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생소한 양자역학의 세계에서 갈피를 못 잡고 방황하는 사람들을 위한 내비게이터와 같은 책!

20세기 이후에 이루어진 중요한 과학의 성취 가운데 양자역학에 힘입지 않은 것이 거의 없다. 하지만 양자역학을 진정 이해했다고 느끼는 사람들은 얼마나 될까. ‘배워 익힐 수는 있으나 납득하기 어렵고’ ‘몸으로 익힐 수는 있으나 말로는 설명하기 어려운’ 학문이 양자역학이라고 한다. 이처럼 복잡하고 까탈스럽기까지 한 양자역학의 학문적 성격을 규명하기 위해 장회익 교수를 비롯한 일군의 국내 물리학자들과 과학철학자들이 한자리에 모였다. 이들은 우선 양자역학을 통한 보편적인 사물 인식구조를 밝힌 다음, 이를 바탕으로 대상과 인식주체 간의 복잡한 정보 전달 과정이 앎을 어떻게 구성하는지 그 메커니즘을 드러내고, 종국에는 인간과 유사하게 앎이라는 복잡한 정보처리 능력을 갖춘 인공지능 장치를 놓고 생명의 본질에 관한 의미를 한 권의 책에 제시하고 있다. 이렇게 탄생한 『양자·정보·생명』은 양자역학과 이를 둘러싼 정보 및 생명 개념들을 설명함으로써 생소한 양자역학의 세계에서 갈피를 못 잡고 방황하는 사람들을 위한 가이드 구실을 한다.

20세기 지성사의 신비롭고도 복잡한 수수께끼,
양자역학의 해석 문제에 관한 실마리를 찾다!

“나는 양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없다고 말해도 좋으리라 생각한다.” - 리처드 파인만“양자역학은 우리 가운데 누구도 제대로 이해하지 못하지만 우리가 사용할 줄은 아는 무척 신비스럽고 당혹스러운 학문이다.” - 머리 겔만

20세기 물리학을 대표하는 두 학자의 이 말은 양자역학이 체계적으로 정리된 1920년대 이후 약 90년에 걸쳐 우리 지성계가 놓인 정황을 잘 말해준다. 양자역학은 구체적 대상들에 활용하는 데 큰 문제가 없을 뿐 아니라 실제로 놀라운 설명력과 예측력을 가지고 있다. 사실 20세기 이후 이루어진 중요한 과학의 성취 가운데 양자역학에 힘입지 않은 것이 거의 없다. 하지만 양자역학을 진정 이해했다고 느끼는 사람들은 많지 않다. 이들은 모두 양자역학을 익히기는 했으나 이를 ‘알아들을 수 있게’ 설명하라고 하면 난감해한다. 심지어 양자역학에 관한 정규 교과조차 집요하게 이해를 추구하는 질문들에 대해 “닥치고 계산해!”라는 식이다.
그렇다면 이러한 현상은 왜 일어나는가? 그 가장 기본적인 원인은 양자역학만이 지닌 독특한 학문적 성격에 있다. 양자역학은 기존의 체계적 학문들이 공유해온 어떤 보편적 관념의 바탕 위에서는 서술하기가 매우 어려운 특이성을 가지고 있어서 우리가 배워 익힐 수는 있으나 납득하기는 쉽지 않은 성격을 가졌다. 이것은 말하자면 몸으로 익힐 수는 있으나 말로는 표현하기 어려운 예능과 흡사한 면이라 할 수 있는데, 이것이 예능의 한 분야가 아니라 가장 엄밀한 과학적 용어들을 통해 표현되는 첨예한 지성의 소산이라는 점에서 당혹스럽기까지 하다. 이처럼 양자역학의 학문적 성공과 달리 이에 대한 이해와 해석 문제는 지성사에서 여전히 하나의 수수께끼로 남아 있다. 그렇다면 그렇게 성공적인 과학이론이 어째서 이렇게 어려운 해석의 문제를 낳는 것일까?


‘서울 해석’의 틀을 통해 정보와 생명, 그리고 앎의 의미를 밝히다!

