자기조직화
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1. 개요
자기조직화는 시스템 내부 요소들 간의 상호작용을 통해 외부의 지시 없이 스스로 질서나 구조를 형성하는 현상을 의미한다. 윌리엄 로스 애시비는 결정론적 동적 시스템이 평형 상태로 진화하는 과정에서 자기조직화의 기본 원리를 정립했으며, 하인츠 폰 푀르스터는 무작위적 교란인 "노이즈"가 시스템의 상태 탐색을 촉진하여 자기조직화를 유발한다고 설명했다. 일리야 프리고진은 비평형 개방계에서 동적인 질서화가 일어나는 현상을 "산일 구조"로 정의하고, 이를 자기조직화로 규정했다. 자기조직화는 물리학, 화학, 생물학, 컴퓨터 과학, 사회과학 등 다양한 분야에서 나타나며, 상전이, 단백질 접힘, 군집 행동, 시장 경제, 사회 시스템 등 다양한 현상을 설명하는 데 사용된다.
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| 자기조직화 | |
|---|---|
| 자기 조직화 개요 | |
| 정의 | 계층 구조의 도움 없이, 시스템의 구성 요소 간의 상호 작용만으로 전체 시스템이 질서를 창발적으로 형성하는 과정 |
| 관련 개념 | 창발성, 복잡계, 시스템 이론, 자기 조립 |
| 특징 | |
| 제어 주체 | 외부 제어 없이 내부 구성 요소 간의 상호 작용에 의해 자발적으로 발생 |
| 질서 형성 | 국소적인 상호 작용이 전체적인 패턴이나 구조를 만들어냄 |
| 무작위성 | 초기 조건의 무작위성이나 노이즈가 질서 형성에 영향을 미칠 수 있음 |
| 복잡성 | 복잡한 시스템에서 자기 조직화가 나타나며, 예측 불가능한 행동을 보일 수 있음 |
| 자기 조직화의 예시 | |
| 자연 현상 | 결정 성장 눈송이 형성 모래 언덕 형성 대류 생명체의 발생 뇌의 신경망 형성 개미 군집의 행동 새 떼의 군무 물고기 떼의 유영 세포 자동자 |
| 사회 현상 | 도시 형성 주식 시장 인터넷 언어 진화 사회 운동 |
| 자기 조직화 연구 분야 | |
| 학문 분야 | 물리학 화학 생물학 사회학 경제학 컴퓨터 과학 인지 과학 |
| 응용 분야 | 로봇 공학 인공 지능 데이터 마이닝 네트워크 과학 조직 관리 |
| 자기 조직화 관련 이론 | |
| 복잡계 이론 | 복잡한 시스템의 행동과 창발적 현상을 연구 |
| 시너지 효과 이론 | 시스템 내 요소들의 협력을 통해 새로운 질서가 형성되는 과정 설명 |
| 카오스 이론 | 초기 조건에 민감하게 반응하는 시스템의 예측 불가능성 연구 |
| 망 이론 | 시스템 구성 요소 간의 연결 구조와 상호 작용 연구 |
| 관련 학자 | |
| 과학자 | 일리야 프리고진 헤르만 하켄 스티븐 스트로가츠 스튜어트 카우프만 |
| 사회 과학자 | 프리드리히 하이에크 니클라스 루만 매뉴얼 드 란다 |
| 추가 정보 | |
| 참고 문헌 | Camazine, J., Franks, N. R., Sneyd, J., Bonabeau, E., & Deneubourg, J. L. (2001). Self-organization in biological systems. Princeton University Press. Johnson, S. (2001). Emergence: The connected lives of ants, brains, cities, and software. Scribner. Kauffman, S. A. (1993). The origins of order: Self-organization and selection in evolution. Oxford University Press. |
2. 정의 및 원리
(내용 없음)
2. 1. 정의
자기 조직화는 비평형 과정의 물리학과 화학 반응에서 나타나는 현상으로, 종종 자기 조립과 연관되어 설명된다. 이 개념은 분자 수준에서 생태계 수준에 이르기까지 생물학 분야에서 널리 활용된다.[3] 또한, 자연 과학뿐만 아니라 경제학이나 인류학 같은 사회 과학 분야, 그리고 셀룰러 오토마타와 같은 수학적 시스템에서도 자기 조직적 행동의 사례가 관찰된다.[4] 자기 조직화는 창발 현상과 관련된 개념 중 하나로 여겨진다.[5]자기 조직화는 다음 네 가지 기본 요소에 의존한다.[6]
- 강력한 동적 비선형성 (종종 정 피드백 및 부 피드백을 포함하지만 필수는 아님)
