[물리학은 어디까지 설명할 수 있는가] 현대 물리학의 존재론적 질문들에 대한 도발적인 답변

물리학은 어디까지 설명할 수 있는가 - 현대 물리학의 존재론적 질문들에 대한 도발적인 답변
자비네 호젠펠더 지음, 배지은 옮김 / 해나무 / 2024년 7월

이 책 『물리학은 어디까지 설명할 수 있는가』의 표제어는 두 가지를 함유하고 있는 것처럼 보인다. 현대 물리학의 현재 위치를 묻는 질문일 수도 있고, 기존 이론이 현대 물리학의 이론으로 자리를 잡았는지를 묻는 질문으로 생각할 수도 있다. 20세기 들어 아인슈타인의 특수·일반 상대성 이론이 포문을 연 현대 물리학은 원자폭탄으로 오용됨으로써 그가 물리학에서 이룬 엄청난 업적을 반감시킨 것으로 평가되었다. 이후 현대 물리학은 양자역학, 입자 물리학, 이론 물리학으로 영역을 넓히면서 이 물리학으로 어떤 발달에 기여할지 귀추가 주목되고 있다. 물리학에 대해 잘 아는 과학자들이 어떤 설명을 해도 쉽게 알아듣지 못하는 일반 사람들은 현대 물리학 이론이 무엇을 위해 발전하고 있는지에 대해서 먼저 묻는 이유는 아마 원자폭탄이라는 트라우마가 아닐까?라는 차원에서 생각해보면 질문의 이유가 당연하다고 볼 수 있지 않을까? 

이 책은 현대 물리학에서 제기된 거대한 질문에 물리학자들이 어떻게 답변하고 있는지를 비판적으로 들여다보고 있다. 저자 자비네 호젠펠더에 따르면 과학은 이론과 관측, 실험으로 이루어진다. 실체를 간접적으로나 직접적으로 확인할 수 없는 것을 과학이라 할 수 있을까?라는 질문을 던지며 저자는 현대 물리학의 한계를 날카롭게 진단하고자 한다. 호젠펠더는 물리학자들의 아이디어와 과학의 영역에 있는 물리학을 구별하면서, 스티븐 호킹, 숀 캐럴, 카를로 로벨리 등 저명한 물리학자들의 주장에 대해서도 예외가 없다. 이 책을 통해 물리학이 어디까지 답할 수 있는지 확인해보는 것은 일반인들이 과학에 관심을 갖게 하는 소중한 작업이기에 무용한 질문일 수 없다고 독자는 판단한다. 

저자는 우리가 보는 별빛이 수억 광년 전의 별빛인 것처럼 어딘가에서 우리의 과거를 볼 수 있지 않을까? 정말로 다른 우주에 우리의 복제본이 있는 걸까? 정신은 물질의 작용일 뿐 우리는 자유의지가 있다고 착각하는 걸까? 이런 질문들은 일부 물리학자 등 물리학계에서 꾸준히 내놓는 질문들이다. 물리학이나 우주물리학 책을 읽어본 독자들은 질문의 이유를 이해하겠지만 문외한인 독자로서는 질문조차 하기 어렵다. 물론 물리학을 공부하지 않은 독자가 현대 물리학이 내놓은 이론에 대해 전혀 모르는 입장에서는 물리학에서 주로 쓰이는 용어마저 생소한 탓에 어떤 질문을 해야할지에 대해서도 입을 닫고 있을 수밖에 없는 상태다. 그러나 만일 이슈가 될 만한 질문을 물리학계에서 제시하고 그에 대한 답변을 내놓는다면 독자로서는 현대 물리학 이론의 실용성 여부를 판단할 정도를 배울 수 있는 기대감을 갖고 있다. 독자가 이 책을 읽으려는 목적이기도 하다.

