스크랩 과학 동조 현상

[심규한]

동시성의 과학, 싱크 Sync

책소개

'함께 생활하는 여성들은 1년도 채 되지 않아서 서로의 월경주기가 같아졌다는 사실을 발견하게 된다.'
'말레이시아 강변의 망그로브 숲에서는 밤마다 수만 마리의 반딧불이가 동시에 불을 켰다 어둠 속에 잠기기를 반복한다.'
'우리가 생명을 유지하는 것은 심장에 있는 박동 조절 세포 수천 개가 동시에 질서를 갖고 발화하기 때문이다.'

이들을 꿰뚫는 주제는 복잡성 이론의 핵심 요소 중 하나인 '동조'.

'동조'란 영향을 주고 받되 이를 통해 서로의 무언가가 같아지는 것으로 '동기화'로도 번역되는 개념이다.

책은 여러 분야의 과학자들이 이같은 동조 현상을 어떻게 발견하고, 어떤 방식으로 연구해왔는가를 정리한 보고서라 할 만한다. 동조 현상을 가능케 한 매커니즘에 얽힌 이야기에서 시작해 지하 석유 탐사, 의료 기구 개발 등 응용에 이르기까지의 다양한 이야기들을 담았다.

지은이는 코넬대 응용수학과 교수로 재직중인 스티븐 스트로가츠. 진화생물학에서 천체물리학, 양자역학에서 카오스 이론, 의학에서 수학에 이르는 학문 분야를 종횡무진 넘나들며 일상에서 일어나는 동조현상을 설명하는 서술이 인상적이다. * 2003년 '디스커버 매거진' 선정 올해의 과학책

국민일보 : '싱크(sync)'라는 영어단어는 '동시성' '동시진행'이라는 의미의 '싱크로나이제이션(synchronization)'의 약어다. 우리가 기껏해야 '수중발레'의 영어표기인 '싱크로나이즈드 스위밍(synchronized swimming)'으로나 알고 있는 이 단어가 최근 과학계에서는 우주의 메커니즘을 밝히는 용어로 각광을 받고 있다.

미국 코넬대 응용수학과 교수인 스티븐 스트로가츠는 무질서 속에서도 수학적인 질서를 찾아낼 수 있다고 주장한다. 수도꼭지에서 똑똑 떨어지는 물방울이나 소용돌이치는 물줄기의 움직임 속에도 엄연한 질서가 있다는 것이다. 여기서 저자는 무질서 속에서 질서가 발현되는 이유를 '싱크', 즉 '동조현상'이라는 용어로 정의한다. 지휘자가 없이도 수중발레 선수들이 일치된 동작을 선보이듯이, 서로 다른 개체들이 영향을 주고받는 과정에서 서로 무언가 같아지는 것을 동조현상이라고 이름붙인 것이다.

동조현상의 대표적인 예는 반딧불이다. 반딧불이 수천마리가 동시에 깜빡이는 것은 반딧불이의 뇌속 진동자가 다른 반딧불이의 빛을 감지하고 자신도 주기적으로 반짝이도록 맞춰나가기 때문이라는 설명이다.

우리가 생명을 유지하는 것 역시 심장에 있는 박동조절 세포 수천개가 동조해서 발화하는 덕분이고,

음악회에서 박수를 칠 때 처음에는 무질서하게 소리가 나다가 서서히 일치되는 것도 서로가 동조되어 나타나는 현상이라고 풀어낸다.

체르노빌 원전사고의 원인도 동조현상에서 가지치기 한다.

우리 몸 속의 시신경 교차상핵의 뉴런 수천개가 서로 동조하며 자발적으로 주기를 만들어내 대부분의 인간의 몸은 하루 24시간을 주기로 움직이는 시계처럼 맞춰진다고 한다.

그런데 밤낮을 바꿔가며 순환근무를 하는 사람들은 동조에 혼란이 일어나기 때문에 수면 부조화로 괴로움을 겪게 된다는 것.

