흐름: 불규칙한 조화가 이루는 변화(필립 볼 형태학 2)(양장본 HardCover)

당신의 세계관을 뒤흔들 형태학 이야기

강물에서 도로 위 자동차들까지 흐름들이 만드는 우주들



모든 것이 변하는 흐름 속에는 어떤 형태가 존재할까?

불규칙한 흐름 속에서 붙잡은 변화의 자연 법칙들



이 책을 읽은 뒤에 여러분이 보는 세상은 그 이전의 세상과는 전혀 다를 것이다. 복잡한 세상에 대한 과학의 설명력은 물론, 과학이 열어 주는 아름다움을 느끼고 싶은 독자들에게 이 책을 추천한다. ―홍성욱(서울 대학교 생명 과학부 교수)



필립 볼의 형태학 3부작은 비단 과학도들뿐 아니라, 언어와 문화, 현상의 패턴에 관심 있는 인문 사회학도들에게도 반드시 추천하고 싶은 책이다. ―조지은(옥스퍼드 대학교 한국학?언어학 교수)



최근 국가와 기업을 막론하고 가장 두려워하는 단어 중 하나는 단연 '유동성 위기(liquidity crisis)'이다. 국내 대기업은 물론 여러 국가의 어려운 경제 상황을 전하는 기사에서도 이 단어를 종종 볼 수 있다. 최근에는 러시아와 대립 중인 우크라이나의 실태를 다루는 기사에서 이 단어가 쓰이고 있다. 유동성 위기는 기업이나 국가가 일시적으로 현금 또는 현금화할 수 있는 자산이 부족하거나 금융기관의 대출이 어려운 상황에 놓일 때 쓰인다. 따라서 이것 때문에 영업 수익과 자산 보유와 상관없이 부도 위기까지 몰릴 수 있다. 유동성 위기는 장부상의 숫자로 표기되는 현금에 흐름의 형태를 부여했다. 급변하는 기업과 국가의 현금 보유 상황과, 수시로 형태가 변하는 까닭에 예측이 어려운 '흐름'의 공통점을 포착한 것이다.

형태학(morphology)의 시대가 돌아오고 있다. 이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 '필립 볼 형태학 3부작' 중 두 번째 권인『흐름(Flow): 불규칙한 조화가 이루는 변화』는 형태의 역동성을 대표하는 특징인 '흐름'을 주제로 다양한 형태들이 변화하는 방식과 그것을 예측하려는 과학적 시도들을 다룬 책이다. 이 책에서 저자인 필립 볼은 미술에서 시작하여, 생물학, 물리학, 기상학부터 유체 역학과 천문학, 경제학에 이르기까지 자연 과학의 다양한 학문들을 다루었다. 저자는 이러한 여러 분야를 종합해서 오랫동안 일관성 없는 각각의 현상으로 간주했던 다양한 흐름들의 이면에 자리한 변화의 근본적인 원리를 보여 준다. 이 책은 경제학에서도 증권 시장의 주가와 같은 가격의 상호 관계가 유체의 난류와 유사성을 보여 줄지 모른다는 주장이 있음을 소개하면서, 그것이 사실이라면 '시장 난류'도 단지 은유일 수는 없다고 지적하고 있다. 자연스럽게 변화하는 물의 흐름을 다룬 스케치부터 바람을 타고 오랫동안 서서히 이동하는 사막의 모래언덕, 성지인 메카를 순례하는 이슬람 신도들의 거대한 인파가 혼란에 빠져드는 흐름, 아득히 먼 별 주위의 성간 기체와 그림 사이에서 드러난 난류 패턴의 유사함까지 다양한 흐름들을 관통하는 변화의 원리가 펼쳐진다.

이 책에서 우리는 15세기의 만능인이었던 레오나르도 다 빈치에서 20세기의 대표적인 물리학자인 베르너 하이젠베르크에 이르기까지 흐름의 형태에 관심을 가진 인류와 과학의 오랜 역사를 만날 수 있다. 변화의 양상과 원리를 파악하기 어려운 흐름을 다른 무작위적인 패턴과 구별해서 파악하려는 오랜 과학적 노력이 있었다. 그리고 이런 노력이 주식 시장, 도로 교통 등 사회 곳곳의 변화 요소가 급증한 현대 사회에서 어떤 역할을 할지 생각하는 기회도 될 것이다. 20여 년 동안 과학 학술지인 《네이처(Nature)》에서 편집자, 편집 고문으로 활동했던 필립 볼은 현대 자연 과학의 다양한 연구 성과들과 인문학적 통찰을 융합시켜서, 서로 다른 형태들을 스스로 발생시킨 근본적인 원리를 다채롭게 서술했다.



