현대양자역학과고대일원론의만남
고대그리스의철학자헤라클레이토스는“모든것에서하나가,하나에서모든것이”라는말로일원론을요약했다.일원론(monism)이란3000년전에등장한,인류역사에서가장오래된아이디어로,우리가경험하는모든것의바탕에는모든것을포괄하는오직하나의것만이존재한다는개념이다.언뜻황당하게들리는이개념은오랫동안무시받았으나현대양자역학의새로운해석이상황을바꿔놓았다.
독일의입자물리학자인하인리히페스는현재양자역학의상충하는두가지해석을영화에비유하여알기쉽게설명한다.영사기를통해필름이스크린에상영될때‘실재’는어디에있는가?화면위에보이는이미지인가,영사기속필름롤인가?보어와하이젠베르크를위시한코펜하겐해석은관측할수있는화면위의실재만을인정하고현상뒤의숨은실재는부정했다.하지만코펜하겐해석에반기를든소수의물리학자들(슈뢰딩거,에버렛,H.디터체등)은영사기와필름롤이실재라는생각을밀고나갔고,우주에는가장근본적인수준에서단하나의것,바로우주자체만이존재한다고주장했다.보어는관측할수있는것에만집중하라는실증주의의틀에갇혀양자세계의실재성을부정했으나,에버렛은양자역학의방정식이나타내는모든것들로실재의개념을확장했다.
양자역학은입자와같은미시세계에만적용되는것이아니라거시세계에도보편적으로적용된다는증거들이점점늘어가고있다.많은거시적양자실험을통해증명된양자역학의두가지핵심원리,얽힘과결깨짐을우리가실재의특성으로받아들인다면,모든것은결국하나이며,하나에서모든것이나옴을알수있다.‘얽힘’이모든것을하나로연결하며(“모든것에서하나가”),‘결깨짐’이하나에서모든것이갈라져나오게하는것이다(“하나에서모든것이”).
자연의모든현상뒤에숨은단일체가존재하며,이렇게모든것을‘하나’로통합할수있게해주는작동메커니즘이바로‘얽힘’이다.“얽힘은양자역학에게존재하는모든것을구성하는단하나의물체만이존재한다는급진적인개념인일원론의철학을구성하게해주는접착제를제공한다.”그리고세상이결국하나임에도불구하고왜우리가많은사물을경험하는지를설명해주는개념이바로‘결깨짐’이다.우리가경험하는세계는양자역학적파동의결깨짐을통해생기며,“결깨짐은완전히양자역학적인우주가국지적인관찰자에게어떻게보이는지설명한다.”
흔히에버렛의이론을‘다세계해석’이라고일컫지만,이는당시학계를지배하던보어의눈치를보았던스승휠러와초기옹호자디윗에의해덧씌워진오해이다.에버렛의원래논문제목처럼,에버렛의이론에는다세계가아니라보편파동함수를가진단하나의양자세계가존재할뿐이다.그에따르면,물리적실재란전체우주자체의파동함수이다.
결깨짐이론을정립한디터체에따르면,“실제로존재하는유일한물체는전체우주의양자상태이다.”“근본적인것은영사기실재뿐이며,이것이모두를포괄하는단일체인얽힌‘양자우주’를구성한다.물질이나입자를포함한다른모든것은환상이다.”
MIT의우주론학자맥스테그마크는새와개구리의비유를들어이러한대치상황을요약한다.개구리는이세계에사는내부관찰자를상징한다.개구리의관점에서관찰자는실재전체의극히일부분만인식한다.그들은자신들의우주는볼수있지만,결깨짐의과정으로인해자신의평행복사본들은볼수없다.개구리의관점에서는,하나의에버렛가지(즉우리가경험하는고전적인우주)만이실재한다.반면에새는외부에서세계를바라보는물리학자를상징한다.새의관점에서는오직하나의파동함수만이존재한다.진화하는파동함수로기술되는추상적인이양자세계는고전역학으로는설명할수없는여러양자현상은물론이고끊임없이갈라지고합쳐지는수많은고전적인평행세계를담고있지만,실제로존재하는것은하나의얽힌양자우주뿐이다.(이책이주목하는양자계는이제까지우리가경험한고립된미시계가아니라모든것을포괄하는양자우주전체이다.우리의경험세계는이토대가되는‘하나’로부터결깨짐을통해창발된다.)
