[소소한책읽기] 자연의 패턴 Pattern in Nature

 

자연의 패턴 

필립 볼의 형태학 아카이브 

https://en.wikipedia.org/wiki/Patterns_in_nature

Patterns in nature - Wikipedia

https://www.philipball.co.uk/patterns-in-nature

PATTERNS IN NATURE - Philip Ball | Science Writer

자연의 패턴

 

우리 뇌는 떼려야 뗄 수 없는 한 가지 습성을 지니고 있다. 어떤 소리와 경험이 반복된다는 사실을 처음으로 알아차린 아기 때부터, 패턴과 규칙의 인지가 생존과 세상살이에 도움이 된다는 것을 알고, 패턴과 규칙을 찾아 다닌다.

 

자연의 패턴, 이 책의 목표는 특색 있는 레시피를 소개하고, 가장 중요하게는 그 결과가 얼마나 훌륭한지 보여 주는 것이다.

 

자연의 패턴은 원초적인 기쁨을 주는 동시에, 파인만이 암시한 대로 무언가 심오한 비밀을 가리키고 있다. 자연을 이해하기 위해서는 자연을 각각의 구성 요소로 나누어 살펴볼 뿐만 아니라, 때때로 그 모든 것을 합쳐 탐구할 필요도 있다는 뜻이다. 자연계는 단순한 원리를 이용해 다양성과 풍부함, 다윈이 말한 ‘가장 아름다운 온갖 형태’를 만들어 낸다.

대칭 : 왼쪽과 오른쪽이 닮은 듯 다른 이유

대칭성은 사물이 거울에 반사되거나 회전하거나 이동할 때 어떻게 변하는지를 설명한다.

하지만 대칭성에 대한 우리의 직관은 기만적일 수 있다. 일반적으로 자연의 모양과 형태는 대치성이 생겨서가 아니라 완벽한 대칭성이 깨져서 출연한다.

 

프랙탈 : 산이 두더지가 파놓은 흙 두둑처럼 보이는 이유

서로 다른 척도에서 구별할 수 없는 배열의 성질을 프랙탈fractal이라고 한다. 이것은 자연의 패턴이 가진 두드러진 특징 중 하나이다. 프랙탈은 자연의 구조라고도 불려 왔다. 자연에 존재하는 많은 프랙탈은 처음 볼 때는 무질서해 보인다. 그러나 프랙탈 성질이 패턴에 숨겨진 논리를 드러낸다. 즉 척도가 줄어들어도 똑 같은 일반적인 형태가 계층적으로 반복된다는 것이다.

 

나선 : 달팽이와 해바라기의 비밀 수학

자연의 도처에서 나선을 볼 수 있다. 자연의 나선 대부분은 로그 나선이라 불리는 모양을 가진다. 이는 프랙탈처럼 작은 부분이 큰 부분과 똑같아 보인다는 뜻이다.

 

흐름과 혼돈 : 숨은 질서를 찾아서

많은 흐름이 난류이다. 너무 빨라서 일정한 형태가 유지되지 못하거나 완전히 예측할 수 없는 흐름이다. 그렇지만 질서가 모두 사라지는 것은 아니다. 우리 주변의 흐름이 보이는 패턴에는 신비로움과 장엄함이 있다.

 

파동과 모래 언덕 : 화학 시계가 지배하는 세계

실질적으로 자연의 모든 것은 파동이다. 파동은 공간뿐만 아니라 시간에 대한 패턴이기도 하다.

 

거품 : 별과 건축가만 공유하는 비밀

비누 거품은 정말로 시시한 아이들 장난감이라고 생각할지 모르지만 과학의 가장 위대한 정신 중 일부는 그 힘과 아름다움에 매료되었다. 잡아당기고 밀어서 우아한 곡선과 구조와 모양을 만드는 힘이 어떻게 정확한 균형을 잡는지 가르쳐 준다. 자연은 때로 유용하면서도 기발한 건축물을 짓기 위해 이런 패턴을 독창적으로 이용한다

 

결정과 타일 : 결정이 오면체가 될 수 없는 이유와 이슬람 타일 장인의 비결

 

균열 : 시간이 물체를 쪼개고 거인이 계단을 만드는 방법

파손과 붕괴도 다양한 패턴과 구조를 만들 수 있다. 균열은 성가신 것이 아니라 창의성의 원천이다.

