보이는 세상은 실재가 아니다 / 카를로 로벨리

Reality Is Not What It Seems

 

• 이 책은 양자중력에 대해서, 그리고 그 연구가 밝혀내고 있는 이상한 세계에 대해서 다룹니다.
• 우리가 광대한 무지의 심연 위에 매달려 불안정과 불확실 속에 있다는 사실이 삶을 헛되고 무의미한 것으로 만들지는 않습니다. 오히려 삶을 더 소중한 것으로 만들죠.

 

 

 

 

첫 번째 강의 기원을 찾아서

 

 

 

 

01 알갱이들 

• 레우키포스와 데모크리토스는 무엇을 발견했던 것일까요? 밀레토스인들은 이성을 사용해서 세계를 파악할 수 있다는 것을 이해했습니다. 다양한 자연 현상들이 단순한 무언가에서 기인하는 것이 틀림없다고 확신하고는, 바로 이 무언가가 무엇일지를 이해하려고 시도하였습니다. 만물을 이루고 있는 일종의 근본 물질을 생각해냈습니다. 밀레토스인 중 아낙시메네스는 이 근본 물질이 응축되거나 희박해짐으로써, 세계를 구성하는 한 원소에서 다른 원소로 바뀐다고 생각했습니다. 처음으로 물리학이 싹튼 것이었습니다. 거칠고 초보적이긴 하지만 올바른 방향이었죠. 세계의 숨은 질서를 파악하기 위해서는 어떤 발상이, 그것도 거대한 발상이, 거대한 비전이 필요했던 것입니다. 레우키포스와 데모크리토스가 바로 그런 발상을 생각해냈던 것이죠. 
• 데모크리토스의 체계의 기본 발상은 아주 단순합니다. 우주 전체는 끝없는 공간으로 이루어져 있으며, 그 속에서 무수한 원자들이 돌아다닙니다. 공간은 한계가 없습니다. 위도 아래도 없습니다. 중심도 경계도 없죠. 원자들은 모양 외에는 그 어떤 성질도 갖지 않습니다.
• 원자는 나눌 수 없습니다. 실재의 기본 알갱이로서 더 이상 나눌 수 없습니다. 모든 것이 이 알갱이로 이루어져 있죠. 원자들은 공간 속을 자유로이 돌아다니다가 서로 부딪칩니다. 서로 붙기도 하고 서로 밀치고 당기기도 합니다. 비슷한 원자들은 서로 끌어당겨 모입니다. - 이것이 세계의 짜임입니다. 이것이 실재입니다. 그 밖의 모든 것은 원자의 이러한 운동과 조합이 무작위로 우연히 만들어 낸 부산물일 뿐입니다. 세계를 이루는 무한히 다양한 물질들도 오로지 원자의 이러한 조합에서 파생된 것이지요.
• 원자들이 응집할 때에 유일하게 중요한 것은 원자의 모양과 배열 그리고 그것들이 조합되는 순서입니다. 
• 원자들의 끝없는 춤에는 완결도 목적도 없습니다. 자연계의 다른 모든 것들처럼 우리도 이 무한한 춤의 수많은 산물 중 하나입니다. 그러니까 우연한 조합의 산물이라는 거죠. 자연은 끊임없이 형식과 구조를 실험합니다. 그리고 우리는 다른 동물들처럼 무궁한 시간에 걸친 무작위의 우연한 선택의 산물입니다. 우리의 삶은 원자들의 조합이며, 우리의 생각은 미세한 원자들로 이루어져 있고, 우리의 꿈은 원자들의 산물입니다.
• 모든 것은 원자로, 즉 서로 조금 떨어져 있을 때에는 끌어당기지만 서로 압착되면 밀쳐내면서 영구 운동을 하며 돌아다니는 작은 입자들로 이루어져 있다. - 리처드 파인만
• 어떤 것을 무한한 수로 모으면 마침내 무한한 것이 된다는 생각은 참이 아니다. 무한한 수의 시간들을 더해도 유한한 길이의 시간이 될수 있다.

