양자역학은 아직 완성되지 않았고 아인슈타인의 혁명은 계속된다 양자역학을 이해하기 위해 현실적인 관점을 포기할 필요는 없다! 현실주의적 양자역학의 대표 주자 리 스몰린이 들려주는 과감하고 새로운 양자역학 이야기 ★★★ “앞으로 설명되어야 할 것들에 대한 최고의 설명.”_조지 다이슨, 《튜링 대성당》 저자 우리의 의식이 자연을 바꾼다? 양자역학은 그렇게 이상하지 않다! 아인슈타인으로 대표되는 현실주의적 관점으로 양자세계를 바라본다는 것은? 양자역학은 많은 이들이 신비롭고 기이한 것, 객관적인 세계가 존재함을 전제로 하는 기존의 과학과는 대비되는 것으로 여긴다. 하지만 그것이 지금의 양자역학이 무언가를 잘못 이해했기 때문이라면 어떨까? “모든 것은 다음 두 질문에서 시작된다. 첫째, 물질은 인간이 자신을 알건 모르건 상관없이 자신만의 안정적인 특성을 갖고 있는가? 둘째, 인간은 물질의 특성을 이해하고 서술할 수 있는가? 앞으로 이 책에서 제시할 답은 과학의 본질과 목적, 그리고 과학의 역할에도 중대한 영향을 미친다. 사실 이것은 현실과 환상의 경계에 관한 질문이다.”_17쪽 이 두 질문에 ‘예스’라고 답했다면, 당신은 현실주의자이며 지금 정설로 굳어진 양자역학을 납득하기는 어려울 것이다. 그것은 두 질문 중 적어도 하나에 ‘노’라고 답하기 때문이다. 지금의 양자역학은 이렇게 말한다. “관측이 물질에 영향을 미친다. 우리는 확률만 겨우 알 수 있다. 예측은 불가능하다.” 또 이런 식으로 말하기도 한다. “당신이 눈을 감았다가 뜨면 원자는 어디엔가 분명히 존재한다. 하지만 다시 눈을 감으면 원자는 ‘모든 가능성이 내재된 파동’으로 돌변한다. 그리고 다시 눈을 뜨면 원자는 ‘특정 위치를 점유하고 있는 입자’로 돌변한다.” 아인슈타인은 이런 설명이 말이 안 된다고 생각했고, 그래서 끝까지 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크 등이 주장한 반현실주의적 관점의 양자역학을 받아들이지 않고 새로운 양자이론을 찾으려고 했다. 이처럼 현실주의적 관점으로 양자의 거동을 설명하려는 시도는 아인슈타인뿐만 아니라 루이 드브로이, 데이비드 봄, 에르빈 슈뢰딩거 등의 인물에 의해 양자역학이 탄생할 때부터 이루어졌고, 지금까지도 계속되고 있다. 현실주의적 관점은 우리가 관측하지 않아도 자연은 명확한 속성을 가지고 있고, 양자의 거동이 기이하게 느껴지는 이유는 양자역학에 무언가 중요한 요소가 누락되었기 때문이라고 이야기한다. 이것은 양자 연구 일각의 관점이기도 하지만, 끈이론을 비롯한 반현실주의적 양자 연구가 한계에 부딪혀 더 나아가지 못하고 있는 지금 상황에서 유일하게 가능성이 있는 대안적 관점이기도 하다. 현실주의적 양자이론의 대표 주자이자 양자 중력 연구의 권위자인 리 스몰린은 이 책에서 양자역학이란 무엇인지, 그것은 왜 비현실적으로 느껴지는지, 지금의 이론은 어떻게 정설로 받아들여졌는지, 양자물리학이 풀어야 할 문제는 무엇인지, 양자물리학 연구는 지금 어디까지 왔는지 등의 물음에 차근차근 답하며 직관과 상식에 맞는 양자이론을 찾아가는 여정으로 우리를 안내한다. “양자세계에 들어선 독자들을 진심으로 환영한다. 