[오늘의 한문장] 리 스몰린의 시간의 물리학

고리양자중력이론의 영역 안에서 우주론의 특이점들에 근접하는 양자 효과들에 대한 몇몇 모형이 연구되었는데, 그 결과는 되튀김이 우주적 현상이라는 것이다. 그러나 이들은 모형일 뿐이며 극단적인 가정들을 하고 있다는 것에 주의해야 한다. 이때 핵심적인 가정은 우주가 공간적으로 균질적이라는 것이다. 우리가 가장 확신할 수 있는 것은 우주의 가장 균일한 영역 - 중력파 또는 블랙홀이 없는 영역 - 이 되튀겨서 새로운 우주들을 탄생시킨다는 것이다.

순환 모형들은 시간을 근본적인 것으로 고려하는 것, 시간이 빅뱅에서 시작된 것이 아니라 빅뱅 이전에 존재했다는 의미에서 이 어떻게 좀 더 예측적인 우주론을 유도하는지를 보여준다. 또 다른 예는 빛의 속도가 아주 초기 우주에서는 달랐다고, 사실상 훨씬 빨랐다고 가정하는 이론들이다. 이러한 소위 빛의 변화 가능한 속도 이론들은 상대성이론의 원리들을 위배하는 방식으로 선호되는 시간 개념을 선별한다. 그 결과 이 이론들의 인기는 없지만, 이들은 팽창 없이 우주마이크로파배경 요동들을 설명할 수 있을 것이라고 약속한다.

메타법칙 가설은 무한 퇴행으로 이어진다(‘왜 이러한 메타법칙인가?’라는 질문은 메타법칙에 의해서 답변될 수 있고, 이러한 과정은 계속된다). 이것은 딜레마의 두 뿔 중 하나의 뿔이다. 다른 하나는 메타법칙이 존재하지 않을 가능성이다. 그렇게 되면 법칙들의 진화에는 무작위적인 요소가 있을 것이며, 그 결과 다시 한 번 모든 것이 설명되지는 않게 되며 충분한 근거의 원리는 과학의 가장 근본에서부터 위배된다. 로베르토 망가메이라 웅거와 나는 이를 메타법칙의 딜레마라고 부른다.

수학에서의 결론이 논리적 함축에 의해 강제된다면 자연 속의 사건들은 시간 속에서 작용하는 인과적 과정들에 의해서 생성된다는 것이다. 이 둘은 같은 것이 아니다. 논리적 함축은 인과적 과정의 양상을 모형화할 수 있지만, 이것이 인과적 과정과 동일한 것은 아니다. 논리는 인과성의 거울이 아니다.

수학은 과학의 언어 중 하나다. 수학은 강력하고 중요한 방법론이다. 그러나 과학에 수학을 적용하는 것은 수학적 계산의 결과들과 실험 결과들 사이의 동일성에 기초하며, 실험들은 수학 바깥에 있는 실제 세계에서 일어나기 때문에, 둘 사이의 연결은 일상적인 언어로 진술되어야 한다. 수학은 대단한 도구이지만 과학을 통제하는 궁극적인 도구는 언어이다.

특수상대성이론을 일반상대성이론으로 확장할 때 사용된 4차원 시공간 표기법은 개념적 혼란을 일으켰다. 이 표기법 속에서 시간은 공간의 한 차원으로서 표상되었고, 이는 시간을 공간화하고 얼어붙게 만드는 결과를 초래했다. 현대 물리학의 또 다른 주축인 양자역학에서도, 시간은 존재했지만 그것이 거꾸로 흘러간다고 해도 아무런 문제가 생기지 않았다.

