자연의 패턴 - 필립 볼의 형태학 아카이브 -

달팽이부터 은하까지
 자연의 기발한 디자인과 경이로운 다양성을
300컷의 사진에 담은 장엄한 과학 화랑

 시각적 향연이라고 할 이 책은 과학자는 물론이고, 예술가와 디자이너, 그리고 자연주의자 들에게 경이와 영감의 원천이 되어 줄 것이다.
-《포브스》

형태학(morphology)은 생물학의 한 분야로 생물의 구조와 모양, 그리고 패턴을 연구하는 학문이다. 그리스 어로 형태를 뜻하는 morphe와 학문 또는 이성을 뜻하는 logos의 합성어로 18세기 후반 괴테에 의해 또는 독일의 생리학자인 카를 프리드리히 부르다흐에 의해 만들어졌다고 한다. 형태학은 어떤 생물의 본체나 기관 또는 조직의 가시적 특징을 바탕으로 생물을 비교, 분석, 분류, 해부하는 데 활용되는 방법론이다. 현대 분류학, 해부학, 발생학, 유전학, 진화 생물학 등의 발전에 깊은 영향을 미쳤고, 전자 현미경이 발명되고, 프랙탈 시뮬레이션이 개발된 지금도 생물학의 첨단 영역에서 많은 기여를 하고 있다.
그러나 형태학의 기원은 더 깊다. 우주를 구성하는 4대 원소(물, 불, 공기, 흙)가 정다면체라고 믿었던 플라톤이나, 서로 내접하는 다면체로 태양계의 원리를 설명하고자 했던 케플러는 물론이고, 특수한 도형과 무늬에서 자연에 숨겨진 어떤 ‘형태’나 ‘패턴’를 발견해 세계를 창조한 신의 마음을 찾고자 했던, 이슬람 예배당의 타일 예술가들과 ‘신성 기하학’의 신비주의적 전통 속에서 우리는 인류가 얼마나 강력한 패턴 탐색의 욕망을 가지고 있는지 읽어 낼 수 있다.
또한 형태 또는 패턴에 대한 탐색을 생물학 분야만이 아니라 물리학, 화학, 지구 과학, 천문학 등 다양한 분야에서도 찾아볼 수 있다. 노벨상을 받은 위대한 물리학자 리처드 파인만은 패턴에 대한 탐색을 과학의 출발점으로 봤다. “자연은 틀림없이 가장 긴 실을 써서 그 패턴을 짠다. 그래서 가장 작은 직물 조각에서도 태피스트리 전체의 짜임이 드러나는 것이다.” 우리가 좁은 방구석에서 볼 수 있는 작은 패턴, 형태, 모양 속에도 우주를 작동시키는 보편적 원리가 숨어 있다고 보기 때문이다.
영국의 과학 저술가 필립 볼(Phillip Ball)은 이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 『자연의 패턴(Patterns in Nature)』(조민웅 옮김)을 통해 이렇게 고대로부터 현대까지 수많은 사상가와 예술가, 그리고 과학자 들을 사로잡아 온, 자연이 스스로 만드는 패턴들을 모아 소개한다.
필립 볼은 영국을 대표하는 과학 저술가로 옥스퍼드 대학교 화학과를 수석으로 졸업하고, 20년 넘게 《네이처》의 물리, 화학 분야 편집자, 편집 자문으로 일했다. 지금은 프리랜서 과학 저술가로 활약하며 책, 칼럼, 방송, 텔레비전, 블로그, SNS 등 다양한 매체를 통해 우주론에서 화학과 분자 생물학까지 과학의 이모저모를 해설하고 있다. 20여 종의 책을 펴냈는데, 국내에서도 『화학의 시대』, 『필립 볼의 형태학 3부작: 모양, 흐름, 가지』 등의 책이 출간되어 과학 독자들의 사랑을 받고 있다.
찰스 다윈은 자연이 스스로 “가장 아름다운 온갖 형태”를 만든다고 말한 적이 있다. 그런데 자연은 어떻게 스스로 패턴을 만들어 낼 수 있는 것일까? 또 왜 우리는 패턴에 끌리는 것일까? 왜 과학자들을 그렇게나 열렬히 패턴을 사랑하는 것일까? 필립 볼은 자연이 가장 단순한 원리와 규칙, 그리고 부품 들을 사용해 만든 패턴들을 담은 300컷의 사진을 큐레이션해 그 형태와 조직 원리에 따라 대칭, 흐름, 프랙탈, 균열, 무늬, 파동 등으로 나눠 선별해 소개한다. 달팽이부터 은하까지 자연의 기발한 디자인과 경이로운 다양성을 담은 이 책은 장엄한 과학 화랑이자, 형태학 아카이브라 할 수 있을 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. 형태는 각 구성 요소를 개별적으로 봐서는 실로 추측할 수 없을 방식으로 이루어지는 상호 작용의 결과이다. 새로이 출현한 형태 속에서 자연의 자발적 창조성을 볼 수 있다는 이 책의 주장은 낡은 신비주의나 종교적 창조론이 아니다. 자연계는 단순한 원리를 이용해 다양성과 풍부함, 다윈이 말한 “가장 아름다운 온갖 형태”를 만들어 낸다. 그 아름다움의 일부가 이 책에 담겨 있다. -본문에서

