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    제 목 : [펌] 열역학의 시인-프리고진의 과학과 철학    
  글쓴이 : 김승환 날 짜 : 06-11-11 19:47 조회(10193)
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열역학의 시인-프리고진의 과학과 철학
 
 
김승환 / 포항공대 물리학과 교수
 

들어가며
 

벨기에의 화학자인 일리야 프리고진Ilya Prigogine(1917∼현재)은 非平衡 統計力學者로서 수많은 저술을 통해 일반인들에게도 널리 알려진 사상가이다. 프리고진의 과학 사상은 그의 책 제목이기도 한 ‘혼돈으로부터의 질서Order Out of Chaos’라는 말이 잘 대변하고 있다. 그는 질서와 무질서, 평형과 비평형, 우연과 필연, 可逆性과 非가역성의 관계를 이해하고, 비평형과 비가역성으로부터 질서의 근원과 시간의 화살을 찾고자 하였다.

프리고진은 브뤼셀 자유대학 교수, 국제 물리 및 화학연구소 소장, 오스틴 소재 미국 텍사스대학교 물리 및 화학공학 교수, 통계역학, 열역학, 複雜系복잡계 연구센터 소장으로 오랫동안 재직하며 활발한 연구와 학술 활동을 통해 자신의 브뤼셀 학파를 형성하였다. 그는 1977년 비평형 통계역학nonequilibrium statistical mechanics에 대한 공헌으로 노벨 화학상을 수상했고, 이후 세계적인 주목을 받게 되었다. 또한 프리고진은 사상가이며 저술가로서 복잡계 과학에 대한 많은 저술과 대중 강연을 통해 복잡계 연구의 확산에 크게 기여하였다.

프리고진과 국내학자들

프리고진은 세계적 논쟁이 된 일련의 그의 저서와 여러 차례의 한국 방문을 통하여 이미 오래전부터 많은 국내 물리학자, 화학자, 과학사상가들에게 폭넓게 영향력을 미쳐왔다. 특히 그가 1979년에 이사벨 스텐저스Isabelle Stengers와 共著한 《새로운 연합La Nouvelle Alliance》은 미국에서 1983년에 《혼돈으로부터의 질서―사람과 자연과의 새로운 대화Order out of Chaos-Man’s New Dialogue with Nature》라는 題下로 수정증보판이 출판되어 국내에 큰 파장을 일으켰다.

저명한 과학저술가인 김용운 고려대 명예교수는 당시 이 책을 어렵게 구해 장회익 서울대 명예교수, 도올 김용옥, 故 조순탁 한국과학원 前원장 등과 이 책을 공부하는 모임을 가졌고, 이 모임은 추후 ‘과학사상연구회’로 발전하게 되었다. 또한 그의 저서 및 사상은 1970년대에 전세계적으로, 국내의 경우 1980년대에 일어난 新과학New Age Science 운동을 통해 많은 자연과학도뿐만 아니라 인문·사회과학도들에게도 영향을 미쳤다. 1985년 국내에서 ‘신과학연구회’가 구성, 그 첫모임으로 신과학운동 심포지엄이 개최되었을 때 프리고진의 사상이 집중적으로 논의되었다. 1986년 《신동아》의 별책부록 〈오늘의 사상, 100인 100권〉 중에 이 책이 선정되기도 하였다. 그후 범양사 출판부의 〈신과학 총서〉 발간, 1992년에는 계간지 《과학사상》의 창간이 이어졌을 때 프리고진의 저서와 사상이 집중으로 소개되었다.

프리고진의 《혼돈으로부터의 질서Order Out of Chaos》는 1988년 서울대 화학과 신국조 교수에 의하여 처음 한국어로 번역, 국내에 소개되었으며 1993년 고려원미디어에서 수정판이 출판되었다. 이 저서의 국내 번역판 출간은 국내 신과학 분야 운동에 커다란 획을 그은 사건으로 프리고진의 사상을 일반인들에게 더 폭넓게 확산되는 계기가 되었다. 이 책은 교보문고에서 전문가 100인에 의하여 1990년대의 책 100選에 선정되는 등 국내에서 지속적으로 큰 반향을 일으켰다.

