합성기술로 만들어진 거은 118번까지 보고되고 있다. 
 
<나는수소>
양성자 하나, 전자 하나로 구성된다. 우주에 존재하는 무려 75 퍼샌트가 수소다. 나머지 25퍼센트는 원자번호 2번인 헬륨이다. 하지만 지구의 대기는 질소와 산소로 구성되는데 수소와 헬륨이 이들보다 가벼워서 날아가 버리기 때문이다. 
수소는 가볍다. 그래서 원자번호 1번
가장 중요한 특성은 수소 핵융합 반응을 한다. 4개의 수소가 결합하여 2개의 헬륨을 만드는데 이때 막대한 에너지가 나온다. 이 에너지를 이용해 태양이 빛을 낸다. 별로 이런 방식으로 빛을 낸다. 
 
<내 이름은 탄소 C>
원자번호 6번. 전자 6개
우리 몸에 필요한 3대 영양소는 탄수화물, 지질, 단백질. 이들은 모두 끈 같이 긴 구조를 갖는다. 이런 구조가 가능한 것은 탄소가 줄줄이 연결될 수 있는 능력을 가졌기 때문이다. 탄수화물은 탄소와 수소의 화합물. 지질은 탄소가 줄줄이 연결되어 끈처럼 된 구조다. 단백질은 탄소와 질소가 번갈아 가며 늘어선 구조. 이들 모두 탄소가 뼈대다. 단백질이 중요한 것은 이것이 효소가 되기 때문이다. 효소는 생명체 내에서 일어나는 거의 모든 생화학 반응을 제어한다. 탄소원자가 생명에서 중요한 역할을 할 수 있는 이유는 팔이 4개 있어 자유자재로 결합할 수 있기 때문이다. 지구상의 다세포생물은 대개 산소호흡으로 에너지를 얻는다. 생명의 원자인 탄소는 동물과 식물사이를 오가며 여러 가지 물질의 일부가 될 뿐 사라지거나 만들어지지 않는다. 동물과 식물은 이산화탄소를 통해 탄소를 주고받는다. 동식물 간 원활한 탄소 교환이 가능한 것은 이산화탄소가 기체이기 때문이다. 
산업혁명이래 인간이 연료로 사용하고 있는 화석연료가 탄소 화합물이다. 
 
<나는 질소다 7번 N>
2개의 질소 원자 가 결합하면 질소분자가 만들어진다. 이것은 3개가 결합한 분자다. 이것이 삼중결합이다.
질소는 생물에게 반드시 필요하다. 우선 단백질 골격의 절반이 질소다. DNA의 코드인 염기를 만드는 데도 질소가 필요하다. 공기의 80퍼센트가 질소다. 
콩을 심으면 콩과 식물의 뿌리에 기생하는 질소고정박테리아가 공기 중의 질소분자를 고정질소로 바꾸어준다. 우리는 이런 땅을 비옥하다고 한다. 고정질소가 있는 것이 인간과 가축의 배설물이다. 거름.
19세기 중반 페루에서 구아노라는 천연비료가 발견되면서 식량증산에 획기적 전기가 열린다. 구아노는 새똥이 쌓여 만들어진 천연비료다. 1863년 구아노를 두고 페루와 스페인 전쟁을 벌이기도 했다. 하지만 무분별한 채취로 20년 만에 고갈된다. 다행히 칠레초석이 발견되고 이것은 질산나트륨으로 고정질소를 포함한다. 1879년 질산나트륨을 놓고 칠레와 페루연합군 간의 초석전쟁이 일어난다. 20세기 초 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈가 공기 중의 질소 분자에 수소를 결합해 암모니아를 만든다. 하버-보슈법의 핵심은 질소분자의 삼중결합을 끊어서 고정질소를 만드는 것이다. 
공기의 연금술사. 
 
<저는 산소랍니다. 8번 O>
산소는 독이다. 
산소는 반응성이 강한 원자다. 다른 원자로부터 전자를 빼앗는 것이 특기다. 산소와 결합하는 것이 산화라는 건데 이것은 전자를 잃는다는 것이다. 전자를 좋아하는 산소와 결합하는 다른 원자입장에서는 전자를 빼앗기는 것이다. 산소가 철을 만나면 달려들어 반응을 보이는데 그 결과물이 녹이다. 산소와 결합한 물질을 산화물이라 하는데 지구상에 가장 흔한 물질이 바로 산화물이다. 세상은 산소라는 좀비에게 점령당한 것. 
지구의 탄생 초기에 존재하는 생물들은 산소호흡을 하지 못했다. 이들에게 반응성 강한 산소는 독이다. 초기 지구에는 산소가 많지 않았다. 그러다가 광합성을 할 수 있는 시아노박테리아가 나타났다. 광합성은 태양광을 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 과정이다. 광합성의 에너지는 수소에서 얻기 때문에 산소는 그저 쓰레기다. 시아노박테리아가 버린 산소 쓰레기가 지구에 쌓이고 쌓여 지금가 같이 산소가 풍부한 세상이 되었다. 
미토콘드리아와 같은 자신만의 DNA를 갖는 독립적인 생명체다. 이는 다세포 생물의 원형인 진핵생물은 까마득한 옛날 미토콘드리아를 끌어안고 산소라는 독을 헤쳐나갔을 것이다. 
지구상 생명체는 수소 이온을 배터리로 사용하여 에저지를 저장한다. 식물은 광합성을 통해 수소이온을 모으고 동물은 호흡을 통해 수소이온을 모은다. 수소는 지구상 모든 생명 에너지의 근원이다. 
 