• 아인슈타인의 브라운 운동: 유체 속에서 표류하는 입자들을 관찰하고 그것들이 얼마나 '표류'하는지, 즉 얼마나 벗어나는지 측정해서 물질을 이루는 기본 알갱이의 크기를 계산해냅니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

02 고전들

• 뉴턴의 물리학은 일반상대성이론의 근사치입니다. 그리고 아마도 우리가 오늘날 알고 있는 모든 것도 우리가 아직 모르는 것의 근사치일 겁니다.
• 뉴턴의 간단한 계산을 통해 결과를 얻어냅니다. 그 결과는, 9.6 m/s2 입니다. 갈릴레오가 낙하 실험에서 측정한 것과 정확히 똑같은 수치입니다.
• 우주는 물체들이 서로 '힘'으로 끌어 당기고 있는 넓은 공간인 것입니다. 거기에는 보편적인 힘, 중력이 있습니다.
• 중력 - G - 뉴턴 상수

• 패러데이는 뉴턴의 우아하고 단순한 존재론에서 근본적으로 벗어납니다. 세계는 더 이상 시간에 흐름에 따라 공간 속에서 움직이는 입자들만으로 이루어져 있는 것이 아닙니다. 새로운 배우 '장'이 무대 위에 등장합니다. 

• 맥스웰은 패러데이의 아이디어를 한 쪽 분량의 방정식들로 옮겨냅니다. - 맥스웰의 방정식
• 맥스웰의 방정식은 빛이 무엇인지를 말해줍니다. 파동이 움직이는 속도가 빛의 속도와 정확하게 같다.
• 색이란 빛이라는 전자기파의 주파수(진동의 속도)입니다. 빛 파동이 더 빨리 진동하면 빛은 더 파랗게, 조금 더 느리게 진동하면 빛은 더 붉게 됩니다. 우리가 지각하는 색은 서로 다른 주파수의 전자기파를 식별하는 우리 눈의 수용체가 생성해낸 신경 신호의 심리물리적 반응입니다.
• 세계는 더 이상 공간 속의 입자들만이 아니라, 공간 속의 입자들과 장들로 이루어져 있습니다. 

 

 

두 번째 강의 혁명의 시작

 

 

03 알베르트

• 우리가 보통 '속도'라고 칭하는 그것은 '지구에 속한' 속도입니다. 우리가 말하는 속도는 상대적인 개념입니다. 그러니까 물체 자체의 속도라는 말은 의미가 없는 거죠. 
• 화성에서 일어난 사건을 두고서 '바로 지금' 일어나고 있다고 하는 것이 말이 안 된다는 것을 의미합니다. '바로 지금'은 존재하지 않기 때문입니다. 아인슈타인은 '절대적 동시성'이 존재하지 않음을 이해했던 것입니다. 
• 아인슈타인은 에너지와 질량이 동일한 존재자의 두 면이라는 것을 알아차립니다. 자기장과 전기장이 동일한 전자기장의 두 면이고, 시간과 공간이 하나의 시공의 두 면인 것처럼 말이죠. 이는 질량이 그 자체로 보존되지 않는다는 것을 의미합니다. 그리고 에너지도 독립적으로 보존되지 않고요. 에너지와 질량은 서로 전환될 수 있습니다. - 보존되는 것은 질량과 에너지의 총합이지, 각각 따로따로가 아닙니다. 

• 공간은 물질과 다르지 않습니다. 공간은 물결치고 유동하고 휘고 비틀리는 실재하는 존재자입니다.
• 아인슈타인은 세계가 어떻게 이루어져 있을지를 상상하는 독특한 능력을, 마음속에서 세계를 보는 능력을 가지고 있었습니다. 그에게 방정식은 뒤에 오는 것이었죠. 실재를 상상하는 능력을 구체화하는 언어였습니다.
• "어떤 사람이 바다에 가로 막히지 않고 계속해서 걸어 나가면 결국 떠났던 지점으로 돌아오게 될 것이다." 이처럼 언제나 내부적 관점에서 보지 외부적 관점에서 보지 않습니다. 땅위를 걸어가고 있는 사람의 관점이지 바깥에서 지구를 보는 사람의 관점이 아닙니다. 
• 지구는 둥글고 팽이처럼 돈다. - 실재는 우리에게 보이는 것과 다르다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

