- 미국의 과학 연구 축소는 단순한 예산 삭감이 아니라, 스타트업과 기술 혁신의 근본 동력 상실을 의미함
- 과학자-엔지니어-창업가-벤처캐피탈로 이어지는 혁신 사슬 전체를 위협
- 과학자는 이론가와 실험가로 나뉘며, 기초과학은 지식 자체를 추구하고 응용과학은 실용적 문제 해결에 집중
- 미국은 2차 대전 이후 대학에 연구개발 자금을 투입하는 독특한 방식으로 과학 패권을 확립
- 엔지니어는 과학자의 발견을 기반으로 제품을 설계하고, 창업가는 불확실성 속에서 시장 적합성을 찾으며, 벤처캐피탈은 고위험 투자를 통해 이들을 지원하는 상호보완적 역할 분담 구조
- 공학과 기업가 정신은 과학의 성과 위에서만 작동하며, 하나라도 빠지면 시스템 전체가 약화됨
- 과학 투자가 줄면 결국 기술 패권은 중국과 유럽으로 이동하며, 이는 국가 경쟁력 약화를 뜻함
- SpaceX의 재사용 로켓 착륙은 스탠퍼드의 Convex Optimization 응용과학 연구에 기반하고, Nvidia GPU는 반도체 기초과학 위에 구축되는 등, 모든 첨단 기술은 기초과학에서 시작
- 과학 투자 축소는 단기적으로 AI 데이터센터 같은 엔지니어링 투자로 보완할 수 없으며, 장기적으로 중국이나 유럽에 기술 주도권을 넘기고 국가 경쟁력을 약화시키는 결과로 이어질 것 (영국이 2차 대전 후 과학 투자를 삭감해 미국에 주도권을 빼앗긴 역사가 반복될 위험)
과학의 작동 방식
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과학자의 정의와 역할
- 과학자는 세상이 어떻게 작동하는지 ‘왜’와 ‘어떻게’를 묻는 사람이며, 교육받은 추측(가설)을 세워 실험으로 검증하는 호기심 주도형 연구자
- 대부분의 가설은 틀리고 실험은 실패하지만, 성공할 때마다 인류는 새로운 의약품, 질병 치료법, 소비재, 식품 등을 얻으며 전진
- 미국 정부는 1940년부터 수십억 달러 규모로 과학 연구를 지원해왔으며, 과학자들은 생물학, 의학, 물리학, 농업, 컴퓨터과학, 재료공학, 수학 등 전문 분야로 나뉨
- 과학자는 두 부류로 나뉨
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이론가(Theorists)
- 우주가 작동하는 방식에 대한 수학적 모델, 추상적 프레임워크, 가설을 개발하며 직접 실험은 하지 않음
- 새로운 아이디어 제안, 기존 실험 결과 설명, 아직 관측되지 않은 현상 예측 등을 통해 현실의 가능성을 정의
- 물리학(양자장 이론, 끈 이론), 생물학(신경과학, 시스템생물학), 화학(분자동역학), 컴퓨터과학(알고리듬 설계), 경제학(시장 모델), 수학(베이지안 네트워크, 딥러닝) 등 다양한 분야에 존재
- 대표적 사례: 아인슈타인의 E=MC² 방정식 (1905년 이론으로 제시, 1930-40년대 다른 이론가들이 원자폭탄 개발의 이론적 기반 제공, 히로시마와 나가사키에서 실증)
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실험가(Experimentalists)
- 실험실에서 실험을 설계하고 수행하며, 흰 가운을 입고 현미경, 시험관, 입자가속기, 우주선 앞에 있는 과학자 이미지의 주인공
- NASA의 James Webb 망원경이나 LIGO 중력파 관측소 같은 대형 실험 프로젝트를 수행 (엔지니어들이 실험 장비 제작을 담당)
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이론가(Theorists)
- 기초과학(Basic Science): 즉각적인 실용성 없이 자연의 근본 원리를 이해하기 위한 지식 추구
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응용과학(Applied Science): 기초과학의 발견과 이론을 활용해 제품과 공정을 설계, 혁신, 개선하는 실용적 문제 해결
- 로스 알라모스 과학자들이 U-235의 임계질량 연구 (응용과학 사례)
- 양자역학(기초과학) → 반도체 → 컴퓨터(응용과학), 세균 이론(기초과학) → 항생제와 백신(응용과학)
- 20세기에는 응용과학자가 직접 최종 제품 회사를 창업하지 않았으나, 21세기 생명과학 분야에서는 실험실에서 직접 스핀오프 회사를 설립하는 추세
미국의 과학 생태계 구조
