[1998 노벨화학상] 월터 콘 & 존 포플 : 컴퓨터로 화학을 풀다, '양자화학'과 '계산화학'의 혁명

 

 

💻 "화학자에게 비커 대신 컴퓨터를 쥐여주다"

 

우리가 흔히 상상하는 화학자의 모습은 하얀 가운을 입고, 알록달록한 시약이 든 비커를 흔들며, 가끔은 '펑!' 하고 폭발을 일으키는 모습입니다.

하지만 20세기 후반, 전혀 새로운 유형의 화학자들이 등장했습니다. 그들의 실험실에는 시약 냄새 대신 커피 향기가 나고, 실험대 위에는 비커 대신 두꺼운 '컴퓨터 매뉴얼' 과 모니터가 놓여 있었습니다.

그들은 물질을 직접 만지지 않고도, 컴퓨터 화면 속에서 가상의 분자를 만들고 반응시켰습니다. "이 약물이 바이러스에 잘 붙을까?", "이 신소재가 열에 견딜까?" 이 모든 것을 실험하기 전에 수학적으로 계산해서 예측해 낸 것입니다.

오늘 소개할 1998년 노벨 화학상 수상자들은 화학을 '실험의 영역' 에서 '계산의 영역' 으로 확장시킨 두 명의 선구자입니다.

복잡한 전자의 움직임을 밀도라는 하나의 값으로 단순화시켜 계산 가능하게 만든 물리학자 월터 콘(Walter Kohn). 그리고 양자역학 방정식을 누구나 풀 수 있는 컴퓨터 프로그램으로 만들어 배포한 수학자 존 포플(John A. Pople).

이론과 소프트웨어로 화학의 패러다임을 바꾼 '계산 화학(Computational Chemistry)' 의 탄생 이야기를 소개합니다.

 

📜 월터 콘 : 물리학자, 화학의 난제를 풀다

 

1960년대 초, 양자역학은 이미 완성되어 있었지만, 화학자들에게는 '그림의 떡'이었습니다. 슈뢰딩거 방정식을 풀면 전자의 움직임을 알 수 있다는 건 알지만, 수소(전자 1개)보다 조금만 더 복잡한 원자가 되어도 계산량이 기하급수적으로 늘어나서 슈퍼컴퓨터로도 풀 수가 없었기 때문입니다.

오스트리아 출신의 물리학자 월터 콘은 이 복잡한 문제를 단순화시킬 획기적인 방법을 고안했습니다.

기존에는 전자 하나하나의 파동함수(위치, 속도 등)를 모두 계산해야 했습니다. 전자가 100개면 변수가 수백 개가 넘어가죠. 하지만 콘은 발상을 전환했습니다.

"전자 하나하나를 추적하지 말자. 대신 공간의 각 지점에 전자가 얼마나 모여 있는지, 그 '밀도(Density)'만 알면 에너지와 성질을 다 알 수 있지 않을까?"

마치 떼를 지어 날아가는 새 한 마리 한 마리의 경로를 계산하는 대신, 새 떼 전체의 '밀도 분포' 만 파악해도 전체의 움직임을 알 수 있는 것과 같습니다.

이것이 바로 '밀도 범함수 이론(DFT, Density Functional Theory)' 입니다. 이 이론 덕분에 수조 번의 계산이 필요했던 문제가 수천 번의 계산으로 줄어들었습니다. 불가능했던 다전자 원자와 복잡한 분자의 계산이 비로소 가능해진 것입니다.

 

🧐 존 포플 : 모두를 위한 소프트웨어, '가우시안'

 

월터 콘이 이론을 만들었다면, 영국의 수학자 존 포플은 그 이론을 누구나 쓸 수 있는 '도구(Software)' 로 만들었습니다.

포플은 원래 수학자였지만, 화학에 매료되어 양자화학자가 되었습니다. 그는 생각했습니다. "양자역학 이론이 아무리 훌륭해도, 수학을 모르는 화학자들은 쓸 수가 없다. 버튼만 누르면 알아서 계산해 주는 프로그램이 필요하다."

그는 1970년, '가우시안 70(GAUSSIAN 70)' 이라는 컴퓨터 프로그램을 개발하여 전 세계에 배포했습니다.

이 프로그램은 혁명이었습니다. 화학자가 컴퓨터에 분자 구조(탄소는 여기, 수소는 저기)를 입력하고 실행 버튼을 누르면, 프로그램이 알아서 슈뢰딩거 방정식을 풀고 결과를 보여주었습니다. "이 분자의 에너지는 얼마이고, 결합 길이는 몇이며, 빛을 받으면 파란색을 띱니다."

포플 덕분에 양자화학은 소수 천재들의 전유물에서, 전 세계 모든 화학자가 책상 위에서 사용할 수 있는 '일상적인 도구' 가 되었습니다.

 

⚡️ 노벨상 : 제3의 과학

 

1998년, 스웨덴 왕립과학원은 월터 콘과 존 포플에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "밀도 범함수 이론의 개발(콘)" 과 "양자화학 계산 방법론의 개발(포플)" 이었습니다.

이들의 수상은 과학 연구 방식에 '제3의 길' 이 열렸음을 공식적으로 인정한 사건이었습니다.

1. 이론 과학: 머리로 생각하고 수식을 쓴다.
2. 실험 과학: 손으로 만지고 관찰한다.
3. 계산 과학: 컴퓨터로 시뮬레이션한다.

이제 화학자들은 비싼 시약을 낭비하거나 위험한 폭발 실험을 하지 않고도, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미리 결과를 예측하고 최적의 경로를 설계할 수 있게 되었습니다.

 

📚 TMI : 홀로코스트 생존자와 수학 천재

 

1. 월터 콘의 아픈 과거

월터 콘은 유대인으로, 어린 시절 나치의 박해를 피해 오스트리아를 탈출했습니다(Kindertransport). 영국을 거쳐 캐나다로 갔지만, 그의 부모님은 아우슈비츠 수용소에서 목숨을 잃었습니다. 그는 평생 전쟁과 폭력에 반대하는 평화주의자로 살았습니다.

2. 존 포플의 차고

존 포플은 어릴 때부터 수학 신동이었습니다. 하지만 집이 가난해서 대학에 갈 형편이 못 되었는데, 다행히 장학금을 받아 케임브리지에 갈 수 있었습니다. 그는 노벨상을 받은 후 기사 작위(Sir)를 받았습니다.

3. 가우시안의 현재

포플이 만든 프로그램 '가우시안(Gaussian)' 은 버전업을 거듭하며 지금도(Gaussian 16 등) 전 세계 화학 연구실에서 가장 널리 쓰이는 표준 소프트웨어 중 하나입니다. 화학 논문에 "가우시안을 이용해 계산했다"는 문구는 수없이 등장합니다.

 

🌏 맺음말 : 모니터 속의 우주

 

월터 콘과 존 포플은 우리에게 "현실은 수학으로 시뮬레이션될 수 있다" 는 것을 보여주었습니다.

눈에 보이지 않는 전자 구름의 미세한 떨림을 0과 1의 디지털 신호로 변환하여, 모니터 위에 3차원 분자 지도로 그려낸 그들의 업적.

오늘날 우리가 코로나19 치료제를 개발할 때 바이러스 단백질과 약물의 결합을 컴퓨터로 미리 맞춰보고, 더 오래가는 배터리 소재를 AI로 탐색하는 모든 과정은, 1998년의 두 영웅이 열어젖힌 '디지털 화학'의 세상 속에서 이루어지고 있습니다.