불확실성을 이해하는 것이 세계의 본질을 이해하는 것이다
기후, 질병, 경제, 전쟁 등 거의 모든 것에 관한 물리학

“혼돈으로 가득한 이 세상을 이해하는 확실한 방법이다.”
― 김범준(성균관대학교 물리학과 교수, 《세상물정의 물리학》 저자)

★노벨물리학상 수상자 로저 펜로즈(2020년), 마나베 슈쿠로(2021년) 추천★
★확률예보 시스템 구축하고, IPCC의 노벨평화상 수상에 중심 역할을 했던 과학자★

감히 예측할 수 없는 것을 예측하는 것은 가능할까? 이론물리학자이자 기상학자인 팀 파머는 앞선 질문의 핵심인 ‘불확실성’을 깊이 파고든다. 불확실하다는 것은 예측이 어렵다는 것과 다르지 않다. 그가 기틀을 마련한 ‘앙상블 예측 기법’은 현실을 충분히 반영하지 못하는 결정론적 예측을 넘어, 합리적인 의사결정을 하는 데에 도움이 되는 확률적 예측을 가능하게 했다. 파머는 변화무쌍한 기상(날씨)의 모습을 최대 2주까지 확률로 표현할 수 있는 지금의 일기예보 시스템을 구축한 사람이라고 봐도 무방하다. 그는 비선형(출력의 변화가 입력의 변화에 비례하지 않는 성질, 즉 원인과 결과가 정비례하지 않는 특성)의 대표적인 사례인 날씨에서 시작하여 바이러스, 경제, 국가 간 충돌 등을 자신만의 방법으로 분석하고 예측한다. 그리고 자유의지, 의식, 신의 영역까지 나아가는 철학자로서의 모습을 보여주기도 한다. 그가 바라본 세상은 비선형적 특성이 어느 곳에 존재하는 곳이었다. 혼돈, 즉 불확실성 그 자체였다. 무질서 속의 질서, 질서 속의 무질서를 보게 하는 불확실성의 과학은 우리에게 조금 더 ‘정확한 내일’을 선사한다.

전도유망한 블랙홀 물리학자, 호킹의 제안을 거절하고 ‘기후변화의 물리학’에 뛰어들다

파머처럼 독특한 이력을 가진 과학자도 드물 것이다. 그는 옥스퍼드대학교에서 일반 상대성 이론으로 박사학위를 받은 이론물리학자다. 스티븐 호킹, 마틴 리스 등의 지도교수이기도 한 데니스 시아마, 2020년 노벨물리학상 수상자인 로저 펜로즈 등을 스승으로 둔 그는 중력, 특별히 블랙홀 전문가로서 단단한 초석을 쌓았다. 박사과정이 끝나갈 무렵, 그는 케임브리지대학교 소재 호킹의 연구팀에 합류하라는 제안을 받았다. 하지만 돌연 영국 기상청에 이력서를 제출한다. 진로를 두고 고민할 때, 그는 “무엇보다도 앞으로 내가 하게 될 일이 사람들의 안녕이나 행복과 아무런 관계가 없다는 것이 문제였다”고 생각했다. 결국, 마음이 이끄는 대로 평범한 과학 공무원의 길을 선택했다. 이후 그는 이론물리학을 전공한 기상학자로서 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)에서 정기적으로 출간하는 평가보고서의 저자 중 한 사람이 되었다. 더불어 2007년 IPCC의 노벨평화상 수상에 기여한 공로를 공식적으로 인정받기도 했다. 그는 기후과학자로서 현재도 왕성하게 활동하고 있으며, 올해에도 ‘기상학 분야의 노벨상’이라 할 만한 국제기상기구상(IMO Prize)을 수상했다. 혼돈 이론의 선구자로도 알려진 에드워드 로렌즈가 받은 상이기도 하다. 파머의 삶에서 블랙홀은 온전히 작용하지 못했다. 모든 것을 집어삼키는 블랙홀이 날씨라는 복잡미묘하고 신비로운 현상에 끌리는 그의 마음까지 끌어당기지는 못했다. 덕분에 그는 일상이 된 일기예보를 우리에게 선사하고 기후변화에 관한 가장 적확한 메시지를 전달하는 과학자가 되었다.

“내일 비가 올 확률은 60퍼센트”, 예측의 새로운 역사를 연 확률예보의 탄생

앙상블 예측 시스템은 초기 조건을 조금씩 바꿔가며 시뮬레이션을 여러 번 실행하여 얻은 결과를 통계적으로 분석하는 방법이다. 예를 들어 각기 다른 초기 조건으로 내일의 대기 상태를 50번 시뮬레이션했는데 그중 20번 비가 내렸다면, 내일 비가 올 확률은 40퍼센트가 되는 식이다. 우리가 일기예보에서 접하는 ‘강우 확률’은 이 앙상블 예측을 통해 도출된 결과라고 볼 수 있다. “확률은 일기예보의 부정확함을 얼버무리는 수단이 아니다. 확률예보는 현명한 결정을 내리는 데 큰 도움이 된다.” 우리는 어떤 현상, 사건에 대한 확률을 토대로 비용-손실 비율과 같은 값을 도출하여 판단의 근거로 삼을 수 있다. 이 책의 10장에서는 “열흘 후에 집에서 가든파티를 열기로 했는데 천막을 빌려야 할지 말아야 할지” 고민하는 사람의 이야기가 등장한다. 비가 오지 않는데 천막을 빌려놓았으면 불필요한 낭비를 한 것이고, 비가 오는데 천막을 빌려놓지 않았다면 파티에 온 손님들에게 대단한 실례를 끼치게 된다. 그는 일기예보에서 알려준 강우 확률을 기초로 하여 최선의 선택을 한다. 그런데 가든파티의 천막 대여가 아니라 생계 수단과 관련이 있고, 심지어 목숨까지 걸린 일이라면 어떨까. 특정 지역 하천의 범람, 대규모 홍수 같은 사건 등이 그러할 것이다. 확률, 통계를 기반으로 한 의사결정은 날씨뿐 아니라 우리 삶을 구성하는 거의 모든 것에 적용할 수 있다. 바이러스 감염 경로와 사망자 추이 등을 분석하고(7장), 금융 생태계가 붕괴하는 시점을 예측하고(8장), 전쟁과 같은 국가 간 충돌을 사전에 인지하는 방법(9장) 등에 대해 설명하면서 파머는 이를 증명했다. 생존과 발전, 번영에 관한 결정을 내리는 데에 앙상블 예측 기법은 두루 적용할 수 있으며 우리는 조금 더 현명한 결정을 할 수 있다. 그렇기에 쓸모 있는, 즉 정확한 확률이 중요한 것이고, 파머는 확률이 그 쓸모를 충분히 발휘할 수 있도록 자신의 삶을 헌신했다. 그의 업적은 “비가 온다”에서 “비가 올 확률이 60퍼센트다”로의 진보라고 해도 손색이 없을 것이다.