3장. 물질을 만드는 세 가지 방법 원자는 어떻게 만물이 되는가
 
원자에서 물질로 갈 때 일종의 형질전환이 일어난다. 원자들이 결합하여 분자 혹은 물질이 될 수 있다는 것은 원자 사이에 힘이 작용한다는 것이고 이 원자들이 주고받을 수 있는 힘은 전자기력뿐이다. 
전자기력은 전하들 사이에 작용하는 힘이다. 전자가 어떤 역할을 하느냐에 따라 원자결합은 3종류로 나뉜다 
 
1. 이온결합: 전자를 버리거나 줍거나
 원자 하나는 양전하 다른 하나는 음전하를 띠게 하는 원자 결합방법. 양이온과 음이온 사이의 전기적 인력을 이용하는 고전적 방법. 
제1차 세계대전에서 사용된 화학무기는 다름 아닌 염소 기체였다. 염소는 혈관을 타고 흐르다 폐로 들어가 조직을 손상시키고 폐부종으로 죽게 한다. 염소는 표백제로도 사용된다. 강한 반응성 때문에 바닥을 깨끗이 청소할 수 있다. 
 
2. 공유결합: 존자 나누어갖기
두 개의 수소원자가 결합한 수소분자의 경우 두개의 수소 원자핵과 두개의 전자가 만드는 새로운 양자 상태가 생긴다. 양자역학으로 풀어봐야 한다는 말.
전자를 가져다 자신이 공간에 두려는 원자들이 공유결합을 한다. 
탄소의 공유결합으로 만들어진 다이아몬드가 그러다. 다이아몬드는 정사면체 소시지가 다른 탄소의 정사면체 소시지와 겹쳐 공유결합을 형성하여 그물같이 촘촘한 구조를 갖는다. 
공유결합은 탄수화물, 지질 단백질 모두 탄소를 기반으로 한다. 이들이 공유결합을 한 것들이다. 
 
3. 금속결합
음전하를 띤 자유 전자들의 집단과 모든 양이온의 집단이 집단 대 집단으로 일종의 이온결합을 한 것이다. 
공유결합과 같이 이웃한 원자들 사이에 전자를 공유하여 만들어진 결합은 원자 수준에서 견고한 구조를 이룬다. 이 경우 구부리면  부러진다. 하지만 금속결합은 전자의 바다에 양이온들이 떠 있는 것과 같은 상태 그래서 휘거나 늘이는 변형이 가능하다. 
녹는점이 327도인 납은 독성이 문제다 이 사실을 알지 못하는 로마인들은 납으로 수도관을 만들었기 때문에 납중독으로 로마가 멸망했다는 학설이 있을 정도다. 
수은은 녹는점이 영하 38도다, 상온에서 이미 녹아 액체로 존재한다. 하지만 인간에게 미나마타병을 일으키는 치명적인 금속이다. 카드뮴이라는 금속도 이타이이타이 병을 일으키는 금속이다. 
 
<물리학자에게 신이란>
농경이 인간에게 준 것은 잉여산물이고 잉여산물은 일하지 않고도 배불리 먹고살 수 있는 권력자를 만들었다. 이들은 자신이 놀고먹으며 다른 사람들을 착취하는 이유를 설명해야 했을 것이다. 자연법칙을 다루는 주술사와 이를 초월할 수 있는 신은 권력자와 결탁할 수밖에 없다. 신은 인간이 만든 농경사회의 기반인 규칙을 만들고 유지하는데 핵심적인 역할을 했으리라. 기원전 900년 경부터 기원전 200년 경 사이 지금까지 이어져온 사상과 종교의 위대한 전통이 나타났는데 이를 야스퍼스는 <축의 시대>라 불렀다. 중국의 유교, 도교 힌두교와 불교 이스라엘의 유일신교 그리시의 철학적 합리주의다. 기원전 1500년경 지금의 아르마니아 지역의 아리아인은 천동 무기와 전차를 가지고 메소토타미아지역을 침범했고 이들로 인해 이 지역에 폭력이 만연하게 되는데  이에 저항하라는 계시를 받은 이가 조로아스터다. 희생제에도 폭력성이 점차 사라지고 희생제이 목적이 가축, 지위 부를 얻는 것에서 아트만이라는 내면의 자아를 계발하는 것으로 옮겨졌다. 기원전 6세기 바빌로니아는 유다를 수차례 공격했고 나라를 잿더미로 만들었고 예루살렘이 성전은 페허가 되었고 사람들은 바빌로니아로 끌려갔다. 바빌론의 유수라고 불리는 이스라엘의 암흑기가 시작된 것이다. 
축의시대는 지금으로부터 거의 2500년 이전의 시기다. 하지만 우리는 지금까지 축의 시대가 보여준 통찰을 넘어선 적이 없는 것 같다.
결국 신은 인간이 다른 인간과 함께 조화롭게 살기 위해 만들어 낸 궁극의 상상력 었던 것이 아닐까. 
 