물리학이 본질을 파고들수록 물리학은 우리의 상상력을 자극한다는 저자의 주장에 독자는 공감한다. 이에 더해 물리학자들의 설명은 어디까지 진실일까?라는 질문을 저자는 덧붙이고 있다. 이는 현대 물리학을 설명하는 물리학자들의 답변이 충분치 않거나, 혹은 무슨 뜻인지 모를 독자들에게는 굉장히 중요한 지적을 하고 있다. 저자 호젠펠더는 물리학자들은 인류가 궁금해하는 질문들에 관해 탐구해왔으며 새롭게 등장하는 질문들에 “기가 막히게” 답을 잘 찾아낸다고 말한다. 이는 새로운 문제를 접근하는 데는 이미 그들의 연구 과정이기에 별 문제 없이 답을 잘 할 수밖에 없다는 지적으로 읽힌다. 저자가 지적하는 문제는 물리학자들이 답을 찾는 데 몰두하느라 그 답이 애초의 질문과 어떻게 연결되는지, 왜 그런 답을 내놓았는지를 설명하는 데는 능숙하지 못하다는 점을 말하고 있다. ‘과거는 실제로 우주 어딘가에 존재하는가, 우리는 원자로 이루어진 일종의 사물에 불과한 것인가, 또 다른 우주에 나의 복제본이 있는 것인가···.’ 

이 책은 세상과 인간에 관해 우리의 경험적 인식과 다른 내용을 내놓는 현대 물리학에 궁극적으로 묻고 싶은 것을 질문하며 물리학자들의 이론을 연결시킨다. 거대한 질문에 대한 답을 찾아나가다 보면 물리학 이론이 명쾌하게 답할 수 없는 지점을 만나게 된다는 것이 저자의 생각이다. 잘 팔리는 상품을 내놓는 것이 연구 목적인 분야가 있다고 저자는 슬쩍 내민다. 저자가 연구하는 분야인 기본 물리학의 주요 생산품은 지식이라고 털어놓는다. 동료들과 저자는 이 지식을 지나치게 추상적인 말로 발표한다고 한다. 그러나 이는 애초에 왜 이걸 들여다보게 되었는지 그 이유를 이해하는 사람이 아무도 없다고 고백한다. 저자의 고백은 사실 물리학자들의 이론과 설명이 지나치게 추상적이고 관념적인 언어로 포장돼 있어 알아듣기 힘들 뿐만 아니라 이론이 채택될 때 수혜자가 될 일반 사람들에게도 이해할 수 없도록 설명한다는 주장을 하기 위해서다. 

이는 전문가와 비전문가 사이의 간극을 크게 벌리는 작용을 할 뿐 아니라 관심에서조차 멀어지게 한다는 주장으로 독자에게는 이해된다. 저자는 이에 관해 이미 지적한 학자들의 말을 인용한다. 사회학자 스티브 풀러는 학자들이 알아듣지조 못할 용어로 빈약한 통찰을 값진 것처럼 보이게 한다고 주장했다.

또 미국의 언론인이자 퓰리처 수상자인 니콜라스 크리스토프는 학계가 "통찰을 복잡하고 따분한 산문으로" 암호화하고 "대중이 소지하지 못하도록 이중 잠금장치를 걸어놓은 후, 이 까다로운 말 잔치를 난해한 학술지 안에 숨겨버렸다"며 불만을 토로했다고 폭로한다. 여기에다 저자 호젠펠더는 중요한 점을 하나 더 얹어 불편한 심정을 드러낸다. 사람들은 양자역학이 예측 가능하거나 말거나 크게 신경 쓰지 않는다는 것이다. 저자에 따르면 사람들은 자신의 행동이 예측 가능한지를 알고 싶어 한다. 그들은 블랙홀이 정보를 파괴하든 말든 관심이 없다. 그보다는 인류 문명의 집단 지식이 앞으로 어떻게 될지에 더 관심이 있다. 그들은 은하 필라멘트(galactic filament)가 뇌신경망을 닮았는지 어쨌는지 그런 건 개의치 않는다. 그들은 우주가 생각을 할 수 있는지가 더 궁금하다. 사람은 생각할 수 있어서 사람이다. 그런데 또 뭐가 생각한다고? 저자의 지적은 아무리 어려운 물리학이고 이론이라 할지라도 인간이 관심을 두는 것을 명확하게 이해하고 연구하고 이론을 세우고 실제 적용해 나가는 것이 어떤 학문이든 채택되어야 한다는 주장이다. 

