현대인들은 자연 법칙의 존재를 믿고 있다. 그들은 과학이 세계를 지배할 수 있으리라 믿어 의심치 않는다. 그렇지만 모두 잘못 생각하고 있는 것이다. 운석의 충돌, 잘못된 일기예보, 갑자기 출현하는 병원체 등 우리 삶을 두르고 있는 수많은 현상들을 예측할 수 있는 방법은 없으며, 자연과학적인 세계상에 의미 있게 부합되지도 않는다. 저명한 ZDF(독일 제2텔레비전 방송국) 집필자이자 과학 저널리스트인 요아힘 부블라트는 실증적인 방식으로 혼돈이론의 복잡한 사유 모델들을 이해하기 쉽게 설명하고, 우주의 수수께끼를 생각하는 장으로 우리들을 초대하고 있다.
자연과학적 한계를 인정하고서
“이 책은 자연과학적 세계상을 그려가면서 그 모델들의 한계까지도 제시하고자 한다. 이런 방식을 통해 자연과학적 세계상을 좀더 명징하게 평가할 수 있을 것이다. 우주를 보는 이러한 관점들을 고찰한 후에 다음과 같은 사실이 드러나게 될 것이다. 오늘날 우리가 가진 지식이 얼마나 볼품없는지, 그 지식을 발판 삼아 우주를 기술하는 것에 우리의 상상력이 얼마나 개입했는지 말이다. 그리고 우리가 해석해야 할 우주는, 우주가 팽창하는 것만큼 넓어지고 있다는 것 말이다.”
― 서문에서

혼돈이론, ‘과학성’을 똥통에 던져버린 이론?
‘과학적, 과학적’ 아무리 그래도 사회학자가 말하는 ‘과학적’은 못 미덥습니다. 그곳에서 운위되는 ‘과학성’은 ‘과학’이 말하는 ‘과학성’에는 한참이나 뒤떨어집니다(아니 그렇다고 합니다). 그건 확률로 말하자면 50% 정도의 정확성을 지녔다는 말이거나 과학성을 표방하기 위해서 일껏 ‘노력’했다는 말이거나 논리의 정확성을 지칭하기 위해서 쓰이는 말이겠지요.
그런데 사실은 ‘과학성’이라는 말로도 표현되는 ‘세계 공통’ ‘영원불변’의 진리를 지닌 듯이 보이는 과학이 전혀 과학성과 동떨어져 있다면 어떨까요. 과학이 일반화시킨 것에 불과하며 수식으로 표현되는 과학이 사실은 현실을 대표하는 것도, 현실을 적절하게 표현하는 것도 아니라고 한다면 어떨까요. ‘과학성’ 운운하다가, 고깟 것이 무슨 과학성이냐는 핀잔을 들었다면, 혹은 ‘과학성’이라 부를 수 없는 것을 수사(修辭)적으로만 사용하였다면, 사실 현실을 ‘과학적’으로 표상하는 ‘과학’이 전혀 그렇지 못하다면 고소하다고 웃을까요?
사회학자들이 혼돈이론을 접한다면 그들은 화장실에 가서 문고리 잡고 웃을 것입니다. 혼돈이론은 과학성을 똥통에 던져버렸습니다. ‘과학성’이란 그간 과학이 저지른 지나친 일반화의 결과입니다. 세상에 ‘점’에 적당한 점은 어디에도 없으며 F\u003dm·g 그대로 떨어져 내리는 물체는 없습니다. 과학이 ‘과학적’이라는 것 또한 ‘언어도단’에 가깝다고 할 수 있는 것이죠.
이 책의 저자 요아힘 부블라트는 말합니다.
“물리학적인 이론이 결국에는 충족되지 못하는 어떤 것을 그럴 듯하게 그려서 현혹시킬 수도 있다. 그 이론은 자연 안에서 종종 벌어지는 상황을 극도로 빈약하게 표현하는 데에나 충분할 뿐이다.”

혼돈이론에 관한 책은 많다, 그러나
혼돈이론은 20세기 물리학의 세 번째 혁명으로 평가됩니다. 혼돈과학은 상대성이론과 양자역학처럼 고전물리학의 결정론을 거부하고 있습니다. 하지만 그 혁명적인 이론의 의의를 충분히 감지하고 있다고 하더라도, 딱딱 맞아떨어지는 고전물리학도 지긋지긋했던 사람들이 혼돈이론에 가까이 접근하기는 어렵습니다.
혼돈이론에 마음먹고 다가가려는 사람들을 위한 혼돈이론에 대한 책은 많습니다. 하지만 그 이론이 주는 막중함을 쉽게 덜어주지는 못합니다. 우주의 기원이나 우주의 여러 가지 현상들에 대해 알려주는 것의 중간에 조금 삽입되어 있거나 어려운 설명으로 ‘마음먹은’ 사람의 기가 질리게 하는 경우가 많습니다.
요아힘 부블라트의 『카오스와 코스모스』는 ‘혼돈이론’에 여러 장을 할애해서 설명하고 있습니다. 실험 결과를 자세하게 설명하고 혼돈이론의 중요성에 대해서 역설합니다. 우주에 관한 모든 것을 알려면 다른 책을 찾으십시오. 그러나 우주의 혼돈이론에 대해서 ‘마스터’하려면 『카오스와 코스모스』를 보십시오.