- 착취(exploitation)와 탐색(exploration) 사이의 균형
- 시스템을 구성하는 요소들 사이의 다양한 상호작용
- 에너지의 가용성 (시스템이 엔트로피 증가에 따라 무질서해지려는 자연적인 경향, 즉 자유 에너지 손실을 극복하기 위해 필요)
비평형 열역학 연구에 기여한 공로로 1977년 노벨 화학상을 수상한 화학자이자 물리학자인 일리야 프리고진은 자기 조직화 개념을 명확히 정의했다. 그는 특히 에너지가 드나들며 동적인 질서가 형성되는 비평형 개방계를 '산일계'(dissipative system)라고 명명했다. 프리고진은 이러한 산일계에서 일어나는 동적인 질서 형성 과정을 자기 조직화(self-organization)로 정의했다. 반면, 외부와의 에너지 교환이 없는 평형계에서 일어나는 정적인 질서 형성 과정(예: 과포화용액 속에서 결정이 성장하여 고체가 되어 석출되는 현상)은 자기 집합(self-assembly)으로 구분하여 자기 조직화와 구별했다.[100]
2. 2. 기본 원리
자기 조직화는 비평형 과정의 물리학과 화학 반응에서 나타나며, 종종 자기 조립과 연관된다. 이 개념은 분자 수준에서 생태계 수준까지 생물학에서 중요하게 다뤄진다.[3] 또한 자연 과학뿐만 아니라 경제학이나 인류학 같은 사회 과학 분야, 그리고 셀룰러 오토마타 같은 수학적 시스템에서도 관찰된다.[4] 자기 조직화는 창발 현상의 한 예로 볼 수 있다.[5]자기 조직화가 일어나기 위한 네 가지 기본 요소는 다음과 같다.[6]
- 강력한 동적 비선형성, 종종 (필수적이지는 않지만) 정 피드백 및 부 피드백 포함
- 착취와 탐구의 균형
- 구성 요소 간의 다중 상호 작용
- 에너지의 가용성 (엔트로피로의 자연스러운 경향 또는 자유 에너지 손실을 극복하기 위해)
사이버네틱스 전문가 윌리엄 로스 애시비는 1947년에 자기 조직화의 기본적인 원리를 정립했다.[7][8] 그는 모든 결정론적 동적 시스템은 자동으로 주변 상태의 끌개 내에서 영역으로 묘사될 수 있는 평형 상태로 진화한다고 설명했다. 일단 그 상태에 도달하면 시스템의 추가적인 진화는 끌개 내에 머물도록 제한된다. 이러한 제약은 구성 요소나 하위 시스템 간의 상호 의존성 또는 조정을 의미한다. 애시비의 표현에 따르면, 각 하위 시스템은 다른 모든 하위 시스템에 의해 형성된 환경에 적응했다.[7]
사이버네틱스 전문가 하인츠 폰 푀르스터는 1960년에 "무질서로부터의 노이즈" 원리를 정립했다.[9] 그는 자기 조직화가 시스템이 상태 공간에서 다양한 상태를 탐색하도록 하는 무작위적 교란("노이즈")에 의해 촉진된다고 언급했다. 이는 시스템이 "강한" 또는 "깊은" 끌개의 영역에 도달할 가능성을 높이며, 거기에서 시스템은 빠르게 끌개 자체로 들어간다. 생물리학자 앙리 아틀란은 1972년 저서 《생물학적 조직과 정보 이론》에서, 그리고 1979년 저서 《크리스탈과 연기 사이》에서 "노이즈로부터의 복잡성" 원리[10][11] (le principe de complexité par le bruit프랑스어)[12]를 제안하여 이 개념을 발전시켰다. 화학자이자 물리학자인 일리야 프리고진은 유사한 원리를 "변동을 통한 질서"[13] 또는 "혼돈으로부터의 질서"[14]로 정립했다. 이는 문제 해결과 기계 학습을 위한 모의 담금질 방법론에 적용된다.[15]
비평형 연구에 큰 업적을 남겨 1977년 노벨 화학상을 수상한 화학자이자 물리학자인 일리야 프리고진은, 특히 "동적"인 질서화가 일어나는 비평형 개방계를 "산일계"라고 칭하고, 산일계에서의 질서 형성을 "자기 조직화"로 정의한 반면, 평형계에서 일어나는 "정적"인 질서화를 "자기 집합"으로 정의하여 자기 조직화와 구분했다.[100]
3. 역사
시스템의 역학이 조직의 증가로 이어질 수 있다는 생각은 오랜 역사를 가지고 있다. 데모크리토스와 루크레티우스와 같은 고대 원자론자들은 자연에 질서를 창조하기 위해 설계 지능이 불필요하다고 믿었으며, 충분한 시간과 공간, 물질이 주어진다면 질서는 스스로 나타난다고 주장했다.[16]
철학자 르네 데카르트는 1637년 저서 ''방법서설''의 다섯 번째 부분에서 자기 조직화를 가설적으로 제시했다. 그는 미출간된 작품인 ''세계''에서 이 아이디어를 자세히 설명했다.