부담 갖지 말고 부디 편안한 마음으로 읽어주기 바란다. 양자세계는 우리가 사는 세계이니, 남의 집에 무단 침입한 사람처럼 눈치를 볼 필요가 전혀 없다. 그리고 또 한 가지. 모든 미스터리가 풀린 세상보다 풀어야 할 미스터리가 아직 남아 있는 세상이 훨씬 매력적이지 않은가? 이런 점에서 우리는 운이 좋은 사람들이다.”_30쪽 가장 입체적이고 폭넓은 관점으로 만나는 양자역학의 이론·역사·철학 복잡한 수식 없이, 양자역학의 기본 개념부터 양자물리학 연구가 나아갈 방향까지 이 책의 가장 특징적이고 커다란 장점은 양자역학의 기본 개념과 이론을 복잡한 수식을 사용하지 않고 단순하지만 깊이 있게 설명하며, 그 논리가 닫혀 있지 않다는 점이다. 얽힘, 중첩, 관측 문제, 불확정성 원리 등은 어떤 양자역학 책을 펼쳐도 나오는 가장 기본적인 개념들이지만, 이는 지금 양자물리학 연구가 처한 한계와 풀리지 않은 미스터리로 가는 핵심 통로이기도 하다. 리 스몰린은 그 점을 놓치지 않고 양자역학의 기본 개념과 이론, 쟁점, 역사, 철학을 두루 다루며 매끄럽게 논지를 전개하면서 대가다운 면모를 보여준다. 이 책을 통해 양자역학을 처음 접하는 독자들은 어떤 학문이나 이론을 접하는 가장 좋은 방법은 연구의 쟁점과 역사를 살펴보는 것임을 느끼게 될 것이며, 양자역학에 이미 익숙한 독자들은 알쏭달쏭했던 부분을 명확히 정리하면서 양자역학이라는 학문을 더욱 입체적으로 만나게 될 것이다. “양자역학을 누구보다 불신했던 아인슈타인은 이론의 부족한 부분을 채워주는 ‘숨은 변수’가 어딘가에 존재하며, 이것을 추가하지 않는 한 양자역학은 절대로 완전한 이론이 될 수 없다고 주장했다.”_20쪽 이 ‘숨은 변수’를 찾아가는 과정이라고도 할 수 있는 이 책은 총 3부로 구성되어 있다. 1부에서는 양자역학의 개발사를 추적하는 데 필요한 기본 개념을 설명하며, 반현실주의를 대표하는 보어와 하이젠베르크가 현실주의의 최고봉인 아인슈타인을 누르고 물리학계의 주류로 떠오르게 되는 과정을 따라간다. 반현실주의와 현실주의의 논쟁은 거의 100여 년에 걸친 유구한 역사를 지니고 있다. 아인슈타인과 보어는 거의 40년간 논쟁했고 이들의 논쟁은 이후에도 큰 영향을 미쳤는데, 그들 각자가 무엇을 주장했고 어디에서 더 나아가지 못했는지를 면밀히 살펴본다. 2부에서는 1950년대부터 시작된 현실주의적 접근법인 드브로이의 파일럿파 이론과 데이비드 봄의 제자들이 제안한 자발적(물리적) 붕괴모형을 소개하고, 이론의 장점과 단점을 분석한다. 이 부분을 통해 양자역학은 현실주의자들도 얼마든지 수용할 수 있으며, 양자역학을 수용하려면 반현실주의자가 되어야 한다는 주장은 사실이 아님을 이해할 수 있다. 마지막 3부에서는 먼저 저자를 포함한 현실주의 물리학자들이 현재 연구 중이며 이후의 발견에 디딤돌이 될 파일럿파 이론, 자발적 붕괴모형, 역인과율, 과거에 기초한 접근법, 상호작용을 교환하는 고전적 다중세계, 초결정주의 이론을 정리하고, 각 이론의 한계와 보완 가능성을 짚는다. 