히포 노트(hippo)

사회적 박탈(social deprivation)이란 개인과 사회 사이에서 문화적으로 정상적인 상호작용이 줄어들거나 차단되는 현상을 말한다. 이는 사회적 배제(social exclusion)를 유발하는 다양한 요소들의 복합적인 네트워크 속에 포함된다. 이러한 요소들에는 정신 질환, 빈곤, 낮은 교육 수준, 그리고 사회경제적 지위의 저하 등이 포함된다.

'사회적 박탈'이라는 용어는 다소 모호한 측면이 있어 명확히 정의하기 어렵다. 그러나 지속적인 연구를 통해 몇 가지 중요한 측면이 밝혀졌다. 사회적 박탈을 겪는 경우, 낮은 사회경제적 지위나 교육 수준으로 인해 사회생활에 제약이 따를 수 있다. 이러한 사람들은 단순히 저소득 문제를 겪는 것이 아니라, 자유의 부재로 인해 기본적인 능력들이 박탈된 상태라고 볼 수 있다. 자유의 부재는 기회 감소, 정치적 발언의 축소, 품위 저하를 초래한다.

사회적 박탈의 정의에 혼동이 생기는 이유는 '사회적 배제'와 유사한 개념이기 때문이다. 사회적 박탈은 사회적 배제와 밀접하게 연관되어 있으며, 사회적 배제의 원인이 되기도 한다. 이는 한 사회 내에서 특정 구성원이 다른 구성원들로부터 배척될 때 나타나는 현상으로, 이로 인해 배척된 구성원은 건강한 사회적, 경제적, 정치적 상호작용을 위해 필요한 자원에 접근하지 못하게 된다. 피어슨(Pierson)은 사회적 배척을 가능하게 하는 주요 요소로 다섯 가지를 꼽았다: 가난, 취업 기회의 상실, 사회적 지지나 동료 네트워크로부터의 거절, 공공 서비스에서의 배제, 그리고 지역 사회의 부정적인 태도이다. 더불어, 아동 학대, 발달 지체, 정신 질환, 자살 등과도 관련이 있다.

하지만 사회적 박탈이나 배제를 경험한다고 해서 반드시 정신 질환이 발병하거나 박탈의 악순환이 지속되는 것은 아니다. 이러한 사람들도 정상적인 발달을 이루거나 강한 공동체 소속감을 유지할 수 있다.

사회적 박탈에 관한 연구는 주로 관찰 측정과 자기 보고 측정을 통해 이루어지며, 이는 사회적 박탈이 평생 발달과 정신 질환의 발병과 어떻게 연관되는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

### 임계기
임계기(critical period)란 특정한 환경적 자극이 필요한 발달의 중요한 시기를 의미한다. 이 시기에 아동이 사회적 박탈을 경험하면, 사회적 경험의 부족으로 인해 발달이 저해되거나 지연될 수 있다.

### 야생아
사회적 박탈이나 배제의 극단적인 사례로는 '야생아(feral child)'가 있다. 이러한 아동들은 정상적인 사회적 경험에 노출되지 않아 발달의 임계기에 중요한 사회적 자극을 받지 못한다. 예를 들어, 언어는 특정 시기 이전에 적절히 노출되지 않으면 이후에 습득이 어렵거나 불가능할 수 있다. 언어나 사회적 행동, 신체적 발달도 임계기가 있으며, 이 시기를 놓치면 나중에 회복이 어려울 수 있다.  
한 사례로, '지니(Genie)'라는 소녀는 생후 20개월부터 13.5세까지 사람과의 접촉이 거의 없었다. 발견 당시 지니는 말을 할 수 없고, 정상적인 신체 기능을 수행하는 데 어려움을 겪었으며, 문법을 갖춘 언어를 습득하지 못했다. 이처럼 사회적 박탈은 정상적인 성인으로 성장하는 데 심각한 영향을 미칠 수 있다.

### 두뇌 발달
초기 아동기에 사회적 박탈을 겪으면 뇌의 특정 영역에서 신경인지적 결함이 발생할 수 있다. 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캔을 통해 사회적 박탈을 경험한 아동들의 전전두피질, 측두엽, 편도체, 해마, 안와전두피질 등의 영역에서 심각한 위축이 확인되었다. 이 영역들은 기억, 감정, 사고 등 고차원적 인지 처리를 담당한다. 또한, 구상속의 백색질에서도 손상이 발견되었는데, 이는 고차원적 인지 및 정서 기능과 관련된 영역들 간의 주요 소통 회로이다. 이러한 손상은 피질 활동 저하로 이어져 타인과의 상호작용 및 관계 형성에 어려움을 초래한다.

연구에 따르면 사회적 박탈을 경험한 아동은 옥시토신이나 바소프레신과 같은 긍정적인 사회적 행동과 관련된 호르몬의 불균형을 보인다. 보호 시설에서 자란 아동들은 일반 가정에서 자란 아동들에 비해 양육자와의 상호작용에서 이들 호르몬 수치가 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 어릴 때 적절한 사회적 상호작용을 경험하지 못하면, 사회적 행동을 조절하는 신경내분비계의 발달이 저해된다.

사회적 네트워크 형성의 부재는 정신질환(mental illness)의 중요한 원인이 될 수 있다. 사회는 개인에게 안정감을 제공하지만, 사회적 박탈을 겪는 사람들은 이러한 안정감을 얻기 어렵다. 그 결과, 이들은 정신적 불안정성에 취약해진다. 또한, 정신적으로 건강하지 않다는 낙인이 찍히면, 사회적 낙인(social stigma)으로 인해 공동체로부터 부정적인 태도를 받으며 사회에 적응하기가 더 어려워진다.

사회적 박탈이 낳는 문제들은 종종 사회적 낙인의 요인이 되기도 한다. 예를 들어, 성인이 되어 부랑자가 되거나, 자격이 없거나, 사회 보호시설에 거주하는 등은 사회가 개인을 경멸하거나 배척하는 이유가 될 수 있다. 이로 인해 개인은 사회적, 재정적 지원을 받지 못하며, 악순환에 빠질 위험이 커진다. 특히, 사회가 비정상적이라고 여기는 사람들을 배척할 때 그 영향은 더욱 심각해진다.

이러한 소외(social alienation)는 무기력감과 좌절감을 유발하여 자살로 이어질 수 있다. 심각한 정신 질환과 자살 간의 연관성은 여러 연구를 통해 확인되었다. 자살의 주요 예측 요인 중 하나는 사회 통합(social integration)의 결여이다. 19세기 후반 에밀 뒤르켐(Émile Durkheim)은 높은 사회적 연대와 응집력을 가진 사회에서 자살률이 낮다고 주장했다. 종교, 사회, 정치 등의 공동체 구성원들과의 강한 유대는 정신 질환과 자살 위험을 낮추며, 양질의 삶의 질을 창출하는 중요한 요소가 된다.

경제적 불평등이 심화되면 자원의 공평한 분배가 어려워지며, 상위 계층의 권력 집중은 하위 계층에서 사회적 격차와 혜택 상실을 초래한다. 사회경제적 지위의 하락은 자유와 기회의 결여를 가져와 사회적 박탈로 이어진다. 힘을 상실한 사람들은 정치적 목소리를 내거나 기회를 얻기 어려워 공동체에 참여하는 데 제약을 받는다. 노동시장에 참여하지 못하거나 기본적인 사회보장 서비스에 접근할 수 없는 경우, 사회적 관계에서 배제될 가능성이 커진다. 이러한 사회적 관계는 사회 활동, 필요할 때 받는 지지, 자유롭게 돌아다닐 수 있는 능력 등을 포함한다. 특히, 아이들은 학교에 입학하면서 처음으로 사회적 관계와 관련된 경험을 하게 된다.

사회적 박탈의 요인은 다양하지만, 학교 제도의 개입은 위기에 처한 아동들의 상황을 개선하는 중요한 역할을 한다. 긍정적인 교육 경험은 이들이 사회에서 발전해 나가는 데 큰 도움을 준다. 하이/스코프 페리 미취학 아동 프로젝트(High/Scope Perry Preschool Project)는 사회경제적으로 불리한 아동들을 위한 취학 전 프로그램이 장기적으로 미치는 영향을 연구하기 위해 설계되었다. 연구에서 위기에 처한 아동들은 무작위로 프로그램 참여 그룹과 비참여 그룹으로 나뉘었으며, 목표는 이들의 교육 경험을 통해 삶의 질을 향상시키는 것이었다. 프로그램에 참여한 아동들은 그렇지 않은 아동들에 비해 학업 성취와 지능 시험에서 더 높은 성과를 보였고, 범죄율이 낮았으며, 월수입도 더 높았다. 이는 교육이 사회적 박탈을 경험하는 아동들의 삶을 긍정적으로 변화시킬 수 있음을 보여준다.

 미디어 아트 (Media Art) 또는 융합 예술

미디어 아트, 또는 융합 예술은 사진, 전화, 영화 등과 같은 신기술이 발명된 이후, 이러한 기술을 활용하는 예술을 가리킨다. 뉴미디어 아트라고도 불리며, 매체 예술로 번역된다. 이 예술은 새로운 화학적, 기계적 기술을 바탕으로 새로운 매체를 사용하는 예술로 정의된다. 1960년대 텔레비전과 방송이 등장하면서 대중 매체가 보편화되었고, 그 이후로 위성 방송, 인터넷, 웹사이트, 컴퓨터 기반 멀티미디어, CD-ROM, DVD, 가상현실 등의 기술을 활용하는 방향으로 확장되었다.

 뉴미디어 아트

디지털 기술, 특히 컴퓨터와 인터넷을 사용하는 예술은 종종 '뉴미디어 아트'라는 용어로 지칭된다. 이 용어는 새로운 매체를 강조하기 위해 사용되지만, 미디어 아트와 명확히 구분되지 않는 경우가 많다. '뉴미디어'라는 용어 자체가 시대에 따라 변하기 때문에 부적합하다는 지적도 있다. 예를 들어, 과거에는 비디오가 새로운 매체였으나, 오늘날에는 CD나 USB조차도 기존 매체로 여겨진다. 

미디어 아트라는 용어 자체도 매우 광의적이고 모호한 의미를 지닌다. 넓게 보면 퍼포먼스 아트나 바디 아트도 미디어 아트의 일종으로 간주될 수 있다. 넷아트, 웹아트, 상호작용 예술 등의 용어 역시 그 경계가 모호하며, 이는 아직 예술가, 관객, 평론가, 예술 시장 등 관련자들이 이 새로운 예술의 정의에 대해 합의하지 않았기 때문이다. 이러한 용어 정의의 불확실성은 포스트모더니즘 이후의 문화적 다양성과 혼종성이 강조되는 현대 사회의 특성을 반영한다.

 미디어 아트의 특징: 상호작용

미디어 아트의 중요한 특징 중 하나는 작가와 관객 간의 상호작용이다. 전통적인 예술, 즉 회화나 조각은 주로 정적인 제작물로서 심리적 상호작용이 중심이 되지만, 미디어 아트는 대중매체와 인터페이스를 통해 보다 직접적이고 물질적인 상호작용을 발생시킨다. 대중과의 소통 방식이 은유적인 수준에서 벗어나 보다 명확하고 구체적인 형태로 발전한 것이다. 

오늘날, 대중매체의 발달과 함께 미디어 아트는 단순한 예술을 넘어 일상 속으로 더욱 깊숙이 침투하고 있다. 이는 예술과 대중 간의 경계를 허물고, 일상과 예술이 융합되는 현대사회의 특징을 반영하고 있다.

 19세기: 산업혁명과 기계 매체의 도래

산업혁명 이전에도 시계 장치로 작동하는 자동 인형과 같은 기계 매체는 존재했으나, 본격적으로 기계 매체가 인류 사회에 영향을 미치기 시작한 것은 산업혁명 이후였다. 증기기관의 발명은 기차와 증기선의 도입을 가능하게 하여 물자 수송과 시장 확장을 이끌었고, 제국주의 국가들이 식민지 확장을 더욱 심화시키는 계기가 되었다. 이와 동시에 농촌의 잉여 노동력이 공장으로 이동하면서 근대적인 도시가 등장하기 시작했는데, 런던과 파리가 대표적인 사례다.

이 시기, 인쇄술의 발전과 맞물려 신문과 같은 대중매체가 확산되었으며, 1830년대 다게레오 타입 사진기의 발명으로 이미지를 기계적으로 복제하는 것이 가능해졌다. 1890년대에는 영화가 발명되면서 대중매체는 사회 전반에 걸쳐 강력한 영향력을 행사하기 시작했다. 그러나 이때의 사진과 영화는 소수의 기술자들에 의해 운영되었으며, 자본 없이는 제작이 어려운 상황이었다. 당시 몇몇 영화감독, 예를 들어 에이젠슈타인 같은 선구자들이 영화 미학을 정의하기 시작했으나, 전통 예술계는 여전히 회화나 조각 등 기존 매체에 머물러 있었다.

 20세기 초: 영화와 컴퓨터 기술의 발전

1차 세계대전과 대공황을 겪으면서 유럽 영화 산업은 타격을 입었고, 대신 미국 할리우드가 세계 영화 산업의 중심지로 부상했다. 그러나 순수예술계는 여전히 영화를 예술로 인정하지 않았다. 1930년대에 들어서야 뉴욕현대미술관에서 최초로 영화가 전시되었다. 이처럼 영화는 개인 예술가보다는 영화 제작 집단 중심으로 발전해 왔으며, 지금까지도 그러한 흐름이 이어지고 있다.

한편, 전쟁 시기에는 군대가 암호 해독 기술의 필요성에 따라 컴퓨터 기술 발전을 촉진시켰다. 앨런 튜링은 현대 컴퓨터의 원리를 정립한 인물로, 그의 튜링 머신은 컴퓨터 과학의 기반을 마련했다.

