"당신이 달을 보기 전에는 달이 존재하지 않는 것인가?" -아인슈타인-
모든 것을 정밀하게 측정하고 확실한 것 만을 다루는 과학인 물리학에서 하이젠베르크의 불확정성의 원리의 등장은 아이러니가 아닐 수 없습니다. 이후에 발전한 양자역학과 입자물리학 등 미시세계를 다루는 물리학 이론들은 우리가 알고 있는 거시 세계를 결국 실제로 이루는 바탕인 미시 세계가 정말로 이상하고 괴상한 세계라는 걸 알려주고 있습니다.
이제는 많은 사람들에게도 잘 알려져 있는 "슈뢰딩거의 고양이" 사고 실험은 원래는 이러한 불확정성을 비판하기 위해 제안한 사고 실험이지만 반대로 양자역학을 제대로 설명하는 보기로 많이 활용되고 있습니다. 독극물 트랩이 있는 상자속의 고양이는 관찰자가 상자를 열어 확인 해 보기전까지는 죽었는지 살았는지 전혀 알 수 없는 불확실한 상태입니다. 고양이의 생사는 상자를 열었을 때 관찰자에 의해서 비로서 확정됩니다. 불확정성의 원리는 정말 단순화해서 이야기 하자면 미시세계의 광양자와 전하, 위치와 속도(운동량) 등은 존재 가능한 여러 상태들이 중첩되어 있다가 관측되는 순간 확정이 된다는 이론입니다.
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존재 하지만 존재하지 않는, 관찰한 순간에 거기에 있는 같은 해석들은 우리의 다양한 상상력을 자극합니다. 이것이야 말로 현대에 찾아낸 마법세상의 이야기입니다. 흔한 3D 1인칭 게임을 해본 사람이라면 게임 캐릭터가 시선을 돌리는 순간, 또는 새로운 장소로 이동한 순간 그 장소와 전경의 픽셀이 그려지고 로딩되는 비유를 통해서 우리가 사는 세상이 관측하는 순간 구현되는 가상현실의 세계라는 주장도 그럴 듯 하게 들리기 시작합니다. 어쩌면 우리의 세상도 몇몇 주장처럼 마치 그래픽 엔진속의 게임 세상처럼 시야를 움직이는(관측하는) 순간 그려지고 확정이 될지 모르니까요.
이처럼 현대 물리학 이론이나 가설 또는 유사과학에 가까운 주장들이 때때로 자유로운 상상의 소재로 삼는 마법이나 판타지, SF픽션들의 상상력들과 일맥 상통하는 흥미를 일으키는 부분들이 있습니다.
현대 물리학의 흥미를 끄는 이슈들은 이미 입증된 이론과 도저히 입증할 길이 없지만 놀랍게 모든 것에 잘 들어 맞는 그럴듯한 가설, 마지막으로 거의 유사과학처럼 보이는 과학 보다는 철학 또는 현대의 신화에 가까운 가설 등이 뒤섞여 있는 상태입니다. 그렇기에 우리의 상상력을 자극하는 SF소설, 애니메이션, 영화, 드라마 등 여러 장르의 컨텐츠에서 이러한 이론과 가설들을 잘 섞고 버무려서 과학적으로 그럴 듯 하면서도 신비로운 이야기들을 많이 만들어 내고 있습니다.
오늘은 그런 SF의 단골 소재로 등장하는 물리학 이론, 가설 또는 유사 과학 등을 재미삼아 포스팅에서 다루어 보려 합니다.
서론부터 상당히 길었습니다. 워낙 다루고 싶은 주제이기는 했는데 다룰 엄두가 그 동안 나지 않았습니다.
사실은 제가 물리학에 전반적인 이해가 깊지 않고 전문적인 학자나 진지한 탐구자는 더더욱 아닙니다. 아래의 유명한 사람의 말로 다소 무책임한 포스팅의 정확성 및 지적 논란은 피해 가려 합니다.
I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics.
그 어느 누구도 양자역학을 이해하지 못한다고 말하는 것이 괜찮을 것 같은 생각이 드네요.
양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다고 말해도 별로 화내는 사람은 없겠죠.