테그마크의개구리관점대새관점의대비는저자의화면위실재대영사기실재(또는필름롤실재)의다른버전이며,플라톤의‘동굴의우화’까지거슬러올라간다.플라톤은동굴벽에비친그림자대진정한실재인이데아를대비시켰는데,코펜하겐해석이동굴속죄수(또는영화관의관객)의관점에가깝다면,에버렛과디터체등은가장근본적인수준에서모든것은하나라는일원론을지지한다.양자역학에대한새로운실재론적해석이고대로부터이어져온일원론의결론과맞닿아있는것은단지우연의일치일까?
일원론의철학이과학에미친영향
코펜하겐물리학자들이양자역학을성공적으로태동시키고도양자영역을‘비실재적’이라고폐기한이유는그것이모든것을포괄하는단일체즉역사적으로종교와관련되어왔고흔히신과동일시되던개념이었기때문이다.
저자는일원론과그에대한거부감이서구문화에얼마나뿌리깊게자리잡고있는지이해하기위해,“일원론-고대에는환영받았고,중세에박해받았으며,르네상스에서부활하고낭만주의에서변조된3000년된철학유산”의역사를추적한다.신과세상은분리될수없는하나라는범신론적일원론은모든고대종교와사상에서발견되며,“근본적인진리로서유일하고일원론적이며변하지않고영원한실재”를이야기한플라톤철학에서정점을이루었다.그러나기독교교회는플라톤의일원론을도용해신의개념을정립한후에는,신과자연을동일시하는일원론이신을세속화한다며(또한신이어디에나있다면,신과접촉하는데사제라는독점적중개자가불필요해지기때문에)박해하기시작했다.“많은과학자도교회가전달하고자하는이야기-즉일원론과자연또는일원론과과학은함께속하지않으며,‘모든것은하나’라는가설은단순히올바른과학이아니라는것-를내면화했다.이책의주요관심사중하나는이러한주장을반박하고과학에대한일원론을되찾는것이다.”
저자는고대그리스의전통이사라진유럽에서일원론의명맥을이어온중세의다섯철학자--디오니시우스아레오파기타,요하네스스코투스에리우게나,마이스터에크하르트,니콜라우스쿠자누스,조르다노브루노--의사상을자세히살펴보고,르네상스기의피치노와다빈치에서부터근대의스피노자,괴테,셸링에이르기까지일원론의부흥과정과,특히일원론이근대과학혁명에미친영향을분석한다.코페르니쿠스는플라톤의저서들을탐독하며영감을받아지구가아닌태양이행성계의중심이라고확신하게되었으며,갈릴레이는우주라는‘자연의책’이수학의언어로쓰여있으며,지구가다른천체와다르지않다는피타고라스학파의믿음을되살려냈다.케플러는쿠자누스와브루노의책을읽고행성궤도의규칙성과‘천체의음악’을연구했으며,연구노트곳곳에서플라톤과피타고라스를언급한뉴턴은“중력은신성한힘이작용한직접적인결과”이며,“이모든것을포괄하는신성한힘이만물에스며들어있다”라고믿었다.
저자는일원론이어떻게근대과학혁명에직접적으로영향을미칠수있었는지에대해이렇게평한다.“자연에서통일성과아름다움을찾는영감으로서일원론은과학적창의성의촉매이자강력한기폭제가되었다.”“근대과학혁명을이끈것은플라톤과피타고라스학파의철학에내재된일원론적전통이었다.”“실제로역사에따르면일원론이번성할때마다예술과과학이번성했다.돌이켜보면이는놀라운일이아니다.창의성은결국지금까지별개의영역으로여겨졌던것들사이에서미지의연결고리와유사점을발견하는것으로귀결되는경우가많다.자연을단일체로받아들이는사고방식은특히그러한상관관계를발견하고활용하는경향을가진다.”그렇다면일원론이현대물리학에도도움을줄수있을까?
현대물리학의위기와일원론의돌파구
입자물리학자인저자는현재물리학이잘못된길로가고있다고믿는다.큰것은더작은것들(쿼크,중성미자,힉스입자…)로이루어져있다는오늘날입자물리학의환원주의는난관에봉착했다.표준모형은암흑물질과암흑에너지를제대로설명하지못한다.힉스입자의질량은왜그렇게작은가?우주의암흑에너지의양은왜그렇게적은가?점점더작은거리와높은에너지로확대해들어감으로써우리는전체를보지못하게되었다.즉세상을조각냄으로써우리는우주를하나로묶는연결고리를잃어버렸다.표준모형을넘어서는새로운물리학이절실히필요하다.
