Towards chemistries in dynamical systems

화학적 주방으로서의 우주

높은 고층 건물 창가에서 북적이는 도시를 내려다보고 있다고 상상해 보십시오. 이 높이에서 당신은 개별적으로 걷는 사람이나 달리는 자동차를 보는 것이 아니라, 그저 움직임의 잔상만을 보게 됩니다. 하지만 줌을 해서 확대해 보면, 그 도시는 사실 사람, 자동차, 건물처럼 서로 특정한 방식으로 상호작용하는 뚜렷한 것들로 이루어져 있다는 것을 깨닫게 됩니다. 과학에서 우리는 종-종 "동역학계(dynamical systems)"라는 것을 연구하는데, 이는 단순히 정해진 규칙에 따라 시간이 흐름에 따라 변화하는 모든 시스템을 일컫는 멋진 이름일 뿐입니다. 날씨, 주식 시장, 혹은 비디오 게임을 생각해 보십시오. 보통 과학자들은 숫자로 가득 찬 거대한 스프레드시트와 같은 가공되지 않은 데이터를 통해 이러한 시스템을 설명합니다. 하지만 그것은 마치 악기를 듣지 않고 오직 악보만 읽으며 교향곡을 이해하려고 노력하는 것과 같습니다. 우리는 선율을 듣고 싶어 합니다.

여기서 "화학"이라는 개념이 등장합니다. 실제 화학에서는 단순히 원자들이 무작위로 튀어 다니는 것을 관찰하는 것이 아니라, 그것들을 "분자"(물이나 설탕 같은 것)로 그룹화하고 새로운 것을 형성하기 위해 어떻게 반응하는지를 관찰합니다. 과학자들은 실제로 원자로 구성되지 않은 복잡한 시스템에서도 이와 똑같은 일을 할 수 있을지 오랫동안 궁금해해 왔습니다. 우리가 컴퓨터 프로그램이나 게임을 보고 "아, 저것은 화면을 가로질러 움직이는 '글라이더' 분자구나"라고 말할 수 있을까요? 이것이 바로 인공 생명(artificial life)이라 불리는 분야의 핵심이며, 여기서 연구자들은 단순한 규칙 속에 숨어 있는 "입자"와 "유기체"를 찾으려고 노력합니다. 핵심적인 질문은 이것입니다. 무엇을 뚜렷한 객체로 간주할 것인지 결정하는 방법은 무엇이며, 혼란에 빠지지 않고 그 객체의 생애 이야기를 어떻게 기술할 것인가?

논문의 핵심 아이디어: 기계 속에서 "분자"를 찾는 법

이 탐색적 연구에서 마틴 비엘(Martin Biehl)과 나다니엘 버고(Nathaniel Virgo)는 화학적 시스템뿐만 아니라 모든 변화하는 시스템을 바라보는 새로운 방법을 제안합니다. 그들은 시스템의 업데이트라는 차갑고 딱딱한 수학을 "토큰"(보드게임의 작은 토큰 같은 것)과 "반응"(주방에서 재료를 섞는 것과 같은 것)이라는 따뜻하고 친숙한 이야기로 번역하고자 합니다. 그들은 이를 **패턴 화학(Pattern Chemistry)**이라고 부릅니다.

당신이 컴퓨터 화면에서 진행되는 '라이프(Life)' 게임을 보고 있다고 상상해 보십시오. 이 게임은 매 초마다 단순한 규칙에 따라 업데이트됩니다: 세포는 이웃에 따라 살거나, 죽거나, 태어납니다. 컴퓨터에게 이것은 단지 0과 1이 앞뒤로 바뀌는 격자에 불과합니다. 하지만 인간에게 이것은 "글라이더"라고 불리는 작은 우주선 모양의 형체가 화면을 가로질러 질주하는 것으로 보입니다. 비엘과 버고는 이 "글라이더"가 물 분자처럼 실재하는 존재임을 증명하기 위한 공식적인 레시피를 만들고자 합니다.

이를 위해 그들은 새로운 보드게임을 설정하는 것처럼 세 가지 큰 결정을 내려야 한다고 말합니다:

1. 우리는 어디를 보고 있는가? (그들은 이를 "기준 틀(frames of reference)"이라고 부릅니다. 이는 격자를 왼쪽 상단 모서리에서 볼 것인지, 오른쪽 하단 모서리에서 볼 것인지 결정하는 것과 같습니다.)
2. 우리는 무엇을 세고 있는 있는가? (그들은 이를 "패턴 형태(pattern shapes)"라고 부릅니다. 게임에서 이것은 "로켓" 형태나 "쐐기" 형태가 될 수 있습니다.)
3. 변화의 규칙은 무엇인가? (그들은 "페트리 네트(Petri-net)"라는 것을 사용하는데, 이는 "여기에 로켓이 있으면 저기에 쐐기가 될 수 있다"라거나 "두 개의 쐐기가 있으면 사라질 수 있다"라고 말하는 멋진 순서도와 같습니다.)