- Richard Feynman(리처드 파인만) -
리처드 파인만 : 이미지 출처 https://blog.hmgjournal.com/TALK/Human/Hyundai-joking-feynman.blg
그렇다. 무려 물리학 천재라는 별명을 가진 분이 이런 명언을 남기셨다 하오
앞서 언급한 불확정성의 원리와 깊은 연관을 가진 양자역학의 말장난 같은 이론들이 미시세계의 현상을 기막히게 예측해냈기 때문에 불확정성의 원리는 입지를 단단히 가지게 되었습니다. 하지만 불확실함에 대해 극히 비판적이던 아인슈타인은 "당신이 달을 보기 전에는 달이 존재하지 않는 것인가?" 이라는 말을 남기기까지 하면서 불확정을 다루는 이론들에 혐오의 감정을 드러내기도 했습니다. 하지만 오히려 그의 이론이 이 계통의 학설들을 증명하는데 쓰이기까지 하는 일들이 벌어집니다. 말년에 아인슈타인은 모든 것을 명확하게 설명할 수 있는 대 통합 이론 연구에 매달렸지만 끝내 이루지는 못했습니다.
"달은 거기 있지만 당신이 보기 전의 달과 당신이 관측한 달의 미시 세계는 당신이 관찰한 순간 이미 달라져 있다" 정도로 정의할 수 있을까요?
우선 많은 이론들의 출발점이 되는 M이론 이야기를 전채요리로 가볍게 흝어 봅시다.
M이론(M-theory)
M이론의 명칭이 다음의 3글자에서 왔다는 설이 있습니다. magic 매직, mystery 미스터리,membrane 멤브레인(막), 벌써 막 환타지와 SF에서 좋아할 만한 단어들 아닙니까? 또는 근원이란 의미로 mother(어머니) 아무것도 계산하거나 증명할 수 없는 헛소리란 의미로 masturbation(자위)라고 비난하는 경우도 있습니다.
저는 누군가 언급한 “현대 물리학의 최신 이론 설명과 미친 헛 소리를 구분하는 게 쉽지 않다” 라는 말에 격렬하게 동의합니다. 예를 들면 우리 일반인들에게 격심한 두통을 안겨주는 아래와 같은 M이론과 같은 양자역학에 대한 설명을 볼 때마다 느끼고 있습니다.
"11차원 초중력이론(super gravity theory)은 아인슈타인의 중력자(graviton)와 그 초 대칭 짝인 초중력자(gravitino), 이렇게 두 개의 입자만을 포함하는 이론이다. 그러나 M-이론에는 질량이 제각기 다른 입자들이 무한정으로 등장하며(각 질량은 11차원 막에 주름을 형성하는 고유한 진동에 대응된다), 11차원 초 중력이론까지 그 속에 포함하고 있다. 또한 11차원 막이론에서 하나의 차원을 작은 영역 속에 감아 넣으면 막이 끈으로 전환되면서 전체적인 이론은 II형 끈이론과 일치한다. 예를 들어 11차원의 구球에서 하나의 차원을 제거하면 원래의 형태가 붕괴되면서 적도에 해당하는 부분이 닫힌 끈으로 남을 것이다. 이와 같이 11차원 막이론에서 열한 번째 차원을 작은 영역에 숨기면 그 결과는 10차원 끈이론과 일치하게 된다. 따라서 우리는 10차원의 모든 끈이론과 11차원 이론들을 하나로 통합하는 통일이론을 갖게 된 셈이다. M-이론은 막의 개념을 이용해 기존의 끈이론을 11차원에서 재구성한 신비의 이론으로 무한대문제는 더 이상 나타나지 않는다. "
이미지 출처 : https://www.seehint.com/word.asp?no=12844
그렇습니다. 아마도 여러분이 느끼시는 감정은 제가 저 글을 처음 읽었을 때의 감정과 비슷할 것 같습니다. C바 뭔 미친 소리를 이렇게 참신하게... 위의 설명이 그냥 되는대로 지껄인 미친 소리가 아닐까? 하는 생각이 드실지도 모르겠습니다만 엄연히 이론물리학에서 M이론(영어: M-theory)은 11차원의 시공간에서 존재하는 물리 이론을 설명하는 쉽게 잘 정리된 문구랍니다. 도대체 어느 부분이 쉬운... 양자 물리학에서 입자를 규명 설명하는 방법 중으로 다양하게 전개된 5개의 초끈 이론을 그 극한(모듈 일부)의 일부로 수용하는 막 이론인데 결국 세상을 구성하는 입자가 여러 차원에 걸친 막으로 이루어져 있다는... 더 상세까지 더 나아가는 건 어~ 지면상 설명은 생략합니다.
