창발이란 무엇인가: 단순한 규칙에서 복잡성이 생겨나는 원리와 셀룰러 오토마타, 울프럼의 네 가지 분류

핵심 메시지

• 창발은 단순한 것들이 모여, 개별 요소에는 없던 성질이나 행동이 집단에서 나타나는 현상이다.
• 창발 시스템은 조합할 수 있는 '구성 요소'와 그것들이 만났을 때 무엇을 할지 정하는 '규칙' 두 가지로 이루어진다.
• 구성 요소가 늘어나면 가능한 조합은 기하급수적으로 폭발하며, 이 조합 폭발이 창발의 창의력을 떠받친다.
• 규칙이 아무리 단순하고 결정론적이어도 결과를 미리 계산으로 앞질러 알 수 없는 경우가 많다.
• 창발을 만들려면 결과가 아니라 구성 요소와 규칙을 설계하고, 반복 실험으로 흥미로운 규칙을 찾아내야 한다.

쉽게 이해하기

우주는 창발적이다. 입자들이 수십억 년 동안 서로 부딪히다 보면 별과 눈송이, 행성과 사람이 생겨난다. 물 분자 하나를 아무리 들여다봐도 표면장력이나 눈결정 같은 성질은 찾을 수 없지만, 수조 개가 모이면 그 성질이 나타난다. 개미 군체는 개미 한 마리가 못 하는 일을 하고, 뇌는 뉴런 하나가 못 하는 일을 한다.

영상은 창발을 이루는 재료를 두 가지로 정리한다. 하나는 서로 조합할 수 있는 구성 요소로, 레고 블록이나 원자, 개미처럼 실체가 있는 것일 수도 있고 단어·숫자·비트처럼 추상적인 것일 수도 있다. 다른 하나는 그 요소들이 만났을 때 무엇을 하는지 정하는 규칙이다. 물 분자는 화학의 규칙을, 개미는 작은 뇌 속의 행동 규칙을, 단어는 문법과 의미의 규칙을 따른다. 그래서 창발을 찾는 첫 번째 요령은 '규칙을 따르는 구성 요소'를 알아보는 것이다.

여기서 결정적인 것이 조합 폭발이다. 비트가 두 개면 만들 수 있는 배열은 네 가지, 세 개면 여덟 가지, 열 개면 1,024가지이고 100개면 상상하기 어려운 수준으로 늘어난다. 조합의 수는 요소의 수보다 훨씬 빠르게 커지므로, 넣은 것보다 나오는 것이 많아진다. 레고 세트를 사면 설명서의 완성품만이 아니라 그 블록으로 만들 수 있는 모든 것을 함께 사는 셈이고, 몇 단어를 넘는 문장은 대개 역사상 처음 말해지는 문장이다.

규칙 쪽에서는 1차원 셀룰러 오토마타가 좋은 예로 등장한다. 각 칸이 자기와 양옆 이웃의 값만 보고 다음 값을 정하는 아주 단순한 규칙인데, 어떤 규칙은 밋밋한 선을, 어떤 규칙은 시에르핀스키 삼각형 같은 프랙털을, 어떤 규칙은 질서와 혼돈이 섞인 기묘한 무늬를 만든다. 스티븐 울프럼은 이런 규칙을 전부 뒤져 번호를 붙이고 결과를 균일함, 반복, 무작위, 그리고 조직화된 복잡함 네 가지로 분류했다. 콘웨이의 생명 게임처럼 이 부류의 프로그램 중 일부는 튜링 완전해서 어떤 계산이든 흉내 낼 수 있다.

마지막 주제는 통제와 예측이다. 규칙 30에서 중앙 칸의 값을 모든 단계를 실행하지 않고 미리 알아내는 방법에는 3만 달러의 상금이 걸렸지만 아직 아무도 풀지 못했고, 울프럼은 이렇게 지름길이 없는 성질을 계산 환원 불가능성이라 부른다. 생명 게임에서 칸 하나만 달라도 결과가 완전히 갈리는 나비효과까지 겹치면 예측은 더 어려워진다. 그래서 창발을 만들려는 사람은 결과 대신 규칙을 설계하고 계속 실험하며, 게임의 균형을 깨는 전략이나 의도치 않은 부작용은 나타난 뒤에 규칙을 손봐 다스리는 수밖에 없다.

주요 인사이트

• 창발을 알아보는 실용적인 신호는 화려한 결과물이 아니라 '규칙을 따르는 조합 가능한 요소'라는 구조 그 자체다.
• 조합 폭발 때문에 '이제 볼 만한 건 다 봤다'는 감각은 거의 언제나 틀리다. 아직 조합되지 않은 배열이 늘 남아 있다.
• 복잡성은 무작위성이나 엔트로피와 다르다. 완전한 무작위가 아니라 질서와 혼돈이 섞인 상태가 가장 흥미로운 구간이다.
• 야구공은 수많은 원자로 이루어져 원자 하나보다 복잡하지만, 지름과 질량중심 몇 개 값으로 더 단순하게 다룰 수 있다. 창발은 복잡성만이 아니라 단순함도 만들어낸다.
• 창발을 설계한다는 것은 통제권을 일부 내주는 일이다. 결과를 미리 정하지 않는 대가로 예상 못 한 부작용도 함께 받아들여야 한다.

자주 묻는 질문

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