[Science Cookie] 인류가 풀지 못한 미스테리, 나비효과 [Feat. 카오스 이론]

 

 

여러분!

혹시 나비효과라는 말 들어보신 적 있으신가요?

 

한 번쯤은 들어보셨을 법도 한 이 나비효과를

최초로 얘기한 사람은 에드워드 로턴 로렌츠라는 (Edward Norton Lorenz)

미국의 기상학자입니다.

 

나비효과라는 말의 기원은

1972년 미국과학부흥협회에서 실시했던 강연의 제목이

〈브라질에서의 한 나비의 날갯짓이 미국 텍사스에 돌풍을 일으킬 수도 있는가?〉에서 유래되었습니다.

 

이 듣기만 해도 소름돋는 이야기는

오늘날 "아주 작은 사소한 행위가 전혀 예상치도 못한 막대한 결과를 초래할 수 있다" 는 의미로 자주 사용되곤 하죠.

 

그래서 이 나비효과는 SF 영화의 단골 소재이기도 합니다.

과거와 미래를 오가는 주인공의 행위가

새로운 미래를 초래하며 벌어지는 영화인 〈나비효과〉도

이러한 SF 요소를 충분히 녹여낸 영화들 중 하나이죠.

 

이 나비효과에서 왜 하필이면 나비가 쓰였는지에 대한 이유는

1952년에 출간된 레이 브래드버리의 (Ray Bradbury)

시간여행에 관련된 SF 소설, 〈천둥소리〉 때문인 것으로 추정됩니다.

(A Sound of Thunder)

 

중생대의 나비 한 마리 때문에

미래의 대통령 선거 결과가 바뀌어

희대의 과격파 전체주의자가 당선된다는 설정이 들어가 있죠.

 

그렇다면 이 나비효과 이론이 어디에서부터 비롯되었는지

여러분들에게 소개드리도록 할게요.

물리학사를 돌이켜 보면 태양계가 돌아가는 원리를

수학적으로 입증하려다 실패한 과학자들이 무수히 많았는데요.

물리학사의 거장이라 불렸던 뉴턴마저도 그러한 과학자들 중

한 사람이었다는 게 충격적이죠?

 

도대체 왜 이런 많은 과학자들이

이 단순해 보이는 문제를 해결하지 못했던 걸까요?

 

물리학에서 물체의 움직임을 분석하고 설명하는 학문을

역학이라고 합니다.

그런데 이 역학을 이용하더라도 설명하려는 물체가

이렇게 세 개 이상이 되어버리면

서로를 간섭하는 힘이 너무 복잡해져서 설명할 수가 없게 됩니다.

이걸 물리학에서 n체 문제 또는 3체 문제라고 하는데요

태양계의 행성이 이 3체보다 더 많기 때문에 수학적으로 증명이 불가능한 것이죠.

 

이러한 이유에서 1887년에

스웨덴의 오스카르 2세가 (Oscar II)

"이 문제의 해법을 찾는 자에게 막대한 부와 명예를 주겠다"고

제안을 해 수많은 물리학자와 수학자가

이 문제에 뛰어들게 되고

이때, 이 문제의 비밀을 푼 사람이 바로

푸앵카레의 추측으로 유명한 수학자 앙리 푸앵카레입니다.(Henri Poincare)

 

푸앵카레는 이 문제를 큰 궤도 운동을 하는 두 개의 물체를 하나로 묶고

그 큰 묶음과 작은 궤도를 이동하는 한 개의 물체

이렇게 2체 문제로 단순화해서 3체 문제를 설명하는 데 성공하게 됩니다.

 

이러한 설명 방법도 상금을 받기에는 충분히 대단한 방법이었지만

이 시점에서 푸앵카레는 자신의 설명 체계의 커다란 오류를 발견해내게 됩니다.

 

앞선 2체 문제의 큰 궤도가 조금만 틀어져도

궤도가 완전하게 이상하리만큼 불규칙적으로 변화할 가능성

다시 말해 카오스(Chaos)

즉 혼돈 상태의 가능성에 대해서 발견해버리게 된 것이죠.

 

이렇게 해서 푸앵카레는

아주 미세한 변화가 완전히 다른 결과를 가져온다는

카오스 이론을 발견하게 되고

이 이론은 컴퓨터 공학의 눈부신 발전에 힘입어

작은 변화에 따른 카오스 상태를

컴퓨터를 이용해 연산하는 것이 가능해졌습니다.

 

이러한 카오스 이론에 자신이 연구하고 있는 기상변화학을 접목시켜서

에드워드 로렌츠 교수가 나비효과라는 신조어를 만들어 냈고

이것이 지금 쓰이고 있는 나비효과라는 말의 어원이랍니다!

 

그리고 여전히 아직까지도

3체 이상의 물체에 관한 비밀은 풀리지 않은 미제로 남아있습니다.