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다가올 미래를 최선으로 만들어줄 수 있는 과학을 준비하라!

아주 사소한 자연ㆍ인간 사회의 움직임에서 미래의 거대한 변화를 예측해보는 『급변의 과학』. 인간 사회와 자연계에서 일어나는 진화와 기후, 사회 변화 등 여러 급변 현상을 구체적인 사례와 일반 모형을 통해 자세하게 설명하는 책이다. 전이 현상들에 대한 이해와 예측 그리고 그것을 회피하거나 촉진시키는 과정에 대해 살펴본다.

모두 세 부분으로 나누어 여러 형태의 변화에 대한 기초적인 이론을 설명하고 각 이론의 구체적인 예를 검토하고 현실적인 관점에서 시스템의 한 상태가 다른 상태로 급작스럽게 변해간다는 뜻을 가진 임계전이가 일어나는 과정에 대해 설명한다. 이를 통해 우리가 살고 있는 복잡계 동역학의 세상을 제대로 이해할 수 있도록 도와준다.

자연과 인간 사회의 급변 현상이란 과연 무엇인가?

지금은 상상하기 어렵지만 6,000여 년 전 서부 사하라 지역은 방대한 초목과 많은 습지를 가진 습한 지역이었다. 오늘날 사하라 사막에서 발견되는 하마와 같은 동물 뼈의 흔적은 이 지역이 한때 초목이 무성했음을 잘 보여준다. 북아프리카 연안 해양 퇴적물의 먼지 양을 분석하면 사하라 사막이 어떻게 변화하여 지금의 상태가 되었는지를 알 수 있다. 이러한 사막화는 그 지역의 생태계가 안정적인 상태에서 벗어난 것을 의미하는데, 이는 농경과 기후 시스템 사이에 일어나는 피드백으로 설명될 수 있다. 우리는 과거에 일어난 급격한 전환의 원인을 매번 설명할 수는 없지만, 지금의 상황을 보면 이와 비슷한 현상이 미래에 과연 일어날 것인지 궁금해질 수밖에 없다. 또한 우리가 그런 현상을 과연 예측할 수 있을지, 또는 막을 수 있을지에 대한 의문을 품게 된다.

유사한 현상은 인간 사회에도 반복적으로 나타나고 있다. 인류 역사를 돌이켜볼 때, 고대문명의 급작스러운 종말은 가장 오래된 수수께끼 중 하나이다. 물론 그 사회 구성원 모두가 한꺼번에 사라진 것은 아니다. 고대문명의 멸망에 대해서는 다양한 설명이 가능하다. 중요한 자원의 고갈, 외부 부족의 침공, 지진이나 홍수 기후변화와 같은 자연재앙이 원인이 될 수도 있지만 이런 개별적인 설명은 사라진 고대문명들의 공통 패턴을 설명해주지는 못한다. 대개 불운한 사건이 동기가 되어 역사적으로 잘 알려진 사회가 멸망한 것으로도 볼 수 있지만, 독특한 사회구조를 가진 복잡하고 정교한 사회 시스템은 쉽게 붕괴하는 경향이 있는 것으로 보인다. 고대사회의 멸망은 외부적인 힘뿐만 아니라 복잡한 사회가 가질 수밖에 없는 내부적 허약함의 점진적인 증가에 의해서도 발생할 수 있음을 말해주고 있다.

경제, 금융, 정치, 사회, 과학기술 등 매우 다양한 분야에서 사회급변현상은 빈번히 나타나므로, 인문학, 사회과학, 자연과학 사이의 학제간 연구를 필요로 하는 분야이다. 부산대학교 사회급변현상연구소에서는 다양한 학문분야의 연구자들이 모여 공동연구를 통해 다양한 연구성과를 도출하고 있다. 『급변의 과학』 번역작업은 그러한 연구활동의 한 성과로, 해양과 호수, 기후, 진화, 인간 사회 등 다양한 분야에서 일어나는 급변현상들이 어떤 영향을 미치는지 소개하고 있다.

