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레이저(Laser)는 우리 삶의 여러 분야에서 혁신을 가져온 빛의 과학 의 결정체입니다. 의료, 통신, 제조에 이르기까지 그 활용 범위는 무궁무진합니다. 레이저란 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation'의 약자로,  유도 방출(Stimulated Emission)을 이용하여 빛을 증폭하는 장치를 말합니다. 일반적인 빛과는 달리, 레이저 빛은 단색성(Monochromaticity) , 지향성(Directionality) ,  가간섭성(Coherence)이라는 세 가지 독특한 특성을 가집니다. 레이저의 기본 원리와 탄생 레이저를 이해하기 위해서는 우선 빛의 과학 의 기본 원리, 즉 원자의 에너지 준위와 빛(광자)의 상호작용을 알아야 합니다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 전자는 특정 에너지 준위(Energy Level)에만 존재할 수 있습니다. 1.1. 빛과 원자의 상호작용 원자는 일반적으로 바닥 상태(Ground State)라는 가장 낮은 에너지 준위에 머무릅니다. 여기에 외부 에너지를 가하면 전자는 더 높은 에너지 준위인 들뜬 상태(Excited State)로 올라갑니다. 전자가 들뜬 상태에서 다시 바닥 상태로 내려올 때, 그 에너지 차이만큼의 빛 알갱이, 즉 광자(Photon)를 방출하게 됩니다. 이 과정은 크게 세 가지로 나뉩니다. 흡수(Absorption): 원자가 외부에서 들어온 광자를 흡수하여 에너지가 낮은 상태에서 높은 상태로 전이하는 현상입니다. 자발 방출(Spontaneous Emission): 들뜬 상태의 전자가 외부의 자극 없이(자발적으로) 낮은 상태로 전이하며 광자를 방출하는 현상입니다. 이로 인해 발생하는 빛은 위상과 방향이 무질서합니다. 유도 방출(Stimulated Emission): 아인슈타인이 1917년에 이론적으로 예측한 현상으로, 이 과정이 바로 레이저의 핵심입니다. 들뜬 상태의 원자에 외부에서 광자( $h...

지구의 평균 기온이 지속적으로 상승하면서 우리는 전례 없는 기후 위기를 겪고 있습니다. 폭염, 산불, 홍수와 같은 극한 기상 현상이 점점 더 빈번하게 발생하고 있죠. 많은 사람들이 궁금해합니다. 왜 지구 온난화는 멈추지 않는 걸까요? 이 질문에 답하기 위해서는 기후 변화의 과학적 메커니즘을 이해해야 합니다. 온실가스와 온실효과 기후 변화의 과학을 이해하려면 먼저 온실효과의 원리를 알아야 합니다. 태양으로부터 지구에 도달한 단파장의 복사 에너지는 지표면을 따뜻하게 만든 후, 장파장의 적외선 형태로 다시 우주로 방출됩니다. 이때 대기 중의 온실가스가 이 적외선을 흡수하여 열을 저장하고 다시 지구로 방출하는데, 이것이 바로 온실효과입니다. 온실효과 자체는 지구 생명체에게 필수적입니다. 만약 온실가스가 전혀 없다면 지구의 평균 온도는 영하 18도까지 떨어져 생명체가 살기 어려운 환경이 됩니다. 현재 지구의 평균 기온인 영상 15도를 유지하는 데 온실가스가 핵심 역할을 하고 있는 것이죠. 문제는 산업혁명 이후 인간 활동으로 인해 대기 중 온실가스 농도가 급격히 증가했다는 점입니다. 주요 온실가스로는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 과불화탄소, 육불화황이 있으며, 이 중 이산화탄소가 전체 온실가스 배출량의 약 80퍼센트를 차지합니다. 이산화탄소는 주로 화석연료의 연소, 산업 공정, 산림 파괴 등에서 발생합니다. 대기 중에 100년에서 300년까지 머무르며 전체 온실효과의 65퍼센트를 담당합니다. 산업혁명 이전 280ppm이었던 이산화탄소 농도는 2019년 기준 약 410ppm까지 상승했으며, 이는 인류가 매년 엄청난 양의 온실가스를 배출하고 있다는 명백한 증거입니다. 메탄은 이산화탄소 다음으로 중요한 온실가스입니다. 습지, 농업, 축산업, 천연가스 연소 등에서 발생하며, 같은 양일 때 이산화탄소보다 약 21배 강력한 온실효과를 나타냅니다. 대기 중 체류 시간이 약 9년으로 비교적 짧아 배출량을 줄이면 빠른 효과를 볼 수 있다는 장점이 있습니다. 아산화질...

