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창조설계

무질서와 복잡성

무질서와 복잡성

(Chaos and Complexity)


     아래 고찰의 대부분은 무질서, 복잡성 그리고 엔트로피(chaos, complexity, and entropy)와 관련하여 캠브리지의 이론 물리학 센터의 미셀 바랭거(Michel Baranger)가 쓴 아주 흥미로운 논문에 대해서 이루어진 것이다. 바랭거의 논문에 의하면, 무질서와 복잡성이라는 두 개념은 비록 많은 이들이 혼란스러워 하거나 같은 개념으로 이해하고 있지만, 아주 판이하게 다른 개념이다.


“무질서(chaos, 혼돈)는 복잡성(complexity)과는 매우 다르다” 무질서에는 상당히 중요한 일면이 있다. “무질서는 자주 매우 간단한 시스템의 특성이 될 수 있다.” 증명된 것처럼 “단순한 질문들은 종종 복잡한 대답들을 유도한다. 만약 어떤 단순한 운동 법칙과 단순한 초기 조건의 제시로 단순한 질문이 이루어졌다하여도, 결국 그것은 시간이 지남에 따라 물체의 운동 공간에서의 궤적을 갖으며, 무질서적으로 된다는 것이다.” “무질서는 미적분과 달리 비선형적 시스템(non-linear systems)의 결과이다” 그러나 “이것은 모든 무질서적 시스템들이 복잡하다는 것을 의미하는 것은 아니다.... 한 가지, 무질서 상태는 매우 적은 구성요소들로 발생된다. 그러나 복잡성은 그렇지 않다. 사실 무질서와 복잡성 사이에는 상당히 거대한 차이가 있는 것이다.”


복잡한 시스템(complex systems)은 비선형적으로 상호작용을 하는 많은 구성요소들을 포함하고 있을 뿐만 아니라, “구성요소들은 하나의 복잡한 시스템을 구성하기 위해 상호의존적이다.” 예를 들어 “용기에 들어있는 가스처럼, 많은 구성요소들을 가지고 있는 비복잡한 시스템을 우선 생각해 보자. 가스들 중 10개 또는 모두를 제거해 보라. 대체적으로 마지막 가스는 원래의 가스처럼 보이고 행동한다. 그러나 한 복잡한 시스템에서 같은 실험을 실시해 보라. 예를 들어 사람의 몸에서 10%를 제거해 보라. 아니면 다리를 하나 자른다고 해보자! 그 결과는 가스보다는 훨씬 더 극적일 것이다. 아직 시나리오가 남아 있다. 당신에게 머리를 잘라보라고 제안하지 않았다.”        


용기에 들어있는 가스나 “날씨 패턴”과 같은 것에서는, 어떤 특정한 분자나 일련의 분자들이 다른 일련의 분자들 보다 전체 시스템의 기능에 더 중요한 것은 없다. 복잡한 시스템은 그러한 무질서적 시스템과는 다르다. 비록 무질서적 시스템이 다소 “간단한 질문” 혹은 단순한 변수들의 집합에 기초한다 할지라도, 사실 복잡한 시스템의 작동은 무질서적 시스템의 작동보다 예측하기가 더 쉽다. 


또한, 하나의 복잡한 시스템은 기능적 복잡성을 갖는 여러 등급(scales) 또는 단계(levels)의 구조들을 가지고 있다. 예를 들어 인체를 한번 살펴보자.

등급 1 : 머리, 몸통, 다리
등급 2 : 뼈, 근육, 장기, 신경, 혈액
등급 3 : 세포, 미토콘드리아, 세포질, 핵
등급 4 : 염색체, 특수 단백질들 (각각은 특별한 기능과 역할을 가짐)...

각 등급에서 우리는 꽤 안정적인 구조를 발견하게 된다. 이 안정적 구조는 특별한 또는 고도의 기능을 수행하기 위해서 다른 구조들과 그 모양과 관계들을 유지해야만 한다. 이것은 한 복잡한 시스템의 필수적이고 근본적인 면이고, 또 다른 복잡성의 특성인 행동의 ‘출현’을 유도한다.  

여기서 사용되는 “출현(emerging or emergent)” 이라는 용어의 개념은 이 용어를 사용하거나 이해하고 있는 몇몇 사람들의 방식과는 매우 다른 것이다. 그것은 시간이 흐름에 따라 발전되는 “새로운” 기능이나 특성을 지칭하는 것이 아니다. 그것은 매우 특별한 방식으로 동시에 함께 작동되는 여러 부분 또는 과정들의 결과들이 모여서 존재하게 되는 집단적 능력(collective abilities)을 지칭하는 것이다. “출현은 하나의 등급에서 그 위의 확대된 등급으로 주의를 전환할 때 나타난다”


