“양자역학을 향해 떠나는 황홀한 여행”_브라이언 그린
화제의 과학 베스트셀러, 물리학 필독서

숀 캐럴의 신작 《다세계》가 출간되었다. 그의 네 번째 저서로, 출간 즉시 뉴욕타임스 ‘논픽션 종합’ 15위에 오르는가 하면, 아마존 ‘과학’ 1위에 랭크되기도 했다. 일반 독자들에겐 다소 생소할 수 있는 ‘양자역학’을 다룬다는 점을 고려해보면 이례적인 반응이다. 2021년 현재 아마존 서점 리뷰가 대략 1,500개에 달하며, 이는 한국 독자들에게도 익숙한 브라이언 그린, 카를로 로벨리 등에 비견되는 화제성이다. 그만큼 이 책은 과학, 특히 물리학 분야의 필독서로 여겨지고 있다. 현대 물리학의 정수이자 “인류의 가장 위대한 지적 성취”인 양자역학을 알고자 할 때, 결코 빠뜨릴 수 없는 책이다.

이 책은 양자역학을 다루되, 점점 한계에 부딪히는 표준 양자역학의 강력한 대안인 ‘다세계’ 이론의 관점에서 접근한다. 다세계 이론에 따르면, 우리가 살고 있는 이 세계는 유일한 세계가 아니다. 매순간 서로 다른 수많은 세계들이 복제된다. 이를테면 수많은 세계들 중 어떤 세계에서는 “갑자기 지금 타지마할의 복제물이 달에 나타나는 결과를 얻을 수”도 있다(‘타지마할 정리’). 또한 여러 세계들 각각에 수많은 ‘나’가 존재하게 된다. 많은 SF물의 소재인 평행우주를 떠올리면 다세계가 뜻하는 바를 거칠게나마 파악할 수 있을 것이다.

다세계 양자역학은 ‘극도로 간결한 양자역학’이라고 할 수 있는데, 단 두 가지 요소만을 이론에 남겨놓기 때문이다. 바로 ‘파동함수’와 ‘슈뢰딩거 방정식’이다. 표준 교과서 양자역학은 물론 그 대안들인 드브로이-봄 이론이나 큐비즘 같은 이론에는 그 밖의 요소들이 덧붙는다. 반면, 다세계 이론은 단지 파동함수와 슈뢰딩거 방정식으로 모든 것을 설명해낸다. 간결하고 우아하며, 뉴턴의 깔끔한 고전역학처럼 아름답기까지 하다. 다만 그 우아함의 대가로 수많은 복제 세계를 받아들일 것을 요구한다. 조금씩 다른 세계들에 수많은 내가 각기 살고 있다는 것이다.

저자는 ‘직관’이 아닌 ‘객관’에 따를 것을 강조하며, 다세계 이론을 대담하게 옹호해나간다. 그리고 다세계 양자역학을 주장하는 순간, 뒤따라 나오는 여러 질문들에 차근차근 답한다. 얼마나 많은 세계가 존재할까? 다른 세계는 ‘진짜’ 세계일까? 다른 세계를 관찰할 수 없다면, 이런 세계가 존재한다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 그 세계들이 존재하는 공간은 어디이며, 그만큼의 공간이 우주에 마련되어 있는가? 등등. 심지어 숀 캐럴은 여러 세계들의 개수까지 구체적으로 제시할 만큼 정교한 설명을 해나간다.


교과서 양자역학의 한계를 넘어
대담한 진실과 마주하다

사실 1927년 닐스 보어 등의 코펜하겐 학파가 주도권을 잡은 이래, 표준 교과서 양자역학은 그동안 성공적이었다. 어쨌든 계산 결과가 정확했기 때문이다. 반도체와 컴퓨터 메모리 등은 교과서 양자역학의 성과물이다. 하지만 코펜하겐 학파는 양자역학의 토대에 대해서는 무척 무신경한 태도를 취했다. 이른바 ‘하이젠베르크 절단선’이라는 것을 두어, 전자와 같은 미시적인 관찰 대상에는 양자역학을 적용하고, 카메라 같은 거시적인 관찰 주체에는 고전역학을 적용했다. 그렇게 해도 계산 결과는 정확했으며, 그렇게 해야 우리의 직관적인 경험을 거스르지 않았기 때문이다.

