*본 포스팅은 출판사로부터 도서를 제공받아 주관적으로 작성한 리뷰입니다.

현대사회를 살아가는 우리는 멀티버스라는 용어에 익숙한 것 같다. 상상의 나래를 펼치는 소설가들과 SF 영화 기술의 발달과 함께 멀티버스 영상을 쉽게 구현가능하게 되어 많은 멀티버스 영화들이 만들어 졌고 많은 흥행을 이뤄냈다. 멀티버스(Multiverse)는 우리 우주와 함께 존재하는 다른 우주들의 집합을 말한다. 즉 우리 우주 이외에 또 다른 많은 우주들이 존재한다는 것이다. 멀티버스가 존재하는지에 대한 과학적 증거는 아직까지는 없지만, 물리학자와 철학자들은 오랫동안 멀티버스의 가능성에 대해 논의해 왔다고 한다.

멀티버스의 개념은 1895년 에드윈 애벗이라는 철학자에 의해 처음으로 제안되었다. 애벗은 우주가 무한하다면, 무한한 수의 우주가 존재할 수 있다고 주장했다. 멀티버스의 개념은 1950년대에 물리학자 알렉산더 휠러에 의해 다시 주목을 받았고, 휠러는 멀티버스가 우주가 팽창하는 과정에서 생성되었다고 주장했다. 이러한 개념의 멀티버스는 소설의 영역에서도 많이 도입되어 우리도 익숙한 '인터스텔라', '닥터 스트레인지＇ 등의 소설들이 많은 사랑을 받았다. 이 있습니다. 미국 코믹 북의 메인 주제로 많은 만화에도 도입된 멀티버스의 기본 가정은 멀티버스가 존재한다면, 우리 우주와는 매우 다른 특성을 가진 우주들이 존재할 수 있다는 것이다. 이러한 가정하에서 수많은 상상의 나래를 펼친 만화들도 사랑을 받고 있다. 또한 영화 산업에서도 이 멀티버스의 개념은 수많은 히트작을 양산하였다. 닥터 스트레인지: 대혼돈의 멀티버스 (2022), 에브리씽 에브리웨어 올 앳 원스 (2022), 닥터 스트레인지 (2016), 스파이더맨: 노 웨이 홈 (2021), 스파이더맨: 어크로스 더 유니버스 (2023) 등이 우리가 익히 감상했던 영화들이다. 그러면 진정 이러한 멀티버스가 가능할까?... 이 주제의 기본이 되는 양자역학에 대해서 심도있게 분석한 신간이 발간되어 읽을 기회를 얻었다. 제레미 해리스의 ＜이게 다 양자역학 때문이야＞ 였다. 어려운 양자역학을 수학이나 공식을 이용하지 않고 귀여운 고양이와 간단한 도형을 이용해서 쉽게 설명하고 있다. 양자역학이 나오기 까지의 짧고 깊이있는 역사와 보오로 부터 시작된 양자역학의 개념을 쉽게 알 수 있었다. ^.^

현대 물리학의 가장 성공적이면서도 가장 수수께끼 같은 이론인 양자역학은 20세기 초에 태동한 이래로 과학계와 일반 대중 모두에게 끊임없는 호기심과 혼란을 불러일으켜 왔다. 보통의 직관과 상식을 완전히 뒤엎는 이 이론은 미시 세계의 기본 법칙을 설명하지만, 그 의미를 해석하는 방법에 대해서는 여전히 첨예한 논쟁이 진행 중이다. 베이킹소다와 식초를 섞으면 예상치 못한 거품이 일어나듯이, 양자역학 역시 우리의 예상을 뛰어넘는 결과를 보여준다. 하지만 양자 세계의 신비는 우리가 익숙한 현실의 경계를 허물고, 물질과 에너지의 본질, 우주의 작동 방식, 심지어 의식의 역할까지도 재고하게 만든다.

