위대한 설계를 읽고

위대한 설계
스티븐 호킹.레오나르드 믈로디노프 지음, 전대호 옮김 / 까치 / 2010년 10월

살아있는 가장 위대한 물리학자의 하나인 스티븐 호킹이 쓴 우주의 생성에 대한 이야기라서 선뜻 읽게 되었다. 고맙게도 저자는, 우주를 이해하기 위한 질문 세가지를 정리했고 이 내용은 계속 이야기의 뿌리로서 자리잡고 나아간다. [우주를 가장 깊은 수준에서 이해하려면 우주의 행동에 대해서 어떻게 라는 질문 뿐만 아니라 왜라는 질문에도 대답할 필요가 있다.]

그에 앞서, 근대 이후 철학이 차지한 자리를 부정한다.[…철학은 이제 죽었다. 철학은 현대 과학의 발전, 특히 물리학의 발전을 따라잡지 못했다.] 그리고 이제 철학자가 아닌, 과학자가 프로메테우스라고 공언을 하며 나온다. [지식을 추구하는 인류의 노력에서 발견의 횃불을 들고 있는 자들은 이제 과학자들이다.] 그 횃불로 M이론을 말한다.[…궁극의 만물 이론이 정말로 존재한다면, 그런 이론이 될 가능성이 있는 후보를 알고 있다. 그것은 이른바 M이론이다. M이론은 궁극의 이론이 갖춰야 한다고 우리가 생각하는 속성을 모두 갖춘 유일한 모형이며 우리가 지금부터 전개하는 논리의 상당 부분이 의지하는 이론이다.]

암흑의 중세 시대 우주관을 뛰어넘은 이론가로 라플라스의 과학 결정론이 가장 먼저 등장한다.[…라플라스는…태양계는 그처럼 스스로 자신을 재조정할 것이었다. 따라서 태양계가 현재까지 유지된 까닭을 설명하기 위해서 신의 개입을 들먹일 필요는 없다는 것이 라플라스의 입장이었다.] 이 분의 과학결정론을 들어보자.  [과학 결정론이란, 어느 한 시점에서 우주의 상태가 주어지면, 완전한 법칙의 집합에 의해서 우주의 미래와 과거가 철저히 결정된다는 입장이다. 이 입장은 기적이나 신의 능동 역할의 가능성을 배제한다. 라플라스가 제시한 과학 결정론은 위의 두번째 질문(법칙의 예외, 이를테면 기적은 존재할까?)에 대한 근대 과학자의 대답이다. 더 나아가 그것은 모든 근대 과학의 토대이며, 이 책 전체의 중요한 원리가 된다… 세번째 질문(가능한 법칙의 집합은 오직 하나뿐일까?)은 우주와 인간 행동을 결정하는 법칙이 유일한가에 관한 것이다. 만일 당신이 첫번째 질문(법칙의 기원은 무엇일까?)을 받고 신이 법칙을 창조했다고 대답한다면, 세번째 질문은 당신에게 이렇게 묻는다. 신은 그 법칙들 말고 다른 법칙을 선택할 수도 있었을까? 아리스토텔레스와 플라톤과 데카르트와 아인슈타인은 자연의 원리가 필연으로 존재한다고 믿었다. 그 믿음의 근거는 지금 존재하는 자연의 원리만이 유일하게 논리상 이치에 타당하다는 것이었다. 아리스토텔레스와 그 추종자들은 자연법칙이 논리에서 기원했다고 믿었기 때문에 자연이 실제로 어떻게 행동하는지에 많은 관심을 기울이지 않아도 그 법칙을 도출할 수 있다고 생각했다.] 하지만 과학결정론이란, (기적처럼) 신이 수행할 역할을 과학으로 대체하는 논리이다. 그렇다면 종교가 과학으로 변한 것일뿐이라는 극단의 비판을 벗어나기 힘들 것이다.

