우연의 의미를 찾아서

폴 핼퍼 지음 | 강성주 옮김

위즈덤하우스 2025년 08월 07일 출간 국내도서 : 2025년 07월 30일 출간

작품소개

책소개

우리를 지탱하고 있는 현실이 전부 보이는 그대로가 아니라면?
원인과 결과가 동시에 일어날 확률이 있고,
심지어 사건보다 원인이 먼저 발생할 수 있다면?
지금 주변의 모든 것이, 정말 실제 모습 그대로라고 확신할 수 있을까?

이 책은 고대 철학자들의 빛에 대한 논쟁부터 뉴턴의 고전역학, 아인슈타인과 파울리의 현대물리학까지, 자연을 온전히 설명하는 이론을 찾고자 과학자들이 걸어온 수천 년의 여정을 그린다. 그리고 마침내 과학이 도달한 단 하나의 이론, 양자역학의 세계관을 구축한 이들의 이야기가 펼쳐진다. 이는 세상을 보는 관점을 혁명적으로 뒤바꾼 지금의 과학을 차근차근 이해하게 돕는 흥미로운 가이드가 될 것이다.
직접적인 원인과 결과 관계가 없는 무작위적이고 갑작스러운 변화, 멀리 떨어진 물체들 간의 연결성을 인정하는 양자역학. 이 이론은 천재 과학자 한 명의 머릿속에서 나온 것이 아니라 무수히 많은 과학자의 시간이 쌓여 성립된 인류 과학의 결정판이라 할 수 있다. 또한 완성된 이론으로만 존재하는 것이 아니라, 실용성을 발하는 과학기술의 큰 흐름으로 자리 잡았다.
양자 컴퓨터의 등장으로 전 세계 테크 주식이 요동치고, 미시적 양자 세계의 규칙을 따르는 원자, 분자 구조 연구에서 생명과학의 돌파구가 마련되었다. 수십억 년간 우주를 가로질러 지구에 닿은 ‘빛’을 활용한 양자 얽힘 실험이 노벨 물리학상을 받는 등, 양자 시대를 맞아 삶의 큰 변화가 우리를 기다리고 있다. 따라서 우리가 사는 세상을 제대로 이해하기 위한 준비 운동으로 양자역학에 대해 알아가는 일이 꼭 필요하다.
노련한 이야기꾼이자 전 세계적으로 존경받는 물리학자인 폴 핼펀은 프리먼 다이슨을 비롯한 당대 최고의 양자역학 전문가와의 생생한 인터뷰는 물론, 도서관과 박물관 등에 숨어 있는 역사 문헌과 과학자들의 기록까지 꼼꼼하게 찾아 그 어느 책보다 풍부한 정보를 집대성했다.
또한 천문학에서 양자역학, 철학과 역사, 심리학까지 이 책이 다루는 다양한 분야를 전달하는 데 누구보다 탁월한 천문학자, 과학커뮤니케이터 강성주(유튜브 〈안될과학〉 항성)가 번역을 맡았다. 그는 양자역학을 이해하고 싶은 이들을 위해 정성스럽고, 정확하게 이야기를 전한다.

목차

책머리에_ 자연의 숨겨진 연결고리

1. 태양은 왜 빛날까?
천체를 바라본 고대의 철학자들

2. 빛의 속도는 유한할까?
새로운 과학, 천문학의 탄생

3. 움직임을 지배하는 법칙은 무엇일까?
빛의 파동 이론과 뉴턴의 운동 법칙

4. 원인과 결과가 동시에 일어날 수 있을까?
상대성이론과 양자역학의 서로 다른 언어

5. 양자는 어떤 규칙을 따를까?
불확실성원리가 가져온 우주의 필연적 공백

5. 인과관계 없이 멀리 있는 물체는 어떻게 연결될까?
대칭성과 보존법칙의 특별한 관계

6. 우연의 일치에 숨은 의미가 있을까?
융의 공시성과 파울리의 양자역학의 만남

7. 완벽한 대칭과 불균형, 자연의 선택은?
패리티 위반, 상상도 못한 질서의 붕괴

8. 숨겨진 변수는 정말 존재할까?
자연을 설명하는 이상적인 이론을 찾아서

나가며_ 우주의 실타래 풀기

감사의 말
옮긴이의 말_ 양자역학과 심리학의 경계를 넘어서며
더 읽어보면 좋은 책들
주
찾아보기

책 속으로

세상의 연결고리를 파악하는 데 직관이 도움을 주는 경우가 많다. 하지만 직관이 때로는 우리를 완전히 잘못된 길로 인도하기도 한다. 이는 물리학의 복잡한 세계에서만이 아니라 일상의 소소한 경험에서도 마찬가지다. 인간의 감각이 현실을 정확히 포착할 때, 그 순간의 깨달음은 그야말로 경이롭다. _18쪽

