칼 세이건 (1934 ~ 1996)

11월 9일, 오늘은 칼 세이건이 82년 전(1934년)에 태어난 날이다. 1996년 12월 20일, 만 62세의 나이로 그가 타계했으니 20주기도 곧 다가온다. 뭔가 그럴 듯한 헌사라도 쓰고 싶었으나, 아래의 사진(창백한 푸른 점pale blue dot)을 두고 그가 했던 강연 한 조각 번역하는 것으로 대신하고자 한다(사진과 원문은 Wikipedia에서).

저 위에서, 우리가 들어봤던 모든 이들이 살았다. 우리 기쁨과 고통의 모든 것, 수 천의 확신에 찬 종교와 이념과 경제 교리, 사냥꾼과 수렵꾼, 영웅과 겁쟁이, 문명의 창조자와 파괴자, 왕과 농부, 사랑에 빠진 젊은 연인들, 희망에 찬 아이, 아비와 어미, 발명가와 탐험가, 도덕의 스승, 타락한 정치가, 수퍼스타, 최고 지도자, 성인과 죄인, 인류 역사 속 모든 이들이 저 햇빛에 떠 있는 조그만 티끌 위에서 살았다.

장군과 황제가 흐르게 만든 피의 강을 생각해 보라. 영광과 승리 속에서, 이들이 잠시 동안 이 점 일부의 지배자가 되기 위해 흐르게 만든 피의 강을. 

시간은 환상인가?

<뉴 사이언티스트> 특별기사(2016.09.03)의 여덟 번째 주제는 ‘시간은 환상인가?Is time an illusion?’이다. 제목부터가 의미심장하다. 시간이 환상이라면 실제로 있는 것이 아니라는 말인데, 그럼 시간이란 무엇인가? 우리는 시간이 흐른다는 느낌을 모두 알고 있다. 시간은 한 번 흐르면 되돌릴 수 없다. 시간은 항상 한 방향으로만 흐른다. 노벨상 수상자인 텍사스 대학의 스티븐 와인버그Steven Weinberg 교수는 이런 농담을 인용한다: “시간은 모든 일이 한꺼번에 일어나지 않도록 하는 자연의 방식이다.” 우리는 계절이 바뀌고 얼굴에 주름이 늘어남으로 시간의 흐름을 경험한다. 우리는 현재에 살며, 이 현재는 일정한 보폭으로 행진한다고 생각한다. 마치 우주 전체의 시간 진행을 관할하는 시계가 있는 것처럼.

하지만 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 우주에는 단 하나의 시계가 있는 것이 아니다. 시간은 공간과 함께 4차원 시공간을 구성하며, 시간이 얼마나 빨리 흐르는지는 물체의 운동 속도, 또는 주변 중력장의 세기에 따라 달라진다(영화 인터스텔라의 주요한 주제 중 하나!). 하지만 4차원 시공간에서도 시간과 공간이 동일한 것은 아니다. 시간은 여전히 특별하다: 우리는 한 공간에서 미래(나중 시간)의 사건을 예측할 수 있지만, 동일한 시간에 다른 공간에서의 사건을 예측할 수는 없다.

현대 물리학의 다른 기둥인 양자역학도 시간을 특별히 취급하기는 마찬가지이다. 시간은 단순히 매개변수일 뿐이다. 양자역학에서는 물리변수들이 모두 연산자로 바뀌어 계산가능한 양observable으로 취급되지만 시간은 계산가능한 양이 아닌, 그냥 주어진 변수로 취급된다.

양자역학과 상대성이론을 통합하여 시간의 진정한 본성에 대해 알려주는 이론이 있으면 좋겠지만 아직 우리는 그런 이론을 가지고 있지 못하다. 옥스포드 대학의 데이비드 도이치David Deutsch 교수는 돈 페이지Don Page와 윌리엄 우터즈William Wooters가 30년도 전에 했던 계산이 우리에게 실마리를 준다고 생각한다. 이들은 ‘얽혀있는entangled’ 한 쌍의 입자가 변하면서 우주 안에 있는 사람들에게 시간이 흐른다는 환상을 줌을 보였다. 하지만 우주 ‘밖’에 있는 사람에게는 아무 일도 일어나지 않는 것처럼 보인다는 것이다.