그는 1996년 봄에 대한화학회 50주년 기념 총회에 주빈으로 초청되어 한국을 방문하였다. 이때 그는 ‘우연과 필연’에 대한 기념강연, ‘시간, 카오스, 자연법칙’에 대한 세계 한민족 화학자 학술대회 기조강연, ‘과학과 예술에서의 창조성’에 대한 일반 강연 등 폭넓은 강연을 통하여 非可逆性irreversibility, 消散구조dissipative structures, 自己組織化self-organization, 과학과 인문학에서 創發性emergency의 역할의 차이 등에 대해 화학자와 일반인을 대상으로 설파하였고 그의 사상과 행보는 국내 언론의 커다란 관심의 대상이 되었다.

필자는 1984년 미국 펜실베이니아Pennsylvania 대학에 유학중인 1984년 도서관에서 그의 저서 《혼돈으로부터의 질서》를 접하고 엄청난 감동과 함께 문화적 충격을 느꼈다. 돌이켜보면 필자가 비선형 동역학과 카오스nonlinear dynamics & chaos라는 현재의 복잡계 핵심 연구분야를 선택하게 된 것도 프리고진의 영향이 매우 컸다고 할 수 있다. 그러나 필자가 그를 개인적으로 처음 만난 것은 1997년 그를 포항공대 〈아운강좌〉에 초청하여 함께 특별 심포지엄을 개최했을 때였다. 그는 80세의 고령에도 불구하고 자신의 思惟의 폭과 깊이를 통해 필자를 포함한 많은 참석자들의 知的 세계의 地平을 새롭게 열어주었다. 그와 함께 한 며칠간은 내가 선택한 길을 재확인 시켜주는 지적 감동의 연속이었다.
 
프리고진의 생애

프리고진의 인생역정은 그의 과학계에 끼친 영향만큼이나 예측하기 힘들었다. 프리고진은 러시아혁명 발발 직전인 1917년 1월 25일 모스크바Moscow에서 태어났다. 그는 항공기사인 아버지와 모스크바음악원 출신 어머니의 둘째 아들이었다. 프리고진은 러시아혁명과 제1차 세계대전 이후의 혼란기에 휘말려 가족을 따라 리투아니아와 베를린을 전전하다 1927년 벨기에 브뤼셀에 정착했다. 전쟁으로 얼룩진 유럽에서의 불안 속에서도 어머니인 줄리아는 자녀교육을 철저하게 시켰다.

어린 프리고진은 음악교육을 받았는데, 그는 책을 읽기도 전에 이미 피아노 악보를 읽었다고 한다. 그는 바하Bach, 모차르트Mozart, 슈만Schumann, 드비쉬Debussy를 연주하며 피아니스트로의 꿈을 키우고 있었다. 책을 읽을 수 있게 되었을 때 그는 고전을 매우 좋아했다고 한다. 그는 아테네 중학교에 들어간 후 고전과 고고학, 문학 및 철학 서적을 섭렵하였는데, 특히 《흐름의 철학》인 앙리 베르그송Henri Bergson의 철학은 성장하는 일리야에게 결정적 영향을 미쳤다고 한다.

그가 열일곱 살 되던 해에 그의 가족은 그가 법률가의 길을 걷도록 결정했다고 한다. 그는 범죄 심리학에 대한 공부를 하다가 우연하게 뇌의 화학적 組成에 대해 읽은 후 화학에 대한 깊은 매력을 느끼게 되어, 브뤼셀 자유대학의 화학과에 입학하게 되었다. 평소 물리와 화학에서의 시간의 대칭성에 대해 많은 의문을 가지던 중 대학 4학년 때 그는 시간의 특별한 의미에 초점을 맞추어 열역학을 연구하기로 결정하였다. 그는 드 동데르Theodore De Donder 교수 밑에서 열역학 연구를 수행하여 1941년 〈비가역 현상에 관한 열역학적 연구〉라는 제목으로 박사 학위를 받았다.

그는 박사학위과정에서 저온에서 헬륨Helium 동위원소들의 혼합물을 분리하는 방법과 평형상태에 가까운 고분자용액에 미치는 엔트로피entropy 효과에 대한 연구를 수행하였다. 그는 박사연구에서 엔트로피의 최소생성 원리Theorem of minimum entropy production를 발견하고 평형에 가까운 상태의 구조적 안전성을 설명하였으며, 박사 후 1946년쯤 그는 消散구조에 대한 개념을 형성해나가기 시작하였다.

