줄무늬지구과학 창시자가 전하는 정교한 지구사, 지구과학사

한 권으로 충분한 지구사 - 지구의 6대 사건부터 인류의 탄생까지 ㅣ 비주얼 사이언스 북 2
가와카미 신이치 & 도조 분지 지음, 박인용 옮김 / 전나무숲 / 2010년 7월

가와카미 신이치(川上紳一; かわかみ しんいち)와 도조 분지(東條文治; とうじょう ぶんじ)의 책이다. 가와카미 신이치는 줄무늬지구과학이라는 의미의 시마가쿠(しましまがく; 縞々学)라는 학문을 만든 지구과학자다. 줄무늬지구과학을 만든 저자가 공저로 참여한 책답게 “지층의 줄무늬 모양에는 낮과 밤의 되풀이, 조수의 간만, 계절의 변화 같은 지구 표층 환경에 주기적인 되풀이가 기록되어 있다. 또한 마그마가 차가워져 굳은 암석에는 지구 내부의 변동에 관한 정보가 간직되어 있다.“는 문장이 전면에 배치되어 있다.

”빙하 퇴적물은 빙하 작용으로 운반된 토석(土石)의 층을 말한다. 자갈, 모래, 진흙 등이 뒤섞인 퇴적물이며 층리(層理)가 뚜렷하지 않다. 빙하 작용으로 운반된 지층인지 토석류 퇴적물인지를 둘러싸고 논쟁이 계속되었다.”란 말에도 줄무늬의 하나인 층리 이야기가 나온다. “해양 지각에는 퇴적물이 서서히 축적되는데 대양저가 형성된 지 오래일수록 퇴적물은 두꺼워진다. 중앙 해령이 대양 한가운데 있는 경우에는 원양성 퇴적물로 부드러운 진흙이나 탄산염으로 구성되지만 해구(海溝)에 가까우면 육지에서 온 사암(砂巖)이나 이암(泥巖)이 많다.“는 글에는 줄무늬로 볼 수 있는 단서보다 시간에 따른 두께 변화, 퇴적물 종류의 공간적 분포에 대한 단서가 있다.

대양저에 퇴적한 지층은 판이 섭입할 때 맨틀로 기어들어가지만 일부는 떨어져 나와 육지쪽 판에 붙는다. 이렇게 생긴 지질체를 부가체(Accretionary wedge 또는 Accretionary prism)라고 한다. 부가체와 오피올라이트는 관계가 밀접하다. 부가체 내부에 오피올라이트가 포함된다. 이는 과거에 바다였음을 말해주는 증거다. 오피올라이트란 과거 대양 아래에 있던 해양 지각과 상부 맨틀의 파편이 판구조 운동에 의해 대륙지각 위로 밀려 올라와 드러난 암석 조합을 말한다.

지질학적 충격이나 강한 응력(압력)에 의해 격자가 변형되면서 형성된 미세한 층상 구조를 라멜라(lamella) 구조라 한다. 작고 얇은 판(plate) 또는 비늘(scale)을 의미하는 단어다. 석영 입자에서 보이는 라멜라 구조에서 줄무늬 단서가 있다. 별 것 아닌 것 같은 지층도 태양이나 달 등의 천체 변동과 운동의 영향을 받았을 가능성이 있다. 줄무늬를 살펴보면서 풍부한 상상력을 발휘하면 지구를 하나의 시스템으로 받아들이는 관점이 싹틀 것이다. 지구상에는 실로 많은 줄무늬가 있으며 그들 줄무늬에는 지구의 역사가 새겨져 있다. 줄무늬 모양에 시간이 새겨지는 경우도 많다.

지구를 구성하는 부분이란 지구 내부를 구성하는 지각, 상부 맨틀, 하부 맨틀, 액체 외핵, 고체 내핵 지구 표층의 대기, 해양, 강수, 설빙, 생물권, 나아가 지구 대기인 대류권, 성층권, 또 그 상공에서 우주 공간까지 펼쳐지는 전리권, 열권과 그것들을 에워싸는 지구 자기권을 가리킨다. 이런 각각의 부분은 지구 시스템을 구성하는 서브 시스템이라 한다. 지구 환경 변동은 지구를 구성하는 서브 시스템에서 일어나는 고유의 변동이 서브 시스템 사이의 상호작용으로 다른 변동과 서로 관계하여 복잡한 양상을 나타내기 때문에 지구를 하나의 시스템으로 보는 관점이 중요하다. 다시 말해 지구 환경의 변동을 하나의 원인으로 특정 지으려는 것은 불가능에 가깝다. 대기 중 이산화탄소나 메탄 농도의 변동은 어떻게 일어날까? 지구과학 분야에서 대기와 해양, 지각 등의 서브 시스템 사이의 물질 순환을 지구 화학 순환이라고 한다.

기상 관측 기기가 설치된 과거 100년의 기후 변동에 대해서는 수치가 데이터로 축적되어 있다. 그러나 더 오래된 과거로 거슬러 올라가 기후를 복원하려면 나무 나이테, 산호, 빙상 퇴적물 등을 이용하지 않으면 안 된다. 맨틀이 대류 운동을 하고 있다는 것은 암석이나 광물 등이 힘을 가하면 천천히 흐르는 것을 의미한다. 고체 물질의 유동이나 파괴 등의 성질을 리올로지(Rheology; 유동성)이라고 한다. 맨틀 물질의 리올로지는 가해지는 힘에 따른 충격파의 진동수에 따라 달라진다.

지구 내부에 존재하는 지진파 속도의 불균일성이 물질의 온도를 반영하는 것이라면 속도가 느린 영역은 고온역이며, 속도가 빠른 영역은 저온역인 셈이다. 즉 온도가 높은 영역은 맨틀의 상승류역이며 차가운 부분은 맨틀의 하강유역이기 때문에 현재 지구 내부의 불균일성을 통해 지구 내부의 움직임을 읽을 수 있다. 이처럼 지구 내부를 보면 지진파의 속도가 느린 곳 즉 온도가 높은 영역은 맨틀 심부에서 표층으로 원통 모양으로 이어져 있음을 알 수 있다. 이러한 원통 모양 구조는 대류의 플룸 형태가 유사하다. 즉 맨틀 대류의 상승류는 플룸과 비슷하다. 한편 하강류는 판으로 섭입하는 것이 특징이며 그 형태는 판 모양을 하고 있다. 물질의 온도가 높아지면 부피가 팽창하고 밀도가 감소하며 물질이 더 말랑말랑해지는 성질(강성 감소)을 갖게 된다. 지진파는 딱딱한 물질일수록 빠르게 통과하므로 온도가 높아진 고온역에서는 지진파의 진행 속도가 느려진다.

대륙지각은 선캄브리아대에 안정화된 순상지(楯狀地)나 탁상지(卓狀地)부터 최근의 조산운동으로 갓 생겨난 지각에 이르기까지 다양한 시대에 생긴 지괴의 집합체다. 순상지는 선캄브리아대의 지층이나 암석이 변성 작용을 받아 생긴 기반암류가 노출된 지역이며 탁상지는 선캄브리아대에 기반암류 위에 그다지 변형을 받지 않은 지층이 수평으로 두껍게 퇴적된 지역이다. 캄브리아기 이후에 형성된 조산대는 선캄브리아대의 순상지나 탁상지를 에워싸듯이 분포한다. 순상지와 탁상지를 합쳐 안정지괴(craton)라고 한다.

대륙 지각은 상부 지각과 하부 지각으로 나뉘며 상부 지각은 화강암질, 하부 지각은 현무암질의 암석으로 이루어져 있다. 두 저자는 지구 근처에서 약 100억 개의 미행성이 생겨났고 그것이 충돌 및 파괴, 합체 및 성장을 되풀이해 현재와 같은 태양계가 생겨났을 것이라 말한다.(120 페이지) 미행성의 충돌로 방출되는 열과 휘발성 물질로 형성된 대기의 보온 효과로 원시 행성의 표면 물질은 녹는 상태가 된다. 이 시기에 행성 표면을 뒤덮고 있는 것을 마그마의 바다라고 한다. 원시 지구의 표면이 녹는 상태가 되면 밀도가 큰 금속인 철과 규산염질 맨틀의 분화가 시작된다. 철의 층은 마그마 바다의 바닥에 축적되지만 중심부에는 초기에 집적한 미분화 물질이 가득 차 있다.

이 미분화된 원시핵은 내부의 온도가 올라가면서 녹아 철과 규산염으로 분리되었든지 어느 한 시점에 한 방향으로 떠올라 파괴되어 철의 층과 교체되었을 것이다. 원소는 화학적 성질에 따라 몇몇 그룹으로 나뉜다. 철과 쉽게 결합하는 원소는 친철원소, 구리와 쉽게 결합하는 원소는 친동원소, 규산염과 쉽게 결합하는 원소는 친석원소라고 한다. 맨틀의 친철원소 과잉 문제는 지구 형성 초기 핵과 맨틀이 분리될 때 금속과 결합하기 좋아하는 원소들이 이론적 예측보다 훨씬 많은 양으로 맨틀에 남아있는 수수께끼를 말한다. 이를 지구화학 학계에서는 친철원소 역설이라고 부른다.

생명은 탄소, 수소, 산소, 질소 등의 원자가 모인 유기물이며 유전 정보를 지니고 스스로를 복제하는 능력이 있다. 세포막에 싸여 막을 통해 에너지나 물질을 거두어들여 몸을 유지하기 위한 복잡한 대사 반응을 하고 노폐물을 세포 밖으로 버린다. 이러한 활동을 하는데 물은 반드시 필요하다. 현재 많은 지지를 받는 가설은 원시 지각이 현무암질이었다는 것이다. 맨틀이 대규모로 녹아 마그마의 바다가 형성되고 마그마의 바다가 식으면서 두꺼운 현무암질 지각이 분화했다는 것이다. 이 설은 실제로 원시 지각에 현무암이나 현무암에서 유래한 퇴적암이 있는 점, 변성 정도가 높은 지각에 함유된 현무암이나 퇴적암의 기원이라는 점에서 유력한 견해로 간주된다.

원시 대기 중에는 산소가 전혀 없었을까? 그렇지 않다. 현재 지구에서 산소 분자는 광합성 반응의 부산물로 식물이 만들고 있다. 이러한 광합성 생물이 존재하지 않았을 때도 지구에는 산소를 만드는 화학반응이 있었다. 그것은 대기 상층에서 일어난 일련의 광화학반응에 의한 물의 분해 반응이다. 지구 대기 상층(중간권 및 열권)에서 태양의 강한 자외선(UV) 에너지를 흡수하여 물 분자가 산소와 수소 등으로 쪼개지는 현상을 말한다.

지구에 생명이 언제 출현했을까?라는 질문에 답하기 위해 지질학자들이 시생대 암석에 노출된 지역을 조사하고 퇴적암 속에 검은색 처트가 끼어 있는지 확인하기 위해 집요하게 지질 조사를 거듭했다. 처트는 미세한 석영(이산화규소) 결정으로 이루어진 매우 단단하고 치밀한 암석이다. 이 암석은 주변 환경의 변화나 높은 열, 압력에도 잘 변하지 않아 수십억 년 전의 아주 미세한 세포 구조를 원형 그대로 보존할 수 있는 최고의 타임캡슐 역할을 한다. 처트가 검은색을 띠는 이유는 그 안에 탄소 성분의 유기물이 포함되어 있기 때문이다. 검은색 처트는 그 옛날 그곳에 생명체(주로 단세포 미생물)가 살았고, 그 사체가 암석 속에 갇혔다는 강력한 증거가 된다.

