우리를 방정식에 넣는다면

뇌과학, 신경과학, 인공지능, 양자역학…

마음의 물리학이 밝혀지고 있다면

이 책에서 그 여정을 만날 수 있을 것이다

"오늘날 우리 지식의 최전선에서 진행되고 있는

가장 깊고 매혹적인 탐험 중 하나에 대한 유쾌한 이야기"

-카를로 로벨리, 『시간은 흐르지 않는다』 저자

2024년 노벨물리학상은 물리학 연구로 인공지능 개발에 기여한 두 명의 과학자에게 돌아갔다. 수상자인 존 홉필드는 인간 뇌에서 정보 전달을 하는 뉴런 활동을 모방하여 AI의 핵심인 인공신경망을 개발한 것으로 알려져 있다. AI 분야에서 노벨상 수상자가 나온 것은 이번이 처음이다.

이 연구의 출발점이자 관건은 '인간이 마음이 어떻게 작동하는가?'에 대한 답을 과학적으로 찾아내야 한다는 것이다. 오랫동안 과학, 그중에서도 물리학은 인간의 마음을 설명하는 것과는 거리가 멀다고 여겨져 왔다. 하지만 이 책 『우리를 방정식에 넣는다면』은 노벨물리학상 수상자인 존 홉필드와 제프리 힌턴을 비롯해 지금 현재 진행되고 있는 과학자들의 연구가 인간의 뇌와 의식, 설명할 수 없는 마음의 문제를 왜 연구해야 하는지, 어떤 연구가 이루어지고 있는지 그 복잡하고 흥미로운 여정을 담고 있다. 현대 물리학과 신경과학이 만나 정신세계의 비밀을 탐험하고, 물리학자들은 그동안의 연구를 인공지능에 적용해 인류를 상상할 수 없던 미래에 다가서게 한다.

수세기동안 물리학자들은 외부를 관찰하는 것이 중요하다고 생각했으나, 아원자 영역을 탐구하기 시작하면서 ‘우리가 본다는 사실’이 관찰하는 대상에도 영향을 미친다는 것을 알게 되었다. 그렇기에 이 세계를 연구하려면 물리학자들은 사람의 의식을 설명할 수 있어야 한다. 이것은 물리학의 범주를 넘어서 신경학자들과 철학자의 자문을 구해야 할 필요가 있다는 뜻이었다.

인간의 마음과 뇌라는 복잡한 문제를 알아가기 위해서는 한 분야의 연구로는 부족하다. 그동안 신경과학자들은 뇌의 형태와 기능에 대해서는 철저하게 탐구해왔다. 이것이 과연 뇌신경학이 아닌 다른 체계에도 적용되어 물리학자들과 인공지능 연구자들에게 도움이 될 수 있을까? 반면 물리학자들은 분자들이 어떻게 조직화해 우리 주위의 사물로 형성되는지 설명해준다. 그들의 발견이 혹시 뉴런의 화학반응이 어떻게 지각적 경험으로 이어지는지 설명해줄 수 있을까?

수많은 수상경력을 가진 과학 작가인 조지 머서는 이 책에서 현대 물리학의 최전선에 있는 과학자들의 연구에 다가간다. 마음의 물리학이라는 미지의 영역, 모든 사람들이 궁극적으로 알고 싶어 하는 질문에 답하기 위해 양자학과 우주학, 인간의 정신과 인공 지능을 탁월하게 상호 연결하며 위와 같은 질문들을 탐험한다.

과학자들이 사랑하는 과학 작가

조지 머서가 초대하는 마음의 물리학을 밝히는 여정

이 책의 시작은 자각몽에 대해 궁금증을 가졌던 이탈리아 물리학자 지오반니 라부포의 이야기에서 출발한다. 자각몽은 꿈꾼다는 것을 인지하면서 꿈을 꾸는 상태를 말하는데, 라부포는 이 자각몽을 경험한 후에 인간 뇌의 복잡함에 대해 깊게 고민하게 된다. 이후에도 물리학 연구를 이어가던 그는 결국 신경과학자들을 만나 이러한 정신세계의 비밀을 파헤치기 위한 연구로 방향을 틀게 된다. 그는 언젠가 사람의 뇌가 자각몽과 같은 말로 설명할 수 없는 경험을 느끼는 이유에 대해 밝혀낼 수 있을 거라고 생각한다.

