6-1 혼돈과 복잡성의 세계
(1) 혼돈과 복잡성의 세계
수도꼭지를 처음 열 때 나오는 둥근 모양의 층류는 규칙적이며 예측 가능한 행동을 나타내지만 수도꼭지를 좀더 열 때 물줄기가 가닥을 이루며 발생하는 난류는 불규칙적이며 예측하기 어려운 행동을 보여준다.
층류는 작은 입력으로 균등하게 작은 효과를 거둘 수 있는 선형적 행동을 보여준 반면에 난류는 작은 입력으로 막대한 효과를 유발시킬 수 있는 비선형적 행동을 나타낸 것이다.
비선형적 특성을 보여주는 대표적인 예는 혼돈이다. 카오스는 날씨의 나비효과처럼 '초기 조건에 민감한 의존성을 가진 시간 전개'라고 정의된다. 혼돈은 대기의 무질서, 하천의 급류, 사람의 심장에서 나타나는 불규칙적인 리듬, 주식가격의 난데없는 폭락과 같이 우리 주변에서 불시에 나타난다. 혼돈은 오랫동안 우리 곁에 존재했다. 그러나 지난 3세기 동안 서양 과학의 사고방식을 지배한 고전물리학의 결정론에서는 혼돈과 같은 우연을 공들여 설명할 필요가 없었기 때문에 혼돈이 학문적으로 연구된 것은 1960년대부터이다.
요켄대 혼돈은 이해받게 될 날이 오기를 기다리면서 고전물리학의 결정론적인 자연법칙에 숨어 있었을 따름이다. 1963년 미국 기상학자 에드워드 로렌츠(1917-)가 나비효과를 처음 발견했을 때 컴퓨터 화면에는 일정한 모양새를 가진 그림이 나타났다. 혼돈(불규칙성) 속에 모양(규칙성)이 숨어 있었던 것이다. 이른바 '규칙적인 불규칙성(regurlar irregular)'의 발견으로 혼돈과학이 출현했다.
비선형적 행동을 나타내는 자연 및 사회현상의 광대한 영역에 비추어 볼 때 혼돈의 발견은 빙산의 일각에 불과할지 모른다. 비선형계에는 혼돈 대신에 질서를 형성하는 복잡성(complexity)의 세계가 존재하기 때문이다. 복잡성은 단순한 질서와 완전한 혼돈 사이에 있는 상태를 말한다. 인간의 뇌나 생태계 같은 자연 현상과 주식시장이나 세계경제 같은 사회현상은 결코 완전한 고정된 침체상태나 완전히 무질서한 혼돈상태에 빠지지 않고 혼돈과 질서가 균형을 이루는 경계면에서 항상 새로운 질서를 형성하고 유지한다. 물이 차갑고 질서 집힌 결정체로 바뀌는 현상은 상전이( phase transition) 현상의 대표적인 예이다. 물리학자들은 이 현상을 이해하기 위해 1960년대 이전에도 수십년 동안 노력해왔다. 상전이 현상은 많은 물질들에서 공통적으로 나타나는 현상인데, 그것이 취하는 형태는 물이 어는 것과는 매우 다르다. 예를 들면 강한 자성계 안에 있는 각각의 원자는 자기모멘트(magnetic moment) 내지 스핀(spin)이라는 것을 갖고 있는데, 이는 흔히 원자를 찌르는 작은 화살로 표현된다. 온도가 높을 때 원자들은 자신의 스핀을 무작위적으로 아무 방향으로나 향하도록 한다. 하지만 어떤 임계온도까지 내려가면, 모든 원자들은 그들의 스핀을 완벽하게 같은 방향으로 행하게 함으로써 자석이 된다.
액체가 어는 것이나 자석이 생기는 것은 모두 무질서에서 질서로의 전이이다.