기후변화, 세계 경제, 전염병의 위기를 파고드는 최전선의 과학

“과학 자체는 특정 정책을 옹호하지 않는다. 기후변화에 따른 위험을 줄이고 싶을 때 기후과학은 ‘탄소 배출량을 줄이는 게 유리하다’고 권할 뿐, ‘탄소 배출량을 반드시 줄여야 한다’고 강요하지 않는다”는 그의 말에서 과학자로서의 정체성을 오롯이 느낄 수 있다. 실재를 있는 그대로 관찰하고, 실제를 정확하게 설명하는 것이 과학자의 미덕일 것이다. 그는 과학의 태도를 가지고 몇몇 사람들이 주장하는 것들의 한계를 정확하게 지적한다. 우선 그는 기후변화가 매우 과장되었다고 주장하는 기후 극소주의자, 그 반대편에 있는 사람들을 기후 극대주의자라고 정의하고 두 진영 모두 과학의 메시지를 가볍게 여기고 있다고 지적한다(6장). 전자는 치명적인 상황에 다다를 가능성을 경시하고 있고, 후자는 ‘반드시 그렇게 된다’는 식으로 당위성을 과도하게 부여하고 있다는 것이다. 파머는 스스로를 극대주의자에 가깝다고 평가하지만, 과학자로서의 의무와 윤리를 벗어나지 않으려는 태도를 명확하게 보여준다는 점에서 그들과는 확연한 차이가 있다. 또한 파머는 경제학자, 특히 그들이 좋은 모형의 조건으로 꼽은 항목에 대해서 신랄하게 비판한다(8장). 그는 예측의 정확성, 경험과의 일치, 반증 가능성에 낮은 점수를 준 경제학자들을 “이해할 수 없었다”고 말한다. 경제학자들이 선호하는 개념적 모형은 현상의 이유를 이해할 때는 도움이 되지만 예측할 때는 거의 무용지물이라고 혹평하기도 했다. 그가 보기에 경제학자의 모형이 의사결정에 별 쓸모가 없다는 것으로 이해할 수 있다. 그리고 20~21세기에 걸쳐 이론물리학을 떠받쳐온 핵심 철학인 방법론적 환원주의에 대해서도 “잘못된 철학이며 그 때문에 물리학이 백팔십도 틀린 방향으로 나아가고 있다”고 여과 없이 표현한다(11장). 지금도 극미세 영역을 탐구하고 있는 과학자들의 근간을 흔들어버린 그의 생각은 무척 도발적이고, 한편으로는 불편하기도 하다. 파격은 과학의 정신을 잘 담아내는 단어일 것이다. 더 나은 설명을 할 수 있다면 옛것을 과감하게 버릴 수 있는 용기라고도 할 수 있을 것이다. 그렇다면 파머는 파격의 과학자다.

불확실한 삶에 대처하는 우리의 고유한 능력에 관하여

파머는 “인간이 태생적으로 가지고 있는 결점은 비합리성이나 실패의 징후가 아니라, 불확실한 삶에 대처하는 우리의 고유한 능력이 결점처럼 드러나 보이는 것일 뿐이라는 점”을 꼭 기억해달라고 독자들에게 당부한다. 그는 이 ‘결점’에 대해서 구체적으로 언급하지 않는다. ‘불확실한 삶에 대처하는 우리의 고유한 능력’이 무엇일까. 조직, 의사결정 분야에서 탁월한 업적을 남긴 제임스 마치 스탠퍼드대학교 명예교수의 메시지로 답을 갈음하면 어떨까. 그는 인간다움의 본질을 ‘결과에 상관없이 기꺼이 행동하려는 의지’라고 말했다. 마치는 신뢰가 보장될 때만 누군가를 믿고, 어떤 보상이 있을 때만 사랑하고, 배움이 가치가 있다고 여길 때만 배운다면 인간다움의 본질을 버리는 것과 같다고 했다. “결과에 상관없이”라는 말 안에는 삶의 거의 모든 순간에 불확실성을 감지하는 우리의 모습이 고스란히 담겨 있다. 또한 불확실함의 필연성과 중요성을 받아들여야 한다는 파머의 교훈도 녹아들어 있다. 불확실성이 현실에 모습을 드러내는 과정에 초점을 맞추고 불확실한 세계를 예측하고 이해하는 것. 이것이 이 책을 통해 우리가 배울 수 있는 불확실성의 과학일 것이다.