의생명시스템학부

이주련 교수, Review of Modern Physics에 논문 게재

– 나노 기술 실험 분석에도 활용할 수 있는, 엔트로피 최대화 방법에 대한 리뷰 논문 발표
– University of California, San Francisco의 Ken Dill 교수 연구진과 공동 집필

 본교 의생명시스템학부 이주련 교수(사진)의 논문이 `리뷰 어브 모던 피직즈 (Review of Modern Physics)에 실렸다(논문명: Principles of maximum entropy and maximum caliber in statistical physics). 리뷰 어브 모던 피직스는 물리학 제 분야의 최신 연구 동향에 대해 리뷰를 하는 학술지로서 임팩트 팩터(피인용지수, IF)는 43.93이다. 이 학술지는 학계의 권위자에게 직접 논문 제출을 의뢰하여 심사 후 게재한다. 본 논문은 Review of Modern Physics, Volume 85(2013, 7월~9월)에 게재되었다. ☜ 확인

  ‘단백질 접힘 계산’ 연구의 대가인 미국 University of California, San Francisco(UCSF)의 Ken Dill 교수 연구진과 함께 이 교수가 공동 집필한 본 논문은 통계물리학에서 출발하여 오늘날 자연과학의 모든 분야로 그 쓰임새가 확장되고 있는 ‘엔트로피(entropy) 최대화’ 방법에 대해 소개하고 있다. 엔트로피의 개념과 발달 과정을 간략히 소개하고, 엔토로피 최대화 방법이 생체 고분자 실험을 비롯한 오늘날의 첨단 연구 분야에서 어떻게 쓰이고 있는지에 대해 살펴보고 있다.

 더운 물과 차가운 물을 섞어서 오래 두면 온도가 균일해져서 미지근한 물이 되고, 맹물과 진한 소금물을 섞어서 오래 두면 농도가 균일해져서 묽은 소금물이 되는데, 이처럼 어떤 물리계를 특정 제약 조건 하에서 오래 두었을 때 다다르는 상태를 ‘비김(equilibrium)’ 상태라고 한다. 비김 상태는 엔트로피라는 양이 최대가 된 상태인데, 이처럼 시간이 지남에 따라 엔트로피가 증가하면서 마침내 엔트로피가 최대인 비김 상태에 다다르게 된다는 것이 이른바 열역학 제2법칙이다.

 엔트로피는 20세기 이전부터 알려진 양이였지만 그 실체는 불분명했는데, 20세기 초에 볼츠만이 물리계가 가질 수 있는 미시적 상태의 가짓수라는 개념으로 설명을 하게 되었으며, 엔트로피의 최대화라는 방법을 통해 비김 상태에 있는 물리계의 성질을 계산할 수 있게 되었다. 이후 40년대에 샤논이 계에 대한 “불확실성(Shannon’s Uncertainty)”이란 개념으로 정보이론 엔트로피를 정의하였으며, 50년대에 들어와 물리학자 제인이 물리학의 엔트로피와 정보이론의 엔트로피는 같은 것이며 따라서 엔트로피의 최대화 방법은 통계물리학 뿐 아니라 자연과학 및 사회과학의 많은 분야에서 쓰일 수 있는 방법이라는 것을 제시하였다. 즉 실험 데이터만 갖고 계의 성질에 대한 가장 편향되지 않은 추론을 하기 위해서는 엔트로피를 최대화하면 된다는 것이다.

 엔트로피 최대화 방법은 공학 분야에도 응용되고 있는데, 예를 들어 영상이나 음성 데이타에서 잡음을 제거하여 원래의 영상 혹은 음성을 복원하는 데에 엔트로피 최대화 방법을 활용할 수 있다. 또한 최근 단백질이나 DNA같은 생체 고분자 한 개를 직접 조작할 수 있는 나노 기술이 발전하고 있는데, 이러한 실험 데이터에서 잡음을 제거하고 생체분자의 성질을 편향되지 않게 추론하는 데에도 엔트로피 최대화 방법이 활용되고 있다는 것을 소개하고 있다. 논문 후반부에서는 엔트로피 최대화를 통해 동역학적 계의 거동을 예측하는 방법에 대해 설명하고 있다. 

홍보팀 (pr@ssu.ac.kr)

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