 1940년대: 디지털 기술의 태동

20세기 이전에도 라이프니츠 계산기나 방직기에서 이진법의 원리가 적용되었지만, 이는 사회에 큰 영향을 미치지 못했다. 디지털 기술이 본격적으로 발전한 시기는 제2차 세계대전 중이었다. 독일의 암호 해독을 위한 기술 개발이 필요했으며, 이로 인해 과학기술은 지식의 집합체로 인식되기 시작했다. 앨런 튜링은 이때 튜링 머신 개념을 발전시키며 현대 컴퓨터의 토대를 마련했다.

 1950년대: 컴퓨터의 도입과 예술적 응용

1950년대에는 애니악(ENIAC)과 같은 초기 컴퓨터가 등장하면서 군사 기술과 연관된 연구소에서 컴퓨터의 가능성을 탐구하기 시작했다. 이들 연구소에는 예술가와 디자이너들도 참여하여 기술 발전으로부터 미적 영감을 받아 다양한 실험적인 예술 작품을 제작했다. 신체 행위와 관객의 참여를 접목한 예술, 컴퓨터 음악 등이 이 시기에 등장했으며, 학자들은 공학, 미디어, 커뮤니케이션, 인공두뇌학 등에 관한 연구를 활발히 진행했다.

 1960년대: 미디어 아트의 초기 실험

1960년대 들어 예술가들은 본격적으로 기계 매체에 관심을 기울이기 시작했다. 대표적인 인물로는 존 케이지가 있는데, 그는 멀티미디어와 일렉트로닉스를 예술에 응용했다. 같은 시기 백남준은 최초로 소니 포타팩 비디오를 이용해 비디오 아트 작업을 시작했다. 그러나 이 시기의 기술은 아직 컴퓨터 프로그래밍보다는 신디사이저를 이용한 전자회로 이미지 조작에 그쳤다.

이 시기에 컴퓨터와 인간이 상호작용할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 기초 기술이 개발되었으며, 이는 이후 시스템 미학이라는 이상주의적 개념을 탄생시켰다. 많은 예술가와 과학자들이 새로운 공학과 예술의 융합을 긍정적으로 인식하며 시스템 아트가 등장하게 되었다.

 1970~80년대: 비디오 아트의 부상

1970년대와 80년대에는 비디오 아트가 주도권을 잡았다. 비디오 매체의 특성을 탐구하거나 작가의 정체성을 표현하고, 대중 매체에 저항하는 작품들이 등장했다. 컴퓨터 기반 미디어 아트는 예술가와 과학자의 공동 참여를 통해 발전했으며, 아르스 일렉트로니카와 같은 뉴미디어 아트 전시가 본격화되기 시작했다.

 1990년대: 뉴미디어 아트의 확산

1990년대 들어 매체 환경의 변화로 비디오 아트의 영향력은 감소했지만, 컴퓨터를 기반으로 한 뉴미디어 아트가 그 자리를 차지했다. 레이저, 조명 시스템 등이 예술 작품에 사용되기 시작했으며, 컴퓨터와 디지털 기술을 활용한 예술이 주요 경향으로 자리잡았다. 웹 브라우저의 개발과 넷아트, 소프트웨어와 예술의 융합이 새롭게 부각되었다.

 2000년대 이후: 디지털 시대와 미디어 아트

2000년대 이후, 인터넷의 대중화, 비디오 게임의 보급, 스마트폰의 상용화 등으로 미디어 아트의 소재는 더욱 다양해졌다. 미디어 아트는 계속해서 과학과 공학기술의 발전에 발맞추어 진화하고 있으며, 당대의 기술적 특징을 반영하는 작품들이 계속해서 등장하고 있다.

 미래 전망

미디어 아트는 과학기술과 공학적 발전을 기반으로 계속해서 실험적 도전을 이어가고 있다. 미디어 아트는 그 시대의 기술 발전을 주도하기보다는 기술의 잠재력을 예술적으로 탐구하는 역할을 하며, 앞으로도 기술과 문화의 융합을 통해 새로운 예술적 표현을 찾아나갈 것이다.

해양학(Oceanography)은 바다에서 발생하는 다양한 현상을 연구하는 학문으로, 여러 과학 분야의 융합을 통해 바다와 그 주변 환경을 탐구합니다. 해양학에는 지질학, 물리학, 생물학, 화학, 공학 등의 학문이 포함되며, 각 분야의 원리를 바다에 적용하여 연구가 이루어집니다.

해양학의 주요 세부 분야는 다음과 같습니다

1. 해양지질학: 해저의 지질 구조, 지구 내부 성분, 해저 퇴적물의 특성, 고기후 등을 연구하며, 지진 예측이나 지하자원의 분포 분석과 같은 실용적인 목적에도 활용됩니다.
   
2. 물리해양학: 바다의 물리적 현상인 파랑역학, 해류, 해양-대기 상호작용을 연구하는 분야입니다. 특히 기후 변화 예측과 관련하여 그 중요성이 점점 커지고 있습니다.
   
3. 해양생물학: 해양 생물의 분포, 특성, 그리고 해양과 대기의 상호작용이 생물에 미치는 영향을 연구하며, 해양 생물로부터 유용한 물질을 얻기 위한 연구도 진행됩니다.
   
4. 화학해양학: 해양에 용해된 고체 및 기체의 화학적 성분과 그들이 해양의 지질 및 생물학적 환경에 미치는 영향을 연구하는 분야입니다.
   
5. 해양공학: 석유 플랫폼, 선박, 항만 등의 해양 구조물을 설계하고 건조하는 기술을 연구하며, 항해의 안전성을 높이는 방안도 이 분야에서 다룹니다.

해양학은 이처럼 다양한 분야가 융합된 학문으로, 바다와 지구 환경에 대한 깊은 이해를 통해 인간 생활에 기여하고 있습니다.

 초기 역사

해양학의 기원은 선사시대부터 인류가 바다, 파도, 해류에 대한 지식을 습득한 데서 시작되었습니다. 기원전 384-322년에는 아리스토텔레스와 스트라본이 조수 현상을 기록한 바 있습니다. 초기의 해양 탐험은 주로 지도를 만들기 위한 목적이었으며, 어부들이 그물에서 잡은 동물과 해양 표면에 대한 제한된 지식만 축적되었습니다. 이후 납선을 이용한 바다 깊이 측정이 이루어졌습니다.

해양학에서 체계적으로 이루어진 첫 대규모 과학적 프로젝트는 포르투갈의 대서양 항해 캠페인입니다. 포르투갈의 수학자 페드루 누네스(1502-1578)는 조종사와 선임 선원의 교육에 관여하며, 지구에서 두 지점 간 최단경로인 사항곡선에 대해 연구하였습니다. 그는 《구에 대한 소고(Treatise of the Sphere)》라는 책을 출판하여 그의 기하학적 및 천문학적 탐색 방법을 기록했습니다.

카나리아 제도의 남쪽에서 출발한 배들은 바람과 해류 변화로 인해 돌아오는 것이 매우 어려웠습니다. 이 때문에 포르투갈인들은 'volta do largo' 또는 'volta do mar'라 불리는 항해 경로를 개발하여 이러한 문제를 해결했습니다.

아소르스 제도의 재발견(1427년)은 대서양 항해 경로의 중요성을 재조명했습니다. 포르투갈인들은 대서양의 계절적 변화에 따른 바람과 해류를 고려해 다양한 항로를 이용했으며, 항해 경로와 지도에 대한 정보는 왕립 기록 보관소에 엄중하게 관리되었습니다.

포르투갈의 바르톨로메우 디아스는 1487년 아프리카 서해안을 탐험하다 희망봉을 발견했으며, 바스쿠 다 가마는 이를 바탕으로 인도 항로를 개척했습니다. 1494년 토르데시야스 조약은 포르투갈과 스페인 간 영토 분쟁을 해결하여, 포르투갈이 동쪽 항로, 특히 인도로 가는 항로와 향신료 무역을 독점할 수 있게 되었습니다.

 현대 해양학의 발전

18세기 후반, 제임스 쿡과 루이 앙투안 드 부갱빌 같은 탐험가들이 태평양의 해류에 대한 중요한 정보를 수집했습니다. 1777년, 제임스 레넬은 희망봉 주변의 간헐적 해류에 대한 연구로 대서양과 인도양의 해류를 설명하는 최초의 해양학 교과서를 저술했습니다.

현대 해양학의 시작점은 19세기 중반입니다. 인간의 지식은 여전히 바다의 얕은 부분에 한정되어 있었고, 바다의 깊이에 대해서는 거의 알려지지 않았습니다. 그럼에도 불구하고, 영국 왕립 해군은 전 세계의 해안선을 도표화하는 작업을 시작하여 해양에 대한 과학적 관심을 높였습니다.

 챌린저 탐사

최초의 순수 과학적 해양 탐사는 1872년 HMS 챌린저 호에 의해 이루어졌습니다. 이 탐사는 영국 정부가 세계 바다를 탐험하고 과학적 조사를 실시하기 위해 시작한 프로젝트로, 찰스 와이빌 톰슨과 그의 제자 존 머레이가 주도했습니다. 챌린저 호는 약 70,000해리(130,000km)의 항해를 통해 약 4,717종의 해양 생물을 발견하며 해양 생물학의 기초를 다졌습니다. 이 탐사는 바다 수온, 퇴적물, 해류, 기상 관측 등 현대 해양학의 중요한 자료를 제공했습니다.

 기술 발전과 20세기 이후

19세기 말부터 해양학은 기술의 발전과 함께 더욱 진보했습니다. 1914년에는 음파를 이용한 해저 측심 기술이 도입되었으며, 1925년 독일의 메테오 탐사에서는 70,000개의 해양 깊이 데이터를 수집하여 해저 지도를 작성했습니다. 1957년에는 미국의 핵잠수함 노틸러스 호가 북극을 탐사했습니다.

20세기 후반에는 인공위성을 통한 해양 연구가 시작되었습니다. 1978년 미국의 Seasat 위성은 해양의 수온과 해안선 같은 데이터를 수집했습니다. 1990년에는 세계 해양 순환 실험(WOCE)이 시작되어 여러 국가가 협력해 해양 순환에 대한 연구를 진행했습니다.

 현대의 해양학

현대 해양학 연구는 주로 지구 기후 변화와 관련된 문제 해결에 중점을 두고 있습니다. 바다에 대한 더 깊은 이해는 기후 예측과 지구 자원의 효율적 사용에 크게 기여하고 있습니다.

 생물해양학
생물해양학은 해양 생물학과 비슷하지만 다른 관점에서 해양 생물을 연구하는 학문이다. 해양 생물학은 주로 바다에 서식하는 생물들을 연구하며, 생물해양학은 그들이 해양 환경에 어떻게 영향을 미치고, 해양의 물리적, 화학적, 지질학적 과정과 상호작용하는지를 중점으로 다룬다. 특히 미생물에 대한 연구가 활발한데, 이들은 해양 생태계에서 중요한 역할을 하며, 탄소 순환과 같은 중요한 지구 시스템에 영향을 미친다.

생물해양학은 해양 생물학과 달리 '먹이 거미줄'과 같은 상향식 접근법을 채택하여, 작은 유기체들이 해양 생태계 전체에 어떻게 영향을 미치는지를 연구한다. 반면, 해양 생물학은 보다 하향식 접근을 통해 상위 포식자와 주요 생물군이 생태계에 미치는 영향을 살펴본다. 생물해양학은 플랑크톤, 미생물, 그리고 그들이 먹이사슬에서 차지하는 역할과 인간 활동이 해양 생태계에 미치는 영향을 연구하는데 중점을 둔다.

 화학해양학
화학해양학은 바닷물에 존재하는 다양한 화학 물질들의 상호작용을 연구하는 학문이다. 화학해양학자들은 pH, 전기 전도도, 용존 이산화탄소 농도 등의 물리적 수치를 측정하며, 바닷물의 화학적 변화를 분석한다. 이러한 연구는 해양에서 일어나는 다양한 주기와 패턴을 이해하는 데 기여하며, 수백만 년 전의 바다 상태부터 미래에 예상되는 변화를 예측할 수 있는 정보를 제공한다.

화학해양학의 주요 관심사는 '해양 산성화'이다. 인간이 배출하는 과도한 이산화탄소가 바닷물에 용해되어 해양의 pH를 낮추고 산성을 증가시키는 현상이다. 이는 탄산칼슘으로 이루어진 껍질과 골격을 가진 해양 생물들에게 영향을 미치며, 장기적으로는 해양 생태계에 광범위한 변화를 초래할 수 있다.

 해양 산성화
해양 산성화는 인간 활동으로 인해 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면서 바닷물의 pH가 낮아지는 현상이다. 바닷물은 원래 약간의 알칼리성을 띄었으나, 산업화 이후 이산화탄소의 흡수로 인해 점점 더 산성화되고 있다. 이러한 변화는 조개류, 산호와 같은 석회질 껍질을 가진 생물들의 생존을 위협하고 있으며, 먹이사슬 전반에 걸쳐 영향을 미친다.

해양 산성화는 지구 지질사에서 유례가 없는 속도로 진행되고 있으며, 앞으로의 해양 생태계가 이러한 변화에 얼마나 적응할 수 있을지는 불확실하다. 특히 해양 산성화와 함께 수온 상승 및 산소 농도 감소와 같은 추가적인 스트레스 요인들이 해양에 미치는 영향이 우려된다.