위의 헛소리 같은 말들도 사실 현대 물리학에 깊은 지식을 가진 이들에게는 최대한 간결하게 요점을 잘 설명한 설명문이 될 수도 있습니다. 글에 등장하는 이론들과 용어들에 대한 깊은 이해를 이미 가지고 있다면 말입니다.
아주 단편적으로 일부라도 수박 겉 햝기 이해라도 바라신다면 아래 글을 한번 참조 해 보시기 바랍니다. 저도 제가 이해한 수준을 이해하기 쉽도록 도구를 만들려 한 거라 실제의 이론, 현상과는 차이가 있을 수 있습니다.
중력과 차원에 대한 이야기. 다시 본 인터스탤라의 영화 속 궁금증들.
쉽다 어렵다. 어쩌면 이런 것들은 상대적일 수도 있습니다. 우리가 만약 1,000 년 전 사람들에게 지구가 둥글고 태양 주변을 돌며 우주 공간을 초고속으로 이동하고 있다는 이야기나 구름이 만들어지는 원리, 병을 일으키는 미생물, 박테리아 등에 설명을 하려한다면 그들은 그걸 미친 소리로 받아들 일 수도 있습니다.
장황 했지만 SF덕후의 수준에서 아주 간단하게 요약 정리해 이해하자면 세상은 0차원 점, 입자로 구성된 게 아니라 1차원 이상(시간이 포함되어 1+1 차원 이상)에 걸친 끈 형태로 구성되어 있고 우리가 입자로 관찰한다면 그건 볼 수 있는 차원이나 시간 단면으로 인해 보이는 그 절편입니다. 그 마저도 실상은 11차원에 걸친 막의 형태가 더 낮은 차원에서 끈으로 형상화된 것 일 수 있다 정도입니다.
관련 글들을 읽다가 발견한 참신한 표현은 4차원 이외의 미약한 나머지 차원이 막 주위에 휘감겨 있다는 표현입니다. 사실 우리 어휘가 세상의 근원 원리 설명을 할 때를 고려해 만들어지지는 않았죠.
또 우리가 사는 세상이 3차원 공간과 시간을 포함해 통상적으로 4차원으로 인지되는 이유는 단지 중력만이 차원의 전 공간을 자유로이 퍼져 나갈 수 있고 (인터스텔라, stay...)빛은 4차원 막 표면에 갇혀 있기 때문입니다. 즉 빛을 이용해서 우주를 볼 때는 우리 눈에 4차원 세계만이 보이기 때문입니다. 어쩌면 그 이상의 차원은 이른바 "암흑물질"로 우리에게 인지될 수도 있습니다.
*암흑물질 - 우주에 존재하며 질량을 가지고 있으나 빛과 상호 작용하지 않는 물질, 최근에 주로 암흑물질로 구성되었다고 추정되는 은하가 발견되었으나 간접적으로 측정한 방출된 방사선량으로 볼 때 엄청난 밝기여야 하나 거의 보이지 않는다는 점에 의한 간접 증거, 그 존재 여부가 실증되지는 않았음
제가 감명을 받은 것은 우리 세상을 구성하는 물질이 사실은 여러 차원에 걸친 것이라는 것 시간 마저도 관통하는 것이라는 부분 이었습니다. 또 우주의 미스터리인 암흑물질에 대해서도 설명이 가능하다는 점 등입니다. 사실 이 이론은 워낙 어렵고 복잡해서 그대로 SF의 소재에 쓰인다기 보다 이 이론과 연관성을 가지고 파생된 이론, 그저 개념만 가져간 가설, 또는 일단의 유사과학 이론 등이 주로 SF의 소재로 쓰입니다.
