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? 

선과 악은 어디서 오는가?

<뉴 사이언티스트> 특별기사(2016.09.03)의 다섯 번째 주제는 ‘선과 악은 어디서 오는가?Where do good and evil come from?’이다. 글은 다소 충격적인 이야기로 시작한다. 3살짜리 아이가 엄마의 팔에서 빼앗겼다. 그리곤 이마를 물어 뜯겨 살해당하고, 잡아 먹혔다. 아이와 같은 공동체에 속한 어느 엄마와 딸이 한 짓이었다. 이들은 이후에도 적어도 두 건의 유아살해 및 식‘인’에 연루되었다. 도덕의 관점에서 볼 때, 이러한 연쇄살해는 정말 ‘악’이라고 부를만한 짓이다. 단, 여기서 피해자와 공격자들은 탄자니아의 국립공원에 사는 침팬지들이었다. 우리는 침팬지를 악하다고 할 수 있을까? 또는 다른 경우, 선하다고 할 수 있을까?

선과 악의 문제는 철학자들이 오랫동안 씨름해 온 문제이다. 선과 악은 나눌 수 없는 쌍둥이일까? 어떤 일이 본질적으로 선하거나 악할 수 있을까? 이러한 질문은 과학이 답하기에는 너무 추상적인 것처럼 보인다. 하지만 과학은 다음과 같은 질문에 답할 수 있다: ‘왜 동물들은 이타적인가?’, ‘왜 침팬지들은 때때로 서로를 잔인하게 죽이는가?’ 이러한 질문에 대한 답은 인간에게도 동등하게 적용될 수 있다. 선과 악의 밑바닥에 깔려있는 것은 자연선택이라는 중립적 손이라는 것이 과학의 답이다.

캐나다 사이먼 프레이저 대학의 진화생물학자인 버나드 크레스피Bernard Crespi 교수에 따르면 이 모든 것은 유전자를 후세에 전달하기 위해 일어나는 일이다. 왜 어떤 동물은 어린 동생을 돌볼까? 자기 자식이 아니어도 공통된 유전자를 가지고 있기 때문이다. 개인 수준에서는 이타적 행동이 유전자 수준에서는 이기적 행동이다. ‘선한 행동’은 종종 ‘숨겨진 이득’을 동반한다. 물론 유전자 수준에서의 이득이다. ‘악한 행동’ 역시 마찬가지라고 볼 수 있다. 유아살해한 침팬지들은 식량과 자원 획득 경쟁이 치열한 상황이었음이 이후 드러났다. 이 경우 유전자 수준에서는 경쟁자를 제거하는 것이 이득이다.

물론 모든 악행이 유전자 이득으로만 설명되는 것은 아니다. 끔찍한 일을 저지른 인간의 많은 경우가 폭력적 가정환경에서 자라났다는 결과도 있으니까. 이러한 과학의 답을 받아들인다면 우리는 선과 악에 대해 어떻게 생각해야 할까? 선과 악은 진짜로 있는 것이 아니다. 한편 이러한 답을 받아들인다면 우리는 다음과 같은 생각도 할 수 있다: 진화적 압력이 우리를 폭력적으로 만들 수 있다면, 다른 한편으로는 아주 평화적으로 만들 수도 있다. 배부르고 등 따스운데 누가 싸우고 싶겠는가? 이것이 선과 악에 대한 진화론적 설명이 우리에게 주는 메시지이다. 

인생의 의미는 무엇인가?

<뉴 사이언티스트> 특별기사(2016.09.03)의 네 번째 주제는 ‘인생의 의미는 무엇인가?What is the meaning of life?’이다. 이 질문에 대한 냉정한 답은 ‘아무 의미도 없다’이다. 우리 각자에게 인생은 대단한 것처럼 느껴지지만, 사실 인생이란 무심한 우주 속에서 물질과 에너지가 잠시 모였다 흩어지는 것일 뿐이다. 인생이 끝나면 내 주변의 몇몇은 얼마 동안 나를 기억하겠지만 이들 역시 언젠가는 죽는다. 역사책에 나올 커다란 일을 했다고 해도, 시간이 흐르면서 내 공헌은 점점 잊혀질 것이다. 인류는 멸종할 것이고 지구와 태양은 결국 사라질 것이다. 최후에는 우주도 종말을 맞는다. 이러한 끔찍한 현실 앞에서, 어떻게 인생에서 의미를 찾을 수 있다는 말인가?

이러한 사실은 왜 사람들이 종교(신에 대한 믿음)를 갖는지에 대한 답이 되기도 한다. 종교는 우주에 의미를 부여해서 존재의 잔혹함을 완화시켜준다. 어떤 신학자들은 신이 없는 인생의 무의미함이 신이 존재한다는 증거라고까지 말하기도 했다. 하지만 신이 존재한다는 어떠한 ‘객관적’ 증거도 현재로는 없다. (이 부분은 나중에 다른 주제에서 다뤄진다.)

양자역학의 해석 중 하나는, 우리가 관찰할 때 우주는 존재하게 되며 관찰 행위가 여러 가능성 중 하나를 선택하여 다음에 무엇이 발생할지를 결정한다고 말한다. 좀 더 가설적 해석은, 선택할 때마다 우주는 나누어지며 다른 가능성은 다른 우주에서 펼쳐진다고 말한다. 이게 사실이면, 나 때문에 우주가 존재한다는 말이다. 여기서 인생의 의미를 찾을 수 있을까? (하, 이게 종교와 뭐가 다른가 하는 의문이 문득…)

인생의 의미가 무엇인가에 대한 실제적 대답을 얻을 수 있는 방법을 심리학자들이 찾아냈다. 그냥 사람들에게 물어보는 것이다! 당신의 인생은 얼마나 의미와 목적을 가지고 있습니까? 평가해 달라는 질문에 대부분의 사람들은 다른 사람들 인생보다 더, 자신의 인생에는 의미와 목표가 있다고 긍정적으로 대답했다는 것이다. 주관적인 대답에 어떻게 객관적 의미를 부여하느냐는 비판에, 미주리 대학의 로라 킹Laura King 교수는 어차피 객관적 답이 없는 질문에 이런 요구를 하는 것이 오히려 넌센스라고 답한다. 내가 인생에 의미가 있다는데 누가 나를 판단할 것이냐는 말이다. 아, 모두 제멋대로, 제 잘난 맛에 사는 것이다. 그래도 뭔가 기준이 있어야 하지 않을까? 어떻게 사는 것이 좀 더 충만한 삶인지, 거기서 어떤 의미를 찾는지는 각자 고민해야 하겠지만, 누구는 맞고 누구는 틀리다고 말할 권리는 아무에게도 없다. 결국 ‘내 인생은 나의 것’이다. 내 인생은 ‘내’가 살아내야 한다.