원리를 설명하기 위해 과학은 모델을 많이 사용한다. 그렇다면 좋은 모형이 갖출 조건은 무엇일까? [1.우아할 것, 2.자의 또는 조정 가능 요소를 거의 포함하지 않을 것, 3. 기존 모든 관찰에 부합하고 그것을 설명할 것, 4.만일 틀렸을 경우 모형을 반증할 수 있는, 미래 관찰에 관한 상세한 에측을 내놓을 것 이다.] 그런데 좋은 모형이란? 우아함이란? 책에 설명은 나와있지만 선뜻 와닿지는 않는다.

이미 생명력이 다해가는 이론이지만, 이번에는 고전 물리학으로 눈을 돌려보자. [양자물리학 등 일상 경험과 동떨어진 틀을 기초로 삼은 이론도 고전물리학이 매우 정확하게 모형화했던 일상 사건을 설명할 수 있을까? 단연코 할 수 있다. 왜냐하면 우리와 우리 주변의 사물은 상상을 초월할 정도로 많은, 관찰 가능한 우주에 있는 별들보다 더 많은 원자들로 이루어진 복합물이기 때문이다… 뉴턴 이론의 예측은 우리 모두가 우리 주위의 세계를 경험하면서 터득하는 실재관과 조화를 이룬다. 그러나 개별 원자, 분자들은 우리의 일상 경험과 다른 방식으로 행동한다. 양자 물리학은 그 이상한 원자, 분자들의 우주를 표현하는 새로운 실재 모형이다] 하지만 양자물리학은 예측력이 부족하다는 한계를 갖는다. [양자물리학에 따르면 , 아무리 많은 정보를 소유하고 계산능력이 뛰어나더라도, 물리 과정의 정확한 예측은 불가능하다. 왜냐하면 그것들은 정확하게 결정되어 있지 않기 때문이다. 오히려 자연은, 어떤 시스템의 초기 상태가 주어졌을 때, 그 시스템의 미래 상태를 불확정 과정을 통해서 결정한다. 자연은, 심지어 가장 단순한 상황에서도, 과정이나 실험의 결과를 명령하지 않는다. 오히려 자연은 제각각 실현된 가능성이 어느 정도 있는 다양한 경우를 허용한다.] 이를 통해서 새로운 형태의 결정론을 정리한다.[ 어떤 시스템의 특정 시점에서의 상태가 주어지면, 자연법칙은 그 시스템의 미래와 과거를 정확하게 결정하는 것이 아니라 다양한 미래와 과거의 확률을 결정한다.] 이러한 고백은, 맨처음 말한 철학의 죽음, 그리고 물리학의 자리 승계를 무색하게 만든다.

새로운 결정론 대안을 위해 실행한 버키볼 실험을 살펴보자. [우리의 관찰과 관찰 사이에서 버키볼은 모든 경로들을 거친다. (양자 물리학에 따르면) 현재에 대한 우리의 관찰이 아무리 철저하더라도, (관찰되지 않은) 과거는 미래와 마찬가지로 불확정되어있으며 다만 가능성의 스펙트럼으로 존재한다. 우주는 단일한 과거 혹은 역사를 가지지 않는다. 시스템의 과거가 확정되어 있지 않다는 것은 당신의 현재 관찰이 시스템의 과거에 영향을 미친다는 것을 의미한다.] 마치 영화(백투더퓨처)처럼, 주인공이 과거로 거슬로 올라갔을 때 현재(주인공)가 과거(부모님)에 영향을 주는 게 떠오른다. 타임머신은 이미 운영중인가?

