로렌츠가 들려주는 카오스 이야기(과학자가 들려주는 과학 이야기 106)

로렌츠, 날씨 변화와 같은 복잡한 현상을

이해할 수 있는 카오스 과학을 제시하다!



카오스 과학의 핵심을 찾아 떠나다



인간은 자연의 일부이다. 따라서 자연을 이해하는 것은 인간을 이해하는 첫걸음이라 할 수 있지만, 그 일이 생각처럼 쉽지 않다. 우리 주위에서 일어나는 자연 현상의 대부분이 양자 물리학의 방정식으로도 도저히 풀 수 없이 복잡하기 때문이다. 그래서 과학자들은 돌파구를 찾아 나섰고, 그들이 찾은 해답이 카오스 과학이다. 물론 카오스 과학이 모든 문제를 해결해 주지는 않는다. 하지만 적어도 우리 주위에서 일어나는 복잡한 현상을 이해하는 돌파구를 제공하고 있는 것이다.

카오스란 용어는 그리스어 'chaos'에서 비롯하였는데, 그리스 신화에 등장하는 말이다. 신화에서 카오스는 아무것도 없는 어두운 공간으로 모든 신들이 생겨난 곳을 뜻하여, 바로 우주의 근원이 되는 텅 빈 공간을 가리킨다. 이것이 시간이 지남에 따라 혼돈스러운 상태를 나타내는 말로 바뀌었다.

그렇다면 카오스 과학이란 무엇일까? 카오스 과학을 이해하기 위해서는 몇 가지 생소한 용어를 알아야 한다. 나비 효과, 비선형 동역학, 프랙털 기하학이 그것이다. 이 세 용어를 연결하면, 카오스 과학이란 나비 효과와 비주기성이 나타나는 비선형 동역학의 문제를 프랙털 기하학을 이용하여 분석하는 것이다.

카오스 과학은 불규칙하고 혼돈스러워서 과학적으로 분석할 수 없을 것 같은 많은 문제를 이해하는 데 큰 기여를 했다. 대표적으로 매우 복잡한 소용돌이를 치면서 흘러가는 난류가 어떻게 만들어지는지를 이해할 수 있게 되었다. 또한 목성 표면에 불고 있는 커다란 소용돌이 바람이 만들어지는 과정도 파악하게 되었다. 하지만 은하와 같은 거대한 천체 구조나 주식 가격의 변동을 카오스 과학으로 알아보려는 시도는 성공하지 못했다.

카오스 과학은 이제 갓 태어난 분야라고 할 수 있다. 1980년 이후 학자들이나 사람들의 관심을 갖기 시작한 카오스 과학이 더욱 발달하면 현재는 잘 이해하지 못하고 있는 많은 현상들에 대해 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있다.



― 청소년들에게는 생소하고 어렵게 느껴질 수 있는 최신 과학 이론인 카오스 과학에 대해 청소년의 눈높이로 쉽게 이해할 수 있게 설명하였다.

― 개정된 교육과정을 반영하여 각 수업마다 연관되는 교과연계표를 삽입하였다. 즉, 교과 공부에도 도움을 주도록 하였다.

― 각 수업마다 '만화로 본문 읽기' 코너를 두어 각 수업에서 배운 내용을 한 번 더 쉽게 정리할 수 있게 하였다.

― 꼭 알아야 할 중요한 용어는 '과학자의 비밀노트' 코너에서 보충 설명하여 독자들의 이해를 도왔다.

― '과학자 소개 ㆍ 과학 연대표 ㆍ 체크, 핵심 내용 ㆍ 이슈, 현대 과학 ㆍ 찾아보기'로 구성된 부록을 제공하여 독자에게 본문 주제와 관련한 다양한 정보를 제공하였다.



[추천평]

카오스 과학을 초등학생이나 중학생들이 이해할 수 있도록 일목요연하게 설명하는 것이 과연 가능할까? 이 책을 읽기 전에는 나는 그것이 가능하지 않을 것이라고 생각했었다. 그러나 이 책은 나의 이런 생각을 바꿔 놓았다. 단지 몇 시간의 독서로 카오스 과학의 핵심을 이해할 수 있다는 것은 분명 놀라운 경험이 될 것이다.

수원대학교 물리학과 교수, 윤종걸



카오스 과학은 많은 사람들이 흥미를 가지는 주제이다. 그래서 카오스 과학을 다룬 책이 시중에 많이 나와 있다. 하지만 그 책들이 카오스 과학을 이해하는 데 실제로 도움이 되고 있는지는 확신할 수 없다. 오히려 카오스 과학을 이해시키기보다는 카오스 과학을 어려워하도록 만들고 있는 것이 아닌가 하는 염려가 들 때가 많다. 하지만 이 책은 그런 염려를 불식시키는 책이다. 한 달음에 읽히는 작은 책 한 권으로 카오스 과학을 이만큼 이해할 수 있다는 것이 놀라울 뿐이다.

국민대학교 물리학과 교수, 조영석

첫 번째 수업 - 카오스 과학의 정의

두 번째 수업 - 비선형 동역학

세 번째 수업 - 나비 효과

네 번째 수업 - 주기적 운동과 비주기적 운동

다섯 번째 수업 - 기이한 끌개

여섯 번째 수업 - 프랙털 기하학

일곱 번째 수업 - 다양한 프랙털 구조

마지막 수업 - 스키 슬로프를 카오스 과학으로 분석하다

곽영직 저자 곽영직은 서울대학교 자연과학대학 물리학과를 졸업하고, 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 1985년부터 현재까지 수원대학교 물리학과 교수로 근무하고 있다. 지은 책으로는《클라우지우스가 들려주는 엔트로피 이야기》《보어가 들려주는 원자 모형 이야기》《코페르니쿠스가 들려주는 지동설 이야기》《알기 쉬운 과학 이야기》《큰 인간 작은 우주》《원자보다 작은 세계 이야기》《물리학이 즐겁다》《자연 과학의 역사》《수학의 직관적 이해》《CD ROM과 함께 가는 별자리 여행》《태양계 행성》《별자리 따라 봄, 여름, 가을, 겨울》《왜 땅으로 떨어질까?》《데굴데굴 공을 밀어 봐》등 다수의 과학책이 있다.