양자역학의 해석 문제는 역사적으로 양자역학이 성공적인 과학이론으로 정착되던 1920~1930년대 이후에 알베르트 아인슈타인과 닐스 보어의 논쟁을 시작으로 본격적으로 제기되었다. 그러나 80여 년이 지난 지금까지도 물리학자들뿐 아니라 철학자들 사이에서 다양한 쟁점들에 대해 어떤 뚜렷한 합의에 이르지 못하고 있는 실정이다.
그동안 이와 관련하여 수많은 해석들의 점철이 있었다. 양자역학의 창시자 가운데 한 사람인 보어가 중심이 된 코펜하겐(Copenhagen) 해석, 아인슈타인의 통계적인 앙상블(ensemble) 해석, 데이비드 봄의 숨은 변수(hidden-variable) 해석, 휴 에버렛 3세 중심의 다세계(many worlds) 해석, 데이비드 앨버트의 여러 마음(many minds) 해석, 요이치 주렉의 결흩어짐(decoherence) 해석, 존 하틀 중심의 정합적 역사 접근(consistent history approach) 해석, 반 프라센의 양상(modal) 해석, 도시 이타카를 중심으로 한 나다니엘 머민의 이타카(Ithaca) 해석, 존 크래머의 교촉적(transactional) 해석 등등. 이런 해석들에서 가장 뜨거운 쟁점이 되었던 것은 바로 실재성 문제와 측정 문제다. 실재성 문제란 양자역학이 자연현상을 설명하는 과정에 확률이 개입하고 대상의 물리량이 불확정적이라면, 양자역학이 물질세계를 있는 그대로 과연 완벽하게 그려낼 수 있겠는가라는 존재론적 문제와 관련되어 있다. 한편 측정 문제는 대상에 대한 측정 과정에서 대상의 상태함수가 붕괴하는 등 기이한 변화가 발생하는 것을 어떻게 정합적으로 해명할 것인가와 관련되어 있다.
우리나라에서도 이 문제들을 놓고 몇몇 과학자와 철학자 들이 1990년경부터 대안적인 관점에서 진지하게 고민해온 해석이 있는데, 바로 ‘서울 해석’이 그것이다. 이 책은 이 서울 해석에 관한 책이다. 오늘날까지 오랜 기간 국내의 많은 학자들이 참여하여 진지하게 숙의해온 성과들을 한데 모아, 다른 많은 사람들과 적극적으로 공유하고 공론화하기 위한 책인 것이다.
이 책은 이러한 맥락에 따라 크게 두 부분으로 구성되어 있다. 1부는 ‘양자역학의 해석’이고, 2부는 ‘정보와 생명’이다. 1부에서는 주로 양자역학의 사물 인식구조에 대한 분석에서 시작하여 양자역학에 대한 서울 해석의 핵심 주장들을 밝히고 이를 정당화하며, 나아가 서울 해석이 기존의 수많은 해석들과 구체적으로 어떤 점에서 어떻게 다른지를 세밀하게 비교·분석한다. 2부에서는 1부에서 언급된 양자역학의 인식구조를 정보의 흐름 관점에서 좀 더 명확히 하고자 우선 대상 사물에 대한 인식 과정에서 정보가 인식주체와 어떤 관계를 갖고 있는지, 정보와 물질의 관계는 무엇인지, 그리고 양자역학 안에서 그동안 강조되었던 정보의 의미와 고전물리학에서 사용되었던 정보 개념들의 특성은 무엇인지를 밝힌다. 그런 다음 정보적 관점에서 복잡계와 생명과의 연관성을 살펴보고, 이를 바탕으로 앎이란 무엇인가를 규명한다. 요컨대 이 책은 우선 양자역학을 통한 보편적인 사물 인식구조를 밝힌 다음, 이를 바탕으로 대상과 인식주체 간의 복잡한 정보 전달 과정이 앎을 어떻게 구성하는지 그 메커니즘을 드러내고, 종국에는 인간과 유사하게 앎이라는 복잡한 정보처리 능력을 갖춘 인공지능 장치를 놓고 생명의 본질에 관한 의미를 살피고 있다.