우리 시대의 과학 큐레이터가 엄선한 형태학 미술관을 탐험하라

 필립 볼은 이렇게 말한다. “자연은 심오한 디테일을 숨기고 있다. 다만 우리가 그것을 보지 못할 뿐이다. 그것은 구조가 없는 것처럼 보여도 그 뒤에는 패턴이 있다.”라고.
-《월 스트리트 저널》

과학 애호가들의 눈을 즐겁게 할 자연의 예술 작품들이 큐레이션되어 있는 이 책은 우리 우주의 아름다움과 그것을 포착해 낼 수 있는 우리 자신의 능력에 대해 경탄할 수 있는 기회가 될 것이다. 올해 출간된 책 중 가장 아름다운 책이다!
-《퍼블리셔스 위클리》

1장 대칭: 왼쪽과 오른쪽이 닮은 듯 다른 이유
 도대체 패턴이란 무엇일까? 보통 우리는 그것을 계속해서 반복되는 어떤 것으로 생각한다. 대칭성의 수학은 이러한 반복이 어떤 모습인지 기술한다. 또한 왜 어떤 모양이 다른 모양보다 더 질서 있는지 이야기해 준다. 그렇기에 대칭성은 패턴과 형태를 설명하는 근본적인 과학 ‘언어’인 것이다. 대칭성은 사물이 거울에 반사되거나 회전하거나 이동할 때 어떻게 변하는지를 설명한다. 하지만 대칭성에 대한 우리의 직관은 기만적일 수 있다. 일반적으로 자연의 모양과 형태는 대칭성이 생겨서가 아니라 완벽한
 대칭성이 깨져서 출현한다. 모든 것이 어디서나 똑같고 완벽하고 지루한 균일성이 붕괴되는 것이다. 따라서 이것은 중요한 질문이다. 모든 것이 균일하지 않은 이유는 무엇인가? 대칭성은 왜, 어떻게 깨지는가?

2장 프랙탈: 산이 두더지가 파 놓은 흙 두둑처럼 보이는 이유
 들쭉날쭉한 해안선을 척도(scale) 없이 들여다보고 있으면 그것이 1킬로미터에 걸쳐 길게 뻗어 있는 것인지, 아니면 10킬로미터, 100킬로미터를 뻗어 있는 것인지 알 수 없다. 이렇게 서로 다른 척도에서 구별할 수 없는 배열의 성질을 프랙탈(fractal)이라고 한다. 이것은 자연의 패턴이 가진 두드러진 특징 중 하나이다. 솜털 같은 구름의 가장자리, 나뭇가지 끝의 잔가지가 나무의 전체 모양을 모방하는 방식, 허파의 기관지에서 반복되는 수지상 구조를 생각해 보라. 사실 프랙탈은 자연의 구조라고도 불려 왔다. 자연에 존재하는 많은 프랙탈은 처음 볼 때는 무질서해 보인다. 나무나 산세는 정확한 대칭성은 없지 않은가. 그러나 프랙탈 성질이 패턴에 ‘숨겨진 논리’를 드러낸다. 다시 말해 척도가 줄어들어도 똑같은 일반적인 형태가 계층적으로 반복된다는 것이다. 이러한 논리를 만들어 내는 과정은 과연 무엇일까? 그리고 왜 이것이 생물계에 유용한 것일까?