프리고진은 1951년 이후 현재까지 브뤼셀 자유대학 교수와 오스틴 소재 미국 텍사스대학교U. Texas-Austin의 물리 및 화학공학 석좌교수로 재직하고 있다. 그는 1959년 브뤼셀 자유대학의 국제 솔베이 연구소International Solvay Institute, 1967년 미국 텍사스주립대학에 통계역학과 복잡계 연구센터를 각각 설립하여 소장으로 재직하고 있기도 하다. 그 외에도 그의 이름이 붙여진 여러 연구소의 수장으로서 활발한 연구활동과 그룹 학술활동을 통해 소위 브뤼셀 학파를 형성하였다.

그는 非平衡界에서의 非可逆 과정의 열역학에 대해 큰 공헌을 하였고 자연과학에서의 시간의 역할에 대한 이해를 넓히는 데 많은 노력을 기울여 왔다.

그는 비평형 열역학, 특히 소산구조 이론에 대한 연구업적으로 1977년 노벨 화학상을 수상했다. 그는 뜻밖이라고 좋아하였지만 그가 촉발한 이 방향의 연구는 전세계의 많은 과학자를 자극하였다. 그는 고국 벨기에가 자랑하는 세계적 지성으로서 1977년 벨기에의 ‘레오폴드2세 대십자 훈장’을 받았고 1989년에는 벨기에의 ‘세습 자작’의 작위를 수여 받기도 하였다. 그는 사상가이며 저술가로서 많은 저술, 교류 및 강연을 통해 비평형 열역학 및 복잡계 연구의 확산에 크게 기여하며 세계적인 주목을 받게 되었다. 그는 뛰어난 연구업적뿐 아니라 폭넓은 전세계적 학문적 영향력으로 1989년 프랑스의 ‘레지옹 도뇌르 훈장’, 1990년 일본의 ‘떠오르는 태양’을 수여 받았으며, 전세계의 40개 이상의 대학에서 명예 박사학위를 받았다.

프리고진이 과학사학자이자 과학철학자인 이사벨 스텐저스와 함께 저술한 《새로운 연합La Nouvelle Alliance》은 1979년 프랑스에서 출간된 이후 지금까지 17개국語로 번역되어 곤충학에서부터 문학비평에 이르기까지 다양한 분야에서 논쟁을 일으켜왔다. 이 책을 통하여 프리고진은 하나의 이정표를 세웠다. 이 책은 그저 평범한 또 하나의 책이 아니라 과학 그 자체를 변화시키고, 그 목적과 방법론, 인식론, 그리고 그 세계관을 다시 조명해보게 하는 지렛대 기능을 수행하고 있다.

그외 그는 《있음에서 됨으로From Being to Becoming》(1980), 《시간의 탄생》(1988년), 《복잡성의 탐구Exploring Complexity》(1989), 《시간과 영원 사이Entre le Temps et Eternite》(1992), 《시간의 패러독스》(1993), 《카오스의 법칙》(1993), 《필연의 종말The End of Certainty: Time, Chaos, and New Laws of Nature》(1996) 등 수많은 책을 저술하여 그의 사상에 대한 전세계적인 영향력을 확대하였다. 그는 일련의 책에서 뉴턴의 궤적, 결정론적 카오스에서 출발하여 양자 이론의 통일된 기술, 우주론에 이르기까지 자연의 비가역성, 대폭발과 시간의 흐름을 확률론적 세계와 자기조직화에 기초한 일관된 과학적 세계관을 통해 조명하고 확실성의 종말이 새로운 과학과 문화의 창출의 시발점임을 주창하고 있다.
 
프리고진의 과학

시간은 기본적인 차원으로 오래전부터 과학자 및 철학자를 사로잡아 왔다. 그러나 뉴턴Newton의 결정론적인 자연법칙에서는 미래와 과거가 똑같은 역할을 한다. 20세기에 들어와서 量子力學과 相對性理論의 혁명 이후에도 시간에 대한 이런 입장은 전혀 변화되지 않았다. 그러나 프리고진은 역사와 철학에 일찌감치 관심을 가지며 왜 과학이 시간에 대해 큰 관심을 두지 않았는지를 이해할 수 없었다. 그에 의하면 “물리학과 화학이 과거와 미래가 같은 역할을 한다고 주장하는 것이 이상했다”고 한다. 왜냐하면 시간의 쌍방향 대칭성은 일상 생활에서의 방향성이 있는 시간에 대한 우리의 경험과는 모순이 되기 때문이다. 모든 사람들이 내일은 오늘과 같지 않다는 것을 알고 있다. 그러나 물리학자와 화학자는 전통적으로 과거와 미래가 똑같다는 가역적인 우주를 주창하고 있었던 것이다.