2부. 별은 어떻게 우리가 되는가?
 
4장, 물리학의 관점에서 본 지구
태양은 수소와 헬륨이 엄청난 온도로 밀집되어 있는 플라스마 덩어리. 
지구 전체를 이루는 물질은 철과 산소가 각 30 퍼센트 정도이며 규소와 마그네슘이 각각 15퍼센트 그리고 황, 니켈, 칼슘, 알루미늄까지 합치면 99퍼센트가 된다. 
지구의 생명체는 주로 산소 탄소 질소 수소의 네 가지 원자로 되어있다. 산소는 지각과 맨틀의 45퍼센트, 대기의 25 퍼샌트를 이루는 원소다. 지각을 이루는 물질은 산소 결합물 즉 산화물 형태로 존재하게 된다. 산화규소, 산화알루미늄, 산화철등
산소 다음으로 많은 원자는 규소 (실리콘) 지각의 28퍼센트. 지구에서 가장 흔한 광물이 산소와 결합한 규산염. 
바닷가 모래가 석영인데 대표적 규산염이다.
지각과 맨틀에 가장 많이 존재하는 금속은 알루미늄이다. 지각의 8퍼센트를 차지한다. 알루미늄도 산소와 결합한 산화물 형태로 존재한다. 
지구는 알루미늄, 철. 칼슘 나트륨 마그네슘 칼륨 같은 금속이 섞인 규산염 또는 금속 산화물이 뒤섞인 혼합체이다. 지구를 구성하는 대부분이 금속 혹은 금속 산화물이 함유된 규산염이다. 
지각에서 가장 흔한 산소와 규소가 만나 결정을 형성하면 수정이라는 보석이 된다.  알루미늄과 지각에 가장 많은 원자인 산소가 결합한 산화알루미늄이 결정으로 성장할 때 크로뮴원자가가 약간 첨가되면 붉은색 루비가 된다. 
 
<도체와 부도체>
물질을 이루는 원자는 전자기력의 지배를 받는다. 원자핵과 전자, 전자와 전자 사이에 주고받는 힘 모두 전자기력이다. 따라서 전기장이나 자기장을 가했을 때 물질이 어떻게 반응하는지가 물질에 있어 가장 중요한 특성일 수밖에 없다. 
우리 문명은 전기에 기반을 둔다. 전기 문명이 굴러가려면 전기가 흘러야 한다. 도체가 필요하다는 뜻. 지각에 풍부한 알루미늄, 철, 칼슘, 마그네슘 같은 금속은 순수한 상태에는 도체이지만 산화물이 되면 대게 부도체가 된다. 지각은 부도체인 규산염과 금속 산화물이 혼합체다.
우리는 죽으면 흙으로 즉 지구로 돌아간다. 이것은 시적인 표현이 아니라 과학적 사실이다. 이렇게 만물은 원자로 되어 있다. 
 
5장. 핵과 별 그리고 에너지의 근원 ( 지구 에너지의 근원을 찾아서)
모든 에너지는 단 하나의 근원에서 온 것이다. 그 근원이 별이다. 태양은 지구에서 가장 가까이 있는 별이다. 
3억 년 식물은 죽어도 썩지 않았다. 리그린이라는 물질로 자신의 몸을 만들기 시작했기 때문이다 당시에는 이물질을 분해할 수 있는 미생물이 없었다. 썩어 산산이 분해되지 않은 식물의 몸이 차곡차곡 쌓여 만들어진 것이 석탄이다. 석유는 수생 동식물의 몸이 쌓여 만들어진 것이다. 원자력은 우라늄과 같은 무거운 원자핵의 분열에서 에너지를 얻는다. 
우라늄과 같은 높은 에너지의 원자핵은 누가 만들까. 이 겨우는 태양 빛이 아니라 태양과 같은 별의 죽음, 초신성 폭발이다. 태양의 에너지원은 원자핵이다. 원자핵이 지배하는 별의 세계
 
<힘과 에너지>
우주에 존재하는 원자의 75퍼센트가 수소. 수소는 전기적으로 중성이라 이들 사이에 작용하는 힘은 중력뿐이다. 
수소의 원자핵은 양전하를 띤다. 수소 원자핵끼리 서로 가까워지는 것을 싫어한다. 하지만 엄청난 압력으로 내리 누르면 수소 원자핵은 전기적으로 서로 밀어내는 힘을 이겨내고 다가가서 결국 한 몸이 되는데 이때 엄청난 에너지가 나온다. 이걸 핵융합이라는 현상이라 한다. 에너지는 보존된다. 
 