3장 나선: 달팽이와 해바라기의 비밀 수학
 자연의 도처에서 나선을 볼 수 있다. 앵무조개의 껍데기에서부터 소용돌이치는 기체, 나선 은하의 별들에 이르기까지. 그런데 그것들이 서로 공유하는 무언가가 있을까? 전체적으로 그렇다. 자연의 나선 대부분은 로그 나선이라 불리는 모양을 가진다. 이것은 프랙탈처럼 작은 부분이 큰 부분과 똑같아 보인다는 뜻이다. 그러한 형태로 자라는 앵무조개 껍데기는 점점 커지면서 똑같은 모양을 유지하게 된다. 이러한 나선은 의외의 장소에서도 나타날 수 있다. 해바라기 머리의 작은 꽃들의 원형 배열은 서로 반대 방향으로 도는 두 로그 나선 집합으로 이루어진다. 그리고 흐르는 유체의 나선형 소용돌이가 있는데, 배수구 아래로 사라지는 목욕물부터 지구와 목성의 폭풍까지 다양하다. 이것은 자연의 보편적인 디자인 중 하나이다.

4장 흐름과 혼돈: 숨은 질서를 찾아서
 우주는 역동적이다. 항상 움직이고 있다. 기체와 먼지 구름이 휘돌아 뭉쳐 별들이 탄생한다. 물은 큰 고리를 그리고 소용돌이치면서 바다를 순환한다. 이것은 온도와 염도의 차이가 만드는 움직임이다. 대류 흐름이 공기를 휘저어서 구름과 제트 기류를 일으킨다. 강은 상류에서 하류로 흐르면서 가지를 쳐 나가는데 마치 우리 몸의 피가 지나가는 길과 비슷하다. 이처럼 많은 흐름이 난류이다. 즉 너무 빨라서 일정한 형태가 유지되지 못하거나 완전히 예측할 수 없는 흐름이다. 그렇지만 모든 질서가 사라지는 것은 아니다. 소용돌이와 같은 유체 흐름의 근본적인 형태는 커피 크림에서도 흔히 볼 수 있다. 정말로 컵 안의 폭풍이라고 할까? 어쨌든 우리 주변의 흐름이 보이는 패턴에는 신비로움과 장엄함이 있다.

5장 파동과 모래 언덕: 화학 시계가 지배하는 세계
 실질적으로 자연의 모든 것은 파동이다. 빛과 소리는 파동이다. 바다와 대기는 진동을 전달하고, 맥박은 심장과 두뇌 활동을 빠르게 한다. 양자 물리학에서는 물질을 이루는 가장 작은 입자가 상황에 따라 마치 파동처럼 움직인다고 말한다. 파동은 공간뿐만 아우리가 살고 있는 세계는 혼란하고 어수선하지만, 그 가운데서 질서를 찾으면 이해할 수 있다. 우리는 낮과 밤의 규칙적인 주기, 달의 차고 이움과 조수간만, 사계절의 순환을 알고 있다. 우리는 유사성, 예측 가능성, 규칙성을 찾는다. 이런 성질들이 항상 과학 발전의 지침이 되어 줬다. 우리는 자연의 엄청난 복잡성을 간단한 규칙으로 쪼개고, 처음 보기에는 혼돈스러운 곳에서 질서를 찾고자 한다. 이런 면에서 우리 모두는 ‘패턴 탐색자’인 것이다. -본문에서니라 시간에 대한 패턴이기도 하다. 즉 그것은 주기적으로 오가는 일정한 펄스이다. 파동이 서로 만나 간섭하면 장관을 이루는 새로운 패턴이 만들어지기도 한다.그러나 아마도 가장 놀라운 것은 순전히 무질서한 데서, 또는 언뜻 보기에 불변의 한 방향으로만 진행되는 과정에서 자기 조직화된 파동이 나타나는 것이다. 그런 경우에 파동은 화려한 필체로 자신의 존재를 물질에 각인한다.

