우주 양자 마음

원제 The Large, the Small and the Human Mind

로저 펜로즈 , 낸시 카트라이트, 에브너 시모니, 스티븐 호킹 | 옮김 김성원, 최경희

출판사 사이언스북스 | 발행일 2002년 10월 30일 | ISBN 978-89-8371-102-1

패키지 양장 · 변형판 142x214 · 256쪽 | 가격 15,000원

분야 물리학

책소개

로저 펜로즈와 스티븐 호킹을 비롯한 세계적인 석학들이물리학을 통해 들여다 본 마음의 본질과 인간의 가치

케임브리지 대학교의 로저 펜로즈라 할 수 있는 물리학자 스티븐 호킹, 보스턴 대학교의 철학 및 물리학 명예 교수인 애브너 시모니, 런던 경제학 스쿨(LSE)의 자연철학 센터 교수인 낸시 카트라이트가 펜로즈의 강연에 대해 질의(質議)를 하는 형식으로 구성된 이 책은 현대 물리학의 현주소를 명료하게 보여 줄 뿐만 아니라, 앞으로 전개될 물리학의 미래와 학제 간 연구에 대한 전망 등도 포괄적으로 다루고 있다.

편집자 리뷰

오는 11월 14일에 속도가 3GHz인 CPU를 발표할 예정인 인텔(Intel) 사는 2010년경에 15GHz대의 CPU를 사용할 수 있을 것이라 예측했다. 과연 그렇게 빠른 컴퓨터가 나타나면 인간의 지능과 같은 인공지능이 가능할 것인가. 인간은 자신과 닮은 로봇을 만들기 위해 인공지능 개발에 막대한 투자를 해왔다. 하지만 아직까지 ‘첨단 인공지능’조차 유아 수준에서 답보를 거듭하고 있다. 그렇다면 인간처럼 지능과 마음을 지닌 인공지능이 언제쯤 가능할까.
옥스퍼드 대학교의 물리학자이자 수학자인 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 위와 같은 질문에 대해 ‘아니오’라고 말한다. 펜로즈는 인간의 수학적 능력이 알고리듬적이 아님을 역설한다. 그러면서 펜로즈는 단, ‘현재의 과학’으로는 그것이 불가능함을 강조하고 앞으로 그것을 실현하기 위해 필요한 이론들의 요건을 하나하나 짚어나간다. 그는 자신의 화려한 경력과 명성에 걸맞게, 이 책 『우주, 양자, 마음(The Large, the Small and the Human Mind)』에서 스티븐 호킹을 비롯한 동료 석학들과 함께 현대 물리학(양자역학), 인지과학, 인공지능의 현주소와 전망을 간단명료하게 풀어낸다.
그리고 전작 『황제의 새 마음(Emperor’s New Mind)』과 『마음의 그림자(Shadows of the Mind)』를 통해 전 세계의 주목을 받아 온 과학 저술가이기도 한 그는, 이 책에서 전작들의 내용을 요약하면서 그것을 바탕으로 최근 연구 성과들을 종합하여 체계적으로 설명한다. 뿐만 아니라 독자의 이해를 돕기 위해 자신이 직접 그린 70여 컷의 그림을 함께 실어 폭넓은 이해를 구하고 있다.
이 책은 펜로즈가 영국 케임브리지 대학교에서 한 세 번의 「인간 가치에 관한 태너 강연」을 그대로 엮은 것이다. 아울러 펜로즈의 강연에 대한 애브너 시모니, 낸시 카트라이트, 스티븐 호킹의 강평과 펜로즈의 답변도 함께 싣고 있다. 좀 더 자세히 살펴보면, 1장은 ‘큰 것의 물리학’인 우주론을, 2장은 ‘작은 것의 물리학’인 양자역학을, 3장은 물리적 세계와 정신적 세계의 연관성에 대한 폭넓은 통찰을 각각 담고 있다. 그리고 4장은 화이트헤드와 존 설을 중심으로 다소 철학적인 견지에서 평가하는 애브너 시모니의 비평을, 5장은 정신을 다루는 물리학의 정체성을 논하는 낸시 카트라이트의 강평을, 그리고 6장은 펜로즈를 가장 잘 이해하면서도 가장 신랄하게 평가하는 스티븐 호킹의 구체적인 반론을 각각 싣고 있으며, 마지막 7장은 세 강평자에 대한 펜로즈의 논리적인 자기 변론을 담고 있다.

