다세계

 

책이름 : 다세계

지은이 : 숀 캐럴

옮긴이 : 김영태

펴낸곳 : 프시케의숲

 

미국 이론물리학자 숀 캐럴 (Sean Carroll, 1966- )은 ‘다세계’ 이론의 관점에서 양자역학에 접근했다. 다세계 이론에 따르면 우리가 살고 있는 세계는 유일한 세계가 아니었다. 매순간 서로 다는 수많은 세계들이 복제되었다. 그의 ‘극도로 간결한 양자역학’은 파동함수와 슈뢰딩거 방정식 만으로 모든 것을 설명했다. 『다세계』의 원제는 『Something Deeply Hidden』으로 ‘깊숙이 숨겨져 있는 어떤 것’이라는 의미였다. 표지의 카피는 ‘양자역학은 왜 평행우주에 수많은 내가 존재한다고 말할까’였다. 3부에 나뉘어 14개장으로 구성되었다.

1부 1장 양자 세계 들여다보기. 1687년 아이작 뉴턴은 물리학 역사상 가장 중요한 업적 『프린키피아』를 출간. 위치와 속도로 상태state를 결정. 우주에 있는 모든 물체의 상태를 알 수 있다면, 그로부터 과거에 일어난 일은 물론, 미래에 일어날 모든 일을 알아낼 수 있다는 ‘라플라스의 악마’. 양자 역학은 전자가 특정한 위치에 있거나 특정한 속도를 가질 ‘확률’만을 예측하는 것. 2장 극도로 간결한 양자역학. 1927년 벨기에서 열린 5차 국제 솔베이회의에서 세계적으로 저명한 물리학자들이 모여 양자이론의 위상과 의미를 논의. 1957년 휴 에버렛은 한 종류의 양자 진화만이 존재한다고 제안―‘에버렛 세계’ 또는 ‘다세계’.

3장 양자역학의 탄생. 양자 역학은 궁극적으로 입자와 장을 단일 존재인 파동함수로 통합. 가열하여 물질 온도를 충분히 높이면, 원자 속 전자들이 진동해 물질이 빛나기 시작―흑체복사. 빛이 방출될 때마다, 빛은 그 진동수와 관계된 특정한 양자quantum의 에너지 형태로 밀려온다는 막스 플랑크의 공식. 전자에게 허용된 궤도들은 양자화되어 있다는 1912년 닐스 보어의 아이디어. 드브로이는 전자와 같은 물질 입자가 실제로는 파동이라고 가정. 4장 불확정성과 상보성. 불확정성의 원리는 위치와 운동량을 알 수 없다는 것이 아니라, 두 물체량이 동시에 존재하지 않는다는 것. 위치를 특정 장소에 집중시키면 운동량을 전혀 결정할 수 없으며 그 반대도 마찬가지라는 파동함수의 작동방식을 말해주는 것. 전자가 입자 또는 파동의 성질을 보인다고 생각할 수 있지만, 동시에 입자이면서 파동일 수 없다는 닐스 보어의 상보성complementariyy.

5장 중첩 상태의 파동함수. 국소성 원리란 자연을 기술하는 물리량들은 시공간의 특정한 점에서만 정의되지 여러 장소에 퍼져 있지 않으며, 멀지 않고 가까이 있는 다른 물리량들과만 직접 상호작용한다는 것. 초결정주의란 물리학의 진정한 법칙은 전적으로 결정되어 있으며 무작위적인 것은 전혀 없다는 주장.

2부 6장 결풀림과 평형세계. 1957년 휴 에버렛 3세의 논문 『양자 역학의 ‘상대적 상태’ 이론』. 우주의 한 부분이 우주의 다른 부분과 적절히 상호작용할 때 측정이 이루어지는 게 틀림없다고 추론. 양자 역학의 다세계 이론은 측정 과정과 파동함수의 붕괴에 관련된 모든 신비를 영원히 제거. 7장 확률의 발생지. 한 사람의 일생은 어느 한 시점의 수많은 개인들로 이루어지며 마치 가지가 갈라지는 나무처럼 생각하며 세계가 복제되고 세계의 모든 것이 그 뒤를 따른다는 다세계 이론. 8장 양자 퍼즐에 대한 소크라테스의 대화. 엔트로피가 증가하는 이유는 낮은 엔트로피보단 높은 엔트로피에 있을 방법의 수가 훨씬 더 크기 때문.

9장 다세계 이론의 대안. 동역학적 붕괴 모형의 가장 유명한 GRW 이론은 다른 동역학을 가진 아주 새로운 물리학 이론. 두 가지 새로운 자연 상수를 가정, 새롭게 국소화된 파동함수의 폭과 매초 동역학적 붕괴가 일어날 확률. 현대물리학의 자연의 기본 구성요소는 입자가 아닌 장. 진동하는 장을 충분히 가까이에서 보면 장이 입자처럼 보이는데, 이는 장이 양자 역학의 규칙들을 따른다는 단순한 이유 때문. 10장 양자 우주에서의 삶과 사고. 신경세포는 중추신경계와 많은 말초신경을 구성하고 있는 세포, 말초신경 대부분은 수상돌기이며 주위 신경세포에서 신호를 받는다. 신호를 밖으로 보내는 길이가 더 긴 섬유질의 축색. 전기화학적 펄스가 발생하는 지점에 도달할 때까지 전하를 띤 분자(이온)가 신경세포 내부에 축적, 이 펄스가 축색을 따라 이동해 시냅스를 지나 다른 신경세포의 수상돌기에 도착. 이런 많은 사건이 결합한 것이 ‘생각’.

3부 11장 창발과 국소성. 동역학적 국소성―측정이나 분기가 일어나지 않을 때 양자 상태가 연속적으로 진화하는 것. 다세계 이론은 단일 수학적 대상인 파동함수를 이용해 우주를 기술. 12장 양자장 이론. 입자와 파동이라는 언뜻 상반되어 보이는 아이디어를 통합시키려는 시도. 전자는 전자장의 진동이고, 여러 종류의 퀴크는 여러 종류의 퀴크장의 진동. 13장 양자역학에서 중력 찾기. 양자 중력이론에서 단일 시공간은 존재하지 않으며, 많은 다른 시공간 기하학의 중첩만이 존재. 해밀토니안은 계가 얼마나 많은 에너지를 가지고 있는가를 기술하는 방법, 계의 동역학에 관한 모든 것을 담고 있는 간략한 방법. 14장 홀로그래피, 블랙홀과 국소성의 한계. 1974년 스티븐 호킹의 발표. 양자장이 존재할 때 블랙홀은 자연적으로 입자를 주위로 방출, 이 입자들은 흑체복사 스펙트럼을 보이기 때문에 모든 블랙홀은 온도를 갖고 있다. 블랙홀의 질량이 크면 클수록 온도가 더 낮은 반면, 아주 작은 블랙홀의 온도는 아주 높다.