기능을 가지는 어떤 등급이나 단계에서 관측되어지는 어떤 하나의 기능(function)이나 행동(behavior)은, 만약 그 등급의 모든 부분들을 동시에 고려하지 않고 그것을 개별적으로 연구하였을 때, 그것이 이해되지 않는다면 출현되었다고 말해진다. 그러나 출현한 하나의 기능이나 행동은 고려된 등급에서 독특하게 나타나는 집단적 현상(collective phenomenon)으로, 이것은 어떤 등급 내 구성요소들 간의 전체적인 상호작용의 결과인 것이다. 예를 들어, 사람의 몸은 걸을 수 있는 능력이 있다. 그것은 위에서 언급한 등급 중 가장 상위 등급(등급 1)에서 출현하는 특성이다. 만약 머리, 몸통, 혹은 다리만이 따로 따로 연구되어 진다면, 걷는다(walking)는 개념은 결코 이해될 수 없다“ 걷는다는 기능을 이해하기 위해서는 인체의 모든 부분들이 고려되어야만 한다. 걷는다는 기능은 사실 이런 모든 부분들이 매우 특별한, 예측 가능한, 그리고 반복적인 방식으로 작동되는 것에 달려있는 것이다.               


“구조와 출현의 조합은 자가 조직체(self-organization)가 된다” 다른 말로 하면, 특성화된 반복 가능한 방식으로 함께 작동되는 선행(pre-formed) 조직이 걷기와 같은 조직화된 행동 패턴을 만들어낸다는 것이다. “다시 복잡성과 무질서의 관계로 돌아가 보자. 그들은 같은 것이 아니다”


“아주 기초적인 수학적 차원분열 도형(mathematical fractal)을 볼 때, 매우 ‘복잡한(complex)‘ 것처럼 보일 수 있다. 그러나 이것은 ’복잡한 시스템(complex systems)’을 말할 때의 복잡성과 같은 개념이 아니다. 단순한 프랙탈은 무질서한(chaotic) 것이고, 복잡한 것이 아니다. 또 다른 예가 앞에서 언급한 단순한 기체가 될 수 있다. 이것은 매우 무질서적이다. 그것은 지금 언급한 개념으로 복잡한 것이 아니다. 실제적으로 모든 비선형적 시스템은 언제인가는 무질서적이기 때문에, 복잡성은 무질서의 존재를 의미한다. 그러나 그 역은 성립하지 않는다. 무질서는 아주 커다란 주제이다. 많은 기술적인 논문들이 발표되었고, 많은 이론들이 입증되어져 왔다. 그러나 복잡성이라는 주제는 이것보다 훨씬 더 크다. 그것은 무질서와 관련이 없는 많은 개념들을 포함하기도 한다. 무질서는 근본적으로 순수 수학이고, 지금까지 상당히 잘 알려져 있다. 복잡성은 아직까지도 거의 모든 것이 알려지지 않았다. 이것은 이론 물리학이나, 이론적인 어떤 학문에 좀 더 가깝다. 물론 일단 모양이 갖추어지면, 많은 수학들 아마도 많은 새로운 수학들이 사용될 것이다.“      


“그래서 무질서의 영역은 복잡성의 영역에서 매우 작은 부분적 영역이다. 이 두 개념의 가장 두드러진 차이는 다음과 같다. 하나의 복잡한 시스템은 항상 여러 등급(scales)들을 가지고 있다. 반면에 무질서한 시스템은 등급 n 이 지배적이고, 그보다 위의 확장된 등급 (등급 n-1)은 자가 조직이 되어진다 (즉, 부분들의 합보다도 크다). 그러므로 복잡한 시스템의 특성 목록에 항목을 하나 추가한다면, 복잡성은 무질서와 비무질서 사이의 교차영역을 포함하고 있다는 것이다. 사실 많은 사람들이 ”복잡성은 무질서의 경계영역에서 일어난다“ 라고 제안해왔었다. 그러나 아무도 이것을 확실하게 규명하지는 못했다.        


어느 경우에라도 기후 시스템, 유체의 난류, 산맥 등과 같은 프랙탈 타입의 무질서를 보잉 747기, 자동차, 컴퓨터, 엔진, 편모, 그리고 여러 다양한 생물체들에서 발견되는 복잡한 기능을 하는 상위 등급이나 단계들과 비교하는 것은 잘못된 것이다. 이것은 단순하게 사과와 오렌지를 비교하는 것이다. 그들 각각의 복잡성은 같은 것이 아니다.

 


Sean : http://necsi.org/projects/baranger/cce.pdf

Chaos, Complexity, and Entropy
A physics talk for non-physicists
Michel Baranger Center for Theoretical Physics, Laboratory for Nuclear Science and Department of Physics Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA and New England Complex Systems Institute, Cambridge, MA 02138, USAMIT-CTP-3112

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*참조 :

1. 질서 또는 무질서?   http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=2008


번역 - 미디어위원회

링크 - http://naturalselection.0catch.com/Files/chaoscomplexity.html ,

출처 -

구분 - 4

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=2696

참고 :



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