- 제2차 세계대전 이후 미국은 정부 연구소뿐 아니라 대학에도 대규모 R&D 자금을 배정함
- 이는 다른 어떤 나라에도 없던 구조로, 과학과 산업의 연결을 가능하게 함
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대학 연구 시스템
- 미국엔 542개 연구 중심 대학이 있으며, R1~R3 단계로 분류됨
- 교수는 교육뿐 아니라 연구 성과(논문, 특허, 실험 등)를 내야 하며, 연방 기관(NSF, NIH, DoD 등)에서 연구비를 확보함
- 대학의 연구실은 작은 스타트업처럼 운영, 대학원생·포스트닥이 연구의 핵심 인력으로 참여함
- 이 과정을 통해 Google, CRISPR 같은 혁신이 탄생함
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기업 연구센터의 변화
- 20세기에 미국 기업들은 초과 이익을 기업 연구소에 투자 (DuPont, Bell Labs, IBM, AT&T, Xerox, Kodak, GE 등에서 기초연구 수행)
- 1982년 증권거래위원회가 기업의 자사주 매입을 합법화하면서 기초과학 연구가 거의 사라지고 응용연구로 전환 (주주 가치 극대화 목적)
- 현재 이론 및 기초연구는 주로 연구중심 대학에서 수행
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연구중심 대학(Research Universities)
- 외부에서 보면 학생들이 수업을 듣고 학위를 받는 곳이지만, 내부적으로는 교수진이 새로운 지식 생산을 기대받는 곳
- 교수들은 연방 기관(NSF, NIH, DoD), 재단, 산업계로부터 연구비를 받고, 대학은 이를 지원하는 실험실, 센터, 도서관, 컴퓨팅 시설을 구축
- 미국에는 Carnegie 분류 기준으로 542개의 연구중심 대학이 존재
- R1 (187개): 최고 수준 연구 활동, 다수의 박사학위 수여 (Stanford, UC Berkeley, Harvard, MIT, Michigan, Texas A&M 등)
- R2 (139개): 높은 수준이지만 규모가 작은 연구 활동 (Baylor, Wake Forest, UC Santa Cruz 등)
- R3 (216개): 제한적 연구, 교육 중심의 박사 프로그램 (소규모 주립대학)
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대학이 과학에 중요한 이유
- 미국 대학은 기초과학 연구의 약 50%를 수행하며 대학원생과 박사후연구원의 훈련 장소 역할
- 연간 약 1,090억 달러를 연구에 지출, 이중 약 600억 달러는 NIH(생의학), NSF(기초과학), 국방부, 에너지부, DARPA, NASA 등 연방 자금
- 교수들은 미니 스타트업처럼 연구실을 운영: 연구 질문 제기, 대학원생·박사후연구원·직원 고용, 연구비 제안서 작성에 시간의 30-50% 투입
- 연구 결과는 자금 제공 기관과 공유, 학술지 게재, 학회 발표, 특허 출원 또는 기술이전 사무소를 통한 스타트업 스핀오프로 이어짐 (Google 검색, CRISPR 등이 대학 실험실에서 시작)
- 2025년까지 미국 기초연구의 약 40-50%는 외국 출신 연구자(대학원생, 박사후연구원, 교수)가 수행했으며, 이민과 학생 비자가 미국 연구 역량의 핵심
- 미국 대학은 세계 최고의 연구 시설(실험실, 클린룸, 망원경)과 핵심 과학 서비스(DNA 시퀀싱 센터, 전자현미경, 클라우드 접근, 데이터 분석 허브)를 제공했으나, 2025년 대규모 예산 삭감으로 위기
엔지니어는 과학자의 작업 위에 구축
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엔지니어의 역할
- 과학자의 발견을 기반으로 물건을 설계하고 제작
- 과학자들이 원자를 분열시킨 지 7년 후, 수만 명의 엔지니어가 원자폭탄을 건설 (기초 및 응용과학 연구 덕분에 엔지니어들은 처음부터 무엇을 만들어야 할지 알고 있었음)
- 설계도 작성, 소프트웨어로 설계 테스트, 금속판 절단, 로켓 엔진 제작, 건물과 교량 건설, 칩 설계, 실험가용 장비 제작, 자동차 설계 등 수행
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과학자와 엔지니어의 차이