2013년에 수행된 실험은 시간이 환상과 같은, 창발하는emergent 현상이라는 이 생각이 맞을 수 있음을 보였다. 이것은 마치 우리가 지구 표면에 있기 때문에 굽어 있는 지구의 본 모습을 볼 수 없는 것처럼, 우리가 우주 안에 있기 때문에 시간의 본 모습을 경험할 수 없다는 얘기이다. 이러한 얘기는 아직 가설일 뿐이고 시간에 관한 일반 이론은 아니다. 시간은 정말 환상인 것일까?

우리는 태어나고 죽는다. 이 두 사건 사이의 간격을 우리는 시간이라고 부른다. 시간의 흐름은 아마도 인간이 경험하는 가장 근본적인 속성일 것이다. 시간에 대한 일반 이론을 안다고 해도 우리의 인생이 유한하다는 사실은 아마도 바뀌지 않을 것이다. 그렇다면 우리가 할 일은? 매 순간을 의미 있게 보내는 일이다! 

실재는 무엇으로 이루어져 있는가?

<뉴 사이언티스트> 특별기사(2016.09.03)의 일곱 번째 주제는 ‘실재는 무엇으로 이루어져 있는가?What is reality made of?’이다. 여기서 ‘실재’란 실제로 존재하는 모든 것, 곧 우주universe를 얘기한다. 고대 철학자들은 우주의 근본 원소를 흙, 공기, 물, 불이라고 주장하기도 했다. 현대 과학자들은 물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자는 적은 종류의 기본입자들 – 빈 공간을 채우고 있는 양자 장의 요동 – 으로 구성되어 있다고 결론 내린 상태이다. 그럼 이제 모든 것은 해결된 것인가? 결코 그렇지 않다. 우리가 알고 있는 물질은 우주를 구성하고 있는 물질의 약 5 퍼센트 밖에 안되고, 나머지 95 퍼센트는 ‘암흑’ 물질(약 27 퍼센트)과 ‘암흑’ 에너지(약 68 퍼센트)로 존재한다고 알려져 있다. ‘암흑’이라는 이름이 붙었다는 것은 우리가 잘 모른다는 이야기이다. 또한 실재의 중요한 다른 요소인 시간과 공간도 제대로 이해되지 않고 있다.

이 실재의 문제는 양자역학의 해석과도 연관된다. 양자이론은 물질세계를 기술하는 가장 정확한 이론이지만, 해석 문제에 들어가면 아직 답이 없다. 표준 해석은 양자적 대상의 가능한 상태는 모두 '동등하게 실재적’이며(즉, ‘중첩’되어 존재하며), 측정에 의해 이 가능한 상태 중 하나가 실현된다고 말한다. 이 해석에 반기를 든 에르빈 슈뢰딩어는, 1930년대에 그의 유명한 고양이를 이용한 사고실험을 통해, 측정 전에 고양이는 동시에 ‘죽어 있고 살아 있는’ 상태냐고 질문한 바 있다. 측정이 죽은 고양이라는 결과를 준다면, 산 고양이는 어디로 갔을까? 이러한 난제를 해결하고자 제안된 것이 다세계(평행우주) 해석이다. 측정이 일어나면 둘 중 하나만 실현되는 것이 아니라, 둘 다 실현된다는 것이다. 단 우주가 갈라져서 다른 우주에서.

양자이론은 물질세계의 측정 결과를 정확히 설명하지만 그 이론의 해석이 이런 문제를 야기하는 것은 무엇을 의미할까? 혹시 이것은 수학만이 실재적 존재이고 물질은 부수적 존재라는 것을 말하는 것일까? 이렇게 믿는 물리학자들도 많다(특히 이론물리학자들). 이들은 물질과 에너지가 근원적 존재가 아니라 정보가 근원적 존재라고 말한다. 이 생각에 따르면, 우주의 본질적 모습은 추상적인 수학에 따라 정보를 처리하는 거대한 컴퓨터이다.

수학만이 실재적 존재라는 생각은 고대 그리스의 플라톤 당시부터 있던 생각이다. 이데아의 세계가 있고 물질의 세계에 사는 우리는 단지 그 그림자를 볼 뿐이라는. 플라톤의 비유처럼 우리는 아직도 동굴에서 벗어나지 못한 것인가? 수학을 통해 우리는 실재를 보는 것인가?