 지질해양학
지질해양학은 해저의 역사와 구조를 연구하는 학문이다. 이 분야는 지구물리학, 지질학, 퇴적물학, 고생물학 등과 연관되어 있으며, 해저의 지질 구조를 분석함으로써 판구조론과 해양 확산 이론을 뒷받침하는 데 중요한 역할을 해왔다. 또한 해양 지질 연구는 석유 및 금속 자원의 탐사와 같은 경제적 목적에서도 중요한 의미를 갖는다.

 물리해양학
물리해양학은 바다의 물리적 특성과 과정을 연구하는 학문으로, 해류, 온도, 염도, 바람 등의 물리적 요인들이 해양 환경에 미치는 영향을 분석한다. 이 분야는 기술적 물리해양학과 역동적 물리해양학으로 나뉘며, 해류와 열순환 같은 대규모 해양 흐름을 설명하고 예측하는 데 중점을 둔다.

해양 열 함량은 지구 온난화의 90% 이상을 차지하는 에너지 축적의 주요 원인이며, 해양 온난화로 인한 해수면 상승에도 중요한 영향을 미친다.

 고생대양학
고생대양학은 과거 지질학적 시기의 해양 상태와 순환, 화학적 변화를 연구하는 학문이다. 과거의 해양 데이터를 분석하여 지구 기후 변화와 해양 과정 간의 상호작용을 연구하며, 이를 통해 미래 기후 변화를 예측하고 대응하는 데 중요한 역할을 한다.

생화학(biochemistry)은 생물체 내에서 일어나는 화학적 과정과 생리작용을 연구하는 학문이다. 생물화학(生物化學)이라고도 하지만, 일반적으로 생화학이라고 줄여 부른다. 생화학은 생명의 복잡성을 야기하는 여러 화학적 과정들을 다룬다.

생물학과 화학의 하위 분야인 생화학은 크게 분자유전학, 단백질 과학, 물질대사의 세 가지 주요 분야로 나뉜다. 20세기 동안 생화학은 이 세 분야를 통해 생명 현상을 설명하는 데 중요한 역할을 해왔으며, 오늘날 생명과학의 거의 모든 분야가 생화학적 연구를 통해 발전하고 있다. 생화학은 세포 내에서 일어나는 화학적 반응들이 어떻게 조직, 기관, 개체의 구조와 기능을 형성하는지에 대해 탐구한다.

또한 생화학은 분자생물학과도 밀접한 연관이 있다. 분자생물학은 DNA에 담긴 유전 정보가 어떻게 생명 활동을 일으키는지를 연구하는 학문이다.

생화학의 주요 연구 대상은 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질과 같은 생물학적 고분자들로, 이들은 세포 구조를 형성하고 다양한 생명 활동에 필수적인 역할을 한다. 세포의 화학적 활동은 물이나 금속 이온 같은 무기 화합물과 아미노산 등 유기 화합물에도 의존한다. 세포는 이러한 화학 반응을 통해 환경에서 에너지를 얻는데, 이를 물질대사라고 부른다.

생화학 연구는 의학, 영양학, 농업 등의 분야에 광범위하게 적용된다. 의학에서는 질병의 원인과 치료 방법, 의약품 개발을 연구하고, 영양학에서는 건강을 유지하는 방법과 영양소 결핍의 영향을 탐구하며, 농업에서는 작물 재배와 해충 방제를 개선하기 위한 연구를 진행한다.

생화학을 넓게 정의하면, 생물체의 구성 요소와 이들이 어떻게 결합하여 생명 현상을 이루는지에 대한 연구로 볼 수 있다. 이러한 맥락에서 생화학의 역사는 고대 그리스까지 거슬러 올라갈 수 있지만, 과학 분야로서의 생화학은 19세기 또는 그보다 조금 이른 시기에 시작되었다고 할 수 있다.

일부는 1833년 앙셀름 파얀이 최초의 효소인 다이아스테이스(현재의 아밀레이스)를 발견한 것이 생화학의 출발점이라고 본다. 또 다른 견해로는 1897년 에두아르트 부흐너가 세포 추출물에서 알코올 발효 과정을 증명한 것을 생화학의 시작으로 보기도 한다. 그 외에도 유스투스 폰 리비히의 1842년 물질대사에 관한 연구나, 앙투안 라부아지에가 18세기 발효와 세포 호흡에 대해 연구한 것을 생화학의 기원으로 보는 시각도 있다.

생화학 발전의 중요한 인물로는 에밀 피셔가 단백질 화학에 대해 연구했고, 프레더릭 가울랜드 홉킨스는 효소와 생화학의 역동적인 성질을 연구하면서 중요한 기여를 했다.

"생화학"이라는 용어는 "생물학"과 "화학"의 결합으로부터 유래했으며, 1877년 펠릭스 호페 자일러가 《생리화학 저널》 창간호에서 이 용어를 사용하면서 널리 알려지기 시작했다. 다만 일부는 칼 노이베르크가 1903년에 생화학이라는 용어를 만들었다고 주장하며, 또 다른 의견으로는 프란츠 호프마이스터가 생화학이라는 용어를 제안했다고 본다.

생화학의 초기 연구는 생명체만이 특별한 분자, 즉 "생기론"적 물질을 생성할 수 있다고 믿었던 전통적 관점에서 벗어나는 데 중요한 역할을 했다. 1828년 프리드리히 뵐러가 유기 화합물인 요소를 합성함으로써, 생명체의 물질이 무생물에서도 인위적으로 만들어질 수 있음을 증명했다. 이 발견은 생화학의 발전에 큰 전환점을 마련했다.

20세기 중반부터는 크로마토그래피, X선 결정학, 핵자기 공명분광법, 전자현미경 등 새로운 기술이 발달하면서 생화학 연구는 비약적으로 발전했다. 이러한 기술들은 세포의 복잡한 분자들과 대사 경로를 밝혀내는 데 중요한 기여를 했으며, 필립 랜들은 1963년에 랜들 회로(포도당-지방산 회로)를 발견하고, 당뇨병과 관련된 연구에서 중요한 발견을 했다.

또한, 유전자와 세포 간 정보 전달의 역할에 대한 연구는 생화학의 중요한 역사적 사건으로 여겨진다. 1950년대에 제임스 왓슨, 프랜시스 크릭, 로절린드 프랭클린, 모리스 윌킨스는 DNA의 구조를 밝혀내고, 유전 정보 전달의 메커니즘을 제안하는 데 중요한 역할을 했다. 조지 비들과 에드워드 테이텀은 1958년에 하나의 유전자가 하나의 효소를 생성한다는 연구로 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 이 외에도 1988년에 콜린 피치포크가 DNA 증거로 최초로 유죄 판결을 받았으며, 앤드루 파이어와 크레이그 멜로는 RNA 간섭에 관한 연구로 2006년에 노벨상을 수상했다.

이처럼 생화학은 생명과학, 의학, 유전학 등 여러 분야에서 중요한 역할을 해왔다.

자연에 존재하는 92가지 화학 원소 중 약 24가지는 생명체에 필수적이다. 희토류 원소는 대체로 생명체에서 사용되지 않으며, 셀레늄과 아이오딘을 제외하면 거의 활용되지 않는다. 또한, 알루미늄과 티타늄 같은 흔한 원소들도 생명체에서 사용되지 않는다.

대부분의 생명체는 필요한 원소들이 공통적이지만, 식물과 동물 간에는 몇 가지 차이점이 있다. 예를 들어, 바다 조류는 브로민을 사용하지만, 육상 식물과 동물은 브로민을 필요로 하지 않는다. 또한 모든 동물은 나트륨이 필요하지만, 일부 식물은 나트륨 없이도 생존할 수 있다. 반대로 식물은 붕소와 규소가 필요하지만, 동물들은 그렇지 않거나 극소량만 필요로 한다.

산소, 탄소, 수소, 질소, 칼슘, 인 이 여섯 가지 원소는 사람을 포함한 살아 있는 세포의 질량의 약 99%를 차지한다. 이 외에도 사람은 최소 18가지 이상의 미량 원소들을 필요로 한다.

생체분자는 생명체의 구조와 기능에 중요한 역할을 하는 분자로, 네 가지 주요 부류로 나뉩니다: 탄수화물, 지질, 단백질, 그리고 핵산입니다. 많은 생체분자는 중합체로, 비교적 작은 분자인 단위체들이 연결되어 큰 고분자를 형성합니다. 이 과정에서 탈수 반응이 일어나고, 때로는 더 큰 복합체를 이루어 생물활성에 관여하게 됩니다.

탄수화물은 에너지 저장과 구조 형성에 중요한 역할을 합니다. 탄수화물의 기본 단위체는 단당류로, 포도당이 가장 잘 알려진 예입니다. 단당류는 고리 구조를 형성할 수 있으며, 두 개의 단당류가 글리코사이드 결합을 통해 이당류를 형성합니다. 예를 들어, 수크로스는 포도당과 과당이 결합한 이당류입니다. 여러 단당류가 결합하면 다당류가 되며, 셀룰로스, 녹말, 글리코젠 등이 그 예입니다. 셀룰로스는 식물의 세포벽을 구성하고, 녹말은 식물의 에너지 저장 형태, 글리코젠은 동물의 에너지 저장 형태로 사용됩니다.

지질은 주로 비극성의 화합물로, 물에 잘 녹지 않는 특성을 가집니다. 지질은 지방산과 글리세롤로 이루어진 트라이글리세라이드, 인지질, 스테로이드 등의 다양한 분자로 구성됩니다. 지질은 에너지 저장, 세포막 구성, 신호 전달 등 다양한 역할을 하며, 일부 지질은 양친매성 특성을 가져 세포막의 구조적 안정성에 기여합니다.

단백질은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 형성된 고분자로, 생물학적 기능에서 매우 중요한 역할을 합니다. 단백질은 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 구분되며, 각각의 구조는 단백질의 기능을 결정하는 중요한 요소입니다. 효소, 항체, 근육 수축에 관여하는 단백질 등 다양한 역할을 하며, 특히 효소는 생화학 반응을 촉매하는 중요한 역할을 합니다.

핵산은 DNA와 RNA로 구성된 고분자로, 유전 정보를 저장하고 전달하는 역할을 합니다. 뉴클레오타이드라는 단위체로 이루어진 핵산은 유전 물질의 복제와 단백질 합성에 필수적입니다. DNA는 이중 나선 구조를 가지며, 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신 등의 염기쌍을 통해 유전 정보를 저장합니다. RNA는 단백질 합성에서 중요한 역할을 하며, DNA의 정보를 리보솜으로 전달합니다.

이 네 가지 생체분자는 생명체의 기본적인 기능을 지원하고, 서로 상호작용하여 생명 활동을 유지합니다.

에너지원으로서의 탄수화물

포도당은 대부분의 생명체에서 중요한 에너지원으로 사용됩니다. 탄수화물은 다당류, 이당류, 단당류로 나뉘며, 에너지원으로 활용되기 위해 효소에 의해 단량체로 분해됩니다. 예를 들어, 글리코젠 포스포릴레이스는 글리코젠에서 포도당 잔기를 분리하고, 이당류인 젖당과 수크로스는 두 개의 단당류로 분해됩니다. 

해당과정 (Glycolysis)  
포도당은 10단계의 해당과정을 통해 대사되어 한 분자의 포도당이 두 분자의 피루브산으로 분해됩니다. 이 과정에서 2분자의 NAD⁺가 2분자의 NADH로 환원되며, 2분자의 ATP가 생성됩니다. 해당과정은 산소가 필요하지 않으며, 산소가 부족한 경우 피루브산은 젖산(예: 인간의 경우) 또는 이산화 탄소와 에탄올(예: 효모의 경우)로 전환됩니다. 이를 통해 NADH는 NAD⁺로 산화되며, 해당과정에 필요한 NAD⁺를 공급합니다. 또한, 갈락토스나 과당 같은 다른 단당류들도 해당과정의 중간 산물로 전환될 수 있습니다.

시트르산 회로와 산화적 인산화  
충분한 산소가 공급되는 조건에서 피루브산은 아세틸-CoA로 전환되어 시트르산 회로로 들어갑니다. 이 과정에서 이산화탄소가 방출되고 NAD⁺는 NADH로 환원됩니다. 아세틸-CoA는 시트르산 회로에서 완전히 산화되어 4분자의 이산화탄소, 6분자의 NADH, 2분자의 FADH₂, 그리고 2분자의 ATP를 생성합니다. 생성된 NADH와 FADH₂는 전자전달계로 전달되어 산소에 전자를 전달하면서 방출된 에너지를 사용하여 H⁺(양성자) 농도 기울기를 형성합니다. 산소는 물로 환원되고, NAD⁺와 FAD는 재생됩니다. 

이 과정에서 전자의 에너지를 이용해 ATP 생성효소가 ATP를 합성합니다. 포도당 1분자로부터 세포 호흡이 일어나면, 총 32분자의 ATP가 생성됩니다: 해당과정에서 2 ATP, 시트르산 회로에서 2 ATP, 그리고 산화적 인산화에서 28 ATP가 생성됩니다. 산소를 사용하는 이 과정이 산소가 필요 없는 대사 과정보다 훨씬 많은 에너지를 제공하기 때문에, 지구 대기 중에 산소가 축적된 후에 복잡한 생명체가 출현할 수 있었습니다.

포도당신생합성 (Gluconeogenesis)  
격렬한 운동 중 근육은 충분한 산소를 공급받지 못해 혐기성 대사로 전환되어 피루브산을 젖산으로 변환시킵니다. 젖산은 혈액을 통해 간으로 이동하여 피루브산으로 전환되고, 간에서 포도당신생합성 과정을 통해 다시 포도당으로 합성됩니다. 포도당신생합성은 해당과정의 역과정이 아니며, 더 많은 에너지를 소모합니다(해당과정에서 2 ATP가 생성되는 반면, 포도당신생합성은 6 ATP가 필요). 생성된 포도당은 에너지가 필요한 조직으로 전달되어 다시 해당과정에 사용되거나, 글리코젠이나 다른 탄수화물로 저장됩니다.