실제로 지질학자들은 호주 서부의 바버턴 그린스톤 벨트나 필바라 크라톤 같은 시생대 노출 지역의 검은 처트층을 집요하게 추적했다. 그 결과 현미경으로만 볼 수 있는 인류 가장 오래된 세포 화석인 마이크로화석(미화석)과 이들이 만든 거대 구조물인 스트로마톨라이트의 흔적을 찾아내어 지구 생명의 출현 시기를 약 35억 년 전(또는 그 이상)으로 끌어올렸다. 줄무늬 철광상(호상철광층; BIF)은 지구 역사상 가장 거대한 산소 오염(대산소사건)의 명백한 물증이자 기록이다. 초기 지구의 바다에는 산소가 없었기 때문에 땅에서 씻겨 내려온 철분이 이온 상태로 엄청나게 많이 녹아 있었다.

시아노박테리아가 뿜어낸 산소가 바닷물 속의 철분과 만나자 철이 격렬하게 산화(녹슬기)되기 시작했다. 녹슨 철(산화철)은 물에 녹지 않아 붉은 가루가 되어 바다 기저로 가라앉았다. 시아노박테리아가 번성하여 산소가 많을 때는 붉은 산화철층이 쌓이고, 시아노박테리아의 활동이 주춤하거나 환경이 바뀔 때는 미세한 석영 입자가 쌓여 검은색 처트나 회색 규암층이 쌓였다. 이 과정이 수억 년간 반복되면서 겹겹이 층을 이룬 줄무늬 철광상이 만들어졌다. 시아노박테리아의 활동이 왕성해지면 산소에 의해 대량으로 만들어진 녹슨 철(산화철)이 실리카를 제치고 압도적으로 많이 쌓인다.

철의 침전 속도가 실리카보다 압도적으로 빨랐다. 실리카는 그냥 물이 가득 차서 서서히 흘러넘쳐 쌓인 것이라면 철은 산소라는 기폭제를 만나 순간적으로 거대한 고체 덩어리로 변신해 무거운 무게로 바다 바닥에 내리꽂힌 것이다. 시아노박테리아의 활동이 줄어들었을 때 처트(규산염) 층이 쌓인 이유는 당시 원시 바다가 이미 실리카(석영 성분)로 가득 찬 포화 상태였기 때문이다. 시아노박테리아의 활동이 왕성했다가 소극적이었다를 반복한 가장 대표적인 이유는 태양광(낮과 밤)과 계절에 따른 환경 변화 때문이다.

시아노박테리아는 수온이 높고 일조량이 풍부한 시기에는 폭발적으로 증식하며 활발히 활동하지만 온도가 낮아지거나 환경이 불리해지면 성장과 대사 활동을 멈추고 소극적인 상태로 변한다. 여름에는 수온이 높고 일조량이 풍부하여 시아노박테리아가 폭발적으로 증식한다. 광합성이 매우 활발해지면서 물속의 칼슘 성분을 침전시키고 끈적끈적한 점액질 성분을 많이 분비하여 주변의 모래나 유기물 퇴적 입자들을 강하게 붙잡는다. 이 시기에는 성장 속도가 빨라 두껍고 느슨한 형태의 밝은 색 층이 만들어진다. 겨울에는 수온이 낮아지고 해가 짧아지면서 광합성 효율과 대사 활동이 급격히 떨어진다. 박테리아의 성장과 증식이 거의 멈추거나 매우 느려지며 퇴적물을 붙잡는 힘도 약해진다. 이 시기에는 미생물들이 조밀하게 뭉친 상태에서 미세한 먼지나 유기물이 천천히 내려앉아 매우 얇고 조밀한 어두운 색 층을 형성한다.

결국 시아노박테리아는 자신의 생명 활동을 통해 몸 자체의 흔적을 스트로마톨라이트에 나이테처럼 남겼을 뿐만 아니라 지구 전체의 바다 화학 구조를 바꾸어 철광층(호상철광층)에도 거대한 계절적 흔적을 새겨놓았다. 시아노박테리아는 약 35억 년 전에 지구에 등장한 이후 단 한 번도 멸종하지 않고 진화와 생존을 이어온, 지구 역사상 가장 성공적인 생물 중 하나다. 현재는 흔히 남세균 또는 남조류라는 이름으로 더 자주 불린다. 시아노박테리아는 녹조를 일으키는 핵심 생물이다.

두 저자는 동일과정설이란 말 대신 제일설이란 말을 쓴다. 두 단어는 영어로 동일하게 Uniformitarianism을 번역한 것이지만 제일설이라는 한자를 쓰는 데는 지질학적·과학 철학적으로 중요한 이유가 있다. 동일과정설 (同一過程說)은 과거와 현재의 과정(Process)이 똑같다는 뜻에 치중되어 있다. 이 때문에 과거에도 지금처럼 늘 잔잔하게 퇴적물만 쌓였을 뿐, 소행성 충돌이나 거대 화산 폭발 같은 격변은 없었다는 식의 오해를 불러일으키기 쉽다. 제일설 (齊一說)은 가지런할 제(齊)와 한 일(一)을 써서 모든 시대에 걸쳐 자연의 법칙이 한결같고 균일하다는 뜻을 담고 있다. 과거에 거대한 운석이 떨어졌든 지금 잔잔한 비가 내리든, 그 기저에 흐르는 물리학과 화학의 법칙은 우주 초창기부터 지금까지 한결같이(Uniform) 적용된다는 본질에 더 부합하는 번역이다.

현대 지질학은 공룡을 멸종시킨 소행성 충돌이나 지구 전체가 얼어붙었던 눈덩이 지구 같은 돌발적인 대격변도 지구 역사의 일부로 수용한다. 과정(Process)은 급격하게 변했지만 그 격변을 일으킨 역학적 법칙은 예나 지금이나 한결같다는 의미다. 줄무늬 철광상과 눈덩이지구론은 아주 큰 연관이 있다. 줄무늬 철광상은 눈덩이 지구(Snowball Earth) 가설을 증명하는 가장 결정적인 지질학적 증거다. 지구 역사에서 줄무늬 철광상은 약 18억 년 전에 바닷속 철이 모두 소진되면서 완전히 사라졌었다. 그런데 황당하게도 약 7억 년 전 지층에서 수억 년의 공백을 깨고 줄무늬 철광상이 갑자기 다시 등장했다.

이 미스터리를 완벽하게 풀어낸 것이 바로 눈덩이 지구론이다. 약 7억 년 전 지구 전체가 얼어붙자 바다가 산소와 차단되어 무산소 상태가 되었다. 이 기간에 해저 화산에서 나온 철 이온이 산화되지 않고 바닷속에 엄청난 농도로 축적되었다. 화산 가스로 인한 온실효과로 얼음이 순식간에 녹으면서 대기 중의 산소가 바다로 유입되었고, 살아남은 시아노박테리아가 폭발적으로 광합성을 하여 산소를 공급했다. 바다 가득 쌓여 있던 철 이온과 새로 공급된 산소가 격렬하게 반응하면서 막대한 양의 산화철(녹)이 침전되어 줄무늬 철광상을 만들었다. 완전히 얼어붙은 극한 환경 속에서도 빛 없이 철을 산화시키는 화학합성 미생물들이 얼음 밑에서 활동하며 철광상 형성에 기여했다는 사실이 밝혀졌다.

빙하퇴적물이 고위도(극지방)가 아닌 저위도(적도 부근) 지역의 지층에서 대량으로 발견되는 핵심 이유는 과거 눈덩이 지구 시기에 대륙들이 적도에 몰려 있었기 때문이다. 뚜껑 탄산염암, 저위도 빙하 퇴적물, 호상철광층의 재등장 등은 지구 전체 동결의 증거다. 얼어붙었던 지구 속에서도 물이 흐르던 시기나 공간이 존재했음을 알려주는 보완적 증거는 잔물결 구조다. 잔물결 구조를 연흔(漣痕)이라 한다. 에디아카라 동물군은 선캄브리아 시대 말기인 약 6억 3,500만 년 전 ~ 5억 4,100만 년 전(에디아카라기)에 번성했던 지구 최초의 대형 다세포 생물 군집이다.

에디아카라 생물군의 신체 대칭성은 현대 동물들과 비교했을 때 가장 기괴하고 독특한 특징 중 하나다. 이들은 오늘날 우리에게 익숙한 대칭성뿐만 아니라, 현대 생물계에서는 거의 완전히 사라진 전무후무한 대칭 구조를 가지고 있었다. 피자의 3등분이나 메르세데스-벤츠의 로고, 혹은 바람개비처럼 중심축을 기준으로 몸이 정확히 3방향(120도씩)으로 대칭을 이루는 구조입니다. 대표적으로 트리브라키디움이라는 원반형 생물이 이 대칭성을 갖는다.

페름기 후기에서 트라이아스기 초기에 형성된 지층의 유기물이 풍부한 검은색 이암이 끼어 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 지층은 지구 역사상 가장 거대한 멸종 사건인 페름기-트라이아스기 대멸종의 원인과 당시의 파괴적인 지구 환경을 규명하는 핵심 단서로 평가받는다. 검은색 이암(셰일)은 퇴적 당시 산소가 극도로 부족한 무산소 또는 빈산소 환경이었음을 나타낸다. 페름기 말 시베리아 트랩의 대규모 화산 분출로 이산화탄소가 급증하면서 지구 온난화와 해양 산성화가 진행되었고, 이로 인해 전 지구적인 해류 순환이 멈추어 바다 깊은 곳까지 산소가 공급되지 못했다. 산소가 없는 환경에서는 유기물이 썩지 않고 고스란히 퇴적되어 지층이 검은색을 띠게 된다.

숯이나 석탄이 검은색인 것처럼 탄소 성분이 지층을 검게 물들이는 것이다. 인류는 생물학적으로 호모 사피엔스이며 최초로 도구를 사용한 호모 하빌리스의 계통을 따랐다. 호모 하빌리스에 이은 호모 에렉투스는 불을 사용하는 능력을 획득했다. 두 저자는 현생인류에 이르러 대뇌겉질이 크게 발달하고 지능이 높아진 것은 격심한 빙하시대의 도래와 어느 정도 관계가 있다는 말을 한다. 빙하시대에 적응하기 위한 과정의 산물이라는 말이다.

두 저자는 과학이란 어둠에 싸여 있는 46억 년의 지구 역사에 빛을 쬐는 도구라 말한다. 새로운 분야를 개척하려면 그 누구도 주목하지 않은 연구의 싹을 발굴하여 크게 육성할 필요가 있다고 말한다. 그러기 위해서는 유행을 따라 연구를 되풀이하는 것이 아니라 새로운 세계로 발을 내딛으려는 자세가 필요하다. 지구과학은 아직 어두운 부분에 새로운 학문 분야가 잠자고 있음이 분명하다. 눈앞의 이익만을 추구하는 풍조 가운데서도 착실한 연구를 뒷받침해 줄 수 있는 건전한 과학과 사회의 파트너십이 더욱 요구된다. 