다세계 양자역학은 직관보다는 객관에 방점을 찍는다. 거시적인 존재들 역시 궁극적으로는 양자로 구성되어 있는 만큼, 당연히 고전역학이 아니라 양자역학을 따라야 마땅하다는 것이다. 그러므로 다세계 이론은 “모든 것이 양자”라는 전제하에 이론을 전개한다. 그리고 이러한 양자계를 설명하는 데는 파동함수와 슈뢰딩거 방정식, 이 두 가지면 된다는 입장이다.

중요한 점은, 이런 양자역학의 토대에 관한 대담한 입장이 향후 실제적인 연구의 돌파구가 될 수 있다는 것이다. 그간 표준 양자역학에서는 토대에 관한 연구가 불필요한 사변으로 간주되어 오히려 연구 경력의 평판을 저해해왔다. 하지만 양자장 이론이나 양자 중력 등 연구의 지평을 넓히려 한다면, 양자역학의 토대에 관한 연구가 절대적으로 중요하다. 다세계 이론은 이런 토대에 관한 연구 중 가장 합리적이고 신뢰할 만한 이론이다. 저자의 말을 들어보자.

“기존의 양자역학은 완벽하지는 않지만 적절한 일관성을 지닌 체계로서 이제껏 성공적이었다. 하지만 그러한 접근이 단순히 감당해낼 수 없는 상황들이 있는 것도 사실이다. 성공이 사실을 가려서는 안 된다. 특히 시공간의 본질과 전체 우주의 궁극적인 운명을 이해하려면 양자역학의 토대에 관한 연구가 절대적으로 중요하다. 몇 가지 새롭고 흥미로운 실험적 제안들을 소개할 텐데, 그것들은 양자 얽힘과 시공간의 곡률(즉 당신과 내가 ‘중력’이라고 알고 있는 현상) 사이의 관계에 관한 도발적인 제안을 하고 있다. 중력에 관한 완전하고 강력한 양자 이론을 찾는 것은 최근 몇 년 동안 중요한 과학적 목표로 인식되어왔다. 그런데 어쩌면 중력을 ‘양자화’하는 것으로 시작하는 게 아니라, 양자역학 자체를 더 깊이 파고들어 중력이 그 속에 도사리고 있음을 발견하는 것이 해답일지 모른다.”_14쪽


양자역학의 최전선에서 보내온 결정판
“어마어마하게 재미있다.”_조던 엘렌버그, 《틀리지 않는 법》 저자

이 책은 원제가 “Something Deeply Hidden”으로 2019년 미국에서 출간되었다. “깊숙이 숨겨져 있는 어떤 것”이라고 해석되는데, 이는 수많은 변형으로 이어지는 우주 파동함수 속의 존재를 가리킨다. 원제가 이 책의 내용을 시적이고 신비스러운 뉘앙스로 담아내고 있기는 하지만, 한국 독자들에게 막연하게 느껴진다고 생각해 “다세계”로 한국어판 제목을 새로 붙였다. 번역자 김영태는 서울대 물리학과를 졸업하고 미국 UC버클리에서 물리학 박사 학위를 받은 양자역학의 전문가다. 대학 교재인 《일반물리학》의 공역자이자, 여러 대중서를 번역 또는 집필해왔다. 프시케의숲 편집부의 꼼꼼한 원문 대조 과정을 거쳐 오랜 준비 끝에 비로소 한국어판을 출간하게 되었다.

이 세계에서 이 책의 한국어판은 독자들의 관심을 받을까, 아니면 외면 받을까? 다른 평행우주에서 이 책이 초미의 관심사가 된다 해도, 이 우주에서 외면 받는다면 편집자 ‘나’는 무척 의기소침해질 것이다. 반대로 다른 평행 우주에선 초판도 안 팔리더라도, 어쨌건 이 세계에서 중쇄를 찍는다면 편집자 ‘나’는 기분이 좋을 것이다. 이로 미루어볼 때, 다세계 이론을 받아들여 수많은 ‘나’가 존재한다 해도, 그 ‘나’들끼리는 사는 데 서로 영향을 미치지 않고, 정체성의 위기도 크게 없을 것임을 알 수 있다. 저자의 말마따나 “겁내지 말 것!”
“인류의 가장 위대한 지적 성취인 양자역학을 향해 떠나는 황홀한 여행. 저자는 기묘한 양자의 정체를 대담하면서도 명료하게 드러낸다.”
- 브라이언 그린 (물리학자, 『엘러건트 유니버스』 저자)


