복잡성 과학의 신기원을 이룩한 또 하나의 명저
20세기 후반 ‘복잡성 과학’이 등장하자 그동안 과학계에서 풀지 못했던 과제들이 다시 화두로 떠올랐다. 과거 과학계는 환원주의(자연을 이해하려면 그 구성 성분을 해독하면 된다. 즉 부분의 합은 전체이다)를 바탕으로 한 직선적인 사고방식으로 이루어져왔다. 그러나 이와 같은 방법으로는 뇌, 인간, 사회, 경제, 생태계를 구성하고 있는 각 인자들의 성질을 제대로 설명할 수가 없었다. 즉 ‘생명이란 어떻게 발현되는가? 인식이란 어떻게 생기는가? 진화의 원동력은 무엇인가? 날씨의 변화는 왜 정확히 예측할 수 없는가? 지극히 일상적인 문제도 과학으로 설명이 가능한가?’와 같은 문제들에 답을 제시할 수 없었다. 그러나 복잡성 과학을 연구하는 학자들은 현재 이러한 의문들에 좀더 적절한 해답을 제시하기 위해 여러 분야에서 활발히 연구를 진행하고 있으며, 날이 갈수록 새로운 이론이 등장하고 있다.
1987년 존 글릭은 <카오스>를 통해 대중들에게 카오스 이론을 매력적으로 설명했고, 지난 2002년 알버트 라즐로 바바라시는 <링크>를 통해 ‘네트워크 이론’을 소개하며 ‘복잡성 과학의 정수’를 이론화했다는 평을 받았다. <링크>에서 바바라시는 복잡하고 넓은 이 세상이 사실은 단순한 법칙을 통해 질서정연하게 구성되어 있다고 증명해 많은 호응을 얻은 바 있다.


무질서 속에서 질서는 어떻게 형성되는가?
그리고 여기에서 한 단계 더 나아가 스티븐 스트로가츠는 <동시성의 과학, 싱크>에서 무질서 속에서 질서가 나타나는 과정을 동조 현상(영향을 주고받되 이를 통해 서로의 무언가가 같아지는 것으로 ‘동기화’로도 번역된다)이라는 메커니즘으로 구체적이고 생생하게 보여주고 있다.

그는 엄격한 수학적 아이디어에 기초를 두고 각종 실험을 통해 원자에서 우주에 이르기까지 다양한 분야의 광범위한 협동 형태를 설명한다. 그리고 무질서 속의 질서는 다름 아닌 동조 현상에 의해 발현된다고 말한다. 즉 반딧불이는 빛으로 통신하며 수천 마리가 동시에 반짝인다. 행성들은 서로 중력으로 당기며 궤도를 돌고, 심장 세포들은 전류를 앞뒤로 통과시키며 방전한다. 우리가 생명을 유지하는 것은 심장에 있는 박동 조절 세포 수천 개가 동조해서 발화하는 덕분이다. 이런 예들이 시사하듯이 자연은 진동자들이 서로 대화할 수 있도록 가능한 모든 채널을 열어놓는 것처럼 보인다. 그리고 이런 대화의 결과는 흔히 동조 현상으로 나타나며 그 때문에 모든 진동자가 하나로 움직이는 것처럼 보인다.

이를 통해 스트로가츠는 수많은 반딧불이가 동시에 깜빡이는 이유, 초전도체 내의 수많은 원자들의 동조 현상, 태양계의 행성들이 일으키는 동조 효과, 같은 공간을 쓰는 여자들의 생리주기가 같아지는 이유, 사고 등의 명백한 원인이 없는데도 교통 체증이 일어나는 이유 등 우주와 자연, 그리고 우리의 일상에 숨어 있는 질서의 비밀들을 풀어내고 있다.

그리고 이것을 통해 우리를 둘러싸고 있는 우주가 하나의 오케스트라처럼 질서정연하게 움직이고 있다고 말한다. 그것은 생물 진동자(세포, 동물, 사람들)뿐만 아니라 무생물 진동자(진자, 행성, 레이저, 전자), 또 우리를 둘러싸고 있는 다양한 일상들도 마찬가지다.


학문의 모든 영역이 동시에 펼쳐진다
저자 스트로가츠는 지난 1998년 ‘좁은 세상 네트워크(Small World Network)' 이론을 발표해 화제가 되었던 학자다. 다섯 단계 또는 여섯 단계만 거치면 세계의 모든 사람과 통한다는 다소 무모해 보이는 이론을 수학적으로 검증해 발표함으로써 우리나라를 비롯해 세계적으로 대서특필되었다. 그는 여기에서 더 연구를 발전시켜 사람의 몸에서부터 우주의 행성에까지 발견되는 동조 현상을 탐사했다.

