혼돈의 물리학 : 무질서와 불확실성, 우연으로 가득 찬 우주를 읽는 법

유상균

연구실뿐아니라생명을일구는들녘에서,그리고달리는고속버스안에서시간을많이보내는물리학자다.20세기까지는몇몇동료들과함께이론물리학의기초적인문제들을탐구하는것을최대가치로여기며대부분의시간을연구실과강의실에서보냈다.그러나대전환기인21세기에자본주의의중심부인미국에서세상의갖가지문제들을목격하면서자본주의를극복하고자연과인간이서로공생하는건강한세계를만드는데미력이나마바치기로결심했다.지금은자연에더다가갈수있는농촌에살면서물리학을디딤돌삼아삶과학문이조화를이루며자유로운개인들이공감하고협력하는대안대학공간을만드는일에전념하고있다.어렵고딱딱한물리학이사실은매우재미있는학문일뿐아니라우리의삶과밀접한관계가있으며,대안사회를만드는데매우중요한학문임을대안대학학생들과시민들에게소개하고,스스로도차가운머리뿐아니라뜨거운가슴으로세계를이해하고또변화시키는데작은힘을보태고있다.
고려대학교물리학과를졸업하고동대학원에서통계물리학으로박사학위를받은후서남대학교교수가되었지만,사직한후미국일리노이대학교(어바나-샴페인)앤소니레겟AnthonyLeggett(2003년노벨물리학상수상)그룹에서3년간방문연구원으로활동했다.귀국한후에는우리나라최초의대안대학인함양의녹색대학교에합류했다.학생들을가르치면서농사를짓고,물리학뿐아니라동양고전,철학,생태에대해공부하고있으며,전북대학교에서강의를한다.그리고2015년서울에서개교한지식순환협동조합(지순협)대안대학에참여하고있다.
녹색대학교에서는기초교양과정을담당하면서‘물질과생명’,‘천지인’,‘대안문명의탐색’등을강의했고,지순협대안대학에서는‘물질과우주’,‘엔트로피와생명’,‘지구적위기와적녹보라패러다임’등의강의를진행하고있으며,‘생명,혼돈의가장자리에서’등일반인들을대상으로여러차례대중강의를진행했다.

추천사
머리말

1장유리수와무리수
유리수,피타고라스가생각한우주의본질
있으면안되는수,무리수발견
무리수가많을까,유리수가많을까
실수안무리수의역할
완전을꿈꾸지만불완전한수학체계

2장양자역학-새로운물결
빛은파동이다
파동이면서입자인빛과물질의이중성
전자로한이중슬릿실험
기괴한코펜하겐해석
전자가원자안어딘가에있을확률
인간지식의한계를보여주는불확정성원리
미시세계가일상세계와다른이유
아인슈타인의반격
EPR문제를검증할벨의정리와실험적입증
양자역학에관한또다른해석들
예술과양자역학
이장을맺으며

3장카오스와코스모스
주기배가,카오스에이르는과정
나비효과,작은차이가불러온엄청난결말
파이겐바움상수,카오스의또다른공통점
카오스와프랙털
정수가아닌소수의차원,프랙털차원
어디에나있는프랙털구조
이상한끌개
카오스의기원과확장

4장데모크리토스와에피쿠로스
데모크리토스의원자론
에피쿠로스와루크레티우스의원자론
맑스와에피쿠로스가만나는지점
데모크리토스와뉴턴물리학의결정론적세계관
시스템의변화를예측하는통계역학
무질서속질서와복잡계과학
거듭제곱법칙,복잡계의보편성

5장생명
물리학자슈뢰딩거의고민
생명은우아한비주기적결정
음의엔트로피
슈뢰딩거의한계
생명에서DNA가하는일
DNA복제와단백질합성
실수에대비한안전장치
상호연결이만들어내는뇌와의식의창발
생명과거듭제곱법칙
생명의또다른정의,온생명
가이아와온생명
복잡계과학과동양의생명철학이만나는지점
동양과서양의생명관이어우러져야할이유

6장진화
생명의탄생
진화론의긴역사
라마르크와할아버지다윈
다윈의진화론
역사에는목적지가없다
진화론이확인되다
다양성의원천은우연이다
진화론의새로운종합,이보디보
진화의핵심은협력이다

맺음말

세계는질서있게움직이는기계가아니다-자연은확률이지배한다!

20세기초까지만해도과학자와수학자들이바라본세계의참모습은질서와조화였다.사물과천체의운동법칙을통해최초로자연현상에관한보편적수학적원리를만든아이작뉴턴이후에는알베르트아인슈타인이등장하여새로운자연법칙을드러냈다.이들의방정식은개별존재들의운동을하나의법칙으로일반화했다.한동안이법칙들은세계를밝혀주는빛이되었다.우리의일상영역을넘어자연의질서를드러내주었고,우리는이들을통해일식을예측하고블랙홀을상상했다.