양자 물리학의 난해함과 기괴함을 경험하기

시인을 위한 양자물리학
리언 M. 레더먼 & 크리스토퍼 T. 힐 지음, 전대호 옮김 / 승산 / 2013년 5월

리언 레더먼과 크리스토퍼 힐의 [시인을 위한 양자물리학]은 원제도 [Quantum Physics for Poet]로 우리 말 버전과 같다. 본문에 반감기 계산이라는 말이 나온다. 이는 원자물리학자, 핵물리학자, 입자물리학자의 주요 일거리이지만 특정 우라늄 원자 하나가 언제 붕괴할지는 양자 이론으로 전혀 예측할 수 없다. 두 저자는 양자 물리학은 언뜻 보면 애매하고 부정확한 듯하지만 실은 실재를 이해하는 올바른 길, 더 나아가 유일하게 올바른 길이라고 말한다.(29 페이지)

하이젠베르크는 전자들의 경로에 대한 지식은 요구하지 않으면서도 원자가 방출하는 빛에 대해서는 정확한 결론들을 내놓는 이론을 개발했다. 그가 보기에 궁극적으로는 사건들이 일어날 가능성과 확률만이 본래적인 불확실성을 동반한 채 존재했다. 이것이 신생 양자 물리학이 포착한 새로운 실재였다. 기이하게도 전자는 아무도 지켜보지 않을 때에는 두 경로를 한꺼번에 거치고 누군가 또는 무언가가 지켜볼 때에는 하나의 확정된 경로를 거치는 것처럼 보인다.

전자는 입자도 아니고 파동도 아니다. 또한 입자이면서 파동이다. 전자는 무언가 새로운 것이다. 전자는 양자 상태다.(33, 34 페이지) 저자들은 우리는 양자 이론을 가지고 놀고 시험하면서 양자 이론에 익숙해지는 법을 터득해야 한다고 말한다. 오늘날에는 쿼크들로 이루어진 입자에도 파동 개념이 적용된다. 쿼크들은 양성자와 중성자와 모든 핵물질의 기초 재료이다. 막스 보른은 우리가 전자의 위치를 정확히 모르며 알 수도 없다고 분명하게 말했다.

엄밀한 원인과 결과 대신 확률을 우주에 지배자로 받아들이는 것을 일부 물리학자들이 반역행위로 여긴 이유를 우리는 이해할 수 있다. 물리학자들은 막스 플랑크, 아인슈타인, 슈뢰딩거 등이다. 두 저자들은 자신들의 목표가 원자와 분자가 주인공인 야릇한 미시 세계를 이해하기 위해 개발된 물리학 법칙들을 알기 쉽게 설명하는 것이라 말한다. 잊지 말아야 할 것은 뉴턴적인 언어가 새로운 원자 세계를 기술하는데 실패한 것이 양자 이론이 선택된 원인이라는 점이다.

저자들에 의하면 이론이라는 단어를 여러 의미로 사용하는 것은 과학자들의 흠이고 실제로 이론은 과학적으로 잘 정의된 단어가 전혀 아니다. 결론이란 데이터를 합리적이고 조직적인 방식으로 이해하기 위해 고안된 가설이나 가설적인 생각을 뜻한다.(53 페이지) 살아 남는 이론은 측정 및 관찰과 가장 잘 일치하는 이론이다. 그 이론에 대한 검증은 다양하고 극단적인 조건에서 이루어질수록 더 좋다. 언젠가 그 이론은 최고의 지위에 올라 더 나은 설명이 제시될 때까지 그 지위를 유지한다.

이론은 적어도 현재로서는 과학은 통틀어 가장 성공적인 이론이다. 요컨대 양자 이론은 사실이다. 과학의 역사는 기존 지식을 포용하는 혁명들의 역사이다. 양자 물리학을 이해하는 것은 전혀 새로운 세계에 진입하는 것과 같다. 저자들은 양자 이론의 기괴함은 상당 부분 인간의 조건에서 비롯된다고 생각한다고 말한다.(58 페이지) 갈릴레오와 뉴턴이 제시한 모든 법칙들은 약 300년 동안 정론으로서 지배력을 유지했다. 그 법칙들은 고전 물리학의 아름다움과 합리적 안정성을 대표했다.

고전 물리학의 황금시대의 운동법칙들은 질서정연했고 보편적인 중력 법칙은 사과와 소행성을 공이 지배했으며 전기 이론과 자기 이론의 바탕에 깔린 경이로운 대칭성이 밝혀졌고 빛이 전자기장의 파동이라는 통찰까지 이루어졌다. 1900년부터 조금 이상해지기 시작했다. 두 저자는 왜 장작불이나 토스터의 열선은 붉게 빛날까?라는 질문이 양자 세계로 통하는 문을 열어젖혔다고 설명한다.

플랑크의 면밀한 계산에 따르면 소량의 단파장 복사는 같은 소량의 장파장 복사보다 세기(밝기)가 훨씬 더 강해야 한다. 왜냐하면 파란색 빛이 더 작아서(파장이 더 짧아서) 주어진 공간에 더 많이 집어넣을 수 있기 때문이다. 그래서 플랑크는 맥스웰의 고전적인 빛 이론에서는 모든 뜨거운 물체가 온도와 상관없이 항상 희푸르게 빛나야 한다는 결론에 도달했다. 그러나 실험에서 관찰한 낮은 온도의 흑체 복사 곡선에는 파란색 빛보다 빨간색 빛이 훨씬 더 많았다. 아니 파란색 빛은 없다시피 했다.

플랑크는 두 가지 점에서 고전이론과 극적으로 결별했다. 첫 번째 결별은 복사의 세기(에너지 보유량)와 진동수를 연결한 것이고 두 번째 결별은 덩어리 즉 양자를 도입한 것이다. 맥스웰 이론에서 빛의 세기는 연속적으로 변하며 전자기 파동의 진폭에만 의존한다. 플랑크의 이론에서 특정 진동수의 빛의 세기는 양자의 개수이고 양자 각각이 보유한 에너지는 진동수에 비례한다. 고전 물리학의 토대가 허물어지는 소리가 은은하게 들리기 시작했을 때 광전 효과라는 쓰나미가 갈릴레오와 뉴턴과 맥스웰의 자식이라 할 만한 고전 물리학을 덮쳤다. 광전 효과는 휴대전화로 사진을 찍을 때에도 광전지 형태로 이용된다.

광전 효과의 기본 원리는 빛이 들어가면 전기가 나온다로 요약할 수 있다. 광전 효과는 빛이 입자이기도 하다는 점을 보여준다. 전자 방출 여부는 빛의 밝기가 아니라 빛의 색깔에 좌우된다. 빛의 진동수가 어느 한계 아래이면 전자가 방출되지 않는다. 밝기는 빛의 양(에너지 세기)에 의해 결정되고 빛의 색은 파장에 의해 결정된다. 플랑크의 자외선 파탄 해결과 아인슈타인의 양자 효과 설명으로는 부족하다는 듯이 고전 물리학은 20세기 초에 세 번째 충격을 받았다. 우리는 그 충격을 건포도 푸딩 모형의 실패라고 부르려 한다.

원자는 전체적으로 말랑말랑한 건포도 같다고 생각했으나 중심에 단단한 핵이 있다는 사실이 밝혀지며 새 모형이 생긴 것을 이르는 말이다. 이 일로 톰슨의 모형은 러더퍼드의 모형으로 대체되었다. 보어와 러더퍼드가 없었다면 미국 원자력위원회를 상징하는 원자 도안은 만들어질 수 없었을 것이다. 러더퍼드는 원자핵을 발견했고, 보어는 전자는 핵 주위의 정해진 특정 궤도만을 안정적으로 공전한다는 해결책을 제시했다. 고전 물리학의 법칙들에 따르면 전자가 원자핵 주위의 궤도를 도는 것은 불가능하다.

궤도 운동을 하는 전자는 가속해야 한다. 일반적으로 모든 원 운동은 속도의 방향이 끊임없이 바뀌는 운동이므로 가속도 운동이다. 그리고 맥스웰의 전자기 이론에 따르면 가속하는 전하는 전자기 복사 곧 빛의 형태로 에너지를 방출해야 한다. 따라서 구체적으로 계산해보면 궤도 운동을 하는 전자는 모든 에너지를 순식간에 방출하고 마치 날개를 다친 새처럼 나선을 그리면서 떨어져 핵에 부딪힌다는 결론이 나온다. 예컨대 전자들의 궤도와 원자 자체가 붕괴할 것이며 그렇게 붕괴한 원자는 화학적으로 생명도 효용도 없는 존재일 것이다.

이처럼 고전이론에 입각하면 전자의 에너지, 원자, 원자핵에 관한 모든 이야기가 터무니없게 들리므로 새로운 이론 즉 양자 이론을 발명할 필요가 있었다. 보어는 가장 작은 전자 궤도가 존재한다는 사실을 즉시 깨달았다. 그 궤도는 모든 가능한 궤도들 가운데 세대에 가장 가까이 있으며 둘레가 가장 짧다. 그 궤도에 진입한 전자는 더 이상 핵을 향해 떨어지지 않는다. 이 최소 궤도를 일컬어 바닥 상태라 한다. 바닥 상태란 최저에너지 상태이다. 전자가 바닥 상태에 이르면 더 낮은 상태로 옮겨갈 수 없기에 원자는 안정된다. 바닥 상태는 모든 양자 시스템이 지닌 특징이다. 진공은 온 우주의 바닥 상태다.

물은 육안으로는 연속적이지만 미시적으로는 불연속적이다. 우리는 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 보어, 보른 등을 거쳐서 지금 어디에 도착했을까? 우리는 확률 파동을 알고 불확정성관계를 안다. 불확정성관계는 입자 관점을 유지하는 방법이다. 때로는 파동, 때로는 입자라는 말로 대변되는 위기는 해소되었다. 전자와 광자는 입자이다. 이들의 행동을 기술하려면 파동 함수를 언급해야 한다. 파동 함수들은 간섭할 수 있고 입자들은 확률 파동 함수에 맞게 나타날 자리에서 고분고분 나타난다. 그들이 어떻게 거기까지 가느냐는 허용되지 않는 질문이다. 이것이 코펜하겐 해석이다.

코펜하겐 해석의 성취는 확률과 양자적인 기괴함을 받아들이는 대가(代價)다. 아인슈타인, 슈뢰딩거, 드브로이, 플랑크 등은 자연이 원자 규모의 대상들을 가지고 주사위 놀이를 한다는 생각을 끝내 받아들이지 않았다. 아인슈타인은 양자 이론이 미봉책에 불과하며 결국 결정론적이고 인과적인 이론에 의해 대체될 것이라는 믿음을 고수했다. 그는 불확정성관계를 우회할 수 있음을 보여주기 위해 오랫동안 여러 시도를 했다. 그러나 보어는 그 시도들을 하나씩 차례로 즐겁게 반박했다.

그러므로 우리는 아직 가시지 않은 실존적 불안과 성취감이 뒤섞인 묘한 감정으로 이 장을 마무리한다. 1920년대가 끝날 즈음 양자역학은 이미 성숙해 있었다. 그러나 새로운 성취들과 개량들로 인해 양자역학은 1940년대까지도 뜨거운 논쟁거리로 남게 되었다. 양자 이론은 물리학의 울타리를 넘어 과학 전체에도 근본적인 영향을 미쳤다. 생물학, 생화학뿐 아니라 천체물리학, 핵과학, 암호학, 재료과학, 전자공학 등도 양자 혁명이 없었다면 지금처럼 발전하지 못했을 것이다. 양자 물리학이 없었다면 정보기술은 종이 서류 보관용 장을 설계하는 기술 정도에 머물렀을 것이다.

