아인슈타인처럼 양자역학하기 by 리 스몰린

[ 밑줄/연결 ]
 
(1부 비현실에 대한 믿음)
 
 
(1장. 자연은 숨기기를 좋아한다)
 
모든 것은 다음 두 개의 질문에서 시작된다.
첫째,자연은 우리의 마음과 무관하게 존재하는가?
물질은 인간이 자신을 알건 모르건 상관없이 자신만의 안정적인 특성을 갖고 있는가?
둘째,인간은 물질의 특성을 이해하고 서술할 수 있는가?
우리는 우주의 역사를 서술하고 앞날을 예측할 정도로 자연의 법칙을 충분히 이해할 수 있는가?
 
현실주의자들은 우리는 진정한 현실을 서술하는 이론에 조만간 도달할 것이므로, 인식론(인간이 사물을 인식하는 방법을 연구하는 철학의 한 분야)에 연연할 필요가 없다고 주장한다. 이들은 인식론보다 존재론(존재하는 것 자체, 또는 그들이 지니고 있는 공통적 규정을 고찰하는 철학의 한 분야)에 더 많은 관심을 갖고 있다. 그러나 반현실주의자들은 우리는 무엇이 정말로 존재하는지 알 수 없으며, 자연에 대한 지식을 얻는 유일한 길은 자연과 상호작용을 하는 것뿐이라고 주장한다.
 
 
(2장. 양자)
 
불확정성(Uncertainty)
'입자의 위치'의 오차범위(불확정성을 크게 잡을수록 '입자의 운동량'의 측정값은 정확해지고, '입자의 위치'이, 오차범위를 작게 잡을수록 '입자의 운동량'은 불확실해 진다. 이것이 바로 그 유명한 불확정성 원리이다. 
(A의 불확실성) * (B의 불확실성) > 상수
 
양자역학에 의하면 특정 입자를 나타내는 파동의 파장과 그 입자의 운동량은 서로 반비례하는 관계가 있다. 즉,
파장 = h/ 운동량
 
어떤 경우에도 우리는 미래를 정확하게 예측하기 위해 필요한 정보 중 절반밖에 얻을 수 없다. 
 
 
(3장. 양자는 어떻게 변하는가)
 
양자이론에는 한계가 존재한다. 소위 말하는 하부체계원리(subsystem principle)가 바로 그것이다. 
양자역학이 적용되는 모든 물리계는 더 큰 물리계의 하부체계이다....
관측 대상은 관측자와 관측 도구를 포함하는 더 큰 물리계의 일부에 해당한다는 것...
 
양자역학의 두 번째 원리...양자역학의 제1규칙
임의의 시간에 고립된 계의 양자상태를 알면 이로부터 미래의 양자상태를 예측할 수 있는 법칙이 존재한다.
가끔 슈뢰딩거의 방정식으로 불리기도 한다...
양자상태와 각 입자의 거동 사이의 관계는 통계적이지만, 양자상태의 시간에 따른 변화를 설명하는 이론은 결정론적이다.
 
각기 다른 양자상태에 대응되는 두 개의 파동을 더하는 것을 중첩이라 한다. 
중첩원리 : 임의의 두 양자상태를 중첩시키면 제3의 양자상태가 정의된다.
세 번째 상태는 두 상태를 나타내는 파동을 수학적으로 더함으로써 만들어지며, 중첩된 후에는 두 상태의 차이에 관한 정보가 말끔하게 사라진다.
 
공간의 특정 위치에서 입자가 발견될 확률은 그 지점에서 입자에 대응되는 파동의 '높이의 제곱'에 비례한다.
 
양자역학의 제2규칙
관측을 실행하기 전에는 어떤 결과가 나올지 아무도 알 수 없다. 관측자가 예측할 수 있는 것이로곤 다양한 시나리오 중 특정 결과가 얻어질 확률 뿐이다. 그러나 관측을 실행하면 관측 대상에 변화가 일어나 단 하나의 상태로 결정되며, 이것이 관측 결과로 나타난다. 이 과정을 '파동함수의 붕괴'라 한다.
 
