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정체학 : 만물은 정체한다! 본문

사이언스북스의 책

정체학 : 만물은 정체한다!

Editor! 2014.06.24 17:11

 

정체학
만물은 정체한다!

 

사람과 자동차가 다니는 도로에서 항공망과 인터넷까지
세상은 막히고 얽히고 정체한다!
온갖 정체 현상의 수수께끼를 해명하는 파워 과학의 세계!


★ 고단샤 과학 출판상 수상작・니케이 BP・BIZ TECH 도서상 수상작


사람, 자동차, 개미, 인터넷 등등 세상은 정체 현상으로 가득하다. 탄생한 지 얼
마 되지 않은 ‘정체학’은 융합적 아이디어와 방법론을 바탕으로 정체 현상의 비
밀을 파헤친다. 차도 많지 않는데 발생하는 불가사의한 도로 정체 현상부터 온
라인 금융 거래의 처리 오류까지 정체 현상이 야기하는 문제들에 대해 정체학은
놀라운 해결책을 제시한다.


고속 도로 설계를 어떻게 개선할지, 혼잡한 장소에서 통로를 어떻게 새로 만
들지, 화재 사태가 났을 때 취해야 할 비상 조치는 어떤 것인지, 광고를 확산시키기 위해서는 어떤 방법을 택해야 하는지 정체학은 신선한 비전을 제시한다. 이
책은 짜증나는 정체 현상을 재미있는 과학으로 바꿔 줄 것이다.


정체가 싫은 사람도, 행렬이 생기기 바라는 사람도 꼭 읽어야 할 과학책


★ 사고도 안 났는데 발생하는 교통 체증의 수수께끼
★ 압사 사고, 빌딩 화재, 선박 침몰 시 가장 과학적인 대피 방법은?
★ 개미와 전철, 버스와 엘리베이터의 공통점과 차이점
★ 화재와 전염병 확산을 막는 바람직한 정체란?
★ 인터넷 폭주를 막고, 빈부 격차를 줄이는 과학

이런 궁리를 해 온 10년간의 기록, 말하자면 ‘정체의 원인을 찾기 위한 탐구 일기’를
한데 엮은 것이 이 책이다. 차례에 나열되어 있는 정체 현상들은 모두 내가 궁리하고
연구해 온 것들이다. 하지만 내 생각을 다듬는 과정에서 정말로 다양한 분야의 사람
들과 만나 다양한 이야기를 나눴다. 때로는 건축가, 때로는 생물학자, 때로는 정보 처
리 기술자와도 의견을 교환했다. 이런 식으로 정체에 관련된 주제라면 분야를 가리지
않고 고민하고 토론하고 연구해 왔다. 그 결과 다른 분야에서도 의외로 비슷한 문제로
골머리를 앓고 있음을 알게 되었다. 이 공통점과 차이점을 ‘정체학’이라는 이름으로
한데 묶고 이것을 한 권의 책으로 펴내 보면 좋겠다는 생각을 갖게 되었다.
정체학이라는 이 새로운 학문의 커다란 목표 중 하나는 당연히 정체의 해소일 것이
다. 지금까지 각 분야에서 정체를 해소하기 위해 다양한 연구를 해 왔다. 하지만 아쉽
게도 자기 분야의 정체들을 온전히 없앨 수 없었다. 그렇다면 아예 마음을 새롭게 먹
고 ‘분야 횡단적’ 발상을 해 보면 어떨까? 이 발상을 바탕으로 정체 문제를 다루면 어
떨까? 바로 이 문제 의식의 결과물이 정체학이다. 자동차 정체 현상을 해소하기 위해
개미에게 어찌하면 좋을지 물어 보는 것도 정체학의 한 가지 전략이다. — 본문에서

언젠가 사람의 흐름을 초음속 상태에 대한 유체 역학으로 이해할 수 있는 날이 올지
도 모른다. 그러나 아직 갈 길은 멀다. 연구가 거의 진척되지 않았기 때문이다. 연구자
들은 내가 앞으로 설명할 장난감 같은 모형들을 가지고 자기 구동 입자계의 신비에
도전하고 있다. 자기 구동 입자계 연구는 이제 막 시작된 단계에 있다. — 본문에서