베르너 이젠베르크의 불확정성원리와 막스 보른의 확률 해석이 없었다면 정보기술이라는 것이 과연 생겨나기나 했을까? 시스템들은 가능한 최저 에너지 상태를 취하려고 한다. 원자의 경우에는 양자 규칙들에 의해 전자가 들어가서 운동할 수 있는 궤도 함수들이 규정되고 각 궤도 함수는 고유한 에너지를 갖는다. 원자를 이해하기 위한 마지막 주요 발걸음은 궤도 함수 각각에 오직 전자 2개만 들어갈 여유가 있다는 또 하나의 놀라운 깨달음이다. 파울리의 배타 원리에 따르면 원자 내부에서 두 전자가 동시에 동일한 양자 상태를 취할 수 없다.

두 전자가 동시에 동일한 양자 상태를 취할 수 없다는 말은 위치, 모양, 에너지, 회전 방향 등이 100% 같을 수는 없다는 말이다. 아무리 가까이 있어도 회전 방향(스핀)만은 달라야 한다. 이 법칙 때문에 전자들이 한곳에 다 뭉쳐버리지 않고 차곡차곡 쌓여서 다양한 원소들을 만들고 지금의 물질세계를 있게 한 것이다. 우리가 벽을 통과하지 못하는 것도 파울리의 배타 원리에 의한 결과다. 같은 자리를 공유할 수 없는 전자들이 강하게 반발하기 때문이다. 이 원리가 없었다면 세상의 모든 물질은 형태를 유지하지 못하고 바닥으로 푹 꺼져버렸을 것이다. 파울리의 배타 원리가 만든 이 거대한 힘을 물리학에서는 전자 축퇴압이라고 한다. 축퇴압은 빈 자리가 하나도 없이 꽉 찬 것을 의미한다.

파울리의 배타 원리는 그의 최대 업적 중 하나였다. 그 원리는 원소 주기율표가 왜 그런 모습인지 설명함으로써 우리에게 화학을 선사했다. 파울리의 배타 원리는 주어진 원자 내부에서두 전자가 정확히 똑같은 양자 상태에 있을 수 없다는 간단한 명제다. 두 전자가 정확히 똑같은 상태에 있는 것은 금지된다. 이 간단한 규칙 덕분에 우리는 원소 주기율표에 등재된 원자들의 구조와 화학적 성질을 이해할 수 있다. 원자들의 구조는 파울리 제시한 두 가지 규칙에 따라 결정된다. 1) 전자들의 양자 상태는 다 달라야 한다. 2) 배열은 에너지가 최대한 낮아지도록 이루어져야 한다.

두 번째 규칙은 왜 중력이 작용하면 물체들이 떨어지는지도 설명해준다. 스핀이 있고 그 하위 범주에 전자 스핀이 있다. 물리학이나 화학에서 흔히 스핀이라고 하는 것은 전자스핀을 지칭하는 것이다. 파울리의 배타 원리는 하나의 양자 상태에는 스핀이 서로 다른 페르미온 입자가 최대 두 개까지 들어갈 수 있다는 원리다. 수소는 헬륨과 달리 채워지지 않은 껍질을 가졌다. 수소가 채워지지 않은 껍질을 가졌기에 결합하려는 욕구를 갖는 것이고 역시 채워지지 않은 껍질을 가진 산소와 결합해 물이 된 것이다.

수소의 경우 첫 번째 전자 껍질은 방이 하나여서 전자 두 개가 차야 안정적인데 전자 하나 밖에 차지 않아 하나가 부족한 상태다. 산소는 두 번째 전자 껍질이 방이 4개여서 전자 8개가 차야 안정적인데 6개여서 두 개가 부족한 상태다. 산소 혼자서는 수소 한 개만 만나면 여전히 전자 한 개가 만족하지 못한다. 결국 산소의 갈증을 해소하려면 전자 한 개를 보태줄 수 있는 수소 두 개가 필요하다. 원자마다 전자가 들어가는 전자 껍질의 위치와 크기가 다르다. 수소 두 개와 산소 하나가 만나 이루는 구조의 각도는 104.5°다.

전자는 모두 마이너스 전하를 띠고 있어서 서로 강하게 밀어낸다. 특히 결합에 참여하지 않은 전자쌍들이 수소를 아래로 강하게 밀어낸다. 이 때문에 일직선이 되지 못하고 104.5°로 구부정한 상태가 된다. 산소는 수소보다 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는 힘(전기음성도)이 훨씬 강하다. 분자가 일직선이라면 양쪽에서 잡아당겨 힘이 상쇄 되지만 104.5°로 꺾여 있다 보니 전자가 산소 쪽으로 치우치게 된다. 전자를 빼앗기다시피 한 수소는 플러스, 전자를 독차지한 산소는 마이너스를 띠는 극성분자가 된다. 물 분자 하나하나가 미세한 자석처럼 작용한다.

물 분자가 자석이 되었기 때문에 분자들끼리는 서로 끈끈하게 달라붙는 수소결합을 한다. 물이 얼음이 될 때 104.5°의 각도를 유지한 채 서로를 밀어내며 육각형 모양의 빈 공간이 많은 규칙적인 구조를 만든다. 그래서 얼면 부피가 늘어나고 밀도가 낮아져 물 위에 뜬다. 실제로 척력이 작용해 밀어낸다기보다 결합하려면 딱 이 각도와 거리 유지를 필요로 하는 것이다. 두 전자가 정확히 동일한 양자 상태에 있는 것에 대한 엄격한 금지는 궁극적으로 임의의 두 전자가 서로에게 너무 바투 접근하는 것에 대한 금지로 이어진다.

전자가 공간에서 360도 회전하면 그 양자역학적 상태를 나타내는 파동함수(Wavefunction)의 부호가 반대로 바뀐다. 원래 상태로 완전히 되돌아가려면 360도가 아니라 총 720도를 회전해야 한다. 우리가 관측하는 물리량(물체를 발견할 확률 등)은 파동함수의 절대값 제곱으로 결정된다. 부호가 +이든 -이든 제곱을 하면 동일한 값이 되기 때문에, 전자 하나만 고립되어 있을 때는 360도 회전으로 인한 부호 변화를 직접 감지할 수 없다. 하지만 두 개 이상의 양자 상태를 겹쳐놓는 간섭계 실험을 통하면 회전한 전자와 회전하지 않은 전자 사이의 부호 차이(위상차)가 간섭 무늬의 변화로 나타나므로 이 현상을 실제로 증명할 수 있다.

아인슈타인을 비롯한 일부 과학자들은 확률 해석과 불확정성관계를 싫어했고 특히 전자가 전자총에서 나와 영사막에 도달할 때까지 잘 정의된 경로를 거친다는 주장을 원리적으로도 할 수 없다는 생각을 싫어했다. 그들이 보기에 전자가 마치 정신 분열병 환자처럼 분열하여 서로 독립적인 두 경로 모두를 어떤 혼란스러운 혼합의 방식으로 거친다는 것은 말이 되지 않았다. 양자역학의 성취를 의심하는 사람은 없었다. 그 성취가 너무나 컸기에 일부 물리학자들은 화학과 생물학이 가장 깊은 수준에서는 한갓 물리학 분야들일 뿐이라고 말하기 시작했다. 문제는 확률 해석,

고전적 실재론과의 결별 즉 원자 수준에서도 대상들은 관찰되든 안 되든 상관없이 잘 정의되어 있든 실재 하는 속성들을 지니고 존재한다는 믿음과의 결별이었다. 아인슈타인을 비롯한 물리학자들은 기본적이고 근본적이며 예측 불가능한 무작위성이 세계를 지배한다는 생각의 철학적으로 반감을 느꼈고 뉴턴적인 결정론을 복원할 수 있기를 바랐다. 저자들은 우리는 말 그대로 철학적 수렁에 빠졌다라고 말한다. 세계가 우리의 경험과 얼마나 다른가를 깨달으면 우리의 생각에 미묘한 변화가 일어나기 마련이다.

지난 80년 동안 응용 양자 과학은 더 먼저 고전 시대를 대표하는 뉴턴과 맥스웰의 물리학이 거둔 방대한 성과들을 재현했다. 이제 우리는 확실히 더 깊은 수준에 도달했다. 양자 과학은 고전 물리학을 근사이론으로 포용하면서 모든 과학의 바탕이 되었고 원자, 원자핵, 아원자핵 입자, 쿼크와 렙톤의 행동 뿐 아니라 분자, 고체 구조, 우리 우주의 탄생(양자 우주론), 생명을 정의하는 거대 분자들, 현재 활발히 연구되는 생명공학, 심지어 어쩌면 인간의 의식까지 성공적으로 기술한다. 우리는 이 모든 것을 얻었지만 철학적이고 개념적인 문제들은 여전히 불안과 큰 기대를 뒤섞으며 우리를 괴롭힌다.(295, 296 페이지)

두 저자는 E=mc²은 에너지와 질량이 등가라는 뜻이 아니라 멈추어 있고 질량이 m인 입자는 E=mc²을 만족시키는 에너지 E도 가지고 있다는 의미라고 설명한다.(300 페이지) 아인슈타인이 특수 상대성 이론에서 유도한 공식의 진짜 이름은 정지 에너지 공식이다. 만약 두 개념이 완전히 같은 뜻(등가)이라면, 질량이 없는 곳에는 에너지도 없어야 한다. 하지만 빛(광자)은 질량이 0이지만 에너지를 가지고 있다.

두 저자는 진공이 음(陰)의 에너지 전자들로 가득차 있다는 생각은 비록 기괴하지만 세계가 음의 에너지 심연으로 떨어지는 것을 막는 듯 했다고 말한다. 이 기괴한 개념은 현대 물리학, 특히 양자역학에서 매우 중요한 전환점이 된 '디랙의 바다(Dirac Sea)' 이론을 가리킨다. 물리학의 대원칙 중 하나는 모든 입자는 가장 에너지가 낮은 상태(안정된 상태)로 떨어지려고 한다는 것이다. 만약 음의 에너지 상태가 무한히 존재한다면, 우리가 아는 보통의 전자(양의 에너지)들은 순식간에 에너지를 방출하며 끝없이 더 낮은 음의 에너지 상태로 추락해야 한다.

결과적으로 이 세상의 모든 물질은 순식간에 붕괴하여 음의 에너지 심연 속으로 사라져 버려야 하는 끔찍한 모순이 발생하게 된다. 디랙은 이 세계의 파멸을 막기 위해 우리가 '진공'이라고 부르는 공간은 사실 이미 음의 에너지 전자로 빽빽하게 가득 차 있다는 기상천외의 가설을 세웠다.

디랙은 파울리의 배타원리를 적용했다. 양자역학에 따르면 전자들은 같은 상태에 중복해서 들어갈 수 없다. 이미 음의 에너지 자리가 전자로 꽉 차 있기 때문에 양의 에너지를 가진 보통의 전자들이 더 이상 음의 에너지 상태로 떨어지고 싶어도 자리가 없어서 떨어질 수 없게 된다. 이 기괴한 음의 에너지 바다 덕분에 전자가 심연으로 추락하지 않고 우리가 살아가는 물질 세계가 안정되게 유지될 수 있다는 논리였다. 이 이론은 단순한 궤변으로 끝나지 않았다. 디랙은 만약 이 가득 찬 음의 에너지 바다에 강한 에너지를 주면 음의 에너지 전자가 에너지를 흡수해 양의 에너지 상태로 튕겨 나올 수 있다고 생각했다.

