퀀텀 리얼리티

짐 배것의 양자역학 깊이 읽기

짐 배것 지음 | 배지은 옮김

반니 2022년 08월 31일 출간 종이책 : 2021년 09월 23일 출간

작품소개

책소개

양자역학은 물리학 역사상 가장 성공적이면서 기괴한 이론이다. 스마트폰, 스트리밍 서비스, 인공위성에 이르기까지 대부분의 기술이 양자역학을 기반으로 탄생했다. 하지만 양자역학은 확실하고 분명하게 작동함에도, 파동인 입자와 입자인 파동, 중첩과 얽힘, 파동함수의 붕괴처럼 아직 밝혀지지 않은 미스터리가 가득하다. 이를 두고 리처드 파인만(양자전기역학에 대한 공로로 노벨물리학상을 받았다)은 ‘양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다’고 선언하기도 했다.
그렇다면 양자역학이 무엇이길래 여전히 갖가지 미스터리를 품고 있는 걸까? 물리학을 전공하는 대학생들이라면 누구나 양자역학을 배우고 수식을 풀고, 시험도 치러야 하는 일반적인 과목임에도 말이다. 이 책 《퀀텀 리얼리티》는 과학저술가 짐 배것의 저서, 《퀀텀스토리》, 《퀀텀 스페이스》를 잇는 ‘퀀텀 시리즈 3부작’의 완결판으로 과학철학의 관점에서 양자역학의 실재론적 의미를 탐구한다. 양자역학의 기틀을 다진 코펜하겐 해석에서 시작해 관계론적 양자역학, 다세계와 다중우주에 이르기까지 양자이론이 실제로 무엇을 의미하는지 탐구하는 광범위한 해석을 검토하며, 본질적으로 우리가 직면한 선택이 철학적임을 이야기한다. 크게는 ‘실재론’과 ‘경험주의(반실재론)’의 두 갈래에서 양자역학에 대한 갖가지 추론과 해석을 비교 검토한다.
짐 배것은 퀀텀 시리즈를 통해 보여준 것처럼 이번 책에서도 양자역학을 둘러싼 난해한 해석과 논리를 특유의 비유와 재치로 흥미롭고 이해하기 쉽게 전달해준다. 양자역학은 완전한가, 불완전한가?, 다시 해석하거나 추가해야 할 부분이 있는가? 아니면 또 다른 출구가 있는가? 이 책을 읽고 나면 왜 리처드 파인만이 ‘아무도 양자역학을 이해하지 못한다’고 선언했는지, 그 이유를 알게 될 것이다.

목차

들어가는 글

서문
왜 아무도 내게 이런 얘기를 해주지 않았을까?

1부 게임의 규칙
1. 양자역학에 대한 짧지만 완전한 안내서
2. 그건 그렇고 이 ‘실체’라는 게 대체 뭔데?
3. 과학 이론은 어떻게 작동하며 또 어떻게 오작동하는가?
4. 아인슈타인이 아침 식사를 하러 내려왔을 때

2부 양자역학 실전편
5. 양자역학은 완전하다. 그러니까 닥치고 계산이나 하자!
6. 양자역학은 완전하다. 그러나 그 내용은 다시 해석해야 한다.
7. 양자역학은 불완전하다. 그래서 뭔가를 추가해야 한다.
8. 양자역학은 불완전하다. 그래서 다른 뭔가도 더 추가해야 한다.
9. 양자역학은 불완전하다. 인간의 의식을 추가해야 하기 때문이다.
10. 양자역학은 불완전하다. 왜냐하면…… 됐어, 난 포기할래!

에필로그
어쩌면 또 다른 출구가 있을지도 모른다
부록
실재론적 명제와 양자역학의 공리
감사의 글

미주
참고도서
찾아보기

책 속으로

이 점은 확실히 짚고 넘어가자. 철학은 과학이 아니다. 철학은 분명 발전했지만 우리가 과학에서 기대하는 그런 발전은 아니다. 물론 철학이 과학 이론을 개발하는 방법을 알려주지는 않는다. 하지만 나는 철학에도 유용한 교훈이 있다고 믿는다. 이는 결국 ‘과학의 존재 이유는 무엇인가’에 관한 문제다. 앞으로 자세히 다루겠지만 이 문제를 깊이 들여다보면 형이상학 없이는 그 어떤 과학도 할 수 없다는 사실을 깨닫게 된다. 형이상학은 증명할 수 없는 것에 대한 가정이다. 그런데 이런 형이상학과 과학의 관계를 인정하는 순간, 철학으로 향하는 문이 열린다.
_ 51쪽, 그건 그렇고 이 ‘실체’라는 게 대체 뭔데?