“혼돈이론 별 거 아니대”
요아힘 부블라트는 세계상을 설명하는 고전물리학이 어디에서 어긋나기 시작하는지를 먼저 설명합니다. 그래서 자연스럽게 혼돈이론의 중심으로 다가갑니다.
고등학교 1학년 교과서에서 배울 진자운동은 간단한 식으로 서술할 수 있습니다. 진자운동은 더없이 간단해서 운동의 기본적인 속성인 것 마냥 여겨집니다. 하지만 진자의 밑에 전자석을 연결하고 나면 그 진자가 처음에 어디에서 출발하느냐에 따라 위치를 결정할 수 없습니다. 이와 같이 운동은 ‘결정론적 혼돈’에 빠져버립니다. 이와 같은 운동의 예를 우리는 더 들 수 있습니다. 일기예보 역시 결정하는 인자가 너무나 많기 때문에 하루나 이틀이 아니라 사나흘 뒤의 예보는 그냥 무심하게 로또복권의 번호를 찍는 것과 비슷합니다. 이런 ‘선형적인 방정식’이 아니라 결정 인자가 많은 ‘비선형적인 방정식’의 경우에는 이렇게 비결정적으로 변하게 됩니다.
하지만 이런 혼돈스런 상황에 서광이 비칩니다. 무심히 박수치는 사람들에게 마저도 그런 현상을 살펴볼 수가 있습니다. 무심히 박수치는 사람들의 소리를 주파수 별로 조사해보면 어느 순간 동조되는 박수를 치는 때가 있습니다. 그러다가 무질서한 박수로 넘어갑니다. 이런 무질서한 박수와 동조된 박수의 사이에

템포는 느릴지 모르지만, 차근차근 아름답게 채색된 화보들과 함께 책을 읽다보면 자연과학을 넘어서는, 혹은 무식하게 우리의 달달 볶았던 자연과학에 코웃음 칠 수 있을 겁니다. 자연과학 별 거 아니대! 하고 말이죠.

모든 질서는 덧없으며, 혼돈이 바로 규칙이다. 예외는 없다.
현대인들은 자연 법칙의 존재를 믿고 있다. 그들은 과학이 세계를 지배할 수 있으리라고 믿어 의심치 않는다. 그렇지만 그들은 잘못 생각하고 있는 것이다. 운석의 충돌, 갑자기 출현하는 병원체 또는 잘못된 일기예보 등, 우리 삶을 두르고 있는 수많은 현상들을 예측할 방법은 없으며, 자연과학적인 세계상에 의미 있게 부합되지도 않는다.
- 표지글 중에서

우리는 질서의 섬 위에 살고 있으며, 예측 불가능한 혼돈에 에워싸여 있다. 우주의 거대한 상호관련성을 좀더 정확하게 들여다보면 다음과 같은 사실을 알게 된다. 모든 질서는 덧없으며, 혼돈이 바로 규칙이다. 예외는 없다.
혼돈이론의 도움을 빌어 전 세계의 과학자들은 깊이를 알 수 없는 현상들의 수수께끼를 풀려고 한다. 그러나 우주는 고도로 복잡하기 때문에 우리는 그때그때마다 단편적인 현상만을 파악할 수 있을 뿐이다. 그러므로 우리는 겸손해져야 한다. 여전히 우리는 수많은 사실들을 이해하지 못한 채로 있다.
저명한 ZDF(독일 제2텔레비전 방송국) 집필자이자 과학 저널리스트인 요아힘 부블라트는 실증적인 방식으로 혼돈이론의 복잡한 사유모델들을 이해하기 쉽게 설명하고, 우주의 수수께끼를 함께 생각해 볼 수 있는 장으로 우리들을 초대한다.

1장 우주로부터의 위협
― 우리 행성계가 안전한 것은 자연의 오묘한 조화 때문이다. 우주를 떠돌아다니는 물질조각들로부터 지구가 안전한 이유는?

2장 질서, 일종의 환상일 뿐인가?
― 뉴턴의 기계론적 세계관?은 더 이상 확고한 것이 아니다. 완벽한 뉴턴식 준거틀은 순식간에 그 효력을 잃어 버렸다.

3장 세계상을 흔드는 날씨
― 우리는 혼돈의 예를 날씨에서 찾아볼 수 있다. 관광청은 기상청에 불만을 토로하지만 날씨를 예보하는 것에는 근본적인 한계가 있다.