이때 전자가 빠져나간 자리는 바다에 구멍('홀', Hole)으로 남게 되는데, 이 구멍은 주변에 비해 전하가 반대인 '양(+)의 전하를 가진 전자처럼 행동'하게 된다. 이것이 바로 전자의 반입자인 양전자(Positron), 즉 반물질(Antimatter)의 개념이다. 얼마 지나지 않은 1932년 칼 앤더슨이 실제로 우주선(Cosmic Rays)에서 양전자를 발견하면서 이 기괴한 상상은 역사상 가장 위대한 물리학적 예측 중 하나로 증명되었다. 당시에는 참으로 기괴하고 기묘한 임시방편처럼 보였던 아이디어가 역설적으로 우리 우주의 안정성을 설명하고 반물질이라는 신세계를 열어준 열쇠였던 셈이다.

양자이론과 특수상대성 이론이 모두 옳다면 양전자는 존재해야 한다. 특수상대성 이론에 따르면 에너지는 질량과 속도에 의해 결정되는데, 이를 수학적으로 풀면 제곱근 형태가 나타난다. 방정식을 풀면 수학적으로 양(+)의 에너지뿐만 아니라 음(-)의 에너지라는 두 개의 해가 물리적으로 모두 가능해진다.

두 저자는 입자물리학자들은 거대한 디랙 바다에서 낚시를 하는 어부라고 말한다.(315 페이지) 반물질의 존재는 보손(힘을 전달하는 중개자), 페르미온(형태를 만드는 물질의 기초) 모두에 적용되는 현상이라 말한다. 디랙 바다는 직관적으로 떠올리기가 매우 용이하고 페르미온을 이해하는 데 큰 도움이 되지만 리처드 파인만은 디랙 바다를 고찰하는 또 다른 방식을 개발했다.

본문의 9장은 중력과 양자이론; 끈이란 챕터다. 카를로 로벨리의 [시간은 흐르지 않는다]를 통해 어느 정도 이해가 된 개념이다. 레너드 서스킨드 등은 우리가 관찰하는 우주가 엄청나게 거대한 초우주의 미세하고 보잘것없는 한 부분이라는 흥미로운 생각을 제기했다. 이 어마어마한 초우주 또는 메가우주를 일컬어 풍경이라고 한다. 우리는 존재한다. 따라서 우리는 풍경 가운데 거주 가능한 구역이 있는 것이 분명하다.(369 페이지)

양자 마법에서 과거엔 꿈도 꾸지 못한 기술 장치들(레이저부터 훑기 꿰뚫기 현미경)까지 나왔다. 그러나 양자 과학을 창조하고 교과서를 쓰고 기적적인 발명을 해낸 소수의 지적 거장들은 여전히 밤잠을 못 이루며 고민한다. 아인슈타인이 여러 논문에서 지적한 대로 온갖 화려한 성취에도 불구하고 양자 과학은 불완전할지도 모른다는 의심이 그들을 괴롭히기 때문이다. 어떻게 확률이 자연의 근본 원리 중 하나일 수 있을까? 무언가가 배제되었거나 빠졌을지도 모른다.

실제로 중력은 오랫동안 양자 과학에서 배제된 것의 실례였다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하는 일관된 이론을 향한 꿈은 일부 과감한 이론가들을 근본적인 수준의 연구로 이끌었고 그들은 오로지 추상적인 수학에만 의지하여 끈이론을 만들어냈다. 하지만 무언가 더 깊은 것이 있지 않을까? 혹시 양자 이론의 논리 구조에 모자란 부분이 있는 것은 아닐까? 그림 맞추기 퍼즐을 완성하려다가 실패를 되풀이한 아이처럼 우리는 묻는다. 혹시 핵심적인 조각 하나가 퍼즐 상자 밖으로 달아난 것이 아닐까?(372, 373 페이지)

두 저자는 물리학자들은 양자 이론이 어떤 식으로 유효한지를 훌륭하게 밝혀냈으나 양자 이론이 왜 그런 식으로 유효한가? 라는 질문 앞에서 물리학자들은 불러주는 대로 받아 적는 서기나 조립라인의 노동자에 불과하다고 말한다.(381 페이지) 두 저자는 여전히 수많은 철학적 질문이 남아 있다고 말한다. 어떻게 빛은 파동이면서 또한 입자일 수 있을까? 세계는 하나뿐일까? 아니면 여럿일까? 뚫을 수 없는 암호가 존재할까? 궁극적 실재란 무엇일까? 물리학 법칙 자체가 주사위 던지기에 의해 결정될까? 혹시 이런 질문들은 공허할까? 다만 ‘양자 물리학에 익숙해질 필요가 있다‘가 정답일까? 또 이렇게 묻고 싶은 독자도 있을 것이다. 과학의 다음 번 도약은 언제 어디에서 일어날까?

두 저자들은 이 책을 읽는 일이 보람 있었고 이제 여러분과 우리 물리학자들이 세계의 원대 함과 심오한 신비에 대한 감각을 공유하게 되었기를 바란다고 말한다. 그러므로 우리 저자들은 이 책에 여러분이 나와서 유명해 출발점에 불과하기를 여러분이 우리의 양자 우주를 구성하는 경이로운 형상들과 겉보기 역설들을 계속 탐구하기를 바란다고 말한다.

[우리는 서로를 통해 존재한다]로부터, [우리는 서로를 통해 존재한다] 이후에는

루프 중력이론으로 유명한 이탈리아의 이론 물리학자 카를로 로벨리의 최신작인 [우리는 서로를 통해 존재한다]를 완독하고 13, 000자의 서평을 썼다. 서평이라기보다 요약하고 내 생각을 덧붙여 내 관점에 따라 정리한 글이다. [우리는 서로를 통해 존재한다]가 내가 읽은 카를로 로벨리의 6번째 책이다. 이 책을 통해 과학, 물리학, 철학은 물론 칸트, 스피노자, 아리스토텔레스 등 개별 철학자들에 대해서도 새로운 사실을 알았다.

이제 [나 없이는 존재하지 않는 세상]을 주문할 것이다. [나 없이는 존재하지 않는 세상], [무엇도 홀로 존재하지 않는다], [화이트홀], [만약 시간이 존재하지 않는다면]을 읽어야겠지만 [우리는 서로를 통해 존재한다]가 로벨리의 최고의 책이 아닌가 싶다.

카를로 로벨리는 흥미롭게도 관계는 신학(神學)에서도 중심적 역할을 할 수 있다고 본다. 기독교에서 하나님은 한 분이시면서 성부, 성자, 성령이라는, 고립적이지 않은 세 위격(位格)으로 존재한다. 성부는 성자와 성령의 근원이고, 성자와 성령은 하나의 신적 본질을 공유하며 서로 안에 거하는 관계라는 것이다.

카를로 로벨리는 수학이나 예술처럼 우리는 과거의 축적된 유산을 바탕으로 살아간다고 말한다. 유클리드, 알콰리즈미(페르시아의 수학자), 브라마굽타(인도의 수학자이자 천문학자), 진구소(秦九韶; 친지샤오; 중국 남송 시대의 대표적인 수학자이자 기상학자, 정치가), 가우스 뿐 아니라 사포(고대 그리스의 시인), 무라카미 시키부(일본 헤이안 시대의 궁녀, 소설가, 시인), 제니스 조플린(미국의 록 가수)의 유산 위에 살고 있다는 것이다.

나에게 가장 흥미로운 인물은 제니스 조플린이다. 록 음악, 특히 로벨리와 같은 국적의 이탈리아 프로그레시브 록을 오랜만에 듣고 싶다.

양자역학과 철학에 기반한 카를로 로벨리의 과정, 주체, 세계를 통괄하는 만물 평등론

우리는 서로를 통해 존재한다 - 만물의 평등에 관하여
카를로 로벨리 지음, 김현주 옮김 / 쌤앤파커스 / 2026년 9월

이탈리아 출신의 세계적인 이론 물리학자 카를로 로벨리는 인간을 구체적인 존재, 물리적 세계의 일부, 생각과 욕망, 계획과 감정, 그리고 꿈으로 직조되어 있는 존재, 창조하고 해석하는 존재로 본다. 2026년에 나온 그의 최신작인 [우리는 서로를 통해 존재한다]는 '만물의 평등에 관하여'라는 부제를 가진 책이다. 이 책은 출간 2년 전에 진행한 미국 프린스턴 대학교에서의 특별 강연을 주요 소스로 해서 만든 책이다. 구체적으로는 양자 현상 및 양자 물리학을 주요하게 다룬 책이다. 저자에 의하면 양자 현상의 발견은 현대 과학에서 가장 놀라운 혁신이다. 실험실에서 관찰된 다양한 현상이 물질에 관한 우리의 사고방식을 완전히 바꿔놓았다. 양자 물리학은 아주 작은 영역부터 거대한 영역까지 세상의 사실들을 놀라울 만큼 효과적으로 입증하고 있다.

양자 물리학은 오랫동안 세상이 다른 모든 것과 독립적으로 항상 고유한 속성을 지닌 사물들로 구성되어 있다는 우리의 세계관 전체를 지탱해온 유서 깊은 사고의 틀을 버리도록 요구한다. 양자 물리학의 세 가지 특징은 기이한 맥락성, 확률성, 물리적 변수의 입자성(불연속성)이다. 일반적으로 이러한 변수들은 특정한 값(양자화된 값)만 취할 수 있고 다른 값은 취할 수 없다. 입자성이란 우리가 어떤 시스템에 대해 얻을 수 있는 정보의 양이 유한하다는 것을 표현하는 개념이다.(70 페이지) 확률성은 어떤 시스템의 미래를 예측하는 데 도움이 되는 정보가 최대치에 도달해도 그에 관해 새로운 유용한 정보를 항상 더 얻을 수 있음을 표현하는 개념이다.

확신을 의심할 수 있을 때 새로운 것을 배울 수 있는 가능성이 열린다. 이것이 우리 시대의 과학의 핵심 메시지다. 과학 문제의 어려움은 새로운 아이디어를 찾는 것보다 당연해 보였던 생각에서 벗어나는 데 있는 경우가 많다. 과학은 확실하게 안다고 생각했던 것들이 사실은 틀렸음을 발견하는 과정이기도 하다. 저자는 현실 그 자체, 궁극적 존재론, 최선의 체계, 진리 같은 말들을 세계에 관한 확실한 진실로 받아들이는 일이 별로 흥미롭지 않다고 말하며 이러한 말들은 심리적, 문화적 고뇌의 투영 즉 과도하게 발달한 뇌를 가진 포유류인 우리 인간의 두려움에서 비롯된 추론에 불과하다고 생각한다고 덧붙인다.

필요한 것은 확률의 관점에서 생각하는 것이다. 입자성과 확률성, 이 두 가지 원리는 맥락성과 함께 양자 물리학의 내용을 파악할 수 있게 해준다. 강의의 핵심 가운데 하나는 현실의 양자적 구조에는 모든 것을 바깥에서 객관적으로 판단할 수 있는 고정된 기준점이 없다는 것이다. 저자에 의하면 지식이 이루어지는 방식도 이와 똑같은 구조를 지닌다. 저자는 형이상학이든 인식론이든 근본 물리학이든 자신이 흥미롭게 여기는 것은 토대를 세우는 것보다 현재 우리의 지식 수준을 고려해 세상에 관해 사고하는데 가장 적합한 개념적 틀이 무엇인지에 관한 질문이라고 말한다.