프리고진 과학의 핵심적인 내용은 ‘消散構造소산구조, dissipative structures’와 ‘자기조직화self-organization’에 대한 이론이다. 소산구조의 이론은 환경과 물질과 에너지를 주고받는 ‘열린 계open system’가 어떻게 작동하는가를 다루고 있다. 한 예로, 사람도 열린 계로 볼 수 있다. 음식과 산소를 취해 에너지를 바깥에서 구하고 부산물을 내보냄으로써 일시적이지만, 매우 안정한 질서구조를 만들어 낸다. 이러한 상태는 평형이 아니라 비평형상태이며 실제 평형상태로부터 매우 멀리 떨어져 있다. 비평형계에서는 생물학적 진화적 특성의 원인이 되는 불안정성과 搖動요동이 관찰된다.

그는 이러한 열린 비평형계가 微視的미시적 요동fluctuations의 결과로 무질서한 환경 속에서 에너지를 취하고 거시적으로 안정한 새로운 구조의 생성을 통해 엔트로피를 감소시킬 수 있음을 밝혔다. 이렇게 생성된 새로운 구조를 ‘소산구조’라고 한다. 이러한 질서구조는 자발적으로 나타나며 이를 ‘자기 조직화’라고 한다. 소산구조와 자기조직화가 바로 카오스로부터 질서를 가져다주는 메커니즘이자 생명현상을 풀어가는 실마리가 될 수 있는 현상이다.

또다른 예로 반딧불이 집단을 들 수 있다. 타이 정글의 반딧불이들은 밤이 깊어가면 그 깜박임을 서로 同期化 해나가며 최종적으로 함께 밤하늘을 밝히는 섬광을 만들어 낸다. 이러한 반딧불이의 동기화 질서 형성은 열린 界에서의 대표적 비평형 현상이다. 정글에서 반딧불이들은 주위의 환경에 노출되어 있는 가운데 평형상태에서 매우 멀리 떨어져 있다. 반딧불이들은 서로의 리듬의 다름을 극복하고 상호작용을 통해 각각의 반짝임 위상을 조정해 간다. 함께 만들어내는 동기화된 섬광은 일종의 동적 평형을 이루고 있다고도 볼 수 있다. 이러한 패턴은 반딧불이 군집에서 어느 리더의 지휘 없이 스스로 창발적으로 나타나는 자기조직화현상이다. 이와 비슷한 동기화 현상은 신경계에서의 신경소자의 번쩍임, 귀뚜라미의 울음, 심장 세포의 동기화된 리듬, 몸의 하루 리듬, 박수의 리듬 등에서 공통적으로 관찰되는 보편적 현상이다.

프리고진은 소산구조와 자기조직화를 이해하는 데 비가역성이 관건이 된다고 생각한다. 시간에 대해 가역적인 현상은 특별한 예외에 지나지 않고, 오히려 비가역적 현상이 더 일반적인 것이라는 것이다. 이제는 불안정성과 카오스를 수용할 수 있을 뿐 아니라 생물학의 진화론적 세계관과 일치하는 새로운 물리이론이 필요하게 되었다. 프리고진은 이러한 제안을 가상적인 화학반응계인 ‘브뤼셀레이터Brusselator’를 통하여 수식화하였으며, 생체 내에서 일어나는 수많은 화학반응들에 적용될 것으로 예측하였다.

그의 제안이 실험적으로 증명된 것은 소련의 과학자 벨루소프Belousov와 자보틴스키Zhabotinsky가 발견한 새로운 화학반응을 통해서이다. 말론산, 브롬산 이온, 세륨 이온을 묽은 황산용액 속에 넣고 화학반응을 시킬 때 어떤 온도에 이르면 分岐현상bifurcation이 일어나고 복잡한 구조가 생성됨을 선명하게 보여준다. 이러한 벨루소프-자보틴스키 반응을 설명하기 위하여 오레곤대학의 과학자들은 프리고진의 이론을 따라 ‘오레고네이터Oregonator’라는 화학반응 모델을 세웠으며, 이 모델을 통하여 이 새로운 화학반응을 성공적으로 해석할 수 있게 되었다. 이로 인하여 프리고진의 학설은 공인되었으며 그의 주변에는 수많은 학자들이 모여들어 커다란 학파를 형성하게 되었고, 마침내 이 업적을 인정받아 1977년에 노벨 화학상을 수상하게 되었다.