1부 양자역학의 해석

1장 양자역학을 어떻게 이해할까? / 장회익
2장 서울 해석이란 무엇인가? / 이중원
3장 측정의 문제와 서울 해석 / 김재영
4장 양자역학의 초기 해석 / 이정민
5장 존재론 해석과 봄의 양자운동이론 / 김명석
6장 여러 세계/마음 해석과 서울 해석 / 김재영
7장 측정의 사용과 양상 해석 / 이충형

2부 정보와 생명

8장 정보와 인식주체: ‘서울 해석’ 해석하기 / 이상욱
9장 정보의 개념, 섀넌과 그 이후 / 이정민
10장 정보 개념의 세 원천 / 김명석
11장 물질과 정보 / 최무영
12장 양자역학과 양자정보이론 / 양형진
13장 복잡계 관점에서의 생명 / 최무영·김민수
14장 앎이란 무엇인가? / 장회익

실제로 양자역학에 접근하는 가장 좋은 길은 역시 고전역학이다. 고전역학에 길들여진 사고는 한편으로 양자역학의 이해를 방해하는 측면도 있지만 그렇기에 오히려 이것을 의식적으로 넘어서는 작업이 필요하다. 그리고 고전역학은 좋은 길 안내자이기도 하다. 생소한 양자역학의 세계에 들어서서 방황하게 될 때 개략적인 ‘약도’의 구실을 하는 것이 바로 고전역학이기 때문이다. 이러한 과정을 거쳐 우리는 다시 고전역학을 새롭게 이해하게 된다. 그간 우리는 고전역학에 너무도 친숙하여 문제점을 느끼지 못하고 있었지만 진정 이것을 이해했다고 말할 수는 없기 때문이다. _ 25쪽, 1장 양자역학을 어떻게 이해할까?

서울 해석이 기존의 대다수 해석들과 특별히 구별되는 점은, 쟁점이 되고 있는 실재성 문제 및 측정 문제와 관련하여 그동안 대다수의 해석들이 주목하지 못했던 양자역학의 인식구조, 곧 양자역학을 통해 대상 사물을 인식하는 과정을 명확히 하고 이로부터 실재성 문제와 측정 문제가 진정 어떤 의미를 지니는지, 그리고 이를 어떻게 해결 또는 해소할 것인지를 밝히려 한다는 점이다. 서울 해석이 양자역학의 인식 과정에 특별히 주목하는 이유다. _ 93~94쪽, 2장 서울 해석이란 무엇인가?

서울 해석의 성취는 보어 이후 한동안 잊힌 인식론적 문제를 다시 논의의 초점으로 끌어냈다는 것이다. 정보이론이나 서울 해석처럼 과거의 통찰을 재발견하는 일은 단순한 반복이 아니라 새로운 의미의 창조이다. 역사란 과거에 이미 완결된 사건이 아니라 미래의 전개에 의해 새로운 의미가 끊임없이 펼쳐지는 장이기 때문이다. 따라서 양자역학의 초기 해석과 해석상의 논쟁을 검토하는 일도 현재의 작업을 반추하며 미래의 가능성을 타진하는 의미가 있다. 물리학에서 진정으로 새로운 진보와 혁명은 이렇게 다양한 관점을 공정하게 검토하고 평가하는 과정에서 예기치 않게 생기는 것일지 모른다. _ 160~161쪽, 4장 양자역학의 초기 해석

봄의 양자운동이론이 보여준 것은 입자가 시공간상에서 연속 궤적을 가진다는 발상이 양자역학의 정식 체계와 양립할 수 있다는 사실이다. 나아가 그의 이론은 슈뢰딩거 파동방정식으로부터 입자의 궤적을 실제로 계산해낼 수 있다는 것을 보여주었다. 이와 관련된 논문과 교과서들이 1980년대 이후 점증하고 있다. 비평가들은 봄 이론이 기존 해석을 능가하는 실험 차이를 산출하지 못했다고 논평한다. 이 논평은 현재 상태에서 거의 틀리지 않았다. 하지만 양자운동이론이 우리의 상식 존재론을 파괴하지 않는다는 점은 결코 과소평가할 수 없는 매력이자 장점이다. _ 177~178쪽, 5장 존재론 해석과 봄의 양자운동이론