『급변의 과학』의 원제목은 ‘Critical Transitions in Nature and Society’이다. 여기서 이 책의 주제어라고 할 수 있는 critical transition을 이 책에서는 ‘임계전이’로 번역했다. 임계전이란 시스템의 한 상태가 다른 상태로 급작스럽게 변해간다는 뜻이다. 그런데 그 이전에는 변화의 조짐이 표면적으로는 전혀 관찰되지 않는다는 면에서 일반적인 전이와는 다르다고 할 수 있다. 또한 임계전이는 그 이전과 이후의 상태가 극단적으로 대비되며, 다시 원상태로 돌아가기가 매우 어렵다는 특성이 있다. 임계전이는 자연계에서 흔히 관찰되는 아주 자연스러운 현상이다. 숲이 우거진 지역이 사막이 된다든지, 또는 해초류가 무성한 해안이 사소한 변화에 의해 백화현상을 보인다든지 하는 예를 들 수 있다.

문제는 자연과 인간 세계에 나타나는 임계전이 현상이 시대와 상황에 따라 다르게 나타나므로 이를 일반화하는 것은 매우 어려운 작업이라는 것이다. 그럼에도 임계전이가 일어나기 전에 보이는 여러 조짐을 파악할 수 있는 방법, 그리고 그 임계전이가 인류에게 유해한 것일 경우, 최대한 그 전이 상황을 지연시키거나 방지하는 다양한 방법에 대하여 여러 예를 통하여 설명하고 있다. 특히 요즘 가장 문제가 되는 지구온난화 현상은 임계전이의 가장 대표적인 예가 될 수 있다. 한 가지 유의해야 할 점은 전이시간이 매우 상대적이라는 것이다. 어떤 경우 며칠이 될 수도 있고, 지구과학적 관점에서 본다면 수천 년 동안 임계전이가 일어날 수 있다.

자연과 인간 사회의 사소한 차이가
어떻게 어마어마한 변화를 가지고 일으킬까?

이 책에서 저자는 호수, 기후, 진화, 바다, 토양 생태계, 그리고 인간 사회에서 나타나는 급변 현상을 다양한 예를 들며 설명하고 있다. 모든 급변이 일어나기 전에 그 전조가 여러 형태로 나타난다고 했는데, 우리는 이 조기신호를 어떻게 알아채서 때로는 손해를 줄일 수 있고 때로는 바람직한 상태로 변화시킬 수 있을까? 임계전이에 앞서 나타나는 조기신호가 가지는 공통적인 특성은 회복력의 감소라고 할 수 있다. 건강한 숲은 특정 일부 지역이 파괴되어도 금방 다른 생물종이 그 지역을 채워 나간다. 그러나 임계전이에 가까이 다가간 시스템일수록 작은 변화에도 적절히 변화를 하지 못한다.

예를 들어 바다에서 잡히는 물고기 양의 변화는 해당 물고기의 회복력을 보여주는 가장 중요한 지표라고 할 수 있다. 이 경우 그 회복력이 일정 이하로 떨어지면 바로 물고기 잡이를 멈추어야 한다. 이 의미는 단순히 새끼를 보호하여 개체수를 늘린다는 식으로 해석하는데 이것은 임계전이를 잘 이해하지 못하는 전형적인 모습이다. 이를 임계전이적 관점에서 본다면 그 새끼 물고기의 수가 일정 이하로 떨어지면 다시는 그 수를 회복하지 못한다는 것이다. 그것을 이전의 상태로 회복시키려면 엄청난 노력과 재원이 투입되어야 한다는 것. 예를 들어 어업활동을 줄이고 기다리면 곧 어획량이 복원될 것이라는 막연한 소망은 임계전이를 이해하지 못하는 데서 나오는 대책이라고 본다.

