Ubiquity: Why Catastrophes Happen

Criticiality

산불, 주가폭락, 전쟁발발, 지진, … 이러한 격변의 물리학 임계현상에 대한 책.

Excerpts

제일 원인

p32
그러므로 카오스만 가지고는 왜 나비가 태풍을 일으키는지 설명할 수 없다. … 왜 작은 원인이 거대한 격변을 일으키는지 설명하기 위해서는 뭔가 다른 것이 필요하다. 카오스는 단순한 예측 불가능성을 설명하지만 격변 가능성을 설명하지는 못한다고 말할 수 있다.

지진

p48
세계 어디에서도 파크필드만큼 확신에 찬 지진 예측은 없었다. 지진이 1986년에서 1993년 사이에 일어날 확률은 95퍼센트이다.

무대는 설치되었다. ‘이코노미스트’지는 1987년의 기사에서 파크필드를 ‘지구물리학의 워털루’라고 말했다. 지진이 예측에 따라 일어나지 않는다면, “지진은 예측 불가능하고 과학이 패배하는 것이다. 그때는 어떤 변명의 여지도 없다. 이런 일에 대해 이렇게 주의깊게 매복 작전을 펼친 적은 없었기 때문이다.” 하지만 지구물리학자들에게 돌아온 것은 또 한번의 참담한 실망이었다.

터무니없는 추론

p64

왜 이 패턴을 멱함수 법칙이라고 부를까? 이것은 곧 알 수 있다. 먼저 이것은 ‘전형적’이거나 ‘정상적’인 조각의 크기는 얼마인가라는 처음의 질문에 어떤 대답을 내놓는가? 몸집을 마음대로 줄일 수 있다고 상상해 보라. 손가락을 딱 마주치기만 하면, 당신의 몸이 금방 앵두 크기에서 콩 크기로, 다시 개미만 하게 변할 수 있다고 하자. 이런 능력이 있으면 조각의 더미를 검사하는 데 아주 편리할 것이다. 어떤 규모를 보아야 한다면, 그 크기로 몸을 줄인 다음에 걸어다니면서 당신의 몸과 비슷한 크기의 조각을 보면 된다. 몸을 콩알만 한 크기로 줄였다고 하자. 이 크기에서 한동안 둘러보면서 풍경에 대한 느낌을 얻는다. 여기에서 대략 콩알만 한 조각들을 보고, 얼마간 크거나 작은 것들도 본다. 그런 다음에 몸을 더 줄여서 열 배 작은 규모를 조사한다고 하자. 훨씬 더 작은 이 규모에서도 풍경은 거의 비슷하다는 것에 놀랄 것이다. 콩알만 한 크기였을때 자신의 무게와 비슷한 모든 조각에 대해서 그 절반 무게의 조각들은 대략 6배 많다는 것을 알게 될 것이다. 몸의 크기를 줄여도 항상 그 전과 거의 같은 풍경을 볼 것이다. 여전히 자신과 비슷한 무게를 가진 조각에 비해 절반 무게의 조각이 6배 많다. 어떤 규모에서도 풍경은 정확하게 똑같은 느낌을 줄 것이다. 따라서 한참 뒤에 몸을 몇 번이나 절반으로 줄였는지 잊어버린다면, 풍경만 보고 그것을 알아낼 수 없다.

역사의 우연

p84
James Watson과 함께 DNA를 발견한 Francis Crick은 얼어붙은 우연을 진화 과정의 본질적 요소라고 말했다.

Diffusion Limited Aggregation을 연상시킨다. 이 책에서도 DLA를 먼저 소개했다.

운명의 돌쩌귀

p90
Albert Camus의 말을 빌리면, 위대한 아이디어는 ‘레스토랑의 회전문에서 탄생’한다. 이 말을 현대의 전문적인 과학에 적용하면, 서로 다른 분야의 과학자들이 의견을 교환할 때 위대한 아이디어가 나온다.

p100
새로 만든 규칙을 Per Bak과 첸의 게임에 적용해서 나온 것이 올라미-페터-크리스텐슨 게임이다. … 이 게임에서 더 많은 것이 밝혀졌다. … 따라서 대지진이 일어나지 않은 시간이 오래되면 될수록 더 오래 기다려야 대지진이 일어난다는 것이다. … 그 다음 지진이 찾아올 때까지의 ‘대기 시간’분포를 보아야 한다. 이 분포도 멱함수 법칙을 따른다.