“숀 캐럴은 가장 우아하고 용감한 접근법인 다세계 이론을 아름답게 기술한다. 찬반 입장에 대한 저자의 설명은 깔끔하고, 공평하며, 철학적으로도 ‘깜놀’이다.”
- 스티븐 스트로가츠 (코넬 대학교 수학과 교수, X의 즐거움 저자)


“노벨 물리학상 수상자 리처드 파인만은 ‘양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다’고 말했다. 양자역학의 난해함을 강조하는 말이지만, 물리학자에게는 양자역학을 이해하려고 노력하지 않아도 될 면죄부가 되기도 한다. 하지만 숀 캐럴은 이 책에서 양자역학을 이해하는 것이야말로 물리학의 가장 중요한 목표가 되어야한다고 주장한다. 캐럴은 양자역학을 이해하는 방법의 하나인 다세계 해석을 지지하는데, 이를 바탕으로 물리학의 여러 심오한 난제들에 대한 실마리를 찾아간다. 양자역학의 역사나 내용에 대한 책은 많지만, 이해나 해석에 대한 책은 드물다. 이 책은 양자역학의 여러 해석들을 소개하고, 다세계 해석의 물리적 내용과 철학적 함의를 숀 캐럴 특유의 쉽고 간결한 언어로 아름답고 우아하게 설명한다. 지적인 감동을 주는 양자역학 책이다.”
- 김상욱 (경희대 물리교육과 교수)


“어마어마하게 재미있다. 우주, 아니 우주‘들’에 있는 양자의 근본적인 기이함과 마주하게 해준다.”
- 조던 엘렌버그 (《틀리지 않는 법》 저자)


“이 책은 파인만의 QED에 버금가는 걸작이다. 내가 지금까지 본 가장 인기 있는 양자역학 대중서 두 권 가운데 하나이다.”
- 스콧 아론슨 (텍사스대학 양자정보센터 소장)

P. 9 양자역학은 규정된 특정한 상황에서만 안전하게 사용할 수 있는 조리법과 같다. 놀라울 정도로 정확한 예측 결과를 내놓았고 실험 데이터가 이를 증명해 승리를 안겼다. 그러나 더 깊이 파고 들어가 왜 그런지 묻는다면 아무런 대답도 할 수 없다.


P. 35 현대 양자역학 교과서에서 어린 학생들을 가르치는 태도를 물리학자 데이비드 머민은 단순하게 요약했다. “입 닥치고 계산해!” 양자역학의 토대에 대한 저마다의 태도가 무엇이든 간에, 괜찮은 물리학자들 모두가 계산에 많은 시간을 할애한다. 그러니까 머민의 훈계를 더 줄여 말하면 “입 닥쳐!”가 될 것이다.


P. 40 대중들은 보어-아인슈타인 논쟁에서 아인슈타인이 패했다고 알고 있다. 젊을 때는 창조적인 반항아였던 아인슈타인이 늙어서는 보수적으로 변해 새로운 양자 이론을 받아들이지 못하고, 심지어는 이해하지 못했다고 알고 있는 것이다. 위의 내용은 전혀 사실이 아니다. 물리학이 ‘입 닥치고 계산만 하라’는 것보다는 나을 필요가 있다는 아인슈타인... 더보기


P. 44 고전적인 사고에서 벗어나는 방법은 전자가 특정한 위치에 존재한다는 생각을 포기하는 것이다. 전자는 모든 위치가 중첩되어 있는 상태에 있으므로, 전자가 거기 있다는 것을 실제로 관측하기 전까지는 특정한 위치에 있지 않다. 양자적으로 실제 존재하는 것은 파동함수뿐이다. 고전적인 위치와 속도는 파동함수를 탐색할 때 관측할 수 있는 물리... 더보기


P. 46 원자가 양자역학의 규칙을 따르고 카메라가 원자로 구성되어 있다면, 카메라 역시 양자역학의 규칙을 따라야 할 것이다. 그런 식이라면 당신과 나 역시 양자역학의 규칙을 따라야 한다. 우리는 머리부터 발끝까지 양자적이라고 가정하는 것이 옳다.