04 양자들

• 빛은 정말로 알갱이들로, 즉 빛의 입자들로 이루어져 있음을 보입니다. (광자)
• 광자는 전자기장의 양자이다. 
• 빛을 포함해 모든 사물의 바탕에는 입자성이 있다.
• 색은 빛의 진동수, 진동하는 속도입니다. 이는 빛을 방출하는 전하들의 진동에 의해서 결정됩니다.
• 양자역학에서는 사건이 일어날 확률만을 계산할 수 있을 뿐입니다. 미시적 차원에서는 결정성의 부재가 자연에 내재되어 있는 것이죠. 전자는 오른쪽이나 왼쪽으로 움직이도록 결정되어 있지 않습니다. 우연에 의해서 그렇게 되는 것입니다. 거시적 세계에서 결정성이 나타나는 이유는, 이런 우연이, 이런 미시적 우발성이 만들어내는 변동이 일상생활에서 알아차리기에는 너무 작다는 사실 때문입니다.

사물의 본성

1. 입자성

2. 비결정성

3. 관계성

 

• 양자역학이 모호하게 느껴지는 것은 그 이론의 잘못 때문이 아니라 우리 상상력의 한계 때문입니다.

 

 

세 번째 강의 시간과 공간에 관하여

05 시공은 양자다

• 20세기가 우리에게 남겨준 두 개의 보석인 일반상대성이론과 양자역학은 세계의 이해와 현대적 기술 개발을 위한 풍요로운 선물이었습니다. 전자로부터 중력파와 블랙홀을 연구하는 천체물리학과 우주론이 발전하였습니다. 후자는 원자물리학과 핵물리학과 소립자물리학과 응집물질물리학과 그 밖의 다양한 분야의 기초가 되었습니다. 하지만 이 두 이론 사이에는 삐걱거리는 부분이 있습니다. 두 이론은 서로 모순되는 것으로 보이기 때문에, 적어도 현재의 형태로는 둘 다 옳을 수는 없습니다. 중력장은 양자역학을 고려하지 않고 서, 장들이 양자화된다는 사실을 고려하지 않고서 기술됩니다. 그리고 양자역학은 시공이 휘며 아인슈타인의 방정식을 따른다는 사실을 고려하지 않고 공식화됩니다. 아침에 일반상대성이론 강의를 듣고 오후에 양자역학 강의를 듣는 대학생은 교수들이 바보들이라거나, 적어도 백 년 동안은 서로 얘기를 하지 않았다고 결론을 내릴법합니다. 그들이 세계에 관한 서로 모순되는 두 이미지를 가르치고 있기 때문이죠. 아침의 세계는 모든 것이 연속적인 굽은 시공입니다. 오후의 세계는 불연속적인 에너지 양자들이 도약하고 상호작용하는 평평한 시공입니다. 
• 공간 속에는 닫힌 선들에 의존한다는 것이었습니다. 닫힌 선은 '고리' 혹은 Loop입니다.  - 루프이론

 

 

 

 

