2021년 노벨물리학상에 마나베 슈쿠로, 클라우스 하셀만,조르지오 파리시 교수 공동선정

올해 노벨물리학상 수상자

무질서한 복잡한 물리시스템 안에 숨겨진 패턴 발견

‘복잡한 기후·물리체계 이해 넓힌 연구’ 과학자 3명 공동 수상

이번 노벨물리학상은 지구의 기후와 인류가 어떻게 영향을 미치는지에 대한 지식의 기초와 무질서와 무작위 이론을 제시한 연구가 주목받았다. 복잡계는 무작위성과 무질서를 특징으로 해 이해가 어려운 것으로 알려졌으며, 이에 마나베 교수와 하셀만 교수가 지구 기후라는 복잡계 안에서 변동성을 정량화하고 지구 온난화를 안정적으로 예측한 것으로 평가받았다. 파리시 교수는 무질서한 복잡한 물리시스템 안에 숨겨진 패턴을 발견하는 데 공헌했다

기후변화 주목하다

올해 노벨물리학상에는 기후변화의 물리적 속성을 밝힌 과학자 2명과 이론물리학자 1명이 수상의 영예를 안았다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 5일(현지시간) 올해 노벨물리학상 수상자로 일본계 마나베 슈쿠로 미국 프린스턴 대학교 교수, 클라우스 하셀만 독일 막스플랑크 연구소 교수, 조르지오 파리시 이탈리아 로마 사피엔자대 교수를 공동으로 선정했다.

노벨위원회는 이들 과학자가 복잡한 물리 시스템에 대한 이해를 높이는 데 획기적 공헌을 했다고 평가하며, 특히 마나베 교수와 하셀만 교수는 지구 기후에 대한 지식의 기반을 닦았고, 인류가 어떤 영향을 받는지 밝혔다고 설명했다. 파리시 교수는 무질서계 이론에 대한 혁명적 공헌을 쌓은 것으로 평가받고 있다.

마나베 교수와 하셀만 교수는 기후 모델링의 선구자로 알려져 있다. 날씨 예보와 기후 전망은 모두 예측 모델이 있기에 가능하며, 두 사람은 정량화된 변수로 모델을 구축해 지구온난화를 관측한 것으로 나타났다.

-00-마나베 교수는 대류로 인한 기단의 수직 수송과 수증기 잠열을 통합하는 물리 모델 개발 작업을 주도했다.(노벨위원회)

마나베 교수는 1960년대부터 대기 중 이산화탄소 농도 증가가 어떻게 지구 기온을 높이는지 밝혔으며, 약 10년 뒤 하셀만 교수는 날씨와 기후를 연결하는 모델을 만들어 기후 모델링이 어떻게 혼란스러운 자연현상을 신뢰도 높게 예측할 수 있는지 설명하며 주목받았다.

이론물리학자 파리시 교수는 수학과 생물학, 신경과학, 머신러닝 등 다양한 분야의 복잡계를 설명하는 물리·수학모델을 개발했으며, 기후 현상도 복잡계의 하나로 나타났다.

특히 파리시 교수는 “기후변화 대응을 위해선 강한 결심을 갖고 빨리 움직여야 한다”며 “미래 세대를 위해 지금 당장 행동에 나서야 한다”고 소감을 밝혀 눈길을 끌었다.

학계는 마나베 교수와 하셀만 교수가 노벨상 분야 불모지로 여겨졌던 지구과학 분야에서 벽을 깬 것으로 평가하고 있다.

노벨위원회는 “마나베와 하젤만 교수는 기후 변화에 대한 물리학 모델 연구로 지구 온난화의 변동성과 예측 가능성에 기여했다”며 “파리시 교수는 무작위성과 무질서가 원자에서 행성까지의 모든 물리 체계 내부에서 일어나고 있다는 점을 규명했다”고 시상 이유를 밝혔다.

지금까지 노벨 과학상 분야에서 지구과학 분야 연구자가 수상한 것은 이번이 두 번째로, 앞서 1995년 셔우드 롤랜드 교수와 마리오 몰리나 교수, 파울 크뤼천 교수가 오존층 파괴의 화학적 원리를 밝혀낸 공로로 노벨 화학상을 받은 것이 유일했던 것으로 파악됐다.

기후위기 실마리 찾을까

이번 노벨물리학상은 무작위성, 무질서에 담긴 규칙에서 기후위기 해결의 실마리를 찾을 수 있는 연구로 평가받고 있다.

복잡계 연구는 특정한 집단을 구성하는 다양한 요소들 사이의 상호작용으로 일어나는 결과를 파악하는 학문으로 알려져 있다. 모든 복잡계는 서로 다른 상호 작용을 하는 여러 부분으로 구성되는데, 기후는 대표적인 복잡계로 꼽히고 있다. 초기 값의 작은 편차가 이후 단계에서 큰 차이를 초래하며, 이에 물리학자들은 지난 수세기 동안 이런 복잡계의 상호작용을 이해하기 위해 고군분투해왔다.