이전에도 그랬듯이, 펜로즈는 겉보기에 서로 아무 관계도 없는 물리학, 수학, 생물학, 뇌 과학, 심지어 철학의 여러 주제들이 새롭고 아직 정의조차 되지 않은 근본적인 과정의 이론 안에 맞물려 들어갈 수 있다는 놀랍고 독창적인 통찰을 제시한다. 펜로즈는 이 시대의 가장 뛰어난 수학자로 널리 알려져 있지만, 사실상 그의 연구는 실제적인 물리적 배경에 튼튼한 뿌리를 둔 것들이다. 천체물리학과 우주론 분야에서 그의 가장 유명한 연구는 중력의 상대성 이론에 관한 정리인데, 몇 가지는 스티븐 호킹과 함께한 것이다. 그러나 이것은 수학과 수리물리학의 다양한 분야에 기여한 그의 막대한 공헌 중의 한 가지에 불과하다.
그의 접근 방법은 1-3장에 걸쳐 잘 드러나는 강력하고 생생한 기학학적 감각을 바탕으로 한다. 일반인들은 이런 면모를 에셔의 ‘불가능(impossible)’ 그림들과 ‘펜로즈 타일(Penrose tile)’을 통해 가장 잘 알 수 있다. 펜로즈와 그의 아버지 라이오넬 펜로즈(Lionel S. Penrose)의 논문이 에셔의 여러 가지 ‘불가능’ 그림들에 영감을 주었다는 사실은 참으로 흥미롭다. 게다가 펜로즈는 1장에서 쌍곡 기하(hyperbolic geometry)에 대한 자신의 열광을 설명하기 위해 에셔의 그림 ‘원형 한계(circle limit)’를 사용했다. 펜로즈 타일은 몇 가지 모양의 타일로 무한 평면을 완벽하게 덮을 수 있는 놀라운 기하학적 구성이다. 이러한 타일 붙이기의 가장 놀라운 예는 무한 평면을 완전히 덮으면서도 반복되지 않는 것이다. 다시 말해 무한한 평면 안의 어떤 지점에서도 타일이 결코 동일한 형태로 덮이지 않는다는 것이다. 이 주제는 정밀하게 정의된 수학적 처리 절차를 컴퓨터가 수행할 수 있는지에 관한 문제와 관련되어 3장에 다시 나온다.
펜로즈는 현대 물리학의 가장 심오한 문제들을 풀기 위해, 수학과 물리학에서 이룬 자신의 비상한 업적들과 함께 여러 가지 대단한 수학적 무기들을 들이댄다. 그가 말하는 문제의 실재성과 중요성에 대해서는 더 이상 의문의 여지가 없다. 우주론자들에게는 대폭발 이론이 우주의 대국적 특성을 이해하는 데 가장 설득력 있는 방안이라고 확신할 만한 충분한 근거가 있다. 그러나 이것은 여러 가지 면에서 심각하게 불완전하다. 대부분의 우주론자들은 우주 탄생 이후 1,000분의 1초부터 현재까지 우주의 전체적 특성을 설명하는 데 필요한 기본 물리학을 우리가 잘 이해하고 있다고 생각한다.
그러나 이것은 초기 조건을 아주 잘 잡았을 때만 옳다. 중요한 문제는 우주의 나이가 1,000분의 1초보다 상당히 짧았던 때는 현재 알려진 어떤 물리학을 시도해 봐도 다 틀리고, 따라서 알려진 물리 법칙의 합리적인 외삽에 의존할 수밖에 없다는 것이다. 우리는 이 초기 조건이 어땠을지 잘 알지만, 그것이 왜 그렇게 되었는지는 순전히 추측의 문제이다. 이것이 현대 우주론의 가장 중요한 문제라는 것에는 모두들 동의하고 있다.
이 문제를 해결하려는 시도로 표준적인 틀이 개발되었는데, 이것이 초기 우주의 급팽창(inflation) 이론이다. 이 이론에서도 우주의 어떤 성질은 창조의 순간으로부터 최소의 시간이 지났을 때, 즉 플랑크 시기(Plank epoch)의 조건에서 결정되는 것으로 생각된다. (이때 이후라야 양자 중력을 생각할 수 있기 때문이다.) 우주의 나이가 불과 약 10-43초였던 때가 이 시기이며, 이것은 너무 극단적이라고 느껴지기도 하지만, 오늘날 우리의 지식을 고려할 때 이 극단적인 시기에 어떤 일이 일어났는지 진지하게 생각해 보아야 한다.
