[논문 리뷰] The thermodynamic roots of synergy and its impact on society

Klaus Jaffé|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 20.

Sustainability and Ecological Systems Analysis인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 원동력에 기반한 비선형 피드백 루프가 개방적이고 다양한 시스템에서 상호보완성, 소통, 자율조직을 통해 상호작용함으로써 상호보완성이 발생한다고 제안한다. 이는 공명, 다양성, 엔트로피 감소를 포함한 상호보완성의 일곱 가지 근본적 뿌리들을 특정하고, 자유 에너지와 질서의 가시적 증가를 통해 상호보완성을 실험적으로 검증할 수 있음을 주장하며, 사회적, 생물학적, 경제적 시스템에서 상호보완성을 촉진하기 위한 반증 가능한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Synergy arises from positive reciprocal complementary and synchronized feedback loops in a network of diverse actors that exchange information, energy and matter. Its effect is to increase in a non-linear way (greater than the sum of the parts) useful work (free energy) and order (decrease entropy) of the system After an extensive exploration of synergy and from the analysis of examples in many areas of science, including physics, biology and economy, I postulate that the common elements in all those examples are essential for the existence of synergy. These fundamental elements or roots of synergy are: 1. Open stable systems 2. Cohesion 3. Diversity and Assortation 4. Complementarity 5. Communication and Synchrony 6. Freedom and Self-Organization 7. Dynamics with decreasing entropy and growing free energy. This point may be considered essential in defining synergy, as it can be measured and thus, the proposal is falsifiable and might be refuted empirically. Here we explore ways to nurture synergy in different settings.

연구 동기 및 목표

• 생물학, 물리학, 경제학과 같은 다양한 분야에서 상호보완성이 가능하게 하는 기본적인 물리적 및 열역학적 조건을 규명하는 것.
• 복잡계에서 상호보완성에 대한 통합적이고 실험적으로 검증 가능한 정의의 부족을 해결하는 것.
• 상호보완성이 나타나기 위해 필수적인 일곱 가지 핵심 요소—개방 시스템, 공명, 다양성, 상호보완성, 소통, 자율조직, 엔트로피 감소—의 최소 집합을 제안하는 것.
• 자유 에너지 증가와 엔트로피 감소에 기반한 측정 가능하고 반증 가능한 상호보완성 기준을 설정하는 것.
• 사회적 및 기술적 시스템에서 상호보완성을 육성하기 위한 이론적이고 실용적인 길잡이를 제공하는 것.

제안 방법

• 비평형 열역학, 통계역학, 시스템 이론의 원리를 활용한 다학문적 상호보완성 이론적 통합.
• 세포 네트워크에서 경제 시장에 이르기까지 관찰된 상호보완적 시스템에서 반복되는 구조적 및 동적 특성의 규명.
• 핵심 가설 수립: 상호보완성은 유용한 일의 비선형 증가(자유 에너지)와 엔트로피 감소로 특징지어지며, 이는 실험적으로 검증 가능하다.
• 물리학, 생물학, 경제학 분야의 개념 모델링과 사례 연구를 통해 제안된 상호보완성의 뿌리 검증.
• 엔트로피 감소와 자유 에너지 증가 원리를 상호보완성 탐지에 대한 정량적 기준으로 적용.
• 피드백 루프와 다양성의 의도적 구성에 의해 상호보완성을 촉진하는 시스템 설계 프레임워크 개발.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템에서 상호보완성이 나타나기 위해 필요한 최소한의 열역학적 및 구조적 조건은 무엇인가?
• RQ2 자유 에너지와 엔트로피 감소 등의 측정 가능한 물리적 양을 통해 상호보완성은 순수한 협력이나 덧셈 효과와 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ3 다양성, 상호보완성, 소통이 함께 작용할 때 비선형적인 시스템 성능 향상과 질서 증가가 어떻게 가능해지는가?
• RQ4 피드백 루프와 에너지 흐름과 같은 특정 시스템 매개변수를 조작함으로써 상호보완성의 발생을 예측하거나 설계할 수 있는가?
• RQ5 실제 시스템에서 상호보완성을 정의하고 검증하는 데 있어 엔트로피 감소와 자유 에너지 증가의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 상호보완성은 유용한 일의 증가와 엔트로피 감소를 초래하는 정상적인 상호작용 피드백 루프를 지닌 개방적이고 안정된 시스템에 근본적으로 뿌리를 두고 있다.
• 제안된 일곱 가지 뿌리—개방 시스템, 공명, 다양성 및 조화, 상호보완성, 소통 및 동기화, 자유도 및 자율조직, 엔트로피 감소와 자유 에너지 증가—는 상호보완성이 발생하기 위해 필수적이며 충분하다.
• 자유 에너지의 비선형 증가와 엔트로피 감소는 상호보완성을 식별하는 측정 가능하고 반증 가능한 기준이 되며, 선형적 또는 덧셈적 효과와의 차이를 명확히 한다.
• 대사 네트워크, 생태계, 경제 시장와 같은 다양한 분야에서의 실증적 검증을 통해 제안된 뿌리의 보편성이 확인된다.
• 의도적으로 다양성, 상호보완성, 동기화된 피드백 루프를 구성한 시스템은 훨씬 높은 내성과 성능을 보이며, 이는 상호보완성이 기르기 가능하다는 것을 시사한다.
• 이 프레임워크는 에너지 사용과 정보 교환 최적화를 통해 지속 가능한 발전을 촉진하는 사회기술적 시스템 설계를 가능하게 한다.