양자역학, 창발하는 우주, 생명, 의미

김민형(에든버러 국제수리과학연구소 소장, 『수학이 필요한 순간』 저자)

1965년 노벨 물리학상 수상자이자 전설적인 물리학자, 리처드 파인먼이 남긴 유명한 질문이 있다. “만약 어떤 커다란 재앙이 일어나 모든 과학적 지식이 사라지고 단 한 문장만을 다음 세대에게 전달할 수 있다면, 가장 적은 낱말로 가장 많은 정보를 담을 수 있는 문장은 무엇일까?” 파인먼은 모든 것이 서로를 밀고 당기는 원자로 이루어져 있다는 것, 즉 양자역학에 관한 지식이라고 답했다. 1979년 노벨 물리학상 수상자 스티븐 와인버그 그리고 2004년 노벨 물리학상 수상자 프랭크 윌첵 역시, 우리가 과학의 궁극적인 이론을 발견하더라도 양자역학은 그것의 일부로서 거의 수정 없이 남아 있을 것이라고 예측한다. 그렇다면 세계 최고의 이론 물리학자들은 왜 하나같이 양자역학이 근본적이라고 확신할까? 2000년에 소로프 상을 수상한 저자에 따르면, 이는 “우리 우주가 곧 양자(quantum)”이기 때문이다. 모든 것은 왜 다른 것이 아니라 하필 원자로 이루어져 있을까? 원자를 밀고 당기는 힘은 또 무엇으로 이루어져 있을까? 우주의 운명은 정해져 있을까? 불변하는 것은 무엇일까? 시간은 무엇이고 무질서나 정보와 어떤 관련이 있을까? 인공 생명은 가능할까? 예측 가능성은 자유의지와 서로 어떤 관계일까? 하늘 아래 진정으로 새로운 것이 나타날 수 있을까? 무엇보다도 우리 존재의 의미는 도대체 무엇일까? 고등과학원의 교수이자 세계적인 물리학자인 저자는 이 모든 질문에 대한 답이 양자에 담겨 있으며, 이 책을 통해 근본적인 수준에서 모든 것이 양자로 수렴된다는 것을 보인다. 이 책은 우리가 어떻게, 그리고 왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증이다.

들어가며

1장 파동: 확률에 관하여
2장 원자: 보편에 관하여
3장 빛: 불변에 관하여
4장 힘: 상호작용에 관하여
5장 물질: 관계에 관하여
6장 시간: 흐름에 관하여
7장 존재: 나타남에 관하여