그러나20세기들어출현한복잡계과학은사람들이당연하다고여겼던과학의전제들뿐아니라물질이존재하는방식과인간이물질을인식하는과정에대해전혀다른이야기를내놓았다.세계는질서정연하고예측가능하며이미결정되어있다는뉴턴물리학의관점을송두리째뒤엎는주장이었다.우리세계를구성하는기본물질들은결정론이아니라확률의법칙에따라행동한다.즉우리세계는우연을바탕으로한질서체계였다.모든수학영역을모순이없고완전한하나의체계로통합할수는없으며,운동을예측하는핵심물리량인위치와운동량을동시에정확히측정하는것도불가능하다는불확정성원리는인간이자연을인식하고측정하는데피할수없는한계가있다는걸잘보여준다.

우리인간을둘러싼또다른주요복잡계는사회다.우리는지구생태계와사회의중요한구성원이다.생태계와마찬가지로매우복잡한비선형적상호작용을통해사회에서도역동적현상이나타나고사라진다.이이야기들을통해지은이는변하지않는완전한세계는교과서에나있으며,이상적인세계가아니라혼돈과질서가어우러지며변화하고명멸을거듭하는세계에서우리에게주어진시간동안모두가잘살수있는현실을만들려는노력이절실하다는메시지를전한다.

과학과철학으로세계와인간을통찰한다
-혼돈과우연,불확실성을꿰뚫는여섯개의장

이책은여섯개의장을통해뉴턴물리학에바탕한단순질서시스템과근본적으로다르고혼돈과우연,불확실성이지배하는세계를소개한다.1장에서는먼저피타고라스를이야기하며,과학이전에그언어라할수있는수학의영역에이미질서와혼돈이숨어있음을설명한다.2장에서는현대물리학의꽃으로우주의기초적세계를성공적으로드러낸양자역학이말하는우연을살펴본다.양자역학의미시세계는거시세계를설명하는뉴턴물리학과는전혀맞지않는,말그대로딴세상의존재들로이루어진다.미시세계는위치나움직임을언제든정확히파악할수있는것이아니라확률적으로만알수있다.따라서거시세계의합법칙적질서를이용해미래를정확히예측할수없다.

3장에서는카오스현상의특징과그질서를알아본다.카오스를보이는시스템은뉴턴의물리학체계와달리비선형적방정식으로설명되는데,표현은어렵지만기후현상등실제로는우리주위에서아주흔하게볼수있다.나비효과로유명한카오스현상은1970년대등장하여새로운수학분야로자리잡은프랙털기하학과이어진다.이책에서는로지스틱스맵이라는간단한수학모형을중심으로주기배가,나비효과,프랙털기하학의연관성을설명하면서혼돈과질서의어우러짐을살펴본다.

4장부터마지막장까지는새로운과학혁명으로떠오르고있는복잡계에대해이야기한다.먼저고대그리스에서활동한두원자론자인데모크리토스와에피쿠로스의차이를언급한다.특히우주의본질에대한질문에답하려했던에피쿠로스원자론은,구성요소들이무질서하게상호작용하지만다른한편으로는집단적질서를조직하는오늘날의복잡계와맥을같이한다.도대체‘생명’이란무엇일까.5장에서는우주에서가장신비로운존재인생명체에서어떻게질서와우연이결합하여‘살아있음’이나타났는지를살펴본다.생명은전형적인복잡계다.그것도우주에서가장복잡하고가장조화로우며다양한요소로이루어진복잡계다.한편으로지은이는생명에대한정의의여러한계를살펴보고,궁극적으로‘온생명’처럼복잡계관점에토대한정의만이정확한생명의정의에다가갈수있다고이야기한다.

누구나알다시피찰스다윈은진화론을제시하여인류과학사에한획을그었다.6장에서는찰스다윈의진화론도많은부분이에피쿠로스적우연의산물임을이야기한다.경이롭고다양한종들이계속해서진화하는생태계는단순한질서의세계가아닐뿐아니라우연이개입하면서더복잡한생물들이나타나고사라지는역동적인공간이다.다른한편으로지은이는20세기생물학을종합하고,20세기후반의발생학과진화론의결합을살펴보면서어떻게질서와우연이만나더큰복잡성과다양성을진화시킬수있는지를탐구한다.
맺음말에서는기후위기등인류가직면한문제들의해법과새로운세계관을제시한다.

물리학자의세상을보는눈

《혼돈의물리학》의진정한가치는생명과진화에대한통찰에있다.생명전체를하나로연결된거대한시스템으로인식함으로써세계는상대를이겨야내가살아남는투쟁의장이아니라모두가공생하는곳임을이야기한다.그리고진정건강한우리의삶은결국동서양의생명관이어우러져야가능하다는메시지를전한다.이성찰은혼돈의세상에서도맑게살기위해고민하는독자에게지은이가주는가장큰선물이다.《혼돈의물리학》은물리학자가썼지만‘무질서와혼돈,불확실성,우연’이‘질서와규칙,필연’과어우러져형성하는세계를다각도로보여준다.이런저런이야기들이뒤섞여무질서한것처럼보일수도있겠지만,독자들은오히려그로부터우리세상의모습을‘창발’할수있을것이다.