이런 수수께끼와 같은 현상과 물리학을 연관 짓는 것이 아직 낯설게 느껴질 수도 있다. 그동안 우리는 물리학이 단단한 원소로 이루어진 물질을 다룬 과학이라면, 마음은 말랑하고 감상적인 무언가로 둘은 전혀 다른 영역에 있다고 생각했다. 마음은 우아한 방정식으로 나타낼 수도 없고, x축과 y축으로 표시한 그래프 위에 그릴 수도 없는 것이라고 말이다.

이처럼 현대 과학이 태동하기까지 마음과 물질이 분리되면서 물리학이 탄생했지만, 이제 뇌를 연구하기 위해서는 마음과 물질을 통합해야 한다는 것은 분명한 사실이 되었다. 조지 머서는 뇌과학과 신경 분야의 세계적인 석학들을 만나 지금까지의 연구동향과 전망을 듣는다. 그들과 나눈 대화, 연구들이 진행되는 흥미로운 과정, 거기에 날카로운 분석력을 발휘해 인간의 의식세계에 다가가고 있다. 현대 물리학과 신경과학이 만나 밝혀낸 마음의 이론과 미래 세계를 뒤흔들 위대한 발견들의 초석이 이 책에서 공개되는 셈이다.

우리의 마음은 세상을 이해하도록 진화해왔다

인간의 마음과 뇌는 가장 신비로운 분야이자, 우리가 풀어야 할 가장 중요한 도전과제이다. 그를 위해서는 지금 전 세계의 현대 물리학자에게 양자 역학의 수수께끼보다 더 시급하게 풀어야 할 문제는 없다. 하지만 아직까지도 갈 길이 먼 이 연구는 과학계 내에서도 의견이 많이 갈린다. 한 방에 세 명의 물리학자가 있으면 네 가지의 양자 역학 정의가 나온다는 말이 있을 정도다.

물리학자이자 뉴욕대 교수인 데이비드 차머스는 이론 물리학자들은 미친 생각 하는 걸 좋아하며, 이 이상한 상상들을 신경과학을 비롯한 과학계에 불어넣는 것이 필요하다고 말한다. “현대의 이론들로는 설명할 수 없는 일을 밝히려고 양성자를 열어보고 하늘을 샅샅이 탐색할 때마다 물리학자들은 무엇보다도 큰 예외가 우리 두개골 안에 놓여 있음을 알고 겸허해진다.”

이 드넓은 우주의 먼지 같은 존재인 인간은 아직 모르는 것이 너무나 많다. 하지만 인류의 역사 동안 우리의 마음은 결국 세상을 이해하도록 진화해왔다. 그리고 우리 역시 그 세상의 일부다. 『우리를 방정식에 넣는다면』은 인류가 풀어나가야 할 수수께끼 앞에서 얼마나 겸허해야 하는지를 알려주면서 한편으로는 앞으로 펼쳐질 미래에 대해 마음껏 상상을 펼치도록 하는 흥미로운 과학책이다. 

지은이 : 조지 머서 

대중과 과학자 모두에게 사랑 받는 과학 작가이자 수많은 수상 경력을 가진 과학 저널리스트다.

최신의 과학 이론을 대중들에게 이야기하는 전달자로서 활발한 강연과 방송 활동을 하고 있으며, 현재는 CNN, NPR, BBC 등의 과학 방송에 출연하고 있다.

《사이언티픽 아메리칸 Scientific American》의 객원 편집자이고 《콴타 매거진 Quanta Magazine》에 정기적으로 글을 기고하고 있다. 미국 천문학회 조너선 에버하트 행성학 저널리즘상과 미국물리학협회 과학 저널상을 수상했다.

저서로는 『바보를 위한 끈 이론 가이드 The Complete Idiot’s Guide to String Theory 』 『유령 같은 원거리 작용 Spooky Action at a Distance 』을 썼다. 미국 뉴저지주에서 아내와 딸, 슈나우저 한 마리와 함께 살고 있다. 

옮긴이 : 김소정 

생물학을 전공했고 과학과 역사를 좋아한다. 동네에서 꾸준히 하고 있는 독서 모임과 번역계 동료들과 함께하는 번역 공부로 하루하루를 채워간다. 오랫동안 번역을 했으면 하는 바람이 있다.

옮긴 책으로는 『아주 사적인 은하수』 『중력에 대한 거의 모든 것』 『이 작은 손바닥 안의 무한함』 『남아 있는 모든 것』 『만물과학』 등이 있다.

1. 물질과 마음이라는 어려운 문제

2. 신경망 혁명

3. 마음의 물리학

4. 뇌와 양자론

5. 1인칭 물리학

6. 우주를 생각한다는 것

7. 실재의 단계들

8. 시간과 공간

에필로그 : 정말로 그렇게 어려울까

주석

참고문헌

감사의 글