야망의 모델
Focus: A Model for Ambition

인간의 의사결정 심리를 설명하려는 이론적 접근이 비즈니스, 직장 생활, 그리고 정치계에서 성공을 거두기 위한 전략을 제시한다.

얼마나 큰 야망을 가져야 할까? 어떤 이들은 목표를 원대하게 잡으라고 조언하는 반면, 다른 이들은 더 큰 성공을 거두려면 현실적인 목표를 세워야 한다고 주장한다. 최근 연구진은 이 질문에 대한 답을 줄 수 있는 수학적 모델을 개발했다.1) 이 모델에 따르면, 사람은 언제나 목표치를 평균 이상으로 설정할 때 가장 좋은 성과를 얻었다. 하지만 지나친 야망을 품으면 너무 신중한 태도를 취할 때보다 훨씬 더 큰 손실을 입는 것으로 나타난다. 연구진은 이 모델이 구직 활동이나 창업 등 현실 세계의 다양한 상황에서 사람들에게 길잡이가 되어줄 수 있다고 믿는다.

Stanford University의 Ekaterina Landgren과 동료들이 개발한 이 모델은 최적 탐색이라는 수학적 개념에 기반을 두고 있다. 최적 탐색이란 주어진 시간과 자원 내에서 최대의 보상을 확보할 수 있는 가장 좋은 방법을 결정하는 이론이다. 본래 이 모델은 동물의 먹이 탐색 활동을 이해하거나, 자율주행 로봇의 내비게이션 시스템을 설계하고, 재난 현장의 수색 및 구조 작업을 안내하는 데 사용되어 왔다. 보통 이러한 모델은 단 한 가지 특정한 과제에 맞추어 설계되지만, Landgren 연구팀은 선택이 성공에 영향을 미치는 인간의 다양한 활동에 보편적으로 적용할 수 있는 일반적인 틀을 개발하였다.

이 모델에서 하나의 ‘에이전트(행동 주체)’는 일정한 가치를 지닌 여러 선택지 중에서 무작위로 선택을 반복하며, 정해진 기회 속에서 최종 이익을 극대화하는 것을 목표로 한다. 이 에이전트는 더 높은 연봉을 받으려는 구직자일 수도 있고, 성공적인 기업을 만들려는 창업가나 대중적 지지율을 올리려는 정치인일 수도 있다. 이때 어떤 보상을 받을 수 있는지에 대한 확률은 ‘확률 분포 함수’로 나타나는데, 가장 단순한 경우에는 좌우 대칭의 종 모양을 가진 ‘정규 분포(가우시안 분포)’를 따른다.

모델의 각 시점마다 에이전트는 현재 확보한 보상에 안주할지, 아니면 더 높은 보상을 찾아 다시 도전할지 선택해야 한다. 만약 현재의 보상이 전체 분포의 통계적 평균보다 높고, 본인이 미리 설정한 ‘만족 임계값’을 넘어선다면, 에이전트는 새로운 선택지를 찾는 일을 멈추고 남은 시간 동안 그 수준의 보상을 계속 누적해 나간다. 반대로 만족 임계값에 도달하지 못하면, 에이전트는 다음 단계로 넘어가 새로운 선택지를 찾는 과정을 계속한다.

연구진은 각기 다른 만족 임계값을 가진 에이전트들을 비교하며, 야망이 미치는 효과를 분석하였다. 임계값이 낮은 에이전트는 적은 보상에도 쉽게 만족하여 더 큰 보상을 얻을 기회를 놓칠 수 있다. 반면 임계값이 높은 에이전트는 더 나은 보상을 얻기 위해 계속 시도하지만, 그 보상은 실제로 얻을 수도 있고 얻지 못할 수도 있다. 가장 이상적인 야망의 크기를 찾기 위해, 연구진은 서로 다른 만족 임계값을 가진 에이전트들이 정해진 시간 동안 축적한 보상을 컴퓨터 시뮬레이션으로 계산했다. 그 결과, 최적의 만족 임계값은 언제나 고정된 수학적 평균 보상보다 높게 나타났다. 그러나 목표를 지나치게 높게 잡았을 때(과도한 야망) 발생하는 손해는 목표를 너무 낮게 잡았을 때(과도한 신중함)보다 최종 성과를 훨씬 더 떨어뜨렸다.