저자에 의하면 우리는 모든 관점에서 벗어나 있지 않다. 우리는 항상 어떤 관점 안에 있다. 관점들은 서로 소통한다. 일단 우리는 관점의 순환에서 벗어날 수 없다. 우리의 지식은 현실에 대한 하나의 관점을 담고 있다. 현실은 관점들의 반영이며 우리의 지식은 그 일부다. 오늘날 우리가 알 수 있는 현실, 최대한 이해할 수 있는 현실은 바로 이 경이로운 거울 놀이 같은 관점들의 상호 반사(反射)다. 세상은 사건과 과정들로 이루어져 있으며 끊임없이 변화한다. 바로 이 변화가 세상의 존재 방식이다. 사건은 시간 속에서 특정한 위치를 가지는 어떤 것이다.

우리는 세상의 여러 과정을 시간이라는 순서로 배열해 조직한다. 계절의 변화, 낮과 밤의 교대, 시계의 뚝딱거림, 생각의 연속 등을 우리는 시간의 흐름이라고 부른다. 시간의 흐름은 사건들의 연속이다. 저자는 가장 흔한 오류는 우리가 시간이라고 말할 때 그것이 무엇인지를 온전히 포착하는 단 하나의 실체, 단 하나의 구조, 단 하나의 개념이 있다고 생각하는 것이라고 말한다. 시간의 본질 같은 것은 없다. 공통된 시간이란 존재하지 않는다. 서로 다른 고도에서 시간을 보내거나 서로 다른 속도로 이동하는 두 친구는 헤어지고 다시 만나기까지 경과된 시간을 다르게 느낀다. 시간의 흐름은 전 우주에 공통적으로 적용되는 현상이 아니다.

시간은 장소 또는 궤적에 따라 다르게 흐른다. 공통된 현재라는 것은 존재하지 않는다. 현재는 국소적 개념이다. ‘지금, 여기’의 의미를 지니고 있다. 여기 없이 지금이라는 단독의 단어만으로는 의미가 없다. 멀리 떨어진 별에서 지금 무슨 일이 일어나고 있는지 묻는 것은 무의미한 질문이다. 멀리 떨어진 별에는 우리가 망원경으로 관측했을지도 모르는 과거의 사건들, 누군가가 망원경으로 지금 우리를 관측했을지도 모르는 미래의 사건들, 그리고 그 둘 사이에는 우리의 과거도 미래도 아닌 중간 시간대가 존재하며 별이 멀어질수록 그 시간대는 더욱 길어진다.

우리들 기준으로 보면 그것은 확장된 현재다. 우주에서 일어나는 사건들은 과거와 미래에 일어난 사건의 총체로 그들을 현재의 순간과 구분해 생각한다면 현대 물리학은 이해하지 못한 것이다. 우주의 현재는 존재하지 않는다. 저자에 의하면 시간은 사건들의 연속이다. 우리의 생각이 흐르는 것도 사건이다. 저자의 관점에서 양자 중첩이란 사물 자체가 가진 절대적인 상태가 아니라 사물과의 관계 속에서만 정의되는 상대적인 정보의 상태를 말한다. 저자는 아리스토텔레스가 어떤 물체의 위치를 그 물체를 둘러싸고 있는 물체들 집합의 안쪽 경계라고 정의한 것을 인용하며 공간을 구성하는 가장 기본적인 관계가 바로 인접성이라고 정의한다.

이런 의미에서 공간은 사물이나 사건 사이의 관계다. 이런 공간 개념에는 거리 개념이 포함되지 않는다. 두 손 사이에 아무것도 없다고 하면 전혀 아무것도 없다는 의미이므로 두 손은 닿아 있는 것이다. 우리는 학교에서 공간은 관계가 아니라 그 자체로 존재하는 실체이며 거리를 통해 정의되고 비어 있을 수도 있다고 배운다. 사물이나 사건이 없어도 존재하는 물리적 공간이라는 실체가 가능하다고 상상한 뉴턴은 특유의 겸손하지 않은 태도로 아리스토텔레스, 데카르트, 그리고 일반적 상식에서의 공간을 평범한 공간이라 부르고 자신이 창안한 공간을 진정한 공간이라고 불렀다.

중력장은 질량의 영향을 받으며 질량이 어떻게 움직이는지를 결정한다. 중력장이 출렁이면서 퍼져나가는 파동이 중력파다. 이것은 전자기장이 진동하며 퍼져나가는 전자기파와 비슷하다.(101 페이지) 저자가 설명하는 공간은 사물들이 서로 어디에 놓여 있는지를 이루는 구조이며 사물들 사이의 인적 관계에 의해 정해진다. 공간이란 사물들 사이의 인적 관계이며 우리는 이 관계를 이용해 사물과 사건의 위치를 파악한다. 절대 운동은 존재하지 않고 상대 운동만 존재한다. 다른 사물들과의 관계를 고려하지 않고 어떤 사물이 어디에 있는지 묻는 것은 의미가 없다. 절대적 장소는 없다. 오직 상대적 장소만 있을 뿐이다.

저자는 공간의 구조가 어디에서나 똑같은 고정된 유클리트 기하학을 따르고 사물과 무관하게 독립적으로 존재하는 뉴턴의 공간이 현실을 이해하는 데 반드시 필요하다는 착각이 생겼다는 사실을 지적한다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 현실을 확장된 실체인 장(場)들의 집합으로 묘사한다. 이 장들은 공간에 자리하지 않고 외부 시간 속에서 진화하지도 않는다. 데카르트의 연장(延長) 실체처럼 장들 자체가 공간적 확장을 규정하고 장들의 진화가 시간이다. 저자는 양자 물리학의 관계 구조와 시공간의 관계 구조가 일치한다고 말한다.

양자 물리학의 개념적 틀은 시스템 사유의 상호작용에 관한 것이다. 저자는 양자 물리학과 일반 상대성 이론 사이에 모순이나 긴장이 존재한다는 흔한 주장과 달리 두 이론은 연인처럼 서로를 감싸안는다고 말한다.(109 페이지) 저자에 의하면 두 이론은 자연스럽게 융합되는 관계적 핵심을 공유한다. 두 이론 모두 과정들 사이의 상호작용 네트워크를 다룬다.(123, 124 페이지) 저자가 이렇게 말하는 이유는 두 이론이 서로 부정하는 것이 아니라 상대성 이론이 깔아준 역동적 시공간이란 무대 위에 양자 물리학의 관계적 속성이 올라타면서 비로소 우주의 진짜 모습이 완성된다고 보기 때문이다.

우주의 진짜 모습이란 시공간이 없는 루프의 그물망을 말한다. 저자에 의하면 전체 현실에 영향을 미치는 외부 실체는 존재하지 않는다. 저자가 말하는 우주란 물질들이 시간의 흐름에 따라 공간을 이동하는 곳이 아니다. 시공간마저 모두 녹아내린 자리에서 많은 미시적 루프들이 쉼없이 얽히고 설키며 관계를 맺고 있는 역동적 그물망 자체가 우주의 진짜 얼굴이다. 사회 역학은 시스템들이 다른 시스템들에 대해 어떻게 나타나는지를 설명한다. 이러한 관계들은 시공간 안에 존재하는 것이 아니라 그 자체가 시공간적 관계를 정의한다.(110 페이지) 저자는 양자는 사물이 아니라고 말한다. 양자는 고정된 속성을 가진 사물이 아니라 대상들이 상호작용할 때만 나타나는 사건이자 관계다.

시간과 관련된 모든 현상은 소산적(消散的)이다. 에너지가 흩어져 되돌릴 수 없는 방향으로 진행된다는 뜻이다. 소산작용이 있을 때 엔트로피가 증가하고 엔트로피 기울기 즉 차이가 존재한다. 거시적 변수들에서 미시적 변수들로 넘어갈 때 소산이 일어난다. 이때 이 에너지는 거시적 변수들보다는 더 이상 포착되지 않는다. 저자는 자연을 더 잘 이해하려면 자연을 우리의 기존 개념에 맞추어서는 안 되고 오히려 우리의 개념을 분석하고 수정해야 한다고 말한다. 생각은 생물권의 일부인 우리의 뇌에서 일어나는 과정이다. 이 과정은 소산적이며 비가역적이다.

앞으로 나아가는 것은 시간이 아니라 우리의 생각이다. 과거의 미래 사이의 차이는 통계적인 것이다. 열역학 제2 법칙은 보편적이지만 정확한 것은 아니다. 통계적이란 개별 입자의 움직임 수준에서는 과거와 미래의 구분이 없지만 수많은 입자가 모인 거시적인 세계에서는 확률적으로 한쪽 방향 즉 미래로만 현상이 일어난다는 의미다. 저자는 세상의 기본 물리 방정식을 알면 세상의 모든 것을 알 수 있다는 말이 헛소리라고 생각한다고 말한다. 산에 있는 모든 돌을 물리 방정식으로 설명하려면 그 방정식들의 수많은 해(解)를 알아야 할 것이다. 하지만 그 해들을 다 알아내도 별 도움이 되지는 않을 것이다.

우리 앞에 놓인 어떤 대상에 관해 유용한 것을 알기 위해서는 우리가 관심을 가지는 구체적 상황의 측면들을 포착하는 데 적합한 개념 구조를 이해해야 한다. 다양한 관점들이 존재하는 것은 과학이 분열되어 있음을 보여주는 것이 아니다. 일부에서 주장하듯 과학의 불통일성을 드러내는 것도 아니다. 오히려 이러한 다양성은 과학의 풍요로움을 보여준다. 서로 다른 관점들이 일관되게 연결된다는 사실은 과학의 통일성을 보여준다.

물리학이 근본적인 이유는 우리가 관찰하는 모든 현상이 물리적 현상이기 때문이다. 우리 몸에서 일어나는 물리적 과정이 완전히 똑같아도 우리는 서로 다른 감정을 느끼거나 다른 생각을 할 수 있다. 저자는 복잡한 현상은 단순한 구성 요소에서 생겨나지만 그 구성요소로는 원리적으로 절대 설명할 수 없다는 입장에 집착하는 것은 정신 질환이라 말한다.(171 페이지) 저자는 모든 사물이 평등하다는 증거는 엄청나게 많다고 말한다. 부제가 ‘만물의 평등에 관하여‘인 것이 이해된다.

불과 몇십년 전까지도 생명체가 물리학의 범주를 벗어난 불가사의한 생물학적 법칙을 따른다고 생각하는 생물학자가 많았다. 오늘날 생화학은 모든 생물학자에게 그것이 사실이 아니라는 확신을 주었다. 양자 물리학은 화학의 기본 원리가 물리적 관점에서 이해될 수 있음을 보여주며 그 장벽을 허물었다. 저자는 물리학은 그 자체로 하나의 노래라고 말한다. 그 노래를 통해 우리는 세상에 말을 걸고, 세상도 우리에게 말을 건다. 우리가 세상을 향해 부르는 다양한 노래들은 서로 공명하고 반영하며 서로에게 말을 건다.

저자는 상대적이란 말과 자의적이라는 말을 혼동하지 말 것을 주문한다. 가령 달의 속도는 지구에 대한 상대적 속도로 정의되지만 그것이 달의 속도가 자의적이어서 달이 원하는 속도로 움직일 수 있다는 의미는 아니다. 마찬가지로 도덕적 판단은 판단하는 사람의 성향에 따라 달라지지만 그것이 그 판단이 자의적이라는 의미는 아니다. 우리는 우리의 도덕에 위반되는 행동을 하는 사람을 도덕적으로 비난하는 것이지 그 자신의 윤리를 어긴 자를 비난하지는 않는다.