크게 본다면 『급변의 과학』은 복잡계 연구에 대한 책이라고 할 수 있다. 우리 사회는 점점 기존의 전통적인 과학모형으로는 해석하기 힘든 일들이 많이 일어나고 있다. 현대 사회에서 복잡계 연구는 어떤 역할을 하고 있을까? 과학은 항상 예측을 그 생명으로 한다. 과학이 발전하면 할수록 이전에 미해결된 문제가 풀리기도 하지만, 한편으로는 그 문제의 해결이 얼마나 어려운지를 알려주는 역할도 한다. 복잡계 과학은 전통적인 과학적 방법으로는 해결할 수 없을 정도의 복잡한 상호작용을 해결하기 위한 방법의 일환으로 연구되고 있지만, 아직 복잡계 연구의 결과가 미래를 잘 예측하는 데 썩 훌륭한 결과를 내지 못하는 것은 사실이다. 그렇지만 복잡계 연구는 이전의 전통적인 과학이 해결하지 못한 문제에 몇 발자국 더 가까이 접근하는 데 성공했으며 이런 방법은 새로운 방법을 창출하는 데 큰 도움을 줄 것으로 보인다. 특히 요즘은 트위터 등 소셜 미디어의 내용을 분석하여 영화와 같은 문화상품의 흥행여부, 정치, 경제문제를 예측하고자 하는 연구가 활발히 진행 중이다. 복잡계 연구는 매우 흥미로운 분야이며 그 발전 가능성은 무궁무진하다고 할 수 있다.

이 책의 구성

이 책은 생태계와 기후, 사회에서 일어나는 전이 현상들을 이해하고 예측하며 그것을 회피하거나 촉진시키는 과정에 대하여 다룬다. 우리가 이러한 움직임에 주목하는 데에는 두 가지 이유가 있다. 첫 번째, 급진적인 변화는 드물게 일어나는 현상이긴 하지만 이것은 아무도 부인할 수 없는 사회변화의 필수 요인이기 때문이다. 두 번째, 이 책에서 볼 수 있듯이, 우리 눈을 휘둥그렇게 하는 거대한 전이의 원인은 매우 단순하고 인식할 수 있는 과정을 거쳐서 발생한다는 것이다. 따라서 이러한 전환은 그 자체로도 중요한 뿐만 아니라, 현실의 구체적인 상황보다 더 쉽게 이해될 수 있다는 면에서도 의미가 있다. 이 책은 세 부분으로 나뉜다. 먼저 여러 형태의 변화에 대한 기초 이론 설명으로 시작한다. 그리고 각 이론의 구체적인 사례를 검토하고 현실적인 관점에서 임계전이가 일어나는 과정을 설명할 것이다.

제1부: 동역학 이론의 기초를 먼저 설명하고 있다. 동역학 이론은 화학물의 혼합, 조직 내 구성원 조화, 기후 또는 태양계 변화 등을 설명해줄 수 있는 방법 중 하나이지만 내용은 상당히 추상적이다. 동역학 이론은 현실의 특정한 상황을 설명하는 것이 아니라 현실을 또 다른 수학적 관점으로 볼 수 있게 한다. 동역학 이론의 관점에서 볼 때, 세상은 특이한 끌개(strange attractor)와 파국주름(catastrophe fold), 메타안정 상태(metastable state)로 이루어져 있으며 이 안에서는 토러스 파괴(torus destruction)나 공심 쌍갈림(homoclinic bifurcation)이 일상적으로 발생하고 있다. 동역학 용어의 뜻을 일상에서 바로 알아차리는 것은 어렵지만 세상을 움직이는 원리는 간결한 아름다움을 가진 수학의 세계에 반영되어 있기 때문에 동역학 이론 용어를 이해하는 것은 나름 의미가 있다. 그럼에도 독자들이 추상적인 개념이 조금 어렵게 다가온다면 이론 부분은 배경지식으로 나중에 읽고 바로 2부 사례연구를 읽어보아도 좋다.

제2부: 자연계와 인간 사회의 구체적 사례들로 구성되어 있다. 여기서부터 생태계와 진화, 기후, 사회에서의 거대한 전이와 진동의 사례를 이론과 함께 설명한다. 이 장을 읽다보면 비슷한 현상이 다양한 복잡계에서 발생하고 있음을 알 수 있다. 2부는 호수의 사례에서 출발하는데 그 이유는 호수가 중요한 시스템이기도 하지만 지금까지 알려진 시스템 중에서 잘 이해되는 영역이기 때문이다. 동시에 호수의 사례는 기후, 해양 그리고 사회와 같은 이해하기 어려운 시스템의 모델 역할을 해주고 있으며, 이 연구는 생태과학의 시작점이라고 할 수 있다.