熱力學은 현대과학의 중심분야 중 하나로 자리잡았으며 자연의 물리화학적 과정을 지배하고 있다. 열역학의 중요한 응용 예는 熱에너지를 力學에너지로 바꾸는 열엔진heat engine이다. 에너지 변환에 있어 일반적인 제한을 주는 열역학의 3개 법칙은 열역학의 발전에 매우 중요한 역할을 하였다. 그러나 이러한 열역학 법칙은 평형상태의 가역과정에서만 성립하며 비가역과정에서는 성립하지 못한다. 프리고진의 연구결과는 熱的 사망에 이르리라고 예측되는 인류의 미래에 대한 낙관적인 기대를 갖게 해준다.

예를 들어 일정한 온도 하의 물은 시간적으로 변화가 없는 안정된 평형 상태에 있다. 이 물을 얼렸다가 다시 가열해주면 처음과 같은 상태의 물로 다시 돌아가는데, 이런 과정을 가역 변화라고 한다. 그러나 물에 잉크를 떨어뜨리면 잉크는 물 전체로 퍼져나가서 새로운 평형 상태에 이르게 되는데 처음 상태로는 다시 돌아가지 못한다. 이렇게 한쪽 방향으로만 가능한 과정을 비가역 변화라고 한다. 이와 같이 자연의 많은 중요하고도 흥미있는 과정은 비가역적으로 나타나며, 우주도 ‘섞이지 않은’ 처음 상태로 다시 돌아갈 수는 없다는 것이다. 또다른 예는 화학에너지를 소비하는 생물체를 들 수 있다. 프리고진의 열린 소산구조의 定義는 화학반응, 생태계, 사회적 현상을 모두 포괄한다. 그의 이론에 의하면 에너지가 끊임없이 공급되어야 소산계에서 질서구조가 유지된다.

열역학에 대한 프리고진의 가장 큰 공헌은 평형상태로부터 멀리 떨어진 界로의 확장이라고 할 수 있다. 비평형 상태에서 생겨나는 새로운 형태의 질서구조인 소산구조는 환경과 연계해서만 존재한다. 가장 잘 알려진 소산구조는 아마도 버나드 不安定性Benard instability일 것이다. 이것은 물이 들어 있는 냄비에 불을 때듯이 물 또는 용액 층에 밑으로부터 열을 가하는 경우에 형성된다. 물의 층 아래위의 온도차가 어떤 임계온도보다 높아지면 열 전도가 對流convection라는 용액의 흐름에 의해 나타난다. 뜨거워진 물은 위로 올라가고 차가워진 물은 밑으로 내려오게 된다.

물의 오름과 내려옴의 구조는 용기 모양에 따라 약간 달라질 수 있지만 적절한 조건이 되면 벌집모양의 규칙적인 물 흐름의 대류구조가 형성된다.

이러한 패턴의 형성과 변화는 마치 칼레이도스코프kaleidoscope를 보는 듯한 착각을 불러 일으킨다. 특히 패턴의 변화양상이 생체 세포와 닮은 점은 많은 과학자들을 매혹시켰다. 이러한 소산구조의 형성은 무질서로부터 질서의 창출이 가능하다는 것을 극명하게 보여주었다. 특히 그는 과학 연구의 지평을 끝없이 넓혀나가려고 시도하였다. 그 결과 많은 사람들이 오랫동안 찾아 헤매던 물리과학과 사회과학의 연결 실마리를 제공하였다.

이를 이해하는 과정에서 수많은 중요한 과학적 발견과 응용이 이어졌다.

평형 열역학에서는 물의 변화의 예에서와 같이 안정된 상태인 ‘있음being’에 초점을 맞추어 왔으며, 잉크가 퍼짐과 같은 ‘됨becoming’의 상태는 단순히 일시적인 현상으로 여겨왔다. 그러나 프리고진은 자연에서 열역학적인 ‘있음’의 상태가 예외적 경우이고, 오히려 비평형의 ‘됨‘의 상태가 더욱 일반적임을 인식하고 이를 이론적으로 이해하기 위하여 노력하였다. 복잡계의 과학은 바로 비평형 상태에서 일어나는 비가역적, 비선형적 변화를 설명하기 위한 새로운 방향의 과학흐름 중 하나이다.
 