<원자핵을 묶는 힘 핵력>
핵력의 역사는 1896년 앙리 베크렐의 방사성 발견에서 시작된다. 방사선의 정체는 헬륨의 원자핵 (알파선) 전자 (배타선) 전자기파 (감마선)라는 것이 밝혀진다. 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어진다. 양성자의 개수에 따라 원자번호를 매기는데 원자번호가 원자의 이름을 결정한다. 양성자의 개수가 1개이면 수소 2개면 헬륨...
양성자는 양전자를 띠므로 전기적으로 서로 밀어낸다. 이들을 핵 안에 묶어두기 위해서는 전기력을 이겨낼 추가적인 힘이 필요한데 이 힘이 핵력이다. 방사선의 하나인 알파선은 양성자 2개와 중성자 2개로 되어있다. 양성자가 2개니까 원자번호 2번인 헬륨이다. 
원자핵이 불안하여 방사능을 띠는 원자들은 주로 두 가지 원인으로 만들어진다. 
첫째 별에서 만들어 진다. 초신성폭발도 포함한다. 
둘째, 우주선과 충돌한 것이다. 우주선은 우주에서 지구로 끊임없이 오는 고에너지 입자다. 
가장 무거운 원자핵은 92번 우라늄. 알파선을 내놓으며 둘로 쪼개지기도 하는 데 이게 핵분열이다. 이때 중서자를 우라늄 안에 넣어준다. 
우라늄의 분열을 연쇄적으로 일으키면 히로시마에 투하된 원자폭탄이 된다. 
 
<별의 물리학>
핵이 우주의 에너지원이라고 했지만 별에서 원자폭탄이 터지거나 원자력 발전이 일어나는 것은 아니다. 
별은 가벼운 원자핵을 합쳐서 무겁고  안정적인 원자핵을 만들 때 나오는 에너지로 불타오른다. 
별은 수축하려고 한다. 별을 이루는 입자들 사이에 작용하는 중력 때문이다. 중력은 서로 당기는 힘이므로 한 점으로 모여든다. 
둘째 별은 팽창하려고 한다. 원자핵의 융합으로 방출된 에너지는 막대한 열이 되어 입자들을 격렬하게 운동시켜 바깥쪽으로 밀어낸다. 별은 이 두 힘의 균형으로 존재한다. 균형이 깨지면 수축하거나 팽창하게 된다. 팽창을 막지 못하면 초신성폭발, 수축을 막지못하면 블랙홀이 된다. 
별은 초기에 수소를 연료로 하고 모양은 구형으로 같지만 질량의 차이가 있다. 질량이 별의 운명을 결정한다. 무거운 별일 수록 수명이 짧다. 태양은 너무 뜨거워서 원자들이 원자 해과 전자로 분리되어 뒤엉킨 플라스마 상태다. 
태양이 플라스마 상태 이기 때문에 나타나는 중요한 현상이 흑점이다. 이를 관측한 사람이 갈릴레오
흑점이 검은 것은 온도가 낮기 때문. 
 
6장. 기본 입자가 빚어내는 우주의 신비
가장 작은 것은 가장 큰 것과 통한다. 
시공간에 대해 완전히 새로운 개념을 만든 사람은 뉴턴이다. 뉴턴 이전 과학을 대표하는 아리스토텔레스의 이론에서 시공간은 독립된 실재가 아니었다. 시간은 물질의 변화가 있을 때 공간은 물질의 배치와 관련 있을 때만 그 의미가 있었다. 하지만 뉴턴은 물질의 변화나 배치와 상관없이 존재하는 절대적인 시간과 공간을 발명했다. 일반 상대성이론에서는 시공간의 변화가 물질과 긴밀히 얽혀있다. 우주 전체에 적용된 일반 상대성 이론은 우주 그 자체가 팽창하고 있다고 말해준다. 
팽창이 계속되어온 거라 과거에는 우주가 한 점에 모여 있었다은 뜻이다. 빅뱅이다. 우주적 규모에서 작용하는 힘은 우리가 아는 중력뿐이다. 중력은 물체들 사이에 서로 잡아당기는 힘이다. 우주의 팽창 속도가 점점 더 빨라진고 있다는 관측 증거다. 우주의 팽창이 점점 느려진다면 언젠가 팽창을 멈추고 수축할 수도 있다. 다시 한 점으로 쪼그라들어 빅뱅을 시작할 것이다.
가장 큰 규모로 세계를 지배하는 힘은 중력이다. 일반 상대성 이론은 중력이 시공간을 변형시킨다고 말해준다. 중력에슨 시공간의 비밀이 들어 있다. 이로부터 우주의 탄생과 종말의 모습을 드러낸다.
양자역학이 탄생했을 때 인류는 비로소 원자를 이해할 수 있게 되었다. 인간의원자의 집합체이며 그 자신의 존재가 원자, 분자들의 생화학 과정에 의존한다. 
물리학자에게 죽음이란
우주는 죽음으로 충만하고 우리는 원자로 영생한다
생명의 속성은 자기 자신을 유지하는 메커니즘이 있어야 하며 번식을 통해 복제할 수 있어야 한다. 원자의 집단이 갖는 자연스러운 상태가 죽음이다. 살아 있는 특별한 상태에 있지 않다. 물질이 존재하는 자연스런 모습 그 자체가 죽음이다. 죽음은 생명의 반대말로 정의되지 않는다. 생명이야말로 그 자체로 특별한 상태다. 사실 광활한 우주는 먼지 하나 없는 빈 공간으로 가득하다. 즉 우주는 죽음으로 충만하다. 생명은 지구에만 존재하는 특별한 것이니 우주 전체를 통해 보면 죽음이 자연스러운 것이고 생명이야말로 부자연스러운 것인지도 모른다. 죽음 이후에 우리는 무언가를 남기고 또 무엇이 된다. 
고대 로마에서 엘리트가 받을 수 있는 최악의 형벌은 기록 말살형이었다. 죄인이 남긴 모든 흔적을 말살하는 것이 사형보다 심한 형벌로 간주되었다. 
죽음이 란원자의 소멸이 아니라 원자의 재배열이다. 재가 죽어도 내 몸을 이루는 원자들은 흩어져 다른 것의 일부가 된다. '인간은 흙으로 와서 흙으로 돌아간다.'는 말은 아름다운 은유가 아니라 과학적 사실이다. 
최초의 원자는 빅뱅으로 탄생했다. 원자가 모여 핵융합을 일으키면 별이 되어 산소와 같은 무거운 원자들이 생성된다. 수명이 다한 별은 폭발로 생을 마감하고 우주 공간에 산소를 흩뿌리고 우주 공간을 방황하던 산소는 태양이 탄생할 때 주위를 떠돌다 지구라는 행성의 일부가 된다. 산호철에ㅓ 물로, 물에서 이산화탄소로 옮겨 다니던 산소는 공룡이라는 생물이 된다. 공룡이 죽자 땅으로 돌아온 산소는 나무가 되고 토끼가 되고 강물이 되었다가 건물이 되기도 하고 지금의 내가 되기도 한다. 나 역시 죽으면 흙이 되고 나무가 되어 어떤 책의 일부가 될 수도 있다.
 