모든 지식이 누군가의 지식이라는 사실이 지식을 자의적인 것으로 만들지는 않으며 다른 사람 또는 나 자신이 틀렸다고 생각하는 것을 막지도 않는다. 과학을 한다는 것은 최종적 진리를 갈망하는 것을 의미하지는 않는다. 단지 세상을 더 잘 이해하려는 것을 의미한다. 우리는 더 빨리 달리기 위해 훈련하지 빛의 속도에 도달하기 위해 훈련하지는 않는다. 도덕적 판단이 중요한 것은 도덕이 우리와 무관하게 독립적으로 존재하기 때문이 아니라 그것이 우리가 누구인지에 뿌리내리고 있기 때문이다. 저자는 도덕성 붕괴보다 핵전쟁이 문명을 무너뜨릴 가능성이 더 높다며 절대적 진리의 소멸이 문명을 붕괴시킬 것이라 생각하지 않는다고 말한다.

도덕성은 우리 존재의 복잡성을 구성하는 실질적 요소다. 그리고 그것은 생물학적, 문화적, 사회적 뿌리를 가지고 있어 우리가 숙고하는 모든 과정의 복잡성과 분리하기 어렵다. 모든 것은 관계 속에서 평등하게 존재하며 그들은 저마다 고유한 방식으로 이해될 수 있다. 저자는 흥미롭게도 관계는 신학에서도 중심적 역할을 할 수 있다고 본다. 기독교에서 하나님은 한 분이시면서 성부, 성자, 성령이라는, 고립적이지 않은 세 위격(位格)으로 존재한다. 성부는 성자와 성령의 근원이고, 성자와 성령은 하나의 신적 본질을 공유하며 서로 안에 거하는 관계다.(201, 202 페이지)

저자는 물리학이 먼저 명확하게 정의된 실체적 바탕을 제공하고 그 위에 관계를 구축할 수 있으리라는 생각은 순진한 유물론과 결부된 헛된 희망이라고 말한다. 세상은 사물(실체)이 아니라 관계와 사건으로 이루어져 있다는 관계주의적 세계관을 가진 로벨리에 의하면 상호작용하는 관계 속에서만 그 대상의 속성이 정의되고 존재하게 된다. 고정된 물질적 실체가 먼저 있고 그 위에 관계가 쌓인다는 생각은 고전적이고 단순한 물질 만능주의(순진한 유물론)가 만들어낸 착각이자 현대 양자물리학의 본질과 마주하지 않으려는 헛된 희망에 불과하다는 것이 그의 핵심 지적이다.(202 페이지)

전자(電子)에 관한 모든 설명은 전자가 세계와 상호작용하는 하나의 방식이라고 말하는 저자는 세상에 관한 물리적 기술은 언제나 부분적이고 관점에 따른 것이라 설명한다. 세상의 상태에 관한 모든 설명은 하나의 관점에서 바라본 근사치(近似値)다. 여러 과정이 서로에게 영향을 미치면서 흔적을 남긴다. 이 흔적은 세계의 각 부분이 서로에 관해 가지고 있는 정보다. 따라서 세계는 서로 다른 부분들 사이의 상호(相互) 정보(情報)다. 물리학은 시스템들이 서로에 대해 가지는 상호 정보를 다룬다. 세상에 관한 모든 설명은 상대적이다. 이런 의미에서 세상의 상태에 관한 진실은 언제나 주관적이다.((204, 205 페이지)

저자는 자신이 말하는 주관성이란 진리가 본질적으로 관점에 따라 달라진다는 개념이라고 설명한다. 주체가 없는 객관성은 추상적 개념이고 그다지 중요하지도 않다. 중요한 점은 관점이 다르다고 해서 소통할 수 없는 것이 아니라는 말이다. 관점들은 물리적이기 때문에 서로에게 접근할 수 있다. 그들에게 숨겨진 것은 전혀 없다. 다만 세상에서 일어나는 이들에 관해 우리가 알지 못하는 것이 무수히 많을 뿐이다.(210 페이지) 저자는 스피노자가 [에티카]에서 개별적 자기 성찰조차 우리 뇌에서 일어나는 모든 일에 접근하게 해주지는 않는다는 말을 했디고 말한다. 저자가 이 말을 인용한 이유는 인간의 의식적 자기 성찰은 만능이 아니며, 우리 뇌와 신체가 자연의 거대한 인과법칙 속에서 작동하는 방식을 온전히 설명해주지 못한다는 말을 하기 위해서다.

저자는 주관성은 현실의 다른 어떤 특성보다 특별히 더 깊이 감춰져 있지 않다고 말한다. 저자는 주관성이나 의식을 과학으로 영원히 풀 수 없는 신비로운 무언가로 생각하지 않는다. 저자는 주관성 역시 자연 현상의 일부이며 세상의 다른 물리적 특성들보다 특별히 더 깊이 감춰진 비밀이 아니라고 주장한다. 저자의 양자역학 해석(관계론적 양자역학)에 따르면 세상의 모든 존재는 고립되어 존재하지 않고 오직 다른 존재와의 관계와 상호작용을 통해서만 속성을 가진다. 주관성 역시 뇌라는 물리적 계가 외부 세계 및 자기 자신과 맺는 복잡한 상호작용의 결과물이다.

주관적 경험이란 결국 계(뇌) 내부의 관점에서 바라본 정보의 처리 과정이다. 물리적으로 측정 가능한 뉴런의 전기 신호와 우리가 느끼는 주관적 느낌은 서로 다른 언어로 표현된 같은 현상이다. 많은 철학자들이 의식을 물리 법칙으로 설명할 수 없는 어려운 문제(Hard Problem)로 분류하지만 저자는 이를 거부한다. 그는 과거에 인류가 생명(Life)을 물리화학으로 설명할 수 없는 신비한 생명의 기운(생기론)으로 보았다가 과학의 발전으로 극복했듯 주관성 역시 거대한 뇌의 메커니즘이 밝혀지면 자연스럽게 이해될 수 있는 현상이라고 본다.

저자는 우리가 객관적 지식이라고 믿는 것 역시 결국 하나의 특정한 관점이자 주관성의 변형에 불과하다고 강조한다. 저자는 지식의 주체인 인간이 결코 세상 밖에서 세상을 내려다보는 관찰자가 아니라고 말한다. 우리는 자연의 한 파편이며 우리가 만든 객관적 이론과 과학적 지식 또한 세상 속에서 우리가 살아남고 탐색하기 위해 신체와 뇌로 구현해 낸 도구일 뿐이다. 우리는 자연의 한 파편이며 우리가 만든 객관적 이론과 과학적 지식 또한 세상 속에서 우리가 살아남고 탐색하기 위해 신체와 뇌로 구현해 낸 도구일 뿐이라는 저자의 말에서 신체와 뇌라는 말은 한계가 있고 제한적인 도구라는 의미로 쓰인 것이다. 인간의 과학과 지식은 우주의 절대적이고 객관적인 진리를 그대로 비추는 거울이 아니다.

그보다 인류가 가진 제한된 감각 기관(신체)과 처리 능력(뇌)을 통해 세상과 상호작용하며 생존하기 위해 최적화된 지도에 가깝다. 우리는 우주를 '밖'에서 객관적으로 관조할 수 없다. 우주라는 거대한 계(System)의 안에 속해 있는 작은 파편이기 때문에, 우리가 보는 세상은 언제나 우리 신체와 뇌라는 필터를 거쳐 들어온 제한되고 주관적인 정보일 뿐이다. 우리의 뇌는 우주의 모든 차원과 법칙을 완벽히 이해하도록 설계된 것이 아니라 지구라는 특수한 환경에서 먹이를 찾고 위험을 피하도록 진화했다. 따라서 우리가 당연하게 받아들이는 시간, 공간, 객체의 개념조차도 인간의 뇌가 만들어낸 '유용한 도구'일 뿐, 우주의 근본적인 진실은 아닐 수 있다는 의미다.

과학이 말하는 객관성은 우주의 절대적인 진리 그 자체가 아니다. 저자에 따르면 객관성이란 너와 내가 서로 소통하며 조율해 낸, 고도로 공유된 상호 주관적 경험이다. 즉, 수많은 주관적 관점들이 상호작용(실험과 검증)을 거쳐 서로 불일치를 줄이고 합의에 도달한 상태를 우리는 객관적이라고 부르는 것이다.

대상의 속성은 오직 다른 대상과 관계를 맺을 때만 드러난다. 지식 역시 언제나 특정한 물리적 위치, 시간, 문화적 배경이라는 관계와 맥락 안에서만 성립하는 시각(Perspectival knowledge)이다. 절대적이고 탈맥락적인 객관성이란 애초에 불가능하다. 저자는 객관성을 절대화하는 태도 역시 또 하나의 거대한 착각이자 주관적 집착일 수 있음을 경고한다. 그는 과학이 위대한 이유는 완벽한 객관적 진리를 가졌기 때문이 아니라 오히려 우리가 틀릴 수 있음을 인정하고, 우리의 지식이 언제나 제한적이고 주관적인 관점임을 받아들이는 겸손함에 있다고 말한다.

저자의 말은 과학적 지식을 폄하하려는 것이 아니라 인간 지식의 본질적인 한계를 겸허히 인정할 때 비로소 우리가 보는 세상 너머의 진짜 리얼리티(관계적 현실)를 더 깊이 탐구할 수 있다는 양자역학적·철학적 통찰을 담은 말이다. 마음 역시 만물의 평등이라는 원칙에서 벗어나지 않는다고 말하는 저자는 우리가 이원론의 오류에 빠지지 않는다면 탁자가 원자들의 집합이라는 사실을 알면서도 그 일상적 의미에 관해서 이야기할 수 있듯 영혼과 감정에 관해서도 언제든지 이야기할 수 있다고 말한다. 이것이 만물의 평등함이라는 것이다.

지식은 과정, 주체, 그리고 나머지 세계 사이의 관계다. 지식은 우리와 비슷한 사람들 사이에서 공유하는 개념적 틀 위에서 형성되는 집단적 현상이다.(223 페이지) 지식은 물리적 현실 밖에 존재하지 않는다. 우리가 관찰하고 연구하고 상호작용하는 세계는 다른 시스템들이 우리에게 투영된 모습이며 현실 자체를 구성하는 상관관계 그물망의 일부다. 우리는 이러한 순환성에서 벗어날 수 없다.(224 페이지)

우리의 지식은 다른 모든 정신적, 영적 삶의 측면과 마찬가지로 유한하고 불안전하며 그 무엇도 보장하지 않는다. 계몽주의와 특정한 분석 철학이 소중히 여겼던 순수이성, 궁극적 명료함이라는 이상은 비로소 무너진다. 모든 모형은 포착하는 것보다 많은 것을 놓친다. 우리가 가진 모든 이론은 불완전하다. 우리가 하는 모든 말에는 다른 무언가가 간과되어 있다. 우리가 어떠한 질문에 우선순위를 두는지에 따라 의미가 달라진다.(228 페이지)

저자는 모든 지도는 오류를 포함하고 있지만 우리에게는 그것이 필요하다고 말하며 우리는 무지와 확실성 사이에서 행복하게 살아간다고 덧붙인다. 현실의 관계적 본질과 그로 인한 관점주의를 인식하면 현대 과학과 일관되게 세계를 해석하기 위한 유일한 선택지가 바로 주관적 관점이다. 진리는 주관적이다. 과학이 많은 질문에 가장 신뢰할 수 있는 해답을 제공한다고 믿지만 이러한 해답들은 타당성과 신뢰성이 높을 뿐 확실한 것은 아니라고 말하는 저자는 과학 지식과 우리가 알고 있는 다른 지식들의 차이는 본질적인 차이가 아니라 정도의 차이일 뿐이라고 설명한다.