체르노빌 원전사고나 미국 스리마일 섬에서 일어난 원자력 발전소 사고가 모두 자정에서 오전 4시 사이에 일어났는데, 그 참사가 바로 자야만 하는 시간에 깨어있어야 하는 사람들의 교란된 동조가 빚어낸 산물이라는 해석이다.

동조가 꼭 생물체에서만 발생하는 것은 아니다.

초전도체 내에서는 수조개의 전자들이 일렬로 행진해 저항이 전혀 없이 전기가 흐를 수 있게 한다.

가지런하면서도 밀집된 빛이 가늘게 쏘아내는 레이저는 수조개의 원자들이 동조 상태에서 발하는 빛의 파장을 이용해 만들어졌다. CD 플레이어나 바코드 판독기, 라디오, 휴대전화, GPS 등도 모두 동조현상을 활용한 것이다.

이들 동조현상은 수학과 과학의 영역으로 보기에는 우연처럼 보이고,일종의 신비로운 현상으로 치부되기 쉽다. 하지만 과학이 주목하는 것은 지속적인 동조다.

반딧불이떼, 행성들, 박동 조절 세포들은 모두 진동자들로 이루어져 있다.

자연은 이들 진동자들이 서로 대화할 수 있도록 모든 채널을 열어주고, 진동자들의 대화의 결과로 동조가 나타나 모든 진동자가 마치 하나처럼 움직이게 된다는 것이다.

그 결과 우리의 몸안에서부터 우리를 둘러싸고 있는 사회와 자연, 우주까지 모두 하나의 오케스트라처럼 질서정연하게 움직이고 있다고 설명한다.

한걸음 더 나아가 저자는 유행이나 폭동 같은 인간의 집단행동도 동조현상의 환으로 파악한다.

이론이 아직 완전히 성립되지는 않았지만 평소 교통량이 많은 곳도 아니고, 사고가 났다든지 딱히 이유가 없는데도 교통체증이 생겼다면 옆차의 운전자와 당신은 서로 '동조현상'을 일으켜 차를 끌고 나왔을 가능성이 높다는 것이다.

- 권혜숙 기자(2005-05-13) 국민일보 Copyright www.kukminilbo.com

경향신문 :

말레이시아 강변의 망그로브 숲에서는 밤마다 수만마리의 반딧불이가 동시에 불을 켰다 어둠에 잠기기를 반복한다.

함께 생활하는 여성들은 1년도 채 되지 않아서 서로의 월경주기가 같아진다.

초전도체 내에서는 수조개의 전자들이 일렬로 행진해 전혀 저항 없이 전기가 흐를 수 있게 한다.

목성의 중력에 동조한 소행성의 운석은 지구와 충돌해 물을 공급함으로써 생명이 나타나도록 해주었다.

저자(코넬대 응용수학과 교수)는 이같은 현상을 동조(SYNC)라는 과학적 개념으로 설명한다.

복잡성이론의 핵심인 동조란 영향을 주고 받는 사이에 서로의 무언가가 같아지는 것을 가리킨다.

어느 정도 규칙적인 시간 간격으로 스스로를 되풀이하는 진동자 집단은 대화의 결과 하나처럼 움직이게 된다는 것이다. 거기에는 세포, 동물, 사람 등 생물진동자와 전자, 행성, 레이저 전자 등 무생물진동자가 포함된다.

동조의 발견은 부분의 해독이 전체의 질서를 설명할 수 없다는 비선형이론의 발전사에서 최근 올린 개가다.

1950년대 사이버네틱스(Cybernetics),

70년대 카타스트로피(Catastrophe),

80년대 카오스이론(Chaos),

90년대 복잡성이론(Complexity) 등 비선형이론은 10년마다 'C'로 시작하는 거대이론을 만들어왔다.

설명 방식은 다르지만 이들의 문제의식은 부분의 합이 전체라는 환원주의가 암, 의식, 생명의 기원, 생태계의 회복력, 에이즈, 지구온난화, 세포의 기능, 경제의 부침 등 많은 수수께끼를 풀지 못한다는 것이다.