00-피리시 교수는 현대 복잡계 이론의 초석을 닦은 것으로 평가받고 있다.(노벨위원회)

먼저, 온실효과의 발견이 있다. 200년 전 프랑스 물리학자 조제프 푸리에는 지면에 대한 태양 복사와 지면으로부터의 복사 사이의 에너지 균형을 연구했으며, 그 결과 지구 표면에서 들어오는 태양 복사는 나가는 복사로 변환돼 대기에 흡수된다는 점을 발견한 것으로 나타났다.

그러나 실제 대기의 복사과정은 더 복잡한 것으로 지적됐다. 이에 지난 2세기 동안 과학자들은 그 복잡한 과정에 대한 비밀을 풀기 위해 노력해 왔으며, 물리학 법칙을 기반으로 한 현대 기후 모델은 지구 기후를 이해하는 것 뿐 아니라 인간이 일으킨 지구 온난화를 이해하는 데 강력한 도구로 활용되고 있는 것으로 나타났다.

이에 현존하는 많은 기후모델의 시초가 된 것이 바로 마나베 교수가 만들어 낸 물리 모델로 평가받는다. 1950년대 마나베 교수는 전쟁으로 황폐해진 일본을 떠나 미국으로 향한 것으로 알려졌다. 당시 그의 연구 목표는 지구 대기 상에서 늘어난 이산화탄소의 양이 어떻게 지구의 온도를 높이는 지 파악하는 것으로 알려졌다.

특히 마나베 교수는 1969년 대류로 인한 기단의 수직 수송과 수증기 잠열을 통합하는 물리 모델 개발 작업을 주도한 것으로 평가받고 있다. 실제로 이 모델은 이산화탄소의 증가로 실제 지구 온도가 올라갔음을 증명했으며, 지면에 가까운 공기가 상승한 반면 높은 대기일수록 온도가 떨어지는 현상을 관측했다. 즉, 태양 복사의 변화가 지구 온도 상승의 원인이었다면 전체 대기가 동시에 가열됐을 것이라는 분석이다.

마나베 교수가 1969년 첫 물리 기후모델을 개발한 10년 후인 1979년 하셀만 교수는 날씨와 기후를 연결하는 모델을 만드는데 성공하게 된다. 하셀만 교수는 확률론적 기후 모델을 만든 것으로 평가받고 있으며, 그는 알버트 아인슈타인의 ‘브라운 운동’ 이론을 활용한 것으로 알려졌다.

브라운 운동은 액체나 기체 안에 떠서 움직이는 작은 입자의 불규칙한 운동을 뜻하는데, 이 이론을 사용해 빠르게 변화하는 대기가 실제로 바다에서는 느린 변화를 일으킬 수 있음을 입증했다. 그는 또 태양 복사나 화산 입자, 온실가스 수준의 변화가 고유한 지문을 남긴다는 점을 착안해 인간이 기후 시스템에 미치는 영향을 입증하는 방법도 개발해 주목받았다.

이러한 가운데, 피리시 교수는 현대 복잡계 이론의 초석을 닦은 것으로 평가받고 있다. 파리시 교수는 이런 통계역학을 활용해 1979년 겉보기에 무작위적인 현상이 숨겨진 규칙에 의해 어떻게 지배되는지를 분석한 연구를 발표하며 눈길을 끌었다. 뜨거운 액체 유리를 찬물에 넣으면 유리 분자들이 제멋대로 자리를 찾아가 굳어지며, 뜨거운 액체 유리를 서서히 시키면 규칙적인 배열을 이루는 데 반해 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 파리시 교수는 이런 차이를 설명하기 위한 기초 모델을 개발하는데 성공했다.

00-파리시 교수가 개발한 이 모델은 스핀 글라스라고 불리며, 이는 _스핀_이라는 변수로 이뤄진 시스템이다.(노벨위원회)

이 모델은 스핀 글라스라고 불리며, 이는 ‘스핀’이라는 변수로 이뤄진 시스템으로 알려졌다. 위아래 2개의 변수만 있어 복잡한 현상을 수학적으로 풀어낼 수 있으며, 이 방법론을 ‘래플리카 메소드’라고 이름 붙게 된다.

그러나 이 방법론이 입증되기까지는 수년이 소요된 것으로 알려졌다. 이후 그가 개발한 방법론은 여러 복잡계 이론의 초석이 됐으며, 최근에는 물리학, 수학, 생물학 외에도 신경과학이나 기계학습(머신러닝)과 같은 분야에도 적용되며 활용 분야를 넓히고 있는 것으로 나타났다. 그의 연구는 무작위성과 무질서한 현상에 대한 이해와 설명을 가능케 한다는 평가도 나온다.

28명 노벨상 배출한 일본

일본계 미국인의 노벨물리학상 수상에 일본은 떠들썩한 분위기다. 일본 언론들은 일본 에히메현 출신의 마나베 교수의 노벨상 수상 소식을 일제히 주요기사로 전하고 있다. 마나베 교수가 일본에서 미국으로 건너가 미국에 뿌리를 둔 연구 생활을 계속해 온 이유는 연구 환경과 분위기 때문으로 알려졌다.