그러나 이 눈치 채기 힘들 정도로 작은 것이 큰 문제를 일으킨다. 여러분도 이런 경험
이 있을 것이다. 운전하다 보니 어느새 정체에 휘말렸는데, 또 어느새 정체에서 빠져
나왔더라, 하는 경험 말이다. 정체에 빠졌다가 빠져나왔지만 운전자는 그 정체 현상의
원인을 모른다. 여우에 홀린 것처럼 말이다. — 본문에서

이번 3장에서는 이렇게 극단적으로 밀집한 군집까지 다루지는 않을 것이다. 다시 말
해 밀집해 있지는 않지만 패닉 상태에 빠져 단순한 모방 행동이나 경쟁 원리에 지배
를 받는 군집의 행동에 초점을 맞춰 논의를 전개하려고 한다. 이것이야말로 자기 구
동 입자계 특유의 상태이다. 자기 구동 입자들 사이에 작용하는 힘은 접촉력이 아니
라 군집 심리학적인 힘이다. — 본문에서


요즘에는 이런 개미의 먹이 탐색 행동이나 군집 내 통제된 행동 양식 등을 이용해 정
보 네트워크의 탐색 성능을 개선시키는 일이나, 네트워크로 연결된 사람들의 협력 행
동을 유도하는 일에 대한 응용적 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그리고 언젠가
우리는 자연으로부터 교통 문제를 풀 수 있는 지혜로운 해법을 배우게 될 것이다. 그
것은 우리가 상상할 수도 없었던 놀라운 돌파구가 될지도 모른다. — 본문에서


세상은 정말 정체로 가득하다. 지금까지 개괄해 온 것들 말고도 정체는 온갖 곳에서
똬리를 틀고 있다. 하지만 그만큼 분야를 넘어 학문 사이를 횡단하는 연구를 강하게
요구하고 있다. 한 분야에 국한되지 않고 여러 분야를 넘나들며 연구하는 즐거움을
자기 구동 입자계의 정체학이 제공해 주고 있다. — 본문에서


차례
책을 시작하며 5
1장 정체란 무엇인가 11
● 물과 사람의 차이 13 ● 비뉴턴 입자 18 ● 장난감 모형의 중요성 21● ASEP라는 훌륭한 모형 25 ● ASEP를 가지고 놀아 보자 27 ● 물이 얼음이 될 때 30 ● 대기 시간을 계산하는 방법 34 ● 대기 행렬 이론과 정체학의 차이 37 ● 셀 오토마톤 기법 39


2장 차량 정체는 왜 일어나는가 43
● 전자 요금 시스템만으로는 정체를 없앨 수 없다 45 ● 정체 불명의 정체 49 ● 보이지 않는 오르막길의 힘 50 ● 정체학 연구의 핵심, 기본도 53 ● 정체는 차간 거리 40미터 이하에서 발생한다 56 ● 정체 직전에 일어나는 일들 60 ● 영화 「스피드」에도 나온 메타 안정 상태 64 ● 자연 정체의 다른 원인들 66 ● 차가 많은데도 시속 60킬로미터로 달리는 비밀 70 ● 2차선 도로에서는 어떤 차선으로 가야 하나 75 ● 천천히 달리는 게 오히려 빨리 간다, 신호등의 미스터리 79 ● 회전 교차로의 허와 실 84 ● 정체학 강의 1 | 차의 셀 오토마톤 모형 90


3장 사람의 정체 99
● 아카시 보도교 압사 사고 101 ● 러시아워 지하철의 뉴턴 입자 106 ● 군집의 세 가지 상태 107 ● 화재와 연기 110 ● 어디로 대피해야 할까 113 ● 살고 싶으면 경쟁하지 마라 114 ● 건축 규제 속의 과학 118 ● 두 방향 대피의 원칙 121 ● 퍼스널 스페이스와 척력권 123 ● 정보 처리 공간과 인력권 126 ● 군집 행동의 모형화 127 ● 항공기 사고에서 살아남기 129 ● 장애물과 대피의 역설적 관계 132 ● 지하철역에서 일어나는 자발적 대칭성 깨짐 134 ● 가열로 인한 동결 138 ● 교차로 보행의 여러 패턴들 139 ●광고 달인은 정체학을 알고 있다 141 ● 무빙 워크로 정체를 없앤다 142 ● 정체학 강의 2 | 군집 행동을 모형화하는 플로어 필드 모형 145