위대한 과학자들 중 다수는 난류 유체 흐름의 문제를 에워싼 단단한 벽에 주먹질을 해대느라 피를 보았다. 우리가 이 문제를 이해하는 데에 큰 역할을 한 물리학자인 데이비드 피에르 루엘은 난류를 '이론의 무덤'이라고 불렀다. ―본문에서



하늘과 바다를 아름답게 장식하는 것 외에 대류는 천천히 형성되는 고체 지구의 바위를 조형한다. 우리 행성은 꼭대기보다 바닥이 더 뜨거운 유체로 채워진 거대한 대류 용기다. 그렇다, 그것은 실제로 유체다. ―본문에서



미켈란젤로는 물의 흐름 속에서 무엇을 보았을까?

멈추지 않는 변화의 패턴에 매혹된 인간과 과학의 역사



저자는 '만능인'의 대명사 레오나르도 다 빈치로 이 책을 시작한다. 그는 형태학의 선구자였던 에른스트 하인리히 필리프 아우구스트 헤켈과 다시 웬트워스 톰프슨보다도 앞서서, 서로 무관해 보이는 상황에서 발견되는 자연 속 여러 형태와 패턴들의 유사성을 꿰뚫어 보았다. 그리고 그 밑에 놓인 형태들과 구조들까지 파악하려 시도한 인물이었다. 과학과 예술을 비롯한 인문학이 분리되지 않았던 시대의 인물인 레오나르도 다 빈치의 특성은 물의 유체 흐름을 그린 스케치와 여성의 머리카락을 세밀하게 그린 스케치 사이의 유사성에서 선명하게 드러난다. 그에게 변화하는 물의 형태에서 얻은 통찰과 여성의 초상화를 더욱 아름답게 그려내려는 노력은 떨어질 수 없었다. 이러한 레오나르도 다 빈치의 특성은 최근에 재부상하는 형태학이 자연의 변화 패턴에서 얻은 지식과 능력을 인간 사회의 다양한 변화에 적용하는 데도 시사점을 제공한다.

2장에서는 본격적으로 유체 흐름의 특성을 밝히기 시작한다. 여러 광고에서 접했던 평평한 액체 표면에 물방울이 떨어지자 왕관 모양으로 튀어 오르는 액체의 방울들부터 마개를 뽑은 욕조의 구멍 속으로 빨려드는 소용돌이, 목성에서 지속되는 대적반이라는 거대한 회오리까지 곳곳에서 볼 수 있는 흐름들이 등장한다. 그러한 사례들과 함께 그 실제 원인과 그것을 규명하려는 시도들, 그리고 그에 대한 우리들의 오해를 아울러 서술했다. 특히 저자는 지구의 자전 때문에 북반구와 남반구에서 욕조의 소용돌이가 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 일어난다는 널리 알려진 주장을 반박했다. 하루 동안 욕조의 물을 가만히 두어 모든 회전 움직임을 소멸시킨 후에 욕조 마개를 빼자 남반구에서도 시계 반대 방향의 소용돌이를 볼 수 있었던 사례를 제시한다. 이에 대한 논란이 종결되지는 않았지만 통념과는 달리 욕조 속의 소용돌이는 지구 어디서든 어떤 방향으로도 회전할 수 있다는 것이다.



레오나르도 다 빈치가 소용돌이치고, 굽이치고, 회전하는 파도 같은 패턴들을 사용한 것은 자연의 율동적인 움직임들을 탐사하는 방법이다. ―본문에서



적절한 정도의 난류가 있는 흐름의 표면에서 보듯, 물이라는 그 넓고 깊고 높은 덩어리에는 셀 수 없는 움직임의 변종들이 넘쳐 난다. ―본문에서



땅 속을 가르는 맨틀은 얼마나 오랫동안 변화하는 것일까?

바람에 날리는 모래언덕이 어디로 흘러갈지 어떻게 알 수 있을까?

지구 곳곳의 흐름들 속에 숨어 있는 변화의 법칙을 만난다



3장에서는 지구에 존재하는 거대한 흐름들을 다룬다. 온도 차이에 따라 대류 순환을 하는 대기와, 마찬가지로 열대지방을 지나며 데워지고 극지방에서 식는 바다의 흐름, 그리고 지구 깊은 곳을 흐르며 지각을 조형하는 맨틀의 흐름이 그것이다. 각각 그것이 존재하는 위치나, 영향을 미치는 요인에 따라 분류되었던 이 패턴들을 '흐름'이라는 그 운동 방식으로 포괄한 것이다. 이중에서 맨틀의 흐름에는 어떤 질서 잡힌 패턴이 없고 오랜 지질학적인 기간에 걸쳐 변화하며 지구의 형태를 만들어간다. 이러한 맨틀의 유동성과 그것이 변화하는 패턴은 앞으로 지구 물리학과 형태학이 함께 탐구해야 할 과제이다.