오늘날입자물리학과우주론의위기는부분이아닌전체에초점을맞추는관점에서고려할때해결될수있을지모른다.“양자역학을진지하게생각한다면,가장기초적인수준에서,이것이의미하는바는자연이구성요소들로구성될수없다는것이다.우주에관한가장기초적인묘사는우주자체로부터출발해야한다.”즉우주에서가장근본적인것,물리학의기초는우주자체밖에없다!우주에대한근본적인설명이‘하나’로인식되는우주그자체라면,이것은과학이양자우주론에기초해야한다는것을의미한다.
오늘날점점더많은과학자들이일원론의관점에서물질,시간과공간,의식같은물리학의기초들을다시생각하고있다.이들에따르면물질,공간과시간,의식은“우주의근본적인속성이아니라우주를바라보는우리의관점의속성”일뿐이다.“양자중력에서세계는근본적으로시간을초월하며고전적인부분을포함하지않는다.양자우주는정적이다.아무일도일어나지않는다.존재는있지만생성은없다.시간의흐름과움직임은환상에불과하다.”“시간은우리에게기본적인경험임에틀림없지만,더이상우주의근본적인속성으로이해되지는않는다.대신시간은보는사람의눈속,즉우주를바라보는우리관점이가진특징이다.”공간도,시간과물질과마찬가지로,근본적인것이아니라결깨짐에의해서창발하는것이다.“공간은애초에입자들의위치와움직임을설명하기위해도입된장치이다.따라서공간은문자그대로정보를저장하는공간일뿐이다.”“시공간은…양자계안의물질이어떻게얽혀있는지에대한기하학적그림에불과하다.”“현대물리학은기존의배경에놓인사물을계속설명하기위해공간과시간에서시작하지않는다.대신공간과시간자체를더근본적인영사기실재의산물로간주한다.공간,시간,그리고물질을발생시키는것은단하나의양자우주인‘하나’이다.”
‘하나’가무엇인지에대해서는과학자마다의견이엇갈린다.그것은정보일수도있고(“처음에비트가있었다”-세스로이드),수학일수도있고(“실재란수학이다”-테그마크),파동함수일수도있다(“태초에파동함수가있었다”--디터체).그러나한가지만은분명하다.“우주를입자들로구성된것으로생각하는것은더이상의미가없다.그것은실재를바라보는특정한관점에불과하다.물리학은입자나끈대신양자우주론위에구축해야만앞으로나아갈수있다.입자물리학은기초물리학의중요한기둥으로여전히남겠지만,우주론은물론이고양자정보와양자토대에대한연구를강화하여보완해야할것이다.”그리고일원론은입자물리학과우주론의근본적인문제들에접근하는데필요한새로운관점을제공해주며,현재물리학의토대를정의하는원리중가장유망한후보라고저자는말한다.
▶해외서평
흥미롭고도발적인역사,철학,첨단이론의짜릿한혼합.일원론적다중우주로의이아찔한여행은우리를흥분시키고마음을사로잡는다.--《월스트리트저널》
철저한역사조사와최첨단물리학이저자의거시적관점과공명한다.우리가실재라고여기는것대부분은,아니어쩌면전부는우리의제한된관점의산물일지모른다.--《사이언티픽아메리칸》
우리는우주와하나일까?이것은인류만큼오래되고,웜홀만큼깊으며,다세계해석에서무한히가지치기하는가능성들만큼이나폭넓은물음이다.하지만저자는이에도전할준비가되어있고,일원론의역사와과학둘다에대해독창적이고참신한설명을들려준다.자연에서우리의자리를알고싶어하는이들을위한--누군들궁금해하지않을까마는--매혹적인읽을거리.--자비네호젠펠더(이론물리학자)
보통우리는우주가입자들로이루어져있다고말한다.그러나저자는양자물리학이이를어떻게뒤집는지보여준다.부분이아니라,전체가먼저다.전체가분열하면서,부분이생긴다.이제나는실재를다시는전과같은방식으로바라볼수없을것이다!--조지머서(과학