더 나아가 그는 시간과 공간 중 근본적인 양은 시간이며 공간은 부수적인 개념임을 논증한다. 독자들은 시공간이라는 물리적 개념을 설명하는 또 다른 방식을 알게 될 것이다. 이 과정을 통해 스몰린은 우리가 아직 아인슈타인이 던졌던 질문의 해답을 찾지는 못했지만 질문을 아인슈타인보다 더 잘 이해하고 있기에, 앞으로 우리가 이 세계를 더 잘 설명하게 될 가능성은 충분하다고 이야기한다. 서문에서 ‘돌멩이란 과연 무엇인가?’라는 질문을 던지며 시작하는 이 책을 통해 독자들은 우리의 가장 근본을 이루는 물리적 실체에 대한 상상력을 마음껏 펼치고, 현실이야말로 겹겹이 신비롭고 놀라움을 느끼며, 거인의 어깨 위에 선다는 것이 무엇인지 경험하고, 완전히 새로운 관점으로 세상을 바라보게 될 것이다. *** [추천평 이어서] “스몰린은 오랫동안 이론물리학의 리더 자리를 차지하고 있는 매우 창조적인 학자이자, 탁월한 이야기꾼이다. 그는 과학이 어떻게 매력적이고 흡인력 있는 이야기가 될 수 있는지에 대한 통찰이 있으며, 그것을 글로 옮겨낸다. 양자역학의 작동 방식에 관한 그의 서술은 쉽고 우아하다.”_미국 공영 라디오(NPR) “스몰린의 책은 가장 동시대적이고 또 가장 개인적이다. 여기에는 차가운 해설자가 아니라 실체의 본성에 관한 쟁점을 자신의 언어로 열정적으로 풀어내며 기꺼이 논쟁에 뛰어드는 연구자가 있다. 우리의 앞길은 희미하지만, 어떻게 물리학이 오늘날의 자리까지 오게 되었는지를 밝히고자 하는 스몰린 같은 연구자들은 최소한 그 답을 찾아나가는 여정을 더 수월하게 만들 것이다.”_〈더 글로브 앤 메일〉

서문 1부 비현실에 대한 믿음 1장 자연은 숨기기를 좋아한다 2장 양자 3장 양자는 어떻게 변하는가 4장 양자는 어떻게 공유되는가 5장 양자역학으로 설명되지 않는 것들 6장 반현실주의의 승리 2부 다시 태어난 현실주의 7장 현실주의의 도전-드브로이와 아인슈타인 8장 데이비드 봄-되살아난 현실주의 9장 양자상태의 물리적 붕괴 10장 마술 같은 현실주의 11장 비판적 현실주의 3부 양자를 넘어서 12장 혁명의 대안 13장 교훈 14장 원리가 먼저다! 15장 관점의 인과론 에필로그/혁명. 나에게 남기는 메모 감사의 말 옮긴이의 말 주 용어 해설 더 읽을거리 찾아보기

“이것이 바로 그 유명한 관측 문제로, 1920년대에 제기된 후 지금까지 해결되지 않은 채 남아 있다. 100년이 다 되도록 전문가들 사이에서 의견 일치를 보지 못했다는 것은 자연의 기본적 단계에서 우리가 아직 이해하지 못한 부분이 남아 있다는 뜻이다. 그러므로 하나의 원자가 여러 곳에 동시에 존재할 수 있는 양자세계와 모든 사물의 위치가 하나로 명확하게 정의되는 일상적인 세계 사이에 어떤 ‘변환점’이 존재할 것이다. 수십 개의 원자로 이루어진 분자를 양자역학으로 서술하면서 고양이를 양자역학으로 서술할 수 없다면, 둘 사이의 어딘가에 양자역학이 더 이상 적용되지 않는 경계선이 존재해야 한다. 관측 문제의 해답을 찾으면 양자세계와 일상적 세계의 경계선이 어디에 있는지, 그리고 변환이 어떤 식으로 일어나는지 알게 될 것이다. 