여기서 잠깐 제가 유사과학이라 표현하는 이론들은 현재 시점에 그렇다는 것입니다. 입증방법이나 이론적 뒷받침이 미약한 과학처럼 보이는 상상력으로 생각되어 과거에는 유사과학 취급을 받았던 이론이나 설들이 입증되거나 논리적인 사고 검토를 통해 정론이 되는 경우도 있습니다. 어쨌든 이 이론은 SF가 좋아하는 근원적인 것들을 많이 포함하고 있고 다. 여러 차원에 걸친 막으로 구성된 세상이라는 개념, 시간의 단면, 우리가 사는 3차원 공간 아니 시간을 보태어 4차원의 공간을 넘어서는 차원의 존재 등등.
다중 우주론 및 평행 우주론
수 많은 SF영화와 소설의 소재가 되는 다중 우주론은 우주가 여러 조건들과 발생했을 수 있는 일들로 인해서 여러 갈래로 분기하여 진행되고 있다는 설입니다. 사실 SF의 소재로 더 많이 활용되는 것은 나와 같은 사람이나 조금 뒤틀린 우리 세계와 유사한 사회가 존재한다는 평행 우주론입니다.
평행 우주론과 다중 우주론에는 약간의 차이가 있습니다. 평행 우주론은 다중 우주론의 하위에 속하며 다중 우주론은 인과에 의해 나누어진 우주는 이미 우리 우주와 다른 우주이며 평행 우주론에서 흔히 등장하는 또 다른 우주의 나라는 존재하지 않을 가능성이 높습니다. 사실 이 두가지 이론은 자주 혼동되거나 의도적으로 섞어서 이야기를 만들기 좋습니다. 유명한 마블코믹스 세상의 배경 기반인 마블 유니버스가 다중 우주 또는 평행 우주를 기반으로 합니다. 라이벌인 DC 코믹스 역시 멀티버스라는 세계관을 가지고 있습니다.
드라마로 보자면 유명한 영국 드라마 닥터 후는 시간여행이라는 베이스가 되는 주제외에도 다중 우주, 평행 우주를 여러 에피소드에서 우려먹고 있습니다.
영화 맨인 블랙도 목걸이 속의 은하계라던가 영화의 1,2편 마지막 장면 들에서 다중 우주론적 관점을 살짝 드러냅니다. 구슬속의 우리우주, 캐비넷속의 우리 세상 같은 유머러스한 비유로 말입니다.
맨인블랙 1편 엔딩
수많은 국내외 소설에서도 단골 소재이기도 합니다. 사실 이후에 소개할 이론까지 포함해서 거의 모든 이론이 총 등장하는 국내 소설이 있는데 이 포스트 시리즈 말미에 한번 소개해 보겠습니다.
다중 우주론이 탄생한 배경은 다음의 크게 두 가지로 많이 이야기됩니다.
먼저 2003년 우주 배경 복사를 매우 정밀하게 측정한 데이터 관측결과에 따르면 양성자와 중성자로 이루어진 보통의 물질은 전체 우주에서 4%밖에 안 됩니다, 우주의 22% 정도는 이와는 다른 암흑 물질로 이루어져 있다고 보고 있습니다. 그리고 나머지 74% 정도는 암흑에너지로 이루어져 있다고 추론하는데 암흑 에너지는 다른 물질을 당기는 중력이 없고 물질들을 서로 멀어지게 하는 작용을 하는 특성을 가지고 있습니다. 이런 암흑에너지의 구체적인 값과 관련된 문제를 단번에 해결하는 한 가지 방법은 우주가 하나가 아니고 여러 개 존재한다는 다중 우주라는 아이디어에서 다중 우주론이 탄생했습니다.
다른 예를 들자면 양자역학에서 이야기하는 것과 달리 실제 세상에서는 관찰자가 없더라도 명백하게 상자속의 슈뢰딩거의 고양이는 이미 죽었거나 살아있거나 확률의 문제지 하나의 상태로 귀결되어 결정된 상태라고 생각됩니다. 가까운 예를 들자면 만약 여러분이 이 포스팅을 읽고 댓글 다시는 행위의 순간 저는 그 순간 여러분이 존재하는 걸 "관측" 하지만 그 전에 여러분이 존재하지 않았었나요? 제게는 관측한 순간이 와서야 여러분이 인지되고 그 순간 존재를 확정하지만 실제로 여러분은 여러분 인생에 걸쳐 제 포스트를 보고 답글을 달기 전까지 충분히 오래 실존하고 충실한 인생을 살아오셨을 겁니다.