06 공간의 양자 

• 우리는 일반상대성이론 덕분에 공간이 단단하고 고정된 상자 같은 것이 아니라 전자기장처럼 역동적인 것임을 알게 되었습니다. 우리가 들어 있는 우주는 움직이는 거대한 연체동물과도 같아서 눌려지고 비틀리고 합니다. 양자역학은 그러한 모든 장이 양자로 이루어져 있다는 것을, 즉 섬세한 입자 구조를 가지고 있다는 것을 가르쳐줍니다. 자연에 관한 이러한 두 가지 일반적인 발견으로부터 어떤 사실이 따라 나올까요? 물리적 공간도, 장이기 때문에, ‘양자로 이루어져’ 있다는 사실이 곧바로 따라 나옵니다. 다른 양자장들을 특징짓는 것과 똑같은 입자구조가 양자중력장을 특징짓고, 따라서 공간을 특징짓습니다. 그러므로 우리는 공간이 알갱이로 되어 있다고 예상합니다. 우리는 빛의 양자, 전자기장의 양자가 존재하고 기본입자가 양자장의 양자로서 존재하듯이, ‘공간의 양자’가 존재한다고 예상하는 것입니다. 그런데 공간은 중력장이므로 중력장의 양자가 ‘공간의 양자’, 즉 공간의 입자적 구성 성분인 것입니다. 따라서 루프이론의 핵심 예측은 공간이 연속적이지 않다는 것, 무한히 나눌 수 없다는 것, ‘공간의 원자들’로 이루어져 있다는 것입니다. 정말 작습니다. 가장 작은 원자핵의 10억분의 10억분의 1보다도 작죠.

• 광자는 공간 속에 존재하는 반면, 공간의 양자는 공간 자체를 구성하는 것이죠. 광자는 그것이 있는 곳에 의해 특정지어집니다. 공간의 양자는 그 자체가 공간이기 때문에 그것이 있을 장소가 없습니다. 이 공간의 양자들은 그것들을 공간적으로 특정짓는 오직 하나의 정보를 가지고 있습니다. 어느 공간의 양자들과 인접해 있는지, 어느 것이 어느 것 옆에 있는지에 대한 정보입니다. 이 정보는 그래프의 링크들로 표현됩니다. 링크로 연결된 두 노드는 인접한 두 공간의 양자입니다. 서로 접촉하는 공간의 두 알갱이인 것이죠. 바로 이 '접촉'이 공간의 구조를 만듭니다.
• 중력의 양자들은 공간 속에 있는 것이 아니라, 공간 그 자체입니다.

 

 

 

 

 

07 시간은 존재하지 않는다

• 시간은 공간과 같이 양자중력장으로부터 발생하는 것입니다.
• 우리는 시간에 대해 마치 우주의 생애를 가리키는 커다란 우주적 시계가 있기라도 한듯이 생각해서는 안 됩니다. 시간을 국지적인 것으로 생각해야만 한다는 사실을 우리가 알게 된 지 한 세기도 넘었습니다. 우주의 모든 대상은 자신만의 시간 흐름을 갖고 있으며, 그 흐름은 국지적인 중력장에 의해 결정된다는 것이죠. 그러나 중력장의 양자적 본성을 고려할 때는 이 국지적 시간조차도 더 이상 제대로 작동하지 않습니다. 양자 사건들은 아주 작은 규모에서는 시간의 흐름에 따라 순서를 매길 수 없습니다. 어떤 의미에서는 시간이 더 이상 존재하지 않는 것이죠. 하지만 시간이 존재하지 않는다는 말이 무엇을 의미하는 걸까요?
• 세계를 담고 있는 공간은 더 이상 없습니다. 사건들이 그것에 따라 발생하는 사건도 더 이상 없습니다. 공간의 양자들과 물질들이 서로 끊임없이 상호작용하는 기본적인 과정이 존재할 뿐입니다. 우리를 둘러싼 무리지어 있는 것을 멀리서 흐릿하게 보고 있는 결과입니다.  

 

 

 

 

네 번째 강의 우리가 보는 세계 너머

 

08 빅뱅을 넘어서

• 우주는 팽창한다. - 르메트르
• 우주가 존재하는 유일한 우주라고 확신할 이유가 없습니다.

 

09 확증 가능한 것 

• 힉스 보손의 발견은 양자역학에 기초한 기본입자 표준모형의 확고한 확증입니다. 플랑크 인공위성의 측정 결과는 우주상수가 있는 일반상대성이론에 기초한 표준우주모형에 대한 확고한 확증입니다.