우주에서 가장 신비로운 존재 중 하나인 블랙홀. 빛조차 빠져나올 수 없는 강력한 중력을 가진 이 천체는 오랫동안 과학자들의 호기심을 자극해왔습니다. 최근 사건지평선망원경을 통해 인류 최초로 블랙홀의 실제 모습을 촬영하는 데 성공하면서, 블랙홀 연구는 새로운 전기를 맞이하고 있습니다. 이 글에서는 블랙홀의 구조와 과학자들이 밝혀낸 놀라운 발견들을 자세히 살펴보겠습니다. 블랙홀의 구조 블랙홀의 구조를 이해하기 위해서는 먼저 그 기본적인 구성 요소들을 알아야 합니다. 블랙홀은 단순히 검은 공간이 아니라, 여러 층으로 이루어진 복잡한 천체입니다. 가장 중심부에는 특이점이 존재합니다. 이곳은 무한대의 밀도를 가진 점으로, 물리 법칙이 더 이상 작동하지 않는 극한의 공간입니다. 모든 물질이 이 한 점으로 압축되어 있어, 현대 물리학으로도 완전히 설명하기 어려운 영역입니다. 특이점을 둘러싸고 있는 것이 바로 사건의 지평선입니다. 이는 블랙홀의 경계선으로, 일단 이 선을 넘어서면 빛을 포함한 어떤 것도 다시 빠져나올 수 없습니다. 사건의 지평선의 크기는 블랙홀의 질량에 비례하는데, 이를 슈바르츠실트 반지름이라고 부릅니다. 태양 질량 정도의 블랙홀이라면 사건의 지평선의 반지름은 약 3킬로미터에 불과합니다. 사건의 지평선 바깥쪽에는 광자구라는 영역이 있습니다. 이곳에서는 빛이 블랙홀 주위를 원형 궤도로 돌 수 있습니다. 블랙홀의 강력한 중력이 빛의 경로를 휘게 만들어 이러한 현상이 발생하는 것입니다. 더 바깥쪽에는 강착원반이 형성됩니다. 블랙홀로 떨어지는 물질들이 모여 원반 형태를 이루는데, 이 물질들이 서로 마찰하면서 엄청난 열을 발생시킵니다. 이 열로 인해 강착원반은 매우 밝게 빛나며, 우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사도 이러한 과정을 통해 만들어집니다. 강착원반의 온도는 수백만 도에서 수천만 도에 이를 수 있습니다. 블랙홀의 구조에서 빼놓을 수 없는 또 다른 요소는 제트입니다. 블랙홀로 유입되는 물질 중 일부는 블랙홀의 회전축을 따라 양쪽으로 빛의 속도에 가까운 속도로...

인공지능(AI)이 과학 연구의 패러다임을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 전통적으로 수십 년이 걸리던 연구가 AI의 도움으로 몇 년, 심지어 몇 달로 단축되면서 과학계에 혁명적인 변화가 일어나고 있습니다. 특히 신약 개발과 기후 연구 분야에서 AI의 역할은 단순한 보조 도구를 넘어 필수적인 핵심 기술로 자리잡았습니다. 이 글에서는 AI가 어떻게 과학 연구의 미래를 재정의하고 있는지 구체적인 사례와 함께 살펴보겠습니다. AI 신약 개발 신약 개발의 시간과 비용 혁명 전통적인 신약 개발 과정은 막대한 시간과 비용이 소요되는 도전적인 과제였습니다. 후보 물질 발굴부터 전임상, 임상 1상에서 3상에 이르기까지 평균 10년 이상의 시간과 약 3조 원의 비용이 필요했습니다. 더욱이 신약 개발의 성공률은 매우 낮아서, 한 화합물이 임상 1상에 진입할 확률은 10%도 되지 않으며, 임상 1상부터 시판 승인까지 받을 확률 역시 10% 수준에 그쳤습니다. 이러한 낮은 성공률과 높은 비용으로 인해 다국적 제약 기업의 평균 투자 대비 수익률은 2010년 약 10%에서 2019년 2% 미만으로 떨어지는 등 신약 개발의 생산성 저하 문제가 심화되어 왔습니다. 하지만 AI 기술의 도입으로 이러한 상황이 극적으로 개선되고 있습니다. AI는 방대한 생물학적·화학적 데이터를 신속하게 분석해 최적의 후보물질을 도출하고, 독성 및 약효를 정밀하게 예측함으로써 개발 기간을 기존 10년에서 3~4년 정도로 단축하고, 개발 비용을 기존의 5분의 1 수준으로 절감할 수 있게 되었습니다. 한국보건산업진흥원의 자료에 따르면 AI 기술을 신약 개발에 적용할 경우, 개발 기간을 7년 단축하고 약 6,000억 원의 비용을 절감할 수 있다고 합니다. AlphaFold의 등장: 단백질 구조 예측의 혁명 AI 신약 개발에서 가장 획기적인 성과 중 하나는 구글 딥마인드의 AlphaFold입니다. 단백질의 3차원 구조를 예측하는 문제는 50년 이상 생명과학의 난제로 여겨졌습니다. 단백질의 아미노산 서열만으로 그...