호젠펠더는 과학적으로 그르다고 분명하게 판정할 수 있는 주장인 ‘비(非)과학’과 구분해, 증거가 없어 옳다 그르다를 판정할 수 없는 가설을 ‘무(無)과학ascience’이라 칭한다. 이런 기준에 따르면 초기 우주에 관한 설명이나, 양자역학의 해석에서 비롯된 다중우주 가설은 과학이 아니라 무과학에 해당한다. 호젠펠더는 물리학자들의 이론적 주장들 중 일부는 실은 과학이라기보다 믿음에 기반한 추측에 가깝다는 사실을 지적하며, 물리학 이론의 한계를 폭로한다. 물리학자들이 말하는 것들을 이해하려고 노력하기에 앞서 우리가 궁금해하는 질문이 무엇인지, 물리학자들의 답변이 과학적으로 신뢰할 만한 것인지에 집중해 보기를 독자들에게 권유하고 있다. 이 책이 현대 물리학에서 과학적으로 좀 더 생산적인 논의를 가려낼 수 있는 안목을 길러줄 것으로 기대되는 이유다.

호젠펠더는 물리학 지식을 공유하는 것은 당연히 공유할 가치가 있어서일 뿐 아니라, 이 지식을 우리끼지만 가지고 있으면 그에 상응하는 대가를 치르게 되기 때문이라고 밝힌다. 인간의 경험에 관해 물리학이 알려주는 것들을 물리학자들이 앞장서서 설명하지 않으면, 호시탐탐 기회를 노리는 이들이 끼어들어 우리가 만들어낸 암호 같은 용어를 유사과학 증진에 써먹는다는 논리다. 양자 얽힘과 진공 에너지가 대체 요법 치료사, 영매, 약장수들이 자주 들먹이는 이론이 된 것은 우연이 아니라는 주장이다. 물리학 박사 학위가 없는 사람이라면 우리가 만든 난해한 말들을 그런 사람들의 헛소리와 정확히 구분하기가 꽤 어려울 것이라는 당연한 결과를 제시하면서. 그렇다고 이 책의 목적이 단순히 유사과학의 정체를 밝혀내려는 것이 아니다. 

저자는 이 책에서 영적인 개념 중 어떤 것은 현대 물리학과 완벽하게 양립할 수 있으며, 심지어 어떤 아이디어는 현대 물리학의 지지를 받기도 한다는 것을 알려주고 싶다고 말한다. 물리학이 우리와 우주의 관계에 관해 뭔가 할 말이 있다는 것은 그리 놀랄 일이 아니라라고 저자는 강조한다. 과학과 종교는 같은 뿌리에서 나왔고, 오늘날에도 여전히 같은 문제를 다루고 있다. 이를 테면 우리는 어디에서 왔고 어디로 가는가? 우리 지식의 한계는 어디일까? 이런 문제들에 관해 물리학자들은 지난 한 세기 동안 많은 것을 배웟다고 지적한다. 그리고 그 과정에서 과학의 한계는 정해져 있지 않다는 것을 확실히 알게 되었다고 주장한다. 우리가 세상을 더 많이 배울수록 한계는 계속 뒤로 물러난다고 저자는 설명한다. 이에 따라 믿음을 바탕으로 한 설명은 한때는 세상을 이해하는 데 도움을 주고 우리에게 위로를 주기도 했으나 이제는 옳지 않다는 것을 깨닫게 되었다고 말한다. 예컨대 어떤 물체가 살아 있는 이유는 특별한 물질을 부여받았기 때문이라는 아이디어(앙리 베르그송의 '엘랑비탈')는 200년 전의 과학적 사실과 완벽하게 부합했다. 그러나 이젠 아니다는 점을 저자는 역설하고 있다.