 

10 블랙홀의 열 

• 블랙홀은 공간이 아주 강력하게 굽어 꺼져 들어가고 시간이 멈출 때까지 느려지는 지역입니다. 블랙홀은 별이 수소를 모두 다 태우고 자신의 무게 때문에 붕괴할 때 형성됩니다.
• 빛의 속도가 최대 속도이고 어떤 것도 빛을 따라잡을 수는 없기에, 그 어떤 물체라도 탈출하지 못하고 다시 떨어지고 만다는 결론이 따라 나옵니다. 어떤 것도 이 최대 높이 밖으로 벗어날 수 없는 것이죠. 이것이 블랙홀입니다. 외부에서 볼 때 블랙홀은 들어갈 수는 있지만 아무도 나올 수 없는 영역과 같습니다.
• 로켓이 지평선에 더 가까이 갈수록 시간은 더욱 느려집니다. 바깥 시간은 더 빨리 흐르는 셈이죠. 과거로의 여행은 어렵지만 미래로의 여행은 원칙적으로 쉽습니다. 그저 우주선을 타고 블랙홀에 가까이 가서 잠깐 머물러 있다가 다시 빠져 나오면 됩니다.
• 호킹은 블랙홀이 뜨겁다는 것을 발견했습니다. 즉 블랙홀은 뜨거운 물체처럼 일정 온도가 되면 열을 방출한다는 것입니다. 열을 방출하면서 블랙홀은 에너지를 잃고 그러고 나면 (에너지와 질량은 같기 때문에) 질량을 잃고서 점점 작아지게 됩니다. 이른바 블랙홀이 '증발'하는 것이죠. 이러한 '블랙홀의 증발'이 호킹의 가장 중요한 발견입니다. 이는 불랙홀의 구멍 속으로 떨어진 물질에 무슨일이 벌어질 것인가 한느 물음에 대답할 수 있게 해줍니다. 블랙홀이 증발해가면서 줄어들면 조만간 아주 작아져 들어왔던 모든 것을 내어놓게 될 것입니다.

 

11 무한의 끝

• 결국 '무한'은 우리가 아직 모르는 것에 붙이는 이름일 뿐입니다. 자연은 결국에는 정말로 무한한 것은 없다고 말해주는 듯합니다.
• 오직 우리의 무지만이 무한할 뿐입니다.

 

12 정보, 정의되지 않은 생각

• 정보란 어떤 것의 가능한 대안들의 수를 측정한 것입니다.
  측정 단위는 두 가지 대안들 사이의 정보이며, '비트'라고 부릅니다.
  
• 양자역학의 핵심 아이디어 중 하나가 바로 정보가 유한하다는 사실이라는 점을 잊지 맙시다. 고전역학에 따르면 어떤 물리계를 측정하여 우리가 얻을 수 있는 대안적인 결과들의 수는 무한합니다. 그러나 양자이론 덕분에 우리는 그것이 실제로는 유한하다는 것을 이해하게 되었죠. 이처럼 우리는 근본적으로 양자역학을 자연 속에서 정보가 언제나 유한하다는 사실의 발견으로 이해할 수도 있습니다.
• 정보의 기술 - 물리계들 사이의 상관관계의 기술

1. 그 어떤 물리계에서도 관련 정보는 유한하다.

2. 어떤 물리계에 대한 새로운 정보를 항상 얻을 수 있다.

 