인간 게놈지도만 하더라도 3만개의 개별유전자와 이것들이 코드화한 단백질을 밝혀냈지만 살아있는 세포 내에서 이 유전자들이 어떤 방식으로 결합하는지 거의 단서를 잡지 못하고 있다.

막대한 숫자의 요소가

매순간

상태를 계속 바꾸면서

서로를 향해 되돌아오는

고리를 이루고 있기 때문에

한부분만 떼어 조사해서는 연구가 이뤄지지 않는다.

복잡성이론은

단순한 규칙에 따라 상호작용하는 단위들이

예상치 못한 질서를 만들어낸다는 사실을 보여준다.

2002년 발표된 바바라시의 <링크>는 영화배우 케빈 베이컨이 6단계만 거치면 미국의 모든 배우와 연결된다는 속설을 이론적으로 증명했는데 링크의 이론적 기반이 바로 이 책의 저자 스트로가츠가 던컨 와츠와 함께 98년 발표한 '좁은 세상 네트워크'이다.

이후 등장한 동조는 실제를 지적할 뿐 이론화에 실패해 과학자들에게 외면당했던 복잡성이론을 엄격한 수학적, 물리학적 개념에 기초해 설명한다는 데 특징이 있다.

저자는 생물학 물리학 수학 천문학 공학 사회학 등 다양한 영역에서 드러나는 동조현상을 제시하고 여러 과학자들에 의해 그것이 발견되는 과정과 원리, 풀어야 할 과제, 응용분야를 제시한다.

동조라는 개념으로 수렴되는 비선형이론의 발전사이면서 구체적인 과학원리를 몰라도 일상생활의 경험으로부터 공감할 수 있는 재미있는 사례들이 수두룩하다.

예를 들어 인도의 보팔화학공장, 구소련의 체르노빌원전, 미국 스리마일섬의 원전 사고가 새벽 0~4시에 일어난 것은 인간의 생체시계 때문이다.

시신경 교차상핵의 뉴런 수천개가 서로 동조하면서 자발적으로 주기를 만들어낸 덕분에 24시간 패턴이 확립된 상태에서 야간근무란 이같은 동조를 교란시키는 일이다.

2000년 6월 영국의 밀레니엄 다리가 개통되자마자 이틀 만에 폐쇄된 것도 사람들의 동조가 빚은 비극이다.

S자형으로 디자인된 이 다리에

수백명의 사람이 동시에 진입하자

다리 표면이 수평 진동했고

다리가 흔들리자

보행자들은 무의식적으로 그 흔들림에 맞춰 걷는 속도를 조절하면서

진동을 증폭시킨 것이다.

음악회장이나 축구장에서 처음에 무질서하다가 점차 일치되는 박수소리,

만화영화 '포켓몬'을 시청하던 수백명의 어린이가 동시에 졸도한 사건,

유행, 폭동, 교통체증도 동조가 만들어낸 현상이다.

동조현상은 초보적인 수준에서나마 과학에 널리 응용됐다.

위성위치확인시스템, 레이저, 의사들이 간질환자의 뇌에서 병든 조직을 수술 없이 정확히 찾아내거나 기술자들이 비행기 날개에 생긴 작은 균열을 찾아낼 때, 지질학자들이 땅속 깊이 묻혀있는 석유를 찾아낼 때 사용하는 탐지기 등이다.

또는 동조가 깨질 때 나타나는 현상을 조사함으로써 많은 사람을 죽음으로 몰아간 심장세동(부정맥)의 원인을 찾아내기도 했다.

저자는 "수백년 동안 자연을 점점 더 작은 단위로 쪼개서 연구해오다가 이제 어떻게 하면 조각들을 다시 붙일까 고민하게 됐다"고 설명한다.

(펀주 - 미시적, 분석적 서양의 시각과 거시적 통합적 동양의 시각 차이임)

- 한윤정 기자(2005-05-14) 경향신문 Copyright www.khan.co.kr

무질서에서 질서로 나아가는 과정을 지배하는 동조라는 현상