4장 진자가 세계의 그림을 바꾼다
― 진자운동이라는 간단한 계가 자석이라는 간단한 계와 결합할 때 혼돈에 접하게 된다. 왕복운동하는 진자는 자석에 어떻게 붙들려 가느냐에 따라 복잡한 그림을 그리기 시작한다.

5장 과학자들은 세계를 단순화한다
― 물리학자들이 자연계를 분석하는 데 사용하는 수학식은 효력이 없다. 비선형적 계가 갈 때 우리는 근삿값만 구할 수 있을 뿐 정확한 해를 구할 수 없다.

6장 세계는 어지러운 혼돈
― 하나의 진자 위에 다른 진자가 있는 이중진자는 예측 불가능한 계이다. 비행기의 뒤에 조성되는 위험한 기류 역시도 혼돈을 감지할 수 있는 예이다.

7장 세계상의 폐허에서
― 모래더미 위를 흘러내리는 모래알은 어떤 규칙성을 가지고 흘러내리는가? 결정론적 혼돈은 과학자에게 처절한 패배를 안겨준다.

8장 엘니뇨와 예측 불가능한 기후 현상
― 아기 예수라는 뜻인 엘니뇨는 기후의 불가해한 특성을 보여주는 예이다. 한 방울도 내리지 않아 삭막한 사막은 어느 순간 갑자기 비가 내리고 꽃이 피기 시작한다.

9장 행성계 안에 깃든 혼돈
― 토성의 달인 히페리온은 토성의 둘레를 휘청거리면서 돌기 시작한다. 이 달은 모양새도 이상하다. 이 히페리온이 어떤 궤도를 그리는지는 아무도 예측할 수 없다.

10장 뜻밖의 결과를 품은 방정식
― 병참방정식은 자연에서 생물의 다음 세대 개체수가 어떻게 될까를 알기 위해서 유용한 식이다. 하지만 이 방정식을 잘 살펴보면 방정식의 해가 갑작스런 혼돈의 영역으로 돌진함을 알 수 있다. 초깃값의 미세한 변화, 0.3에서 0.300002로 변화만으로도 엄청나게 다른 결과를 얻게 된다.

11장 혼돈에서 건진 지푸라기
― 이 혼돈을 우리가 사전에 알아낼 방법은 없을까? 이 혼돈에 희망이 비친다. 사람들이 무작위로 치는 박수 소리에도 혼돈과 질서가 서로 갈마드는 자리가 있다.

12장 질서에의 강요
― 수도꼭지에서 흘러내리는 물방울. 혼돈스러워 보이는 이 물방울의 흐름을 규칙적으로 변화시킬 수 있다. 스피커 진동판의 떨림을 이어받은 물방울은 강요된 질서 행태를 보인다.

13장 혼돈을 향한 탐험
― 이제 혼돈 안에서 나타나는 놀랄 만한 질서 영역을 살펴본다. 4장에서 살펴본 혼돈스러운 운동을 하던 진자가 세 개의 자석 위에서 운동을 할 경우 놀랄 만큼 아름답고 질서정연한 그림을 그리면서 질서로 진입하는 것같이 보인다. 전기장의 영향하에 갑작스럽게 배열하는 쇠구슬도 또한 마찬가지다.

14장 다채로움은 속임수인가
―만델브로트는 혼돈 속에 품은 질서를 찾았다. 로마네스코 채소를 확대해 보면 되풀이해서 같은 요소들이 나타난다. 이런 자기 유사성은 자연의 다채로움이 질서를 숨겨놓은 것 같은 생각이 들게 한다.

15장 자연과학의 막다른 골목
― 루비듐 분자의 전자 분포는 과학자들이 예상하는 바대로 움직이지만 그것을 수학적으로 다루는 것은 극히 힘들다.

16장 지구는 우주에서 유일한가
― 이렇게 놀랄 만한 혼돈 속에서 일정한 질서를 유지하는 지구의 탄생은 일종의 기적이라고 할 수 있다. 그렇다면 이러한 지구는 우주에서 단 하나뿐인 걸까? 생명이 있는 행성이 탄생할 만한 가능성을 충족시키려면 어떤 조건이 필요한가.

17장 낯선 세계와의 조우
― 행성에 생명이 존재한다면 그 형태는 어떨 것인가. 중력과 대기 중 공기의 구성 성분에 따라서 어떤 모습을 띠게 될지 살펴본다.

18장 자연과학이 없는 미래?
― 이제는 믿을 수 없을 것 같은 자연과학은 폐기처분해야 하는가. 혼돈이 우리 사회에 던져주는 교훈은 무엇인가. 기술의 발전으로 자연은 인간의 손 안에 들어왔고 그 능력을 유용하게 사용하는 것이 우리가 해야 할 일이다.