• 시간은 우리가 사물들의 물리적 미시 상태를 간과한 효과일 따름입니다. 시간은 우리가 가지고 있지 않은 정보입니다. 시간은 우리의 무지인 것입니다.
• 정보의 유무는 - 상관관계의 유무
• 실제를 이해하기 위해서는 우리가 실재에 대해서 말하는 것이 세계를 이루는 관계들의 연결망에, 즉 상호적 정보들의 연결망에 밀접하게 연관되어 있다는 사실을 명심해야만 합니다.
• 생물학적 세계에서 목적이란 생존에 효과적인 복잡한 형태들의 선택입니다. 그러나 어떤 환경 속에서 존속하는 가장 효과적인 방법은 외부 세계와의 상호작용을, 즉 정보를 적절하게 관리하고 정보를 수집, 저장, 전달, 처리하는 것입니다. DNA와 면역체계, 감각 기관, 신경계, 복잡한 두뇌, 언어, 책, 알렉산드리아 도서고나, 컴퓨터, 위키피디아 등이 존재하는 것도 바로 그 때문입니다. 정보 관리의 효율성을 최대화하기 위한 것이죠. 즉 상호관계에서 관리의 효율성을 최대화하기 위한 것입니다.
• 데모크리토스는 ‘사람’을 이상하게 정의합니다. “사람이란 우리 모두가 아는 것이다.” 이는 아무 내용이 없는 어리석은 말처럼 보여 비판을 받아왔습니다만, 사실은 그렇지 않습니다. 데모크리토스 연구의 대가인 살로몬 루리아는 데모크리토스가 진부한 이야기를 하고 있는 것이 아님을 지적합니다. 인간의 본질은 신체의 물리적 구조가 아니라 그가 속한 개인적, 가족적, 사회적 상호작용의 연결망에 의해서 주어집니다. 바로 이것들이 우리를 ‘만들고’ 우리를 지킵니다. ‘인간’으로서 우리는 우리에 관한 다른 이들의 앎, 우리 자신에 관한 우리의 앎, 우리에 관한 다른 이들의 앎에 관한 우리의 앎으로 이루어져 있습니다. 우리는 상호적 정보의 풍부한 연결망 속의 복합적인 매듭입니다. 이 모든 것은 아직은 이론입니다. 우리의 내적 세계를 더 잘 이해하려는 노력으로 우리가 걸어가고 있는 행로죠. 아직도 이해해야 할 것들이 많이 남아 있습니다. 마지막 장에서 그것들을 이야기하고자 합니다.

 

13 신비

• 이 모든 것을 확신할 수 있을까요? 그렇지 않습니다.
• 지식의 한계에 대한 의식_ 우리가 믿고 있는 것이 틀릴 수도 있다는 사실을 마음에 품고 있어야만 우리는 그것에서 벗어날 수 있고 더 많이 배울 수 있습니다. 무언가를 더 많이 배우기 위해서는, 가장 뿌리 깊은 믿음까지 포함하여 우리가 알고 있다고 생각하는 것이 틀릴 지도, 너무 순진한 것일지도, 조금 어리석은 것일지도 모른다는 사실을 받아들이는 용기를 가져야만 합니다. 
• 과학은 겸손의 실행으로부터 태어납니다. 자신의 직관을 맹목적으로 믿지 말라. 모든 사람이 말하는 것을 믿지 말라.선조들이 축적해온 지식을 믿지 말라. 만일 우리가 본질적인 것을 이미 알고 있다고 생각한다면, 본질적인 것은 책에 이미 쓰여 있고 어르신들의 가르침 속에 있다고 생각한다면, 우리는 아무것도 배우지 못합니다.
• 과학을 신뢰할 수 있는 까닭은, 현재 우리가 가진 (확실한 대답이 아니라,) 최선의 대답을 주기 때문입니다. 그리고 그 답이 우리가 가진 최선의 답인 까닭은, 우리가 그 답을 확정적이라고 여기지 않고, 언제나 개선 가능성을 열어놓고 있기 때문입니다. 바로 이러한 무지에 대한 의식이 과학에 특별한 신뢰성을 부여하는 것입니다.
• 우리에게 필요한 것은 확실성이 아니라 신뢰성입니다. 왜냐하면 우리에게 진정한 확실성은 없고, 우리가 어떤 것을 맹목적으로 믿지 않는 한 우리는 결코 확실성을 가지지 못할 것이기 때문입니다. 과학은 확실한 해답이 아니라 가장 신뢰할 수 있는 답을 찾는 일이기 때문입니다. 
• 진리를 소유하고 있노라고 말하는 이들은 신뢰하지 않는다는 것을 의미합니다.
• 우리 지식의 실질적인 불확실성을 받아들이는 것은 무지가 가득한, 따라서 신비가 가득한 삶을 받아들이는 것을 의미합니다. 우리가 대답을 알지 못하는 물음들과 더불어 살아가는 것이죠.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mubnoos

Very nice.