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.