이마누엘 칸트는 1790년 저서 ''판단력 비판''에서 "자기 조직화"라는 용어를 사용했는데, 그는 목적론이 부분 또는 "기관"이 동시에 목적이자 수단인 존재가 있을 경우에만 의미 있는 개념이라고 주장했다. 그러한 기관 시스템은 마치 자체적인 정신을 가지고 있는 것처럼, 즉 스스로를 관리할 수 있는 것처럼 행동할 수 있어야 한다.[17]
이러한 자연적 산물에서 모든 부분은 다른 모든 부분의 작용에 ''의존''하여 존재하고, 또한 ''다른 것과 전체를 위해'' 존재하며, 즉 도구 또는 기관으로 존재한다고 생각된다... 부분은 다른 부분을 ''생산하는'' 기관이어야 한다. 각 부분은 결과적으로 상호적으로 다른 부분을 생산한다... 이러한 조건과 조건에서만 그러한 산물은 ''조직된'' 그리고 ''자기 조직화된'' 존재가 될 수 있으며, 따라서 ''물리적 목적''이라고 불릴 수 있다.[17]
사디 카르노 (1796–1832)와 루돌프 클라우지우스 (1822–1888)는 19세기에 열역학 제2법칙을 발견했다. 이 법칙은 때때로 무질서로 이해되는 총 엔트로피가 고립계에서 시간이 지남에 따라 항상 증가한다고 명시한다. 즉, 시스템이 다른 곳에서 무질서를 감소시키는 외부 관계(예: 배터리의 저 엔트로피 에너지를 소모하고 고 엔트로피 열을 확산시키는 것) 없이는 자체적으로 질서를 증가시킬 수 없다는 것을 의미한다.[18][19]
18세기 사상가들은 생물체의 형태를 설명하기 위해 "형태의 보편적 법칙"을 이해하려고 노력했다. 이 아이디어는 라마르크주의와 연관되어 불신을 받았지만, 20세기 초 다아시 웬트워스 톰슨 (1860–1948)이 이를 부활시키려 시도했다.[20]
정신과 의사이자 엔지니어인 W. 로스 애시비는 1947년에 현대 과학에 "자기 조직화"라는 용어를 도입했다.[7] 그는 모든 결정론적 동적 시스템은 자동으로 주변 상태의 끌개 내에서 영역으로 묘사될 수 있는 평형 상태로 진화한다고 말했다. 일단 그 상태에 도달하면 시스템의 추가적인 진화는 끌개 내에 머물도록 제한된다. 이러한 제약은 구성 요소나 하위 시스템 간의 상호 의존성 또는 조정을 의미한다. 애시비의 표현에 따르면, 각 하위 시스템은 다른 모든 하위 시스템에 의해 형성된 환경에 적응했다.[7][8]
사이버네틱스 전문가 하인츠 폰 푀르스터는 1960년에 "무질서로부터의 노이즈" 원리를 정립했다.[9] 그는 자기조직화가 시스템이 상태 공간에서 다양한 상태를 탐색하도록 하는 무작위적 교란("노이즈")에 의해 촉진된다고 언급했다. 이는 시스템이 "강한" 또는 "깊은" 끌개의 영역에 도달할 가능성을 높이며, 거기에서 시스템은 빠르게 끌개 자체로 들어간다. 생물리학자 앙리 아틀란은 1972년 저서 《생물학적 조직과 정보 이론》에서, 그리고 1979년 저서 《크리스탈과 연기 사이》에서 "노이즈로부터의 복잡성" 원리[10][11] (le principe de complexité par le bruit프랑스어) [12]를 제안하여 이 개념을 발전시켰다. 물리학자이자 화학자인 일리야 프리고진은 유사한 원리를 "변동을 통한 질서"[13] 또는 "혼돈으로부터의 질서"[14]로 정립했다. 이는 문제 해결과 기계 학습을 위한 모의 담금질 방법론에 적용된다.[15]
"자기 조직화"라는 용어는 애시비에 의해 도입된 후 사이버네틱스 학자인 하인츠 폰 푀르스터, 고든 파스크, 스태포드 비어 등에 의해 채택되었다. 폰 푀르스터는 1960년 6월 일리노이 대학교 앨러턴 파크에서 "자기 조직화의 원리"에 관한 회의를 조직했고, 이는 자기 조직 시스템에 대한 일련의 회의로 이어졌다.[21] 노버트 위너는 그의 저서 ''사이버네틱스: 동물과 기계의 제어 및 통신'' (1961)의 두 번째 판에서 이 아이디어를 채택했다.
자기 조직화는 1960년대에 일반 시스템 이론과 관련이 있었지만, 물리학자 헤르만 하켄 외 다수와 복잡계 연구자들이 우주론 에리히 얀츠, 화학 소산계, 생물학 및 사회학의 자기생성에서 시스템 사고에 이르기까지 더 큰 그림으로 이를 채택하기 전까지는 과학 문헌에서 보편화되지 않았다. 1980년대 (산타페 연구소)와 1990년대 (복잡 적응 시스템), 그리고 오늘날 파괴적 기술은 근경 네트워크 이론에 의해 심화되었다.