7장. 생명은 화학 기계다
별은 주로 수소와 헬륨으로 되어 있다. 지구와 같은 무생물은 산화규소와 금속 산화물로 되어있다. 우주를 가득 채우고 있는 무생물에 비하면 생물은 그 양에 비해 보잘것없다. 
<생명의 에너지>
모든 생명이 갖는 명백한 특성이 하나 있다. 바로 자신의 형태를 유지하는 것이다. 무리적으로 이것은 놀라운 일이다. 엔트로피를 거슬러 형태를 유지하려면 에너지가 필요하다. 즉 보존매커니듬이야말로 생명체만이 특권적으로 유일하게 가진 독특한 본성이며 진화란 이러한 보존 메커니즘의 불완전성으로 인해 일 것이다. 
생명체는 광합성과 호흡으로 얻는다.
여기에서 말하는 호흡은 세포 하나하나가 하는 호흡이다. 미토콘드리아라는 세포네 소기관에서 호흡이 일어난다. 광합성은 엽록체에서 일어난다. 
지금으로부터 35억 년 전 지구상 생명이 탄생한 지 몇억 년 지나지 않아 시아노박테리아가 광합성을 시작했다. 산소는 광합성의 쓰레기다. 지구는 산소로 가득한 행성이 되었다. 
 
<포도당과 산소가 결합하면 왜 에너지가 나올까?>
포도당은 탄소가 육각형의 고리 모양을 이루고 있다. 탄소와 수소 탄소와 산소 사이의 결합이 핵심이다. 이들이 공유결합을 할 대 전자가 탄소와 수소 양쪽에 동시에 존재하게 된다. 산소는 전자를 좋아한다. 다른 원자에 비해 전자를 강하게 당겨서 전자가 원자핵에 가까이 있게 된다. 호흡에서 일어나는 일은 간단한다. 탄소 주위에 있는 수소를 싹 걷어 내서 산소 원자에게 던져주는 일이다. 수소의 전자를 산소가 차지하면 전기력에 의해 에너지가 낮아진다. 남은 에너지를 이용하여 동물은 생존한다 
당이 당겨 포도당은 생명의 에너지원이다. 그래서 단맛이 난다. 달고 맛있어야 먹으려고 하니까. 포도당은 탄소 뼈대에 수소와 수산기가 붙어 있는 것에 불과하다, 식물은 녹말 동물은 글리코겐으로 당을 저장한다. 연료는 포도당이므로 혈액에는 항상 일정량의 포도당이 유지되어야 한다. 포도당이 많으면 글리코겐으로 저장하고 많으면 분해한다. 포도당을 글리코겐으로 변화시키는 인슐린이라는 호르몬이 부족해서  생기는 병이 당뇨병이다. 세포 안에 수만 개 있는 미토콘드리아 없이 한순간도 우리는 생존할 수없다. 생명은 원자로 만들어진 화학 기계다. 
 
8장 생물은 정보 처리 기계인가
사람을 사람을 낳고 고양이는 고양이를 낳는 이유
복제하라, 복제하라
인간은 다세포 생물이다. 다세포 생물은 진핵세포로 이루어졌다. 진핵세포는 핵을 가진 세포다. 모든 원자는 핵을 갖지만 모든 세포가 핵을 갖는 것은 아니다. 핵이 없는 세포를 원핵세포라 한다. 핵 안에 유전물질이 DNA가 들어 있다. DN
A는 원자로 되어있다. 그래서 전자기력의 지배를 받는다. 
생물은 원자로 만들어진 화학기계다 DNA RNA , 단백질 모두 원자로 되어 있다. 이들 사이의 화학반응은 양자역학에 따라 작동한다. 
 