이어지는 이야기

감사의 글
찾아보기

■ 우리는 왜 존재하는가? 이 질문에 답하기 어려운 이유는 그것의 답이 가치 판단에 의존하기 때문이다. 그리고 가치 판단은 개인의 철학적·종교적인 관점에 의존할 수밖에 없다. 철학과 종교가 아닌 과학은 이 질문에 과연 어떤 답을 내놓을까? 거칠게 말해서, 과학은 ‘왜’가 아닌 ‘어떻게’를 묻는다. 즉, 우리는 어떻게 존재하는가? 재미있는 것은 ‘어떻게’를 계속 묻다 보면, 점점 ‘왜’에 가까워진다는 사실이다. ■ pp.12-13■ 모든 것은 입자이면서 파동이다. 전자의 파동은 공명을 일으킴으로써 원자를 안정시킨다. 하지만 전자의 파동을 기술하는 파동 함수는 직접 겉으로 드러나서는 안 된다. 실제로 측정 가능한 것은 파동 함수가 아니라 확률이다. 그런데 묘하게도 바로 이 사실이 힘의 원리를 제공한다. 하지만 파동 함수는 그 모습을 완전히 감추지 않는다. 우주의 모든 물질이 질량을 가지려면, 파동 함수가 단순한 확률이 아니라 복소수로 그 모습을 드러내야 한다. 결론적으로, 양자역학은 파동 함수의 존재라는 단 하나의 사실로부터 우리 우주를 지탱하는 모든 힘과 질량의 원리를 준다. 믿기 힘들 만큼 이상하지만 놀랍도록 아름답지 않은가? ■ p.20■ 위대한 물리학자 파인먼이 “가장 놀라운 수학 공식”이라고 부른 공식이 있다. 바로 오일러 공식이다. 말하자면, 이 공식은 모든 출렁거림은 언제나 어떤 것의 회전과 관련 있다는 점을 수학적으로 엄밀하게 뒷받침한다. 다시 말해, 이 공식은 파동 함수가 시계 초침이라는 사실을 수학적으로 엄밀하게 뒷받침한다. 오일러 공식은 다음과 같다. 위 공식이 “가장 놀라운 수학 공식”인 이유는 수학에서 가장 중요한 몇 가지 개념이 하나의 공식에 응축되어 있기 때문이다. 지수 함수, 허수, 삼각 함수가 바로 그것들이다. ■ p.42■ 뉴턴의 운동 법칙이 지배하는 고전역학의 세계에서는 모든 사건이 정밀기계처럼 정확한 인과관계로 연결된다. 우리의 선택도 이러한 정확한 인과관계의 일부다. 따라서 엄밀하게 말하면, 우리의 모든 선택은 이미 결정되어 있다. 우리는 그저 미리 결정된 선택을 수행하는 존재에 불과하다. 이는 기계론적인 세계관이다. 그런데 우리의 선택이 미리 결정되어 있다면, 우리가 선택한다는 것은 무슨 의미일까? 한편, 양자역학의 세계에서는 모든 사건이 동시에 일어난다. 다만, 모든 사건은 서로 간섭을 일으키며, 최종 결과는 확률로만 주어진다. 어찌 보면, 우리는 하나를 선택하는 것이 아니라 모든 선택을 동시에 하는 것이다. 이는 확률론적인 세계관이다. 그런데 우리의 선택이 확률적일 뿐이라면, 선택한다는 것은 도대체 무엇일까? (…) 자유의지라는 것이 존재하기는 할까? ■ p.53■ 탄소는 자발적 대칭성 깨짐을 통해 사람이 될 수도, 흑연이 될 수도, 다이아몬드가 될 수도 있는 것이다. 잠깐만! 우리가 아는 한, 우주는 결정론적으로 작동한다. 예를 들어, 사과가 나무에서 떨어지면 아무 때나 그리고 아무 곳에나 떨어지는 것이 아니다. 