책에는 인문, 사회, 의학, 생물학, 천문학 등 각계의 분야에서 발견되거나 연구되고 있는 각종 동조 현상이 등장한다. 스트로가츠는 이 모든 것들을 나열하고, 통합한다. 그리고 이것들이 각 분야마다 다르게 연구되고 있지만 사실은 하나라고 말한다. 수많은 학자들의 다양한 활동상이 서술되어 있고, 그들의 연구결과가 자세히 소개되면서 우리에게 낯설었던 하나의 현상이 과학으로 승화되고 있음을 발견할 수 있을 것이다.


반딧불이 수천 마리가 동시에 깜빡이는 까닭
20세기 초반 수천 마리의 반딧불이가 동시에 깜빡이는 현상이 과학자들 사이에 논쟁거리가 되었다. 그러나 당시에는 이런 현상을 대부분 착시 현상에 불과하다고 결론 내렸다. 하지만 차츰 이 반딧불이들이 동시에 빛을 발할 뿐만 아니라 리듬에 맞춰서 발광한다는 사실이 밝혀졌다. 도대체 무엇이 이들을 동시에 행동하게 만드는 것일까?

그것은 반딧불이의 뇌 속 어딘가에 있는 가상의 진동자가 다른 반딧불이의 빛을 감지하고 자신도 주기적으로 반짝이도록 만드는 것이다. 소음 속에서도 어떻게든 다른 것들과 동조할 수 있도록 스스로 자기 조직화한다. 곧 동조는 상호 신호를 통해 생성되며, 지휘자 없이도 정확하게 연주할 수 있는 오케스트라 단원들처럼 행동하게 만든다.

특히 수컷들만 이렇게 동시에 깜빡이는데, 이것은 아마도 수풀 사이로 자신들을 보지 못하는 암컷을 유혹하기 위한 것인지도 모르며, 또 집단 속에 섞여 있는 것이 가장 안전하다는 이치를 반영하고 있는지도 모른다.


같은 공간에 있는 여성들의 생리주기가 같아지는 까닭
인간 종에서 동조를 하는 것은 여성이다. 같은 공간을 사용하는 여성들의 월경 주기가 같아지는 것은 널리 알려져 있는 사실이지만, 한때 과학계에서는 이를 인정하지 않으려 했다. 이것은 마르타 매클린톡과 주느베에브 스위치의 연구 결과 페르몬과 관련이 있다고 알려졌다. 그리고 이와 같이 되는 까닭은 아마도 여성들이 무의식적으로 친구들과 같은 시기에 배란하고 임신하려 하고, 적과는 배란 주기를 다르게 하려 하는 것일지도 모른다고 말한다. 곧 자신이 잘못 되더라도 자신의 자식만은 살릴 수 있기 때문에 그렇다는 것이다(자신이 잘못되어도 자식은 친구의 젖을 먹을 수 있을 테니까). 이것은 다른 포유동물에서도 실제 행해지고 있다. 동조 집단에 속해 있는 들쥐 암컷은 혼자 있는 어미가 키운 암컷보다 몸집이 더 크고 건강한 새끼를 낳으며, 임신 주기도 비슷하다고 알려져 있다.


체르노빌 원전 사고가 새벽에 일어난 까닭-인간 하루주기리듬
인간의 몸 자체가 수조 개의 시계로 구성되어 있을 가능성도 있다. 달리 말하면 우리가 시계를 가지고 있는 것이 아니라 우리 자체가 시계일지도 모른다는 뜻이다. 많은 학자들은 격리 실험과 동물 실험을 통해 인간 내부에 존재하고 있는 이와 같은 하루주기리듬을 발견해냈다. 그것은 시신경 교차상핵의 뉴런 수천 개 중 많은 수가 서로 동조하며 자발적으로 주기를 만들어내는 것이다.