 
(4장. 양자는 어떻게 공유되는가)
 
'세계는 우리와 상관없이 바깥에 존재한다고 생각하면 모든 면에서 편리하지만, 현실은 전혀 그렇지 않다."
- 존 아치볼드 휠러
 
EPR은 '양자역학을 이용한 서술은 불완전하다'고 결론지었다.
나는 대학교 1학년 때부터 EPR의 논리를 끊임없이 생각해왔는데, 지금까지 내린 결론은 '논리적으로 타당하다'는 것이다. 
그러나 한 가지 명심할 것은 이 논리가 '물리학 = 국소적'이라는 가정에 기초하고 있다는 점이다. 
'베스의 해답은 멀리 떨어져 있는 안나에게 물리적 영향을 줄 수 없다'는 EPR의 주장은 국소성에 뿌리를 두고 있다.
-----> 리 스몰린( Lee Smolin)은 1955년생이다. 같이 연구도 하고 대중서적도 내시는 카를로 로렐리 교수는 1956년( Carlo Rovelli )생이다.
----> 책으로 접해 보면 글재주는 로렐리 교수가 더 좋은 것 같고, 학문적인 고민은 스몰린 교수가 더 나아 보인다. 
----> 조심스럽게 전망하는 이유는 두 분 모두 70대에 접어 들었기 때문에 아마 리 스몰린 교수는 자신이 알아 왔던 것을 정리하여 다음 세대에게 이런 고민을 더 해봐야 한다는 학문적인 의제를 정리하는 것으로 삶의 마지막을 정하는 것 같다.  카를로 로렐리 교수는 좀 더 낮고 폭넓게 자신이 알고 있는 것들을 쉽고 재미있게 정리하는 것으로 정리하기는 것 같고.... 이 연세가 되시면 자연스럽게 자신의 삶을 어떤 형태로든 정리해 놓고 싶으실 것이다..

 
 
물리학이 국소적이라는 벨의 가정이 틀린 것이다! 
결국 양자세계는 국소성 원리를 따르지 않는 희한한 세계였다....
자연은 국소성 원리를 만족하지 않는다. 서로 멀리 떨어져 있는 두 개의 입자, 또는 두 개의 물체는 (개별적 특성이 아닌) 특성을 공유할 수 있다.
 
뭐니 뭐니 해도 기이함의 극치는 존 벨이 알아낸 '양자 세계의 비국성'이다.
 
 
(5장. 양자역학으로 설명되지 않는 것들)
 

 
 
(6장. 반현실주의의 승리)
 
"양자역학은 물리적 실체를 서술하는 이론이 아니라 실험실에서 관측된 거시적 사건(감지기의 반응)의 발생확률을 계산하는 일종의 알고리즘이다. 이것은 양자이론에 주어진 명백한 한계이며, 이론이건 실험이건 우리에게 필요한 해석은 이것이 전부이다."  -  크리스 폭스(Chris Fuchs)와 애셔 페리스(Asher Peres)
 
물리학에서 '역학'이라는 이름이 붙으려면 모든 경우에 적용되는 운동방정식이 있어야 한다.
 
과학이란 인간이 자연에 개입하여 얻은 결과를 공통의 언어로 풀어놓은 것에 불과하다.
 
하이젠베르크의 주장을 정리하면 대충 다음과 같다.
'정상상태에 조용히 놓여 있는 전자의 궤적은 알아낼 방법이 없다. 그러니 괜한 헛수고하지 말고 관측 가능한 양에 집중해라'
 
아인슈타인과 드브로이, 그리고 슈뢰딩거는 현실주의를 대표하는 물리학자로서, '전자의 거동에 약간 이상한 구석은 있지만 그래도 전자라는 실체는 분명히 존재하며, 이유는 잘 모르겠지만 어쨌거나 파동성과 입자성을 모두 갖고 있다'고 믿었다.
반면에 반현실주의자였던 보어와 하이젠베르크는 '우리는 자연의 실체를 알 수 없으며, 원자에 대하여 우리가 알 수 있는 것이로곤 원자의 상호작용을 나타내는 숫자배열뿐'이라고 주장했다. 
 
불확정성 윈리에 의하면 우리는 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알 수 없다.
이것은 관측 도구나 실험 환경에 상관없이 모든 경우에 적용되는 일반적인 원리이다.
 