사과는 뉴턴의 운동 법칙과 만유인력의 법칙에 의해 예측되는 정확한 시점과 장소에 떨어진다. 다시 말해, 우주의 동역학은 물리법칙에 의해 완벽하게 결정된다. 그렇다면 결정론적인 우주에서 자발적으로 행동한다는 것이 가능하기는 한가? 혹시 이 자발적 대칭성 깨짐이라는 것이 장미, 여우, 어린 왕자를 포함한 우리 모두를 각자 특별한 존재로 만들어 주는 어떤 비밀을 품고 있지는 않을까? ■ pp.94-95■ 세상에 변하지 않는 것이 있을까? 2001년 영화 〈봄날은 간다〉의 주인공 상우는 어느 날 치매를 앓는 할머니가 집을 나서자 자전거를 타고 할머니의 뒤를 따라간다. 늘 그랬듯이 할머니는 기차역으로 죽은 할아버지를 마중 나간 것이다. 할머니와 함께 기차역 의자에 앉아서 돌아오지 않을 할아버지를 한참이나 기다리다, 상우는 할머니에게 이제 그만 집으로 가자고 말한다. 그러던 상우는 강릉의 한 방송국 PD로 일하는 은수를 만난다. 사운드 엔지니어인 상우는 그렇게 은수와 함께 강원도의 여러 소리들을 녹음하러 다니게 되고, 녹음 작업이 밤 늦게 끝난 어느 날 은수를 집까지 데려다준다. 상우가 은수에게 호감을 가진 만큼이나 상우에게 호감을 느끼던 은수는 집으로 들어가다 말고 상우에게 묻는다. “라면 먹을래요?” (…) 다시 한번 물어보자. 세상에 변하지 않는 것이 있을까? ■ pp.99-101■ 독자들은 운명을 믿는가? 간단히 말해, 운명이란 모든 것이 미리 결정되어 있다는 것이다. 운명은 물리학적 세계관과 매우 잘 맞는 관점처럼 보인다. 물리학에 따르면, 초기 조건이 주어지면 모든 입자의 동역학은 물리법칙에 의해 완벽하게 결정된다. 그렇다면 원칙적으로 우주의 운명도 초기 조건에 의해 미리 결정되어 있는 것이다. 이것이 기계론적 세계관 또는 과학적 결정론이라는 관점이다. ■ p.168■ 인공 생명이 가능한지 알려면, 먼저 인공 생명이 무엇인지 알아야 한다. 그리고 인공 생명이 무엇인지 알려면, 생명이 무엇인지 알아야 한다. 그러니 생명의 특징을 보여주는 유명한 일화에서 시작해 보자. 프랑스의 유명 철학자이자 수학자 그리고 물리학자인 르네 데카르트는 어느 날 스웨덴의 크리스티나 왕비를 만난 자리에서, 인간의 몸은 기계와 다를 바 없다고 주장했다. 철학자의 말에, 영민한 크리스티나 왕비는 생명이 지닌 중요한 특성 하나를 다음과 같이 지적한다. “그럼 저기 있는 시계가 자기 자식을 낳을 수 있다는 걸 보여주세요.” ■ pp.261-262■ 지금까지 이 책에서 설명한, 양자역학이 우리에게 준 모든 것을 생각해 보자. *양자역학은 파동 함수의 공명을 통해 원자를 안정시킨다. *양자역학은 게이지 대칭성을 통해 힘의 원리를 제공한다. *양자역학은 카오스와 결합해 열역학 제2법칙을 발생시킨다. *양자역학은 자발적 대칭성 깨짐을 통해 우주의 모든 입자에 질량을 부여한다. 결국, 양자역학은 우리가 존재하는 데 필요한 거의 모든 것을 준다. ■ p.316

