양자역학은아직완성되지않았고
아인슈타인의혁명은계속된다
양자역학을이해하기위해현실적인관점을포기할필요는없다!
현실주의적양자역학의대표주자리스몰린이들려주는
과감하고새로운양자역학이야기
★★★“앞으로설명되어야할것들에대한최고의설명.”_조지다이슨,《튜링대성당》저자
우리의의식이자연을바꾼다?양자역학은그렇게이상하지않다!
아인슈타인으로대표되는현실주의적관점으로양자세계를바라본다는것은?
양자역학은많은이들이신비롭고기이한것,객관적인세계가존재함을전제로하는기존의과학과는대비되는것으로여긴다.하지만그것이지금의양자역학이무언가를잘못이해했기때문이라면어떨까?
“모든것은다음두질문에서시작된다.
첫째,물질은인간이자신을알건모르건상관없이자신만의안정적인특성을갖고있는가?
둘째,인간은물질의특성을이해하고서술할수있는가?
앞으로이책에서제시할답은과학의본질과목적,그리고과학의역할에도중대한영향을미친다.사실이것은현실과환상의경계에관한질문이다.”_서문에서
이두질문에‘예스’라고답했다면,당신은현실주의자이며지금정설로굳어진양자역학을납득하기는어려울것이다.그것은두질문에모두‘노’라고답하기때문이다.지금의양자역학은이렇게말한다.“관찰(의식)이물질에영향을미친다.우리는확률만겨우알수있다.예측은불가능하다.”또이렇게말하기도한다.“당신이눈을감았다가뜨면원자는어디엔가분명히존재한다.하지만다시눈을감으면원자는‘모든가능성이내재된파동’으로돌변한다.그리고다시눈을뜨면원자는‘특정위치를점유하고있는입자’로돌변한다.”
아인슈타인은이런설명이말이안된다고생각했고,그래서끝까지닐스보어,베르너하이젠베르크등이주장한반현실주의적관점의양자역학을받아들이지않고새로운양자이론을찾으려고했다.이처럼현실주의적관점으로양자의거동을설명하려는시도는아인슈타인뿐만아니라루이드브로이,데이비드봄,에르빈슈뢰딩거등의인물에의해양자역학이탄생할때부터이루어졌고,지금까지도계속되고있다.현실주의적관점은우리가관측하지않아도자연은명확한속성을가지고있고,양자의거동이기이하게느껴지는이유는양자역학에무언가중요한요소가누락되었기때문이라고이야기한다.이것은양자연구일각의관점이기도하지만,끈이론을비롯한반현실주의적양자연구가한계에부딪혀더나아가지못하고있는지금상황에서유일하게가능성이있는대안적관점이기도하다.
현실주의적양자이론의대표주자이자양자중력연구의권위자인리스몰린은이책에서양자역학이란무엇인지,그것은왜비현실적으로느껴지는지,지금의이론은어떻게정설로받아들여졌는지,양자물리학이풀어야할문제는무엇인지,양자물리학연구는지금어디까지왔는지등의물음에차근차근답하며직관과상식에맞는양자이론을찾아가는여정으로우리를안내한다.
“양자세계에들어선독자들을진심으로환영한다.부담갖지말고부디편안한마음으로읽어주기바란다.양자세계는우리가사는세계이니,남의집에무단침입한사람처럼눈치를볼필요가전혀없다.그리고또한가지.모든미스터리가풀린세상보다풀어야할미스터리가아직남아있는세상이훨씬매력적이지않은가?이런점에서우리는운이좋은사람들이다.”_30쪽
가장입체적이고폭넓은관점으로만나는양자역학의이론·역사·철학
복잡한수식없이,양자역학의기본개념부터양자물리학연구가나아갈방향까지
이책의가장특징적이고커다란장점은양자역학의기본개념과이론을복잡한수식을사용하지않고단순하지만깊이있게설명하며,그논리가닫혀있지않다는점이다.얽힘,중첩,관측문제,불확정성원리등은어떤양자역학책을펼쳐도나오는가장기본적인개념들이지만,이는지금양자물리학연구가처한한계와풀리지않은미스터리로가는핵심통로이기도하다.리스몰린은그점을놓치지않고양자역학의기본개념과이론,쟁점,역사,철학을두루다루며매끄럽게논지를전개하면서대가다운면모를보여준다.이책을통해양자역학을처음접하는독자들은어떤학문이나이론을접하는가장좋은방법은연구의쟁점과역사를살펴보는것임을느끼게될것이며,양자역학에이미익숙한독자들은알쏭달쏭했던부분을명확히정리하면서양자역학이라는학문을더욱입체적으로만나게될것이다.