저자가 몸담고 있는 기본 물리학은 가장 기본적인 수준에서 작동하는 자연의 법칙을 다룬다고 한다. 여기서도 과거 100여 년 동안 얻은 지식이 믿음 기반의 낡은 설명을 대체하고 있다. 그런 오래된 설명 중 하나는, 의식이 존재하려면 여러 입자 사이의 상호작용 외에 무언가가 더 필요하다는 것이었다. 이를테면 엘랑비탈 같은 일종의 마법 가루가 물체에 특별한 성질을 부여해야 한다는 의미다. 현재 이것은 아무것도 설명하지 못하는, 시대에 뒤처지고 쓸모없는 아이디어라고 저자는 짚어내고 있다.

이 책은 모두 9장(章)으로 이루어져 있다. 1장 〈과거는 정말 어딘가에 존재하는가〉, 2장 〈물리학은 우주의 시작과 끝을 밝혀낼 수 있는가〉, 3장 〈물리학적으로 젊음을 되돌릴 수는 없는가〉, 4장 〈우리는 그저 원자가 든 자루일 뿐인가〉, 5장 〈정말 다른 세계에 또 다른 내가 존재하는가〉, 6장 〈물리학은 자유의지를 부정하는가〉, 7장 〈우주는 우리를 위해 만들어졌는가〉, 8장 〈우주는 생각하는가〉, 9장 〈인간은 예측 가능한 존재인가〉 등이다. 또 4개의 인터뷰 내용도 게재돼 독자들의 관심을 끌 것으로 보인다. 각 장의 뒤에 내용에 부합하는 학자들과의 인터뷰를 저자가 풀어 썼다. 2장 뒤에는 팀 파머와의 「과연 수학이 전부인가」, 4장 뒤에는 데이비드 도이치와의 「지식은 예측할 수 있는가」에 대한 인터뷰를 통해 그의 말을 경청했다. 세 번째 인터뷰는 로저 펜로즈와의 「의식은 연산 가능한가」란 제목으로 마지막 네 번째는 자야 메릴리를 통해 「우리는 우주를 창조할 수 있을까?」란 내용을 실었다. 「그래서 이 모든 것의 목적은 무엇인가」란 제목의 〈에필로그〉를 마저 읽으면 물리학 문외한 독자들도 현대 물리학의 위치와 현주소를 확인할 수 있고, 현대 물리학 이론의 실현 가능성에 대해 생각할 수도 있을 것이라고 독자는 믿는다. 시간이 걸리더라도 천천히 한 번 정독을 한다면 독자들의 물리학에 대한 지식은 물론 방향과 현 단계, 그리고 기존 이론들의 실체에 접근할 수 있는 수준으로 끌어올릴 것으로 예상된다. 

두 번째 인터뷰 「지식은 예측할 수 있는가」에 대해 살펴본다. 인터뷰에 응한 데이비드 도이치는 양자 연산 분야에 중대한 기여를 한 사람으로 널리 알려져 있다. 2017년에는 그 공을 인정받아 국제이론물리학센터(ICTP)에서 디랙 메달을 받으면서 그의 길고 긴 수상 목록에 하나를 더 보탰다고 저자는 소개한다. 사실 저자는 도이치와 양자 연산 이야기를 하려고 했던 게 아니라고 밝힌다. 그의 대중 과학서인 『실재의 구조』와 『진리는 바뀔 수도 있습니다: 옥스퍼드대 물리학자 데이비드 도이치가 바라보는 세상』을 감명 깊게 읽었기 때문이라고 말한다. 데이비드는 자기 생각의 논리와 근거를 신중하게 제시할 뿐 아니라, 시대를 앞선 과학자로서 현대 기술보다는 과학 지식의 성장에 더 관심이 많았고, 그것이 우리 사회에 어떤 이득이 되는지 그리고 애초에 과학적 지식이란 무엇인지를 고민한다. 그 점이 놀랍고 반가웠다고 털어놓는다. 데이비드는 환원주의의 한계를 상담할 적임자로 보았다는 것이다. 호젠펠더는 이론적 환원주의와 존재론적 환원주의에 대한 질문으로, 도이치에게서 "둘 다 철학적 원리로서는 틀렸다'는 답변을 듣게 된다. 양자중력 이야기, 입자물리학에 대한 입장을 들어보고 주제 「지식은 예측할 수 있는가」에 대해 "누구도 앞으로 지식이 어떻게 성장할지 예측할 수 없다"는 그의 생각을 이 책에 기록하고 있다.