물리학자들 중에는 자신이 관측 문제의 해답을 알고 있다고 확신하는 사람들이 있다. 이들이 주장하는 내용은 뒤에 소개할 것이다. 나중에 알게 되겠지만, 관측 문제를 해결하려면 그에 상응하는 대가를 치러야 한다.”_37~38쪽, 〈1장. 자연은 숨기기를 좋아한다〉 중에서 “나는 1970년대부터 양자역학의 문제점을 극복하기 위해 끊엄없이 노력해왔는데, 지금처럼 낙관적인 적이 없었다. 이것이 바로 이 책을 집필하게 된 세 번째 이유이다. 독자들은 이 책을 통해 양자의 한계를 넘어선 세계를 접하게 될 것이다.”_45~46쪽 “양자역학이 우주 전역에 걸쳐 적용된다는 점에는 파일럿파 이론도 전적으로 동의한다. 단, 모든 시간과 장소에 적용되는 것은 파동함수의 진행과 관련된 제1규칙뿐이며, 관측에 의해 파동함수가 붕괴된다는 제2규칙은 적용되지 않는다. 이는 곧 관측행위를 여타의 물리적 과정과 구별하지 않는다는 뜻이다. 파일럿파 이론에 의하면 모든 만물(원자, 광자, 가이거계수기, 고양이, 사람 등)은 파동과 입자라는 두 개의 ‘실체’를 동시에 갖고 있다. 고양이나 가이거계수기처럼 수많은 원자로 이루어진 거시적 물체들은 파동성과 입자성이 엄청나게 복잡하다. 예를 들어 고양이의 특성을 양자역학적으로 서술하려면 고양이를 구성하는 모든 입자의 위치를 일일이 알아야 한다. 여러 입자의 상대적 위치정보를 배열이라 하는데, 고양이를 구성하는 원자가 워낙 많기 때문에 고양이의 배열을 서술하려면 엄청난 양의 정보가 필요하다.”_177쪽, 〈8장. 데이비드 봄-되살아난 현실주의〉 중에서 “위에 언급한 이론들 중 일부에서 자발적 붕괴는 무작위로 일어나고 붕괴될 확률만 예측할 수 있다. 처음에 시작했던 불확정성과 확률로 되돌아간 셈이다. 확률은 무지나 신념의 결과가 아니라 근본적인 법칙에 내재되어 있다. 붕괴가 무작위로 일어나면 양자역학의 불확정성을 설명할 수 있으며, 오직 관측행위만이 파동함수를 붕괴시킬 수 있다는 불편한 가정을 내세울 필요도 없다. 그러므로 확률은 현실주의적 관점에서 완벽하게 설명되며, 이것은 매우 큰 장점이라 할 수 있다(물론 결정론을 원하는 사람에게는 단점으로 보일 것이다). 이로부터 유도되는 또 하나의 결론은 기본법칙들이 비가역적이라는 것이다. 따라서 시간이 오직 미래로만 흐른다는 것은 물리법칙의 가장 기본적인 단계에 새겨져 있다. 이것을 붕괴모형의 단점으로 간주하는 사람도 있지만, 나는 매우 긍정적인 결과라고 생각한다.”_189~190쪽, 〈9장. 양자상태의 물리적 붕괴〉 중에서 “이로써 우리는 주어진 시스템을 양자계와 고전계로 분할하는 다섯 가지 방법을 갖게 되었다. 여기서 ‘양자’란 중첩상태에 놓일 수 있다는 뜻이고, ‘고전’은 모든 물리량이 명확한 하나의 값을 갖는다는 뜻이다. 이 두 가지 서술은 서로 일치하지 않는 것처럼 보인다. 나의 관점에서 볼 때 사라는 중첩상태에 놓여 있지만, 사라는 자신이 항상 명확한 상태에 있다고 생각할 것이기 때문이다. 로벨리는 이 두 가지 서술이 모두 옳으며, 둘 다 이 세계에 대한 부분적 서술이라고 주장했다. 모든 서술은 진실의 일부로서, 경계선을 통해 정의된 부분적 세계를 올바르게 서술한다는 것이다. 