4장의 주제는 사막이다. 저자는 사막의 모래언덕이 이동해가는 패턴을 알갱이의 흐름을 보여 주는 중요한 사례로 제시한다. 미세한 모래 알갱이들이 바람을 타고 이동하며 마치 사구가 천천히 흐르듯이 이동하는 현상에는 어떤 규칙성도 찾기 어려워 보인다. 모래들이 바람을 타고 이동하는 거리와 서로 부딪히며 튕기며 움직이는 정도, 그리고 쌓인 모래들이 균형을 잃고 무너지는 임계 각도와 같은 요인들을 종합해서 분석하자 서서히 베일이 벗겨졌다. 그 결과 움직이는 모래언덕 속에는 개별적인 알갱이들이 모여 하나의 흐름이 되었을 때, 고유의 변화 법칙이 작용한다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 그렇게 이동한 모래언덕은 안정한 각도에 이를 때까지 알갱이들의 크기에 따라, 계속해서 무너져 내리게 된다. 모래 낱알들의 행동에는 법칙이 없을지라도, 그들이 모인 모래언덕의 변화는 예측할 수 있는 것이다.

이러한 알갱이더미의 이동 형태에 대한 접근은 의외로 우리 일상 가까운 곳에서도 확인할 수 있다. 바로 시리얼 상자다. 저자는 상자를 거의 비워갈 때쯤이면 항상 맛있는 과일이나 땅콩은 모두 없어지고 맛없는 부스러기들만 남아 있다면서, 크기가 서로 다른 알갱이들이 섞여 있을 때 큰 것은 위로 올라가고 작은 것은 아래로 내려가는 흐름의 패턴을 보여 주었다. 물리학자들은 이것을 '브라질넛 현상'이라고 부른다.



대류하는 유체에서 볼 수 있는 이 패턴들의 풍부함과 다양성 때문에, 하나의 주어진 실험에서 어떤 패턴이 나타날지를 예측하기는 쉽지 않다. 원칙적으로 한 특정한 집합의 조건들에서 몇 가지 대안적 패턴들이 가능할 때, 어느 것이 선택되느냐는 시스템이 어떤 조건을 갖추었느냐에 달렸을 수도 있다. ―본문에서



크지 않은 덩어리의 모래가, 산불에서 생태학적 대량 멸종에 이르기까지 자연에서 일어나는 아주 많은 재해 과정들과 비슷하기 때문이다. 이 모든 과정들의 핵심 특질은 비록 예측은 할 수 없다 해도, 그 사건들이 완벽히 무작위적이지는 않다는 뜻이다. 즉 각 사건 사이에 어느 정도 관련성이 존재할 수 있다는 뜻이다. 그런 과정에는 미묘하지만 매우 중요한 통계적 규칙성이 있다. ―본문에서



사구의 형성은 패턴을 만드는 과정들 중 가장 활발한 것에 속하지만 그뿐만이 아니다. 그것은 또한 어떤 원형, 상호 작용하는 수많은 부분들로 이루어진 시스템에 그런 패턴들이 어떻게 숨어 있는가를 보여 주는 모범적인 예다. ―본문에서



흐름은 모든 변화의 단서다

형태들이 보여 주는 역동성의 원리



5장에서는 먼저 새, 개미, 메뚜기들이 집단으로 이동할 때 보여주는 규칙성을 분석한다. 저자는 이러한 동물들이 처음부터 계획적으로 대열을 지어 이동한다고 생각하는 통념을 뒤집는 다양한 자료들을 제시한다. 각각의 동물들은 전체 무리가 뭘 하는지에 대한 예측 능력이 없으며, 그보다 방향 변화는 파동같이 무리 속에서 급속히 전파되는 양상으로 보인다는 것이다. 그러므로 이러한 동물은 각각 자신의 행동을 스스로 조직하는 것처럼 보이며, 그들의 일관된 단체 행동은 개체들 간의 단순하며 제한적인 상호 작용의 결과라고 저자는 서술한다.

이러한 통찰은 인간 사회에도 적용할 수 있다. 저자는 도로상에서 한순간 지체한 한 대의 차량에서부터 도로 전체로 체증이 일어나는 과정을 주의 깊게 다룬다. 아주 작은 발단이 스스로 추동력을 얻어 모든 자동차들이 지체되는 흐름 속으로 빨려든다는 것이다. 이 사례는 필연적이거나 의도적이지 않아도 자발적으로 성장하는 패턴의 원리를 대표하는 사례라고 할 수 있다.