★★★★★ 조회 수 15만 《HORIZON》 ‘믿기 힘든 양자’★★★★★ 김민형 교수, 장하석 석좌교수 추천 도서★★★★★ 김필립 교수, 방윤규 교수 강력 추천★★★★★ 소로프 상, 고등과학원 학술상 수상“인생의 중요한 질문들에 대한 답변이 미로 속의 실오라기처럼 책의 모든 문장 사이를 지나간다.”-김민형(에든버러 국제수리과학연구소 소장, 『수학이 필요한 순간』 저자)불확정성, 불연속성, 불완전성의 과학“양자역학에 대한 최고의 설명서”* 양자역학은 파동 함수의 공명을 통해 원자를 안정시킨다.* 양자역학은 게이지 대칭성을 통해 힘의 원리를 제공한다.* 양자역학은 카오스와 결합해 열역학 제2법칙을 발생시킨다.* 양자역학은 자발적 대칭성 깨짐을 통해 우주의 모든 입자에 질량을 준다.부분의 합으로 설명되지 않는 물리적 현상을 연구하는 이론 물리학자답게, 저자는 가장 작고 보편적인 부분들에서 시작해 그 부분들의 합으로 설명하거나 예측할 수 없는 물리적 현상으로 나아간다. 먼저 1장에서는 우주의 모든 것이 입자이면서 파동이라는 점을 이야기하며, 이러한 파동을 기술하는 파동 함수를 소개한다. 2장에서는 파동 함수의 공명을 기술하는 슈뢰딩거 방정식을 설명하며, 파동 함수의 공명을 통해 어떻게 가장 단순한 수소 원자가 만들어지는지를 보인다. 3장에서는 전자기 이론의 기초인 맥스웰의 방정식을 소개하며, 기본 힘들 가운데 하나인 전자기력이 어떻게 전자기장의 패턴에 의해 결정되는지를 이야기한다.그러고 나서 4장에서 나머지 기본 힘들, 즉 중력, 약력, 강력의 메커니즘을 설명하며, 이러한 힘들이 모두 게이지 대칭성이라는 하나의 원리에 기반한다는 점을 보인다. 이전 장들에서 배운 이론과 설명을 통해 5장에서는 수소 원자를 포함한 모든 원자가 만들어지는 일반 법칙을 끌어내고, 더 나아가 이를 통해 분자와 격자 구조의 형성 규칙을 다룬다. 6장에서는 과거로부터 미래로 나아가는 것처럼 보이는 시간의 방향성이 어떻게 양자역학으로부터 나타나는지를 보이고, 7장에서는 양자역학을 지탱하는 게이지 대칭성이 자발적으로 깨짐으로써 어떻게 우리가 존재하는 데 필요한 거의 모든 것이 나타나는지를 보인다.“양자역학에 대한 최고의 설명서다.”-방윤규(포항공과대학교 물리학과 교수, 아시아태평양이론물리센터 소장)라플라스의 악마부터 베르그송의 시간까지,양자 우주에 담긴 깊은 철학적 의미“이 책은 단순한 교양 과학 책이 아니다. 깊은 철학적 질문을 던지는 야심작이다.”-장하석(케임브리지대학교 과학사 및 과학철학 석좌교수, 『온도계의 철학』 저자)이 책은 우리가 어떻게, 그리고 왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증이다. 양자역학이 모든 것이 ‘어떻게’ 존재하는지를 설명한다면, 양자역학에 관한 철학적 해석은 우리가 ‘왜’ 존재하는지를 드러낸다. 다시 말해, 존재뿐만 아니라 의미가 어떻게 양자로부터 창발할 수 있는지 드러나는 것이다.그래서 저자는 양자역학을 바탕으로, 게임 이론을 통해 도덕이 어떻게 행위자들 사이에서 자발적으로 생겨날 수 있는지를 설명하고, 튜링 기계와 정지 문제로 인공 생명과 자유의지의 가능성에 답한다. 더 나아가 자발적 대칭성 깨짐으로 존재의 의미를 이야기하며, 프랑스 철학자 앙리 베르그송의 ‘창조적 진화’가 양자적 우주에서 어떤 의미를 지니는지를 밝힌다.“다체 양자장 이론을 배경으로, 영화, 개인적인 일화, 정보 과학 그리고 철학을 한데 녹여내 다양한 관점을 연결한 역작이다.”-김필립(하버드대학교 물리학과 교수)정말 재미있게도, 이 책을 가로지르는 것은 마치 하나의 ‘이론’이 아니라 여러 ‘이야기’로 보인다는 점이다. 《HORIZON》의 「믿기 힘든 양자」 시리즈를 통해 ‘영화 평론하는 물리학자’로 입소문이 난 저자인 만큼 〈봄날은 간다〉, 〈시네마 천국〉, 〈슬럼독 밀리어네어〉, 〈캐스트 어웨이〉, 〈블레이드 러너〉와 같은 영화들을 유감없이 끌어들이며, 물리학을 이야기하다가 어느 순간 독자를 스크린 앞으로 데려간다. 케임브리지대학교의 과학사 및 과학철학 석좌교수인 장하석 교수는 이 책을 가장 처음 받아 읽고 다음과 같이 말했다. “가장 중요한 아이디어들을 공상과학소설이나 영화 이야기를 동원해 직관적으로 이해시키며, 여러 각도에서 과학 지식이 인간의 삶에 어떤 의미를 가지는지를 전달한다. 과학사와 철학에 대한 저자의 식견이 믿기 힘들 정도의 수준이다.”