[공학]혼돈으로부터의 질서
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- 본문내용
- 19세기 초 증기 기관의 출현으로 모양이 갖춰지 기 시작했다. 카르노에 의하면 기관의 일은 두 곳의 온도차로 이루어지는데, 완전한 열기관이라도 효율은 100%에 달할 수 없다는 것이다. 독일의 클라지우스는 쥴이 보인 것처럼 열과 일은 동등하지만 소멸은 둘 사이에 근본적인 비대칭성을 만들어 냄을 깨달았다. 이어 열역학 제 2 법칙에서 우주라는 고립계에서 자연적으로 일어나는 과정은 계의 엔트로피 증가를 수반한다고 했다. 따라서 엔트로피는 모든 고립계에 대해 시간의 화살을 제공한다. 헤름홈쯔는 이로부터 전체 우주의 진화는 우주가 점진적으로 축퇴되어 가는 것에 해당하며, 결국 모든 변화가 끝나는 열역학적 평형 상태 - 열사 - 에서 정지하게 된다고 추정한다. 여기서 우리는 열역학과 다윈의 생명체의 진화론 사이에서 외견상의 모순을 보게 된다. '클라지우스와 다윈 둘 다 옳을 수는 없다.' 이론이 관측과 모순된다 하더라 도, 실험학자들도 가끔 실수한다고 생각할 수 있다. 그러나 어떤 이론이 열역학 제2 법칙에 위배된다면 아무런 희망이 없다. 굴욕감으로 무너지는 수 밖에 없다 (에딩턴). 그만큼 제2 법칙은 존중되고 있다. 제2 법칙에 내재해 있는 시간의 화살은 단순히 꾸준하고 일정하게 무질서로 퇴락 하는 맹목적 파괴, 종국적으로는 열사를 뜻하는 것은 아니다. 거시적인 계는 시간의 화살에 따라 평형 상태를 향해 나아가지만, 평형으로부터 멀리 떨어져 있을 때 생기 는 새로운 상태에서는 그 계와 환경 사이의 물질과 에너지 교환의 결과로 자발적으로 시간과 공간적으로 서로 조화된 행동을 보이는 아주 특이한 형태의 질서가 존재 할 수 있다. 비평형 열역학의 거두 프리고진은 이를 무산(소멸성) 구조라고 설명한다. 혼돈으로부터의 질서, 그 과정은 엔트로피가 단순히 쇠퇴를 향한 하향 곡선 만을 의미하는 것이 아니라, 오히려 엔트로피 자체가 질서의 모태가 되기도 한다는 것이다. 열역학은 엔트로피의 증가하려는 경향을 이용하여 시간의 화살을 기술하고, 또한 평형으로 가는 도중 사정이 변할 수 있는 시점을 지적해 주는 이정표를 제공한다. 그러나 그것은 그 변화가 무엇인가에 대해서는 아무런 단서도 주지 않는다. 어떤 계 가 시간에 따라 어떻게 진화할 것인가를 말해 주는 보편적인 열역학적 기준은 없다. 공상 과학 소설 작가 아시모프는 소설 `파운데이션'에서 현재의 수많은 변수를 입력하여 미래를 확률적으로 예측하고 또 그에 대한 대비책을 강구한다는 이야기를 전개하였다. 그에 의하면 미래는 예정된 것이다. 한편 `영원의 종말'에서는 미래를 계산할 뿐만 아니라 예측 결과에 따라서 마음 내키는 대로 역사를 바꾸기도 한다. 아시모프의 소설은 무한대의 정밀도로 초기 조건을 알 수 있다고 가정하고 출발 한 것인데, 당연히 불가능한 것이다. 실수에는 유리수보다 무리수가 훨씬 많다는 사실을 상기해 보라. 혼돈이 존재할 때에는 초기 조건에 매우 민감하다. 뉴턴의 방 정식은 단기적으로는 어떤 일이 일어날 것인가를 예측할 수 있지만, 초기 조건이 정확하게 알려져 있지 않는 한 장기적으로는 그렇지 못하다. 그러나 미래는 확률적으로는 예측이 가능하며, 먼 미래일 수록 그 예측이 부정확해진다고 한 점에서는 옳았다. 그러나 로렌츠의 나비효과로 먼 미래가 매우 앞당겨 진다는 점도 고려했더라면 그의 두 소설은 나오지 않았을 겄이다. 마르코프 체인은 중요한 특징을 하나 가지고 있다. 그것은 엔트로피로 기술할 수 있다는 것이다. 그 엔트로피와 평형 상태의 엔트로피와의 차이는 시간에 따라 단조 감소한다. 즉 그 계는 시간이 흘러감에 따라 질서에서 혼돈으로 변화해 간다. 하지만 마르코프 과정은 단순한 진화가 아니라 요동치는 변화를 의미하며, 확률 분포상으로 엔트로피가 증가한다는 것을 의미한다. 비가역적 진화는 확률 분포에 의한 것 이고, 확률 분포의 수준에서 마르코프 체인은 시간의 일방성을 나타내 준다. 확률 해석은 시간 지형성을 갖고 있다. 미래 예측은 과거 추정과는 다르다. 우리는 미래를 정
- 참고문헌
- -혼돈으로부터의 질서, 일리아 프리고진, 스텐져서 저, 신국주 옮김
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