형태 속에서 변화가 발생하는 패턴을 파악하기 시작하자 보다 현실적인 응용의 사례도 등장하게 되었다. 군중 유체의 흐름을 분석해, 매년 수백만 명의 순례자들이 모이는 이슬람교의 성지인 사우디아라비아의 메카에서 빈번히 일어나던 압사 사고를 크게 줄였다. 순례자들이 일정한 수 이상으로 몰리자 지속적으로 이동하던 흐름이 도로의 교통 체증처럼 정체되기 시작하더니 군중을 빨아들이는 소용돌이와 같은 패턴이 형성되기 시작했다. 바로 사람들이 서로 벗어나려고 밀고 밀리지만 누구도 벗어나지 못하고 서로 깔리게 되는 혼란이 발생한다. 결국 인파가 집중적으로 몰리는 장소에는 추가로 통행로를 설치하고, 그러한 시간에 순례자들의 이동을 통제했다. 이런 대책으로 예측보다 더 많은 순례자가 왔을 때에도 인명 사고가 일어나지 않았다.

7장에서는 지구를 넘어 우주의 흐름까지 이해하려는 과학자들의 오랜 노력과 흐름의 원인과 형태를 예측하려는 다양한 이론적 시도를 다루고 있다. 그리고 마지막으로 과학자들이 빈센트 반 고흐의 걸작 「별이 빛나는 밤」에 그려진 별빛의 소용돌이와 실제 난류 속의 유체 덩어리에서 볼 수 있는 속도 변화 사이의 유사성을 증명한 사례를 소개한다. 흐름의 형태에 대한 광범위하며 지속적인 관심은 지금 이 순간도 서로 교류하고 있는 것이다.

필립 볼의 『흐름』은 과학적 관심과 예술적 열정이 상호 교류하며 지속되었던 흐름의 형태에 대한 관심을 체계적으로 종합하여 형태학에 새로운 설득력을 부여한다. 서로 다른 시대와 학문의 통찰이 하나로 모여서 만든 이 새로운 형태학은, 우리 주변의 수많은 형태들 너머의 이야기 속으로 다가가는 문을 열어 주었다.



집단적 움직임의 모델들은 심지어 '의식적인' 선택 없이도, 행동의 차이들이 개체들로 하여금 특정한 위치들을 취하게 할 수 있음을 보여 주었다. ―본문에서



우리는 장 르레이가 20세기 초에 센 강의 소용돌이들을 응시하면서 분명히 알아보았듯이 난류 흐름에서 실제로 패턴들을 본다. 소용돌이들은 머리를 어질어질하게 만드는 질서에 관한 실마리를 제공하며 지속적으로 태어나고 사라진다. 그렇지만 우리는 그 질서를 어떻게 포착하고 묘사하는가? ―본문에서



수학 속에서 독자를 잃지 않고서도 자연의 양탄자 뒤에 있는 물리적, 화학적 힘들이 빛을 발한다. ―《시드》



필립 볼은 우리에게 아주 흥미로운 생각의 자양분을 주었다. ―《스탠드포인트》

서문과 감사의 말

1장 흐름을 사랑한 남자: 레오나르도 다 빈치의 유산

2장 소용돌이의 패턴들: 흐르는 질서

3장 빙글빙글: 대류가 세상을 만든다

4장 모래언덕의 수수께끼: 알갱이들이 모여 만드는 질서

5장 네 이웃을 따르라: 떼, 무리, 그리고 군중

6장 대혼란의 소용돌이: 난류의 문제

부록1 베나르 대류

부록2 막세 세포의 알갱이 성층

후주 / 참고 문헌 / 옮긴이의 글 / 도판 저작권 / 찾아보기

필립 볼 저자 필립 볼은 과학 저술가. 1983년에 옥스퍼드 대학교 화학과를 수석으로 졸업하고 1988년에는 브리스톨 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 20여 년 동안 《네이처》의 물리?화학 분야 편집자, 편집 고문으로 일했다. 『화학의 시대(Designing the Molecular World)』, 『H₂O(Life's Matrix)』, 『브라이트 어스(Bright Earth)』, 『물리학으로 보는 사회(Critical Mass)』(2005년 아벤티스 과학 도서상 수상)』, 『음악 본능(The Music Instinct)』 등 대중 독자를 대상으로 한 다양한 분야의 과학 책을 저술했다. 미국 항공 우주국(NASA), 영국의 빅토리아앤드앨버트 미술관, 런던 정치 경제 대학(LSE) 등에서 다양한 과학 강연을 하고 있으며, 《네이처》, 《뉴사이언티스트》, 《가디언》, 《뉴욕 타임스》 등 여러 잡지와 신문에 기고하며 과학 문화 확산을 위해 노력하고 있다.