펜로즈는 통상적인 대폭발 이론은 받아들이지만, 초기 단계에 급팽창이 일어났다는 생각은 받아들이지 않는다. 차라리 그는 아직 알려지지 않은 물리학이 있다고 믿는다. 이것은 이론물리학자들이 오랫동안 해결하기 위해 노력했지만 아직 알아내지 못한, 제대로 된 중력의 양자 이론에 관련된 물리학이다. 이것을 아직 알아내지 못한 이유는 이론물리학자들이 잘못된 문제를 풀려고 했기 때문이라고 펜로즈는 주장한다. 그가 생각하고 있는 것은 부분적으로 우주 전체의 엔트로피 문제와 관련이 있다. 엔트로피, 쉽게 말해 무질서는 시간에 따라 증가하므로, 우주는 분명 엔트로피가 아주 작은 고도의 ‘질서 상태’에서 출발했을 것이다. 이런 일이 우연히 일어날 가능성은 너무나 낮다. 펜로즈는 이 문제가 올바른 양자 중력 이론의 일부로서 해결되어야 한다고 주장한다.
이러한 양자화의 필요성이 양자물리학의 문제들을 다루는 2장에서 논의된다. 양자역학과 양자장론의 상대성 이론적 확장은 입자물리학과 원자의 성질에 관한 여러 가지 실험 결과를 현상론적으로 설명하는 데 성공해 왔다. 그러나 이 이론의 완전한 물리적 의미가 드러나기까지는 여러 해가 걸렸다. 펜로즈가 아름답게 보여주듯이, 이 이론은 고전 물리학에는 없는 매우 비직관적인 면모를 본질적인 구조의 일부로 가지고 있다.
예를 들어 비(非)국소성(non-locality) 현상에서는 쌍생성으로 입자-반입자 쌍이 만들어질 때 각 입자가 창조 과정에 대한 ‘기억’을 유지하기 때문에, 이런 의미에서 두 입자는 서로 완전히 독립적이라고 할 수 없다. 펜로즈가 말했듯이 ‘양자 얽힘은 아주 이상한 것이다. 이것은 완전히 분리된 것도 아니고 서로 교신하고 있는 것도 아닌 그 중간쯤의 상태이다.’ 또한 양자역학에서는, 일어날 수 있었지만 실제로는 일어나지 않은 일에 대해 알아내는 것도 가능하다. 그가 논의한 예들 중 가장 인상적인 것은 양자역학이 고전 물리학과 얼마나 다른지 보여주는 놀라운 ‘엘리추어-베이드만 폭탄 검사(Elitzur-Vaidman bomb testing)’ 문제이다.
이런 비직관적인 특징은 양자물리학이 갖는 구조의 일부분이지만 여기에는 더 심오한 문제가 있다. 펜로즈의 집중적인 관심은 ‘양자 수준의 현상과 그것에 대한 거시적 관측을 관련짓는 방식’에 쏠려 있다. 이것은 매우 큰 논란이 일어나는 부분이다. 현장의 물리학자들은 대개 양자역학의 규칙을 단지 대단히 정확한 답을 얻는 계산 도구로만 사용한다. 규칙을 올바르게 적용한다면, 우리는 옳은 답을 얻을 것이다. 그러나 여기에서, 단순하고 선형적인 양자 수준의 현상을 실제의 실험으로 번역하면서 뭔가 우아하지 못한 과정이 포함된다. 이 과정이 이른바 ‘파동 함수의 붕괴’ 또는 ‘상태 벡터의 오그라듦’이다.
펜로즈는 통상적인 양자역학의 상에 물리학의 몇 가지 근본적인 조각들이 빠져 있다고 믿는다. 그는 자신이 ‘파동 함수의 객관적 오그라듦’이라고 부르는 것을 필수적으로 포함하는 완전히 새로운 이론이 필요하다고 주장한다. 이 새로운 이론은 해당되는 한계 안에서 통상적인 양자역학과 양자장론으로 환원되면서, 그 한계 밖에서는 새로운 물리적 현상들을 가져올 것으로 보인다. 양자 중력과 초기 우주의 물리학이라는 문제에 대한 해답은 그 안에 들어 있을 것이다.