다음으로 Landgren 연구팀은 사회적 비교가 최종 성과에 미치는 영향을 분석하였다. 이제 에이전트는 평균과 비교하는 대신, 바로 이전 단계에서 서로 다른 눈높이를 가진 100명의 동료 집단이 얻은 평균 보상과 자신의 보상을 비교했다. 분석 결과, 어떤 형태로든 동료와 자신을 비교하는 행위는 결국 손해로 이어졌으며, 최적의 만족 임계값을 낮추고 최종 누적 보상 역시 감소시켰다. 특히 에이전트가 자신보다 더 높은 보상을 얻은 동료들과만 비교할 때 그 부정적인 영향은 더욱 커졌다. 이 경우 에이전트는 자신의 성과에 덜 만족하게 되고, 결국 현실적으로 얻을 수 있는 이득마저 놓칠 가능성이 커지기 때문이다. Landgren은 “상향 사회적 비교는 내가 이룰 수 있는 가능성에 대한 인식을 왜곡하여, 오히려 성공을 방해할 수 있다”라고 설명한다.

연구진들은 보상 분포의 형태가 제각각인 구체적인 현실 세계의 사례들도 분석하였다. 예를 들어 비즈니스 영역에서 민간 기업들의 자산 분포는 소수의 극단적으로 성공한 유니콘 기업들 때문에 오른쪽 꼬리가 긴 ‘우왜도 분포(Right-skewed distribution)’를 보인다. 이렇듯 극소수만이 대박을 터뜨리는 불균형한 환경에서는 최적의 만족 임계값이 일반적인 정규 분포에서보다 낮게 나타났다. 이는 새내기 창업가들이 야망을 조금 가라앉히고 현실적인 목표를 세워야 함을 시사한다.

반대의 경우는 왼쪽 꼬리가 긴 ‘좌왜도 분포(Left-skewed distribution)’로, 대부분의 지표는 양호하지만, 드물게 발생하는 치명적인 경제 위기가 전체 평균을 깎아 먹는 상황 등이 이에 해당한다. 이러한 상황에서는 정반대의 분석 결과가 도출된다. 정책 입안자들이 성과를 극대화하려면, 훨씬 더 공격적이고 과감한 전략을 추진해야 한다는 것이다. Landgren은 “핵심은 자신이 처한 영역의 결과가 어떤 분포를 따르는지 정확히 이해하고, 그에 맞춰 눈높이를 조정하는 것”이라고 강조했다. 연구진은 앞으로 이 모델을 구직 활동이나 대학 입시처럼, 원하는 결과를 얻기 위해 탐색을 이어가야 하는 다양한 현실의 의사결정 문제에 적용해 나갈 계획이다.

University of Warwick의 행동 및 인지과학 전문가인 Thomas Hills 교수는 이번 연구에 대해 “최적 탐색이라는 개념이 야망과 위험의 균형을 맞춰야 하는 수많은 현실 시나리오에 모두 통용될 수 있음을 보여준 혁신적인 연구”라고 평가했다.

우주 기반 중력파 측정을 위한 개선된 방법
Focus: An Improved Method for Space-Based Gravitational-Wave Measurements

새로운 중력파 검출 방식은 이러한 고정밀 측정에서 노이즈를 줄일 수 있는 새로운 기능을 제공한다.