슈뢰딩거의 고양이
양자역학에서 말하는 관측하는 순간이 되어서야 존재한다는 명제, 즉 고양이의 삶과 죽음이 중첩된 상태에 대해(확률과는 조금 다른) "그런 고양이가 어디있어?" 라는 의미로, 거시 세계로 확장시에 명백한 역설이 됩니다.
슈뢰딩거의 고양이 역설을 해결하기 위하여, 유진 위그너라는 학자는 의식이 존재를 결정한다는 논리를 펼쳤습니다. 이쯤 되면 물리학이 아니라 지극히 철학적인 주제가 됩니다. 즉 우리의 의식이 세상의 존재를 결정하는 것입니다. 아마도 우리가 원하면 우주의 기운이 우리를... 쿨럭... 그분이 물리학에 정통했을 줄이야... 이 개념을 수용하자면 관측하기 전에는 존재한다고 말할 수 없기 때문에 무한히 많은 관측자가 필요하게 됩니다. 안드레이 린데는 이에 대해 ‘우리 모두는 의식을 가진 인간이므로, 이 우주가 관측자 없이도 존재할 수 있다고 주장할 만한 근거가 없다’고 주장했습니다. 유사과학에서는 이 관측자, 관찰자를 신의 자리에 대입하고 싶어하는 시도가 있을지도 모르겠습니다.
아무튼 위의 참신한 미친 소리 이론은 관측자가 없으면 존재하지 않는 실재라는 다소 불분명한 부분, 양자역학이 불러일으킨 중첩과 실재의 관계의 논란에 대해 독일의 물리학자 디터 체는 ‘결 어긋남’의 개념을 도입해서 해결하려 했습니다. 현실 상태에서 슈뢰딩거의 고양이는 살거나 죽은 상태 모두를 가지고 있는 것이 아니라 상자를 열기 전에는 살거나, 죽은 단 하나의 상태로 두개의 파동함수가 결맞음 상태로 존재한다는 주장입니다. 혹시 이거 최신 말장난 이닐까?
휴 에버렛이라는 학자는 이 결어긋남 개념을 더 확장해 다중 우주론으로 풀었습니다. 상자를 여는 순간 우주는 두 갈래로 갈라지며 파동 함수도 붕괴되는게 아니라 여러 개 파동 함수가 분기마다 갈라지는 셈입니다. 여러 개의 미지수가 실제로 모두 갈라져 존재한다고 가정하면 이것도 저것도 아닌 중첩상태 같은 이상한 역설에서 벗어나게 됩니다.
여하튼 위와 같은 철학 논쟁 다양한 가설을 통해서 다중 우주론이 정착하게 되었습니다. 위의 설명들이 잘 이해가 안 된다구요? 사실 저도 맞게 이해한 건지 자신이 없습니다. 괜찮습니다. 리차드 파인만 이라는 천재가 앞에 언급한 명언을 통해 이미 우리를 구원해 주었습니다.
리처드 필립스 파인만
괜찮아 그거 이해 못했다고 아무도 화 안내
끈이론과 앞서 설명한 M이론은 다중 우주론의 도움을 받거나 반대로 이를 설명하는 도구가 되거나 하고 있습니다. 관련된 글들을 읽어보았는데 하나 같이 제 이해의 차원을 아득히 넘어서는 내용들이었습니다. 누군가 쉽게 제 게 이해시켜줄 분이 계신다면 환영입니다. 지금까지 적은 글들도 어렴풋이 이해한 편린이고 이해력의 한계치에 달한지라 이 내용은 그저 관련된 이런 주장이 있다는 간략한 소개로 넘어가겠습니다.
로버트 브란덴버거는 끈의 기하학적인 특성으로 인해 3차원 이하의 차원에서 끈들의 충돌이 훨씬 잦으며 이것이 빅뱅(대폭발)을 초래했다고 주장 합니다. 더 놓은 다양한 차원의 우주는 아직도 끈과 반끈에 묶여 있어 우리의 4차원 우주가 탄생했다고 설명하고 있습니다.
