올해 노벨물리학상을 받은 3명의 과학자는 수많은 변수가 동시에 작용하는 가운데 무질서 속에서 질서가 나타나는 ‘복잡계 연구’에 크게 기여했다는 공통점이 있다.
스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 5일(현지시간) 지구 기후의 물리학적 모델링과 지구온난화의 수학적 예측 가능성 증진에 기여한 공로로 슈쿠로 마나베(90)와 클라우드 하셀만(89)을, 원자에서 행성단위에 이르기까지 물리학적 체계에서 무질서와 변동의 상호작용을 발견한 공로로 조르조 파리시(73)를 각각 물리학상 수상자로 선정했다고 밝혔다.
복잡계 연구는 선뜻 이해하기 어려운 다양한 무질서한 현상의 원리를 규명하고 그 속에서 나타나는 질서와 이치를 밝히려는 것이다.
인류에게 가장 큰 영향을 미치는 대표적인 복잡계 현상 중 하나가 바로 ‘기후’다. 특히 그 중에서도 ‘기후변화’는 인류가 직면한 가장 심각한 문제라고 해도 과언이 아니다.
마나베는 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면 어떻게 지구 표면 온도가 올라가는지 입중하는 모델을 1960년대에 개발해냈다.
당시 그가 초기 컴퓨터를 이용해 만든 지구 온난화 시뮬레이션은 현재 수많은 대기과학자들이 보다 정교하게 만든 현행 기후 모델과 세부적인 내용에만 차이가 있을 뿐 개념적 틀이나 원리는 크게 다르지 않다.
손석우 서울대 지구환경시스템학부 교수는 이날 수상자 발표 직후 한국과학기술단체총연합회가 연 노벨물리학상 업적 설명 기자간담회에서 “마나베 교수가 당시 개발한 모델은 기후학계에서 오래전부터 알려진 업적”이라고 소개했다.
손 교수는 “그는 대기의 물리적 특성을 활용해 대기 온도가 어떻게 변할지 추정하고, 이를 넘어선 3차원 기후 모델까지 구축해냈다”고 설명했다.
하셀만은 마나베가 지구 온난화 모델을 개발한 약 10여년 뒤 그의 모델을 토대로 수시로 변하는 ‘날씨’와 보다 장기적 패턴인 ‘기후’를 연결할 수 있는 이론을 만들어냈다.
변덕스러운 날씨를 토대로 하는 기후 모델에 어떻게 신뢰성을 부여할 수 있을지 설명한 것이 그의 주요 업적으로 꼽힌다.
또 하셀만은 ‘기후지문'(climate fingerprint) 기법을 통해 자연적인 기후변화와 인위적인 기후변화를 구분해내는 방법을 고안하기도 했다.
이날 노벨물리학상 수상자를 선정한 노벨위원회는 “그가 개발한 이론은 대기 온도 상승이 인간이 배출한 이산화탄소 때문이라는 것을 증명하는데 사용됐다”고 평가했다.
파리시의 업적은 얼핏 보면 규칙이나 질서가 없는 것처럼 보이는 현상들 속에서 실제로 어떤 법칙이 작용하는지 밝혀낸 것이다.
이런 특성을 지닌 시스템의 모델 중 ‘스핀 유리'(spin glass)라고 불리는 것이 매우 중요한데, 파리시는 1979년 이에 대한 풀이를 내놓아 이 분야 연구에 돌파구를 열었다. ‘유리’라는 표현은 비유를 위해 쓰인 단어이며, 우리가 흔히 보는 실제 유리를 가리키는 것은 아니다.
박형규 고등과학원 물리학부 교수는 “파리시 교수는 스핀들이 근접한 스핀과만 상호작용을 하는 것이 아니라 전체 스핀이 모두 상호작용한다는 것을 가정해 수학적으로 문제를 풀었다”고 설명했다.
이를 비롯한 파리시의 연구 업적은 물리학뿐만 아니라 수학, 생명과학, 컴퓨터공학 등에도 직접적으로 응용됐으며, 최근 각광받는 ‘머신러닝’ 등 인공지능(AI) 기술의 기반이 되는 신경망 연구에 직결되기도 한다. 연쇄적 파급효과는 더욱 컸다.
박 교수는 “이 문제를 풀었더니 아주 재미있는 현상들이 발견돼 해당 모델이 다양한 곳에 활용할 수 있게 됐다”며 “빅데이터를 이용해 사람들이 모일 때 어떤 구조가 생기는지, 어떤 일이 발생하는 빈도가 얼마나 되는지 알 수 있게 된 것”이라고 부연했다.
마나베·하셀만과 파리시의 연구는 무질서한 현상들을 설명하고 장기적인 행동을 예측하는데 새로운 방법을 제공했다는 공통점이 있다.
박 교수는 “이들 연구에서 가장 중요한 부분은 ‘요동'(fluctuation)이라고 부르는 부분”이라며 “무작위성이 요동에 어떻게 영향을 끼치는지 연구하기 때문에 그런 부분에서 이분들의 연구가 공통점이 있다고 생각한다”고 설명했다.