Laser Interferometer Space Antenna (LISA)는 레이저로 연결된 세 대의 우주선을 이용해 지구에서는 검출할 수 없는 밀리헤르츠(mHz) 주파수 대역의 중력파를 검출할 계획이다. 2035년으로 예정된 발사 전까지 LISA의 기본 설계는 변경되지 않지만, 최근 연구진은 향후 임무를 위해 하드웨어를 대폭 단순화하면서도 우수한 성능을 달성할 수 있는 방법을 제시했다.2) 이 기술은 우주선 간에 전송되는 레이저 신호의 처리를 간소화하기 위해 제안되었던 기존 방식을 한 단계 더 발전시킨 것이다. 또한, 우주선에 탑재된 시계(클록) 주파수의 미세한 편차를 더욱 효율적으로 모니터링하고 보정할 수 있는 새로운 기능도 추가되었다.

LISA 프로젝트는 250만 km씩 떨어진 세 대의 우주선이 삼각형 모양의 편대를 이루어 레이저 빔을 주고받으며 간섭계 측정을 수행해 시공간에 생기는 파동을 탐지하게 된다. 이러한 중력파는 초거대 블랙홀의 병합 과정에서 발생할 수 있으며, 이는 우주 기반 관측소를 통해서만 검출이 가능하다. University of Maryland, Baltimore County의 Kohei Yamamoto 연구원은 우주 기반 중력파 검출 역량을 더욱 확장하기 위해 이와 유사한 프로젝트들이 계획되고 있으며, 이러한 방식들은 모두 Time-Delay Interferometry (TDI)라는 기술에 의존하고 있다고 설명한다. TDI는 우주선 편대가 태양 궤도를 돌 때, 레이저 간섭계의 팔(arm) 길이(삼각형의 두 변)가 시간에 따라 미세하게 변한다는 점을 고려하여 데이터를 보정하는 방법이다. (지상 관측소의 경우 이 팔 길이가 고정되어 있다.)

TDI 기술을 구현하려면 각 우주선에서 보내오는 시계 신호를 정밀하게 비교해야 한다. 2015년, 연구진은 기존 LISA의 설계를 한층 개선하여 이러한 시계 신호를 처리하는 새로운 방식을 제안했다. 이 방법은 수십 메가헤르츠(MHz) 주파수로 펄스를 생성하는 레이저 광원인 광 주파수 빗(Optical Frequency Comb, OFC)을 활용한다. 이 OFC가 시계 역할을 수행하며, 한 우주선에서 다른 우주선으로 보내는 주 레이저 빔의 빠른 전자기적 진동과 정밀하게 동기화될 수 있다. 기존 LISA 설계에서는 시계가 별도 장치로 분리되어 있어, 시계 신호가 레이저 빔에 실려 전송될 뿐 빔 자체와 동기화되지는 않았다. 반면 새로운 방식처럼 두 신호를 동기화하면 레이저 노이즈와 시계 노이즈가 서로 연동되므로, 이 노이즈를 훨씬 쉽게 제거할 수 있다.

최근 Yamamoto 연구팀은 동일한 장치 구성에서 더 많은 정보를 추출할 수 있음을 입증해 냈다. 중력파를 탐지하기 위해 각 우주선의 시스템은 ‘헤테로다인(heterodyning)’이라 불리는 표준 기법을 사용하여, 자체 레이저 빔과 다른 우주선에서 전송된 레이저 빔을 결합한다. 그 결과 메가헤르츠(MHz) 주파수 대역의 신호가 만들어지는데, 이 신호는 두 레이저 빔의 미세한 차이를 매우 정밀하게 잡아낼 수 있다. 연구진은 시계가 동기화된 덕분에, 이 신호에서 두 우주선 사이를 빛이 오간 총 시간뿐만 아니라 두 시계 주파수 사이에 발생하는 완만한 미세 편차까지 알아낼 수 있었다. 만약 이 편차를 보정하지 않으면 노이즈를 지우기가 극도로 어려워져, 결국 중력파 측정값을 뒤엎을 수 있는 오류가 발생하게 된다.