빛의 속도가 유한한지 밝히는 것은 더 큰 문제를 해결하는 열쇠였다. 이는 바로 힘이나 다른 작용이 멀리 떨어진 곳까지 영향을 미칠 수 있는지, 그리고 그 영향이 전달되는 데 시간이 얼마나 필요한지를 이해하는 것이었다. 특히 태양이 어떻게 멀리 있는 행성들의 궤도운동에 영향을 미치는지 설명하기 위해서는, 거대한 우주 공간을 가로질러 천체들을 연결하는 보편적인 중력의 개념이 필요했다. _66쪽

케플러는 포기하지 않고 태양의 관점에서 수집된 자료를 신중히 분석했다. 화성의 궤도를 분석하면서 그는 놀라운 사실을 발견했다. 화성의 궤도가 완벽한 원이 아닌 타원에 가깝다는 것이었다. 케플러는 수 세기 동안 이어져온 피타고라스, 플라톤, 아리스토텔레스의 편견을 버리고, 고대의 잘못된 관념에 얽매이지 않은 채 관측 자료가 보여주는 사실 그대로를 받아들이기로 했다. _90쪽

19세기 말, 과학계 상당수는 우주와 의식에 대한 완벽한 설명이 가능해지면 모든 종류의 미신이 사라질 것이라고 내다봤다. 불길한 징조, 귀신, 악마, 신의 개입까지 모든 것이 설명 가능해질 거라 생각했다. 이론상으로는 모든 자연현상이 정확한 원인과 결과의 관계로 설명될 수 있었다. 이른바 ‘기적’이라는 것들도 사실은 이유가 있는 일이거나(예를 들어 약효가 있는 것으로 밝혀진 자연 물질처럼 전에 몰랐던 작용 원리), 아니면 그저 사람들이 바라는 대로 해석한 우연의 일치에 불과했다. 물리 과학은 마치 ‘정확한 원인과 결과 관계를 증명하지 못하면 그런 믿음은 버려라’라고 말하는 것 같았다. _134쪽

과학자로서 두 사람은 완전히 다른 유형이었다. 아인슈타인은 모든 것에서 계산적이었고, 러더퍼드는 모든 것에서 실험적이었다. 평소 모습도 놀랄 만큼 달랐다. 아인슈타인은 운동과는 전혀 관계없고 평범해 보였지만, 러더퍼드는 크고, 건강하며, 활기 넘치는 뉴질랜드 사람 그 자체였다. 하지만 실험물리학자로서 러더퍼드가 천재였다는 점은 의심할 여지가 없다. 그는 역사상 가장 위대한 실험물리학자로 꼽힌다. 그는 직관에 따라 실험을 했고, 그가 시작하는 모든 실험은 놀라운 발견으로 이어졌다. _173쪽

이론물리학의 가장 심도 있는 문제들을 풀어내는 수학적 재능이 뛰어난 사람이었기에, 파울리의 많은 꿈에 기하학 요소와 추상적 상징이 담겨 있었던 것은 자연스러운 일이었다. 그의 꿈에는 자주 원과 선의 대칭적 배열이 등장했고, 융은 이를 자신의 원형 개념으로 해석했다. 수리물리학이 파울리의 내면 세계를 풍부하게 했고, 융은 이를 고대 상징과 연결함으로써, 두 사상가는 결국 두 영역 사이에 깊은 상징적 연결고리를 만들어냈다. _301쪽

파울리는 대칭성에 기반한 모든 것을 설명할 수 있는 통합 이론에 대한 희망을 쉽게 포기하지 않았다. 특정한 약한 상호작용에서 패리티 대칭성이 깨진다는 사실을 알게 된 후에도, 처음에는 하이젠베르크가 제안한 이 새로운 발견을 포함하는 통합 이론에 큰 관심을 보였다. 그러나 다른 물리학자들이 문제점을 지적하자 결국 그 이론을 포기할 수밖에 없었다. _333쪽