이제 시간을 들여다 보면, 시간의 비절대성이 나온다. [정지와 운동이 절대가 아닌 것과 마찬가지로 시간도 절대가 아님을, 뉴턴이 생각한 절대시간은 있을 수 없음을 보여주었다. 모든 각각의 사건에 모든 관찰자가 동의할 시간 좌표를 부여하는 것은 불가능하며, 오히려 모든 관찰자는 제각각 나름의 시간 척도를 가졌고 서로에 대해 상대적으로 운동하는 두 관찰자의 시간 측정값들은 일치하지 않는다.] 이제 시간은 공간과 (개념상) 합쳐져서 시공(space-time)이 된다.[ 광속이 모든 기준 틀에서 동일하다고 전제… 맥스월 전자기 이론은 시간을 공간의 세 차원과 별개로 취급할 수 없게 만든다. 오히려 시간과  공간은 얽혀 있다. 그렇다면 좌/우, 앞/뒤, 위/아래에 네 번째 차원으로 과거/미래를 추가해서 한꺼번에 다뤄야 한다. 이렇게 결합된 시간과 공간을 시공이라 한다.] 이후 양자 역학에서 모든 가능하 역사들의 합을 도표로 표현한 파인만 도표, 양자중력이론, 끈이론을 거쳐 M이론이 나온다. [M이론은 10차원이 아니라 11차원 시공을 이야기 한다. 진동하는 끈들과 더불어 점 입자들, 2차원 막들, 3차원 덩어리들, 그리고 시각화하기 더 어렵고 더 많은 차원을 차지하는 다른 대상들까지 수용할 수 있다.] 이러한 M이론은 여러 이론을 끌어 안을 수 있는 메타이론이고, 무언가 이론을 확정하지 못한 유보상태가 아닐까?

두더쥐잡기 식의 논의를 거쳐, 이 책을 쓴 위대한 물리학자는 (마치 정치인처럼) 일종의 타협안을 제시한다.[ 우리는 과학사의 전환점에 도달한 듯 하다. 물리이론의 목표와 조건에 대한 우리의 생각을 바꾸어야 할때가 된 성싶다는 말이다. 가시화된 자연법칙에 등장하는 근본 수들의, 그리고 심지어 자연 법칙의 형태는 물리학의 원리나 논리에 의해서 결정되지 않는 것 같다. 자연법칙에 등장하는 매개변수들은 다양한 값들을 가질 수 있고, 자연법칙들은 수학의 일관성만 유지된다면, 어떤 형태라도 취할 수 있다. 그리고 그것들은 다양한 우주에서 다양한 값들과 형태들을 자유롭게 취한다. 특별한 존재이기를 원하고 모든 물리법칙을 담은 깔끔한 꾸러미를 발견하기를 원하는 인간에게는 이것이 불만스러울지 모르지만, 이것이 자연의 실상인 것 같다.] 결국 물리학은 메타 학문으로 가겠다는 말일까?

결국 우주가 생기고, 거기에 사람이 생긴 건 행운이라는 (물리학과는 동떨어져보이는 이야기로) 논리를 가져온다. [프레드 호일은 모든 화학 원소들이 수소로부터 형성되었다고 믿었고, 수소는 진정한 원초 물질이라고 여겼다. 수소 원자핵은 가장 단순해서 양성자 하나만으로 이루어졌거나 양성자 하나와 중성자 하나 또는 둘로 이루어졌다. 오늘날 우리는 원자핵에 양성자가 두개 또는 세개 있는 헬륨이나 리튬도 우주의 나이가 약 200초였을 때에, 비록 훨씬 더 적은 양이나마, 합성되었음을 알게 되었다.] 하지만 그 행운은 신이 준 것은 아니다.[ …우리 우주는 각기 다른 법칙을 지닌 수많은 우주들 중 하나일 것이다... 다수의 우주가 있다는 생각은 현대 우주론의 많은 이론과 무경계 조건의 귀결이다…만일 다수의 우주가 있다면, 물리 법칙의 미세 조정은 우리를 둘러싼 환경 요소의 미세 조정과 지위가 동등해질 것이다. 왜냐하면 이제 우리의 우주 거처는, 태양계가 수많은 태양계들 중의 하나인 것과 마찬가지로, 수많은 우주들 중 하나에 불과하기 때문이다.] 그렇기에 위대한 설계란 자발에 의한 창조이다. [자발(적) 창조야 말로 무가 아니라 무엇인가가 있는 이유, 우주가 존재하는 이유 우리가 존재하는 이유이다. 도화선에 불을 붙이고 우주의 운행을 시작하기 위해서 신에게 호소할 필요는 없다.]

정리해보면 우리의 존재 이유는 우리 스스로로 말미암음이다. 이를 증명하기 위해 다시 신을 끌어들일 필요는 없다. 대신 과학으로 이를 증명하려고 한다. 하지만 과학이 신의 입장으로 올라가버린 지금의 현실은, 과학이 종교가 아님을 증명해야 하는 차례가 왔다는 생각이다.