이 결과 사람은 계속 진화를 거듭해 24시간 패턴으로 강하게 동조되어 있었다(그렇지 않은 사람도 많다. 그들은 자신의 수면주기를 24시간 패턴에 맞춰야 하기 때문에 많은 괴로움을 겪는다). 그리고 이런 동조에 혼란이 일어나면 수면 부조화로 괴로움을 겪게 된다. 즉 밤낮을 바꿔가며 순환 근무를 하고 있는 사람들이 겪고 있는 가정불화와 건강문제, 인도의 보팔 화학공장, 구소련의 체르노빌 원전 사고, 미국 스리마일 섬의 원자력 발전소가 새벽 0시~4시 사이에 일어난 까닭이 바로 교란된 동조가 빚어낸 산물이다. 24시간 주기에 동조된 사람들의 경우 오전 4~6시가 반드시 자야만 하는 시간으로 나타났고, 이 시간대에 의무적으로 깨어 있어야 하는 사람들에 의해 대형 사고가 일어나곤 했던 것이다. 주야 교대 근무를 하는 노동자들은 이 시간대를 좀비(걸어다니는 시체) 시간대라고 부른다. 이 시간대는 실험에 의하면 우리 신체 속에 확고하게 내장되어 있었다.


공룡의 멸종, 지구에 물이 생긴 까닭-무생물의 동조
동조는 살아 있는 생물체에서만 발생하는 것이 아니다. 1665년 호이헨스의 진자시계에서 나타난 동조 현상은, 마음도 생명도 없는 사물도 자발적으로 동조를 한다는 사실을 가르쳐주었다. 그리고 이 현상을 이용한 과학기술이 꽃피게 되었다. 이를테면 레이저를 이용한 수많은 기술, 즉 레이저 각막수술이나 CD 플레이어, 바코드 판독기 등과 같은 것이 바로 그것이다. 가지런하면서도 밀집된 빛이 가늘게 쏘아지는 레이저는 수조 개의 원자들이 동조 상태에서 발하는 빛의 파장을 이용해서 만들어졌다. 또 송전망의 통합도 동조 현상을 이용했다. 서로 몇백 마일씩 떨어져 있는 발전기들이 이것을 이용해 서로 연결되었고, 다른 지역에 있는 발전 시설끼리도 전력을 사고팔 수 있게 되었다. 이밖에도 라디오, 휴대전화, GPS 등도 동조(동기화) 현상을 이용한 것이다.

이것은 우주에서도 마찬가지다. 달이 지구 주위를 한 바퀴 공전하는 동안 지구도 한 바퀴 자전한다. 이 때문에 우리는 1년 내내 달의 한쪽 면밖에 볼 수 없다. 또 행성의 동조 현상이 공룡의 멸종을 불러일으켰고, 그 덕분에 인간이 진화할 수 있었다는 이론도 나왔다. 화성과 목성 사이에 있는 소행성대에는 수백만 개의 바위가 존재한다. 이 바위들은 태양과 목성의 중력을 받아 움직인다. 그런데 소행성대에는 밀도가 희박한 간극이 존재한다. 그 간극의 공전주기와 목성의 공전주기는 늘 질서정연하게 일정하다. 그러다가 목성의 중력이 어느 순간 소행성대의 틈새로 우연히 들어오게 된 어떤 소행성을 동조시켜서 밖으로 추방해버린다. 이중 어느 운석이 지구와 충돌했는데, 그 속에 있는 성분이 지구에 물을 만들어주었다는 것이다. 지구에 터무니없이 물이 많은 이유는 얼음이 풍부한 물체가 소행성대에서 벗어나 운 좋게 지구와 충돌한 결과이다. 이것이 사실이라면 우리는 천문학적인 동조에 깊이 감사해야 한다. 공룡을 멸종시켜서 우리의 조상이 살 수 있는 공간을 제공했을 뿐만 아니라 그 이전에 물을 공급해서 지구에 생명이 나타나 번성하는 것을 가능하게 해주었기 때문이다(166~174쪽).


런던 밀레니엄 다리의 실패-사람들의 동조가 빚은 비극
2000년 6월 10일 영국의 밀레니엄 다리가 대중에게 공개됐다. ‘빛의 칼’이라는 별명이 붙은 이 다리는 디자인(직선이 아니라 S자형)과 기술적 측면이 모두 훌륭하다는 평가를 받았다. 그런데 개통하자마자 다리가 흔들리고 말았고, 개통 이틀 만에 폐쇄되었다. 원인은 사람들의 동조 때문이었다. 수백 명의 사람들이 동시에 다리에 진입하자 다리 표면이 S자로 수평 진동했고, 다리가 흔들리자 보행자들은 무의식적으로 그 흔들림에 맞춰 걷는 속도를 조절했다. 이것이 진동을 증폭시켜 더 많은 사람들의 몸의 균형을 잃게 만들었다. 이들이 동시에 같은 쪽으로 흔들리자 사람들 간의 동조가 점점 커지고 진동도 계속 가중되었고 마침내 좌우로 20센티미터까지 흔들리게 되었던 것이다.