운동 중 근육에서 젖산이 생성되고, 이 젖산이 간에서 포도당으로 재생성되어 혈액으로 방출되는 과정을 코리 회로라고 합니다.

지리학(Geography)

지리학은 지표상에서 발생하는 자연 및 인문 현상을 지역적 관점에서 연구하는 학문 분야입니다. 이 학문은 공간과 자연, 그리고 경제, 사회와의 관계를 연구 대상으로 삼으며, 공간이나 자연환경이라는 물리적 존재를 포함하기 때문에 사회과학과 자연과학의 성격을 동시에 지닙니다. 지리학은 본래 농경, 전쟁, 통치 등을 위해 각 지역의 정보를 수집하고 정리하기 위한 연구에서 시작되었으나, 오늘날에는 지역마다의 공간적 차이를 설명하는 데 중요한 학문으로 자리 잡았습니다.

지리학의 주요 관심사는 불규칙한 분포와 상호관련성입니다. 지구상에 존재하는 사물은 공간적으로 불규칙하게 분포하며, 이러한 불규칙한 분포가 사물의 지리적 특성을 드러냅니다. 또한, 지리학은 농업과 같은 현상을 이해하기 위해 기후, 토양, 인구, 경제적 조건, 기술력 등의 다양한 요인 간의 연관성을 연구합니다. 이를 통해 지리학은 "왜, 그곳에, 무엇이 있으며, 그 결과로 그곳에서 어떤 현상이 발생하는가?"라는 근본적인 질문을 탐구합니다.

지리학이라는 용어는 고대 그리스어 "γεωγραφία(geographia)"에서 유래했으며, 이는 에라토스테네스가 처음 사용한 말로 "땅(η γη, hê gê)"과 "기술(γραφειν, graphein)"을 합친 표현입니다. 한편, 한자어인 지리(地理)는 본래 산천의 환경과 형세를 나타내는 용어로 사용되었으며, 후에 오늘날의 지리학과 유사한 의미로 발전했습니다.

서양의 지리학

고대 근동 지역에서는 이미 세계지도를 제작했으며, 가장 오래된 지도는 기원전 9세기 바빌론에서 만들어졌습니다. 이와 관련해 그리스 철학자 아낙시만드로스(기원전 610년 경 ~ 기원전 545년 경)는 지리학의 진정한 창시자로 불리며, 그의 아이디어는 후대 학자들에 의해 인용되었습니다. 그리스인들은 예술과 과학적 방식으로 지리학을 접근했으며, 지도 제작, 철학, 문학, 수학을 통해 지리학을 탐구했습니다. 예를 들어, 파르메니데스와 피타고라스는 지구가 둥글다고 주장했고, 아낙사고라스는 지구의 윤곽이 둥글다는 것을 설명했습니다. 지구의 반지름을 처음 계산한 사람은 에라토스테네스였습니다.

중세 유럽에서는 로마 제국의 붕괴로 인해 지리학의 발전이 더디었으나, 이슬람 세계에서는 지리학이 활발히 발전했습니다. 무슬림 학자 무함마드 알 이드리시는 매우 상세한 세계지도인 Tabula Rogeriana를 제작했습니다.

16세기부터 17세기 동안의 유럽 대항해 시대에는 크리스토퍼 콜럼버스, 마르코 폴로, 제임스 쿡 등의 탐험가들에 의해 많은 신대륙이 발견되었습니다. 이러한 발견은 지리학적 사실과 이론에 대한 수요를 불러일으켰고, 그 결과 경도 문제와 같은 실질적인 도전이 제기되었습니다. 존 해리슨은 크로노미터를 발명하여 경도 측정 문제를 해결했습니다.

18세기와 19세기에는 지리학이 분리된 학문 분야로 자리 잡았고, 많은 유럽 대학의 교과과정에 포함되었습니다. 이 시기에는 여러 지리 학회가 설립되었으며, 프랑스 지리학회(1821년), 왕립 지리학회(1830년), 미국 지리학회(1851년), 내셔널지오그래픽 학회(1888년) 등이 대표적입니다. 이 시기 임마누엘 칸트, 알렉산더 폰 훔볼트, 칼 리터, 폴 비달 드 라 블라슈 같은 학자들이 지리학을 철학에서 학문적인 과목으로 발전시키는 데 기여했습니다.

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이슬람의 지리학

9세기부터 14세기까지 이슬람 제국의 확장과 함께 지리학이 크게 발전했습니다. 이슬람 신자들이 메카로 순례 여행을 하면서 지리적 지식이 축적되었으며, 동서 간 무역로 개척과 교역을 통해 다양한 지리적 정보가 추가되었습니다. 이슬람 학자들은 이를 바탕으로 지리적 지식을 아랍어로 번역하고 보존했습니다. 이러한 지리학적 저서들은 르네상스 시기에 라틴어로 번역되어, 유럽에서 지리학의 부흥을 가능하게 했습니다.

또한 이슬람 학자들은 수리 지리학, 측량, 야외 조사 등의 분야에서도 중요한 공헌을 했습니다.

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동양의 지리학

중국에서는 3세기부터 지리학 연구와 문헌이 발달했으며, 13세기까지 당시 유럽보다 훨씬 정교한 이론을 발전시켰습니다. 중국의 지리학은 서양과 달리 독자적인 지리관을 바탕으로 발달했으며, 천원지방 사상과 같은 독특한 개념을 바탕으로 발전했습니다. 17세기 이후에는 서양식 지리학 이론이 중국에 도입되었습니다.

한국의 경우 삼국시대나 그 이전의 지리학에 대한 직접적인 자료는 거의 남아있지 않지만, 신라 말기에는 선종 승려들에 의해 중국의 풍수지리설이 전해졌습니다. 고려시대에는 김부식의 삼국사기 지리지와 같은 지리 관련 문헌이 남아있으며, 조선시대에는 국방과 중앙 집권 강화를 위해 많은 지도와 지리지가 편찬되었습니다. 대표적으로 혼일강리역대국도지도와 같은 동양에서 가장 오래된 세계지도가 제작되었습니다.

조선 후기에 실학이 발달하면서 민족에 대한 관심이 깊어졌고, 이로 인해 전통 지리학도 발달했습니다. 한백겸의 동국지리지, 정약용의 아방강역고, 이중환의 택리지 등이 대표적입니다. 이후 서양식 지도가 전해지면서 김정호의 대동여지도 같은 정밀한 지도가 제작되었습니다.

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현대의 지리학

지난 두 세기 동안 컴퓨터 기술의 발전은 지리정보학을 크게 발전시켰습니다. 20세기 서구에서 지리학은 환경결정론, 지역지리학, 계량혁명, 비판적 지리학이라는 네 가지 주요 흐름을 따랐으며, 지질학, 식물학, 경제학, 인구학 등 다양한 학문과의 연계가 늘어났습니다. 특히, 지구 시스템 과학의 연구가 활발해지면서 통합적인 관점에서 세계를 바라보는 시각이 중요해졌습니다.

현대 지리학의 기초

현대 지리학은 주로 서구에서 유래했으며, 전통적으로 지리학자는 지도학자나 지명 연구자로 여겨졌습니다. 하지만, 지리학의 본질은 단순히 지명을 다루는 것에 그치지 않습니다. 지리학자는 현상, 과정, 사물의 시공간적 분포를 연구하며, 인간과 그들이 사는 환경 간의 상호작용을 분석합니다. 공간과 장소가 다양한 주제에 영향을 미치기 때문에 지리학은 다른 학문들과 깊은 연관성을 가집니다. 이러한 지리학적 접근은 현상과 그것의 공간적 패턴 사이의 상관관계를 분석하는 깊이에 따라 달라집니다.

윌리엄 휴는 1863년에 지리학이 단순히 지명이나 장소를 다루는 것이 아니라, 현상을 분류하고 비교하며, 원인과 결과를 추적하여 자연의 법칙을 이해하고, 인간에게 미치는 영향을 탐구하는 학문이라고 설명했습니다. 지리학은 '세계의 기술(記述)'이며, 그 본질은 과학적 접근에 있습니다. 이는 설명과 추론, 그리고 원인과 결과를 연구하는 학문이라는 것입니다.

지리학의 다섯 가지 기본 주제

미국지리교육학회와 미국지리학회는 1984년에 지리학의 기본 주제를 다섯 가지로 선정하였습니다.

1. 위치 (Location)  
   - 위치는 절대위치와 상대위치로 나뉩니다. 절대위치는 경위도와 같은 구체적인 좌표로 나타내는 실제 위치를 의미하고, 상대위치는 다른 장소에 대한 상대적인 위치를 뜻합니다. 예를 들어, 서울을 "한강 위의 도시"로 표현하는 것이 상대위치에 해당합니다.

2. 장소 (Place)  
   - 장소는 그곳의 고유한 특성을 나타냅니다. 장소의 특성은 인문적 특성과 자연적 특성으로 나뉘며, 인문적 특성은 인간의 활동으로 나타나는 것이고, 자연적 특성은 환경에 의해 형성된 것입니다.

3. 인간과 환경의 상호작용 (Human-Environment Interaction)  
   - 인간과 환경이 서로 미치는 영향을 연구하는 주제로, 인간이 환경에 의존하는 관점, 환경을 변화시키는 관점, 그리고 환경에 적응하는 관점이 있습니다.

4. 이동 (Movement)  
   - 이동은 인간과 장소, 자연환경이 어떻게 서로 연결되는지를 다룹니다. 인간, 물자, 아이디어 등이 이동함으로써 장소와 장소 간의 상호작용이 발생합니다.

5. 지역 (Region)  
   - 지역은 공통점이 있는 영역으로 정의되며, 지리학의 기본적인 연구 단위입니다. 지역 내에서 기후, 문화, 민족 등과 같은 공통점과 차이점을 연구하며, 이러한 특성들을 통해 장소 간의 유사성과 차이를 분석합니다.

이러한 주제들은 현대 지리학이 공간적 패턴과 인간-환경 관계를 설명하는 데 있어 핵심적인 역할을 합니다.

지리학의 분류와 주요 연구 분야

지리학은 여러 방식으로 분류될 수 있지만, 접근 방법에 따라 주로 계통지리학과 지역지리학으로 나눌 수 있습니다. 

 계통지리학 (Systematic Geography)
계통지리학은 특정 주제를 지리적으로 접근하여 일반적인 원리를 도출하는 연구 방법입니다. 계통지리학은 연구 주제에 따라 인문지리학과 자연지리학으로 나뉩니다.

 인문지리학 (Human Geography)
인문지리학은 인간 활동의 공간적 조직과 인간과 환경 간의 상호작용을 탐구하는 학문입니다. 인간이 어떻게 공간을 조직하고 활용하는지, 그리고 그 조직의 형태와 의미에 대해 연구합니다. 인문지리학은 다양한 세부 분야로 나뉩니다.

- 경제지리학: 경제 활동의 위치, 분포, 공간적 조직을 탐구
- 관광지리학: 여행과 관광을 사회적, 문화적 활동으로 연구
- 교통지리학: 인간 활동과 이동, 연결을 연구하는 경제지리학의 한 분과
- 도시지리학: 도시와 같은 밀집된 지역의 공간적 특성을 연구
- 문화지리학: 문화적 산물, 규범, 이들의 다양성과 공간적 연관성 연구
- 발전지리학: 거주지의 삶의 질과 생활 수준을 연구
- 보건지리학: 보건 문제에 지리적 지식을 적용
- 사회지리학: 사회 현상과 공간적 요소 간의 관계를 연구
- 시간지리학/역사지리학: 사건의 시간과 공간적 측면 연구, 역사지리학은 과거의 지리 탐구
- 인구지리학: 인구의 분포, 구성, 이주와 장소와의 연관성 연구
- 정치지리학/지정학: 정치적 모임과 그들의 공간적 영향 연구, 지정학은 지리가 국제 정세에 미치는 영향 분석
- 종교지리학: 종교적 신념과 지리 간의 상관관계 연구

또한, 시간이 지나면서 다음과 같은 분야도 발전했습니다.
- 행동주의 지리학: 인간 행동의 독립성을 강조하며, 장소와 연계된 시각과 대조됨
- 여성주의 지리학: 여성주의를 환경, 사회, 지리적 공간과 결합해 연구
- 지리철학: 사람들이 인식하는 세계를 연구하는 분야

 자연지리학 (Physical Geography)
자연지리학은 자연과 환경의 구성 요소와 상호작용, 공간적 분포를 연구하는 학문입니다. 자연지리학은 자연과학 또는 지구과학의 한 분야로 취급되며, 다양한 분과로 나눌 수 있습니다.

- 경관생태학: 환경 내 생태계와 생태학적 과정 연구
- 고지리학: 과거의 지리적 현상 연구
- 기후학/기상학: 각각 기후와 기상 현상 연구
- 빙하학: 빙하와 얼음 관련 현상 연구
- 생물지리학: 종이나 생태계의 분포 연구
- 수문학/수로학: 물의 순환 및 물이 있는 지형 연구
- 지형학: 지형의 형성과 발달 과정을 연구
- 측지학: 지구의 측정과 표현을 연구
- 토양학: 자연 환경에서 토양 연구
- 해안지리학: 해안선의 지리적 특징 연구
- 해양학: 해양의 물리적, 화학적 특성 연구
- 환경자원관리: 인간의 환경에 대한 영향과 상호작용 관리

 지역지리학 (Regional Geography)
지역지리학은 특정 지역을 종합적으로 연구하는 분야로, 지구상의 특정 지역을 자연적, 인문적 요소를 종합적으로 이해하고 정의하려는 학문입니다. 지역구분(Regionalisation)도 연구의 주된 관심사 중 하나입니다. 대표적인 연구 분야로는 한국지리, 유럽지리 등이 있습니다.