저자 호젠펠더는 이 밖에도 자연상수들이 왜 지금의 값인지를 알아내려는 시도나 관측이 원천적으로 불가능한 평행우주를 끌어들이는 이론들은 수학이라는 허울을 뒤집어쓰고 과학으로 변장한 종교라며 신랄하게 비판한다(〈에필로그〉 참조). 특히 물리학자들은 수학을 도구가 아니라 실재라고 인식하는 오류에 빠진다는 점을 지적한다. 물리학자들의 그런 탐구나 가정들을 틀렸다고는 할 수 없다. 다만 과학이라고 말하지는 말자는 것이다.

이 책은 다른 물리학자의 견해도 담았다는 점은 앞서 독자가 언급한 대로다. 근본적인 설명을 찾는 물리학자들은 종종 몸과 마음이 독립적으로 존재한다는 이원론, 합성체는 구성 물질의 작용에 의해 결정된다는 환원주의, 구성 요소 수준에서 정의될 수 없는 상위 계층의 성질이 나타남을 인정하는 창발성 등 철학적 개념에 닿는다. 호젠펠더는 과학과 철학, 종교에 관해 대화를 나누며 물리학자들의 생각을 듣는다. 이 책은 물리학자들이 세상을 어떻게 바라보고 있는지, 좋은 과학적 설명이 무엇인지에 관해 생각해볼 수 있는 기회를 독자들에게 제공한다는 점에서 탁월한 저서다. 

저자 : 자비네 호젠펠더(Sabine Hossenfelder)

1976년 독일 프랑크푸르트에서 태어났으며 프랑크푸르트 대학교에서 이론물리학 박사 학위를 받았다. 애리조나 대학교,UC 샌타바버라, 페리미터 이론물리학 연구소에서 연구원으로 재직했으며, 노르디타 연구소 조교수를 거쳐 현재 프랑크푸르트 고등과학원에서 연구하고 있다. 표준모형, 현상학적 양자중력이론, 일반상대성이론 등에 관한 70여 편의 연구논문을 발표했다. 2006년부터 과학블로그 Backreaction에 물리학계의 잘못된 관행을 비판하는 글을 쓰기 시작했다. 『포브스』, 『네이처』, 『피직스 투데이』, 『사이언티픽 아메리칸』, 『퀀타 매거진』 등에 기고했다. 남편과 두 자녀와 함께 하이델베르크에서 살고 있으며, 유튜브,SNS, 블로그 등을 통해 대중과 활발하게 소통하고 있다.

역자 : 배지은

서강대학교 물리학과와 동대학원을 졸업하고, 휴대전화를 만드는 엔지니어로 일했다. 이후 이화여자대학교 통역번역대학원에서 번역학을 전공하고 소설과 과학책을 번역하고 있다. 『엿보는 자들의 밤』, 『밤의 새가 말하다』, 『열흘간의 불가사의』, 『최후의 일격』, 『꼬리 많은 고양이』, 『퀸 수사국』, 『무니의 희귀본과 중고책 서점』, 『맹인탐정 맥스 캐러도스』, 『아파트먼트』, 『물질의 탐구』, 『입자 동물원』, 『일상적이지만 절대적인 양자역학지식 50』, 『전자부품 백과사전』(전 3권)을 우리말로 옮겼다.

<이 리뷰는 컬처블룸을 통해 출판사에서 

도서를 제공 받아, 직접 읽고 작성한 리뷰입니다.>