 

점과 줄 : 표범에 얼룩점이, 얼룩말에 줄무늬가 생기는 이유

대칭은 현대 물리학자들이 세계를 이해하기 위해 이용하는 주요 개념 중 하나이다.

플라톤이 상상한 우주는 조화, 비례, 대칭의 개념에 기초한 기하학적 원리를 이용해 창조된 우주였고, 이는 이후로도 오랫동안 강한 공명을 불러일으켜 온 관점이다.

수학자들은 회전, 병진, 반사를 대칭조작(대상의 모습을 바꾸지 않는 동작)이라고 한다. 자연에서 가장 흔히 볼 수 있는 대칭 중 하나는 좌우대칭으로, 왼쪽과 오른쪽이 서로 거울상이다.

자연계에서 완벽한 균일성이나 무작위성은 놀랍게도 찾기 어렵다. 대칭성은 계속해서 깨지는 것이다. 대칭성은 깨지도록 하는 어떤 힘 때문에 깨진다.

대칭성은 패턴과 모양에 대해 유용한 사고방식을 제공한다. 심지어 겉보기에 불규칙하고 대칭성이 전혀 없어 보이는 사물에서도 수학적으로 숨은 질서를 찾을 수 있다. 수학은 겉으로 드러난 다양성의 바탕에 있는 보편적인 형태를 찾아낸다.

처음에는 기하학적으로 매우 복잡해 보이는 것에서도 그 바탕에 깔려 있는 단순성을 볼 수 있다

 

프랙탈 구조의 핵심은 그것이 만들어 내는 형태에 대한 알고리듬적인 접근에 있다. 더 작은 척도에서 거듭 반복되는 이런 종류의 구조에 대해 자기 유사성이 있다고 말하고는 한다. 프랙탈은 형상 자기 유사성이 있다. 그 구조는 계층적이다.

프랙탈은 그것이 차지하는 공간을 완전히 채우지 않는다. 빈 공간을 많이 남겨 두면서 확장해 간다.

프랙탈 가지는 생물학에서 매우 흔하게 등장한다. 따라서 프랙탈 가지가 생명체에게 유용한 어떤 기능을 가진다고 생각할 수 있다. 프랙탈 구조가 모든 지점에 유체를 수송하는 데 필요한 에너지를 최소화한다는 것이다. 이러한 에너지 절약은 생명체에 매우 큰 이득을 가져다준다

 

자연의 흐름 대부분은 난류이다. 즉 너무 빨리 흘러서 그나마 있는 질서도 순식간에 나타났다 사라진다. 하지만 더욱 고요한 흐름을 살펴보면 그 패턴은 명백하며 놀랍도록 아름답다

과학자들은 수백 년 동안 난류를 연구해 오고 있지만 여전히 완전히 이해했다고 주장하지 못한다. 한가지 방법은 그 움직임을 설명하는 올바른 방정식을 갖는 것이지만 이것을 푸는 것은 또 다른 문제이다

파동은 자연의 모든 곳에 스며들어 있다. 파동은 서로 만날 때 간섭한다. 그들이 보조를 맞추느냐 아니냐에 따라 마루와 골이 강화되거나 사라질 수도 있고, 아름다운 간섭 패턴이 나타날 수도 있다.

표면장력은 거품이 만드는 패턴을 설명해 준다. 거품은 총 표면적이 최소화되는 구조를 찾는다. 그러나 거품 벽의 구조 또한 안정해야 한다. 즉 접점에서 서로 다른 방향으로 당기는 힘들이 완벽하게 균형을 이루어야 한다.

 

결정 모양은 흔히 결정 격자에서 반복되는 가장 작은 단위의 원자 배열 모양을 반영한다. 결정은 원자들이 3차원으로 쌓인 것이다.

 

동물은 패턴의 최고 거장이지만 특정한 패션을 선호하는 것처럼 보인다. 영국의 수학자 앨런 튜링은 동물의 패턴 형성에 대한 첫 이론을 만들었다. 그 핵심은 되먹임이다. 튜링 패턴은 생물 개체만이 아니라 생태계까지도 확장될 수 있다. 결국 그 기본 요소는 매우 간단하다. 양성 되먹임으로 자신을 증폭하는 과정과, 이것을 억제하는 과정이 필요하다.