확률의 과학 : 양자역학

아인슈타인 & 보어 : 확률의 과학 양자역학 ㅣ 지식인마을 5
이현경 지음 / 김영사 / 2006년 11월

양자역학과 관련한 입문서.

아인슈타인과 보어를 중심으로 고전역학(고전물리학)과 양자역학(양자물리학)의 차이가 무엇인지 밝히고 있는 책이다. 읽기 쉽게 쓰여졌으나, 책이 다루는 범위는 현대 과학사 전반을 다루는 폭넓은 책이다. 때문에, 책에 제시된 모든 내용을 물리학 입문자가 한번에 이해하기는 어렵게 느껴진다. 말 그대로 입문서로 적합한 책이다.

만일, 이 책만으로 물리학에 대한 내용을 파악하려 한다면 해설서보다 압축적인 전개로 인한 어려움이 있을 것이라 생각된다. 효율적인 책의 활용을 위해서 이 책의 주요 논점에 대해서 파악을 한 후 책 뒤쪽의 '깊이 읽기'에 제시된 서적을 통한 심층공부가 필요할 듯하다.

개인적으로 이 책을 통해 고전역학(고전물리학)의 기본 가정이 확정성이라면, 양자역학의 기본 가정이 '불확정성'과 '확률'이라는 기본 개념과 '빛이 입자이면서 파동'이라는 두 가지 개념이 잘 기억된다. 

그외 이 책과 연계하여 엔트로피 증가법칙, 불확정성원리, 상보성원리, 상대성이론 등은 보다 깊이있는 공부가 필요할 것으로 생각된다. 여기에 추가적으로 초끈이론을 공부한다면, 스티븐 호킹과의 연계도 가능할 것 같다.

이 책은 나와 같은 일반 독자들을 위해 물리학의 과학사적인 의미를 제공하는 나침반같은 책이라 생각된다.

위대한 설계 : 아우구스티누스 VS 스티븐 호킹

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

<위대한 설계>는 스티븐 호킹(Stephen Hawking)과 레오나르도 믈로디노프(Leonard Mlodinow)가 공저한 책으로 우주의 기원과 우주의 법칙에 대해 다룬 책이다.

이 책에서는 '과학적 결정론'과 '모형 의존적 실재론'을 사용하여 우주의 창조와 지배 원리를 "M이론"이라고 명명한다. 논리전개 방법은 양자물리학을 활용하여 "M이론"을 제시하고 기존의 철학(특히, 기독교 사상)에 대해 반론을 펴는 내용으로 구성되어 있다. 보다 세부적으로 내용을 들여다 보자.

먼저 '과학적 결정론'과 '모형 의존적 실재론'의 내용을 살펴보면 다음과 같다.

'과학적 결정론이란, 어느 한 시점에서 우주의 상태가 주어지면, 완전한 법칙들의 집함에 의해서 우주의 미래와 과거가 철저히 결정된다는 입장이다.'(p39)

'모형 의존적 실재론(model-dependent realism)은 우리의 뇌가 우리의 감각기관들에서 온 입력을 해석한다는 생각에 토대를 두고 있다. (p12)... 모형 의존적 실재론에 따르면 모형이 실제에 부합하느냐는 질문은 무의미하고, 오직 모형이 관찰에 부합하느냐는 질문만 유의미하다.'(p57)

이러한 두 가지 입장을 바탕으로 모형을 수립하는데, 주로  '양자물리학'의 방법을 사용한다. 이 책에서 양자물리학의 핵심 내용은 '불확정성'과 '상호 작용성'으로 요약될 수 있을 것 같다.

'양자물리학은 전혀 다른 사고방식을 요구한다. 그 요구에 부응하려면, 대상들의 위치, 경로, 심지어는 과거와 미래가 확정되지 않았다고 생각해야 한다. 중력(重力, gravity)이나 전자기력(電磁氣力, electromagnetic force)과 같은 힘을 다루는 양자이론들은 그런 생각의 틀 안에서 구성된다.'(p84)

'불확정성원리(不確定性原理, uncertainty principle)에 따르면, 입자의 위치와 속도를 비롯한 데이터들을 동시에 측정하는 우리의 능력에는 한계가 있다.... 요점은 간단하다. 당신이 속도를 정확하게 측정하면 할수록, 당신이 측정할 수 있는 위치는 그만큼 더 부정확해지고, 그 역도 마찬가지다.'(p88)