6장 거품: 벌과 건축가만 공유하는 비밀
“자연 철학자에게 중요하지 않거나 사소한 자연의 대상은 없다. 비누 거품, 사과, 조약돌. 그는 경이로움을 느끼며 걷고 있다.” 영국 과학자 존 허셜이 1830년에 쓴 글이다. 비누 거품은 정말로 시시한 아이들 장난감이라고 생각할지 모르지만 과학의 가장 위대한 정신 중 일부는 그 힘과 아름다움에 매료되었다. 물론 그 모양은 당혹스럽기도 하지만. 비누 막과 거품은 특별한 경제학을 보여 준다. 잡아당기고 밀어서 우아한 곡선과 구조와 모양을 만드는 힘이 어떻게 정확한 균형을 잡는지 가르쳐 준다. 자연은 때로는 유용하면서도 기발한 건축물을 짓기 위해 이런 패턴을 독창적으로 이용한다.

7장 결정과 타일: 결정이 오면체가 될 수 없는 이유와 이슬람 타일 장인의 비결
 고대 철학자들은 세계를 신이 간단한 수학 법칙에 따라 지은, 근본적으로 기하학적인 세계라고 생각했다. 이것은 이해할 수 있는 가정이다. 질서정연한 모양을 가진 광물 결정을 생각한다면 말이다. 광부와 탐험가는 동굴에서 기하학적인 우주, 즉 자연을 둘러싼 모든 것이 찬란하게 빛나는 수학적 완벽성으로 짜여 있는 우주 안에 있는 자신을 발견할 수 있다. 이것은 물질에 새겨진 자연의 근본 질서에 대한 증거가 아닐까?

8장 균열: 시간이 물체를 쪼개고 거인이 계단을 만드는 방법
 파손과 붕괴는 질서와 조직에 정반대되는 것처럼 생각된다. 하지만 놀랍게도 그것 역시 다양한 패턴과 구조를 만들 수 있다. 어떤 경우에는 그렇게 보이지 않는다. 가령 균열은 다듬어지지 않은 혼란을 나타내는 들쭉날쭉 무질서한 모습을 보인다. 그러나 이런 형태조차도 여러 다른 상황에서 되풀이되고 있기에 그것이 자연 법칙의 보편적인 결과이며 보다 깊은 디자인의 흔적인지 살펴보아야 한다. 또 도자기 유약이나 오래된 유화의 균열 패턴에는 일종의 기하학이 있다. 심지어 미학적 즐거움마저 준다. 균열은 성가신 것이 아니라 창의성의 원천이다.

9장 점과 줄: 표범에 얼룩점이, 얼룩말에 줄무늬가 생기는 이유
『정글북』으로 유명한 조지프 러디어드 키플링은 『그냥 그런 이야기』에서 어떻게 표범에 얼룩점이 생기고 얼룩말에 줄무늬가 생기는지 설명했다. 그의 답은 완전히 상상에 기반한 것이었지만 당시 과학자들의 답이라고 해서 그다지 낫지는 않았을 것이다. 한 가지는 동물이 ‘왜’ 무늬를 가지는지 설명하는 것이었고 다른 하나는 동물이 성장하면서 그 무늬를 ‘어떻게’ 가지게 되는지 설명하는 것이었다. 지금 널리 받아들여지고 있는 설명은 이런 패턴들은 매우 다른 종류의 자연 현상에서도 작용하는 자기 조직화 과정으로 형성된다는 것이다. 사막의 연흔 형성 과정이나 동물이 군락에서 그 둥지를 만드는 과정에서 유사성을 찾을 수 있다. 달리 말해 그 패턴은 자연 선택과 적응의 산물이라 하더라도 생물학이 아니라 수학의 언어로 더 잘 설명할 수 있다는 것이다.