6단계만 거치면 모든 사람이 연결된다-좁은 세상 네트워크
저자 스트로와츠는 1998년 던컨 와츠와 복잡한 네트워크를 최초로 비교 분석한 논문을 발표했다. 이 논문에는 네트워크의 노드들은, 그것이 뉴런이건 컴퓨터건, 사람들이건, 발전소건 간에 모두가 매개물의 아주 짧은 연쇄를 사이에 두고 연결된다는 걸 증명했다(이 이론을 바바라시가 발전시킨 것이 바로 <링크>라는 책이다). 그리고 그들은 이 원리를 ‘좁은 세상 네트워크’라고 이름 붙였다.

이 논문이 발표되자 국내를 비롯한 세계의 학계가 술렁였다. 인간이 만든 송전망을 비롯해 진화의 산물인 뉴런, 또 우리가 구성되어 있는 사회가 모두 좁은 세상으로 연결되어 있다고 하니 자연 놀랄 수밖에 없었다.
이것으로 사람들 사이에 재미삼아 행해지던 영화배우 케빈 베이컨 ‘6단계 법칙’이 실제로 증명된 셈이다. 이것은 케빈 베이컨과 6단계만 거치면 모든 미국 영화배우가 연결된다는 일종의 게임이다(KAIST의 정하웅 교수가 이것을 한국 영화에 적용해 자료를 조사하기도 했다. 그 결과 중 하나가 이대근과 김정은이 3단계 분리로 나타났다).

좁은 세상에는 좋은 점도 있고 나쁜 점도 있다. 전염병과 바이러스 등이 급속하게 퍼지는 단점이 있는가 하면, 아이디어, 유행 등은 이 네트워크를 잘 활용하면 성공을 거둘 수도 있다. 한 개인의 측면에서 보면 최단 경로를 이용해 자신의 네트워크를 크게 확대할 수도 있다. 아무튼 ‘세상 참 좁다’는 게 사실로 입증된 셈이다.


유행, 폭동, 교통체증-사람 사이의 동조
음악회나 축구장 같은 곳에서 사람들이 박수를 치는 경우, 처음에는 무질서하게 소리가 나다가 서서히 규칙적으로 일치된다. 이것은 서로가 동조되어 있는 경우에 나타나는 현상이다. 그러나 심리적으로 서로 연결되지 않으면 박수소리는 같아지지 않는다. 의무적으로 동원된 군중 사이에서 동조된 박수소리가 나오지 않은 것은 바로 그 때문이다. 스트로가츠는 유행과 폭동, 교통체증 등과 같은 인간의 집단행동도 동조 현상으로 풀어보려고 노력한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이와 같은 상황을 점검한 결과 이것들도 동조 현상이 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다.


일본 어린이들이 <포켓몬>을 보고 졸도한 까닭-뉴런의 동조
또 인간이 환경에 동조하는 사례도 있다. 이것은 1997년 <포켓몬>을 시청하던 수백 명의 일본 어린이들이 졸도한 사건에서 드러났다. TV 화면에서 나오던 폭파 장면을 보던 어린이들이 광민감성 간질 발작을 일으키며 졸도한 것이다. 이것은 깜박이는 불빛에 뇌파가 동조되어서 생긴 동조 교란인 것으로 생각되고 있다. 이 때문에 뇌의 뉴런이 잘못 발화해서 졸도하게 된 것이다.

스트로가츠는 인간의 의식도 동조 현상으로 파악한다. 수많은 뉴런들의 동조에서 의식이 생겨나고, 우리가 무엇을 느끼고 기억하게 된다는 것이다. 이것은 아직 정확하게 증명이 되진 않았지만 여러 신경생물학자들이 다양한 가설과 실험으로 이를 증명하려고 노력하고 있다. 이것이 사실이라면 인간은 로봇에 더 가까울지 모른다고 말한다. 배고픔을 느끼고 친구의 얼굴을 인식하고 뭔가를 사야 한다는 것을 기억하는 일들이 순간순간 뉴런들의 어느 줄이 우연히 서로 동조하고 있는지에 따라 결정되기 때문이다.