카오스와 코스모스

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

2장 질서, 일종의 환상일 뿐인가?
― 뉴턴의 기계론적 세계관은 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.