다시 톰프슨과 에른스트 헤켈의 위대한 고전을 잇는
21세기 형태학의 새로운 아카이브

 필립 볼은 책 서두에서 이렇게 말한다. “우리가 살고 있는 세계는 혼란하고 어수선하지만, 그 가운데서 질서를 찾으면 이해할 수 있다. 우리는 낮과 밤의 규칙적인 주기, 달의 차고 이움과 조수간만, 사계절의 순환을 알고 있다. 우리는 유사성, 예측 가능성, 규칙성을 찾는다. 이런 성질들이 항상 과학 발전의 지침이 되어 줬다. 우리는 자연의 엄청난 복잡성을 간단한 규칙으로 쪼개고, 처음 보기에는 혼돈스러운 곳에서 질서를 찾고자 한다. 이런 면에서 우리 모두는 ‘패턴 탐색자’인 것이다.”
그렇다. 인간은 진화적으로 ‘패턴 탐색자’로서 태어났다. 과학의 시대인 오늘날, 과학은 이제 필수 교양이며, 많은 이들이 과학으로 들어가는 길을 찾고 있다. 그러나 난해한 개념과 수학 공식은 장벽이 되고 있다. 그렇다면 우리 본능에 각인된 패턴 탐색의 욕망을 과학의 길로 가는 입구로 이용해 보면 어떨까? 형태학의 역사에서 고전으로 빛나는 다시 톰프슨의 『성장과 형태에 관하여』와 에른스트 헤켈의 『자연의 예술적 형태』의 전통을 계승하는 필립 볼의 아름다운 이 신간은 독자들에게 과학에 대한 새로운 시점을 열어 줄 것이다.

자연의 아름다움은 근본적으로 ‘질서’에 있다. 비록 무질서해 보이는 현상에도 그 이면에는 질서가 있다. 그것이 과학자들이 밝혀낸 최대의 성과이자, 자연의 신비이다. 이 책을 읽는 시간이 당신의 눈과 머리가 깨어나는, 경이로운 패턴의 세계로 떠나는 여행이 되기를 바란다.
-조민웅(성균관 대학교 연구 교수, 옮긴이)

화려한 이미지에 간결한 설명을 곁들인 이 책은 자연의 아름다움과 경이로움을 생생하게 증언한다. 자연은 언제나 그렇듯 진실하고 정교하며 논리적이다. 자연의 패턴 속에 숨겨진 질서를 파헤치는 저자의 과감함은 예술가와 과학자의 시샘을 자극한다. 자연을 사랑하고 탐구하는 모든 이들에게 이 책은 최고의 선물이다.
-원병묵(성균관대 신소재 공학부 교수)

점, 줄, 나선, 프랙탈 등 화려한 자연 패턴으로 가득한 최고의 ‘커피 테이블 북’.
-《라이브 사이언스》

호랑이의 줄무늬에서 벌집의 육각형 구조와 바람이 사막에 남긴 물결무늬까지 자연은 질서와 규칙을 암시하는 패턴으로 가득하다. 과학 저술가 필립 볼은 이 책에서 눈송이와 조개껍데기를 찍은 250컷의 사진들을 바탕으로 자연의 패턴을 만드는 다양한 현상을 탐색한다. 자연은 아주 단순한 수학적, 물리학적 원리를 이용해 줄무늬와 나선부터 가지 모양과 프랙탈까지 우리를 둘러싸고 있는 수많은 패턴과 형태를 만들어 낸다. 필립 볼은 이렇게 말한다. “자연은 심오한 디테일을 숨기고 있다. 다만 우리가 그것을 보지 못할 뿐이다. 그것은 구조가 없는 것처럼 보여도 그 뒤에는 패턴이 있다.”라고.
-《월 스트리트 저널》

과학 저술가 필립 볼은 이 책에서 자연계에 숨겨진 장엄한 신비를 은근슬쩍 드러내곤 하는 물질적인 패턴들의 가장 극적인 사례들을 화려한 사진들로 보여 준다. 그는 과학사적 이야깃거리들과 물리학, 수학, 화학의 단편들을 가볍게, 그리고 알기 쉽게 엮어 가면서 얼룩말의 줄무늬나 앵무조개의 나선 모양 껍데기 같은 생명계의 패턴이 생명의 적응과 번식에 도움이 되기 때문에 생성되었다는 다윈주의적 설명을 넘어서는 설명이 존재할 수 있음을 보여 준다. 줄무늬, 점무늬, 나선, 프랙탈 같은 패턴의 작은 부품들은 성장과 평형을 지배하는 아주 기본적인 물리 법칙들, 또는 수학 법칙들의 산물이라는 것이다. 과학 애호가들의 눈을 즐겁게 할 자연의 예술 작품들이 큐레이션되어 있는 이 책은 우리 우주의 아름다움과 그것을 포착해 낼 수 있는 우리 자신의 능력에 대해 경탄할 수 있는 기회를 줄 것이다. 올해 출간된 가장 아름다운 책이다!
-《퍼블리셔스 위클리》