 
 
(2부 다시 태어난 현실주의)
 
 
(7장. 현실주의의 도전 - 드브로이와 아인슈타인)
 
파동-입자 이중성이라는 문제에 명백한 답을 제시한 사람은 루이 드브로이였다...
파일럿파 이론의 핵심은 전자가 파동과 입자라는 두 가지 속성을 실제로 모두 갖고 있다는 것이다. 
입자는 항상 특정 위치를 점유하고 있으며, 항상 특정 경로를 따라간다. 한편 파동은 공간을 통해 흐르면서 입자가 갈 수 있는 모든 가능한 경로를 탐색한 후 입자의 길을 인도한다.
 
봄은 젊은 시절에 평등한 사회를 꿈꾸다가 마르크스주의에 빠져들었고, 이 환상이 깨진 후에는 신비주의로 관심을 돌렸다..
나의 아버지는 신비주의에 심취하여 여러 해 동안 주르지예프의 사상을 연구했다. 나는 어린 시절부터 할아버지와 아버지가 저지른 실수를 꼽씹으면서 구도자의 모임이나 초월주의 사상에 빠지지 않겠다고 굳게 다짐해왔다. 구르지예프와 크리스나무르티의 혁명적 사고는 부정직함과 자기연민의 이상한 조합으로 탄생하여 좌파 사상을 이끌었고, 순진한 사람들은 이들의 언변에 쉽게 현혹되었다.
---> 이 부분 깜짝 놀랬다. 이런 개인사가 있는지 놀랐고, 특히 리 스몰린이 쓴 물리학책에서 구제프와 크리슈나무리티에 대한 언급이 나올 줄은 몰랐다. 
---->  나도 크리슈나무르티의 <자기로 부터의 혁명>, <아는 것으로부터의 자유>과  라즈니스를 통해서 알게된 구제프에 대한 책을 읽고 이들에게 빠져살던 10대 후반 ~ 20대 시절이 생각났다. 
----> 리 스몰린이 왜 초월사상/신비사상에 빠지지 않겠다고 결심을 했는지, 한 번 빠져봤던 나는 얼핏 알 것같다. 다만, ‘좌파사상을 이끌고, 대중은 언변으로 현혹했다’같은 부분까지는 미국의 당시 시대상을 직접 겪어 보지 못해서 동의는 쉽지 않다.

---->  데이비드 봄은 크리슈나무르티의 강연을 1961년 즈음에 들은 후 교류를 했다고 한다. 봄과 크리슈나무르티의 1980년대 인터뷰는 유튜브에서 볼 수 있고 책으로도 나온 적이 있다.
https://youtu.be/SqYCFRzqNoA?si=OTJO79SlF7yljsrZ

 
 
(8장. 데이비드 봄 - 되살아 난 현실주)
 
파일럿파 이론의 핵심은 모든 원자들이 현존하는 실체이며, 공간에서 명확한 위치를 갖고 있다는 것이다.
 
 
(9장. 양자상태의 물리적 붕괴)
 
양자이론이나 상대성이론은 몇 가지 지점에서 심각한 충돌을 일으키는데, 가장 중요한 것은 시간을 서술하는 방식이 매우 다르다는 것이다. 양자역학에는 범우주적으로 통용되는 하나의 시간만이 존재하는 반면, 일반상대성이론에서는 여러 개의 시간이 존재한다. 
 
수학용어를 써서 말하하면 양자역학은 선형적이고, 일반상대성이론은 비선형적이다.
 
 
(11장. 비판적 현실주의)
 
확률이라는 단어에 적어도 세 가지 의미가 담겨 있기 때문이다.
가장 간단한 확률 개념은 '임의의 사건이 발생할 가능성'을 의미하는 경우이다...
미래에 어떤 사건이 발생할 확률을 예측한다는 것은 베이즈 확률을 이용하여 자신의 주관적 믿음을 표현한다는 뜻이다.
반복적으로 일어나는 사건에 대한 기록과 관련되어 있다.
 
 
(3부 양자를 넘어서)
 
 
(12장. 혁명의 대안)
 
당신은 '실험을 통해 관측된 것 외에는 과학의 대상이 될 수 없다'는 보어의 관점을 받아들일 수도 있고, 
'파동함수는 우리의 믿음이 반영된 기호에 불과하며, 예측이란 베팅의 완곡한 표현일뿐' 이라는 양자적 베이즈 확률론을 수용할 수도 있다. 
 