다중우주인지 시험하는 50가지 방법

우리 우주가 단 하나의 우주universe인지 양자역학에서 얘기하는 여러 우주(다중우주multiverse)의 하나인지에 따라 형이상학적 질문에 대해 완전히 다른 답이 나올 수 있다(단적으로, 자유의지의 문제를 보라). 여기서 얘기하는 다중우주는 좀 더 정확히 얘기하면 양자역학의 ‘다세계 해석’ 가설을 의미한다. 이 해석에 따르면 우리가 양자역학적 측정을 할 때마다, 나올 수 있는 모든 가능성이 서로 다른 우주에서 펼쳐진다. 이 해석을 확장하여, 꼭 양자역학적 측정이 아니어도 이 세상에서 벌어질 수 있었던 다른 일이 어딘가 다른 우주에서 벌어지고 있다고 얘기한다. 가령 내가 이 우주에서 A와 싸우고 결별한 후 B와 결혼했다면, A와 싸웠지만 화해한 후 A와 결혼한 우주도 있다는 것이다. 이렇게 모든 가능성이 무한 개의 우주에서 펼쳐진다. ‘일어날 수 있는 모든 일은 일어난다. 단 다른 우주에서. Everything that can happen does happen, only in different universes.’ 이것이 다세계 해석이다.

이와 대조되는 양자역학의 표준적 해설은 ‘코펜하겐 해석’이다. 코펜하겐 해석은 측정시 가능한 상태 중 하나만 실현이 되는 것이다. 양자역학은 이러한 상태가 실현될 확률만을 예측한다. 코펜하겐 해석에는 다른 우주가 있지 않다. 양자역학이 예측하는 확률로, 가능한 상태가 우리 우주에서 실현될 뿐이다.

그럼 다세계 해석이 맞는지, 코펜하겐 해석이 맞는지 시험할 방법이 있을까? 있다, 하지만 매우 위험하다. 사실 이건 믿거나 말거나이다. <뉴 사이언티스트> 특별기사(2016.09.03)의 쉬어가는 페이지라고 생각하면 되겠다. 50가지 방법은 사실 한 가지 방법을 50번 되풀이 하는 것이다. 방법은 이렇다. 양자역학적 측정을 하기 위해 빛의 입자인 광자photon와 권총을 준비한다. 광자의 스핀 상태는 ‘위up’ 또는 ‘아래down’, 두 가지가 동일한 확률(1/2 = 50%)로 가능하다. 

매 10초마다, 광자의 스핀 값을 측정한다. 측정 값은 ‘위’ 또는 ‘아래’가 나온다. 이 측정 값이 권총을 통제한다. 스핀 값이 ‘위’면 권총에서 실탄이 발사되고 실험자는 실탄에 맞아 죽게 된다. 스핀 값이 ‘아래’면 공포탄이 발사되고 실험자는 살아남아 다음 번 실험을 시작한다.

실험을 50번 반복했을 때 실험자가 살아남을 확률은 무슨 해석이 맞느냐에 따라 엄청난 차이가 나게 된다. 코펜하겐 해석이 맞다면(아래 그림의 왼쪽), 실험자는 하나의 우주에서 1/2의 확률로 50번 반복해서 계속 ‘아래’가 나와야 한다. 이 확률은 1/2의 50제곱이고, 이 값은 1,000,000,000,000,000분의 1이다. 거의 확실히 죽는다고 봐야 한다. 하지만 다세계 해석이 맞다면 매 측정이 이뤄질 때마다 우주는 계속 갈라지고 50번의 실험 후에 우주는 1,000,000,000,000,000개가 된다(아래 그림의 오른쪽). 이 중 단 하나의 우주에는 실험자가 여전히 살아 있다. 나머지 999,999,999,999,999개의 우주에는 실험자가 죽어 있다.

자, 실험을 해 보자. 만약 50번의 실험을 반복한 후에도 실험자가 살아 있다면 거의 확실히 다세계 해석이 맞다고 얘기할 수 있다. 단, 여기서 실험자는 ‘나’여야 한다. 내가 남을 시킨다면, 실험이 끝난 후에 내가 실험자가 살아 있는 우주에 있으리라는 보장이 없기 때문이다. 어떤가, 이 실험을 한 번 해 볼 의향이 있는가?

이 실험은 물리학자인 맥스 테그마크가 제안한 사고실험으로 양자 러시안 룰렛이라고 불린다.

나는 자유의지를 가지고 있는가?