카오스와 복잡성의 과학

복잡성은 자연의 감추어진 모습이다. 사실 자연의 복잡성은 계속 존재하였지만 우리는 그 복잡성을 제대로 보지 못했다. 예를 들어 떠다니는 구름, 계곡 물의 빠른 흐름, 흔들리는 불꽃, 번개의 궤적, 산 등은 매우 불규칙하고, 변화무쌍하며 非예측적인 운동 또는 모습을 보인다. 그러나 최근 이러한 복잡성, 무질서성과 비예측성 속에 카오스chaos와 프랙탈fractal 같은 숨은 질서구조가 공통적으로 자리하고 있다는 것이 알려졌다.

물리에서는 ‘개체적individual’ 설명과 ‘통계적statistical’ 설명이 모두 가능하다. 개체적 설명에서는 각각의 궤적을 취급하게 되고, 통계적 설명에서는 궤적의 ‘집단’과 앙상블ensemble을 취급하게 된다. 이런 구별은 생물학이나 경제학이나 상관없이 어느 분야에서나 가능하다. 다윈의 진화론은 개체에 대한 것이 아니고 집단에 대한 것이다. 카오스계chaotic system의 경우에 현재의 물리적 상태에 대해서 얼만큼의 정보를 가지고 있는가와는 상관없이 항상 통계적인 방법으로 기술된다.

예를 들어 寫像mapping과 관련된 카오스를 생각해보자. 모든 숫자는 0과 1 사이의 값을 갖는다. 주어진 숫자의 변환 결과가 1보다 커지면 정수 부분을 빼서 떼어버리고 남은 숫자로 허용된 구간의 숫자를 만든다. 즉 0.6에 2를 곱하면 1.2가 되지만 여기서 1을 빼서 0.2로 만든다. 이 경우에 안정한 주기적 사상stable periodic mapping과 불안정한 카오스 사상unstable chaotic mapping의 두 종류가 가능하다.

후자의 대표적 경우로 주어진 숫자에 2를 계속 곱해서 수열을 만들어 내는 베르누이 사상Bernoulli map을 들 수 있다. 베르누이 사상은 마치 정사각형의 밀가루를 반죽하는 것과 비슷하다. 밀가루반죽을 계속 한쪽 방향으로 늘려 두 배가 되면 잘라 다시 원래의 모양으로 접으면 된다.

이 경우 밀가루 반죽의 한 점에서 출발하면 매번 늘리고 접을 때마다 그 위치는 불규칙적으로 예측할 수 없게 요동하게 된다. 베르누이 사상으로 보면 일반적 초기 숫자에서 출발하여 사상이 만들어내는 숫자의 수열이 0과 1 사이에서 불규칙적으로 요동하는 것이다.

이 경우 거의 같은 두 숫자에서 시작한 궤적 사이의 거리는 매번 늘리고 접을 때마다 두 배씩 계속 증폭되어 지수적으로 발산하게 된다. 이를 나비효과butterfly effect라고 부른다. 북경에서의 나비의 작은 팔랑거림이 지구 반대편 뉴욕에서는 폭풍우로 변할 수 있다는 것이다. 이러한 나비효과는 20세기 초 포잉카레Poincare에 의하여 처음으로 인지되었으며, 두 궤적 사이의 거리의 증폭 또는 동적 非예측성은 리야포노프 지수Lyapounov exponent에 의해 정량적으로 기술된다.

카오스계의 이면에 자리한 질서구조인 기이한 끌개strange attractor는 MIT의 기상학자 로렌츠Lorenz에 의하여 우연하게 발견되었다. 로렌츠는 기상현상의 단순화된 모형을 컴퓨터로 시뮬레이션 하다가 두 개의 약간 다른 초기 상태에서 출발한 기상의 궤적이 시간이 지나면 완전히 다른 결과를 준다는 것을 발견하였다. 기상의 궤적을 위상 공간에 새롭게 그려보았더니 마치 나비의 양날개 같은 기묘한 기하학적 모양을 가진 끌개가 나타났다. 카오스 운동은 이 끌개 상에서 나비의 양 날개를 불규칙적, 비예측적으로 오가며 일어난다.

