나비 효과

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작은 나비의 날갯짓이 태풍을 만든 장면

1. 개요2. 유래3. 오해4. 예시5. 관련 문서

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1. 개요

나비 효과(butterfly effect)는 미국의 기상학자 로렌츠(Lorenz, E. N.)가 사용한 용어로, 초기 조건의 사소한 변화가 전체에 막대한 영향을 미칠 수 있다는 복잡계의 특성을 이르는 말이다.

나비 효과 애니메이션[1]

이는 수치해석에서 파생된 용어로, 나비의 날갯짓으로 비유될 정도의 작은 초기 조건 변화가 일정 시간이 흐른 후 수치 해석의 해에서는 토네이도로 비유되는 큰 결괏값의 변화를 일으킬 수도 있다는 것이다. 실제로 날개짓의 연쇄 반응이 토네이도를 일으킬 확률은 0에 수렴하지만 모델의 근사에서는 그것이 일어난다. 당연히 이는 모델 안에서의 일로 실제 현상과는 관련 없으며 모델이 현실을 정확히 예측하기 어려운 이유 중 하나다.

이런 일이 일어나는 이유는 나비에-스토크스 등 유체 방정식에 비선형 항이 들어있기 때문으로 시간 격자가 거듭할수록 오차가 무한대로 발산하기 때문이다. 따라서 수치 해석에서는 함부로 초깃값을 근사해서는 안 되며 당연히 관측치에는 불확정성이 따르므로 어느 정도 이상의 미래를 정확히 알 수 없다는 뜻이 된다. 따라서 나비 효과는 비결정론적 세계관을 설명하기 위한 용어여야 하지 스노볼을 설명하는 데 써서는 안 된다.

2. 유래

미국의 기상학자 에드워드 노턴 로렌츠(Edward Norton Lorenz)가 1961년에 기상 관측을 하다가 생각해 낸 원리이다. 훗날 물리학에서 말하는 카오스 이론의 토대가 되었다. 변화무쌍한 날씨의 예측이 힘든 이유를 '지구상 어디에서인가 일어난 조그만 변화로 인해 예측할 수 없는 날씨 현상이 나타났다\'는 것으로 설명한 것이다. 출발은 과학 용어였지만 시발점이 된 사건과는 전혀 무관해 보이는 큰 변화가 결과적으로 생겼을 때 일상적으로 사용하는 용어로 정착되었다.

Does the flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas?
브라질에 있는 나비의 날갯짓이 ( 대기에 영향을 주고 시간이 지나 증폭되어) 미국 텍사스에 토네이도를 발생시킬 수도 있는가?

에드워드 노턴 로렌츠

처음에 로렌츠가 이 현상을 학회에 발표할 때는 나비가 아닌 갈매기가 사용되었고, 태풍도 브라질도 없었다. 로렌츠는 자신이 발견한 현상의 예시를 들 때 우연히 발견한 나비 모양의 그래프를 사용했다. 이후 나비의 날갯짓과 태풍을 연결시키는 형태로 각색되면서 이 현상에 대한 인식이 단숨에 강해졌다. 이 문제를 뒤져본 블로그 글

이 가상의 현상은 기존의 물리학으로는 설명할 수 없는 이른바 초기 조건에 대한 민감한 의존성, 곧 작은 차이가 경이로운 결과를 부르는 사례를 표현하고자 한 것이다. 간간이 비슷한 발음 탓인지 베이징으로 바뀌는 경우도 있지만 원전은 위 로렌츠의 동료 과학자 필립 메릴리스(Philip Merilees)가 1972년에 정한 위 말 그대로이다. 이론이 나온 지 10년쯤 뒤의 일로 작정하고 만든 일종의 슬로건/모토이다.

이 이론이 나오게 된 경위는 다음과 같다. 로렌츠는 기상 관측 프로그램을 사용하다가 무언가 흥미로운 계산 결과를 발견하고 재확인하기 위해 다시 계산을 시켜봤는데 처음과 완전히 다른 결과가 나와 그래프가 뒤죽박죽이 되었다. 당황한 그는 이유를 처음부터 다시 따져보았는데 상당히 황당한 결론이 나왔다. 그 이유는 바로 2번째 계산을 시도할 때 계산 속도를 좀 더 빠르게 하려고 넣어야 할 수치 중 하나를 소숫점 4번째 자리에서 반올림해서 넣었기 때문이었다. 이에 충격을 받은 로렌즈는 이를 계기로 이 카오스 이론을 고안해 냈다.[2]