우리가 일상에서 경험하는 거시 세계에서는 사물들이 명확한 위치를 가지고, 한 번에 한 장소에만 존재하며, 한 가지 상태만을 가질 수 있다. 하지만 양자 세계에서는 이런 제약들이 사라진다. 입자들은 동시에 여러 장소에 존재할 수 있고('중첩 상태'), 시계 방향과 반시계 방향으로 동시에 자전할 수 있으며, 심지어는 상호 모순되는 특성들을 동시에 가질 수도 있다. 누군가가 "왼쪽으로 돌면서 동시에 오른쪽으로 돈다고? 세상에 그런 게 어디 있냐?"고 따진다면, 양자역학은 "양자 세계는 그런 말도 안 되는 일이 수시로 일어나는 세계다. 그리고 양자 세계가 상식에서 벗어난 것은 내 책임이 아니다"라고 답할 수밖에 없다. 토머스 영의 이중 슬릿 실험은 양자역학의 기이함을 보여주는 대표적인 예다. 이 실험에서는 빛(또는 전자)을 두 개의 슬릿이 있는 장벽을 향해 쏜다. 만약 빛이 순수하게 입자의 성질만 가진다면, 우리는 두 개의 밝은 줄무늬가 나타날 것이라 예상할 수 있다. 하지만 실제로는 여러 개의 밝고 어두운 줄무늬가 교차하는 간섭무늬가 형성된다. 이는 빛이 입자이면서 동시에 파동의 성질을 가지고 있음을 시사한다. 더욱 놀라운 것은, 한 번에 하나의 입자만 쏘아도 시간이 지남에 따라 같은 간섭무늬가 나타난다는 것이다. 이는 단일 입자가 두 슬릿을 '동시에' 통과했다는 것을 의미하며, 우리의 일상적 경험에 완전히 배치되는 현상이다.

양자역학에서 가장 당혹스러운 개념 중 하나는 '관측'의 역할이다. 양자역학에 따르면, 관측되기 전까지 입자는 여러 가능한 상태들의 '중첩' 상태로 존재한다. 그러나 관측이 일어나는 순간, 이 중첩 상태는 '붕괴'되어 하나의 확정된 상태가 된다. 이 개념을 극명하게 보여주는 것이 바로 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 제안한 '슈뢰딩거의 고양이' 사고실험이다. 밀폐된 상자 안에 고양이와 독약 장치가 있고, 독약이 방출될지 여부는 방사성 원자의 붕괴라는 양자적 사건에 좌우된다. 양자역학에 따르면, 우리가 상자를 열어 관측하기 전까지 방사성 원자는 붕괴된 상태와 붕괴되지 않은 상태의 중첩 상태에 있다. 그리고 이에 따라 고양이도 살아있는 상태와 죽은 상태가 중첩된 상태로 존재한다는 것이다. 이 고양이 역설은 양자역학의 핵심 질문으로 이어진다: 왜 우리는 일상에서 '양자적 좀비 고양이'를 볼 수 없는 걸까? 왜 거시 세계에서는 물체가 여러 곳에 동시에 존재할 수 없고, 여러 가지 일을 동시에 할 수 없는 걸까? 이 질문에 대한 답을 찾기 위해 다양한 양자역학 해석이 제시되었다.

책에서는 거의 빌런으로 생각되는 보어의 이야기가 나온다. 실제로는 양자역학의 기초를 확립한 위대한 과학이이긴 하지만.... 보어의 붕괴이론 (코펜하겐 해석)은 재미있다. 닐스 보어와 그의 코펜하겐 학파가 제시한 이 해석은 오랫동안 '정통적 해석'으로 통용되었으며, 대부분의 교과서에서 가르치는 표준적인 해석이다. 이 이론에 따르면, 관측자가 물리계를 바라보는 순간 여러 개의 중첩된 상태가 붕괴되고 단 하나의 상태만이 최종 결과로 선택된다. 그러나 이 해석은 관측자의 역할에 과도한 중요성을 부여하고, "관측이 정확히 무엇인가"라는 근본적인 질문에 명확한 답을 제시하지 못한다. 또한 우주가 관측되기 전에는 어떤 상태였는지, 그리고 의식을 가진 관측자의 출현 이전에는 어떻게 붕괴가 일어났는지에 대한 의문을 남긴다. 저자는 이외에도 양자역학의 여러 이론을 기호와 재미있는 사례를 통해 설명해 준다. 다중이론, 그냥붕괴 이론 (GRW 이론), 유도 파동이론 등등... 수학을 통해 이해하려면 정말 어려운 이론을 쉽게 접근하게 한다. ^.^