놀라운 사진들로 가득한 이 책은 자연을 지배하는 수학적 패턴을 포착해 낸다. 바이러스에서 얼룩말까지 살아 있는 생물은 물론이고, 번개에서 모래 언덕이 만드는 거대한 풍경까지 무생물이 만드는 온갖 패턴을 아우른다. 이 사진들에 곁들여진 짧은, 그러나 명확한 설명은 이러한 패턴들이 피보나치 수열 같은 단순한 수학 규칙에서 어떻게 만들어지는지, 자기 조직화의 원리가 질서를 어떻게 창발해 내는지 보여 준다. 형태학 3부작으로 우리 우주를 지배하는 패턴의 힘을 설명해 온 필립 볼은 물리학과 화학에다 진화 생물학까지 엮어 넣어 별 볼일 없는 원리가 패턴과 대칭성을 낳는 메커니즘을 보여 준다. 시각적 향연이라고 할 이 책은 과학자는 물론이고, 예술가와 디자이너, 그리고 자연주의자 들에게 경이와 영감의 원천이 되어 줄 것이다.
-《포브스》

당신의 세계관을 뒤흔들 필립 볼의 형태학 3부작

 이 책을 읽은 뒤에 여러분이 보는 세상은 그 이전의 세상과는 전혀 다를 것이다.
-홍성욱(서울 대학교 생명 과학부 교수)

모양 | 조민웅 옮김 | 해바라기부터 튜링 구조까지 저절로 만들어진 모양들
 흐름 | 김지선 옮김 | 강물에서 도로 위 자동차들까지 흐름들이 만드는 우주들
 가지 | 김명남 옮김 | 생물학부터 네트워크 공학까지 뻗어나간 가지들

지은이 : 필립 볼
과학 저술가. 1962년생인 필립 볼은 1983년에 옥스퍼드 대학교 화학과를 수석으로 졸업하고 1988년에는 브리스틀 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 20여 년 동안 《네이처》의 물리, 화학 분야 편집자, 편집 자문으로 일했다. 지금은 프리랜서 과학 저술가로 활약하며 책, 칼럼, 방송, 텔레비전, 블로그, SNS 등 다양한 매체를 통해 우주론에서 화학과 분자 생물학까지 과학의 이모저모를 해설하고 있다. 『화학의 시대(Designing the Molecular World)』, 『스스로 만들어진 태피스트리(The Self-Made Tapestry)』, 『H2O』, 『브라이트 어스(Bright Earth)』, 『물리학으로 보는 사회(Critical Mass)』, 『음악 본능(The Music Instinct)』, 『모양(Shape)』, 『흐름(Flow)』, 『가지(Branches)』, 『제3제국의 과학자들(Serving the Reich)』, 『이상함을 넘어서(Beyond Weird)』 등 20여 종의 과학책을 펴냈다. 미국 항공 우주국(NASA), 영국 빅토리아 앤드 앨버트 미술관, 런던 정치 경제 대학(LSE) 등에서 강연을 하고 있으며, 《네이처》, 《뉴사이언티스트》, 《가디언》, 《뉴욕 타임스》 등 여러 과학 매체에 기고하고 있다.

옮긴이 : 조민웅 
건국 대학교 물리학과를 졸업하고 서울 대학교 대학원에서 물리학 석사, 박사 학위를 받았다. ‘이온 다발 때려 내기를 이용한 패턴 만들기’로 박사 학위를 취득하며 패턴과 인연을 맺었다. 이후 자연의 패턴 형성 메커니즘에 깊은 관심을 갖고 있다. 현재 성균관 대학교에서 2차원 물질의 구조와 성질의 상관 관계를 연구하고 있다. 필립 볼의 「형태학 3부작」 중 한 권인 『모양』을 번역했다.