[리뷰] 리 스몰린의 시간의 물리학 : 절대성과 상대성, 정(靜)과 동(動)의 이야기

[eBook] 리 스몰린의 시간의 물리학 - 실재하는 시간을 찾아 떠나는 물리학의 모험
리 스몰린 지음, 강형구 옮김 / 김영사 / 2022년 8월

실재가 비시간적이라는 형이상학적 관점에 따라 행해진 가장 큰 해악은 경제학에 끼친 영향일 것이다. 많은 경제학자의 사고에서 볼 수 있는 기본적인 오류는 시장이 단일한 평형 상태에 있는 계라고 간주하는 것이다. 이 상태는 가격이 조정되어 상품의 공급이 수요-공급 법칙에 따라서 수요와 정확히 일치하는 상태다. 더 나아가 그와 같은 상태는 모든 사람의 만족을 최적으로 충족시키는 것으로 기술된다. 심지어 펑형 상태에서는 다른 누군가를 덜 행복하게 만들지 않는 한 누군가가 더 행복해질 수 없다는 수학적 정리마저 존재한다. _ 리 스몰린, <리 스몰린의 시간의 물리학> , p216/259

리 스몰린의 <시간의 물리학>은 시공간(時空間 Space-Time)을 바라보는 관점을 다룬다. 공간의 다른 차원으로서의 시간, 사건(event)가 일어나는 절대적인 배경으로서의 시간, 수학적인 법칙의 공간으로서 시간을 바라보는 뉴턴적 패러다임에 저자는 반대한다. 대신, 관계론적인 관점에서 상대적인 관점, 동적인 개념으로서의 시간을 해석한다.

이러한 저자의 관점을 통해 우리는 수학과 물리학의 차이점을 어렴풋하게나마 느낄 수 있다. 공리(axiom)와 공준(postulate)에 의해 법칙을 증명해내는 수학의 방식은 기본적으로 플라톤의 <메논>에서처럼 이미 존재하는 사실(또는 결정된 결과)에 대한 증명으로 마무리되지만, 물리학에서는 현실을 제대로 설명하지 못한 법칙은 오컴의 면도날에 의해 잘라져 버리게 된다는 점에서 근본적인 차이가 있다.

이는 두 학문의 세계가 하나는 이데아(Idea)의 세계를, 다른 하나는 관찰가능한 현실을 대상으로 하는 차이에서 오는 차이이기도 하겠지만. 저자 리 스몰린의 본문을 통해 절대적인 신(神)의 관점에서 작도된 법칙의 한계에 대해 일반인들이 알기 쉽도록 풀어 설명한다. 그리고, 독자들은 이러한 저자의 설명을 읽으며 시간 뿐 아니라 우리 삶 전반에 대한 생각에 대해 '코페르니쿠스적 전회'를 느낄 수 있다... 상세한 내용은 독자들이 직접 느끼는 것이 더 좋을 것 같아 간략하게 마무리한다...

[들어가기] 다시 생각하는 원자력, 돌아보는 탈원전

원자력발전에서 가장 어려운 문제는 고준위 방사성 폐기물 처리 문제라 생각된다. 고준위 방사성 폐기물 처리여부가 친환경 에너지원으로 인정여부를 결정하는 주요 전제이니만큼 처분시설 부지 확보와 건설은 미래 에너지원으로 원자력 발전에 필수요소임에 분명해 보인다.

그렇지만, 세계 어느 나라도 고준위 처리시설을 운영 하지 못하는 현실에서 원자력에 대한 불안감을 씻어 내기 어려운 것이 사실이다. 간신히 중/저준위 방사성폐기물부지를 확보하고 2단계 건설을 하는 상황에서 수십년동안 주민들 설득에 실패하고 겨우 5년동안 이름뿐인 ‘탈원전 정책‘에 국내 원자력산업이 폭망했다고 주장하는 것은 허울좋은 핑계가 아닐까.

탈원전 정책이 시행되어도 폐기물 처리는 주어진 과제임에도 주민 홍보 부족과 부지 확보 실패 책임을 지난 정부에 덮어씌운다는 이미지를 받는다. 그것이 아니라면 이제 탈원전 정책이 공식 폐기된 지금, 부지 확보를 위한 주민설득과 건설이 5년 내 개시되겠지. 지켜볼 일이다...

