[이연호의 과학 라운지]⑩자연에 존재하는 패턴의 경이로움

[편집자주]최근 서울대 공대가 내년부터 신입생 중 고등학교 때 물리Ⅱ를 배우지 않은 학생들은 ‘물리학 기본’ 수업을 의무적으로 이수하도록 규정을 개정했다. 물리학 등 기초과학에 대한 준비를 못 하고 대학에 들어온 신입생들이 물리학 강의를 따라가는 데 어려움을 겪으면서 대학 측이 물리학 기초 교육을 강화하기로 한 것이다. 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 기초과학의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다.

특히 인공지능(AI), 사물 인터넷(IoT), 빅데이터 등 첨단 정보통신기술(ICT)이 이끄는 4차 산업혁명 시대를 맞아 그 중요성은 점차 더 커지고 있다. 하지만 대개의 경우 기초과학은 어렵고 낯설게만 느껴져 피하고 싶은 것도 사실이다. 기초과학의 세계에 쉽고 재미있게 발을 들여 보자는 취지로 매주 연재 기사를 게재한다. 과학기술정보통신부 산하 연구기관인 한국과학창의재단의 전국 초·중·고등학생 대상 과학 교육 프로그램인 ‘다들배움’에서 강사로 활동하는 과학커뮤니케이터들과 매주 인터뷰를 진행하고 그 중 재밌는 내용들을 간추려 독자들에게 제공한다.

사진=이데일리 DB.

[이데일리 이연호 기자] 지난해 10월 이탈리아 문화부는 7년에 걸친 복원 작업을 마치고 고대 로마 시대 최대 원형 경기장인 콜로세움 최상층을 개방한다고 밝혔다.

콜로세움 뿐만 아니라 우리나라도 일제가 파괴한 경복궁에 대한 2차 복원을 진행 중이다. 이처럼 전쟁 등의 이유로 훼손된 고대 건축물들을 후세에 복원할 수 있는 것은 그 안에 예측할 수 있는 패턴이 있기 때문이다.

비단 인간이 만든 건축물 뿐만 아니라 자연 속에도 무수한 패턴이 존재한다.

자연에 존재하는 지층, 결정, 눈송이 등의 무생물 뿐만 아니라 다양한 생물들도 마찬가지로 패턴을 갖고 있다. 우리가 흔히 생각할 수 있는 나무의 나이테나 정육각형의 벌집처럼 말이다.

우리가 나물로 자주 해 먹는 양치식물인 고사리의 잎은 프랙탈 구조를 갖고 있다. 프랙탈이란 부분과 전체가 크기만 다를 뿐 똑같은 모양을 무한히 반복하고 있는 구조를 뜻한다. 이 뿐만이 아니라 나뭇가지, 우리나라 남해안의 리아스식 해안, 동물의 혈관, 번개의 모양에서도 프랙탈 구조는 나타난다.

러시아 여행을 가면 기념품으로 많이들 사오는 마트료시카 인형은 큰 인형 안에 동일한 모양의 작은 인형이 계속 들어 있는 인형으로 여기서도 프랙탈 구조의 아이디어가 담겨 있다.

사진=이데일리 DB.

프랙탈 구조를 갖는 나뭇가지에는 또 다른 규칙성이 숨어 있다. 나무의 가지치기를 머릿속에 그려 보자. 대부분의 나무는 한 가지에서 두 개의 가지를 만든다. 이어 새 가지 중 하나가 가지치기를 하는 동안 다른 가지는 가지치기를 멈춘다. 한 가지에서 분지되는 동안 다른 쪽은 쉬는 과정이 되풀이 되면서 가지치기가 이뤄진다.

이런 일련의 과정을 살펴 보면 맨 처음 가지에서 시작해 뻗어나간 가지의 개수들에서 어떤 수들의 규칙을 발견할 수 있다. 1, 2, 3, 5, 8, 13… 바로 두 수의 합이 다음 수를 만드는 규칙성이다. 우리는 이 같은 규칙을 처음 발견한 13세기 이탈리아 수학자 피보나치의 이름을 따 ‘피보나치 수열’이라고 부른다. 피보나치는 토끼의 가계 문제에서 피보나치 수열을 발견했다.

식물 뿐만 아니라 호랑이, 표범, 얼룩말 등의 가죽에 있는 무늬도 일정한 패턴에 따라 새겨져 있다. 이 같은 패턴들은 간단한 수학적 모델을 이용해 인간이 재연해 볼 수 있을 만큼 정교하다.

이 정도면 “그래도 지구는 돈다”는 말로 유명한 이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이의 “자연은 신이 쓴 수학책이다”라는 말에 고개가 끄덕여질 만 하다. 도움말=오상현 과학커뮤니케이터.