[2021 노벨물리학상] 마나베, 하셀만, 파리시 : '복잡한 세계'의 혼돈 속 질서를 발견하다

 

 

 

📜 들어가며: '복잡함'이라는 이름의 혼돈

 

20세기 물리학은 '단순함'을 추구했습니다. 원자 한 알, 전자 하나, 광자 한 알. 물리학자들은 우주를 가장 작은 '기본 입자'로 쪼개고[표준 모형], 그들을 지배하는 '근본적인 힘'을 밝혀내는 데 성공했습니다.

하지만 우리가 사는 '현실'은 단순하지 않습니다. 현실은 '복잡함' [Complexity] 그 자체입니다.

수십억 개의 분자가 뒤엉켜 만들어내는 '기후', 수조 개의 뉴런이 연결된 '뇌', 수백만 종이 상호작용하는 '생태계', 수십억 명의 인간이 얽힌 '금융 시장'.

이런 '복잡계'는 너무나 많은 요소들이, 너무나 무작위적으로 상호작용하기 때문에, 하나의 방정식으로 예측하는 것이 불가능해 보였습니다. 20세기 후반까지, 이 '지저분한' 주제들은 물리학의 주류가 아닌, 응용 과학이나 심지어 철학의 영역으로 여겨졌습니다.

"이 거대한 '혼돈' 속에도 과연 '질서'와 '법칙'이 존재할까?"

2021년 노벨 물리학상은, 인류가 직면한 가장 거대하고 복잡한 시스템인 **'지구 기후'**의 비밀을 푼 선구자들과, 이 모든 '복잡계'를 관통하는 숨겨진 수학적 질서를 발견한 천재 이론가에게 수여되었습니다.

그들의 이름은 슈쿠로 마나베 [Syukuro Manabe], 클라우스 하셀만 [Klaus Hasselmann], 그리고 조르조 파리시 [Giorgio Parisi]입니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "복잡계의 이해에 대한 획기적 공헌"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2021년, 이 세 명의 거장에게 노벨상을 수여했습니다. 이 상은 '두 개의 다른 분야'가 '복잡계'라는 하나의 거대한 주제로 어떻게 연결되는지를 보여주었습니다.

상의 절반 [1/2]은 슈쿠로 마나베와 클라우스 하셀만에게 공동 수여되었습니다.

"지구 기후의 물리적 모델링, 변동성 정량화, 그리고 '지구 온난화'를 신뢰성 있게 예측한 공로를 기리며"

상의 나머지 절반 [1/2]은 조르조 파리시에게 수여되었습니다.

"원자에서 행성 규모에 이르기까지, 물리 시스템의 '무질서' [Disorder]와 '요동' [Fluctuations]의 상호작용을 발견한 공로를 기리며"

이 수상은 완벽한 조화를 이룹니다.

• 마나베와 하셀만은 '응용'의 정점에 섰습니다. 그들은 '기후'라는 가장 중요하고 복잡한 시스템을 '물리 모델'로 풀어냈고, "인간이 기후를 변화시키고 있다"는 것을 과학적으로 증명했습니다. 기후 과학에 주어진 최초의 노벨 물리학상이었습니다.
• 조르조 파리시는 '이론'의 정점에 섰습니다. 그는 '스핀 유리' [Spin Glass]라는 기묘한 물질의 무질서 속에서, 모든 '복잡계'를 설명하는 보편적인 수학적 질서를 발견했습니다.

 

🌍 [1부] 마나베 & 하셀만: '기후'를 과학의 반열에 올리다

 

슈쿠로 마나베: '이산화탄소'의 역할을 최초로 계산하다 [1960년대]

1960년대, 미국 프린스턴 GFDL 연구소의 슈쿠로 마나베는 "만약 대기 중 '이산화탄소' [CO₂] 농도가 2배가 되면, 지구의 온도는 몇 도나 오를까?"라는, 당시로서는 생소했던 질문에 답하려 했습니다.

당시의 컴퓨터는 조악했지만, 그는 1차원 '수직 대기 모델'이라는 단순하지만 강력한 물리 모델을 만들었습니다. 그의 모델은 '태양 복사 에너지' [들어오는 빛]와 '지구 복사 에너지' [나가는 열] 사이의 균형을 계산했습니다.

1967년, 그의 계산 결과는 충격적이었습니다. "이산화탄소 농도가 2배가 되면, 지표면 온도는 약 2.3℃ 상승한다."

그는 인류 최초로 '지구 온난화'를 '정량적'으로 예측한 과학자가 되었습니다. 그는 '온실 효과'가 막연한 추측이 아니라, '물리학의 법칙'에 따른 필연적인 결과임을 증명했습니다.

클라우스 하셀만: '기후'와 '날씨'를 분리하다 [1970년대]

마나베의 예측에도 불구하고, 1970년대 과학계는 여전히 회의적이었습니다. "지구가 더워진다고? 당장 내일 날씨도 못 맞히는데, 100년 뒤 기후를 어떻게 예측한단 말인가?"

이것이 '날씨' [Weather]와 '기후' [Climate]의 혼동이었습니다.

• 날씨: 매일매일 변하는 '혼돈' 그 자체. [카오스 이론]
• 기후: 수십, 수백 년에 걸친 '평균적인' 경향성.

독일 막스 플랑크 기상 연구소의 클라우스 하셀만은 이 '혼돈' 속에서 '경향성'을 찾아내는 천재적인 모델을 만들었습니다.

그는 '날씨'라는 단기적이고 무작위적인 '잡음' [Noise]과, '이산화탄소 증가' 같은 장기적이고 느린 '신호' [Signal]를 통계적으로 분리하는 방법을 고안했습니다.