- 엔지니어의 목표: 주어진 사양으로 알려진 문제에 대한 해결책 설계 및 제공
- 창업가의 접근: 고객, 제품 기능, 가격 등에 대한 일련의 미지수에서 시작, 최소 기능 제품(MVP)을 반복적으로 구축하며 제품-시장 적합성과 고객 채택을 찾아가고 초기 가정이 틀렸을 때 솔루션을 피봇 (각 비즈니스 미지수를 가설로 다루는 것이 창업가 버전의 과학적 방법)
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실제 사례들
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Nvidia GPU: TSMC 칩 공장에서 제조, Applied Materials 같은 회사의 응용과학 기반, 이는 다시 반도체 연구자들의 기초과학에 기반
- OpenAI, Microsoft, Google 등의 대규모 데이터센터는 Nvidia 칩을 사용하며 기계공학자들이 건설
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SpaceX 재사용 로켓 착륙: 스탠퍼드의 Steven Boyd가 개발한 Convex Optimization 프레임워크와 알고리듬 응용과학 연구 덕분에 가능
- Boyd의 작업은 convex analysis 기초과학 수학 분야에 기반함
- SpaceX, NASA, JPL, Blue Origin, Rocket Lab 모두 유도, 제어, 착륙에 Convex Optimization 변형해서 사용
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Nvidia GPU: TSMC 칩 공장에서 제조, Applied Materials 같은 회사의 응용과학 기반, 이는 다시 반도체 연구자들의 기초과학에 기반
벤처캐피탈과 창업가
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창업가의 특성
- 새로운 제품을 시장에 출시하기 위해 회사를 설립하고, 엔지니어를 고용해 제품을 구축, 테스트, 개선
- 많은 위대한 창업가들이 엔지니어 출신 (Elon Musk, Bill Gates, Larry Page/Sergey Brin)
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벤처캐피탈(VC)의 역할
- 창업가에게 자금을 제공하는 투자자로, 엔지니어가 응용과학자의 증명을 바탕으로 기초연구자의 발견 위에 구축한 것들에 투자
- 은행과 달리 훨씬 더 위험한 투자 포트폴리오에 투자, 대출 이자가 아닌 지분(equity)을 통해 수익 창출
- 대부분의 VC는 과학자가 아니며, 엔지니어도 거의 없고, 일부는 창업가 경험 보유
- VC는 과학/연구자에게 투자하지 않음: 투자 위험을 최소화하려 하므로 엔지니어링과 제조 위험은 감수하지만 응용과학 위험은 덜 감수하고 기초연구 위험은 거의 감수하지 않음 (정부와 대학의 역할이 중요한 이유)
- VC는 펀드의 시간 지평(3-7년) 내에 제품을 출시할 수 있는 프로젝트에 투자하지만, 과학은 킬러 앱이 나타나기까지 수십 년 필요
- 과학 기반 기술의 흐름이 마르면 딥테크 기반 미국 벤처캐피탈 기회가 감소하고, 미래는 과학에 투자하는 중국이나 유럽으로 이동하게 됨
왜 과학자가 필요한가
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과학 투자의 불가피성
- "왜 굳이 과학자가 필요한가? 왜 사람들이 앉아서 생각하는 데 돈을 지불하는가? 대부분의 실험이 실패하는데 왜 실험하는 사람들에게 돈을 쓰는가? AI로 대체할 수 없나?"라는 질문에 대한 답
- 대학-산업-정부 과학 파트너십의 산출물이 Silicon Valley, 항공우주 산업, 생명공학 산업, 양자 및 AI의 기초가 됨
- 이러한 투자로 로켓, 암 치료제, 의료기기, 인터넷, ChatGPT, AI 등을 얻음
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과학과 국가 경쟁력의 관계
- 과학 투자는 국가 안보와 경제력의 핵심 축 으로 국가 권력과 직접 상관관계
- 과학을 약화시키면 경제와 국방의 장기 성장을 약화시킴
- 기술 기업들의 수천억 달러 AI 데이터센터 투자는 연방정부 R&D 지출보다 크지만, 이는 과학이 아닌 엔지니어링 투자