우리가 세상에 관해 즉각적으로 설명할 때 쓰는 단어인 탁자와 과학적 차원에서 쓰는 단어인 전자 사이에는 정도의 차이가 있을 뿐이다. 둘 다 세상을 특정한 수준에서 묘사하기 위해 사용하는 개념이다. 그 단어들은 우리가 현실이라고 부르는 실제를 지칭한다. 저자는 뉴턴의 이론이 아인슈타인의 이론에 통합되었을 뿐 서로 반대되는 것이 아니라고 말한다. 아리스토텔레스의 물리학도 잘못된 평가를 받고 있다고 지적한다. 그의 물리학은 타당성의 범위 내에서 훌륭하고 강력하며 정확하다. 뉴턴 물리학과 아리스토텔레스 물리학 사이의 관계는 뉴턴 물리학의 아인슈타인 물리학과 맺는 관계와 같다.

과학 이론은 세계를 이해하는 체계의 일부다. 기존 사고의 틀에 덧붙는 도구다. 그러한 틀이 없다면 이론은 표현조차 될 수 없다. 과학 이론은 결코 세계에 관한 완벽한 설명이 아니다. 그것은 우리가 세계를 바라보는 방식을 구체적으로 수정하는 것에 불과하다. 어떤 근본적 수정이 일어나도 마찬가지다. 우리는 기존의 세계관을 벗어남으로써 새로운 이론을 발견하지 않는다. 그 안에서 조금씩 변화시켜가며 새로운 이론을 발견한다.

이 말은 토머스 쿤의 패러다임론과 뚜렷한 차이점과 공통점을 가진다. 카를로 로벨리의 관점은 쿤이 말한 패러다임의 존재론(우리가 어떤 틀에 갇혀 생각한다는 점)은 수용하지만 그 틀이 깨지고 바뀌는 과정에 있어서는 쿤의 과격한 단절(혁명) 대신 기존 패러다임 내부에서의 유기적인 확장과 변형을 지지한다는 점에서 쿤의 패러다임론에 대한 세련된 비판이자 보완이라고 볼 수 있다.

저자는 신중한 진화 과정에서 과학은 자신이 무엇을 하고 있는지 명확하게 밝힌 적이 없다고 말한다. 역사의 흐름 속에서 과학은 끊임없이 스스로를 재정의해 왔다. 과학은 우리가 사고를 조직하고 세상을 경험하는 데 사용하는 개념과 도구를 끊임없이 발전시켜 가는 변증법적 과정이다.

기초과학의 급진적 도약은 반증된 이론을 버리고 다른 이론을 찾아 나서는 방식으로 이루어진 것이 아니다. 오히려 혼란 속에서 이미 얻어진 과학적 성과를 신뢰하면서도 방법론적 개념적 틀을 수정하고 축적된 지식이 제기한 수수께끼의 해답이 되는 새로운 종합을 구축함으로써 이루어졌다. 그리고 이러한 종합은 개념의 변화를 감수한 끝에 얻어진 것이다.(251, 252 페이지) 결국 과학은 기존의 탑을 무너뜨리고 새로 쌓는 것이 아니라 기존 탑의 설계 오류(개념)를 고쳐 더 높고 견고한 탑으로 확장하는 개념적 재구성의 역사라는 것이 저자의 통찰이다.

개념은 모호한 실체다. 개념의 사용은 항상 모호하고 가변적이다. 물리학에서 가장 풍부한 개념들은 끊임없이 재정의되어 왔음에도 여전히 모호하게 느껴진다. 엔트로피에 관해서는 새로운 정의가 꾸준히 등장하지만 오늘날까지 에너지에 관한 개념이 물리학에서 차지하는 수많은 측면을 모두 아우르는 정의는 없는 것 같다. 개념과 언어의 모호함은 약점이 아니라 강점이다. 모호함에서 또 다른 모호함으로 끊임없이 흘러가면서 언어는 적응하고 폭증하고 차별화하고 진화하는 무한한 능력을 지닌다. 바로 이러한 특성 덕분에 오늘은 더욱 미묘한 것들을 표현할 수 있고 그 무한한 과정이 풍요로운 문화의 바탕을 제공하는 것이다.

우리는 유추를 통해 개념을 구축한다. 유추란 개념의 한 측면을 가져와 다른 맥락에서 재사용하고 그 의미 중 어떤 것은 유지하고 다른 것은 버림으로써 새로운 조합이 참신하고 효과적인 의미를 만들어내도록 하는 것이다. 입자 물리학에서의 입자, 시공간의 곡률 등이 모두 은유라고 주장하는 저자는 너무 많은 것을 뒤에 남겨두면 앞으로 나아갈 도구가 부족해지고 너무 많은 것을 짊어지면 이해에 이르는 길을 찾지 못할 것이라고 설명한다.(259 페이지) 이 역시 훌륭한 은유다. 너무 많은 것을 남겨둔다는 것은 과거의 지식을 버린다는 것이고 너무 많은 것을 짊어진다는 것은 과거의 지식에 의존한다는 것이다.

저자는 과거의 지식을 무조건적인 진리로 숭배하지도 말고 그렇다고 허구라며 완전히 무시하지도 말며 새로운 이론을 구축하기 위한 유용한 은유이자 도구로써 영리하게 쥐고 나아가야 한다는 중용의 태도를 강조한 것이다. 저자는 특수 상대성이론을 예로 든다. 이 이론은 그냥 보기에는 양립할 수 없을 것 같은 갈릴레오의 상대성 원리와 맥스웰 방정식, 두 가지 모두에 관한 아인슈타인의 확신에서 탄생했다. 오늘날 물리학자들 사이에서 널리 퍼져 있는 포퍼와 쿤의 이론을 있는 그대로 받아들였다면 아인슈타인은 맥스웰 방정식을 수정하는데 몰두하거나 고속 체계에서의 속도 상대성 이론을 포기했을 것이다.

그러나 아인슈타인은 정반대의 길을 택했다. 두 이론을 모두 진지하게 받아들였고 갈릴레오의 생각과 맥스웰 방정식 사이에서 얼핏 모순처럼 보이는 점을 다른 방식으로 해결했다. 바로 개념적 틀 즉 동시성의 의미를 바꾸는 것이었다. 일반 상대성 이론 역시 같은 전략의 선물이다. 일반 상대성 이론은 특수 상대성이론 관련 영역에서의 뉴턴 중력, 그리고 뉴턴 힘의 동시성 문제를 해결하기 위한 모형으로서의 맥스웰 이론에 관한 확실을 바탕으로 한다.

저자는 우리는 이 낯선 세상 속에서 조금밖에 알지 못하는 채로 불안하고 조심스럽지만 호기심을 가지고 앞으로 나아간다고 말한다.

기독교 책은 잘 안 읽히고 불교 책은 잘 읽히는 이유는?

기독교는 근대 개발 시대에 중요한 통찰력을 주었고, 불교는 문명의 위기와 맞물려 사람들에게 큰 호소력을 갖는다는 말씀에 공감합니다.. 덧붙이고 싶은 것은 기독교와 불교는 지향점과 방법론이 다르겠지만 종교적 깊이, 인문학적 수준에서 차이가 난다는 말씀입니다. 오래 전에 [불교와 양자역학], [양자역학과 불교] 등의 책을 인상적으로 읽은 기억이 납니다. 이때만 해도 양자역학으로 설명할 수 있는 책은 불교만이라고 생각했지요. 그런데 최근 존 폴킹혼, 러셀 스태나드 등을 통해서도 그런 것이 가능하다고 논의된다는 사실을 알았습니다.

영국의 성공회 신자이자 물리학자인 러셀 스태나드는 양자역학의 '빛과 전자의 파동-입자 이중성'을 기독교의 '예수의 신성·인성 이중성(기독론)' 및 '삼위일체'를 설명하는 비유로 사용한 바 있지요. 물론 그럼에도 현대의 많은 물리학자들과 종교학자들은 불교가 양자역학과 훨씬 더 근본적인 구조에서 자연스럽게 어울린다고 평가하는 반면, 기독교는 양자역학을 통해 교리의 모순을 방증하거나 비유하는 방식으로 접근한다는 점에서 큰 차이가 있다고 말하고 있는 것으로 알고 있습니다.

물론 양자역학, 그리고 그 물리학으로 종교를 분석하고 설명하는 것이 관건은 아니겠지요. 덧붙여 잘 모르지만 불교 성직자들은 이상한 정치적 언행을 하는 경우가 별로 없는데 기독교는 그런 경우가 많은 것도 기독교 책이 잘 선택되지 않고, 불교 책이 잘 선택되는 한 요인이겠지요. 저도 기독교인인데 기독교 설교는 수천년 전에 쓰인 경전을 현대적 맥락하에서 어떻게 살려서 가르치고 갈 길을 제시할지에 대해 별 관심도 없고 능력도 없는 것 같습니다.

약간 죄송한 말씀이지만 모 교회 목사님께서 오래 전에 쓰신 모 기독교 전문 대학원 석사 학위 논문에서 현상을 분석하고 전개하는 것에는 예리한 구성력을 보이시는 등 충분한 지면을 할애하셨지만 결론은 ‘사람의 힘으로는 할 수 없어도 전능하신 하나님은 다 하실 수 있다‘는 참 소략한 말씀이었습니다. 큰 상찬을 받은 논문인데도 참 허무하게까지 느껴지는 결론이었습니다. 어쩌면 기독교가 처한 현실을 잘 보여주는 사례가 아닌가 싶습니다.

하나님께 기도하고 구하면 다 된다는 상황이라면 답은 명확하고, 할 바는 별로 없어 그것을 책으로 낼 여지도 없는 것이 아니겠는지요. 최근에 안 바이지만 질그릇 이론이 있더라고요. 볼품없고 깨지기 쉬운 그릇이라도 토기장이이신 하나님이 친히 빚으시고 그 손에 붙잡아 쓰시면 위대한 역사가 일어난다는 의미를 가진 것이라 알고 있습니다.

특정 정치인을 그런 그릇으로 보는 사람들에게서 그의 행동이 성경적이어서 지지하고 그를 하나님이 쓰신다고 하는 것이 아니라 정치적 지향성이 같아 그를 하나님이 흠이 있어도 쓰신다고 하는 것으로 생각하는 편향이 보인다고 밖에 할 수 없다고 생각합니다. 볼품없고 깨지기 쉬운 그릇과 삿되고 무도한 그릇은 구별해야 하지 않겠는지요?

적당한 구절이 있으면 그것에 현실을 꿰어 맞추는 경향이 기독교인들에게서 자주 보인다고 말하면 지나칠까요? 수전 손탁이 해석에 반대한 것을 생각합니다. 해석하기 어려우면 놓아 두어야 할 텐데 굳이 해석하고 적용하려 드는 것은 무리한 일이지요. 주께는 하루가 천년 같고 천년이 하루 같다는 구절을 읊조리면서 현실을 참고 견디고 기도하고 답을 구하는 것이 아니라 자기 식으로 설익은 결론을 내고 일을 저질러 버리는 것 같다는 생각을 합니다. 이런 인사들이 기독교 책을 읽을 가능성은 별로 없어 보입니다.