3장에서 펜로즈는 수학, 물리학, 인간의 마음 사이에서 공통적인 것을 캐내려고 한다. 가장 엄밀하고 논리적인 과학인 ‘추상 수학’을, 아무리 정밀하고 메모리가 큰 디지털 컴퓨터로도 프로그램화할 수 없다는 사실은 참으로 놀라운 일이다. 이러한 컴퓨터는 수학자가 하는 방식으로 수학적인 정리들을 발견할 수 없다. 이 놀라운 결론은 ‘괴델의 정리’라고 불리는 것의 한 변형에 의해 유도된다. 펜로즈는 이것을 수학적 사고의 과정과, 거기에서 확장하여 모든 사고와 의식적 행위의 과정이 ‘비계산적(non-computational)’ 방식으로 이루어지는 것을 의미한다고 해석한다. 우리는 직관적으로 의식과 인식의 거대한 다양성이 비계산적이라고 말하기 때문에, 이 해석은 매우 풍부한 단서가 된다. 이 결과가 그의 논증 전체에서 가지는 핵심적인 중요성 때문에, 그는 『마음의 그림자』의 거의 절반을 괴델 정리가 빈틈이 없다는 자신의 해석에 바쳤다.
펜로즈의 통찰은 양자역학과 의식의 문제가 여러 가지 방식으로 맞물려 있다는 것이다. 비국소성과 양자 결맞음은 원리적으로, 뇌의 넓은 영역이 결맞게 작동할 수 있다고 말한다. 그는 의식의 비계산적인 면모가, 파동 함수가 거시적 관측량에 연결되는 ‘비계산적인 객관적 오그라듦’과 관련있다고 믿는다. 그는 단순히 일반 원리를 말하는 것에 만족하지 않고, 이러한 새로운 물리적 과정을 유지할 수 있는 뇌 속의 구조물을 지목하는 시도로까지 나아간다.
이 책은 아이디어의 독창성과 풍부함, 그리고 이것을 펼쳐나가는 설명의 아름다움을 보여준다. 논의가 진행되면서, 밑바닥을 흐르는 몇 가지 주제는 펜로즈의 사고 방향을 결정하는 중요한 역할을 한다. 아마 가장 중요한 것은 자연계의 근본적 과정들을 해석해 내는 놀라운 수학적 능력일 것이다. 펜로즈의 말에 따르면, 물리적 세계는 어떤 의미에서 수학적인 플라톤 세계(Platonic world)에서 나온다. 그러나 우리는 세계를 기술하기 위해 수학을 만들지 않으며, 수학에 맞추기 위해 실험이나 관찰을 하지도 않는다. 세계의 구조에 대한 이해는 넓은 일반 원리와 수학 자체에서 나올 것이다.
이 과감한 제안들이 논란의 주제가 되어 왔다는 것은 놀라운 일이 아니다. 토론자들은 서로 다른 지적 배경을 지닌 전문가들의 다양한 시각을 보여 준다. 애브너 시모니는 여러 가지 면에서 펜로즈와 의견을 같이한다. 그는 양자역학의 표준적 정식화가 불완전하다는 것에 대해 펜로즈와 같은 방식으로 동의하며, 양자역학의 개념이 마음의 이해에 중요하다는 데도 동의한다. 그러나 그는 펜로즈가 ‘엉뚱한 산을 오르려고 하는 등산가’라고 주장하면서, 같은 관심 영역을 보는 건설적인 대안을 제시한다.
낸시 카트라이트는 과연 물리학이 의식의 본질을 이해하기 위한 올바른 출발점인가 하는 근본적인 의문을 던진다. 낸시는 또한 서로 다른 과학 분야들을 결정하는 법칙들이 정확하게 서로를 도출할 수 있는가라는 날카로운 질문도 제기한다. 세 토론자 중에서 가장 중요한 인물은 물론 펜로즈의 오랜 친구이자 동료인 스티븐 호킹이다. 많은 점에서 호킹은 ‘평균적인’ 물리학자들의 표준적 위치라고 불릴 만한 곳에 가장 가까이 있다. 그는 펜로즈에게 파동 함수의 객관적 오그라듦에 관한 세부 이론을 개발하라고 요구한다. 그는 물리학이 의식의 문제에 발언권이 있다는 주장에 반대한다. 이것들 모두가 타당한 주장이지만, 펜로즈는 이 책의 마지막 장에서 다시 자신의 입장을 옹호한다.
이렇게 해서 펜로즈는 21세기에 수리물리학이 어떻게 발전해 갈 것인가에 관한 전망 또는 선언을 성공적으로 만들어 냈다. 1-3장에 걸쳐 그는 이야기의 각 부분이 어떻게 비계산성과 파동 함수의 객관적 오그라듦을 포용하는 완전히 새로운 물리학의 정합적인 상에 맞아 들어가는지 보여주는 연결된 서사를 구축했다. 이러한 개념들에 대한 검증은 이 새로운 유형의 물리 이론을 구현할 펜로즈와 다른 학자들의 능력에 달려 있다. 비록 이 일이 당장 성공하지 못한다고 해도, 이 개념들은 이론물리학과 수학의 발전에 풍성하게 기여할 일반 개념들의 본질적인 일부가 될 수도 있을 것이다.