사용후핵연료가 정말로 위험하고 후손들에 항구적인 멍에가 될까요?
만일 그렇다면 사용후핵연료 처분장 부지 확보에 대한 해결책이 없기 때문일 것입니다. 이에 관한 저의 생각은 원자력안전 전문기관의 객관적이고 철저한 심사 및 검사 하에 사용자가 시설을 유지하기 위한 적절한 노화 관리 프로그램 등을 갖추면 미국의 원자력규제기관인 NRC가 발표했듯이 사용후핵연료를 포함하는 방사성 폐기물은 습식 및 건식 저장으로 안전하게 저장하는 것이  가능하다는 것입니다. - P161

사용후핵연료 관리정책의 핵심은 사용후핵연료 관리에 대한 구체적인 일정과 이행 절차 등을 국민적 공감 하에 여야 합의로 법제화하여 국가차원에서 일관성 있게 정책을 추진하는 것입니다. 법제화 대상은 사용후핵연료 저장 · 운반·처분 등에 관한 것이고요. 이와 관련하여 각 원전의 임박한 사용후핵연료 저장용량 포화에 대비하여 부지 내 임시저장시설을 적기 확보하는 것이 우선 필요해 보입니다. - P167

[오늘의 한문장] 열역학

석탄 또는 천연가스의 경우 에너지는 화학결합에 저장되며, 부분적으로 열로 변환될 수 있다. 이 과정은 석탄 또는 가스가 연소(쉽게 말하면 그냥 태우는 것)라고 하는 화학반응을 거치면서 탄소 원자들끼리의 결합, 또는 탄소와 수소 원자 사이의 결합이 원래 연료에는 없었던, 산소와의 새롭고 더 강력한 결합으로 대체됨으로써 일어난다. 이런 방식으로 일부 화학에너지를 열로 변환할 수 있다.

제1법칙에 따르면 에너지는 절대로 새로 만들어지거나 파괴될 수 없으며, 한 형태에서 다른 형태로 변형될 뿐이다. 이를 에너지는 보존된다고 표현한다.

엔트로피 변화는 시스템의 단위 온도당 교환되는 열의 양보다 크거나 같아야 한다. 따라서 주어진 열 교환에 대해서 엔트로피 변화는 일반적으로 높은 온도보다 낮은 온도에서 더 크다. 저온에서 약간의 열이 입력되면 고온일 때보다 새로 접근할 수 있는 상태의 수가 크게 달라지며, 엔트로피는 시스템이 도달할 수 있는 상태의 수가 결정한다고 할 수 있다.

물질이 δQ의 열량을 흡수하고 모든 열이 물질의 열용량에 따라 물질의 온도를 상승시키는 데 쓰였다면, 그 과정은 δQ/ T 와 정확히 동일한 엔트로피 변화 δS 를 갖는다. 만약 일부 열이 주변으로 누출되어 빠져나가면 엔트로피 변화는 δQ/ T 보다 크다. 그러므로 엔트로피는 어떤 식으로든 낭비되거나 의도하지 않았거나 무질서한 것을 반영 또는 측정하는 것이다.

정확하게 정의하면, 엔트로피는 특정한 거시적 상태에 해당하는 미시적 상태의 수에 대하여 밑이 e로 주어지는 자연로그 값이다. 물론 미시적 상태는 원자 운동의 시간 척도에서는 지속적으로 변하지만 열역학적 평형상태에 있는 시스템을 관찰할 때는 하나의 일정한 거시적 상태만 관찰한다. 거의 모든 거시적 상태는 관찰하는 동안 시스템이 거치는 수많은 미시적 상태에 대한 일종의 시간 평균이다.