나비가 쓰이게 된 이유로는 1952년에 나온 레이 브래드버리(Ray Bradbury)의 SF 소설 〈천둥소리(A Sound of Thunder)〉 때문인 것으로 보인다. 이 작품은 1995년에 고려원에서 출판한 〈시간여행 SF 걸작선〉에 실려 있다. 이 작품에선 중생대의 나비 한 마리 때문에 대통령 선거 결과가 바뀌어 히틀러 같은 과격파 전체주의자가 당선된다[3]는 단편 소설로 2005년도에 같은 이름으로 영화화도 되었다. 2011년 국내 개봉 당시 제목은 '타임 코드'.[4]

미디어에서는 아무래도 제목을 그대로 따온 동명의 영화 나비효과(영화)가 제일 유명하다. 그 외에도 프랑스 영화 중에 나비 효과를 소재로 한 나비가 날개를 펄럭이면이라는 작품이 있다. 영국 게임회사 슈퍼매시브 게임즈에서 만든 게임 언틸 던과 프랑스 게임 회사 돈노드 엔터테인먼트에서 만든 게임 Life is Strange도 나비 효과를 소재로 두고 있다.

3. 오해

나비 효과의 개념은 아무도 미래를 정확히 예측할 수 없다는 것이지 사소한 변화가 반드시 큰 변화로 이어진다는 말이 아니다. 나비 효과는 작은 규모의 사건이 나중에 규모가 큰 사건으로 이어지는 것을 의미하는 것이 아니라, 단지 초기의 자그마한 오차가 큰 오차를 만들 가능성이 있다는 것이다. #.
즉, '사소한 일이었던 A가 커다란 일인 B가 일어나는 나비 효과를 불러왔다.'와 같은 문장은 틀렸다는 것이다.

이를 가장 잘 설명하는 현상은 일기 예보다. 나비 효과 자체가 기상 관측 프로그램으로 시뮬레이션을 돌리다가 발견되었듯이 기상 관측과 이를 통한 일기 예보는 나비 효과의 정의에 딱 들어맞는 사례이다. 그렇기에 아무리 정확도가 99.99999%인 슈퍼컴퓨터를 들이고 유명 기상학자를 초빙해도 예보가 매번 틀리는 건 어쩔 수 없다.

우리가 알고 있는 사소한 변화가 큰 변화를 일으킨다는 것은 오히려 스노볼의 의미이다. 자세한 건 해당 문서를 참고하면 된다.

4. 예시

[5]