9장. 최초의 생명체와 진화 
생물이 무생물과 다른 점은 자신을 보존하려는 경향이 있다는 것이다. 이런 경향이 어떻게 시작되었는지는 여전히 풀리지 않는 수수께끼다. 바로 최초의 생명체 문제다. 자신을 유지하려는 경향은 복제로 도약하고 이는 자신을 더 많이 복제하려는 경향으로 나아간다. 물리학자에게 진화는 난감한 주제다. 
최초의 생명체는 에너지 생산 장치, 단백질 합성기계, DNA를 모두 가지고 있어야 한다. DNA를 만드는 단백질이 필요하고 단백질을 만드는데 DNA가 필요하고 에너지를 만드는데 단백질이 필요하다.  
다윈의 <종의 기원> 다윈은 유전자를 알지 못했다. 진화론이 옳다면 유전 정보를 가즌 물질이 존재하고, 복제하거나 번식할 때 실수가 일어나야 한다. 실수는 개체에 변이를 만들어내고 이는 새로운 환경에서도 생존할 수 있는 특별한 능력의 원천이 된다. 그렇다고 변이가 심하게 일어나면 개체는 생존하지 못하고 사라질 것이다. 종의 기원이 출판되기 전 1850년 오스트리아의 교회 수사였던 멘델은 유전에 규칙이 있다는 사실을 알아낸다. 
진화는 우연이 아닌 필연이었을까
생명의 가자 오래된 화석 증거는 35 억년의 나이를 갖는 스트로마톨라이트다. 그이 이후 지구상 생명체가 수행한 가장 중요한 일은 광합성이었다. 광합성하는 시아노 박테리아의 입장에선 생존하기 위해 에너지를 만든 것이다. 그 부산물로 발생하는 산소는 지구에 엄청난 변화를 초대했다. 반은성이 좋은 산소는 지상의 금속과 대기의 매탄을 모조리 산화시켰다. 그러고도 남은 산소가 대기를 채우기 시작했다. 화성에는 대기에 산소가 없기 때문에 물이 없다. 
시아노박테리아는 원핵생물이다. 지구 대기 중 산소 농도는 광합성을 하는 진핵생물이 탄생한 시기에 가장 빠른 속도로 증가했다. 원핵생물은 세포핵이 없고, 진핵생물은 세포핵이 있다. 진핵생물의 탄생이야말로 진화의 역사에서 가장 결정적인 첫 번째 국면이다. 
진핵생물은 다세포 생물로 진화한다. 진핵생물이 모여서 거대한 생명체가 되기 위해서는 산소 호흡이 꼭 필요한다. 산소는 생명의 진화를 이해하는 핵심원자다. 20억 년쯤 지구의 산소 농도가 급격히 증가했다. 진핵생물이 등장하기 직전이다. 산소가 많을수록 생명을 만드는 에너지도 많아진다. 
우리가 아는 한 가장 단순한 생명체는 세균이다. 최초의 생명체부터 세균에 이르는 진화의 역사에 빈틈이 있다는 뜻이다.
일단 세균이 존재하게 되면 그 이후 진화의 역사를 설명할 방법은 많다. 세균이 공생하여 진핵생물이 되었을 것이고 진핵세포가 모여 다세포 생물이 되었을 것이다. 다세포 생물에서 인간에 이르는 장대한 생명의 역사가 시작되었을 것이다.  
 
10장. 다세포 생물에서 인간까지
최초에 존재했던 다세포 동물의 원형이라 할만한 것은 해면동물이다. 
그리고 자포동물. 자포동물은 근육조직과 신경계를 가진 좀 더 본격적인 동물이다. 말미잘이나 해파리가 여기에 속한다. 
몸통, 촉수, 입, 항문과 같은 기능을 수행하는 조직이 있다. 자포동물은 입고 항문이 같다. 
그리고 척삭동물 이 동물은 등뼈가 있는 유연한 연골조직인 척삭이 있다. 
어류다. 어류는 5억 2000만 년 전에 등장했다. 
물리학자에게 사랑은 무엇일까
남녀의 사랑은 유성생식의 결과다. 인간은 유성생식뿐만 아니라 새끼를 낳아 젖으로 키우는 포유류이다. 
김소연의 <마음사전>에는 이런 말이 나온다. 
사랑은 하나의 점이다. 선이나 면처럼 이어져 존재하지 않고 찰나 속에서만 존재한다. 우리가 타인에게 '사랑한다'라고 고백한 는 그 순간 사랑은 휘발되고 없다.
하지만 점은 크기가 없지만 0은 아니어야 한다. 점은 무한한 과정으로 만들어지는 존재다. 따라서 점은 명사가 아니라 동사다. 사랑이 점이라면 사랑도 명사가 아니라 동사다. 
밀란쿤데라의 << 참을 수 없는 존재의 가벼움>>은 운명적 사랑에 대해 이렇게 말한다. 
' 어떤 사건이 한 사건보다 많은 우연에 얽혀 있다면 그 사건에는 그만큼 중요하고 많은 의미가 있는 것이 아닐까.
김소연은
'사라의 시작을 여는 필수조건에는 실수가 있다. 그 실수를 우리는 운명이라고 말하고 필연이라고 말하지만 그것은 우연히 일어난 실수일 뿐이다. 
'실수의 첫 발이 사랑을 점화시킨다. 그 실수는 이후, 가장 특별한 것, 가장 현명한 것, 가장 필연적인 것으로 미화된다. 미화하는 힘 자체가 사랑의 힘일 것이다. '
 