언어를 정의하지 않으면 섀넌의 정의는 무의미해진다. 다시 말해서, 메시지는 송신자와 수신자가 공유하는 언어로 이루어져야 한다는 뜻이다. 불규칙한 기호에는 아무런 정보도 담겨 있지 않다. 따라서 섀넌이 계량한 정보의 양이 송-수신자가 공유하는 언어의 특성에 따라 달라지는 한, 정보자체는 순수한 물리량이 아니다.
 
'의미를 전달하려는 의도의 유무'뿐이다. 즉, 중요한 것은 메지지를 전달하려는 '의도'다.
 
내가 이 이론에서 배운 교훈은 양자역학을 우주 전체에 적용하려면 공간과 시간 중 하나를 선택해야 한다는 것이다. 근본적인 양은 둘 중 하나뿐이다. 바버와 고메스처럼 공간을 현실적인 양으로 간주하면 시간과 인과율은 환상이 되고, 로렐리처럼 시간과 인과율을 현실로 간주하면 공간이 환상임을 인정해야 한다.
----> 내가 잘못 알고 있었나? 리 스몰린은 시간이 실재한다고 생각했고, 로렐리는 시간은 실재하지 않는다고 생각한다고 알고 있었다. 내가 로렐리의 전작을 잘못 읽었던지, 아니면 이 책을 쓴 시점과 로렐리의 시각이 달라 졌던지...???
----> 내가 읽은 독해가 잘못된 것은 아닌것 같다. 원문의 작성시가와 로렐리의 의견 제시가 달라진건지? 더 파보고 싶지만, 뭐 내가 전공자도 아니고..
 
"양자이론에서 우주론에 이르기까지 현대 물리학의 비약적인 발전은 우리가 경험하는 시간이란 것이 실재가 아니라 환상과 같은 것이라는 주장으로 이어졌다. <시간은 흐르지 않는다>(쌤앤파커스)를 쓴 이탈리아 출신 물리학자 카를로 로벨리를 비롯해 “시간은 환상”이라는 물리학자들의 주장은 현대 물리학계에서도 주류의 위치를 차지하고 있는 듯하다."
 
[책&생각] 우리는 어딘가로 쏘아진 시간의 화살 위에 있다

[책&생각] 우리는 어딘가로 쏘아진 시간의 화살 위에 있다

 
----> "시간의 흐름은 본질적이고 실재하는 것이며, 비시간적인 진리에 대한 희망은 신화"이다. by 리 스몰린 

----> "우주에는 단 하나의 유일한 시간이 존재하지 않고, 시간은 과거에서 미래를 향해 한 방향으로 나아가는 것도 아니며, 규칙성을 가지고 일정하게 흐르는 것이 아니다. 이 모든 것은 시간에 관한 우리의 지각 오류가 만든 산물이자 지구라는 환경의 특수성, 근사성이 만들어낸 결과다."  by 카를로 로벨리

 
(13장. 교훈)
 
가장 중요한 교훈은 물리적 실체가 파동함수에 내포되어 있다는 것이다.
 
 
(14장. 원리가 먼저다!)
 
나는 아인슈타인이 자서전에서 밝힌 두 가지 문제를 해결하겠다는 희망을 품고 물리학에 뛰어들었다. 그 문제란
1) 양자물리학과 시공간을 하나로 통일하고, 2) 양자물리학을 이치에 맞는 이론으로 재구성하는 것이었다.
 
새로운 기본이론을 구축하는 우리의 전략은 1) 원리, 2) 가설(원리에서 벗어나지 않는 가설), 3) 모형(원리와 가설이 부분적으로나마 반영된 모형), 4) 이론의 완성 이렇게 네 단계로 진행될 것이다.
 
(물리학의 기본 원리)
1. 배경독립성원리
물리학이론은 배경의 영향을 받지 않아야 한다.
일반상대성이론은 얼어붙은 시공간을 해동시켜서 역학적 구조로 바꿔놓았다....차원과 같은 심층구조(연속적인 양이나 변화율을 정의하는 데 필요하다)는 여전히 고정되어 있다. 따라서 일반상대성이론은 아름답긴 하지만 아직 완벽한 이론은 아니다.
 
2. 시간과 공간은 관계적이다. 
관계적 관측량, 또는 관계적 특성은 두 객체 사의의 관계를 서술한다.
 
3. 인과완전성원리
이론이 완전하면 우주에서 일어나는 모든 사건에는 원인이 있으며, 이 원인에도 또 다른 원인이 존재한다. 
 