그러나 1900년대 초에 아인슈타인이 나타나 모든 것을 망쳐버렸다. 아인슈타인은 세상을 향해 자신 있게 외친다. "어이, 복사에너지가 연속적이지 않고 불연속의 알갱이로 이루어져 있다는 막스 플랑크의 양자 가설을 알고 있나? 제레미가 이 책의 서론에서 이미 얘기했다고? 오케이, 좋아. 그런데 나는 복사에너지뿐만 아니라 빛까지도 불연속적인 알갱이로 이루어져 있음을 증명했어. 이 알갱이를 '광자'라 부르기로 했고 말이야. 분위기 파악했으면 다들 멍하니 서있지만 말고 빨리 가서 물리교과서를 새로 써야지!"                     p.39

바로 이것이 문제다. 우리는 다중우주 어딘가에 자신이 속해있다고 느낀다. 여기까지 오는 동안 자신이 어떤 선택을 했는지 기억할 수도 있다. 그러나 이 모든 선택은 본인의 의지가 아니라, 도저히 통제할 수 없는 양자적 사건의 결과였다. '그런 결정을 내린 주체는 분명히 나 자신이었다'고 느낄 수도 있다.(그래서 간간이 과거를 회상하며 자부심이나 수치심을 느낀다). 그러나 이런 느낌은 실체가 아니라, 생존에 필요한 '주체의식'을 스스로에게 심어주기 위해 우리의 뇌가 만들어 낸 이야기일 뿐이다.              p.230

요즘은 유튜브나 방송, 영화에서 양자역학이라는 용어를 흔하게 접할 수 있다. 그리고 우리는 ‘양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없다’는 것도 알고 있다. 양자역학을 이해하는 것과 이해하지 못하는 것의 차이조차 모르는 나는 이번에 출간된 ＜이게 다 양자역학 때문이야＞를 통해 양자역학을 이해하지 못한다는 것이 어떤 의미를 가지는지, 양자역학을 해석하는 다양한 방법에는 무엇이 있는지를 배울 수 있었다.

한국어로 옮긴 #박병철 번역가가 “책을 번역하면서 이렇게 웃어보긴 난생처음이다.” 고 소감을 밝힌 #이게다양자역학때문이야 , 제목부터가 웃음이 피식 나오게 하면서 도대체 어디서부터 어디까지가? 하는 궁금증을 생기게 하는 이 과학책!

#양자역학 을 다룬 다양한 도서들이 있는데 내용을 풀어내는 화법들은 저자에 따라 참 다양해서 고루 찾아보는 재미가 있다. 이 #물리학책 에서는 슈뢰딩거의 죽은 동시에 살아있는 고양이를 좀비 고양이로 등장시키며 그림들과 함께 개념을 설명해주고 있었다. 그 그림들에 대한 설명해서 알게 된 부호 하나는, 바로 ‘켓’ 이였는데, ‘켓은 그 안에 들어있는 대상의 “양자상태”를 의미한다’ 고한다.

그리고 이어지는 다양한 존재가능성에 대한 설명 등, 평행우주와 인간의 영혼 이슈까지 도마위에 올려놓은 양자역학의 파동-입자 이중성에 대한 많은 과학자들의 이론과 실험, 가설들... 표지의 개구진 이미지와는 달리, 깊이있는 이해를 위한 개론들과 그 연구 역사들, 변화되어온 방향성 등에 대하여 자세히 설명해주고 있는 책이였다.

개인적으로 무척 흥미로웠던 것은 ‘법칙을 깨는 양자역학’ 챕터의 분리되는 ‘나’에 관한 내용이였다. 관심사인 #다중우주 와 연결되기 때문이였다.

_어쨌거나 이 유효기간 동안 엄청난 수의 양자적 사건이 일어나고, 그 결과 우주는 수없이 많은 가지 우주로 분할된다. 데이비스 루이스의 이론에 의하면 한 개인은 하나의 특정한 양자 분할의 산물이며, 다중우주의 수많은 경로 중 단 하나의 특정 경로(특정한 역사)에만 존재한다._p227

그리고 기존의 양자역학 도서에서는 많이 다루지 않았던 #데이비드봄 의 이론들을 다양하게 언급하고 설명해주고 있는 것도 좋았던 책이였다. 비록 지금도 논란의 여지가 많은 그의 이론들이 있지만 어쨌든 양자역학의 발달사에서 빼놓을 수 없는 중요한 인물이라고 생각하기 때문이다. 덕분에 질문이 더 많아졌지만 말이다.