P. 50 극도로 간결한 양자역학이라고 기술한 것을 보통 ‘에버렛 세계’ 또는 ‘다세계’ 양자역학 이론이라고 부르는데, 이는 휴 에버렛이 1957년에 처음으로 그 이론을 제안했기 때문이다. 에버렛 이론은 한 종류의 양자 진화만이 존재한다고 제안했다. 이론의 우아함이 대폭 늘어난 것의 대가로 우리는 그저 이 이론이 수많은 복제 ‘우주’를 기술하고 있음을 받아들이기만 하면 된다. 각각의 우주가 조금씩 다르지만, 각 우주는 어떤 의미에서 실제로 존재한다.


P. 52 순수한 에버렛 양자역학 속에 담긴 가장 놀라운 함의는 바로 다세계의 존재이다. 그러나 그에 상응해 명료함과 통찰이라는 장점도 있다. 궁극적으로 양자장 이론과 양자 중력으로 눈을 돌릴 때 알게 되겠지만, 이른바 고전적인 경험이 주는 부담에서 벗어나 파동함수를 당연하게 중심에 놓는 것은 현대물리학의 심오한 문제들과 씨름할 때 아주 큰 도움이 된다.


P. 75 하이젠베르크의 행렬역학은 인상적이었지만 이른바 마케팅 문제로 어려움을 겪었다. 관련 수학이 너무 추상적이고 이해하기 힘들었던 것이다. 행렬역학에 대한 아인슈타인의 반응이 대표적이었다. “마법사가 계산한 게 틀림없다. 이 이론은 매우 독창적이긴 하지만 위대한 복잡성으로 보호되고 있어 오류를 증명하기가 어렵다.”(이것은 비유클리드 기하학으로 시공간을 기술한 사람이 한 말이다.)


P. 79 좋은 방정식은 물리학자들에게 중요한 영향을 미친다. 그것은 매우 괜찮은 아이디어를 엄밀하고 무관용한 이론적 틀로 승격시킨다. 개인에게 무관용은 나쁜 성격처럼 들리지만, 과학 이론에서는 무관용적일수록 좋다. 정확한 예측을 가능하게 하는 속성이기 때문이다


P. 83 슈뢰딩거 방정식의 결과를 확률로 해석하는 것을 싫어한 사람이 누구인지 아는가? 슈뢰딩거 자신이었다. “나는 이 방정식이 싫다. 내가 이런 일에 관여되어 유감이다”라고 불평했다. 유명한 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 사고실험의 핵심은 “와, 양자역학이 아주 신비롭네”라고 말하는 것이 아니었다. 사실은 “와, 양자역학은 아마도 맞을 수가 없겠네”라고 말하려 했다.


P. 87 경찰이 과속으로 베르너 하이젠베르크를 멈춰 세웠다. “얼마나 과속을 했는지 아세요”라고 경찰이 물었다. “아뇨”라고 하이젠베르크가 대답했다. “하지만 내가 어디에 있는지는 정확히 알아요.”


P. 92 불확정성 원리는 계에 관한 우리 지식의 한계를 알리는 성명서가 아니다. 우리는 양자 상태를 정확히 알 수 있으며, 이것이 우리가 알아야 할 전부이다. 파동함수가 주어졌음에도 “우리가 알지 못하는 뭔가가 존재한다”라고 생각하는 것은 우리가 관측하는 것이 실제로 존재한다는 우리의 본능적인 주장에서 나온 낡은 유물에 불과하다.


P. 170 파동함수가 결풀림을 통해 분기해 한 세계가 두 세계로 갈라지며, 한 사람이던 내가 두 사람이 된다. 누가 ‘진짜 나’인지 묻는 것은 의미가 없다. 마찬가지로 분기가 일어나기 전의 ‘나’가 어떤 가지 쪽에 있게 될지 알려고 하는 것도 아무런 의미가 없다. 두 사람 모두 자신을 ‘나’라고 생각할 권리를 갖고 있다.