양자 얽힘 현상은 물리학자들을 당혹스럽게 하는 이론적 수수께끼일 뿐 아니라, 강력한 능력을 가진 컴퓨터 개발에 엄청난 가능성을 제공한다. 예를 들어, 카페인 분자를 정확히 모델링하는 문제를 생각해보자. 카페인은 24개의 원자가 복잡한 화학결합으로 연결된 구조를 가지고 있다. 커피 몇 잔을 마신 후라면 이런 분자 구조를 분석하는 것이 간단해 보일 수도 있지만, 실제로는 그렇지 않다. 왜냐하면 모든 분자는 근본적으로 양자역학의 법칙을 따르는 시스템이기 때문이다. 이런 시스템을 정확하게 시뮬레이션하려면 양자적 특성을 모두 고려해야 한다. _384쪽

출판사 서평

★ 〈피직스월드〉 선정 최고의 물리학 책 ★
★ 유튜브 〈안될과학〉 항성 번역 ★
★ 2025년 세계 양자과학기술의 해 ★

빛의 철학에서 파동의 과학까지
양자역학의 시작과 끝을 찾아서

태양은 왜 빛나는가? 빛의 속도는 무한할까?
‘유령 같은 작용’ 양자 도약은 진실일까? 빛보다 빠른 입자가 존재한다?
지금 이 시대를 사로잡은 질문들, 그 해답을 찾아서

저자는 양자역학이 아인슈타인에 이르러 갑자기 튀어나온 것이 아니라, 고대에서 현대까지 긴 시간 동안 다학제 간 연구와 학자들의 교류를 통해 지식의 축적이 이루어지면서 우리 세상의 과학 세계관을 형성해왔다고 말한다.
과학자, 철학자, 심리학자들은 지식을 교류하며 현대 과학의 세계관을 구축해나갔고, 고전역학과 양자역학, 완전히 다른 두 세계는 격하게 충돌했다. 이 모든 것은 인류가 ‘빛’을 탐구하면서 시작되었다. 고대 철학자들(피타고라스, 엠페도클레스, 아리스토텔레스, 플라톤 등)은 빛의 속도가 무한한지, 유한한지에 대해 수백 년 동안 논쟁을 이어갔다. 그러나 고대의 신화 중심 세계관을 벗어나 과학 실험이 발달할 때까지 답은 나올 수 없었다. 그렇다고 이들의 고찰이 무의미한 것은 아니었다. 아리스토텔레스의 사고실험은 원자의 발견, 중력의 존재, 운동의 이유 등에 대한 단초를 마련하도록 기여했다.
그 뒤 크리스티안 하위헌스, 아이작 뉴턴, 제임스 클러크 맥스웰 등이 과학 기반 실험을 수행하면서 빛이 입자이자 파동의 성격을 가졌음을 알게 되었고, 이는 양자역학이 싹틀 기반을 마련했다. 또한 알베르트 아인슈타인은 3차원 공간에 시간을 또 하나의 차원으로 부여하며 고전역학에서 현대물리학으로 도약하는 토대를 다졌다. 아인슈타인을 시작으로 세계를 뒤흔드는 혁신적인 과학 혁명이 시작된 것이다. 이 모든 지식이 기반이 되어 에르빈 슈뢰딩거의 ‘파동방정식’, 엔리코 페르미의 ‘중성미자 발견’, 볼프강 파울리의 ‘배타원리’, 하이젠베르크의 ‘불확정성 원리’ 등 새로운 시대를 빛낸 과학자와 이론이 차례로 등장하며 지금의 양자역학이 정론이 되었다.

우리는 결국 과학을 넘어서는 우연의 영역을 만난다
우주의 가장 깊은 진실에 도달하는 여행

플라톤의 빛, 피타고라스의 미신, 뉴턴의 운동, 아인슈타인의 상대성이론,
파울리의 중성미자와 융의 무의식…
과학자와 철학자, 심리학자의 교류가 가져온 ‘우연’에 대한 탐구