목차

한국어 판에 부쳐옮긴이의 말머리말1. 시공과 우주론2. 양자물리학의 미스터리3. 물리학과 정신4. 심성, 양자역학, 그리고 잠재성의 현실화에 관하여5. 왜 물리학인가?6. 낯 두꺼운 환원론자의 반론7. 펜로즈의 답변부록 1 굿스타인의 정리와 수학적 사고부록 2 중력에 의한 상태의 오그라듦을 검증하는 실험참고 문헌/주찾아보기저자들에 대하여Picture Credits

작가 소개

로저 펜로즈

1931년 영구 에식스 지방 컬체스터에서 출생했으며, 런던 유니버시티 칼리지를 졸업하고 세인트존스 칼리지에서 수학 박사 학위를 받았다. 영국과 미국의 여러 대학에서 교직을 지냈으며 수학, 물리학, 천문학, 철학, 인지과학 등에 걸친 방대한 학제 간 연구를 통해 위대한 학자로 인정받아 1972년에 영국 왕립협회 회원, 1998년에는 미국 과학 아카데미 외국인 회원이 되었다.

또한 1988년에 스티븐 호킹과 함께 울프(Wolf)상을 수상하였고, 디랙 메달과 알베르트 아인슈타인 상도 수상하였다. 그리고 저서 <황제의 새 마음(The Emperor’s New Mind)>(1989)은 베스트셀러가 되어 그에게 과학 도서상을 안겨 주았다.

현재 그는 옥스퍼드 대학교 라우즈볼 수학 석좌 교수이자 런던 그레셤 칼리지의 그레셤 기하학 교수이다. 지은 책으로는 <마음의 그림자(Shadows of the Mind)>(1994), <시간과 공간에 관하여(The Nature of Space and Time)>(1996, 공저) 등이 있다.

낸시 카트라이트

피츠버그 대학교에서 수학을 전공하고(1966년) 일리노이 대학교에서 ‘양자역학의 철학적 분석’으로 박사학위를 받았다(1971). 매릴랜드, 스탠퍼드, 캘리포니아, 프린스턴, 피츠버그 등의 대학교 및 캘텍 연구소에서 교직을 지냈으며, 현재는 런던 경제학 스쿨(LSE) 및 캘리포니아 대학교의 철학 교수로 재직 중이다.