_그러나 정상적이고 유물론적인 이론을 꿈꿨던 봄에게 가장 중요한 문제는 이런 것이 아니었다. 뉴턴의 물리학이 플라톤의 동물 벽에 그림자를 드리웠을 때부터 과학을 무던히도 괴롭혀 왔던 문제, 가장 만족스러운 양자 이론조차 질퍽한 웅덩이에 빠져 허우적거리게 만드는 문제, 그것은 바로 인간의 ‘의식’이었다._p265

이 책은 어떤 정답을 던져주고 있지 않다. 그도 그럴것이 양자역학 분야는 계속 발견하고 수정되면 나아가고 있는 중이기 때문이다. 하지만 알면알수록 어느 것 하나 적용이 안되는 부분이 없다. 새로운 우주관이 계속 탄생되고 있는 이유도 거기에 있을 것이다. 결코 가볍지 않은 이 책을 통해 양자역학의 기본 개념 기초를 탄탄하게 만들어보기를 권하고 싶다. 그러면 나와 당신에 대한, 그리고 세상에 대한 이해의 깊이와 폭이 깊어지고 넓어질 수 있을 것이기 때문이다.

이 책을 옮긴 박병철 번역가에 따르면 책을 번역하면서 이렇게 웃어보긴 난생처음이었다고 한다. 그간 대중교양 수준의 과학서를 꾸준히 기웃거렸던 독자로서 역자의 말에 공감 100퍼센트 공감한다. 

이 책은 양자역학이라는 난해하고 충격적이며 신비로운 과학 영역을 일반인들이 읽을 수 있게 설명해 준다. 

양자역학은 아주 작은 세상의 작동 원리를 설명하는 놀랍고도 신비로운 과학이다. 놀랍고도 신비로운 이유는 원자와 분자들이 살고 있는 아주 작은 세계에서는 하나의 입자가 여러 장소에 ‘동시에’ 놓을 수 있고, 시계 방향과 반시계 방향으로 ‘동시에’ 회전할 수 있기 때문이다. 평범한 우리가 찰떡같이 믿고 있던 세상의 물리법칙을 허무는 새로운 물리학 분야가 바로 양자역학의 영역이다. 이 책에서도 등장하지만 보통 이런 설명을 들으면 평범한 사람들은 이렇게 질문한다. “그런 증거를 가져와봐!!” 저자 역시 이 질문은 백만 불짜리라고 말한다. 그러면 양자물리학을 연구하는 사람들은 이렇게 설명하기도 한다. 방금까지 분명히 입자는 동시에 여러 곳에 존재하고 있었는데, 당신이 그 입자를 관찰하는 순간 입자가 한 장소에만 남고 다른 곳에 존재하는 입자들은 순식간에 붕괴된 거야. 아…이건 또 무슨 소리인가. 그런데 바로 이것이 양자역학에서 말하는 '붕괴'의 개념이며, 그 유명한 닐스 보어의 설명이다. 

들으면서도 놀라운 양자역학의 세계를 나처럼 평범한 독자조차 구경하고 싶어 하는 이유는(이해하고 싶어 하는 이유라고 썼다가 지웠다) 이 이론으로 계산된 값이 실험으로 얻은 데이터와 놀라울 정도로 정확하게 일치하기 때문이다. 즉 양자역학은 호모 사피엔스의 탄생 이래 가장 정확한 이론으로 손꼽힌다.

이것들이 바로 이 책의 주제다. 이것은 당신과 나의 이야기이자 모든 인류에 관한 이야기이며, 우리의 믿음에 영향을 주는 학자들의 이야기이기도 하다(개중에는 가끔 사기꾼도 있다)."

이 책의 수준은 결코 얕지도 그렇다고 난해하지도 않다. 저자의 설명을 차근차근 따라가다 보면 드디어 ‘슈뢰딩거의 고양이’에 대해서 옆 사람에게 설명할 수 있게 된다. 

물리학에 특히 초점을 맞추고 있거나, 아니면 과학 전반에 대해 설명하는 교양 과학 책에서도 빠지지 않고 등장하는 것이 바로 ‘슈뢰딩거의 고양이’다. 

나 역시 이런저런 교양 과학 도서에서 슈뢰딩거의 고양이에 대한 설명을 꽤 여러 번 읽었는데, 정말로 기억에 거의 남지 않았다(아마도 양자역학의 희한한 특성을 감히 나의 어쭙잖은 빈약한 ‘이성’으로 이해하려 들었기 때문일 것이다. 양자역학은 ‘마음’으로 받아들여야 하는 영역 같다).