연구팀은 이 방법을 검증하기 위해 우주선의 레이저 시스템을 모사한 두 개의 독립된 시스템으로 실험을 진행했다. 각 시스템은 자체 레이저, OFC, 그리고 레이저 신호의 타이밍(또는 위상)을 측정하는 고정밀 장치인 위상계로 구성되었다. 실험 결과, 이 새로운 방법을 통해 두 시스템의 시계와 데이터 기록 하드웨어를 0.47 나노초(ns) 미만의 정확도로 동기화할 수 있음이 확인되었다. 이는 LISA 미션의 요구 조건인 3.3 나노초를 여유롭게 충족하는 수치다. 또한, 중력파를 검출하는 데 필요한 수준보다 노이즈를 더 낮출 수 있었다.

2015년 당시의 설계를 공동 개발했던 California 소재 Jet Propulsion Lab (JPL)의 정밀 측정 전문가 Nan Yu 박사는 이번 제안이 OFC 기반 기술의 유용한 확장이라고 평가했다. “논문에 기술된 방식은 우리가 원래 제안했던 방식의 훌륭한 대안이며, 향후 LISA와 유사한 차세대 우주 미션 아키텍처에 실제 채택으로 이어질 가능성이 매우 높은 유망한 경로를 제시하고 있다.”

Yamamoto 연구원은 이 새로운 접근법이 현재의 LISA 프로젝트에 적용되기에는 너무 늦었다면서도, “하지만 연구자들이 아이디어 제안을 멈추지 않고 미래의 우주 임무를 위한 개선책을 계속해서 찾아내는 것이 중요하다”라고 강조한다. 아울러 그는 이 기술이 정밀한 위치 측정, 우주 항법, 혹은 시간 동기화를 목적으로 여러 대의 우주선이 서로 통신하며 작동해야 하는 다양한 우주 임무에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

빈 공간이 많은 물질이 고강도 전자빔을 차단하다.
Focus: Void-Filled Material Stops Intense Electron Beam

다공성이 높은 물질은 다공성이 낮은 물질보다 고강도 전자빔을 더 효율적으로 차단하며, 이는 빔 제어에 대한 새로운 전략을 제시한다.

새로운 실험 결과에 따르면, 대부분이 공극으로 이루어진 다공성 물질이 밀도가 더 높은 다공성 물질보다 초고강도 전자빔이 전달하는 전력을 더 효과적으로 흡수할 수 있는 것으로 나타났다. 이 발견은 밀도가 높고 두꺼운 장애물이 항상 더 큰 차폐 능력을 제공한다는 통념과 상반되며, 물질의 미세 구조가 전자의 저지능을 근본적으로 변화시킨다는 점을 시사한다. 연구팀의 시뮬레이션 결과, 이러한 ‘변칙적 저지’ 효과의 물리적 메커니즘이 밝혀졌으며, 연구진은 이 효과가 극한 환경에서 전자빔의 전파를 제어하는 새로운 방법을 제시한다고 보고 있다.3)

이 연구는 빛의 속도에 근접한 속도로 이동하는 상대론적 전자빔(REBs)에 초점을 맞추고 있다. 메가암페어급 전류를 전달하는 REBs는 수 피코초 동안 지속되는 펄스를 통해 작은 표적에 페타와트(10¹⁵ 와트)급의 출력을 전달할 수 있다. 이러한 높은 강도 덕분에 REBs는 별, 행성 핵, 또는 핵 반응에서 존재하는 극한 상태의 물질을 생성하고 탐구하는 데 이상적이다. REBs가 제공하는 강렬한 에너지의 짧은 펄스는 관성 가둠 핵융합(inertial-confinement fusion)에도 활용된다. 이는 고출력 레이저가 연료 펠릿을 가열하여 핵융합을 유발하는 방식이다.