5. 관련 문서

[1] 카이조 트랩으로 유명한 Guy Collins Animation의 영상. [2] 참고로 다중 진자도 카오스 이론에서 다루는 혼돈계에 해당하며, 이 영상을 보면 과학에서 말하는 진짜 나비 효과가 무엇인지 이해할 수 있을 것이다. 초깃값에 해당하는 각도가 각각 0.001, 0.0001 라디안씩밖에 차이가 나지 않는데도 시간이 흐르면서 움직임이 큰 차이를 보인다! 그만큼 초깃값에 상당히 민감함을 보여준 것이다. [3] 대충 이런 식으로 흘러간다. 선거 결과가 나온다. → 중생대로 시간 여행을 떠난다. → 여행사의 프로그램을 실제 상황으로 착각해서 넘어가면 안 되는 선을 넘어가서 땅을 밟게 된다. → 이 상황에서 불안에 떨며 원래 시대로 귀환 → 영문 철자법이 바뀐 것으로 복선을 드러내며, 결국 선거 결과가 변해 있다는 것을 알게 된다. → 흙을 밟은 신발에 나비 한 마리가 붙어 있더라라는 짧은 단편이다. [4] 64년 후인 2016년 미국 대통령 선거 이후 도널드 트럼프의 당선을 예언했다는 반응도 나왔다. 다만 현실의 트럼프는 재선은 실패하고 다시 재선에 도전하고 있으니... 나비를 반만 밟은 셈. [5] 사실 아래의 사례도 오히려 스노볼과 연관이 있다. 소위 사소한 사건들이 큰 사건을 만든 예시이기 때문이다. [6] 건물 이전으로 암 치료 기기를 철거하려고 했으나 건물 소유주와 법적 분쟁으로 철거하지 못했다. 그래서 위험성을 원자력 위원회에 알리기까지 했으나 법원은 철거를 불허했으며 경비원을 보내 지키고 있었는데 그 경비원이 무단결근을 했으며 하필이면 이때 좀도둑 두 명이 침입해 암 치료 기기에서 방사선을 쏘는 부분을 훔쳐 팔았는데 그로 인해 방사능이 급속도로 퍼지고 설상가상으로 방사선에 대한 무지와 안전 불감증, 그리고 정부의 무관심으로 인해 초특급 대형 사고로 발전했다. [7] 아무래도 발칸반도가 당시 세계의 화약고였는데 이 암살 사건을 계기로 본격적으로 전쟁이 터졌다.즉 제1차 세계 대전의 기폭제가 된 사건이다. [8] 이 사건을 계기로 북한엔 친소 세력의 영향력이 남한에선 친미 세력의 영향력이 강해졌다. 그리고 이때 생긴 간극이 더욱 더 커져서 한반도가 분단되는 결과가 초래되었다. [9] 미국에서 시작되어, 결국 대공황이 발생해 전 세계가 영향받았고, 이로 인해 서구의 자본주의의 몰락과 더불어 사회주의와 전체주의가 대두되었으며, 소련의 도약과 더불어 대공황으로 인해 죽어가던 국가에서 파시즘으로 무장한 나치당이 정권을 잡게 되었고, 이후 나치당이 이끄는 독일이 폴란드를 침공하면서 제2차 세계 대전이 시작되었다. 어찌 보면 제2차 세계 대전의 기폭제가 된 사건이라고 봐도 무방하다. [10] 라스 알마스 공항이 카나리아 제도의 분리 독립 조직 MPAIAC의 폭탄 테러로 폐쇄되자 사고기들을 포함한 라스 알마스행 비행기들이 인근의 로스 로데오 공항(현 테네리페 노르테 공항)으로 대피했는데 거기서 지연으로 부과될 징계를 두려워하던 KLM기 기장이 관제탑의 허가 없이 이륙을 시도하다가 활주로상에 있던 팬암기와 충돌해 583명이 사망했다. MPAIAC의 테러가 의도치 않게 역사상 최악의 항공 참사를 만든 것이다. 이 사고로 전 세계의 관제 체계가 모조리 뜯어고쳐졌고 서방 최대의 항공사이던 팬암이 주춤거리기 시작했다. [11] 이 사건으로 인해 미국이 테러와의 전쟁을 선포하고 미국-아프가니스탄 전쟁을 시작으로, 이라크 전쟁, 이라크 내전, 이라크 레반트 이슬람 국가, 유럽 난민 사태로 이어지게 된다. [12] 중국에서 발생한 한 바이러스종이 대봉쇄, 2021년 세계 물류 대란 등 경제적인 대란을 불러오고 범세계적, 사회•문화적으로 큰 혼란과 변동을 준 사건이다. [13] 기후 변화 등으로 꿀벌의 개체 수가 감소하고 있다. 만일 꿀벌의 씨가 마르게 된다면 이 일은 단순히 한 종의 멸종으로 끝날 일이 아니다. 단편적으로만 보더라도 양봉업계에 큰 타격이 생겨, 국가 경제에 문제가 생길 수 있다. 또한, 꿀벌은 꽃의 꿀을 모으며 꽃가루를 옮겨, 꽃이 씨앗을 맺을 수 있도록 하는 역할을 한다. 즉 꿀벌은 식물의 번식을 책임지는 곤충인데, 꿀벌의 멸종으로 인해 식물 개체 수가 감소하고 이는 곧 식물, 초식 동물, 육식 동물 순의 생태계 붕괴로 이어진다는 것이다. 지금의 인류의 기술만으로는 꿀벌만큼의 꽃가루를 옮기는 역할을 하기 어렵다. 그러므로 꿀벌의 멸종은 지구의 생태계에 큰 타격을 줄 수 있다. 그나마 다행인 것은 양봉업자들이 꿀벌 수가 감소할 경우 생계가 어려워지므로 인위적으로 여왕벌의 개체 수를 늘리려고 시도하고 있기 때문에 그것이 벌 개체 수 유지에 도움이 될 듯하지만, 근본적으로 꿀벌들이 잘 살아갈 수 있도록 많은 사람들이 환경 보호에도 힘써야 한다는 것은 분명한 사실이다.