청소년을 위한 교양 물리학: 비선형 동역학

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 12일 출간

작품소개

책소개

작은 나비의 날개짓이 태평양 건너편에 태풍을 일으킬 수 있다는 나비 효과부터 심장 박동의 리듬, 주식 시장의 급락까지 우리 주변의 수많은 현상들이 비선형 동역학의 원리로 설명된다. 이 책은 복잡해 보이는 대학 수준의 물리학 개념을 중학생도 이해할 수 있는 언어로 풀어낸 교양서이다. 뉴턴의 고전역학이 예측 가능한 세계를 그렸다면, 비선형 동역학은 예측 불가능하지만 질서를 가진 신비로운 세계를 보여준다. 기상학자 에드워드 로렌츠가 컴퓨터 계산 과정에서 우연히 발견한 혼돈 현상부터 시작하여, 오늘날 인공지능과 기후 변화 연구에까지 활용되는 이 분야의 전모를 23개 챕터에 걸쳐 체계적으로 다룬다.

혼돈 이론의 핵심은 단순한 규칙에서 복잡한 행동이 나타날 수 있다는 점이다. 로지스틱 맵이라는 간단한 수식 하나로 개체수 증가가 어떻게 질서에서 혼돈으로 변해가는지 추적할 수 있고, 로렌츠 시스템의 나비 모양 궤도에서 날씨 예보의 한계를 발견할 수 있다. 망델브로트가 발견한 프랙탈 구조는 해안선의 길이 측정 문제에서 시작되어 자연의 모든 곳에서 관찰되는 자기 유사성의 아름다움을 보여준다. 이러한 개념들이 추상적인 수학 공식이 아니라 구체적인 사례와 시각적 자료를 통해 직관적으로 이해될 수 있도록 구성되어 있다. 복잡한 미분방정식 대신 그래프와 다이어그램을 활용한 설명 방식으로 수학적 부담을 줄이면서도 본질적 이해에 도달할 수 있다.

생체 리듬에서 나타나는 24시간 주기, 심장 세포들의 동기화된 박동, 반딧불이들이 일제히 깜박이는 현상, 새 떼의 군집 비행 패턴까지 생물학적 현상들이 모두 비선형 동역학의 원리로 설명된다. 화학 반응에서 나타나는 시공간 패턴, 레이저의 작동 원리, 전염병의 확산 과정, 경제 시스템의 붕괴와 회복, 인터넷과 소셜 네트워크에서의 정보 전파까지 다양한 분야의 실제 사례들이 동일한 수학적 틀 안에서 통합적으로 이해된다. 뇌과학에서 신경 세포들 간의 복잡한 상호작용, 생태계에서 포식자와 피식자의 개체수 변동, 도시의 교통 흐름과 같은 일상적 현상들도 모두 이 관점에서 새롭게 바라볼 수 있다. 각 현상마다 구체적인 데이터와 실험 결과를 제시하여 이론의 실용성을 확인할 수 있다.

이 책을 통해 독자들은 복잡성과 무작위성을 구별하는 안목을 기를 수 있고, 작은 변화가 큰 결과를 만들어내는 시스템의 특성을 이해하게 된다. 21세기 과학 기술의 핵심인 인공지능, 빅데이터 분석, 기후 모델링, 금융 공학 등의 분야가 모두 비선형 동역학의 개념들을 기반으로 한다는 점에서 이 지식은 미래를 준비하는 필수 교양이다. 혼돈 제어 기법을 이용한 심장 부정맥 치료, 동기화를 활용한 보안 통신, 복잡계 이론을 적용한 도시 계획과 같은 최첨단 응용 사례들도 소개하여 학문적 호기심을 실용적 관심으로 연결한다. 복잡한 세상을 이해하는 새로운 렌즈를 제공하는 이 책은 과학적 사고력과 통찰력을 기르고자 하는 모든 독자들에게 귀중한 지적 자산이 될 것이다.

목차

1. 비선형의 세계로의 초대
2. 동역학 시스템의 기초 개념
3. 위상공간과 궤도의 비밀
4. 평형점과 안정성의 이해
5. 분기 현상의 신비로운 세계
6. 혼돈 이론의 탄생과 발전
7. 로지스틱 맵과 혼돈의 길
8. 프랙탈 구조의 아름다운 세계
9. 어트랙터의 다양한 모습들
10. 로렌츠 시스템과 나비의 날개짓
11. 리미트 사이클과 생체 리듬
12. 푸앵카레 맵과 차원 축소
13. 분기의 다양한 형태들
14. 리아푸노프 지수와 혼돈 측정
15. 스트레인지 어트랙터의 구조
16. 동기화 현상의 이해
17. 패턴 형성과 자기조직화
18. 소산 구조와 에너지 흐름
19. 반응-확산 시스템의 역학
20. 네트워크 동역학과 복잡성
21. 복잡계 이론의 핵심 원리
22. 혼돈 제어와 동기화 응용
23. 비선형 동역학의 미래와 응용

작가정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.