[마이리뷰] 빛의 양자컴퓨터

[eBook] 빛의 양자컴퓨터
후루사와 아키라 지음, 채은미 옮김 / 동아시아 / 2021년 8월

고전컴퓨터는 전자회로를 사용하여 계산 처리를 실행하거나 메모리에 기록한다. 그리고 그럴 때마다 사용되는 전기에너지가 열에너지로 전환되어 배출되고 있다. 따라서 계산 처리가 고속화되면 될수록 대량의 열이 발생한다.(p11)... 일반적으로 양자컴퓨터라고 하면 고전컴퓨터에 비해서 계산 처리 속도가 비약적으로 빨라진다는 점이 가장 기대되고 있으나, 본질은 그 점이 아니라고 나는 생각한다. 사실 그것보다 중요한 것은 매우 작은 에너지로 계산 처리를 할 수 있다는 점이다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자컴퓨터> , p12/104

후루사와 아키라 (古澤明, 1961 ~ )의 <빛의 양자 컴퓨터>는 광양자컴퓨터 개발자인 저자가 설명하는 양자컴퓨터의 기본과 광양자컴퓨터의 개발 현황 등을 일반인을 대상으로 알기 쉽게 풀어 쓴 책이다. 양자컴퓨터에 대한 입문 내용은 다른 개론서와 별반 다르지 않지만, 양자컴퓨터의 본질을 ‘효율적인 에너지 사용‘으로 바라본 관점이 인상적으로 느껴진다.

양자컴퓨터를 이용하여 실제로 계산 처리를 하기 위해서는, 고전컴퓨터에서 사용하는 정보 단위 ‘비트‘에 상응하는 ‘양자비트‘가 필요하다. 양자비트란 고전컴퓨터에서 사용하는 비트가 ‘0‘과 ‘1‘ 중 하나로 정보를 표현하는 것에 반해, ‘0‘이면서 ‘1‘인 중첩 상태를 가진다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자컴퓨터> , p24/104

양자컴퓨터는 ‘양자중첩‘과 ‘양자얽힘‘이라는 양자 세계의 특성을 활용하여 고전컴퓨터에서 사용되는 비트와 회로, 논리 게이트를 대신하여 양자 비트, 양자 회로, 양자 게이트를 활용한다. 또한, 양자 컴퓨터는 복소수를 활용하여 진폭과 위상을 나타나기에, 0과 1의 이진법 체계에서 구현되는 고전컴퓨터보다 빠르게 계산을 구현한다는 장점을 갖는다. 양자컴퓨터와 관련한 많은 책들이 이 부분에 집중하여 양자컴퓨터가 가져올 변화를 강조한다면, <빛의 양자 컴퓨터>는 ‘에너지 사용‘ 문제에 집중한다. 왜 에너지 사용 문제가 인상적인가. 그것은 양자컴퓨터의 상용화가 가져올 사회적 변화 때문이다. 일찍이 인터넷의 보급과 확산이 일부의 지식 독점권을 붕괴시켰듯, 양자컴퓨터는 또다른 사회변혁을 촉발시킬 것이다. 다만, 그 영향 역시 시간이 흘러 관측되기 전까지는 불확실할 것이다. 이 역시 양자역학이니까.

양자컴퓨터가 계산 처리 속도를 향상시킬 수 있는 방법은 세 가지가 있다. 1) 계산 처리의 스텝 수, 즉 사용되는 논리 게이트의 수 줄이기, 2) 코어, 즉 계산 처리를 수행하는 회로의 클락 주파수 향상시키기. 즉, 1초간에 처리하는 신호의 수 늘리기. 3) 멀티 코어, 즉 코어를 여러 개 나열하여 병렬 계산하기이다... 양자컴퓨터라 하더라도 여기서 이야기한 세 가지 방법 중 무언가를 실현하지 않는 한, 고전컴퓨터보다 고속으로 계산처리를 할 수 없다. 한편, 애초에 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 고속으로 계산 처리가 가능해야 하는가 하는 근본적인 의문도 생긴다. 하지만 양자컴퓨터가 실현되면 고전컴퓨터와 비교해서 대폭으로 소비전력을 줄일 수 있을 것이라 기대된다. 즉, 만일 1)의 방법을 실현하지 못한다 하더라도, 양자컴퓨터라면 최소한의 전력으로 대량의 병렬 계산 처리를 할 수 있다. 거기에 추가로, 초고속 계산 처리가 가능해진다고 생각하면 되는 이야기이다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자텀퓨터> , p26/104