'양자물리학에 따르면, 우리가 아무리 많은 정보를 소유하고 우리의 계산 능력이 아무리 뛰어나더라도, 물리적 과정들의 결과를 정확하게 예측하는 것은 불가능하다..양자물리학은 새로운 형태의 결정론을 향해서 우리를 이끈다. 그 결정론에 따르면, 어떤 시스템의 특정 시점에서의 상태가 주어지면, 자연법칙들은 그 시스템의 미래와 과거를 정확하게 결정하는 것이 아니라 다양한 미래들과 과거의 확률들을 결정한다.'(p90)

'양자물리학에 따르면, 무엇인가를 "관찰하기만 하는 것"은 불가능하다. 바꿔 말해서 양자물리학은, 관찰을 하려면 관찰자가 관찰 대상과 상호작용해야 한다는 것을 인정한다.'(p101)

'우리가 나중에 써먹을 핵심적인 양자 원리를 하나 더 살펴볼 차례이다. 그 원리는 시스템을 관찰하면 시스템의 진로가 바뀔 수밖에 없다는 것이다.'(p101)

이 책에서는 양자물리학을 통해 '끈이론'을 소개하며, 끈이론에서 발전된 'M이론'을 통해 우주의 시원을 밝히고 있다. 이후 우주의 탄생 이후 우주를 지배하는 법칙으로 '빅뱅 이론'과 '인플레이션 이론'등을 제시하고, 우주를 지배하는 자연법칙이 있음을 증명하고 있다.

'끈이론(string theory)은 10차원일 때만 일괄적인데, 끈이론에 따르면 4개 차원 외에 나머지 차원들은 아주 작은 공간에 돌돌 감겨있다.' (p146)

'다섯 가지 끈이론들과 초중력이론을 근사이론들로 거느렸다고 생각되는 더 근본적인 이론은 M이론이다....M이론의 몇 가지 속성을 알 수 있다. 첫째, M이론은 11차원의 시공을 이야기한다..또한, M이론에서는 내면 공간의 차원들이 감기는 방식을 제한한다..그 결과 M이론이 허용하는 다양한 우주들(내면공간)은 10의 500승에 달한다.'(p149)

전체적으로, 이 책은 우주의 시작과 팽창등을 설명하기 위해 서양 과학사 전반과 철학사의 내용이 개략적으로 다룬 '과학철학책'의 성격이 강하다. 또한, 양자물리학에 대한 설명을 위해 아인슈타인의 상대성이론부터 파인만 역사 합(Feyman sum over)에 이르기까지 양자물리학의 기본 이론 설명에 많은 페이지를 할애했다. 

방대한 내용임에도 불구하고, 일반 독자들을 배려해서인지 수식이 거의 없기 때문에 다른 과학책보다는 머리가 덜 아프다는 장점도 있다. 그런 면에서 일반인들을 위한 '양자물리학' 입문 서적으로 활용될 수 있을 것이다.

이 책에는 또한 생명에 대해서도 다루고 있고, 생명을 지배하는 자연법칙이 있음을 주장하고 있다. <이기적 유전자>의 저자 리처드 도킨스가 이 책의 발행을 환영했다고 하는데, 아마 다음의 문장 때문에 그러지 않았을까 하는 추측을 해본다.

'물론 우리는 우리의 행동을 스스로 선택할 수 있다고 느끼지만, 생물학의 분자적 토대에 관한 우리의 지식은 생물학적 과정들이 물리학과 화학의 법칙들에 의해서 지배되며 따라서 행성의 궤도와 마찬가지로 결정되어 있음을 보여준다.'(p41)

이 책에서 주장하는 '우주관'은 기독교 세계관과 여러 곳에서 충돌한다. 마치 아우구스티누스의 <고백록>에 나오는 내용을 작심하고 비판한 듯한 내용이 눈에 띄어 이를 정리해봤다. 