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력장 안에서 움직이는 시계는 시간 지연 효과를 겪는다. 시계의 무게를 재는 행위 자체는 시계가 시간을 가리키는 방식을 변화시킨다. 상자가 위쪽으로 튕기면 시간은 느려진다. 상자가 아래쪽으로 튕기면 시간은 빨라진다. 그러므로 바늘 위치를 측정하기 위해 추의 균형을 맞추는 과정에서 상자가 중력장 안에서 예측 불가능하게 튕기면, 시계도 이와 비슷한 비율로 예측 불가능하게 변화한다. 셔터를 여는 타이밍은 평형 조정을 끝내는 데 필요한 시간에 따라 좌우되므로 셔터를 열 정확한 타이밍에도 불확정성이 생긴다. 평형 조정이 오래 걸릴수록(광자의 에너지 측정의 궁극적 정확도가 높아질수록) 광자가 방출되는 정확한 순간의 불확정성은 더 커진다.
_ 110쪽, 아인슈타인이 아침 식사를 하러 내려왔을 때

전자의 이중 슬릿 간섭 실험을 다시 생각해보자. 지금 우리는 에너지가 낮은 광자의 약한 광원을 사용해 각각의 전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 알아내려 하고 있다. 광자는 에너지가 낮아 전자를 경로 밖으로 튕겨내지는 않고 전자가 이 슬릿 또는 저 슬릿에서 산란되어 어느 슬릿으로 나갔는지만 알려준다. 실험이 진행되고 스크린에 밝은 점이 쌓이면 우리는 간섭 패턴이 만들어질 거라고 예상한다. 이런 식으로 “전자가 어느 길로 갔지?”의 입자적 성질과 파동의 간섭 행동을 동시에 드러낼 수 있다.
_ 160쪽, 양자역학은 완전하다. 그러나 그 내용은 다시 해석해야 한다.
지금까지 살펴본 것처럼 반실재론자들은 붕괴를 크게 문제시하지 않으며 새로운 정보를 얻으면 그 순간 우리의 지식 상태가 갑작스럽게 바뀌는 것 이상으로 여기지 않는다. 실재론적 전개념 쪽으로 좀 더 기울어진 소수의 이론학자들은 ‘그리고’가 어떻게 ‘또는’이 되는지를 설명하기 위해 고안한 물리적 메커니즘이 실체적 파동 함수에 적용되는 방법을 찾기 위해 계속 노력해왔다.
_ 224쪽, 양자역학은 불완전하다. 인간의 의식을 추가해야 하기 때문이다.

어쩌면 또 다른 출구가 있을지도 모른다. 나는 양자역학이 아직 끝나지 않았다고 강하게 확신한다. 양자역학은 비할 데 없는 놀라운 성공을 거두었지만, 우리는 양자역학이 공간과 시간을 올바르게 다루고 있지 않다는 사실을 알고 있다. 이런 이유로 나는 파동 함수의 실재론적 해석을 자세히 조사하는 것이 정답으로 가는 좋은 길이라고 생각하지 않는다. 양자역학은 절대 공간과 시간이라는 낡은 개념을 끌어오는 경향이 있기 때문이다. 중력의 양자 이론이 우리의 구원자가 될 수 있겠지만 불행히도 이론을 개발하려는 노력에는 기대를 걸기에 많이 부족하다. 현재로서는 기존 양자 체계에 지나치게 많이 의존하는 것 같고 양자역학을 뛰어넘을 뚜렷한 방향을 제시하지 못하기 때문이다.
_ 280쪽, 에필로그

출판사 서평

“현대과학의 가장 매혹적인 미스터리를 파고든다!”_카를로 로벨리
짐 배것의 양자역학 깊이 읽기

양자역학의 탄생으로 우리는 미시 입자 세계에서 벌어지는 일들에 대해 많은 것을 알게 되었다. 특히 파동함수라는 수학적 도구는 양자계에서 대상의 변화를 계산하고 예측하는데 효과적인 해법이 되어주었다. 하지만 기존의 고전역학 체계를 지탱하던 ‘결정론적인 세계관’을 ‘확률론적 세계관’이 뒤흔들면서 우리가 믿고 있던 과학적 진실에도 금이 가기 시작했다. 슈뢰딩거의 파동 방정식과 하이젠베르크의 불확정성의 원리는 우리가 무엇을 안다는 것이 과연 무엇을 뜻하는지 근본적인 질문을 던지게 했다.
‘드브로이는 1923년에 판도라의 상자를 열었다. 슈뢰딩거는 그로부터 몇 년 후 파동 방정식과 파동함수를 세상에 내놓았다. 파동함수는 오로지 양자 확률만을 알려줄 뿐이다. 하이젠베르크는 양자역학의 심장은 불확실하게 뛴다고 했다. (…) 그리고 논쟁이 시작되었다. 양자역학이 말하는 물리적 실체의 본질은 무엇인가? 이 실체라는 게 무엇인가?’(본문 중에서) 저자는 양자역학에 대한 해석이 본질적으로 철학적인 문제임을 강조한다. 실체를 어떻게 해석하고 바라보냐에 따라 양자역학은 완벽하거나 불완전하거나, 새롭게 해석해야 하거나, 아예 다른 이론이 뛰어넘어야 할 대상이 되기도 한다.
오늘날 대다수의 과학 분야(그리고 양자역학의 대부분)에서는 직접 관측하지 못하고 간접적인 경험적 증거만 얻을 수 있는 것들을 다룬다. 그렇다면 우리는 우리가 측정하는 사물이 반드시 실제 실체를 반영한다고 가정할 수 있을까? 물자체와 측정되는 사물 사이에 간극이 있다면 어떻게 이를 극복해야 할까? 파동 함수는 실체의 성질과 실제 행동, 물리 상태를 담아낸 것일까, 아니면 잘 작동하지만 아무것도 볼 게 없는 추상적인 표현 구조에 불과할까?

