카를로 로벨리의 존재론적 물리학 여행

보이는 세상은 실재가 아니다 - 카를로 로벨리의 존재론적 물리학 여행
카를로 로벨리 지음, 김정훈 옮김, 이중원 감수 / 쌤앤파커스 / 2018년 4월

 보이는 세상은 실재가 아니다.

그러면 실재는 무엇일까?

저자 카를로 로벨리는 이 실재를 찾아, 그리스의 밀레토스 학파에서 이어온 데모크리토스의 원자론으로부터 출발한다.

 '세계를 이루는 무한히 많은 물질들도 오로지 원자의 조합에서 파생된 것이다. 원자들이 응집할 때 유일하게 중요한 것은 원자의 모양과 배열 그리고 그것들이 조합되는 순서입니다.'

 '원자들의 끝없는 춤에는 완결도 목적도 없습니다. 자연계의 다른 모든 것들처럼 우리도 이 무한한 춤의 수많은 산물 중 하나입니다.'

 피타고라스 학파의 기하학, 프톨레마이오스, 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레오, 뉴턴, 페러데이와 맥스웰을 거쳐 아인슈타인의 상대성 이론, 양자역학을 연구한 과학자들의 노력과 발자취는 이 세상의 실재를 찾아가는 여정이라고 할 수 있다.

 '어떤 사건의 과거와 미래 사이에는 어떤 ‘중간 지대’, 어떤 ‘연장된 현재’가 존재합니다. 과거도 미래도 아닌 지대죠. 이것이 특수 상대성이론이 발견한 것입니다.'

 '아인슈타인은 ‘절대적 동시성’이 존재하지 않음을 이해했던 것입니다. 우주에는 ‘지금’ 존재하는 사건들의 집합이라는 것이 없다는 것이죠. 우주의 모든 사건들의 집합은 하나의 현재가 다른 현재를 뒤따르는 ‘지금’들의 연속으로 기술될 수 없습니다.'

 사실 고등학교 물리 시간에 배운 뉴턴 물리학도 따라 가기 벅찼던 나를 비롯한 일반 사람들은 상대성이론이나 양자역학 이론도 제대로 이해하지 못하고 있는데 저자 카를로 로벨리는 그것을 뛰어넘는 이론을 제시하며 새롭게 세계를 바라봐야 한다고 말하고 있다.

 '세계는 장과 입자로 이루어져 있는 것이 아니라 단일한 유형의 대상으로 이루어 져 있다. 바로 양자장이다. 시간의 흐름에 따라 공간 속을 움직이는 입자는 더 이상 없습니다. 시공 속에서 기본 사건들이 일어나는 양자장만이 존재할 뿐입니다. 이 세계는 이상하지만 단순합니다.'

 '양자 역학은 세계를 이런저런 상태를 가지는 ‘사물’로 생각하지 말고 ‘과정’으로 생각하라고 가르칩니다. 과정은 하나의 상호작용에서 또 다른 상호작용으로 이어지는 경과입니다. ‘사물’의 속성은 오직 상호작용의 순간에만, 죽 과정의 가장자리에서만 입자적인 모습으로 나타나고 그것도 오직 다른 것들과의 관계 속에서만 그러합니다. 그리고 그 속성들은 단 하나로 예측할 수 없으며, 오직 확률적으로만 예측할 수 있습니다.'

 미시 세계는 양자 역학으로 설명할 수 있고 거시 세계는 상대성이론으로 설명할 수 있지만 그 둘을 아울러 설명할 수 있는 이론에 대해 지금까지 과학자들 사이에 합의 된 무엇이 없다고 생각했었는데 저자는 그 둘을 포괄 할 수 있는 이론으로 양자 중력을 제안한다.

 '우리는 일반상대성 이론 덕분에 공간이 단단하고 고정된 상자 같은 것이 아니라 전자기장처럼 역동적인 것임을 알게 되었습니다. 우리가 들어 있는 우주는 움직이는 거대한 연체동물과도 같아서 눌려지고 비틀리고 합니다. 양자역학은 그러한 모든 장이 양자로 이루어져 있다는 것을, 즉 섬세한 입자 구조를 가지고 있다는 것을 가르쳐줍니다.'

 '공간은 중력장이므로 중력장의 양자가 ‘공간의 양자’, 즉 공간의 입자적 구성 성분인 것입니다. 따라서 루프이론의 핵심 예측은 공간이 연속적이지 않다는 것, 무한히 나눌 수 없다는 것, ‘공간의 원자들’로 이루어져 있다는 것입니다.'