저자들은 이 화학이 의미를 갖기 위해서는 한 순간과 다음 순간 사이에 일어난 일을 설명하는 독특하고 모호하지 않은 방식이 있어야 한다고 주장합니다. 만약 글라이더가 움직이는 것을 보았다면, 당신은 다음과 같이 추측할 필요가 없어야 합니다. "그것이 움직인 것인가? 아니면 그것이 죽고 다음 위치에 새로운 것이 나타난 것인가?" 만약 규칙이 동일한 노력으로 두 가지 설명을 모두 허용한다면, 그 화학은 "모호하며" 실패한 것입니다. 하지만 규칙이 단 하나의 가장 단순한 설명(예: "그것은 확실히 이동했다")을 강제한다면, 당신은 진정한 "모호하지 않은 패턴 화학"을 찾아낸 것입니다.

글라이더 테스트: 혼란 없이 움직이기

그들의 아이디어를 테스트하기 위해, 저자들은 '라이프' 게임의 유명한 "글라이더"를 살펴보았습니다. 그들은 "분자"가 글라이더이고 "반응"이 움직임인 특정한 화학을 구축했습니다. 그들은 글라이더의 경우, 그 여정을 설명하는 명확하고 최소한의 방법이 항상 존재한다는 것을 발견했습니다. 만약 글라이더가 시간 1에 지점 A에 있고 시간 2에 지점 B에 있다면, 가장 단순한 이야기는 그것이 A에서 B로 이동했다는 것입니다. 단순히 그것을 이동시키는 것보다 더 많은 "단계"(더 많은 반응)를 요구하는, 그것이 사라지고 새로운 것이 갑자기 나타났다는 식의 이야기를 지어낼 필요가 없습니다.

이것은 매우 중요한 일인데, 이는 글라이더가 단순히 눈의 착각이 아니라, 지속되고 움직이는 실제 객체처럼 행동한다는 것을 시사하기 때문입니다. 저자들은 이 "모호하지 않은 움직임"이 우리로 하여금 글라이더를 하나의 "사물"이라고 확신하게 만드는 요소라고 제안합니다.

하지만 그들은 이것이 모든 것에 적용되지는 않는다는 점도 지적합니다. 만약 이와 동일한 논리를 게임의 개별 "살아있는" 세포들에 적용하려고 한다면, 상황은 엉망이 됩니다. 단일 세포는 움직이는 더 큰 패턴의 일부일 수 있지만, 세포 자체는 명확하고 유일한 경로를 갖지 못합니다. 실제로 저자들은 만약 "움직임" 규칙을 단일 세포에 강제로 적용하려 한다면, 세포가 움직였는지 아니면 새로운 세포가 태어난 것인지 구분할 수 없는 혼란스러운 상황에 직면하게 된다는 것을 보여줍니다. 이는 글-대로 글라이더가 이 화학적 의미에서의 진정한 "분자"라면, 단일 세포는 그렇지 않다는 것을 시사합니다.

그들이 해결하지 못한 것 (그리고 말하지 않은 것)

이 논문은 최종적인 해답이 아니라 하나의 제안이라는 점을 유념하는 것이 중요합니다. 저자들은 자신들이 무한한 시스템이 아닌, 유한한 상태를 가진 시스템(고정된 크기의 게임판과 같은)만을 다루고 있음을 조심스럽게 밝히고 있습니다. 그들은 적절한 "기준 틀(보는 위치)"을 선택하는 것이 여전히 난제라는 점을 인정합니다. 만약 잘못된 각도를 선택한다면, 동일한 글라이더를 중복해서 세거나 아예 놓칠 수도 있습니다. 그들은 이를 미래의 연구자들이 해결해야 할 열린 문제로 남겨두었습니다.

또한 그들은 모든 가능한 게임의 모든 패턴에 작동하는 마법의 공식을 찾아냈다고 주장하지 않습니다. 그들은 자신들의 방법이 글라이더에 대해서는 아름답게 작동함을 구체적으로 보여주었지만, 스스로를 복제하거나(reproduce) 병합하는(merge) 패턴들은 모호함 없이 설명하기가 훨씬 더 어려울 수 있다고 경고합니다.

요약

결국, 비엘과 버고는 우리에게 새로운 안경을 건네주었습니다. 변화하는 숫자의 혼란스러운 덩어리 대신, 우리는 이제 상호작용하는 객체들의 구조화된 세계를 보려고 시도할 수 있게 되었습니다. 그들은 '라이프' 게임의 글라이더와 같은 어떤 것들에 대해서는, 그것의 삶, 죽음, 그리고 움직임을 설명하는 명확하고 모호하지 않은 화학적 언어를 정의할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 복잡하고 생명 같은 행동이 어떻게 단순하고 죽어 있는 규칙으로부터 출현할 수 있는지 이해하기 위한 하나의 발걸음입니다. 그들이 모든 미스터리를 해결한 것은 아니지만, 어떤 패턴이 "실재"하는지에 대해 올바른 질문을 던지기 시작할 수 있는 견고하고 유희적인 방법을 제시해 주었습니다.