카오스계의 경우 하나의 궤적에서 시작하지 않고 궤적들의 확률 분포를 다루어야 한다. 즉 몇 개의 궤적을 나타내는 연속함수에서 시작하면, 하나의 궤적이 변화하는 경우와는 달리 확률의 변화가 매우 부드럽게 나타난다. 예를 들어서 베르누이 사상을 확률 분포로 나타내면 최종 극한 상황에 해당하는 균일한 분포로 매우 빨리 수렴한다. 궤적 자체만으로는 그 미래를 예측할 수 없지만, 확률을 살펴보면 확률이 어떻게 변화할 것인지는 예측할 수 있다는 이런 사실은 매우 이상한 결과이다. 이 연구의 가장 중요한 결과는 카오스계의 경우 통계적 수준에서 새로운 해결 방법을 찾게 되었으며 그 방법은 각각의 궤적에는 적용되지 않는다는 것이다. 이런 통계적인 수준의 설명으로부터 ‘시간의 방향성arrow of time’이라는 개념도 자연스럽게 도출된다.

프리고진에게 시간은 잊혀진 차원이었다. 그는 지속적으로 우주에서의 시간의 역할을 이해하기 위하여 노력하였다. 최근 입자의 불안정성, 生體界의 비가역성 등의 문제에서 시간은 매우 중요한 주제로 떠올랐다. 프리고진의 공헌은 ‘시간의 화살arrow of time’과 같이 비가역성에 대한 근본적인 개념적 이해를 제공한 데 있다. 이 개념을 이용하면 과거와 미래가 구별되지 않아서 우리의 일상 경험과는 전혀 맞지 않는 고전역학이나 양자역학의 기본 방정식이 가지고 있는, 오랫동안 논란이 되어 오던 패러독스를 해결할 수도 있다. 일반적으로 자연법칙은 더 이상 필연과 관련지을 수 없고, 오직 확률적이어야 한다는 것이 가장 중요한 결론이다.

카오스는 복잡성 과학의 핵심분야 중 하나이다. 복잡성complexity은 ‘엮는다’는 것을 뜻하는 그리스어 ‘pleko’에서 왔다고 한다. 이와 같이 복잡계는 많은 작은 부분들로 엮어져 있으며 복잡계 과학에서는 이들 부분들이 상호작용을 통하여 엮어내는 패턴을 이해하려고 시도한다. 또한 복잡계에서는 공통적으로 나비효과, 비평형상태, 비선형성, 긍정피드백, 자체조직화, 共진화coevolution 등 새로운 원리가 관찰된다. 복잡계의 경우 분석적이고 환원적인 접근이 아니라 합성적이고 全一的인 접근이 필요하다.

신경소자들의 함께 만드는 번쩍이는 패턴이 인지과정의 기저가 되듯이 복잡계의 경우 “단순한 부분의 합이 전체가 아니다”라는 새로운 방향의 패러다임의 구축이 필요하게 된다. 이러한 복잡성에 대한 새로운 인식을 바탕으로 복잡계의 원리를 공학, 생물학, 생태학, 경제와 금융계, 사회계 등에 응용하려는 시도가 활발하게 전개되고 있다. 따라서 복잡계의 연구분야는 과학의 거의 모든 영역을 포괄할 뿐만 아니라 전통적 영역을 벗어나 철학, 사회학, 경제학, 지질학, 역사학, 언어학, 음악, 미술 등과도 관련된다.
 
프리고진의 과학사상

스노우C. P. Snow에 의하면, 프리고진은 과학과 인문학이라는 두 개의 문화를 접목시키고자 하는 사람들에게는 영웅이라고 한다. 프린고진의 과학은 독립적인 변수가 아니라 사회 안에 자리한 열려진 界로서 매우 두터운 되먹임 고리feedback loop에 의하여 사회와 연결되어 있다. 따라서 그가 촉발한 복잡성의 과학은 사회과학이나 경제학과 같은 인문과학에서도 매우 중요하다. 라플라스에 의해 제창된 고전적, 기계적 세계관은 물리학, 더 나아가 과학의 기준점을 제공해왔다. 이러한 기계적 과학의 패러다임은 안정, 질서, 균등 및 평형을 강조하는 경향이 있으며, 주로 닫혀진 界 또는 입력과 출력이 선형적인 관계를 갖는 界가 관심의 대상이었다.

프리고진의 패러다임이 특별한 관심을 끄는 주요 이유는 오늘날 사회적 변화의 특징을 설명할 수 있는 무질서randomness, 불안정성instability, 다양성diversity, 비평형성non-equilibrium, 비선형성nonlinearity과 같은 실재적 현상들에 주의를 돌린 것이라고 할 수 있다. 이제 자연과학에서조차 결정론적 설명이 불가능하다면 자연과학과 사회과학의 명백한 구별이 어려워지게 된다.