11장. 우리는 어떻게 호모사피엔스가 되었는가
모든 사람의 삶은 제각기 자기 자긴에게 이르는 길이다. 헤르만 헤세
 
<화석이 말해주는 인류>
1970년 오스트랄로 피테쿠스 아파렌시스는 새로운 종이 발견되었다. 1974년 발견된 루시가 여기 포함된다. 
침팬지와 두뇌의 크기가 비슷한 인간의 종.
이후 호모 속에 속아하는 호모에렉 트수, 호모 네안데르 탈렌시스 등등이 있다가 오늘날 현생 인류로 살아남은 것은 호모사피엔스다. 유전자 분석에 의하면 우리 조상이 침팬지와 다른 길을 걷기 시작한 것이 500만 년 전쯤이다. 
그리고 직립보행하게 된다. 그리고 살아남기 위해 뭉쳐야 했고 우리들 이루게 되자 다른 이의 마음을 읽고 이해하는 능력이 중요해졌다. 많은 학자는 인류의 뇌가 사회성 때문에 빠르게 진화되었다고 한다. 언어가 중요한 것이다. 10만 년 전 호모사피엔스에 이르면 집단의 크기가 150명 정도 된다. 정교한 의사소통 체계가 필요하고 실제 이때 이후 지금까지 인간뇌의 크기는 거의 변하지 않았다. 노암 촘스키에 의하면 인간은 언어를 배우기 위한 틀을 가지고 태어난다고 한다. 
호모사피엔스는 35만 년쯤 나타난 것으로 보인다. 빙하기를 넘기고 살아남았다. 
빙하기가 시작되던 10만 년 전부터 지금까지 인간의 뇌 크기는 거의 변하지 않았지만 5만 년 전 인지 혁명이라 불리는 사건이 뇌에서 일어나 우리는 비로소 인간이 되었다. 이를 대약진 혹은 의식의 빅뱅이라 한다. 
즉 언어 생물, 물리, 심리의 기본개념을 처리하는 일종의 인지 모듈이 생긴 것이다. 예를 드어 우리는 태어날 때부터 중력, 과 운동 같은 물리적 개념을 이미 직관적으로 안다. 인지혁명의 핵심은 벽화의 그림을 그리고 신이란 개념을 믿은 것처럼 추상적 사고의 탄생에 있었을 것이다. 유발하라니는 허구야마로 인류가 더 큰 규모의 사회를 형성하기 위해 반드시 필요한 발명품이라고 강조한다. 서로 유전자가 다른 호모 사피엔스들이 상대를 신뢰하고 협력하기 위해서는 인간이 만든 상상의 질서를 믿어야 했기 때문이다. 여기서 핵심 역할을 한 것은 언어다. 
1만 2000년 전 마지막 빙하기가 끝나자 인류는 농사를 짓고 정교한 석기를 제작한다. 신석기시대의 시작이다. 인간과 자연과의 분리가 이루어지고 더 나아가 내가 대상을 변화시킬 수 있다는 개념이 발명되기 시작한다. 농사도 마찬가지. 의도적으로 작물을 심어서 식량을 창조하는 것이다. 자신의 생각이 구현된 물질과 함께 살기 시작한 것이다. 농업기술의 발달로 잉여 농산물이 생기면서 성을 쌓기 시작하고 인간들 사이에 전쟁이라 부를 만한 분쟁이 나타난다. 전리품의 하나로 노예노동을 이용할 수 있게 되자 노동집약적 농업혁명이 완수되었는지도 모른다. 농업혁명이 가져온 또 하나의 중요한 결과는 천문학의 탄생이다. 농사는 식물의 생활 주기에 맞춰 진행된다. 농부는 하늘의 운행주기를 알아야 했다. 이는 태양, 달, 별의 움직임과 관련된다. 이후 과학혁명이 진행되는 동안 가장 큰 장애물은 자연에까지 스며든 인간의 허구를 걷어내는 거였다. 
12장. 나는 존재한다. 더구나 생각도 한다. 정보란 무엇인가.
뇌는 신경세포의 집합일 뿐이다. 신경세포는 신호를 전달한다. 결국 신경세포를 이해하는 것이 뇌를 이해하는 것이다. 
19세기 중갑 독일 과학자들로부터 신호 전달을 매개하는 것은 이온이고 이온이 움직이는 통로가 신경이라는 사실을 밝혔다. 대왕오징어를 연구하기 시작한 영국의 엘렌 호지킨과 앤드루 헉슬리는 1939년 신호전달에 사용되는 전하는 전자가 아니고 나트륨 이온이며 이는 신경을 따라 직접 이동하는 것이 아니라 마치 파도타기를 하듯이 신호를 전달한다는 사실을 발견했다. 나트륨 이온은 전자보다 5만 배 정도 무겁기 때문에 속도가 매우 느리다. 우리의 뇌가 컴퓨터 보다 계산이 느린 이유다. 신경세포는 시냅스라는 좁은 간격을 사이에 두고 연결되어 있다. 이간격은 20-40 나노미터 정도에 불과해서 바이러스 하나가 들어가기에도 좁다. 신경을 타고 이동한 전기 신호가 시냅스에 이르면 화학신호로 바뀐다. 이 화학물질의 이름이 '아세틸콜린'이다. 신경세포가 왜 시냅스라는 것을 만들어서 전기 신호를 화학신호로 바꾸는 걸까? 
시냅스의 놀라운 점은 유연하다는 것이다. 자주 사용하는 시냅스 연결은 강화되고 사용하지 않은 연결은 약화된다. 이것이야말로 기억과 학습의 근본원리로 신경가소성이라 부른다. 
신경계가 연결 강화를 통해 근육의 움직임을 기억하고 있는 셈이다. 다시 정리하면 신경세포의 여러 수상돌기를 통해 전기 신호가 들어온다. 이것이 입력신호다. 이 신호들은 신경세포 몸통에서 합쳐진다. 이렇게 생성된 신호는 축삭돌기를 통해 나간다. 출력신호다. 신경세포는 모든 신호를 더하여 조건에 맞을 때만 신호를 내보낸다. 신경세포 자체는 생각을 하지 않는다. 신경세포는 서로 시냅스로 연결괴어 있을 뿐이다. 기억은 시냅스의 결합 강도에 저장되어 있으며 결합 강도를 바꾸는 것을 학습이라 한다.
의식이 무엇인지, 생각이 무엇인지 아직 알지 못한다. 하지만 의식과 생각이 존재하도록 하는 과정에서 의미는 필요 없다. 정보과학이 알아낸 놀라운 결론이다. 
 