이책은총3부로구성되어있다.1부에서는양자역학의개발사를추적하는데필요한기본개념을설명하며,반현실주의를대표하는보어와하이젠베르크가현실주의의최고봉인아인슈타인을누르고물리학계의주류로떠오르게되는과정을따라간다.2부에서는1950년대부터시작된현실주의적접근법인파일럿파이론과자발적붕괴모형을소개하고,이론의장점과단점을분석한다.이를통해양자역학은현실주의자들도얼마든지수용할수있으며,양자역학을수용하려면반현실주의자가되어야한다는주장은사실이아님을이해할수있다.마지막3부에서는먼저저자를포함한현실주의물리학자들이현재연구중이며이후의발견에디딤돌이될파일럿파이론,자발적붕괴모형,역인과율,과거에기초한접근법,상호작용을교환하는고전적다중세계,초결정주의를소개하고,각이론의한계와보완가능성을짚는다.더나아가그는시간과공간중근본적인양은시간이며공간은부수적인개념임을논증하고,앞으로우리가이세계를더잘설명하게될가능성이충분하다고이야기한다.서문에서‘돌멩이란과연무엇인가?’라는질문으로부터시작하는이책을통해독자들은우리의가장근본을이루는물리적실체에대한상상력을마음껏펼치고,현실이야말로겹겹이신비롭고놀라움을느끼며,완전히새로운관점으로세상을바라보게될것이다.
“나는1970년대부터양자역학의문제점을극복하기위해끊엄없이노력해왔는데,지금처럼낙관적인적이없었다.이것이바로이책을집필하게된세번째이유이다.독자들은이책을통해양자의한계를넘어선세계를접하게될것이다.”_45~46쪽
<책속에서>
“이것이바로그유명한관측문제로,1920년대에제기된후지금까지해결되지않은채남아있다.100년이다되도록전문가들사이에서의견일치를보지못했다는것은자연의기본적단계에서우리가아직이해하지못한부분이남아있다는뜻이다.
그러므로하나의원자가여러곳에동시에존재할수있는양자세계와모든사물의위치가하나로명확하게정의되는일상적인세계사이에어떤‘변환점’이존재할것이다.수십개의원자로이루어진분자를양자역학으로서술하면서고양이를양자역학으로서술할수없다면,둘사이의어딘가에양자역학이더이상적용되지않는경계선이존재해야한다.관측문제의해답을찾으면양자세계와일상적세계의경계선이어디에있는지,그리고변환이어떤식으로일어나는지알게될것이다.
물리학자들중에는자신이관측문제의해답을알고있다고확신하는사람들이있다.이들이주장하는내용은뒤에소개할것이다.나중에알게되겠지만,관측문제를해결하려면그에상응하는대가를치러야한다.”_37~38쪽,〈1장.자연은숨기기를좋아한다〉중에서
“양자역학이우주전역에걸쳐적용된다는점에는파일럿파이론도전적으로동의한다.단,모든시간과장소에적용되는것은파동함수의진행과관련된제1규칙뿐이며,관측에의해파동함수가붕괴된다는제2규칙은적용되지않는다.이는곧관측행위를여타의물리적과정과구별하지않는다는뜻이다.