2008–2009년경, 안내된 자기 조직화의 개념이 형성되기 시작했다. 이 접근 방식은 동적 시스템이 특정 어트랙터 또는 결과에 도달할 수 있도록 특정 목적을 위해 자기 조직화를 규제하는 것을 목표로 한다. 규제는 명시적인 제어 메커니즘이나 전역적 설계 청사진을 따르는 대신, 시스템 구성 요소 간의 지역적 상호 작용을 제한하여 복잡계 내에서 자기 조직화 프로세스를 제한한다. 결과적인 내부 구조 및/또는 기능의 증가와 같은 원하는 결과는 과제 독립적인 전역적 목표와 과제 종속적인 지역적 상호 작용에 대한 제약 조건을 결합하여 달성된다.[23][24]
4. 분야별 자기조직화
자기 조직화는 비평형 과정의 물리학과 화학 반응에서 나타나며, 종종 자기 조립과 연관되어 설명된다. 이 개념은 분자 수준에서 생태계 수준에 이르기까지 생물학의 다양한 영역에서 유용하게 활용된다.[3] 자기 조직적 행동의 사례는 자연 과학뿐만 아니라 경제학이나 인류학과 같은 사회 과학 분야의 문헌에서도 많이 찾아볼 수 있다. 또한 셀룰러 오토마타와 같은 수학적 시스템에서도 자기 조직화 현상이 관찰된다.[4] 자기 조직화는 창발과 관련된 중요한 개념 중 하나이다.[5]
자기 조직화는 일반적으로 다음과 같은 네 가지 기본 요소에 의존한다.[6]
# 강력한 동적 비선형성: 종종 정 피드백 및 부 피드백을 포함한다.
# 착취와 탐구 사이의 균형: 기존의 안정적인 상태를 활용(착취)하면서 새로운 가능성을 탐색하는 과정이 균형을 이룬다.
# 구성 요소 간의 다중 상호 작용: 시스템을 이루는 요소들 사이에 복잡한 상호작용이 존재한다.
# 에너지의 가용성: 시스템이 엔트로피 증가라는 자연적인 경향을 거슬러 질서를 유지하고 형성하기 위해서는 외부로부터 에너지를 공급받아야 한다.
자기 조직화 현상은 물리학, 화학, 생물학, 컴퓨터 과학, 사이버네틱스, 사회 과학 등 매우 광범위한 분야에서 연구되고 있으며, 각 분야의 구체적인 사례와 이론은 해당 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.
4. 1. 물리학
물리학에서는 많은 자기 조직 현상이 상전이와 자발적 대칭성 깨짐과 관련되어 나타난다. 고전 물리학에서는 자발 자화나 결정 성장 등이 있으며, 양자 물리학에서는 레이저,[25] 초전도 현상, 보스-아인슈타인 응축 등이 대표적인 예이다. 자기 조직 현상은 동역학계에서의 자기 조직 임계 현상, 마찰학, 스핀 폼 시스템, 루프 양자 중력,[26] 플라스마,[27] 강 유역과 삼각주 형성, 눈송이와 같은 수상 결정 고화, 모세관 흡수[28], 난류 구조 등 다양한 분야에서 발견된다.[3][4]1995년 학술 회의에서 리 스몰린은 나선 은하, 일반적인 은하 형성 과정, 초기 구조 형성, 양자 중력, 우주의 대규모 구조와 같은 우주론적 현상들이 자기 조직화의 결과이거나 이를 포함할 수 있다고 주장했다.[44] 그는 자기 조직화 시스템이 종종 임계 시스템의 특성을 보이며, 페르 바크 등이 보여준 것처럼 공간과 시간에 걸쳐 가능한 모든 규모로 구조가 퍼져나간다고 설명했다. 우주 내 물질 분포가 여러 자릿수에 걸쳐 거의 규모 불변성을 보이기 때문에, 자기 조직화 시스템 연구에서 개발된 아이디어들이 우주론 및 천체 물리학의 특정 미해결 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 보았다.
4. 2. 화학
화학 분야에서 자기 조립은 다양한 형태로 나타난다. 여기에는 건조 유도 자기 조립,[30] 분자 자기 조립,[31] 반응-확산 시스템, 진동 반응,[32] 자가 촉매 네트워크, 액정,[33] 격자 복합체, 콜로이드 결정, 자기 조립 단분자막,[34][35] 미셀, 블록 공중합체의 마이크로상 분리, 랑뮈어-브로드제트 막 등이 포함된다.[36]
1977년 노벨 화학상 수상자인 화학자이자 물리학자 일리야 프리고진은 비평형 개방계(산일계)에서 일어나는 동적인 질서화를 자기 조직화(self-organization)로 정의했다. 반면, 평형 상태의 계에서 발생하는 정적인 질서화는 자기 집합(self-assembly)으로 구분하여 자기 조직화와 구별했다.[100]
화학 및 제조업 분야에서는 자기 조직화 현상을 활발히 연구하고 응용하고 있다. 비교적 작은 분자들이 자발적으로 모여 더 높은 차원의 구조를 형성하는 예로는 초분자, 자기 조립 단분자막 (Self-Assembled Monolayer, SAM), 미셀 결정, 블록 공중합체 등이 있다. 이러한 원리는 메조포러스 재료 제작 등에 이용된다. 최근에는 기존의 포토리소그래피와 같은 톱다운(top-down) 방식의 미세 가공 기술을 보완하거나 대체할 수 있는 바텀업(bottom-up) 방식의 연구가 활발하다. 미립자 어셈블리 기술이나 패터닝 기술을 이용해 집적 회로를 만드는 연구가 진행되고 있으며,[101] 이 기술이 성공적으로 개발된다면 나노 디바이스의 대량 생산을 가능하게 할 것으로 기대된다. 더 나아가 나노 머신의 제작 등에도 응용될 수 있을 것으로 보인다.[102][103]
4. 3. 생물학
생물학에서 자기 조직화[37]는 다양한 수준에서 관찰된다. 단백질 접힘이나 다른 생체 고분자가 스스로 특정 구조를 형성하는 것, 지질 이중층 막의 자기 조립, 발생 생물학에서의 패턴 형성과 형태 형성 등이 대표적인 예이다. 또한, 인간의 움직임이 조화롭게 이루어지거나, 벌, 개미, 흰개미와 같은 사회성 곤충[38] 및 포유류의 사회적 행동, 새나 물고기의 군집 행동[39] 등에서도 자기 조직화 현상을 찾아볼 수 있다.