p102
Richard Feynman은 양자론을 공부하는 학생들에게 “어떻게 그렇게 될 수 있을까?”라는 질문을 던짐으로써 지적인 심연에 빠져들지 말라고 조언했다. 양자 세계의 거주자들은 우리의 고전적인 선입관에 따라 움직이기를 강요당할 아무런 이유가 없다.

p105
Francis Crick은 이렇게 말했다. “내 경험에 따르면, 대부분의 수학자들은 지적으로 게으르고 특히 실험 논문을 읽기 싫어한다.” 무엇보다 대학 기초 지구과학조차 수강하지 않은 이론가 몇 명이 나타나서, 실제 지진의 복잡한 물리적 상황과 거의 무관한 Toy model로 지진을 설명할 수 있다고 주장하고 있는 것이다.

p107
임계상태는 겉보기에 아주 평범한 대상에서 나왔다. 이것은 자석에 대한 연구에서 나왔고, 물이 가열되어 증기로 변하는 상황을 분자 단위로 세밀하게 연구할 때도 나타났다. 그리 주목할 것도 없어 보이는 이 결과가 30년 전에는 현대 물리학에서 가장 도발적이고 강력한 개념을 탄생시켰다. 그러나 물리학 바깥에는 이 개념이 거의 알려지지 않았다. 오늘날 물리학자들은 이 개념을 가지고 지진, 생리학, 진화생물학, 경제학처럼 물리학과는 동떨어져 있다고 생각되는 과학들에게 영구적인 발판을 마련했다.

자석

p108
카피차는 한때 영국을 방문했다가, 왕립학회 연구실 한쪽 벽에 그려진 악어 그림의 의미에 대해 질문을 받았다. 그는 이 그림을 유심히 들여다본 뒤에, 이것은 과학의 본질에 대한 진술이라고 해야 적절한 해석이 될 것이라고 말했다. 그는 이렇게 지적했다. “악어는 머리를 돌리지 못한다. 과학과 마찬가지로 악어는 모든 것을 잡아먹는 아가리를 가지고 언제나 앞으로만 나아간다.”

… 이렇게 해서 과학은 자석의 수수께끼를 잡아먹는 데 도합 4백 년이나 걸렸다. 그러나 이 수수께끼를 풀면서 물리학자들은 심오한 교훈을 얻었다. 세계는 보이는 것보다 단순하다. 어떤 것을 이해할 때 세부적인 것이 거의 문제가 되지 않는 경우도 있다.

p110
우리가 보는 보통의 자석은 화살표의 군대라고 볼 수 있다.

p121
그러나 … 산소, 네온, 일산화탄소 같은 다양한 물질들이 기체에서 액체로 상전이할 때의 임계숫자가 모두 똑같았다. 물리학자들은 어리둥절해졌다. 게다가 화학물질을 혼합할 때 생기는 상전이에서도 똑같은 임계숫자가 나오자 물리학자들은 더욱더 당혹스러워졌다. … 가장 놀라운 것은, 온사거가 연구한 장난감 자석을 3차원으로 확장했을 때도 똑같은 임계숫자가 나왔다는 것이다. 이것은 매우 조악한 자석의 모델이고, 화학물질의 혼합이나 액체의 응축과는 정말로 아무 관계가 없는 상황이었다.

p122
카다노프는 … 임계숫자를 연구했다. … 몇 차원에 존재하는지가 임계숫자를 결정하는 한 가지 요인임을 알아냈다. 또 계를 구성하는 개별 요소의 형태도 또 다른 요인임을 밝혔다. … 그러나 놀랍게도 카다노프는 이런 요인들 말고는 다른 어떤 요인도 상관이 없다는 것을 알아냈다. … 물리학자들은 이 놀라운 기적을 임계상태의 보편성(Universality)이라고 부른다.

임계적 사고

p136
산불이 잦지 않았기 때문에 나무는 점점 더 빽빽하게 자라났고, 이런 경향을 막는 것은 아무것도 없었다. … 마침내 성냥이 떨어지자 그 결과는 참혹했다. … 맬러머드와 동료들은 여기에 Yellow Stone Effect라는 이름을 붙였다. 미국 토지관리사무소는 자연적으로 일어나는 산불을 억제하려고 안간힘을 썼지만 산불이 최근에 더 자주 일어났으며, 훨씬 더 심각하고 통제하기 어려웠다고 인정했다.