1. 무로부터의 창조 VS 다중우주설

'주님, 당신께서는 무형의 질료로부터 세상을 만드셨습니다.... 모든 날 이전에 만드셨던 무형의 질료에다 보이는 형상을 부여해서 만드신 것입니다...'-<고백록> 12권 8,8 아우구스티누스-

'시간이 공간처럼 행동한다는 깨달음에서 새로운 대안을 얻을 수 있다. 그 깨달음은 우주의 시작이 있다는 생각에 대한 해묵은 반발을 제거할 뿐만 아니라 우주의 시작이 과학법칙들에 의해서 지배되며 어떤 신의 손길도 필요로 하지 않음을 의미한다. '(p171)

'M이론에 따르면, 우리의 우주는 유일한 우주가 아니다. 오히려 M이론은 엄청나게 많은 우주들이 무(無, nothing)에서 창조되었다고 예측한다.'(p14)

2. 시간에 대한 인식

'차라리 시간은 셋인데 과거에 대한 현재, 현재에 대한 현재, 미래에 대한 현재라고 하는 편이 적절하다. 이 셋은 영혼 속에 존재하는 무엇이고 다른 곳에서는 이것들이 안 보이며, 과거에 대한 현재는 기억(記憶)이고 현재에 대한 현재는 주시(注視)이며, 미래에 대한 현재는 기대(期待)다.'- <고백록> 11권 20,26 아우구스티누스 -

'양자물리학에 따르면, 현재에 대한 우리의 관찰이 아무리 철저하더라도, (관찰되지 않은) 과거는 미래와 마찬가지로 불확정적이며 다만 가능성들의 스펙트럼으로만 존재한다. 양자물리학에 따르면 우주는 단일한 과거 혹은 역사를 가지지 않는다.'(p103)

3. 위대한 설계 VS 물리법칙의 미세조정

"21세기가 시작되는 지금, 현대 과학이 발견한 목적과 설계를 입증하는 압도적인 증거를 회피하기 위해서 발병된 다중우주가설과 신다원주의 등의 과학적 주장들에 직면하여, 가톨릭 교회는 자연에 실제로 설계가 내재한다고 선언함으로써 다시 한번 인간 본성을 방어할 것이다.."(크리스토프 쇤보르 추기경, )

'한 가지 확실한 것은, 만일 우주 상수의 값이 실제보다 훨씬 더 크다면, 우리 우주는 은하들이 형성될 사이도 없이 산산이 흩어졌을 테고, 따라서 우리가 아는 생명은 불가능했을 것이라는 점이다.. 이런 절묘한 미세 조정들을 어떻게 받아들여야 할까?..

우주론에서는 우리가 방금 기술한 물리법칙의 미세조정이, 목적과 설계를 입증하는 압도적인 증거이다.'(p206) 

최근 아우구스티누스의 <고백록>, <자유의지론>, 리처드 도킨스의 <이기적 유전자>와 스티븐 호킹 외 1인의 <위대한 설계>를 읽었다. 공교롭게도, 기독교와 현대 과학을 대표하는 저서들을 교대로 읽게 된 셈이다. 마치 내가 재판관이 되어 피고와 원고의 변론을 중간에서 듣는 입장이 된 듯한 느낌이다. 다음에는, 기독교 진영에서는 아우구스티누스의 <삼위일체론>, <신국론>을, 현대 과학 진영에서는 리처드 도킨스의 <만들어진 신>과 스티븐 호킹의 <시간의 역사>를 다음 논고로 읽어야 할 것 같다.

만일 내가 재판관이라면, 나는 기독교 세계관과 현대 과학 중 어느 쪽에 손을 들어줘야 할까?  신앙(信仰)과 이성(理性)의 문제속에서 우리가 어디에 위치해야 하는지는 나뿐 아니라 많은 이들이 고민하는 문제라 생각된다.

아직 정리되지는 않았지만, 이 책들을 구입한 경로를 통해 생각을 해본다.

리처드 도킨스의 책과 스티븐 호킹의 책은 사실 의도했던 것은 아니고, 중고서점에 깨끗한 책이 나왔기에 '한 번 정도 읽어야지'하는 마음으로 구입한 책들이다. 그런 관점에서, 이 책의 구입은 '우연적 사건'의 결과라 생각되기도 하는 반면, 내가 이 책들을 만난 것이 '하느님의 자유 의지 (free wil) 결과'라고도 해석될 수 있을 것 같다.. 어렵다.

신앙과 이성의 문제는 역시 쉽게 안 풀리는 문제들이다.