수학 생물학자인 스튜어트 카우프만을 비롯한 일부 구조주의 생물학자들은 자기 조직화가 진화 생물학의 주요 영역인 개체군 동태, 분자 진화, 형태 형성 등에서 자연 선택과 함께 중요한 역할을 수행할 수 있다고 주장했다. 그러나 이러한 관점을 받아들일 때는 세포 내 생화학 반응을 구동하는 에너지의 필수적인 역할을 고려해야 한다. 세포 내 반응 시스템은 단순히 스스로 조직되는 것이 아니라, 지속적인 에너지 공급에 의존하는 열역학적 개방계이며 촉매 작용을 통해 유지된다.[40][41] 따라서 자기 조직화는 자연 선택을 대체하는 개념이라기보다는, 진화가 작동할 수 있는 가능성의 범위를 제한하고, 동시에 막의 자기 조립과 같이 진화가 활용할 수 있는 기본적인 메커니즘을 제공하는 역할을 한다고 볼 수 있다.[42]
생명 시스템에서 질서가 진화하는 과정과 특정 무생물 시스템에서 질서가 생성되는 현상은 "다윈적 역학"[43]이라는 공통된 기본 원리를 따를 수 있다는 주장이 제기되었다. 이 개념은 열역학적 평형 상태에서 멀리 떨어진 단순한 비생물학적 시스템에서 미시적인 질서가 어떻게 생성되는지를 먼저 분석하고, 이를 RNA 세계 가설에서 초기 생명체와 유사했을 것으로 추정되는 짧은 복제 RNA 분자에 적용하여 발전했다. 연구 결과, 비생물학적 시스템과 복제 RNA에서 나타나는 자기 조직화의 기본적인 질서 생성 과정이 근본적으로 유사하다는 점이 밝혀졌다.
비평형 열역학 연구에 기여한 공로로 1977년 노벨 화학상을 수상한 화학자이자 물리학자인 일리야 프리고진은 외부와 에너지를 교환하며 동적인 질서를 형성하는 비평형 개방계를 "산일계"(dissipative system)라고 명명했다. 그는 이러한 산일계에서 일어나는 질서 형성을 "자기 조직화(self-organization)"로 정의했으며, 이는 열역학적 평형 상태에서 발생하는 "정적"인 질서화, 즉 "자기 집합(self-assembly)"과는 구분되는 개념이다.[100] 예를 들어, 과포화용액 속에서 결정이 성장하여 고체로 석출되는 자연 현상은 자기 집합에 해당한다.
한편, 인간의 사고나 학습 과정에서 뇌 안에 새로운 신경 회로가 구축되는 현상 역시 자기 조직화의 한 예로 볼 수 있다. 이러한 뇌의 작동 원리를 모델로 한 자기 조직화 맵과 같은 인공 신경망 모델도 연구되고 있다.
산타페 연구소의 스튜어트 카우프만은 지구 생명의 기원에 대해 깊이 연구하며, 생물 시스템과 유기체의 복잡성이 다윈의 자연 선택설만으로는 완전히 설명되기 어려우며, 자기 조직화와 열역학적 평형에서 멀리 벗어난 상태(far-from-equilibrium dynamics)의 역할이 중요할 수 있다고 주장했다. 이러한 비평형 개방계에 대한 연구는 일리야 프리고진이 제창한 산일 구조론과도 맥락을 같이 한다.