슈뢰딩거의 고양이를 저자는 ‘좀비 고양이’라고 설명한다. 앞서 말했듯이 양자역학의 세계에서 입자는 동시에 여러 곳에 존재하고 여러 상태로 있을 수 있다. 즉 이 세계에서 고양이는 죽어있는 동시에 살아있는 상태로 있을 수 있다는 말이다.

이 책을 복기하는 차원에서 슈뢰딩거의 고양이에 조금 더 말해보자. 이 고양이는 어떤 상자 안에 들어있다. 이 상자 안에는 자전감지기라는 특수장치가 있는데 전자가 시계방향으로 도는지 반시계 방향으로 도는지 감지한다. 감지기 옆에는 권총이 매달려 있다. 만약 전자가 시계방향으로 자전하면 ‘딸깍’하고 소리가 나면서 이 신호가 총에 전달되어 총알이 발사되고 고양이는 죽는다. 여러 번 반복해서 말했듯이 입자는 시계방향과 반시계 방향으로 동시에 돌 수 있다. 즉 권총이 발사되거나 발사되지 않거나 둘 다 가능하고 따라서 고양이는 죽었거나 살아있거나 동시에 두 상태로 존재할 수 있다. 이 고양이의 운명을 놓고 온갖 창의력을 동원해 설명했던 사람들이 바로 양자물리학자들이다.

한편 어떤 사람은  ‘붕괴’ 개념을 적용한 설명이 아닌 다른 설명을 내놓았다. 이 고양이는 어떤 타임라인에서는 살아 있고, 또 다른 타임라인에서는 죽었다는 것이다. 이것이 바로 휴 에버릿 3세가 제안한 ‘다중우주'의 개념이다!! 개개의 경우에 실험자는 단 하나의 결과만을 볼 수 있다. 실험자가 고양이의 상태를 관측하려는 순간 실험자는 여러 개의 타임라인으로 분리되고, 여러 개로 분리된 실험자는 각자 다른 결과 하나만을 보게 된다. 

저자는 이 난해한 양자역학의 세계를 술술 풀어간다. 보어의 붕괴이론에서 에버릿의 다중우주 이론으로, 고스와미의 우주의식과 데이비드 봄의 유도파동 등도 설명한다. 아니 그게 말이 되나?라는 독자의 난감함을 너무나 잘 알고 있는 저자는 우리가 이 질문을 던지기 전에 먼저 캐치한다. 저자는 양자역학이 어떤 식으로 인간의 영혼까지 과학적으로 논하게 되었는지 들려준다.

저자는 대학원 박사과정에서 물리학을 공부하다가 졸업 전에 실리콘밸리로 진출하여 인공지능 벤처 회사를 설립했다. 그는 지금 물리학의 역할이 그 어느 때보다 중요한 시기라고 보는데 그 이유는 인공지능의 급격한 발전과 관련 있다.

그는 앞으로 수십 년 안에 인간과 동일한 수준의 인공지능이 등장하고, 얼마 지나지 않아 인간을 능가하는 초인공지능이 개발될 것이라고 믿어 의심치 않는다. 인공지능이 놀라운 속도로 발전하면서 우리는 인공지능의 윤리에 대해 걱정하기 시작했다. 책임감 있는 인공지능이 가능할까?  자유의지를 가진 인공지능이 탄생하면 우리는 인공지능에게 도덕적으로 판단하라고 요구할 수 있을까? 한편 ‘자유의지’란 무엇인가. 수천 년 동안 철학자들과 과학자들이 설명하려 했던 자유의지는 앞으로 더욱더 중요한 문제가 될 것이다. 저자는 이때 과학에 의지하는 수밖에 없으며 그중에도 자연의 가장 근본적 원리는 물리학에 담겨있으니, 물리학으로 돌아가는 것이 최선의 선택이라 말한다.

저자의 설명을 듣다 보니 인공지능의 시대에 사는 우리에게 양자역학에 대한 기초적인 이해는 필수 교양이 아닐까 하는 생각이 든다. 동일한 문제를 놓고 다르게 생각하는 사람들의 생각들이 실험을 거쳐 이론이 되고, 우리는 이러한 이론에 기반하여 구축된 세상에서 살아가고 있으니 말이다.

* 출판사 제공 도서를 읽고 쓴 리뷰입니다.