 지리정보학 (Geographic Information Science, GIScience)
지리정보학은 1950년대 중반 이후 계량 혁명의 영향으로 새롭게 떠오른 분야입니다. 지도학과 지형학에서 사용되던 공간 기술을 컴퓨터 기술과 결합하여 연구합니다. GIS(지리정보시스템)와 원격탐사를 통해 다양한 학문과 연계되었으며, 지리학 연구의 중요한 도구로 자리 잡았습니다. GIS, GPS, 원격탐사 등을 활용한 공간 분석과 연구가 이 분야의 핵심입니다.

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이와 같이, 지리학은 다양한 접근 방식과 세부 분야를 통해 인간과 환경의 관계를 심도 있게 연구하는 학문입니다.

천문학, 또는 천체학은 우주에 존재하는 별, 행성, 혜성, 은하 등 천체와, 지구 대기 바깥에서 발생하는 현상을 연구하는 자연과학의 한 분야입니다. 천문학은 우주의 기원과 진화, 천체의 운동, 그리고 이들의 물리적, 화학적 특성, 기상, 진화 과정 등을 연구 대상으로 삼습니다.

역사적으로 천문학은 역법, 항법, 그리고 점성술과 같은 다양한 분야와 밀접하게 관련되어 있었습니다. 천체의 운동을 이해하는 데 중요한 역할을 하는 힘은 중력이므로, 현대 천문학에서는 일반상대성이론을 자주 활용합니다.

20세기 들어, 천문학은 관측 천문학과 이론 천문학으로 나뉘어 발전했습니다. 관측 천문학은 천체로부터 데이터를 수집하고 이를 물리적으로 분석하는 데 중점을 두는 반면, 이론 천문학은 컴퓨터 시뮬레이션이나 해석적 모델을 통해 천체와 우주 현상을 설명하는 이론을 개발하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

천문학의 영어 단어 astronomy는 그리스어 astron(별)과 nomos(법칙, 문화)에서 유래하였으며, 문자 그대로 "별의 법칙" 또는 "별의 문화"를 의미합니다. 천문학은 종종 점성술(천체의 위치가 인간의 사건과 관련이 있다는 믿음 체계)과 혼동되기도 하지만, 두 학문은 공통된 기원을 가지고 있음에도 불구하고 이제는 완전히 구별된 분야입니다.

천문학과 천체물리학
일반적으로 천문학(astronomy)과 천체물리학(astrophysics)은 같은 의미로 사용됩니다. 천문학은 지구 대기 밖의 물체들의 물리적, 화학적 성질을 연구하는 학문으로 정의되며, 천체물리학은 천문현상의 물리적, 운동학적 특성을 연구하는 천문학의 한 분야입니다. 

일부 교과서에서는 천문학을 우주와 천체, 천문현상을 정성적으로 기술하는 학문으로, 천체물리학은 이를 물리적으로 이해하는 데 중점을 둔 학문으로 구분하기도 합니다. 그러나 현대 천문학 연구의 대부분이 물리학과 관련된 주제를 다루고 있어, 천문학은 실제로 천체물리학으로 불리기도 합니다.

대학이나 연구소에서는 역사적 이유나 연구 구성원의 학위 배경에 따라 천문학과 또는 천체물리학과라는 명칭을 사용하기도 합니다. 예를 들어, 천문학과가 물리학과와 연관이 있는 경우 천체물리학이라는 용어가 더 자주 사용됩니다. 

저명한 천문학 저널로는 유럽의 Astronomy and Astrophysics, 미국의 The Astrophysical Journal 및 The Astronomical Journal 등이 있습니다.

천문학은 인간이 하늘에 대한 관심을 가지면서 동서양에서 가장 이른 시기에 발달한 학문 중 하나입니다. 주로 농사와 날씨 예측, 해양 및 지리 관측과 측량이 천문학 발달의 주요 동기였으며, 스톤헨지와 같은 거대한 유적도 천문학적 목적으로 건설된 것으로 추정됩니다. 이러한 천문대들은 종교적 제사뿐만 아니라, 1년의 길이를 측정하거나 농사의 적기를 찾는 데 사용되었을 것으로 보입니다.

망원경이 발명되기 전까지는 맨눈으로 높은 곳에서 하늘을 관측하였으며, 문명이 발전하면서 메소포타미아, 중국, 이집트, 그리스, 인도, 마야 문명 등에서 천문대가 만들어졌습니다. 초기 천문학은 별과 행성의 위치를 측정하는 데 주력했으며, 이 과정에서 행성의 운동과 태양, 달, 지구의 본질에 대한 연구가 시작되었습니다. 당시에는 지구가 우주의 중심이며, 태양과 달이 지구 주위를 공전한다는 천동설(지구중심설)이 주류였는데, 이는 프톨레마이오스의 모델이었습니다.

바빌로니아에서는 수학과 과학을 활용한 천문학이 발달하여, 월식이 사로스 주기에 따라 반복된다는 사실을 발견하였습니다. 이들의 연구는 이후 다른 문명에서도 천문학적 전통의 기초가 되었습니다. 고대 그리스 천문학도 큰 발전을 이루었으며, 그리스 천문학자들은 천문 현상에 대해 물리적이고 이성적인 답을 구하려 했습니다. 예를 들어, 아리스타르코스는 지구의 크기를 계산하고, 달과 태양까지의 상대적 거리를 측정하였으며, 최초로 지동설(태양중심설)을 제안한 인물로 알려져 있습니다.

히파르쿠스는 세차 운동을 발견하고 달의 크기와 거리를 계산하였으며, 아스트롤라베라는 천문 기구를 발명하였습니다. 그의 연구는 방대한 별의 목록을 작성하는 데 기여하였으며, 많은 별자리의 이름이 그리스 천문학에서 유래했습니다. 그러나 프톨레마이오스는 여전히 천동설을 주장하며, 그의 저서 알마게스트는 중세 시기 동안 권위 있는 천문학 서적이 되었습니다.

중세 유럽에서는 천문학이 정체되었지만, 이슬람 세계에서는 천문학이 크게 발전하였습니다. 9세기 초에는 이슬람 세계에서 최초의 천문대가 세워졌으며, 알수피는 안드로메다 은하를 발견하고 이를 기술한 책을 남겼습니다. 이슬람 천문학자들은 많은 항성의 이름을 정립하였으며, 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다. 

과학 혁명 시기에는 코페르니쿠스가 지동설을 제안하며 천문학에 큰 변화를 일으켰습니다. 갈릴레오는 망원경을 사용하여 천문학에 혁신을 일으켰고, 케플러는 행성들이 태양을 중심으로 타원 궤도를 공전한다는 태양계 모형을 개발하였습니다. 이 문제는 뉴턴이 중력 법칙을 발견하면서 완전히 해결되었습니다.

망원경의 발달과 더불어 프랑스 천문학자 라카유와 허셜은 방대한 성운과 성단을 기록하였고, 허셜은 천왕성을 발견하기도 했습니다. 베셀은 1838년에 별의 연주시차를 측정하여 별까지의 거리를 처음으로 계산하였습니다. 이 외에도 많은 과학자들이 삼체 문제와 같은 복잡한 천문학적 문제를 해결하기 위해 노력하였습니다.

19세기와 20세기에는 분광학과 사진술의 발전이 천문학에 큰 기여를 하였고, 별들이 태양과 같은 성질을 가진 천체임이 밝혀졌습니다. 20세기에는 우리 은하가 별들의 집합임이 확인되었고, 외부 은하와 우주의 팽창 이론도 발전하였습니다. 현대 천문학은 블랙홀, 펄사, 퀘이사 등의 특이한 천체를 발견하며, 대폭발 이론(빅뱅 이론)과 같은 우주론이 큰 성공을 거두었습니다.

천동설과 지동설의 개념도 중요합니다. 천동설은 프톨레마이오스가 주장한 이론으로, 지구를 우주의 중심으로 보았으며, 지동설은 코페르니쿠스가 제안한 이론으로 태양이 중심이라고 주장하였습니다.

천문학은 주로 천체에서 방출되는 다양한 파장의 전자기파를 감지하고 분석함으로써 정보를 얻는 학문이다. 관측천문학은 전자기파의 파장대에 따라 여러 분야로 나뉜다. 일부 파장대의 빛은 지상에서 관측이 가능하지만, 어떤 영역대는 높은 고도나 우주에서만 관측할 수 있다.

 전파천문학
전파천문학은 약 1mm 이상의 긴 파장대의 전자기파를 연구하는 분야로, 관측된 전파는 파동으로 다뤄진다. 전파는 주로 천체에서 열적 발산으로 생성되거나 싱크로트론 복사, 즉 전자가 자기장 주위를 돌면서 생성되는 전파 형태로 방출된다.

 적외선천문학
적외선천문학은 가시광선보다 긴 파장대의 적외선을 연구한다. 지구 대기에 의해 많은 적외선이 흡수되므로, 관측은 주로 높은 고도의 건조한 지역이나 우주에서 이루어진다. 적외선은 성간 먼지를 통과할 수 있어 우리은하의 중심부나 별들이 형성되는 곳을 연구하는 데 유용하다.

 광학천문학
가시광선 천문학은 가장 오래된 분야로, 400~700nm의 가시광선을 관측한다. 과거에는 손으로 그린 이미지나 사진 건판을 사용했으나, 현재는 디지털 CCD 카메라로 관측한다.

 자외선천문학
자외선천문학은 10~320nm의 자외선을 연구하며, 지구 대기에 의해 흡수되므로 높은 고도나 우주에서 관측해야 한다. 주로 뜨거운 별, 초신성 잔해, 은하 중심부 등을 연구하는 데 사용된다.

 X-선 천문학
X-선 천문학은 매우 뜨거운 천체들이 내는 X-선을 연구한다. X-선은 지구 대기에 흡수되므로 우주 망원경을 이용한 관측이 이루어지며, 엑스선 이중성, 초신성 잔해 등 고에너지 천체가 주요 관측 대상이다.

 감마선천문학
감마선 천문학은 가장 짧은 파장의 전자기파를 연구하는 분야로, 주로 감마선 폭발이나 활동은하핵 등을 연구한다. 감마선은 지구 대기에서 흡수되기 때문에 우주망원경이나 특수한 체렌코프 망원경으로 간접 관측된다.

 전자기파 이외의 천문학
전자기파 외에도 중성미자와 중력파를 이용한 천문학이 있다. 중성미자는 태양 내부나 초신성에서 발생하며, 지하의 특수 시설에서 관측된다. 중력파 천문학은 쌍성 블랙홀이나 중성자별의 충돌로 발생하는 중력파를 검출하여 우주의 사건을 연구한다.

 측성학과 천체역학
측성학은 천체의 위치를 측정하는 학문으로, 달력 제작이나 항해에 필수적이었다. 근지구 천체의 움직임을 추적하여 충돌 위험성을 예측하거나, 외계 행성을 찾는 데 중요한 역할을 한다.

태양계(Solar System)는 중심에 위치한 항성인 태양과, 그 중력에 의해 끌려 태양을 공전하는 다양한 천체들로 이루어진 체계이다. 태양을 도는 행성들은 크게 두 그룹으로 나눌 수 있다.

첫 번째 그룹은 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성)으로, 이들은 주로 고체 표면을 가진 행성들로 구성되어 있으며, 소행성대를 기준으로 태양에 더 가까이 자리 잡고 있다. 

두 번째 그룹은 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)으로, 소행성대 바깥에 위치하며, 주로 가스나 얼음으로 이루어져 있다. 목성과 토성은 가스 행성, 천왕성과 해왕성은 얼음 행성으로 분류된다.

행성 외에도 태양계에는 다양한 소천체들이 존재한다. 소행성대는 화성과 목성 사이에 위치한 원반 모양의 구역으로, 주로 암석과 금속으로 이루어진 소천체들이 밀집해 있다. 카이퍼대와 산란 분포대는 해왕성 너머에 있으며, 이곳의 천체들은 주로 물, 암모니아, 메탄 등의 얼음으로 이루어져 있다. 

태양계에는 왜행성이라는 작은 천체들도 존재하는데, 이들은 자체 중력으로 구형을 유지할 정도로 크지만, 행성만큼의 지배력을 갖지 않는다. 대표적인 왜행성으로는 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스 등이 있다. 이 외에도 오르트 구름이라는 장주기 혜성의 고향이 태양계의 외곽에 존재하며, 이는 태양계의 천체들이 분포된 구역의 약 천 배 거리에 걸쳐 있다.

태양계에는 혜성, 센타우루스족, 우주 먼지와 같은 소천체들이 다양한 구역을 자유롭게 떠다닌다. 태양으로부터 방출되는 태양풍은 태양권 내에서 항성풍 거품을 형성한다.

태양계의 주요 행성 중 여섯 개(지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성)는 위성을 가지고 있으며, 목성형 행성들은 고유의 행성 고리를 지닌다.


태양계의 발견과 탐험

오랜 시간 동안 인류는 태양계의 존재를 인식하지 못했으며, 지구가 우주의 중심에 고정되어 있고, 하늘에서 움직이는 다른 천체들과는 완전히 다른 존재라고 믿었다. 몇몇 예외로는 인도의 수학자 겸 천문학자 아리아바타와 고대 그리스 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 제시하기도 했으나, 태양중심설을 수학적으로 정립한 최초의 인물은 니콜라우스 코페르니쿠스였다. 

17세기에 들어서 그의 이론은 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴에 의해 발전되었고, 이들은 물리학적 원리를 통해 지구가 태양 주위를 공전하며, 행성들이 지구에 작용하는 중력과 같은 힘에 의해 제어된다는 사실을 받아들였다. 