4장 개미의 정체 153
● 개미 행렬의 비밀은 페로몬 155 ● 페로몬의 종류 158 ● 개미와 차의 차이 161 ● 개미는 혼잡해지면 빨라진다 166 ● 마라톤 페이스메이커와 페로몬 효과 171 ● 개미를 닮은 버스의 정체 현상 173 ● 정체학 강의 3 | 개미의 셀 오토마톤 모형 179

5장 정체로 가득한 세계 183
● 인터넷도 정체에서 자유롭지 않다 185 ● 컴퓨터의 눈물 나는 노력 191 ● 패킷과 차의 차이 194 ● 패킷의 정체를 회피하는 방법 197 ● 우주 시대에도 풀지 못하는 알갱이 문제 202 ● 브라질너트 현상 205 ● 컬링과 당구 208 ● 전철의 운행 214 ● “운행 시간 조정을 위해 이번 역에서 잠시 정차합니다.”의 의미 217 ● 사람이 없는데도 움직이는 엘리베이터 218 ● 항공기도 정체된다 219 ● 셀 생산 방식의 매력 224 ● 산불을 막는 정체 226 ● 돈이 돈을 부른다 230 ● 몸속에서 일어나는 정체 233 ● 단백질 합성 공장 234 ● ASEP의 고향 237 ● 분자 모터 238 ● 분자 모터의 정체 242


6장 정체학의 미래 249
● 현실은 네트워크 251 ● 네트워크 토폴로지 253 ● 허브와 집중 167 ● 경로 선택의 정체학 259 ● 6명만 거치면 세계는 연결된다 263 ● 정체학의 기본 법칙 그리고 그 너머 269 ● 게임 이론과 학습 이론 271 ● 미적분의 영광은 끝나는 것일까 276 ● 컴퓨터도 틀리는 계산 278 ● 복잡한 것을 어떻게 이해할 것인가 283 ● 수학의 중요성 287

책을 마치며 295 ● 참고 문헌 302

 

니시나리 가쓰히로(西成活裕)
1967년 일본 도쿄에서 태어났다. 1990년에 도쿄 대학교를 졸업했고, 항공 우주 공학으로 석사 학위와 박사 학위를 받았다. 현재 도쿄 대학교 첨단 기술 연구 센터 교수로 재직하고 있다. 전공은 비선형 동역학, 그리고 정체학이다. 일본 야마가타 대학교 공학부 기계 시스템 공학과, 류타니 대학교 이공학부 수리 정보학과 조교수, 독일 쾰른 대학교 이론 물리학 연구소 객원 교수, 도쿄 대학교 대학원 공학계 연구과 항공 우주 공학 전공 조교수로 재직했다. 항상 자연 과학과 공학의 융합을 모색하고 있다.
저서로는 『정체학(渋滞学)』, 『차의 정체 개미의 행렬: 정체학이 가르쳐 주는 ‘혼잡’의 진실(クルマの渋滞 アリの行列 渋滞学が教える「混雑」の真相)』, 『이공계를 위한 선형 대수(理工系のための解く! 線形代数)』, 『낭비학(無駄学)』, 『아주 재밌고 쓸모있는 수
학(とんでもなく役に立つ数学)』, 『도교대 인기 교수가 가르쳐 주는 사고 체력 단련볍(東大人気教授が教える 思考体力を鍛える)』,『의심하는 힘(疑う力)』, 『오해학(誤解学)』 등이 있다.
니시나리 연구실 홈페이지: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/tknishi/

 

옮긴이 이현영
일본에서 화학을 공부하고 현재 국내 전자 관련 기업에서 연구원으로 일하고 있다.일 본 과학 교양서들에 관심을 가지고 과학 관련 저술도 기획하고 있다.

 

 

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