4. 4. 컴퓨터 과학
수학 및 컴퓨터 과학 분야에서 자기 조직화는 세포 자동자, 랜덤 그래프, 일부 진화 컴퓨팅 및 인공 생명과 같은 현상에서 그 특징을 나타낸다. 특히 랜덤 그래프 이론은 복잡한 시스템을 이해하는 일반적인 원리로서 자기 조직화를 설명하는 데 사용되어 왔다.군집 로봇 공학에서는 개별 로봇들의 상호작용을 통해 전체 시스템이 특정 목표를 달성하는 창발적 행동을 만들어내기 위해 자기 조직화 원리를 활용한다. 또한, 멀티 에이전트 시스템 분야에서는 여러 에이전트(독립적인 행위자)들이 상호작용하며 스스로 질서를 형성하고 특정 행동을 나타내는 시스템을 설계하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.[45]
최적화 알고리즘 역시 자기 조직화의 한 예로 볼 수 있다. 알고리즘이 문제에 대한 최적의 해를 찾아가는 과정은, 마치 시스템이 여러 상태를 거쳐 가장 안정적인 구조(최적 해)로 수렴해가는 자기 조직화 과정과 유사하기 때문이다.[46][47]
네트워크 분야에서는 자기 조직 네트워크가 중요한 개념으로 다뤄진다. 여기에는 스몰월드 네트워크[48], 자기 안정화[49], 척도 없는 네트워크 등이 포함된다. 이러한 네트워크들은 중앙의 통제 없이 개별 요소들의 상향식 상호작용을 통해 자발적으로 형성된다는 특징을 가지며, 이는 전통적인 하향식 계층 구조의 네트워크와는 구별된다.[50]
클라우드 컴퓨팅 시스템 역시 그 본질상 자기 조직화의 특성을 지닌다고 주장되기도 한다.[51] 하지만 클라우드 시스템은 자율적으로 작동하더라도 시스템 자체의 복잡성을 줄이려는 목표를 가지지는 않기 때문에, 스스로 관리하고 문제를 해결하는 '자체 관리형(self-managing)' 시스템과는 차이가 있다.[52][53]
한편, 인간의 사고나 학습 과정에서 뇌 안에 새로운 신경 회로가 만들어지는 것 또한 자기 조직화의 한 예로 볼 수 있다. 이러한 뇌의 작동 방식을 모델로 한 자기 조직화 맵(Self-Organizing Map, SOM)과 같은 인공 신경망 모델에 대한 연구도 이루어지고 있다.
4. 5. 사이버네틱스
사이버네틱스 전문가 윌리엄 로스 애시비는 1947년에 자기조직화의 기본 원리를 정립했다.[7][8] 그는 모든 결정론적 동적 시스템은 자동으로 주변 상태의 끌개 내에서 영역으로 묘사될 수 있는 평형 상태로 진화한다고 설명했다. 시스템이 이 상태에 도달하면, 추가적인 진화는 끌개 내부에 머무르도록 제한된다. 이러한 제약은 구성 요소나 하위 시스템 간의 상호 의존성 또는 조정을 의미하며, 애시비의 표현에 따르면 각 하위 시스템은 다른 모든 하위 시스템이 형성하는 환경에 적응하게 된다.[7]또 다른 사이버네틱스 전문가인 하인츠 폰 푀르스터는 1960년에 "무질서로부터의 노이즈" 원리를 제시했다.[9] 그는 자기조직화 과정이 시스템 상태 공간 내 다양한 상태를 탐색하게 만드는 무작위적 교란, 즉 '노이즈'에 의해 촉진된다고 보았다. 이를 통해 시스템은 강력하거나 깊은 끌개 영역에 도달할 가능성이 커지고, 일단 도달하면 빠르게 끌개 자체로 수렴한다. 생물리학자 앙리 아틀란은 1972년 저서 《생물학적 조직과 정보 이론》과 1979년 저서 《크리스탈과 연기 사이》에서 "노이즈로부터의 복잡성" 원리(le principe de complexité par le bruitfra)[12]를 제안하며 이 개념을 발전시켰다.[10][11] 물리학자이자 화학자인 일리야 프리고진 역시 유사한 원리를 "변동을 통한 질서"[13] 또는 "혼돈으로부터의 질서"[14]로 정립했다. 이러한 원리들은 문제 해결 및 기계 학습 분야의 모의 담금질 방법론에 응용된다.[15]
노버트 위너는 사이버네틱스 분야에서 자기 조직화를 자동 직렬 시스템 식별을 통해 블랙 박스를 식별하고 이를 재생산하는 과정으로 간주했다.[54] 그는 자신의 저서 ''사이버네틱스: 동물과 기계에서의 제어 및 통신'' 제2판에서 위상 고정, 즉 그가 "주파수의 끌림"이라고 표현한 현상의 중요성을 강조했다.[55] K. 에릭 드렉슬러는 분자 조립기를 나노 기술 및 범용 조립기의 핵심 단계로 보았다. 한편, W. 로스 애시비의 호메오스타트는 네 개의 상호 연결된 검류계가 외부 교란 시 여러 가능한 안정 상태 중 하나로 수렴하기 위해 사냥 진동하는 방식으로 작동한다.[56] 애시비는 다양성의 상태 계수 측정을 이용해[57] 안정 상태를 설명했으며, 자기 조직화된 영속주의와 안정성을 위해서는 내부 모델이 필요하다는 "굿 레귤레이터"[58] 정리를 제시했다(예: 나이퀴스트 안정성 기준). 워렌 맥컬록은 자기 조직화의 필요조건으로 뇌와 인간 신경계의 특징인 "잠재적 명령의 중복성"[59]을 제안했다. 하인츠 폰 푀르스터는 중복성 ''R'' = 1 − ''H''/''H''max (여기서 ''H''는 엔트로피)를 제안했는데,[60][61] 이는 본질적으로 사용되지 않은 잠재적 통신 대역폭이 자기 조직화의 척도가 될 수 있음을 시사한다.