이러한 초강도 REBs는 중국의 XingGuang-III 시설에서 고출력 레이저 빔의 초단펄스를 고체 표적에 조사함으로써 생성된다. 레이저가 전달하는 에너지는 표적의 표면을 순식간에 이온화시켜, 상대론적 속도로 물질 내부로 가속되는 대량의 고에너지 전자를 생성한다. 이러한 극한 조건에서 전자는 개별적인 이체 충돌을 통해 상호작용하는 고립된 입자처럼 행동하지 않는다. 대신, 물질을 통과하는 빔의 전파는 집단적 플라즈마 효과에 의해 지배된다. 그 결과, 고속으로 이동하는 전자가 생성하는 강력한 전자기장이 빔의 형태와 에너지 손실 메커니즘을 모두 제어하게 된다.

최근 XingGuang-III 및 여러 연구 기관에서 수행된 실험들을 통해 이러한 REBs와 다공성 폼 간의 상호작용을 탐구하기 시작했다. 기존 연구에 따르면, 물질 내부의 기공 구조가 전자기장에 무작위적인 변동을 일으켜 비다공성 표적에서는 관찰되지 않는 복잡한 빔 효과를 생성하는 것으로 나타났다. 그러나 지금까지 이러한 미세구조 소재의 전자 저지능에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다.

발생하는 에너지 손실 메커니즘을 규명하기 위해, 중국 Shenzhen Technology University의 Ke Jiang 연구팀은 초고강도 REBs가 두 종류의 다공성 폼을 통과한 후 방출된 전자를 관측했다. 한 종류는 대부분 기공으로 구성되어 밀도가 5 mg/cm³에 불과했고, 다른 종류는 기공의 부피가 더 작고 밀도가 200 mg/cm³인 폼이었다. 표적 뒤쪽에서 기록된 전자 스펙트럼을 분석한 결과, 저밀도 폼은 고밀도 폼에 비해 통과한 전자의 수 자체가 더 적었을 뿐만 아니라 그 전자들이 가진 에너지 수준도 더 낮은 것으로 나타났다. 또한 중심 빔 축에 대해 일정한 각도를 이루며 방출된 전자를 측정한 결과, 저밀도 폼에 의해 산란되는 전자가 더 많아 순방향으로 이동하는 전자의 수가 감소하는 것으로 밝혀졌다.

저밀도 폼 내부의 에너지 손실은 물질의 저지능(stopping power)이 주로 밀도에 달려 있다고 가정하는 기존 이론의 예측치보다 수십 배나 더 컸다. 이 변칙적인 저지 효과를 더 잘 이해하기 위해, Jiang 연구팀은 REBs와 다공성 물질 간의 상호작용을 시뮬레이션했다. 이 시뮬레이션 결과, 저지 능력이 향상된 것은 폼의 고체 부분을 통과하는 전류 때문인 것으로 나타났다. 이 전류는 기공 내부에 강력한 자기장을 생성하여 빔 전자를 편향시키고, 산란시키며, 가두게 된다.

이번 연구는 무작위 구조의 폼에 초점을 맞추었지만, Jiang 연구팀은 다공성 미세구조 설계를 통해 전자빔의 에너지 전달 방식과 위치를 제어할 수 있을 것이라 확신하였다. Jiang은 “우리의 장기적인 목표는 물질 설계를 통해 고강도 전자빔의 수송과 에너지 전달을 정밀하게 제어하며, 나아가 이를 ‘프로그래밍’하는 단계까지 나아가는 것”이라고 강조했다.

Jiang에 따르면, 이러한 REB 제어 기술은 핵융합의 고속 점화 과정을 조절하는 새로운 전략으로 이어질 수 있다고 한다. 또한 그는 강한 자기장에 의해 전자가 편향될 때 방출되는 복사선을 활용해 탁상형 초고휘도 X선 또는 감마선 발생기를 개발하는 방안도 구상하고 있다.

영국 University of Oxford의 Peter Norreys는 이번 연구가 고속 점화 실험에 중대한 의미를 가질 것이라고 평했다. 그는 이 연구에 대해 “관성융합에너지 실험을 위해 다공성 구조 및 액체 충전 폼을 사용하려는 향후 연구에 강력한 동기를 부여한다”고 말한다.