과연 큰 상자 속의 사라는 중첩상태에 놓여 있을까? 아니면 살아 있는(또는 죽은) 고양이를 뚜렷하게 보고 있을까? 로벨리의 논리에 의하면 굳이 둘 중 하나를 선택할 필요가 없다. 물리적 사건과 과정에 대한 서술은 양자계와 고전계의 경계선을 그리는 방법에 따라 달라지며, 모든 경계선은 똑같이 타당하다. 그리고 모든 서술은 총체적 서술의 일부이다. 간단히 말해서, ‘고양이가 살아 있다’는 사라의 관점도 옳고, ‘산 고양이를 보는 사라와 죽은 고양이를 보는 사라가 중첩되어 있다’는 나의 관점도 옳다. 하나의 특정한 관점에서 입증될 수 없는 진실이 과연 존재할 것인가? 아마도 로벨리는 ‘없다’고 단언할 것이다.”_259~260쪽, 〈12장. 혁명의 대안〉 중에서 “원리와 가설을 건너뛴 채 곧바로 모형의 구체적인 부분을 파고들다 보면 미시적 요소에 갇혀서 길을 잃기 쉽다. 언젠가 파인먼은 나와 대화를 나누다가 이런 충고를 한 적이 있다. “연구 중에 떠오르는 모든 의문은 자연과 관련된 질문으로 바꿔야 한다. 그렇지 않으면 이론의 세세한 부분에 발이 묶여서 시간만 낭비하고 자연에 대해서는 아무것도 알아낼 수 없을 것이다.” 작은 나무에 사로잡혀 숲을 보지 못하는 것도 문제지만, 각기 다른 모형을 지지하는 학자들끼리 목소리를 한껏 높이며 학문적 세력다툼을 벌이는 것은 더 큰 문제이다.”_294쪽, 〈14장. 원리가 먼저다!〉 중에서 “인과율의 관점에서 볼 때 근본적인 양은 시간이다. 가장 근본적인 법칙은 미래의 사건이 과거의 원인으로부터 일어난다는 인과율이다. 시간은 과거로 흐를 수 없다. 현재의 사건으로부터 미래의 사건이 발생하는 과정은 거꾸로 진행되지 않는다. 즉, 한번 일어난 사건은 절대로 되돌릴 수 없다. 공간은 부수적인 개념이다. 근본적으로 공간은 존재하지 않는다. 하나의 사건이 원인을 제공하여 후속 사건이 발생했을 때 두 사건은 인과율을 통해 연결된다. 모든 사건은 인과의 네트워크로 연결되어 있으며, 공간은 이 네트워크를 대략적으로 서술한 것에 불과하다. 따라서 국소성과 비국소성도 부수적 개념에 속한다.”_305~306쪽, 〈14장. 원리가 먼저다!〉 중에서 “나는 나 자신에게 줄곧 말해왔다. “지금은 아직 아니다. 박사과정을 마치면 그때부터 위험을 감수하겠다 …. 포스트닥(박사후과정)을 마친 후에 생각해보자 …. 교수가 된 후에 시작하자 …. 종신교수직을 확보한 후에….” 그러나 종신교수가 된 후에도 저명한 교수들은 정부와 각종 재단에 연구비를 신청해야 하고, 명예로운 자리도 지켜야 하고, 누구나 부러워하는 상도 받고 싶어진다. 그래서 파격적인 연구를 차일피일 미루다 보면 어느덧 노교수가 되고, 은퇴를 해야 비로소 부담 없이 모험을 할 수 있게 된다. 누군가가 이 점을 지적하면서 나를 궁지로 몰아넣는다면 나도 할 말이 있다. 각종 세미나와 교수회의, 논문지도, 강의, 비행기, 호텔, 학술회의 등에 치이다 보면 50～60대는 금방 지나간다. 이 와중에 배우는 한 가지 교훈은 학자로서의 삶이 유한하다는 것이다.”_354~355쪽, 〈에필로그/혁명〉 중에서