13장. 느낌과 상상, 인간을 특별하게 만드는 것들 
인간은 DNA로 유전 정보를 저장하고, 리보솜으로 단백질을 합성하고, 미토콘드리아에서 에너지를 만들고, 척추를 가지고 있고 산소호흡을 하고 새끼를 낳아 젖으로 키운다. 이렇게 인간은 포유류의 일종이다. 물론 인간의 뇌는 특별하다. 인간의 뇌는 몸무게의 2.5 퍼센트이다. 개미의 뇌는 무려 몸무게의 약 14퍼센트로 비율로 만 따지만 인간의 6배에 가깝다. 
인간이 가진 특별함은 우리의 몸이 아니라 생각, 형태를 가진 실재가 아니라 무형의 상상에 있다 바로 문화다. 
 
<인간만의 문화란 무엇인가?>
인간이 만든 문화는 다른 동물의 것과는 다르다. 도킨스는 인간의 문화를 유전자와 같은 자기 복제자의 일종으로 볼 수 있다고 하며 이를 '밈'이라는 이름으로 제안했다. 곡조 사상, 표어, 의복양식등이 밈의 예다 밈은 생물학적으로 우리의 뇌에 기생한다고 볼 수 있다.
신경과학자 안토니오 다마지오는 인간의 문화적 활동이 ' 느낌'에서 왔다고 주장한다. 느낌은 기분이나 감정과는 다르다. 느낌이 일시적인 반응이라면 기분은 지속적인 상태다. 느낌이야말로 기분과 감정을 일으키는 핵심이라는 것이다. 
생명이 가져야 할 가장 중요한 특성은 자신을 유지하는 것 '항상성 유지'다. 세포는 항상성을 유지하는 화학기계다. 세포는 의식이 없다. 열역학 제2법칙에 따라 오류 발생은 불가피하고 발생한 오류는 점차 누적된다. 우리는 이것을 노화라 부르며 노화의 귀결은 죽음이다. 죽음을 받아들이면서 항상성을 유지하는 비장의 방법은 자신의 복제본을 만들어 새로 시작하는 것이다. 번식이나 진화도 항상성유지의 산물이다. 
약 오만 년 전 인간의 의식에 인지혁명이 일어났고 이를 통해 인간은 정교한 언어를 사용할 수 있게 되었으며 존재하지도 않은 상상을 믿는 능력을 통해 인간 사이에 협력으로 다른 동물들과는 비교할 수 없는 수준으로 발전했다. 진화론적으로 보자면 인지혁명이나 상상을 믿는 능력은 모두 '항상성 유지'에 도움이 되는 특성이다. 
문화는 주관성을 가진 의식에서 몇 단계 발전하여 나온 산물이다. 의식은 느낌과 밀접히 관련된다. 결국 문화는 느낌의 산물이며 느낌의 존재 목적이라  할 수 있는 항상성유지가 생존에 유리한 사회적 행동이라는 가면을 쓰고 있는 것이다. 
진화론적 관점에서 문화는 생태적 혹은 사회적 환경에서 기인한 문화를 '유발된 문화' 그리고 정교한 언어를 사용하기 때문에 개인들 간에 필요한 정보를 선별적으로 주고받는 교환을 통해 만들어진 ' 전달된 문화'로 이루어진다. 
결국 문화는 큰 틀에서 보자면 생존에 유리한 성향이 그 근원이기는 하지만 인간만이 갖는 고도의 공감 능력과 상상을 믿는 능력으로 말미암아 동물과는 다른 차원이 되었다는 것이다.