근대에 이르러 망원경 기술이 발전하고 무인 우주선이 도입되면서, 다른 행성들의 지질학적 현상(산맥, 크레이터 등)과 기상학적 현상(구름, 모래폭풍, 만년설 등)에 대한 심층적인 조사가 가능해졌다.

태양계의 구성

태양계의 주요 구성 요소 중 하나인 태양은 G형 주계열성으로, 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지하며, 중력을 통해 태양계의 천체들을 지배한다 . 태양을 공전하는 두 개의 거대 가스 행성(목성과 토성)과 두 개의 거대 얼음 행성(천왕성과 해왕성)은 태양을 제외한 나머지 태양계 질량의 99%를 차지하고 있으며, 그중 90%는 목성과 토성이 차지한다【주1†source】.

태양계는 태양, 태양을 공전하는 행성, 그 행성을 공전하는 위성, 그리고 왜소행성(dwarf planet), 소행성, 혜성, 카이퍼 대 천체와 같은 소천체(small Solar System bodies, SSSB), 그리고 행성간 먼지(interplanetary dust)로 구성되어 있다.

태양 주위를 공전하는 대부분의 큰 천체들은 지구의 궤도(황도)에 거의 평행한 궤도를 그리며 움직인다. 행성들의 궤도는 황도와 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체의 궤도는 더 큰 각도를 형성하는 경우가 많다  . 대부분의 천체는 태양의 자전 방향과 동일하게, 태양 북극에서 보았을 때 시계 반대 방향으로 공전하지만, 핼리 혜성처럼 예외도 존재한다.

태양을 공전하는 천체들의 궤도는 케플러의 행성운동법칙으로 설명할 수 있다. 이 법칙에 따르면, 모든 천체는 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 움직인다. 태양에 가까운 천체일수록 공전 주기가 짧으며, 태양에서 가장 가까운 점을 근일점, 가장 먼 점을 원일점이라고 부른다. 천체는 근일점에서 빠르게 움직이고 원일점에서 느리게 움직인다. 행성들의 궤도는 비교적 원형에 가깝지만, 혜성이나 카이퍼 대 천체의 궤도는 더 길쭉한 타원형이다. 특히 세드나는 매우 찌그러진 타원 궤도를 가진다.

많은 태양계 모형에서는 행성 간의 거리를 시각적으로 왜곡해 표현하지만, 실제로 태양에서 멀어질수록 행성 간의 거리는 더 크게 벌어진다. 예를 들어, 금성은 수성보다 약 0.33 천문단위(AU) 더 바깥에 위치하지만, 토성은 목성보다 4.3 AU 더 멀리 있고, 해왕성은 천왕성보다 10.5 AU 더 멀리 위치해 있다. 궤도 간 거리의 규칙성을 설명하려는 시도(티티우스-보데의 법칙)도 있었으나, 이를 뒷받침하는 확립된 이론은 아직 없다 .

태양계의 대부분의 행성은 자신의 위성 체계를 가지고 있다. 위성은 행성 주위를 공전하는 천체로, 일부는 매우 커서 행성보다 큰 위성도 있다. 예를 들어, 목성의 위성인 가니메데는 그 크기가 행성을 능가한다. 대형 위성들은 대부분 조석 고정 상태로, 모행성을 향해 영구히 한쪽 면만을 보여준다. 또한, 목성형 행성들은 작은 입자로 이루어진 행성 고리를 가지고 있으며, 이 고리들은 각 행성의 주위를 공전한다.

태양계 용어

비공식적으로 태양계는 여러 부분으로 나뉘며, 내행성 영역에는 네 개의 암석 행성(수성, 금성, 지구, 화성)과 소행성대가 포함된다. 소행성대 너머에는 네 개의 가스 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)이 위치하는 외행성 영역이 존재한다. 카이퍼 대의 발견으로 인해 태양계의 범위는 해왕성 너머의 천체까지 확장되었다 .

물리적 및 동역학적 관점에서 태양 주위를 도는 천체는 행성, 왜행성, 그리고 태양계 소천체(small Solar System bodies) 세 종류로 분류된다. 행성은 구형을 유지할 만큼 충분한 질량을 가지고 있으며, 공전 궤도에서 자신보다 작은 모든 천체를 흡수한 천체를 말한다. 이 기준에 따르면 태양계의 행성은 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 8개다. 반면, 명왕성은 궤도 근처에 있는 카이퍼 대 물질을 흡수하지 못했기 때문에 행성으로 분류되지 않는다.

왜행성은 행성과 마찬가지로 태양을 공전하고 구형을 이루지만, 궤도 근처의 작은 천체들을 흡수하지 못한 천체다. 태양계에서 왜행성으로 분류되는 천체로는 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스의 5개가 있다. 그 외에도 세드나, 오르쿠스, 콰오아 등은 미래에 왜행성으로 분류될 가능성이 있다. 해왕성의 궤도를 횡단하는 왜행성은 명왕성형 천체 또는 플루토이드라고 불린다. 나머지 천체들은 모두 태양계 소천체로 분류된다.

비공식적으로 태양계는 내행성계, 소행성대, 가스 행성, 카이퍼 대로 나눌 수 있다. 행성의 크기와 궤도는 종종 실제 비율과 다르게 표현되며, 시각적 편의를 위해 왜곡된다.

행성과학자들은 태양계 내 물질을 가스, 얼음, 암석 등의 용어로 분류한다. 암석은 높은 녹는점을 지닌 혼합물로, 주로 규소, 철, 니켈을 포함하며, 내행성 지대와 소행성의 주요 구성 요소다. 가스는 분자 수소, 헬륨, 네온처럼 매우 낮은 녹는점을 지닌 물질로, 주로 목성, 토성 같은 행성의 대부분을 구성한다. 얼음은 물, 메탄, 암모니아, 이산화탄소 등으로, 온도와 압력에 따라 상태를 달리한다. 얼음 물질은 주로 가스 행성의 위성, 천왕성과 해왕성의 내부, 그리고 카이퍼 대 천체에서 발견된다. 가스와 얼음은 종종 휘발성 물질로도 불린다.

태양

태양은 태양계의 중심에서 중력으로 모든 천체를 지배하며, 인류가 그 표면을 직접 관찰할 수 있는 유일한 항성이다. 항성은 스스로 빛을 내는 천체로, 태양은 지구 질량의 33만 2,900배에 달하는 막대한 질량을 가지고 있다. 이러한 질량 덕분에 태양 내부에서는 핵융합 반응이 일어날 수 있는 충분한 밀도가 형성되며, 그 결과 태양은 막대한 에너지를 전자기 복사 형태로 우주에 방출한다. 이 전자기 복사의 일부는 우리가 가시광선이라고 부르는 400~700 나노미터 대역에 속하며, 인간의 눈으로 볼 수 있다.

태양의 표면 온도는 약 5,800 켈빈이며, 분광형상 G2 V에 속하는 황색 왜성이다. 하지만 태양은 왜성이라고 부를 만큼 작지 않으며, 은하에서 비교적 무겁고 밝은 항성에 속한다. 색등급도에서는 태양이 주계열 띠에 위치하며, 이는 태양이 아직 핵융합을 통해 에너지를 방출하는 생애 중반에 있다는 것을 의미한다. 태양은 시간이 지남에 따라 천천히 밝아지고 있으며, 처음 형성되었을 때의 밝기는 현재의 약 70% 수준이었다.

태양은 종족 I 항성에 속하며, 우주 진화의 후기에 태어난 항성이다. 따라서 수소와 헬륨보다 무거운 금속 원소가 풍부하게 포함되어 있으며, 이는 행성계 형성과도 관련이 있다. 무거운 원소는 이전 세대의 항성 폭발에서 만들어져 우주에 흩어진 물질이기 때문에, 태양의 금속 함량은 그 주위에 행성들이 형성될 수 있었음을 시사한다.

과학자들은 태양의 수명을 약 110억 년으로 추정하며, 현재 태양의 나이는 약 46억 년이다. 약 50억 년 후에는 태양이 적색거성으로 변하면서 에너지를 대부분 잃게 될 것으로 예상된다. 그러나 그 전에 태양의 밝기는 약 10억 년마다 10%씩 증가하고 있으며, 이로 인해 지구의 생태계는 약 10억 년 후에는 생명 유지가 어려워질 것으로 예측된다.

태양은 태양풍이라는 대전된 입자(플라스마)를 지속적으로 방출하며, 이 입자는 시속 150만 킬로미터의 속도로 퍼져나가 태양권을 형성한다. 태양권의 영향은 최소 100 AU까지 미치며, 그 안에는 행성간 매질이 존재한다. 태양의 플레어나 코로나 질량 방출과 같은 현상은 태양권을 교란시키며 우주 기후에 영향을 미친다. 태양권 내에서 가장 큰 구조물은 태양의 회전 자기장에 의해 형성된 나선형의 태양권 전류편이다.

지구의 자기장은 태양풍이 지구의 대기를 벗겨내는 것을 방지한다. 반면, 금성과 화성은 자기장이 없기 때문에 태양풍에 의해 대기가 점차 우주로 사라지고 있다. 태양풍과 지구 자기장의 상호작용은 오로라를 형성하며, 이는 자기극 근처에서 대전된 입자가 지구의 대기와 상호작용할 때 발생한다.

태양계 외부에서 기원한 우주선은 태양권에 의해 부분적으로 보호받고 있으며, 행성의 자기장도 행성을 어느 정도 보호한다. 태양계 내의 우주 방사선 수준은 성간물질과 태양 자기장의 변화에 따라 달라지지만, 그 변동 폭은 아직 정확히 알 수 없다.

핵물리학(nuclear physics)은 원자핵을 연구하는 물리학의 한 분야입니다. 비슷한 이름 때문에 종종 원자물리학(atomic physics)과 혼동되지만, 두 분야는 서로 다릅니다.

핵물리학의 기원에 대해서는 여러 의견이 있습니다. 1896년 앙리 베크렐이 방사선을 발견하면서 시작되었다고 보는 견해도 있고, 1911년 어니스트 러더포드가 원자가 양전하를 띤 핵과 이를 둘러싸는 전자로 구성되어 있음을 밝힌 순간을 핵물리학의 출발점으로 보는 견해도 있습니다.

오늘날 핵물리학의 연구 영역은 더욱 확장되었습니다. 핵 자체의 특성, 핵자 간 상호작용, 경입자와 중간자, 쿼크와 글루온의 상호작용 등도 연구 대상에 포함되며, 나아가 표준 모형의 검증 도구로도 사용되고 있습니다.

역사 

핵물리학은 원자핵을 연구하는 분야로, 원자물리학과는 다른 독립된 학문입니다. 그 기원은 1896년 앙리 베크렐이 방사선을 발견하면서 시작되었다고도 하며, 1911년 어니스트 러더퍼드가 원자가 양전하를 띤 핵과 이를 둘러싸는 전자로 구성되어 있음을 밝혀내면서부터라고도 합니다.

20세기 초, 톰슨의 원자 모형은 원자가 내부 구조를 가진다는 개념을 제시했으며, 이 시기에 알파선, 베타선, 감마선이라는 세 가지 방사선이 발견되었습니다. 1911년, 오토 한과 1914년 제임스 채드윅의 실험은 베타 붕괴 스펙트럼이 연속적임을 밝혀냈으며, 이는 당시 에너지 보존 법칙을 둘러싼 논쟁을 일으켰습니다.

1905년, 아인슈타인은 질량-에너지 등가성을 제시했고, 이후 러더퍼드의 팀은 알파 입자 산란 실험을 통해 핵이 매우 작고 밀집된 구조라는 사실을 확인했습니다. 이 발견은 러더퍼드의 원자 모형으로 이어졌으며, 원자는 양성자와 전자로 구성되고, 전자는 핵 주위를 도는 형태로 설명되었습니다.

중성자의 발견은 1932년 제임스 채드윅에 의해 이루어졌습니다. 이는 원자핵에 있는 중성자가 양성자와 질량이 비슷하지만 중성이며, 1/2의 스핀을 가진다는 사실을 밝혔고, 이는 원자핵의 결합 에너지와 핵의 스핀 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 했습니다.

1935년 유카와 히데키는 강한 상호작용을 설명하기 위해 중간자 이론을 제시했고, 이후 파이온의 발견으로 이 이론이 입증되었습니다. 이를 통해 핵자 간 상호작용이 전자기 상호작용보다 더 제한된 범위에서 작용하는 이유가 설명되었습니다.

현대 핵물리학은 원자핵의 붕괴, 알파 붕괴, 베타 붕괴, 감마 붕괴 등 여러 붕괴 과정과 핵 상호작용을 연구하는데, 이 연구는 표준 모형과 소립자 물리학의 발전에도 중요한 기여를 했습니다.

현대핵물리학

중핵은 수백 개의 핵자를 포함할 수 있으며, 그 움직임은 양자역학보다는 고전적인 뉴턴 역학으로 설명될 수 있는 부분도 있습니다. 물방울 모형에 따르면 핵은 표면 장력과 양성자 간의 전기적 반발로 인해 에너지가 증가하며, 이 모형은 핵분열과 결합 에너지와 같은 핵의 여러 특징을 설명할 수 있습니다.

그러나 양자역학적인 효과가 이 고전적인 설명에 더해집니다. 마리아 메이어가 발전시킨 핵 껍질 모형에서는 중성자와 양성자의 특정 수가 껍질을 가득 채우면 핵이 특히 안정해진다고 설명합니다. 또 다른 정교한 모델로는 상호작용 보손 모델이 있으며, 이는 중성자와 양성자의 쌍이 보손처럼 상호작용한다는 이론입니다.