1970년대에 스태포드 비어는 지속적이고 살아있는 시스템에서 자율성을 확보하기 위해 자기 조직화가 필수적이라고 보았다. 그는 자신의 생존 가능한 시스템 모델을 경영 관리에 적용했다. 이 모델은 다섯 부분으로 구성된다: 생존 과정 수행 모니터링(1), 규제 재귀 적용을 통한 관리(2), 항상성 작동 제어(3), 환경 교란 속에서 정체성 유지(5)를 생성하는 개발(4). 이 시스템은 표준 능력 대비 성능 부족 또는 과잉에서 발생하는 고통과 즐거움(알게도닉 루프) 피드백에 의해 우선순위가 결정된다.[62]
1990년대에 고든 파스크는 폰 푀르스터가 제시한 H와 Hmax가 독립적이지 않으며, 가산 무한대 재귀 동시 스핀 프로세스를 통해 계산 가능한 집합(그는 이를 '개념'이라 칭함)을 매개로 상호 작용한다고 주장했다.[65] 그는 "관계를 맺는 절차"[89]라는 엄격한 개념 정의를 통해, 자신의 정리 "유사 개념은 반발하고, 상이한 개념은 끌어당긴다"[63]가 일반적인 스핀 기반 자기 조직화 원리를 제시할 수 있다고 보았다. 그의 "분신 없음" 원칙은 두 개념이 동일할 수 없음을 의미하며, 충분한 시간이 지나면 모든 개념이 서로 끌어당겨 핑크 노이즈 상태로 합쳐진다고 설명했다. 이 이론은 진화하고, 학습하며, 적응하는 모든 조직적으로 폐쇄되거나 항상성을 유지하는 프로세스에 적용될 수 있다.[64][65]
다른 사람들이 "학습 방법을 배우도록" 돕는 것은[73] 종종 그들에게 가르침을 받는 방법을 지시하는 것을 의미한다.[74] 자기 조직 학습(SOL, Self-Organized Learning)[75][76][77]은 "전문가가 최고를 안다"거나 "가장 좋은 방법은 하나뿐이다"라는 주장을 거부하며,[78][79][80] 대신 학습자가 경험적으로 검증해야 하는 "개인적으로 의미 있고, 관련성이 있으며 실행 가능한 의미의 구성"[81]을 강조한다.[82] 이는 협력적일 수 있으며 개인적으로 더 큰 보람을 줄 수 있다.[83][84] 자기 조직 학습은 특정 학습 환경(가정, 학교, 대학 등)에 국한되거나 부모나 교수 같은 권위자의 통제 하에 있는 것이 아니라, 평생에 걸친 과정으로 간주된다.[85] 학습자의 개인적인 경험을 통해 테스트되고 간헐적으로 수정되어야 한다.[86] 또한 의식이나 언어에 의해서도 제한받을 필요가 없다.[87] 프리초프 카프라는 이러한 관점이 심리학과 교육 분야에서 제대로 인식되지 못하고 있다고 주장했다.[88] 자기 조직 학습은 부정 피드백 제어 루프를 포함하기 때문에 사이버네틱스와 관련될 수 있으며,[89] 또는 시스템 이론과도 연관될 수 있다.[90] 이는 학습자 간 또는 한 개인 내에서의 학습 대화 또는 대화 형태로 이루어질 수 있다.[91][92]
4. 6. 사회과학
인간 사회에서도 물리적, 생물학적 시스템과 유사하게 자기조직화 현상이 나타날 수 있으며, 이는 자생적 질서의 개념과 관련 깊다.[67] 사회학, 경제학, 행동 재무학, 인류학 등 다양한 사회과학 분야에서는 이러한 자기조직화의 원리와 양상을 중요한 연구 주제로 다루고 있다.[66] 사회 시스템 내에서 나타나는 자기조직화의 구체적인 이론과 사례들은 하위 분야에서 더 자세히 논의된다.4. 6. 1. 사회학
사회적 동물들의 자기 조직 행동이나 단순한 수학적 구조에서 나타나는 자기 조직 현상은 인간 사회에서도 자기 조직화가 일어날 수 있음을 보여준다. 사회에서 나타나는 자기 조직화의 징후들은 물리 시스템에서 관찰되는 자기 조직화와 유사한 통계적 속성을 공유한다. 예를 들어, 임계 질량, 군집 행동, 집단 사고와 같은 현상들은 사회학, 경제학, 행동 재무학, 인류학 등 다양한 분야에서 찾아볼 수 있다.[66] 이러한 자생적 질서는 각성의 영향을 받기도 한다.[67]
사회 이론 분야에서는 니클라스 루만(Niklas Luhmann)이 1984년에 자기 참조성(self-referenceeng) 개념을 자기 조직 이론의 사회학적 적용으로 제시했다. 루만에 따르면, 사회 시스템의 기본 요소는 '자기 생성적 의사소통'이다. 즉, 하나의 의사소통이 또 다른 의사소통을 만들어내면서 사회 시스템은 스스로를 재생산해 나간다. 이러한 관점에서 인간은 사회 시스템 환경의 변화를 감지하는 센서와 같은 역할을 한다. 루만은 이러한 기능적 분석과 시스템 이론을 바탕으로 사회와 그 하위 시스템들의 진화 이론을 발전시켰다.[68]