양자역학의 기본 지식에서부터
관계론적 양자역학, 양자 ‘정보’ 기반의 해석까지

양자역학에 대한 기본 지식 없이 다양한 해석과 이론을 따라 읽기는 어렵다. 이 책의 1부에서는 양자역학에 대해 알아야 할 내용을 간략하게 요약하며 이야기를 시작한다. 원자와 플랑크 상수, 파동과 입자, 광양자 가설, 파동함수, 양자 확률, 하이젠베르크의 불확정성 원리 등 양자역학의 핵심적인 내용들을 간결하게 정리해준다. 양자역학에 대한 이해가 적은 독자들도 빠르게 이해하고 다음 논의를 따라가기 위한 준비를 마칠 수 있다. 또한 2부에서 본격적으로 양자역학에 대한 다양한 해석을 분석하기에 앞서 ‘실체’가 뜻하는 철학적 함의를 알아본 후에 1920년대 말에서 1930년대 초에 알베르트 아인슈타인과 닐스 보어가 벌인 토론과 반실재론적 코페하겐 해석의 등장에 대해서도 설명한다.
2부로 넘어가면 코펜하겐의 유산과 관계론적 양자역학을 거쳐 양자 ‘정보’ 기반이 해석, 다세계와 다중우주에 이르기까지 본격적으로 양자 이론의 다양한 시도들을 검토하며 양자역학의 실체에 한층 더 가까이 다가간다. ‘실재론’과 ‘반실재론’의 철학적 관점에 따라 양자역학을 해석하는 다양한 이론을 구별해볼 수 있다. 저자는 책 전체를 통해 양자역학이 도구적인 역할을 넘어 실질적인 물리적 통찰과 이해를 드러낼 수 있기를 소망한다.
퀀텀 시리즈의 첫 번째 책인 《퀀텀스토리》가 양자역학 100년 역사의 결정적인 순간들을 포착한 양자역학의 탄생 과정을 다뤘다면, 《퀀텀 스페이스》는 일반상대성이론과 양자역학을 단일 구조로 묶는 양자중력에 대한 이야기로 입자물리학의 최신 이론을 다뤘다. 세 번째 책인《퀀텀 리얼리티》는 과학철학적 관점에서 양자역학을 해석하며, 양자이론의 보완 및 발전 가능성을 모색한다. 아직 그 실체가 분명하지 않은 양자역학의 미스터리를 깊게 파고드는 이 책을 통해 독자들은 적어도 우리가 왜 양자역학을 이해하지 못하는지 이해할 수 있을 것이다.

작가정보

저자(글) 짐 배것

과학사 및 과학철학에 관한 글들을 주로 쓰며 과학저술가로 활동하고 있다. 맨체스터대학교를 졸업하고 옥스퍼드대학교에서 화학물리학 박사학위를 받았다. 같은 대학교와 스탠퍼드대학교에서 박사후과정을 이수하였고, 영국의 레딩대학교에서 화학과 교수로 학생들을 가르쳤다. 이후 상업적 세계에서 경험을 쌓기 위해 종신 교수직을 포기하고 쉘(Shell)사로 자리를 옮겨 비즈니스 컨설턴트와 교육전문가로 일했다. 1989년에는 화학물리학에 기여한 공로로 영국왕립화학회(RSC)부터 말로 메달(Marlow Award)을 받았다. 〈뉴 사이언티스트〉, 〈네이처〉 등에 꾸준히 과학 칼럼을 기고하고 있으며, 1991년에는 영국과학작가협회(ABSW) 과학저술상을 수상했다. 저서로 《퀀텀스토리(The Quantum Story)》, 《힉스, 신의 입자 속으로(Higgs)》, 《원자(Atomic)》, 《양자이론의 의미(The Meaning of Quantum Theory)》, 《물질의 탐구(MASS)》, 《기원의 탐구(ORIGINS)》, 《퀀텀 스페이스(Quantum Space)》 등이 있다

번역 배지은

서강대학교 물리학과와 동 대학원을 졸업하고, 휴대전화를 만드는 엔지니어로 일했다. 이후 이화여자대학교 통역번역대학원에서 번역학을 전공하고 소설과 과학책을 번역하고 있다. 《물질의 탐구》, 《입자 동물원》, 《일상적이지만 절대적인 양자역학지식 50》, 《전자부품 백과사전 1, 2, 3》, 《수학 100 1, 2》, 《밤의 새가 말하다 1, 2》, 《열흘간의 불가사의》, 《최후의 일격》, 《꼬리 많은 고양이》, 《퀸 수사국》, 《범죄 캘린더》, 《맹인탐정 맥스 캐러도스》, 《아파트먼트》, 《엔리코 페르미 평전》, 《호킹의 빅 퀘스천에 대한 간결한 대답》, 《퀀텀 스페이스》를 우리말로 옮겼다.