P. 259 양자 측정으로 작동하는 치명적인 장치를 상상해보자. 양자 측정에 의해 근거리에서 머리에 총알이 발사될 확률이 50퍼센트, 총알이 발사되지 않을 확률이 50퍼센트라고 가정하자. 다세계 이론에 의하면 파동함수 가지가 두 개가 존재한다. 한쪽 가지의 사람은 살고 다른 쪽 가지의 사람은 죽는다. 어떤 의미에서 이런 섬뜩한 과정을 계속 반복하더라도 ‘나’는 영원히 살 수 있다.


P. 271 양자역학은 자유의지와는 아무 관계가 없다. 둘이 서로 관계가 있을지도 모른다고 생각하는 것이 자연스럽기는 하다. 자유의지는 흔히 미래가 현재 우주 상태에 의해 완전히 결정된다는 결정론과 대조가 되기 때문이다. 교과서 양자역학에서는 측정 결과가 진짜 무작위적이고, 따라서 결정론적이지 않다. 양자역학으로 인해 자유의지가 숨어들어올 수 있는 틈이 열리지 않았을까? 하지만 이런 생각은 크게 잘못된 것이다. 대체 어디서부터 논의를 출발해야 할지 알 수 없을 정도다.


P. 301 이 답을 이해하려면, 오래된 사고실험인 슈뢰딩거의 고양이로 눈을 돌리는 것이 좋다. 밀폐된 상자 속에 고양이와 수면 가스가 든 용기가 들어 있다. 슈뢰딩거의 원래 시나리오에서는 독을 사용했지만(슈뢰딩거의 딸 루스는 “아버지가 고양이를 싫어했기 때문이라고 생각해요”라고 회상했다) 굳이 고양이를 죽일 필요는 없다.


P. 328 실제로 그것은 가능하다. 공간의 작은 지역에 있는 양자장을 찔러서 우주 전체의 양자 상태를 문자 그대로 어떠한 상태로든 변환시키는 것이 가능하다. 기술적으로 이런 결과를 레-슐리더 정리라고 부르지만, 타지마할 정리라고도 부른다. 이러한 명칭은, 내 방을 떠나지 않고도 실험을 하여 갑자기 지금 타지마할의 복제물이 달에 나타나는 결과를 얻을 수 있음을 시사한다.


P. 380 시공간이 근본적인 물리량이라는 생각은 아주 틀린 생각이다. 시공간은 단지 기하학적 형태를 가진 대상에 지나지 않는다. 세상은 힐베르트 공간에서 진화하는 양자 상태이며, 물리적 공간은 이 상태로부터 창발한다.


P. 386 양자 이론의 이해를 넓혀준 최근의 진전들은 대부분 직간접적으로 기술적 혁신의 자극을 받아 이루어졌다. 이를테면 양자 컴퓨팅이나 양자 암호학, 그리고 더 나아가 양자 정보를 예로 들 수 있다. 이제 양자 영역과 고전 영역 사이에 선을 명확하게 긋는 것이 불가능한 때에 이르렀다. 모든 것이 양자다. 이런 사정은 물리학자들이 양자역학의 토대를 좀 더 심각하게 받아들이도록 압박하며, 또한 공간과 시간 자체의 창발을 설명하는 데 도움이 될 수도 있는 새로운 통찰로 그들을 이끈다.

프롤로그: 겁내지 말 것

1부 기괴한
1장 무슨 일이 일어나고 있는 거지?
2장 용감한 이론
3장 왜 이런 것을 생각하지?
4장 존재하지 않기 때문에 알 수 없는 것
5장 얽힘은 싫어

2부 갈라짐
6장 우주의 갈라짐
7장 질서와 무질서
8장 존재론적 약속이 나를 살쪄 보이게 할까?
9장 다른 방법들
10장 인간적 측면

3부 시공간
11장 공간은 왜 존재할까?
12장 진동의 세계
13장 진공에서 숨 쉬기
14장 공간과 시간을 넘어

에필로그: 모든 것이 양자다
부록: 가상 입자 이야기

감사의 말
옮긴이의 말
더 읽기
참고문헌
찾아보기