<뉴 사이언티스트> 특별기사(2016.09.03)의 여섯 번째 주제는 ‘나는 자유의지를 가지고 있는가?Do I have free will?’이다. 오늘 점심으로 자장면과 짬뽕 중 짬뽕을 먹기로 한 결정한 것이 정말 나일까? 이런 질문으로 인류는 수천 년을 고민해왔다. 결정하는 것은 정말 나일까, 아니면 어떤 외부적 대리자 – 전능한 신 또는 물리법칙 – 이 우리 인생의 행로를 미리 결정해 놓은 것일까? 역시 쉽지 않은 질문이다. 우리 느낌으로는 당연히 ‘내’가 결정한다. 하지만 ‘나’는 누구인가? 앞의 기사에서 논의되었던 것처럼, 과학에서 볼 때 ‘나’는 뇌가 만들어내는 환상이다. 1980년대에 신경과학자인 벤저민 리베트Benjamin Libet는 ‘내’가 행동을 결정하기 전에 이미 뇌에서는 그 행동을 위한 작용이 시작됨을 보인 바 있다. 물론 리베트가 시험한 행동은 아주 간단한 것이었지만, 신경과학자들은 모든 행동이 그럴 것이라고 생각한다.

자유의지를 다른 의미로 해석하는 사람들도 있다. 심리학자인 런던 정경대학의 니콜러스 험프리Nicholas Humphrey 명예교수는 뇌에서 발생하는 물질적 원인으로 행동이 일어난다고 해서 자유의지가 없다고 할 필요는 없다고 말한다. ‘나’라는 것을 내 몸으로 체현된 모든 것(embodied self) – 나의 생각, 믿음, 욕망, 성향 등 – 으로 생각한다면 여전히 내가 이러한 결정을 내리고 있다고 말할 수 있다는 것이다. 내가 그 결정을 인식하던, 인식하지 못하던 말이다. 정말 그런가?

옥스퍼드 대학의 물리학자인 블라트코 베드럴Vlatko Vedral 교수는 이러한 생각에 동의하지 않는다. 나라는 ‘인격’도 결국 물질에 기인하므로 물리법칙에 의해 모든 것이 사전에 결정된 것이 아니냐는 것이다. 이것은 환원론이다. 생물과 생리현상을 원자와 분자 수준에서 이해하게 되면 다음 행동까지 예측할 수 있다는 생각이다. 하지만 이러한 생각은 ‘복잡계’의 연구 등을 통해 물리학계에서도 요즘 많이 비판된 바 있다.

더욱이 양자역학에 따르면, 원자 수준의 세계에는 불확정성이 본질적으로 들어와 있다. 그러니 모든 것을 원자와 분자 수준으로 환원해도 모든 것이 사전에 결정되어 있다는 말을 할 수 없다. 양자역학적 불확정성이 자유의지가 숨쉴 여지를 만들어 주는 것일까?

하지만 양자역학의 다른 해석에 따르면 완전히 다른 결론에 다다른다. 양자역학의 ‘다세계 해석’은 일어날 일은 반드시 일어난다고 말한다. 다른 우주에서 말이다. 이런 생각에 따르면 우주는 완전히 결정되어 있는 것이다. 단지 내가 어느 우주에 있을지 모른다는 것뿐. 이 우주에서는 내가 짬뽕을 주문했지만, 다른 우주에서는 내가 자장면을 주문했다는 것이다. 노벨상 수상자인 네덜란드 우트레히트 대학의 게라드 토프트Gerard ‘t Hooft 교수는 우주가 초결정적superdeterministic이라고까지 말한다. 우주 밖의 무언가가 우주가 어떻게 될지 완벽하게 결정해 놓았다는 것이다. 만약 우리가 자유의지를 가졌는지 시험한다면, 그렇게 시험할 것까지 사전에 미리 결정되어 있다는 것이다. 이것은 마치 신이 존재하는 것과 마찬가지이다. 베드럴 교수는 이럴 가능성도 배제할 수 없다고 말한다. “우리가 유한하고 우주의 일부분이기 때문에 우주가 비결정적으로 보일 수도 있습니다.” 이렇게 본다면 자유의지 문제는 결코 해결될 수 없는 문제이다. 우리가 무한할 수는 없으니까.

이 기사를 읽고 드는 생각? 자유의지 문제는 우주적 문제이다! 또 한편으로는 인공지능 연구를 통해 자유의지에 대한 실마리를 얻을 수 있지 않을까 해는 생각도 든다. 알파고를 설계한 사람들이 알파고가 어떤 수를 둘지 알았을까? 알파고 설계자가 알파고의 선택을 결정한 것인가? 알파고는 자유의지가 있는가 없는가?