아인슈타인처럼 양자역학하기

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.”_서문에서

이 두 질문에 ‘예스’라고 답했다면, 당신은 현실주의자이며 지금 정설로 굳어진 양자역학을 납득하기는 어려울 것이다. 그것은 두 질문에 모두 ‘노’라고 답하기 때문이다. 지금의 양자역학은 이렇게 말한다. “관찰(의식)이 물질에 영향을 미친다. 우리는 확률만 겨우 알 수 있다. 예측은 불가능하다.” 또 이렇게 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.

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. 2부에서는 1950년대부터 시작된 현실주의적 접근법인 파일럿파 이론과 자발적 붕괴모형을 소개하고, 이론의 장점과 단점을 분석한다. 이를 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, 초결정주의를 소개하고, 각 이론의 한계와 보완 가능성을 짚는다. 더 나아가 그는 시간과 공간 중 근본적인 양은 시간이며 공간은 부수적인 개념임을 논증하고, 앞으로 우리가 이 세계를 더 잘 설명하게 될 가능성이 충분하다고 이야기한다. 서문에서 ‘돌멩이란 과연 무엇인가?’라는 질문으로부터 시작하는 이 책을 통해 독자들은 우리의 가장 근본을 이루는 물리적 실체에 대한 상상력을 마음껏 펼치고, 현실이야말로 겹겹이 신비롭고 놀라움을 느끼며, 완전히 새로운 관점으로 세상을 바라보게 될 것이다.

“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

***

[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〉

저자 : 리 스몰린 Lee Smolin

이론물리학자. 페리미터 이론물리학 연구소의 창립 멤버이자 수석교수. 워털루대학 물리학과 겸임교수이자 토론토대학 대학원 철학과 교수이며, 미국 물리학회와 캐나다 왕립학회 회원이다. 2008년과 2015년 두차례에 걸쳐 <프로스펙트>와 <포린 폴리시>에서 함께 뽑은 '21세기 가장 영향력 있는 대중 지성 100인'에 이름을 올렸다.

옮긴이 : 박병철

연세대학교와 한국과학기술원KAIST에서 이론물리학을 공부했고, 현재 과학 작가 및 번역가로 활동하고 있다.

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

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