4. 상호원리
물체 A가 물체 B에 어떤 작용을 가하면, B는 A에게 동일한 작용을 되돌려준다. 
 
5. 무구별자동일성원리
두 객체 A, B가 모든 특성을 공유하고 있으면 둘은 동일한 객체이다. 즉, A=B이다.
 
이 모든 원리들은 라이프니츠가 제안했던 충분근거원리의 각기 다른 측면에 해당한다.
 
----> ‘물리학의 기본원리’. 난 이거 여기서 처음 봤다.
----> 보통 라이프니츠의 이론을 문과에서는 '충족이유율(Principle of sufficient reason)이라고 번역한다. 그것이 거기에 있을만한 충분한 이유가 반드시 있다는 것. 모든 존재는 그것이 존재할만한 충분한 이유가 있다는 것...

 

 
 
우주 안에서 '절대위치'라는 개념은 무의미하며, 오직 상대적 위치만이 의미를 갖는다. 그러므로 논리적인 과학자라면 관계론자가 되어야 한다.
 
시공간과 양자를 초월한 세 가지 가설은 다음과 같다.
인과율의 관점에서 볼 때 근본적인 양은 시간이다.
시간은 과거로 흐를 수 없다. 
공간은 부수적 개념이다.
 
 
(15장. 관점의 인과론)
 
뇌터의 정리를 간단하게 요약하면 다음과 같다.
'연속변환에 기초한 자연의 모든 대칭에는 그에 대응하는 보존량이 존재한다.' 그 결과 병진대칭에 대응하는 보존량이 바로 운동량이고, 시간대칭에 대응하는 보존량은 에너지이다.
이 사실만 놓고 보면 근본적인 것은 공간이고, 에너지와 운동량은 공간의 대칭이 반영된 부수적 개념인 것 같다.
 
'관점의 인과론'
한 사건의 관점은 완전히 현실적이며, 개인의 의견과는 아무런 관계도 없다.
지금 설명 중인 이론에서 현실적이고 객관적인 것은 각 사건들이 인과적 과거로부터 얻은 정보뿐이다.
 
관점의 인과론을 한 문장으로 요약하면 다음과 같다.
'우주는 과거의 사건으로 형성된 관점만으로 이루어져 있으며, 자연의 법칙은 이 관점의 다양성을 극대화시키는 쪽으로 작용한다.'
 
 
(에필로그 / 혁명 )
 
우리는 어린 시절부터 '정답은 항상 존재하며, 우리는 열심히 공부해서 정답을 알아야 한다'는 식으로 교육을 받아왔다.
 
자연과 인간, 둘 중 한쪽에 문제가 있는 건 분명한데, '우리의 이해력은 완벽하고, 문제는 자연에 있다'고 장담하기에는 뭔가 꺼림칙하지 않은가? 
 
 
[ 자평 ]  읽어도 모르는데, 읽는 재미... 이런 것... 그리고 점점 철학과 과학의 경계가 붕괴는 트렌드를 읽는 느낌...
 
국내 출간되자 마자 사 놓았는데, 이제서야 읽어보게 되었다.
문과 지능인 나에게 당연히 어려울 듯 하여 전공 교수님들이 대중을 위해서 강연한 동영상을 듣고 봤다.
 
다만 이 책의 핵심은 2부와 3부이다. 즉 양자역학의 주류 해석인 코펜하겐 해석 외의 대안 해석들에 대한 언급이다.
이 책만의 읽을 만한 차별적 내용과 장점을 이 부분으로 봤고, 이런 내용은 국내 대중을 위해 출판된 양자역학 관련 책에서 이 정도 수준으로 본 적이 없는 것 같다.
서점에 있는 양자역학 관련 책들은 기존의 주류 해석에 대해 쉽게 설명하는 책들이 거의 전부이기 때문에 나같은 일반인이 이런 대안적 이론을 접하기는 거의 불가능한 상황이겠다.
당연한 부분일 것이다. 이 분야 전문가들도 이런 대안에 관련된 사항은 일부러 논문을 찾아 봐야 겠지만, 나 같은 일반인이 그 분야 전문가도 아닌데 그런 그런 논문까지 찾아서 볼 의도나 역량이 되겠는가.
 
https://youtu.be/zZGPQgluKkw?si=uLSubRUUUejfltpy