파일럿파이론에의하면모든만물(원자,광자,가이거계수기,고양이,사람등)은파동과입자라는두개의‘실체’를동시에갖고있다.고양이나가이거계수기처럼수많은원자로이루어진거시적물체들은파동성과입자성이엄청나게복잡하다.예를들어고양이의특성을양자역학적으로서술하려면고양이를구성하는모든입자의위치를일일이알아야한다.여러입자의상대적위치정보를배열이라하는데,고양이를구성하는원자가워낙많기때문에고양이의배열을서술하려면엄청난양의정보가필요하다.”_177쪽,〈8장.데이비드봄―되살아난현실주의〉중에서
“위에언급한이론들중일부에서자발적붕괴는무작위로일어나고붕괴될확률만예측할수있다.처음에시작했던불확정성과확률로되돌아간셈이다.확률은무지나신념의결과가아니라근본적인법칙에내재되어있다.붕괴가무작위로일어나면양자역학의불확정성을설명할수있으며,오직관측행위만이파동함수를붕괴시킬수있다는불편한가정을내세울필요도없다.그러므로확률은현실주의적관점에서완벽하게설명되며,이것은매우큰장점이라할수있다(물론결정론을원하는사람에게는단점으로보일것이다).이로부터유도되는또하나의결론은기본법칙들이비가역적이라는것이다.따라서시간이오직미래로만흐른다는것은물리법칙의가장기본적인단계에새겨져있다.이것을붕괴모형의단점으로간주하는사람도있지만,나는매우긍정적인결과라고생각한다.”_189~190쪽,〈9장.양자상태의물리적붕괴〉중에서
“이로써우리는주어진시스템을양자계와고전계로분할하는다섯가지방법을갖게되었다.여기서‘양자’란중첩상태에놓일수있다는뜻이고,‘고전’은모든물리량이명확한하나의값을갖는다는뜻이다.이두가지서술은서로일치하지않는것처럼보인다.나의관점에서볼때사라는중첩상태에놓여있지만,사라는자신이항상명확한상태에있다고생각할것이기때문이다.
로벨리는이두가지서술이모두옳으며,둘다이세계에대한부분적서술이라고주장했다.모든서술은진실의일부로서,경계선을통해정의된부분적세계를올바르게서술한다는것이다.과연큰상자속의사라는중첩상태에놓여있을까?아니면살아있는(또는죽은)고양이를뚜렷하게보고있을까?로벨리의논리에의하면굳이둘중하나를선택할필요가없다.물리적사건과과정에대한서술은양자계와고전계의경계선을그리는방법에따라달라지며,모든경계선은똑같이타당하다.그리고모든서술은총체적서술의일부이다.간단히말해서,‘고양이가살아있다’는사라의관점도옳고,‘산고양이를보는사라와죽은고양이를보는사라가중첩되어있다’는나의관점도옳다.
하나의특정한관점에서입증될수없는진실이과연존재할것인가?아마도로벨리는‘없다’고단언할것이다.”_259~260쪽,〈12장.혁명의대안〉중에서
“원리와가설을건너뛴채곧바로모형의구체적인부분을파고들다보면미시적요소에갇혀서길을잃기쉽다.언젠가파인먼은나와대화를나누다가이런충고를한적이있다.“연구중에떠오르는모든의문은자연과관련된질문으로바꿔야한다.그렇지않으면이론의세세한부분에발이묶여서시간만낭비하고자연에대해서는아무것도알아낼수없을것이다.”작은나무에사로잡혀숲을보지못하는것도문제지만,각기다른모형을지지하는학자들끼리목소리를한껏높이며학문적세력다툼을벌이는것은더큰문제이다.”_294쪽,〈14장.원리가먼저다!〉중에서
“인과율의관점에서볼때근본적인양은시간이다.가장근본적인법칙은미래의사건이과거의원인으로부터일어난다는인과율이다.
시간은과거로흐를수없다.현재의사건으로부터미래의사건이발생하는과정은거꾸로진행되지않는다.즉,한번일어난사건은절대로되돌릴수없다.
공간은부수적인개념이다.근본적으로공간은존재하지않는다.하나의사건이원인을제공하여후속사건이발생했을때두사건은인과율을통해연결된다.모든사건은인과의네트워크로연결되어있으며,공간은이네트워크를대략적으로서술한것에불과하다.
따라서국소성과비국소성도부수적개념에속한다.”_305~306쪽,〈14장.원리가먼저다!〉중에서
“나는나자신에게줄곧말해왔다.“지금은아직아니다.박사과정을마치면그때부터위험을감수하겠다….포스트닥(박사후과정)을마친후에생각해보자….교수가된후에시작하자….종신교수직을확보한후에….”그러나종신교수가된후에도저명한교수들은정부와각종재단에연구비를신청해야하고,명예로운자리도지켜야하고,누구나부러워하는상도받고싶어진다.그래서파격적인연구를차일피일미루다보면어느덧노교수가되고,은퇴를