 우리가 익히 알고 있는 유명한 제논의 역설, 거북이와 아킬레우스와 경주를 한다. 거북이가 10미터 앞에서 출발한다면 논리적으로 아킬레스가 절대 거북이를 따라잡지 못한다. 아킬레스가 10미터를 따라가는 시간 동안 거북이는 앞으로 나아갈 수 있고, 이 과정이 무한히 반복되기 때문에 결코 아킬레우스는 거북이를 따라잡지 못 한다. 그러나 이 논리는 틀렸다고 저자는 이야기 하고 있다. 어떤 것을 무한한 수로 모으면 무한이 된다는 생각이 참이 아니기 때문이라고 한다.

 '공간이 유한한 크기의 알갱이로 이루어져 있기에 무한히 작은 걸음이란 것이 존재하지 않는다. 아킬레우스는 거북이에게 점점 다가가서 마지막으로 단 한 번의 양자도약만 하면 거북이를 따라잡게 될 것입니다.'

 '우리가 예측하는 바로는 떨어지는 물질이 중심에 접근해가면서 이 반발력에 의해 점점 느려져, 아직 높은 밀도이기는 해도 무한한 밀도에 다다르지는 않게 됩니다. 응축되기는 하지만 무한히 작은 점으로 붕괴되지는 않는 것이죠.'

 '공간을 불변하는 용기로 생각하는 것을 버린다면, 시간을 실재가 펼쳐지는 불변하는 흐름으로 생각하는 것도 버려야 합니다. 현상들이 발생하는 흐르고 있는 연속적인 ‘시간’이라는 생각도 사라지는 것이죠.'

 과거에 과학책은 과학적 지식을 전달하는 것을 목표로 지식 책이라 분류되었다면 요즘은 그 패턴이 변해가고 있는 것 같다. 과학적 이론의 의미를 찾고 상호 연결성, 관계성을 이야기 하는 책이 많이 나오는 것 같고 이 책도 그런 흐름의 책이라고 보인다. 지식이 따로 따로 존재하는 것이 아니고 인간과의 연결성, 지식끼리의 통합이 이 시대 과학의 나아갈 방향이고 그것이 이 세상의 실재를 제대로 알려줄 수 있기 때문이라고 생각된다.

 '인간의 본질은 신체의 물리적 구조가 아니라 그가 속한 개인적, 가족적, 사회적 상호작용의 연결망에 의해서 주어집니다. 우리는 상호적 정보의 풍부한 연결망 속의 복잡한 매듭입니다.'

 '양자중력이 드러내 보여주는 세계는 새롭게 기묘하고 신비로 가득 차 있으면서도, 단순하고 투명한 아름다움을 지닌 정합적인 세계입니다. 그것은 공간 속에 존재하지 않으며 시간 속에서 펼쳐지지 않는 세계입니다. 상호작용하는 양자장들로만 이루어진 세계, 그 장들이 무리를 지어 상호작용하는 조밀한 연결망을 통해 공간, 시간, 입자, 파동, 빛을 만들어내는 그런 세계입니다.'

 '무한이 없는 세계, 최소 크기가 존재해서 그 이하로는 아무것도 없기 때문에 무한하게 작은 것이 존재하지 않는 세계, 공간의 양자가 시공 거품과 섞이고, 세계의 영역들 사이의 상관관계를 엮어내는 상호적인 정보로부터 사물의 구조가 태어납니다.'

 카를로 로벨리는 책에서 이야기하고 있는 저자의 양자중력에 관한 이론들이 모든 물리학자들이 동의하는 내용은 아니라고 했다, 또한 확실한 사실들에 관한 책도 아니며 미지를 향해 나아가는 모험에 관한 책이라고 했다.

 중력은 장이고 빛을 휘게 만든다는 사실을 이해하려 애쓰고, 시공간의 사라짐의 의미를 이해하려 애쓰고 있는 나의 모습에서, 매일 떠오르는 해를 보며 지구가 태양 주위를 돈다는 것을 받아들이기 위해 애썼을 과거의 사람들을 본다.

 사실, 책을 덮고 나서도 근본적인 나의 의문은 사라지지 않는다. 이 세상의 존재 의미, 우리가 사는 지구의 존재 의미, 그리고 많은 생명체와 인간의 존재의 의미는 무엇일까? 양자중력까지 이해한다면 답을 찾을 수 있을까?