자연현상에서의 혼돈 속 질서 (자연과학)  
1.들어가며

자연현상에 내재된 조화로운 운행원리를 찾는 학문인 물리학은 역사이래로 인간세계에 많은 영향을 주었으며 특히, 인식의 지평을 새로운 패러다임의 창출로써 넓혀왔다. 잘 알려진 뉴톤(newton)의 역학 원리는 실제 눈에 보이는 대상의 운동 상태를 시간의 흐름에 따라 기술하여 인과율을 따르는 결정론적 세계관의 형성에 기여하였다

19세기 말에 완성된 맥스웰(maxwell)의 전자기학은 오늘날의 전자문명의 초석이 되었다. 특히, 20세기 초에 창시되어 반세기 에 걸쳐 완성된 양자역학은 현실 세계에서는 인지하기 어려운 원자, 분자차원의 미시세계를 이해하고 응용하는 확률론적 인식체계를 구축하였다

2.현대 물리학에서 바라본 혼돈 속 질서 현상

위의 기본원리들에서 파생된 2차 원리들은 자연계의 모든 물리적 상(physical phase)들을 설명할 수 있다는 적극적인 태도를 과학자들이 갖게 하였다. 그 결과 모든 자연현상들을 설명할 수 있는 단일 원리를 찾기 위해 여러 방법론으로 시행착오를 현재까지 거듭 하고있다

하지만 새로운 통합원리를 발견하지 못했으며 , 새로운 시도가 있을 때마다 많은 문제점들이 발생하였다.
현대물리학은 위의 이질적인 두 체계를 바탕으로 자연계의 모든 물리적 상들을 이해하고자 많은 시도를 하였고, 또 이해에 무리가 있을 때에는 새로운 해석을 가하여 교묘하게 두 체계를 연계시켜 자연을 보는 두 틀을 유지해왔다.과연 물리학의 두 상호 보완적 체계는 자연을 완전히 기술 하는가라는 의문을 가지고 두 체계의 유기적 연결을 지양하고 그 동안 비과학적이며, 해결할 수없는 병리학적인 이론체계로 무시된 비선형 혼돈 동역학(nonlinear chaotic dynamics) 을 꾸준히 발전시켜온 물리학의 주류에서는 소외된 일단의 과학자들이 있었다.

그들은 뉴톤의 역학체계가 자연을 단순화시켜 선형방정식으로 다루는 것에 불만을 가지고 실제 자연현상은 비선형적인 접근으로 이해할 수 있다고 생각하였다. 예를 들면 중력이론으로 태양 주위를 도는 지구의 궤도를 달 및 다른 행성과 소행성들의 효과를 선형적으로 근사하면 현 상태는 설명할 수 있지만,과연 태양계가 앞으로도 계속 영원하다고 결론을 내리지는 못한다

왜냐하면 태양-지구 구조에 다른 천체의 효과를 전부 고려하면 중력방정식은 비선형적이 되며 아직까지 그 해를 해석적으로 구하는 방법은 없기 때문이다.

또 다른 예로 정기적으로 사고 없이 운행되는 여객기가 폭설이 내리던 날 이륙하다가 추락하였다. 물리학에서 발전된 항공역학에 의해 비행기는 강한 바람에도 견디게 설계되어 있었다

추락원인을 분석하는 과학자들은 비행기 날개에 쌓여있던 눈이 얼어붙어 만들어진 몇 개의 얼음덩어리 때문에, 강한 맞바람의 효과로 얼음 덩어리 뒤에 난류(turbuleut flow)가 발생하여 비행기의 힘의 균형이 깨어졌다고 판단하였다.

영향이 미미할 것이라고 무시했던 것들이 실제로는 큰 효과를 내어 단순화된 물리적 상들을 완전히 바꿔버린 것이다. 조그마한 효과가 어떤 조건이 되면 되먹여짐 (feed back)에 따라 예측 불가한 혼돈(chaos)상태가 되는 것이다

이와 같이 단순화된 질서가 파괴되어 혼돈상태로 전이하는 과정을 이해하는 새로운 방법론이 20 세기 후반기인 현재 급속히 발전하고 있다. 과학자들은 그 동안 임의로 단순화시킨 질서를 찾고 그 속에서 아름다움과 만족감을 느꼈지만 이제는 복잡한 혼돈 속에서 새로운 질서를 찾고 있다


혼돈상태를 기술하는 방정식을 세울 수는 있지만 현재의 수학적 체계로는 완벽한 해를 구할 수가 없다. 그러면 해결할 수 없는 불가항력적인 현상으로 혼돈상태의 조정을 포기하고 그냥 머물러야만 되는가? 그렇지 않다

20세기 중반부터 발전된 전자 물리, 전자공학의 도움으로 과학자들은 혼돈현상에 접근하는 새로운 도구 즉, 컴퓨터를 갖게 되었다. 예전에는 소수점이하 8자리까지의 정확도로 단순화된 구조를 유지하며 물리적 상의 안정성을 설명 하였지만,컴퓨터의 사용으로 계산이 불가능 하다고 여겨졌던 정확도(예를 들면,소수점이하 16자리)로 조그마한 효과요인까지 고려해 계산하면 비선형적인 되먹여짐에 의해 급격한 요동(fluctuation)이 발생해 혼돈상태로 전이하는 과정을 인지할 수 있다   (이하 생략)