또한 LSE 자연철학 및 사회철학 센터, 케임브리지 역사 및 경제학 센터에서 물리학과 경제학을 중심으로 과학사 및 과학철학을 연구하고 있다. 저서로는 <자연의 능력과 그 측정법(Nature’s Capacities and Their Measurement)>(1994), <오토 노이라트(Otto Neurath)>(1996), <얼룩진 세계(The Dappled World)>(1999) 등이 있다.

에브너 시모니

예일 대학교 프린스턴 대학교(1983년)에서 물리학 박사학위를 받았으며, 보스턴 대학교의 철학 및 물리학(양자역학) 명예 교수이다. 매사추세츠 공과대학(MIT), 파리 XI 대학교, 제네바 대학교 등에서 과학철학과 인식론을 가르쳤으며 미국 국립과학재단, 구겐하임 재단의 명예 회원이다.

지은책으로는 <자연주의 인식론(Naturalistic Epistemology)>(1987), <자연주의 세계관에 대한 연구(The Search for a Naturalistic World View)>(1993), <경험주의 형이상학(Experimental Metaphysics)>(2001) 등이 있다.

스티븐 호킹

영국 옥스퍼드 출생. 1962년 옥스퍼드대학을 졸업하고 케임브리지대학 대학원에서 물리학을 전공했다. 대학원에서 박사 학위 준비를 하고 있던 1963년, 몸속의 운동신경이 차례로 파괴되어 전신이 뒤틀리는 루게릭병(근위축증)에 걸렸다는 진단과 함께 1∼2년밖에 살지 못한다는 시한부 인생을 선고받았다.

그러나 그의 학문 인생은 이 때부터 시작, 우주물리학에 몰두하여 1973년 ‘블랙홀은 검은 것이 아니라 빛보다 빠른 속도의 입자를 방출하며 뜨거운 물체처럼 빛을 발한다’는 학설을 내놓아, 블랙홀은 강한 중력을 지녀 주위의 모든 물체를 삼켜 버린다는 종래의 학설을 뒤집었다.

1974년 영국왕립학회 회원이 되고, 1980년 뉴턴.디랙에 이어 케임브리지대학 제3대 루카스 석좌 교수(碩座敎授)가 되었다. 1985년 폐렴으로 기관지 절개수술을 받아 가슴에 꽂은 파이프를 통해서 호흡을 하고 휠체어에 부착된 고성능 음성 합성기를 통해서 대화를 해야만 했다.

그는 이와 같은 삶의 연장 과정에서 ‘특이점(特異點) 정리”블랙홀 증발”양자우주론(量子宇宙論)’ 등 현대물리학에 3개의 혁명적 이론을 제시하였고, 세계 물리학계는 물리학의 계보를 갈릴레이, 뉴턴, 아인슈타인 다음으로 그를 꼽게 되었다. 그는 계속 미시(微視)의 세계를 지배하는 양자역학(量子力學)과 거시(巨視)의 세계인 상대성이론을 하나로 통일하는 통합 이론인 ‘양자중력론’ 연구에 몰두하기도 했다.

또한 저명한 과학저술가로서 <시간의 역사 > 등을 통해 과학 대중화에 많은 기여를 하였다.

김성원 옮김

서울대학교 물리학과를 졸업하고 한국과학기술원(KAIST)에서 석사학위와 박사학위를 받았다. 단국대학교 응용물리학과 조교수와 미국 캘리포니아 공과대학 방문교수를 역임했으며 2006년 현재 이화여자대학교 과학교육과 교수로 재직중이다.

지은책으로 <시간과 화살>, <호킹의 우주론>, <시간과 공간에 관하여>, <21세기 신기술 시나리오> 등이 있다.

최경희 옮김

이화여자대학교 과학교육과에서 물리학을 전공했다. 미국 템플대학교 대학원에서 물리학 석사 학위를, 같은 대학교 대학원 과학교육과에서 교육학 박사학위를 받았다. 2006년 현재 이화여자대학교 과학교육과 교수로 재직중이다.

지은 책으로 <물리, 가볍게 뛰어넘기>, <유럽을 만난다, 과학을 읽는다>, <어떻게 다르지?>, <STS교육의 이해와 적용>, <과학 교육 총론>, <과학아카데미>가 있고, 옮긴책으로 <STS 무엇인가>, <초등 과학 교육 방법>이 있다.

독자 리뷰