오늘날 핵물리학의 많은 연구는 극한 상황에서의 핵을 다루고 있습니다. 예를 들어, 들뜬 에너지나 높은 회전 상태의 핵, 혹은 중성자-양성자 비율이 비정상적인 핵의 형태 등이 연구되고 있습니다. 이러한 극한 핵은 입자 가속기에서 이온 빔을 사용하여 만들어지며, 인공적으로 유도된 핵분열이나 핵자 변환 반응으로 생성될 수 있습니다.

더 높은 에너지의 입자 빔은 핵을 매우 높은 온도에서 실험할 수 있게 하며, 이를 통해 쿼크-글루온 플라즈마 상태라는 새로운 물질 상태가 생성되었다는 증거도 발견되었습니다. 이 상태에서는 쿼크들이 양성자나 중성자 내부에서 고정된 것이 아니라 자유롭게 섞이는 특성을 가집니다.

핵붕괴
약 80개의 원소는 적어도 하나의 안정한 동위원소를 가지고 있으며, 그 수는 약 254개에 달합니다. 그러나 수천 개의 불안정한 동위원소도 존재하며, 이들은 짧게는 수천분의 1초에서 길게는 수억 년에 이르기까지 서서히 붕괴합니다. 핵의 안정성은 중성자와 양성자 비율에 따라 달라지며, 비율이 맞지 않으면 원자가 붕괴됩니다.

예를 들어, 베타 붕괴에서는 질소-16(N-16) 원자가 생성된 후 수 초 만에 산소-16(O-16)으로 바뀝니다. 이때 중성자는 양성자, 전자, 반중성미자로 변환됩니다. 알파 붕괴에서는 방사성 원소가 헬륨 원자핵을 방출하며 붕괴하고, 감마 붕괴에서는 들뜬 상태의 핵이 감마선을 방출하며 더 낮은 에너지 상태로 변합니다. 이 과정에서 원소는 변화하지 않고 에너지만 방출됩니다.

내부 전환 붕괴와 같은 다른 붕괴 과정도 존재하며, 여기서 핵에서 방출된 에너지가 궤도 전자를 떼어내는 데 사용될 수 있습니다. 이는 베타 붕괴와는 달리 한 원소가 다른 원소로 변하지 않고, 전자가 방출되는 특징이 있습니다.

핵융합

핵융합은 두 개의 저질량 핵이 매우 가까워져 강력에 의해 결합하는 과정입니다. 그러나 이 두 핵이 가까워지려면, 그들 사이의 전기적 반발력을 극복할 수 있는 큰 에너지가 필요합니다. 따라서 핵융합은 매우 높은 온도나 압력에서만 발생할 수 있습니다. 일단 융합이 시작되면, 대량의 에너지가 방출되고, 결합된 핵은 더 낮은 에너지 상태를 가집니다. 핵자의 결합 에너지는 질량수가 증가할수록 증가하며, 그 최고점은 니켈-62(Ni-62)입니다.

태양과 같은 항성은 네 개의 양성자가 헬륨 핵으로 변환되는 융합 과정을 통해 에너지를 생성합니다. 이 과정에서 수소가 헬륨으로 변환되는 핵융합이 통제되지 않을 경우, 열핵 폭주로 이어집니다. 자연에서 발생하는 핵융합은 태양을 포함한 항성들에서 에너지와 빛을 생성하는 근원입니다.

핵분열

핵분열은 핵융합과 반대되는 과정입니다. 니켈-62보다 무거운 핵은, 질량수가 증가함에 따라 결합 에너지가 감소합니다. 그래서 무거운 핵이 더 가벼운 두 핵으로 분열될 때 에너지가 방출됩니다.

알파 붕괴는 자발적인 핵분열의 한 형태로, 네 개의 입자로 구성된 알파 입자가 생성될 확률이 매우 높기 때문에 불균형한 과정으로 진행됩니다. 핵분열 과정에서는 중성자가 생성되며, 일부 무거운 핵은 쉽게 중성자를 흡수하여 연쇄 반응을 일으킵니다. 이 연쇄 반응은 핵 발전소와 핵무기의 에너지 원천입니다.

연쇄 반응을 유도하려면 특정 조건이 충족되어야 하며, 이는 임계 질량이라고 불립니다. 임계 질량의 조건은 중성자의 단면적과 감속재에 의해 결정됩니다. 이러한 자연적인 핵분열은 아프리카 가봉에서 약 150만 년 전에 발생한 자연 핵분열 원자로에서 관찰되었습니다. 또한 지구 내부의 열의 절반은 방사성 붕괴에서 발생하는 것으로 추정됩니다.

무거운 원소의 생성

빅뱅 이론에 따르면, 빅뱅 후 우주가 냉각되면서 중성자, 양성자, 전자가 형성되었습니다. 이들 중 가장 흔한 입자는 양성자와 전자이며, 양성자는 수소를 형성합니다. 빅뱅 후 첫 3분 동안 대부분의 중성자는 헬륨-4에 흡수되었습니다. 이는 오늘날 우주에서 발견되는 헬륨의 주요 기원이 됩니다.

리튬, 베릴륨, 약간의 보론은 중성자와 양성자가 충돌하며 생성되었지만, 그 외의 더 무거운 원소들은 항성 내부에서 융합 과정을 통해 형성되었습니다. 예를 들어, 양성자-양성자 연쇄 반응, CNO 사이클, 트리플 알파 과정 등을 통해 더 무거운 원소들이 생성됩니다.

핵자의 결합 에너지가 철을 기준으로 최대치에 도달하므로, 이 지점 아래에서는 핵분열을 통해 에너지가 방출됩니다. 하지만 철보다 무거운 원소는 핵융합이 아닌 중성자 포획 과정으로 생성됩니다. 중성자는 전하가 없기 때문에 핵에 쉽게 흡수됩니다. 무거운 원소는 느린 중성자 포획 과정(s 과정) 또는 빠른 중성자 포획 과정(r 과정)으로 생성되며, s 과정은 AGB 항성에서 발생하고, r 과정은 초신성 폭발에서 발생합니다.

암호학(cryptography, cryptology)은 정보 보호를 위한 언어학적 및 수학적 방법론을 연구하는 학문입니다. 암호학은 수학을 기반으로 하여 컴퓨터와 통신 등 다양한 학문 분야와 협력하여 연구 및 개발이 이루어지고 있습니다.

초기 암호는 주로 군사나 외교적 목적에서 메시지 보안에 집중하여 사용되었습니다. 그러나 오늘날 암호학은 메시지 보안 외에도 인증과 전자 서명 등을 포함하며, 우리의 일상에서 필수적인 분야로 자리 잡았습니다. 현금 지급기의 사용, 컴퓨터 비밀번호, 전자상거래 등의 안전성은 모두 현대 암호 기술에 의해 보장되고 있습니다.

현대 암호학은 크게 암호 시스템, 암호 분석, 인증 및 전자 서명을 주요 분야로 포함하고 있습니다.

용어 의미

암호학에서 보호해야 할 메시지는 평문(plaintext)이라고 하며, 이를 암호학적 방법으로 변환한 결과를 암호문( ciphertext)이라고 합니다. 평문을 암호문으로 변환하는 과정은 암호화(encryption)라 부르고, 암호문을 다시 평문으로 변환하는 과정을 복호화(decryption)라고 합니다.

암호학이 제공하는 주요 목표는 다음과 같습니다:

- 기밀성(Confidentiality): 허가받지 않은 사용자가 정보에 접근하지 못하도록 보호.
- 무결성(Integrity): 허가받지 않은 사용자가 정보를 변경하지 못하도록 방지.
- 가용성(Availability): 서비스가 부적절하게 중단되지 않도록 보장.
- 부인봉쇄(Non-repudiation): 메시지 송수신자가 그 행위를 부인할 수 없도록 보장.

역사

암호학의 기원은 수천 년 전으로 거슬러 올라가며, 최근 수십 년에 걸쳐 급격히 발전해왔습니다. 역사상 가장 오래된 암호 중 하나는 율리우스 카이사르가 사용한 대입 암호로, 고대 그리스에서는 스키테일 암호체계가 사용되었습니다. 이러한 초기 암호화 기술은 고전 암호학이라고 불리며, 당시에는 암호화 방법에 큰 변화가 없었습니다.

고전 암호학은 20세기 초에 이르러 변화를 맞이했습니다. 대표적인 예로는 독일군의 에니그마(Enigma, '수수께끼'라는 뜻)가 사용한 회전륜 암호기가 있습니다. 이후 전자 기술과 컴퓨터가 발달하면서 전통적인 암호화 방식은 더 이상 사서통신에 적합하지 않게 되었습니다. 암호학은 암호분석학과 함께 발전했으며, 암호 해독법은 역사에 큰 영향을 미쳤습니다. 예를 들어, 치머만 전보의 해독은 미국이 1차 세계대전에 참전하게 된 계기가 되었고, 연합군이 나치의 암호를 해독한 것은 2차 세계대전의 기간을 단축시키는 데 기여했습니다.

20세기부터 1970년대 이전까지 암호학의 대부분은 정부의 기밀 영역에 속해 있었으나, 공개키 암호화와 공개 표준키 체제가 등장하면서 암호학은 대중에게 널리 알려지게 되었습니다.




대칭키 암호 시스템과 공개키 암호 시스템

대칭키 암호 시스템은 암호화에 사용하는 키와 복호화에 사용하는 키가 동일한 암호 시스템을 의미합니다. 이 시스템의 안전성은 키의 길이와 키 관리의 안전성에 크게 의존하며, 암호문 작성자와 수신자가 동일한 키를 비밀리에 공유해야 하기 때문에 폐쇄적인 사용자 그룹에 적합합니다. 예를 들어, 냉전 시절 워싱턴과 모스크바 사이의 핫라인에 사용된 OTP(One-Time Pad)는 대칭키 암호 시스템의 예입니다.

 암호화 및 복호화 과정
1. 엘리스가 밥에게 암호문을 보내는 기본 과정에서는, 엘리스와 밥이 같은 키를 공유하고 있어야 합니다.
2. 엘리스는 이 키를 사용해 메시지를 암호화하며, 밥은 동일한 키로 메시지를 복호화합니다.
3. 보통 복호화 과정은 암호화 과정의 역순입니다.
4. 암호화와 복호화에 사용되는 키가 서로 다르더라도, 한 키로부터 다른 키를 쉽게 유도할 수 있는 경우는 여전히 대칭키 암호 시스템으로 분류됩니다.

 대칭키 암호 시스템의 문제점
대칭키 암호 시스템은 알고리즘이 상대적으로 단순한 장점이 있지만, 키 관리에 어려움이 따릅니다. 시스템에 n명이 가입한 경우, 사용자들 간에 매번 서로 다른 키를 공유해야 하므로, 총 n(n-1)/2개의 키가 필요합니다. 또한, 각 사용자는 n-1개의 키를 관리해야 하는 부담이 있습니다. 이러한 문제는 키 관리가 용이한 공개키 암호 시스템이 등장하는 계기가 되었습니다.

 대칭키 암호 시스템의 종류
대칭키 암호 시스템의 안전성은 키의 길이와 밀접한 관련이 있으며, 키가 길수록 안전성이 높습니다. 하지만 키가 너무 길어지면 관리가 어려워지는 단점이 있습니다.

대표적인 대칭키 암호화 알고리즘:
- DES (Data Encryption Standard)
- AES (Advanced Encryption Standard)
- ARIA
- Twofish
- SEED

대칭키 암호 시스템의 주요 약점은 키 관리의 어려움입니다. 사용자 간에 각각 다른 키를 관리해야 하기 때문에, 사용자가 관리해야 할 키의 수가 급증하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 공개키 암호 시스템입니다.

공개키 암호 시스템
공개키 암호 시스템에서는 각 사용자가 두 개의 키를 부여받습니다:
1. 공개키 (Public Key): 모든 사람에게 공개됩니다.
2. 비밀키 (Private Key): 사용자가 비밀리에 관리합니다.

공개키 암호 시스템은 각 사용자가 비밀키만 관리하면 되므로, 키 관리의 복잡성이 대폭 감소합니다. 대신 공개키 관리 시스템이 필요하며, 이 시스템을 통해 사용자는 다른 사람의 공개키를 자유롭게 열람할 수 있습니다.

공개키 암호 시스템은 수학적 연산에 기반하고 있어, 암호화 및 복호화 과정에 여러 단계의 연산이 필요합니다. 이러한 특성으로 인해, 대칭키 암호 시스템에 비해 속도가 느린 단점이 있습니다.

암호화 및 복호화 과정
1. 엘리스는 밥에게 암호문을 보낼 때, 밥의 공개키를 사용하여 암호화합니다.
2. 밥은 자신의 비밀키로 이를 복호화하여 엘리스가 보낸 메시지를 확인할 수 있습니다.
3. 중요한 점은 공개키만으로는 복호화가 불가능하다는 것이며, 엘리스조차 자신의 암호문을 복호화할 수 없습니다.

또한, 공개키 암호 시스템에서는 비밀키로 암호화하고 공개키로 복호화하는 것도 가능합니다. 이 방법은 전자서명에서 주로 사용되며, 공개키에 맞는 비밀키 소유자를 확인할 수 있게 해줍니다. 이런 특성 때문에 비대칭 암호 시스템이라고도 불립니다.

 공개키와 비밀키의 관계
공개키와 비밀키는 수학적 연관을 가지고 있으며, 이는 암호화와 복호화를 가능하게 합니다. 이 둘은 마치 두 조각으로 나뉜 퍼즐과 같으며, 하나가 공개되면 나머지 조각이 완전히 드러날 수 있습니다. 따라서 공개된 키를 통해 비밀키가 유추되지 않도록 수학적 복잡성이 중요한 역할을 합니다.