- 인공일반지능으로 과학자를 불필요하게 만들겠다는 목표는 AI가 과학자를 더 생산적으로 만들지 대체하지는 않는다는 점을 간과
- 과학 투자는 국가 안보와 경제력의 핵심 축 으로 국가 권력과 직접 상관관계
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역사적 교훈
- 과학을 소홀히 하는 국가는 그렇지 않은 국가에 의존하게 됨
- 미국의 2차 대전 후 지배력은 기초과학 투자(OSRD, NSF, NIH, DOE 연구소)에서 비롯
- 2차 대전 후 영국이 과학 투자를 삭감하면서 미국이 전쟁 중 영국의 발명품을 상업화할 수 있었음
- 소련의 붕괴는 부분적으로 과학을 지속적인 혁신으로 전환하는 데 실패한 반면, 같은 시기 미국 대학, 스타트업, 벤처캐피탈이 Silicon Valley를 창조
- 장기적 군사 및 경제적 우위(핵무기, GPS, AI)는 과학 연구 생태계로 거슬러 올라감
교훈
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과학자의 분류
- 이론가와 실험가 두 범주 존재
- 실험가는 다시 기초과학(새로운 것 학습)과 응용과학(과학의 실용적 응용)으로 나뉨
- 과학자는 인재를 훈련시키고, 특허 가능한 발명을 창출하며, 국방을 위한 솔루션 제공
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역할의 상호보완성
- 엔지니어는 과학자의 발견 위에 물건을 설계하고 제작
- 창업가는 어떤 제품을 만들 수 있는지 경계를 테스트하고 확장
- 벤처캐피탈은 스타트업에 자금 제공
- 과학자, 엔지니어, 창업가 – 이 역할들은 상호보완적이며 하나를 제거하면 시스템이 퇴화
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과학의 미래
- 과학은 멈추지 않음
- 미국 자금을 삭감하면 과학은 국가를 위대하게 만드는 것과 과학의 관계를 이해하는 다른 나라(중국 같은)에서 발생
- 국가 권력은 과학 투자에서 파생
- 기초 및 응용과학 투자 감소는 미국을 약하게 만듦
부록: 과학적 방법(Scientific Method)
- 과학의 핵심은 가설 설정–실험–검증–재현의 순환 구조
- 이런 원리가 지난 500년간 인류의 기술과 사회 발전을 이끌어왔으며, 혁신 스타트업 생태계의 근본 원리이기도 함
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과학적 방법의 원리
- 지난 500년간 이론가든 실험가든 과학을 테스트하는 방법은 과학적 방법 사용
- "이것이 이렇게 작동할 것이라고 생각하는데, 이 아이디어를 테스트해보자"라는 질문에서 시작
- 목표는 추측(과학에서는 가설이라고 함)을 실제 증거로 전환하는 것
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과학적 방법의 단계
- 가설/추측을 테스트하기 위한 실험 설계
- 실험 실행 및 결과 수집 분석
- "결과가 가설을 검증했는가, 무효화했는가? 아니면 완전히 새로운 아이디어를 제공했는가?" 질문
- 과학자들은 알고 있는 것 때문이 아니라 모르는 것 때문에 장비를 구축하고 실험을 수행
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실험의 규모와 비용
- 대학 생물학 실험실에서 수천 달러로 실행할 수 있는 간단한 실험도 있고, 위성, 입자가속기, 망원경 건설에 수십억 달러가 필요한 실험도 있음
- 2차 대전 후 미국 정부가 과학자 지원이 미국 경제와 국방에 좋다는 것을 깨달으면서 미국이 과학에서 주도권 확보
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재현성과 자기수정성
- 좋은 과학은 재현 가능: 과학자들은 결과뿐만 아니라 실험 수행 방법의 세부 사항도 공개
- 다른 과학자들이 동일한 실험을 수행해 스스로 같은 결과를 얻을 수 있는지 확인 가능 → 과학적 방법을 자기수정적으로 만듦
- 과학자들(그리고 그들에게 자금을 제공하는 사람들)은 대부분의 실험이 실패할 것으로 예상하지만, 실패는 학습과 발견의 일부
- 미지수를 테스트하는 과학에서 실패는 학습과 발견을 의미