본문에서 언급되지만, 현재 슈퍼컴퓨터에서 가장 중요한 문제 중 하나는 과다한 전력 사용으로 인한 발열 처리 문제다. 고속화된 계산 시 소비되는 전력과 발열처리 문제는 결국 자본의 문제로 귀결된다. 역사를 ‘에너지 문제‘의 관점으로 접근하는 ‘패권 = 에너지 통제권‘의 관점에서 바라본다면, 고도의 에너지 사용을 필요로 하는 기존 고전컴퓨터 체계에서는 선진국과 후진국, 계층간 지식불평등의 문제가 심화될 수 밖에 없을 것이다. 이러한 기존질서에 대해 양자컴퓨터는 분명 중요한 전환점이 될 것이다. 정보차원의 문제뿐 아니라, 새로운 자산으로 떠오른 암호화폐(Cryptocurrency)의 문제까지 연관시켜 본다면 양자컴퓨터의 개발은 기존 금융 시장의 질서까지도 바꿀 수 있는 중요한 전환점이 될 수도 있지 않을까.

오류 정정은 고전컴퓨터에서 필수적인 기능이다. 예를 들어, 1만 번에 한 번이라도 계싼을 틀리는 컴퓨터라면 우리는 절대 이용하지 않지 않겠는가. 오류가 사실상 없는 무오류 상태가 아니라면 컴퓨터라고 부를 수 없다. 그리고 이 무오류 상태를 실현하는 것이 오류 정정이다. 오류 정정을 양자컴퓨터에 적용하려고 하면 커다란 장벽에 직면한다. 그것은 양자비트의 경우, 중첩 상태에는 비트 반전 이외에도 여러 오류가 존재할 뿐만 아니라, 오류가 발생했는지 안 했는지를 확인하기 위해 양자 상태를 직접 측정하면 파동 묶음이 수축해버린다. 즉, 고전적인 오류 정정과 같이 직접 측정해서 오류를 검출하는 것이 불가능하다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자컴퓨터> , p46/104

다만, 양자컴퓨터의 개발이 고전컴퓨터의 퇴출과 전면 대체를 의미하지 않는다. 그것은 관측 이전 불확실한 상태의 양자 상태의 특성에 기인하는 것으로, ‘오류 정정‘을 위해서도 고전컴퓨터와 양자컴퓨터의 병행 발전은 필수적이다. 결국, 양자컴퓨터가 빠른 연산과 전력 소비를 줄이더라도 고전컴퓨터의 한도 내에서 가능하다는 것인데, 이같은 내용이 컴퓨터 분야에만 한정된 것을 아닐 것이다.

과거 칼 마르크스(Karl Marx, 1818~1883)가 <자본론 Das Kapital>에서 언급했던 것처럼 가변자본이 불변자본을 대체했고, 더 올라가 토머스 모어(Sir Thomas More, 1478~1535)의 <유토피아 Utopia>에서 양이 사람을 잡아 먹는 상황에서도 결국 노동력(Labor power)는 지금까지 살아왔던 것처럼 인공지능(AI) 시대에서도 인간은 대체될지언정 사라지지 않을 것임을 생각하게 된다.

아직 양자컴퓨터의 시대는 열리지 않았다. 매우 빠른 속도로 개발되고 있다고 하지만, 제논의 역설에서 아킬레우스가 영원히 거북이를 이기지 못하듯 양자컴퓨터가 상용화되는 시점은 먼 미래가 될 수도 있을 것이다. 그럼에도 불구하고, 먼 미래가 될 지 모를 양자컴퓨터가 오늘날 우리에게 의미를 갖는다면, 지속가능한 에너지의 사용과 인본주의에 대한 우리의 고민이 아닐까를 생각하며 책 리뷰를 마무리한다...