1979년, 그의 모델은 마침내 '인간의 지문' [Human Fingerprint]을 찾아냈습니다. "최근 100년간의 기온 상승은, 태양 활동이나 화산 폭발 같은 '자연적 잡음'만으로는 절대 설명할 수 없다. 이것은 오직 인간이 배출한 '이산화탄소'라는 '강력한 신호'가 더해졌을 때만 설명 가능하다."

하셀만은 '지구 온난화'가 '실재'하며, 그 '범인'이 인간임을 통계적으로 확증했습니다.

 

🧠 [2부] 조르조 파리시: '무질서' 속의 숨겨진 수학

 

마나베와 하셀만이 '기후'라는 거대한 복잡계와 씨름하는 동안, 이탈리아 로마 대학의 조르조 파리시는 그보다 훨씬 작고 기묘한 '복잡계'에 매료되었습니다.

'스핀 유리' [Spin Glass]라는 절망적인 물질

'스핀 유리'는 일반적인 자석과는 다릅니다. '구리' 같은 비자성체에 '철' 원자 몇 개를 무작위로 흩뿌려 만든 합금입니다.

• 일반 자석: 모든 원자 스핀이 '같은 방향' [↑↑↑↑]으로 정렬되어 안정화됩니다.
• 스핀 유리: 어떤 스핀[자석]은 이웃과 '같은' 방향을 원하고, 어떤 스핀은 '반대' 방향을 원합니다. 이들은 서로 '좌절' [Frustration]하며, 어떤 방향으로도 안정화되지 못하는 영원한 '혼돈' 상태에 빠집니다. [예: "A는 B와 친하고, B는 C와 친한데, A와 C는 원수"인 상황]

1970년대, 이 '스핀 유리'의 무질서한 상태를 수학적으로 기술하는 것은 불가능해 보였습니다.

'복제 대칭 붕괴'라는 해법 [1979]

1979년, 파리시는 이 '완벽한 무질서' 속에, 사실은 **무한한 단계의 '숨겨진 질서'**가 존재한다는 것을 수학적으로 밝혀냈습니다.

그는 '복제' [Replica]라는 기묘한 수학적 트릭을 사용했습니다. "이 복잡한 시스템 '하나'를 푸는 것이 불가능하다면, 이 시스템과 '똑같은' 복제본 수천 개를 상상하고, 그 '복제본들 사이의 평균적인 유사성'을 계산하면 어떨까?"

그의 계산은, 스핀 유리가 '단 하나의' 안정된 상태[바닥 상태]를 갖는 것이 아니라, 무한히 많은 '준-안정 상태' [계곡들]를 가지며, 이 계곡들이 '자기 유사성' [Self-similarity]이라는 놀라운 계층 구조를 이룬다는 것을 보여주었습니다.

이 '복제 대칭성 붕괴' [Replica Symmetry Breaking] 이론은 난해했지만, '스핀 유리'라는 특정한 문제를 넘어, '무질서하고 좌절된' 모든 복잡계를 설명하는 '보편적인 언어'가 되었습니다.

파리시의 수학은 '인공지능' [신경망], '최적화 문제' [예: 배송 트럭의 최단 경로 찾기], '생물학' [종의 진화, 단백질 접힘], '기후' [하셀만의 연구] 등, 겉보기엔 전혀 상관없어 보이는 모든 '복잡계'의 근본 원리를 푸는 열쇠가 되었습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

'기후 과학'의 첫 승리

이 수상은 '기후 변화' 연구가 마침내 물리학의 가장 핵심적인 분야로 인정받았음을 의미합니다. 노벨 위원회는 인류가 직면한 가장 시급한 문제[지구 온난화]에 대한 '물리학적 근거'를 제공한 마나베와 하셀만의 공로를 더 이상 미룰 수 없었습니다.

이탈리아 이론 물리학의 부활

조르조 파리시는 엔리코 페르미 [1938년 수상] 이후 명맥이 끊겼던 '이탈리아 이론 물리학'의 화려한 부활을 알린 거장입니다. 그는 페르미에 버금가는, 이론과 응용을 넘나드는 천재로 존경받습니다.

"나는 '확신'이 아닌 '불확실성'을 연구했다"

수상 발표 후, 기자가 "지구 온난화가 인간 때문이라고 100% 확신하느냐"고 묻자, 하셀만은 이렇게 답했습니다. "아니다. 나는 100%를 연구한 것이 아니다. 나는 '95%의 신뢰도'를 연구했다. 나의 업적은 '불확실성' 속에서 '신뢰할 수 있는' 답을 찾는 방법을 개발한 것이다."

 

✍️ 나가며: '복잡함'을 과학으로 끌어안다

 

2021년 노벨 물리학상은 '단순함'을 넘어 '복잡함' 그 자체를 이해하려는 인류의 위대한 도전에 수여되었습니다.

마나베와 하셀만은 '기후'라는 가장 거대한 복잡계가 '물리 법칙'으로 예측 가능함을 증명하고, 인류에게 가장 시급한 '경고'를 날렸습니다.

조르조 파리시는 '무질서'라는 가장 혼란스러운 현상 속에 숨겨진 '수학적 질서'를 발견하여, 모든 복잡계를 풀 수 있는 '보편적인 지도'를 제공했습니다.

그들 덕분에 21세기 물리학은, '기후'와 '생명'과 '사회'라는, 우리가 발 딛고 선 '복잡한 현실'을 과학의 언어로 끌어안기 시작했습니다.