4. 6. 2. 경제학
시장 경제는 때때로 스스로 질서를 만들어가는 자기 조직화의 특성을 보인다고 이야기된다. 노벨 경제학상 수상자인 폴 크루그먼은 그의 저서 ''자기 조직화 경제''에서 시장이 스스로 조직화되는 과정이 경기 변동에 어떤 영향을 미치는지 분석했다.[69] 한편, 오스트리아 학파 경제학자인 프리드리히 하이에크는 자유 시장 경제가 외부의 통제 없이 자생적으로 질서를 형성하는 현상을 설명하기 위해 '카탈락시(Catallaxy)'라는 용어를 사용하며, 이를 "자발적 협력의 자기 조직화 시스템"이라고 묘사했다.[70]신고전 경제학자들은 정부가 중앙 계획을 통해 시장에 개입하면, 자기 조직화된 경제 시스템이 갖는 본연의 효율성이 저해될 수 있다고 주장한다. 반면, 다른 경제학자들은 시장 실패의 문제점이 심각하며, 때로는 자기 조직화가 바람직하지 않은 결과를 낳을 수 있으므로 국가가 생산과 가격 결정에 일정 부분 관여해야 한다고 본다. 오늘날 대부분의 경제학자들은 시장 경제의 자율성과 계획 경제의 안정성을 절충하는 혼합 경제 체제를 현실적인 대안으로 여기는 경향이 있다. 이처럼 경제학에서 자기 조직화 개념은 각기 다른 이념적 시각과 맞물려 논의되기도 한다.[71][72]
진화 경제학의 관점에서는 기술의 발전이나 시장 경제 시스템 자체가 일종의 자기 조직화 과정의 산물이라고 보기도 한다.[104]
4. 6. 3. 언어학
언어의 진화에서 질서는 개인 및 집단의 행동이 생물학적 진화와 상호 작용하면서 자발적으로 나타난다.[94]5. 비판
하인츠 파겔스는 1985년 일리야 프리고진과 이자벨 스텐제르스의 저서 ''카오스에서의 질서''에 대한 ''피직스 투데이'' 서평에서 자기조직화 개념에 대해 비판적인 입장을 보였다.[97] 그는 생물물리학자 L. A. 블루멘펠트의 견해를 인용하며 다음과 같이 주장했다.
: 대부분의 과학자들은 생물물리학자 L. A. 블루멘펠트가 저술한 ''생물물리학의 문제들''(스프링거 출판, 1981)에 실린 비판적인 견해에 동의할 것이다. "생물학적 구조의 의미 있는 거시적 정렬은 특정 매개변수나 시스템이 임계값을 초과하여 증가하기 때문에 발생하는 것이 아니다. 이러한 구조는 프로그램과 유사한 복잡한 건축 구조에 따라 구축되며, 수십억 년에 걸친 화학적 및 생물학적 진화 과정에서 생성된 의미 있는 정보가 사용된다." 생명은 미시적 조직의 결과이지 거시적 조직의 결과가 아니다.
파겔스는 블루멘펠트의 설명이 '프로그램과 같은 구조'가 어떻게 처음 생겨났는지에 대한 근본적인 질문에 답하지 못하며, 이는 무한 소급의 문제로 이어진다고 지적했다. 또한 프리고진과 스텐제르스의 주장에 대해 다음과 같이 비판했다.
: 요컨대, 그들[프리고진과 스텐제르스]은 시간의 비가역성이 시간 독립적인 미시 세계에서 파생되는 것이 아니라 그 자체가 근본적이라고 주장한다. 그들의 생각의 장점은 물리학에서의 시간의 본질에 대한 그들이 인식하는 "교리 충돌"을 해결한다는 것이다. 대부분의 물리학자들은 그들의 견해를 뒷받침할 경험적 증거가 없을 뿐만 아니라 수학적 필연성도 없다는 데 동의할 것이다. "교리 충돌"은 없다. 프리고진과 소수의 동료들만이 이러한 추측을 고수하고 있으며, 그들의 노력에도 불구하고 과학적 신뢰도의 황혼 속에 머물러 있다.
한편, 신학적 관점에서도 자기조직화에 대한 비판이 존재한다. 토마스 아퀴나스(1225–1274)는 그의 저서 ''신학대전''에서 목적론적 관점에서 우주가 창조되었다고 보았으며, 어떤 존재가 스스로 조직화되고 자급자족하는 원인이 될 수 있다는 생각을 거부했다.[98]
: 자연은 더 높은 행위자의 지시 아래 결정된 목적을 위해 작동하기 때문에, 자연에 의해 행해지는 모든 것은 신에게, 즉 그 첫 번째 원인으로 거슬러 올라가야 한다. 마찬가지로 자발적으로 행해지는 모든 것도 인간의 이성이나 의지와는 다른 더 높은 원인으로 거슬러 올라가야 한다. 왜냐하면 이것들은 변하거나 실패할 수 있기 때문이다. 변할 수 있고 결함이 있을 수 있는 모든 것은 불변하고 자기 필연적인 첫 번째 원칙으로 거슬러 올라가야 한다.
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