 공개키 암호 시스템의 종류
대표적인 공개키 암호 시스템은 다음과 같습니다:
- RSA: 가장 널리 사용되는 공개키 암호화 알고리즘.
- ElGamal: 안전한 공개키 암호화 방식 중 하나.
- 타원 곡선 암호: 더 짧은 키로 높은 보안을 제공하는 알고리즘.
- 배낭 암호: 과거에 사용되었던 암호화 방식.

양자암호

양자암호는 기존 암호 시스템의 보안 문제를 해결할 수 있는 차세대 암호 기술입니다. 특히 양자키 분배(QKD)를 통해, 안전한 키 분배 문제를 해결할 수 있는 도구로 주목받고 있습니다.

 기존 암호 시스템의 한계
일반적인 공개키 암호 시스템의 안전성은 일방적인 수학적 문제에 기반합니다. 예를 들어, RSA의 안전성은 두 소수의 곱을 쉽게 구할 수 있지만, 소인수분해를 통해 그 소수들을 역으로 찾는 것은 매우 어렵다는 점에 의존합니다. 그러나 만약 이러한 수학적 문제가 해결된다면, 해당 암호 시스템의 안전성도 깨질 수 있습니다.

이에 대한 해결책으로 등장한 암호 방식 중 하나가 One Time Password(OTP)입니다. OTP는 이론적으로 매우 안전하지만, 대칭키 암호 시스템으로 키 생성과 분배에 있어 복잡한 문제를 안고 있습니다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 양자암호입니다.

 양자암호의 안전성
양자암호의 안전성은 불확정성 원리에 근거합니다. 양자암호는 양자채널과 고전적 통신수단(인터넷, 전화 등)을 동시에 사용하여 키 분배를 수행합니다. 고전적 통신수단을 통한 정보 교환은 노출되더라도 문제가 없지만, 양자채널을 통한 정보 교환은 보안이 필수적입니다.

만약 불법적인 사용자가 양자채널에서 정보를 측정하려고 시도하면, 불확정성 원리에 따라 그 측정 자체가 시스템에 영향을 미쳐 키 분배의 오류가 발생합니다. 이를 통해 합법적인 사용자들은 공격을 감지할 수 있습니다. 그러나 양자암호도 완벽하지 않으며, 중간자 공격이나 FPB 공격에 취약한 것으로 알려져 있습니다. 다만, 이러한 공격은 물리적 수단과 고가 장비가 필요하다는 전제가 있어 현실적으로는 큰 위협이 되지 않습니다.

 키 분배 프로토콜
대표적인 양자키 분배 프로토콜은 BB84입니다. 이 프로토콜은 1984년 Charles H. Bennett와 Gilles Brassard에 의해 개발되었습니다. BB84는 광자 편광을 이용하여 키 분배를 수행하는데, 광자의 편광 상태를 수직, 수평, 그리고 두 대각선으로 나누어 디지털 신호를 나타냅니다. 다만, 광자 편광은 노이즈에 취약하기 때문에 실제 구현보다는 이론적 이해를 돕는 데 주로 사용됩니다. 실제 구현에서는 위상차를 이용한 방법이 더 많이 사용되며, Mach-Zehnder 간섭계를 활용해 이를 구현합니다.

 양자암호의 종류
- BB84: 양자키 분배 프로토콜로, 광자의 편광을 이용.
- E91: 아스페(Aspet)의 실험을 기반으로 한 양자암호 시스템.

양자암호는 미래의 정보 보안을 위한 중요한 기술로 자리 잡고 있으며, 현재도 활발하게 연구되고 있습니다.

반도체(semiconductor)는 상온에서 전기 전도율이 도체(전도체)인 구리와 부도체(절연체)인 유리나 애자 사이의 중간 정도를 가지는 물질입니다. 반도체의 전도도는 외부에서 가해진 전압, 열, 빛의 파장 등에 따라 변할 수 있으며, 주로 규소 결정에 불순물을 첨가하여 만듭니다. 이러한 반도체는 주로 증폭 장치와 계산 장치에 사용되는 집적회로(IC)를 만드는 데 활용됩니다.

반도체는 매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 작동하지만, 실온에서는 도체처럼 작동하는 특징이 있습니다. 부도체와의 주요 차이점은, 부도체는 에너지 띠틈이 커서 전자가 전도띠로 쉽게 이동하지 못하는 반면, 반도체는 에너지 띠틈이 작아 실온에서 전자가 전도띠로 쉽게 올라갈 수 있다는 점입니다. 도체와의 차이점으로는, 도체는 절대 영도에서도 전자띠가 일부만 차 있는 반면, 반도체는 전자띠가 가득 차 있다는 점이 있습니다.

반도체에 대한 이해의 역사는 물질의 전기적 특성을 연구하는 실험에서 비롯되었습니다. 19세기 초부터 저항의 온도계수, 정류 효과, 광민감도 등의 현상이 관찰되며 반도체 연구가 시작되었습니다.

반도체의 띠구조는 가득 찬 원자가띠와 비어있는 전도띠로 구성되며, 페르미 준위는 이 둘 사이의 금지된 띠틈 안에 위치합니다. 반도체는 절대 영도에서 원자가띠가 완전히 차 있는 고체로, 전자의 페르미 에너지가 금지된 띠틈에 있습니다. 실온에서는 전자 분포가 조금 흐트러지며, 일부 전자가 에너지 띠간격을 넘어 전도띠로 이동하게 됩니다. 이러한 전자들은 원자와의 공유결합을 끊고 자유롭게 이동하며 전류를 생성합니다.

공유결합에서 전자가 빠져나가면 전자가 부족한 상태, 즉 양공이 발생하게 됩니다. 양공은 그 자체로 움직이는 것이 아니라, 주변 전자가 움직여 양공을 메우면서 양공이 이동하는 것처럼 보입니다.

도체와 반도체의 차이점 중 하나는 반도체에서는 전류가 흐를 때 전자와 양공이 모두 이동한다는 점입니다. 반면, 도체에서는 페르미 준위가 전도띠 안에 위치하여 전도띠가 일부만 전자로 채워져 있습니다. 이 경우, 전자가 비어있는 상태로 이동하는 데 필요한 에너지가 적어 전류가 잘 흐릅니다.

반도체에서 전자가 가전자대에서 전도띠로 얼마나 쉽게 이동하는지는 띠틈의 크기에 달려 있습니다. 일반적으로 에너지 띠틈이 2eV 이하인 물질은 반도체로 간주되며, 그보다 큰 경우는 부도체로 간주됩니다.

물질 내에서 전류를 흐르게 하는 전자는 "자유전자"로 불리며, 가전자대의 양공은 마치 양전하 입자처럼 행동하여 실제로 대전된 입자로 간주됩니다.

반도체는 전자공학에서 중요한 역할을 하는데, 그 이유 중 하나는 불순물을 소량 첨가해도 반도체의 특성을 크게 변화시킬 수 있기 때문입니다. 이러한 과정을 도핑(doping)이라 하며, 첨가되는 불순물을 도펀트(dopant)라고 합니다. 도핑을 통해 반도체의 전도도는 10억 배 이상 증가할 수 있습니다. 이 때문에 집적 회로 제작 시, 불순물이 첨가된 다결정 실리콘이 금속을 대체하기도 합니다.

고유 반도체와 비고유 반도체

- 고유 반도체는 불순물이 거의 없는 순수한 반도체로, 열이나 빛에 의해 생성된 전자와 양공이 주요 운반자입니다. 고유 반도체에서는 전자와 양공이 같은 수로 존재하며, 전기 전도도는 온도에 따라 크게 변합니다. 낮은 온도에서는 절연체처럼 작동하지만, 온도가 높아지면 전도도가 증가합니다.

- 비고유 반도체는 운반자의 종류와 개수를 조절하기 위해 불순물을 첨가한 반도체로, 불순물의 종류에 따라 N형과 P형으로 나뉩니다.

N형 도핑

N형 도핑은 전자를 많이 생성하기 위해 불순물을 첨가하는 방법입니다. 예를 들어, 실리콘(Si) 결정구조에 원자가 전자 5개를 가진 원자(인(P), 비소(As) 등)를 첨가하면, 여분의 전자가 생겨 쉽게 전도띠로 올라갑니다. 이 전자는 양공을 만들지 않으므로, N형 반도체에서는 전자가 다수 운반자이고, 양공은 소수 운반자입니다. 이러한 원자를 donor 원자라고 합니다.

P형 도핑

P형 도핑은 양공을 많이 생성하기 위해 3가 원자(붕소(B), 알루미늄(Al) 등)를 첨가하는 방법입니다. 이 경우 전자가 부족한 결합이 생기며, 이에 따라 양공이 발생합니다. P형 반도체에서는 양공이 다수 운반자이고, 전자는 소수 운반자입니다. 이러한 도펀트를 acceptor 원자라고 합니다.

운반자 농도

도핑된 반도체에서는 다수 운반자의 농도가 고유 반도체의 운반자 농도보다 증가합니다. 그러나 다수 운반자 농도와 소수 운반자 농도를 곱한 값은 고유 운반자 농도의 제곱과 같습니다. 예를 들어, N형 반도체에서 전자 농도가 10¹⁶/cm³라면, 양공 농도는 10¹⁰/cm³가 됩니다. 이는 도핑 농도에 따라 소수 운반자 농도도 영향을 받음을 의미합니다.

반도체에 P형과 N형 도펀트를 인접하게 도핑하면 PN 접합이 형성됩니다. 이 구조는 전자공학에서 매우 중요한 역할을 하며, 다이오드와 같은 소자의 원리로 작동합니다.

PN 접합의 동작 원리

- 정방향 바이어스: P형 반도체에 +전압을, N형 반도체에 -전압을 걸어주면, P형 반도체의 다수 운반자인 양공이 접합면으로 밀려가고, N형 반도체의 다수 운반자인 전자도 접합면 쪽으로 끌려갑니다. 접합면에 운반자가 많아지면서 전류가 흐르게 됩니다. 이때, 전자와 양공이 만나 공유결합을 형성하며 전도에 기여합니다.

- 역방향 바이어스: 전압을 반대로 걸면, 양공과 전자는 접합면에서 멀어지게 되고, 접합면 주위에 운반자가 거의 없는 공핍영역이 형성됩니다. 이 상태에서는 전류가 거의 흐르지 않으며, 아주 소량의 전류만 흐르게 됩니다.

이러한 특성 덕분에 PN 접합은 전류가 한쪽 방향으로만 흐르게 하며, 이는 다이오드의 기본 원리입니다.

BJT (양극성 접합 트랜지스터)

PN 접합의 원리를 확장하면, 세 번째 반도체 영역을 추가하여 단자가 3개인 소자를 만들 수 있습니다. 이 소자가 BJT (Bipolar Junction Transistor)입니다. BJT는 P-N-P 또는 N-P-N 구조로 만들어지며, 각각의 구조에 따라 전류를 제어하는 방식이 다릅니다.

반도체를 대량 생산하면서도 예측 가능하고 신뢰할 수 있는 전기적 특성을 유지하는 것은 매우 까다로운 작업입니다. 그 이유는 반도체의 성질이 매우 작은 불순물에도 크게 영향을 받기 때문에, 높은 화학적 순도와 완벽한 결정 구조가 필수적이기 때문입니다.

반도체의 높은 화학적 순도를 달성하기 위해서는 존 정제(zone refining)라는 방법이 자주 사용됩니다. 이 방법에서는 고체 결정이 녹을 때 불순물이 녹은 부분에 모이는 성질을 이용해 고체 부분의 순도를 높입니다.

뿐만 아니라, 결정 구조의 완벽성도 중요한 요소입니다. 결정 구조에 결함(예: 전위(dislocation), 트윈(twin), 적층 결함(stacking fault))이 발생하면, 이러한 결함들이 반도체의 띠간격에 새로운 에너지 준위를 만들어내고, 결과적으로 전기적 특성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 결함은 불량 소자의 주요 원인이 됩니다.

결정의 크기가 커질수록 이러한 순도와 무결성을 달성하는 것이 더 어려워집니다. 오늘날 대량 생산에서 사용되는 결정은 지름이 4~12인치인 기둥 모양으로, 이를 얇게 절단해 웨이퍼를 만듭니다.


반도체 오류 진단 및 분석
반도체 오류 진단 및 분석은 스캔 기반 장치에서 발생하는 오작동이나 고장의 원인을 파악하기 위해 회로를 식별하는 예측 알고리즘입니다.

오류 진단 알고리즘은 오류 특성을 나타내는 데이터 로그를 입력으로 받아, 실패한 회로의 시뮬레이션 모델과 실제 장비의 시뮬레이션 모델을 비교하여 오류의 특성을 분석합니다. 이 알고리즘은 다양한 오류 유형을 분석 모델에 적용할 수 있으며, 대표적인 오류 유형은 다음과 같습니다:

- Stuck-at faults: 특정 노드가 항상 높거나 낮은 상태로 고정되는 오류
- Stuck-open faults: 노드가 연결이 끊긴 상태로 시뮬레이션되는 오류
- Bridging faults: 두 노드 간에 원하지 않는 연결이 발생하는 오류
- Transition-delay faults: 신호 전환이 느리게 일어나는 오류

오류 진단의 결과물은 오작동 가능성이 있는 연결망의 교점 목록으로 구성됩니다. 소프트웨어 오류 진단은 이러한 목록만 생성하지만, 특정 실패 지점을 정확히 파악하려면 물리적 오류 분석과 함께 사용해야 합니다.

일부 오류 분석 알고리즘은 기록된 고장 후보들의 고장 확률을 포함해, 어떤 연결망의 교점이 고장의 원인인지 추정할 수 있도록 돕습니다. 이러한 고장 확률은 분석자가 우선적으로 관찰해야 할 교점을 선택하는 기준을 제공합니다.