브레인 충돌가설에 따르면 대폭발은 두 개의 평행한 브레인 우주가 충돌하면서 발생한 사건으로 해석합니다. 브레인이란 M이론에서 점입자는 0브레인, 1차원 끈은 1브레인 과 같이 끈이 속한 차원의 레벨을 정의하는 용어입니다.
선대폭발이론은 우주가 플랑크길이(끈 이론이 허용하는 최소 길이)만큼 초 압축된 블랙홀의 폭발(빅뱅)로부터 생성되었다고 주장하며 우주에 많은 블랙홀이 있는 만큼 수 많은 우주가 존재할 가능성을 말하고 있습니다.
가상 우주론(시뮬레이션 우주) 및 다양한 우주론
여기서 소개하는 이론들은 실험 결과로 틀렸다고 입증 당했다가 최근 기사 회생한 홀로그램 우주론을 제외하면 물리학 이론이기 보다는 철학적 사유나 유사과학의 취급을 받는 범주에 머물러 있는 내용입니다. 앞서의 이론들도 사실 물리학자에 따라 유사 과학 취급을 하는 경우가 있지만 어엿하게 대학에서 강의하는 물리학자나 학계에 인정받는 학자들이 연구하고 주장되는 경우도 많아서 아래에 소개하는 주제들에 비해 더 학술적인 대우를 받는 편 입니다.
먼저 다소 유사하지만 조상 격인 홀로그램 우주론을 설명하자면 데이비드 봄의 학설인데 전자와 같은 입자가 관찰자가 없으면 파동으로 존재한다는 의견에 반대하여 관찰자들이 없어도 실제로 존재한다는 입장에서 자신의 이론을 펼쳤습니다. 그는 현실 세계는 홀로그램의 간섭무늬처럼 무질서한 환영이고, 더 깊은 차원에 모든 사물과 물리적 세계의 모습을 만들어내는 본질적인 차원의 현실이 존재한다고 주장하였습니다.
가상 우주, 시뮬레이션 우주는 제시한 사람부터 물리학자가 아닌 철학자입니다.
철학자 닉 보스트롬 등이 주장하는 우주론으로 우리가 살고 있는 우주가 일종의 거대한 시뮬레이션이라는 것이 주장의 요체였습니다. 뜻밖에 유명한 일론 머스크가 이 주장에 지지를 표해서 유명해졌습니다. 이 주장은 우리가 슈퍼컴퓨터 안에서 살고 있다는 것이며 우주 자체가 시뮬레이트 되고 있다는 아이디어 입니다. 당연히 검증할 방법은 없는 주장입니다.
출처 : pixabay 무료이미지
여기에 실제 물리학 이론인 하이젠베르크의 불확정성의 원리나 양자 역학에서의 관측하는 순간 확정되고 실재하는 입자와 같은 과학적 이론을 섞어서 당신이 돌아 볼 때 게임 속에서 실시간으로 그래픽이 구현되듯 당신 뒤의 세상이 확정되고 그려진다 같은 그럴듯한 상상력으로 발전하고 있습니다. 유사하게 우리 우주가 실험실에 있다는 실험실 우주론, 우주가 누군가의 거대한 시뮬레이션이라는 시뮬레이션 우주론, 사실 우리 우주가 게임속이라는 주장까지 많은 이론과 유사과학이 가장 신나 하는 영역에 포함되어 있습니다.
이를 다룬 영화나 소설, 수 많은 컨텐츠 중, 딱 하나만 고르라고 한다면 아마도 매트릭스를 이야기할 것입니다. 이 이론 또는 유사과학은 그 만큼 매력적이고 상상력을 자극하는 소재입니다. 중첩된 이야기와 복선 다양한 반전이나 결말을 만들 수 있다는 점에서 SF에 단골 소재가 될 수밖에 없는 운명을 가지고 있습니다.
약간의 덕후 기질을 자극하는 분야가 나오면 글이 쓸데없이 길어지는 것 같습니다. 분량이 길어지니 다른 주제에 대해서는 다름 POST에서 추가적으로더 다루도록 하겠습니다.
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