프리고진의 과학사상은 전체적으로 볼 때 비결정론적, 유기체적, 생태론적인 성격을 띠고 있으며, 동양의 시간 개념과 유사한 측면이 엿보이기도 한다. 프리고진의 사상은 일단의 인문학자들에게 극도의 거부감을 주던 데카르트적 세계관의 문제를 해결하는 대안으로 여겨지고 있다. 극도의 비평형 상태에 있는 자연은 결정론적 자연법칙에 따라 움직이는 기계장치가 아니라, 인간의 행동과 마찬가지로 그 변화의 결과를 확실하게 예측할 수 없다는 것이다.

그런 의미에서 자연도 인간과 똑같은 존재라는 주장이고, 자연을 ‘스스로 존재하는 것’으로 여기는 동양사상과 일맥상통하는 면이 있다. 프리고진은 존재 그 자체를 시간과 독립된 정해진 현상으로 보는 것이 아니라, 혼돈적인 시간의 흐름 속에서 존재의 본질이 발현된다고 보고 있다. 프리고진은 동양사상뿐만 아니라 칸트, 헤겔, 베르그송, 화이트헤드, 하이데거 등의 서구철학에서 자기 사상의 원류를 찾고 있다.

카오스이론을 포함한 프리고진의 과학사상은 과학내용뿐만 아니라 포스트모더니즘post-modernism, 페미니즘feminism, 생태주의 사상에 커다란 영향을 미쳤다. 장 프랑수아 리오타르Jean-Francois Lyotard는 《포스트모던의 조건》에서 ‘포스트모던’이라는 용어에 적극적으로 의지하면서 서구의 합리주의 및 도구주의를 대치하는 인식론을 전개하고 있는데, 거기서 그는 만델브로트와 프리고진의 과학적 업적이 포스트모던한 과학지식의 특징을 지니고 있다고 주장했다. 또한 캘리포니아대 버클리캠퍼스 교수이자 미국의 대표적 진보생태여성론echofeminism 과학사가인 캐롤린 머챈트Carolyn Merchant는 비결정론적인 세계관을 제시하고 있는 카오스이론의 부상이 기계적인 세계관을 거부하는 새로운 생태주의적 사고방식의 도래를 의미하는 것이라고 주장하기도 했다.
 
맺으며

프리고진은 전통적 과학에 의하여 쪼개어진 자연의 조각들을 다시 맞추며 복잡성 과학의 확산에 근본적인 촉매역할을 수행하였다. 이제 자연과학에서도 자연법칙의 개념이 창발성의 개념과 양립할 수 있게 되었으며, 물리 현상에서 카오스와 불안정성, 확률성과 시간방향성이 생물학에서 다윈의 자연선택과 같은 역할을 하게 되었다. 새로운 복잡계 과학의 이론은 사회과학에서 필요한 새로운 아이디어를 제공해주며 경제·금융계의 확률론적 현상으로도 확장되고 있다.

이러한 복잡계 과학의 도도한 흐름 속에서 필자가 프리고진을 만나고 그 학문적 영향을 직접 받았던 것은 행운이었다. 이제 그의 촉매 역할에 힘입어 성장한 브뤼셀 학파와 후학들에 의하여 복잡성의 과학은 거의 모든 과학기술분야에 직·간접적인 영향을 미치고 있다. 프리고진이 촉발한 복잡성의 과학혁명이 21세기 과학사에서 어떻게 자리매김 할지 기대가 되지 않을 수 없다.
 
 
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각주내용

프리고진(Prigogine, Ilya)

모스크바 출생. 브뤼셀대학교를 졸업한 후 1941년 이 대학에서 박사학위를 취득하였다. 1951년부터 이 대학 교수로 있으며, 물리학·화학 연구소장(1959∼현재) 및 텍사스대학 통계열역학센터 소장(1967∼현재)을 겸임하고 있다.

비가역과정(非可逆過程)의 열역학을 체계화하고, 산일구조(散逸構造)의 개념을 제출하여 거기서부터의 요동(搖動)을 통한 질서형성을 연구하는 등 비평형개방계(非平衡開放系)의 물리학·화학을 일관적으로 추구하였다.

비평형 열역학의 기본을 이룬 산일함수를 체계화한 업적으로 1977년 노벨화학상을 수상하였으며, 89년에는 프랑스 레지옹 도뇌르 훈장을 받았다.

주요 저서로 《Etude thermodynamique des phnomnes irreversible》(1947) 《Self-Organization in Non Equilibrium System》(1977년, G.니콜리스와 共著) 등이 있다.
 
 

 
 


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