제3부: 임계전이 현상을 이해하기 위해서 우리의 직관을 어떻게 실용적으로 활용할지에 대하여 설명한다. 즉 미래에 닥쳐올 임계전이 현상을 알아차리는 법, 바람직하지 않는 전이 현상을 예방하고, 유익한 전이 현상을 촉진시키는 방법, 인간 사회에서 일어나는 전이 현상을 다루는 어려운 이유, 그리고 인간 사회를 더 나은 상태로 만드는 법에 대하여 다룰 예정이다.

이 책에서 다루는 영역은 매우 넓지만, 우리가 살고 있는 복잡계 동역학의 세상을 제대로 이해하는 시작점이 될 수 있는 기회이다. 우리는 분자 수준에서 현상을 이해하는 것에는 익숙하지만, 이것만으로는 충분하지 않다. 다음 몇 세기 안에 생태계와 기후, 사회에서 거대한 변화가 일어날 것이라는 사실에 대해서는 대부분 동감할 것이다. 우리는 다가올 미래를 최선으로 만들어줄 수 있는 과학을 준비해야 한다.

1장 서론
1 산호초 붕괴
2 사하라 사막의 탄생
3 사회에서 발생하는 전환
4 책의 구성

1부 임계전이 이론

2장 대체안정 상태
1 기본 개념
2 몇 가지 메커니즘
3 요약

3장 순환과 카오스
1 한계순환
2 복잡계 동역학
3 영역경계 충돌
4 요약

4장 복잡계의 창발적 패턴
1 공간 패턴
2 복잡계 네트워크의 안정성
3 적응주기 이론
4 요약

5장 요동과 이질성, 다양성
1 영구적 변화
2 공간적 이질성 및 모듈성
3 행위자들의 다양성
4 요약

6장 결론: 이론적 개념에서 현실로
1 대체안정 상태
2 견인영역
3 회복력
4 적응력
5 임계전이
6 요약

2부 자연계와 인간 사회의 구체적 사례들

7장 호수
1 얕은 호수의 투명도
2 동역학
3 또 다른 대체안정 상태
4 요약

8장 기후
1 태고에 발생한 기후전환
2 빙하기 순환
3 짧은 시간척도에서 나타난 돌발적 기후변화
4 요약

9장 진화
1 소개
2 초기 동물 진화와 캄브리아기 대폭발
3 페름기 멸종
4 속씨식물의 번성
5 공룡에서 포유류까지
6 지구온난화와 영장류, 사슴, 말의 탄생
7 전체상의 탐색
8 요약

10장 해양
1 대양에서의 국면전환
2 연안의 생태 시스템
3 요약

11장 토양 생태계
1 건조 지역의 초목·기후전환
2 반건조 목초지에서 발생하는 소규모 전이
3 아한대 숲과 툰드라
4 융기습지의 형성과 소멸
5 단편화된 토양에서의 멸종
6 임계전이 관점에서 본 전염병
7 요약

12장 인간
1 세포의 전환
2 사고의 전환
3 행동 고착
4 단체 태도의 관성과 전환
5 위기의 사회
6 요약

13장 결론: 복잡계와 임계전이

3부 임계전이와 그 대응

14장 대체견인영역
1 현장에서 얻을 수 있는 힌트
2 실험적 증거
3 기계론적 통찰
4 요약

15장 문턱상황의 예측
1 이론: 전이의 접근신호
2 현실에서 나타나는 전이의 전조 현상
3 신호의 신뢰성
4 요약

16장 과학에서 정책으로의 험난한 여정
1 자연을 현명하게 이용하는 방법
2 좋은 해결책에 대한 걸림돌
3 요약

17장 변화를 다루는 새로운 방법
1 좋은 전이의 촉진
2 나쁜 전이의 방지
3 요약

18장 전망
1 확증의 문제
2 실용과학으로서의 임계전이

부록
용어해설
주
감사의 말
옮긴이의 말
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