이 책은 다양한 인물, 사건, 논쟁의 이야기를 생생하게 그린다. 특히 그동안 가려져 있었던 흥미진진한 에피소드들, 즉 과학자들이 증명된 현상 대신 자신의 ‘신념’에 따라 움직이는 장면이 세세하게 기록되었다. 때로는 유사 과학에 가까운 믿음, 초자연현상의 영역이 ‘과학 이론’의 나아갈 방향에 영향을 주기도 한 것이다.
예를 들면, 양자역학 분야에서 뛰어난 업적을 보인 볼프강 파울리는 자신의 의사였던 심리학자 카를 융과 20년 동안 교류했다. ‘집단 무의식’과 의미 있는 우연의 일치인 ‘공시성’ 개념의 창시자 융은 파울리, 아인슈타인과의 만남에 큰 의미를 부여하고, 상대성이론과 양자역학을 자신의 심리학 이론에 적용했다. 파울리 역시 융의 공시성을 반영하여 생각의 방향을 바꾸었고 자신의 이론에 표현하기에 이른다.
그 외에도 피타고라스학파나 요하네스 케플러의 완벽한 숫자에 대한 집착, 앨프리드 러셀 월리스의 강령술에 대한 믿음, 아인슈타인과 초자연현상을 지지하는 이들의 긴박한 논쟁, 일부 과학자들의 비과학적 이론 제안 등 그동안 교과서, 책에서 보여주지 않았던 사실이 등장한다.
결국 이런 숨은 이야기나 우연에 대한 고찰, 양자역학의 기이함이 우리에게 주는 의미는, 이 세계가 단순한 기계적 인과관계로만 설명되지 않는 신비로운 측면을 가지고 있다는 것이다. 아인슈타인부터 파울리까지, 20세기의 위대한 물리학자들이 자연의 근본 법칙을 탐구하면서 마침내 철학적, 형이상학적 질문들과 마주했듯, 우리는 살아가면서 순수한 과학적 설명을 넘어서는 의미의 영역과 만나게 된다. 이 책은 그 경계를 넘나드는 여정에서 우리에게 영감을 주는 나침반이 될 것이다.

과학과 철학의 경계를 탐구하는 지적 여정, 양자역학
이제 내일의 과학은 어떤 질문을 던질 것인가

수천 년에 걸친 과학의 발전은 우리가 인과관계에 대해 가진 전통적인 관념에 도전하는 방향으로 이루어졌다. 그리고 지난 100년간, 현대물리학은 고전물리학 이론의 여러 측면을 부수며 성립되었다. 과학자들은 양자역학을 연구하며, 눈에 보이지 않는 미세한 움직임이 우리의 예상을 따르지 않는다는 것을 반복된 실험으로 검증했다. 이처럼 확고한 결과가 제시되는 한, 양자역학의 견고한 체계는 한동안 무너지지 않을 것이다.
그러나 현대물리학은 분명 우리가 경험하는 세계를 직관적으로 설명하기 어려운 부분이 있다. 따라서 물리학자들은 인간의 ‘거시 세계’와 양자의 ‘미시 세계’, 모두를 보편 법칙으로 통합하여 설명하고자 노력한다. 아인슈타인, 하이젠베르크, 파울리 같은 위대한 물리학자들 역시 이러한 자연의 통합 이론을 마지막 순간까지 연구했다. 과학자들의 끊임없는 호기심과 노력으로 언젠가 ‘세계를 설명하는 단 하나의 이론’은 구체화될 것이다. 그리고 그 결론은 21세기의 과학, 양자역학이 전혀 예상하지 못한 형태일 수도 있지 않을까.

작가정보

저자(글) 폴 핼퍼

Paul Halpern
물리학자. 필라델피아 과학대학교 물리학 교수다. 시간과 공간, 고차원, 암흑에너지, 암흑물질, 외계행성, 입자물리학, 우주론, 그리고 과학의 문화적 측면에 이르기까지 여러 분야에 관심을 갖고 있다. 10여 권의 과학 책과 수많은 글을 썼으며, 구겐하임 장학금, 풀브라이트 장학금, 애서니엄 문학상을 받기도 했다. 미국 PBS 방송의 과학 프로그램 〈노바NOVA〉의 물리학 블로그 ‘실재의 본질The Nature of Reality’에 정기적으로 글을 기고하며, 히스토리 채널, 디스커버리 채널 시리즈 〈퓨처 퀘스트Future Quest〉를 포함해 다양한 라디오와 텔레비전 프로그램에 출연했다.
지은 책으로 《파인만과 휠러의 만남, 양자미로》 《아인슈타인의 주사위와 슈뢰딩거의 고양이》 《그레이트 비욘드》 등이 있다.

번역 강성주

천문학자. 130만 구독자 유튜브 채널 〈안될과학〉에서 ‘항성’으로 활발하게 활동하는 과학커뮤니케이터다. 미국 텍사스대학교 오스틴에서 물리학과 천문학을 공부하고, 아이오와 주립대학교에서 천체물리학 박사 학위를 받았다. 한국천문연구원 선임연구원과 국립과천과학관 기상연구사를 역임했고, 현재 EBS 〈취미는 과학〉, KBS 〈이슈 Pick, 쌤과 함께〉 등 다양한 방송에 출연하며 복잡한 과학 개념들을 친근하고 알기 쉽게 풀어내 과학의 대중화에 앞장서고 있다.
옮긴 책으로 《우주를 만드는 16가지 방법》 《한 권으로 이해하는 아인슈타인의 세계》 등이 있다.