살육의 시대

p151
KT 경계에서 앞선 시기는 백악기 (영어로 Cretaceous이지만 독일어로 Kreide여서 KT의 머리글자 K가 나온다.) 이고, 그 뒤에 오는 시기는 제 3기 Tertiary이다.

p162
모든 화석 기록은 불가피하게 현재를 향해 왜곡되어 있다. Monograph effect 라고 부르는 문제도 있다.

생명의 그물망

난폭한 변이

모든 의지에 반하여

p229
2000년 초에 영국의 물리학자 마르크 메자드와 장-필립 보샤드는 … 설명했다. … 사람들의 재산이 매년 무작위의 비율로 줄어들거나 늘어난다고 가정했다. 투자에는 ‘확실한 것’이 없기 때문에 한 개인이 얻는 수익은 진정으로 한 해 동안 무작위로 변한다. 그러나 무작위 변화의 크기는 개인의 부에 비례한다. 부자는 더 많이 투자하기 때문에 가난한 사람보다 더 많이 잃거나 더 많이 번다. 또 하나의 가정으로, 각 개인이 다른 사람을 위해 일하거나 투자해서 그들의 부를 늘려준다고 보았다. … 이렇게 뻔한 가정만을 집어넣은 단순한 게임에서 부의 멱함수 법칙이 나오는 것을 발견했다.

지적인 지진

수의 문제

p276
보어 이전에도 다른 사상가들이 물리학의 개념을 인문학에 끌어들여 Albert Einstein의 상대성 이론에 대한 잘못된 이해를 전파한 적이 있다. 아인슈타인 자신은 이런 노력에는 어떤 정신병리가 있다고 생각했다.

“물리학의 공리를 인간의 삶에 적용하려는 현재의 유행은 잘못되었고, 얼마간 비난받아야 한다고 나는 믿는다.”

그러나 양자역학과 상대성이론은 … 어떤 형태로든 역사가 개입되지 않는다. .. 상호 작용하는 사물의 집단에서 영향이 전파되어 질서와 무질서를 가져오고 변화를 일으키는 방식에 대해 임계상태의 특성이 뭔가 심오한 것을 말해준다면, 사회학자와 역사가들도 가치 있는 개념을 찾아낼 수 있을 것이다. 너무 빠져들지 않도록 조심하고, 너무 많은 교훈을 얻으려고 하지 않는다면, 임계상태는 인간 역사가 어떻게 전개되었는지에 대해 약간의 암시를 줄 수 있다.

역사의 문제

p278
Edward Carr의 견해에 따르면, 역사에서 진짜로 중요한 힘은 집단적인 운동이다. 집단적인 운동은 한 개인에 의해 일어날 수도 있지만, 엄청난 수가 그 운동에 참여하기 때문에 중요하다. 그는 이렇게 결론을 내렸다. “역사는 상당한 정도로 수의 문제이다.”

p285
카는 모든 역사가들이 “그들의 모자 안에 벌을 두고 있다”며 독자는 이것을 꼭 염두에 두어야 한다고 했다.

“역사 책을 읽을 때는 항상 윙윙대는 소리를 들어라. 이것을 감지하지 못하면, 당신과 그 책을 쓴 역사가 둘 중 하나는 음치이거나 우둔한 개이다. 사실들은 생선장수의 좌판에 놓인 물고기가 아니라 광대하고 때때로 접근 불가능한 대양에서 헤엄치는 물고기들이다. 역사가들이 어떤 물고기를 낚아올릴지는 부분적으로 우연에 의존하지만, 주로 그가 어떤 위치에서 어떤 방법으로 낚시를 하는지에 따라 달라진다. 물론 역사가는 자신이 잡으려는 물고기의 종류에따라 위치와 방법을 달리할 것이다.”

결론을 대신하는 비과학적인 후기

p302
톨스토이는 War and Peace 에서 왜 전쟁과 혁명이 일어나는지 물었다. 물리학자들은 제멋대로 사물을 단순화하고 추상화하지만, 그들이 얻은 통찰이 언젠가는 역사의 문제에 대한 톨스토이의 대답보다 더 나은 답을 찾으려는 역사가들에게 도움을 줄 것이라는 추측은 그리 지나치지 않은 것 같다.

“우리는 모른다. 다만 어떤 행위를 성취하기 위해 사람들이 일정한 결합을 형성하고 모든 사람들이 그것에 참여한다는 것을 알 수 있을 뿐이다. 우리는 이것이 인간의 본성이며, 이것이 법칙이라고 말한다.”