양자역학은 우리가 직접 경험하는 세계의 여러 현상들에 대해 매우 정확한 예측을 제공한다. 이러한 양자역학을 참인 이론으로 받아들이면, 인간의 감각으로 직접 경험하는 현상뿐만 아니라, 직접 경험하지 못하는 미시세계의 모습에 대해 양자역학이 말해주는 바가 무엇인지에 대해서도 관심을 갖게 된다. 그런데 양자역학은, 우리가 직접 경험하는 현상들을 예측하고 통제하기 위해 필요한 최소한의 틀을 제공할 뿐, 미시세계의 구석구석이 어떻게 생겼고 어떤 방식으로 작동하는지에 대해 모두 말해주지는 않는다. 양자역학이 대답하지 않는 질문들에 대해 양자역학과 일관된 대답을 제공하는 것이 해석이다. _ 195쪽, 7장 측정의 사용과 양상 해석

란다우어와 서울 해석 모두 정보를 추상적 수준에서는 물리학 이론이 상정하는 상태기술에 내재하는 것이면서 동시에 대상계가 존재론적으로 구현하고 있는 것으로도 볼 수 있다는 점에 동의한다. 하지만 이 둘 사이의 차이에 대해 그다지 주목하지 않는, 그래서 정보의 물리적 성격과 물리학적 성격 사이의 차이점에 둔감한 란다우어에 비해 서울 해석은 정보의 물리학적 성격을 보다 강조한다. 물론 서울 해석도 정보가 물질적 우주에 내재하는 물리적 성격을 가질 수 있는 가능성을 부인하는 것은 아니다. 하지만 일차적으로 정보는 인식주체의 인식 활동에서 획득된 인식론적 추상물로 간주되어야 한다. 정보를 존재론적으로 해석할 수 있는지의 여부는 인식주체를 인식 과정에서 ‘남겨진 부분’ 이상으로 명확하게 해명할 수 있을 때에나 대답될 수 있을 것이다. _ 233~234쪽, 8장 정보와 인식주체: ‘서울 해석’ 해석하기

의사소통 중인 사회의 맥락, 타자와 함께 사물과 접촉하는 기나긴 지각 과정의 역사, 나아가 인류가 자연과 교류한 지각의 전체 역사, 인류가 공통 세계 속에서 서로 의사소통한 전체 역사가 현재 우리가 갖고 있는 의미를 구성한다. 어쩌면 우리가 발화하는 문장의 의미는 인류 출현 이전 생명의 역사까지 어렴풋이 담고 있을지도 모른다. 이 거대한 정보의 네트워크를 대강이나마 파악하려는 과제는 전체 과학들이 참여해야 하는 거대한 연구 프로젝트일 것이다. 정보가 플라톤이 사유의 장소로 상정했던 곳, 버클리가 무한 정신이라 불렀던 곳, 프레게가 제3의 영역이라고 말했던 곳에서 생성되는지, 아니면 역사 속에서, 특히 진화의 역사 속에서 생성되는지, 우리의 물음은 아직 끝나지 않았다. _ 290~291쪽, 10장 정보 개념의 세 원천

생명현상과 관련하여 널리 알려진 “생명이란 네겐트로피를 먹고 사는 존재”라는 명제에서 엔트로피를 잃어버린 정보로 해석하면 네겐트로피는 바로 정보에 해당한다. 이 명제는 원래 생명의 본성으로서 물질대사를 지적한 것이다. 그러나 물질대사도 본질적으로 정보의 흐름과 깊은 관련이 있다. 따라서 이러한 관점에서 보면 이 명제는 복잡계의 전형이라 할 수 있는 생명의 본질을 기술하는 데에 결국 정보가 핵심적이라는 사실을 강조한다. _ 419쪽, 13장 복잡계 관점에서의 생명

‘앎이란 무엇인가?’라는 물음은 매우 독특하다. 무릇 어떤 물음이 추구하는 것은 그 해답에 해당하는 앎을 말하는 것인데, 이 물음은 앎 그 자체가 무엇인가를 다시 묻고 있기 때문이다. 그러나 한편 앎이란 것도 우주 안에 나타나는 한 가지 현상임에 틀림없으므로 우주 안의 모든 것에 대한 보편적 존재 양상을 일단 전제할 때, 그리고 우리가 그 보편적 존재 양상을 잠정적으로나마 이해한다고 할 때, 앎이란 것은 그 안에서 어떤 위상을 차지하게 되는 것인지를 논의할 수가 있다. _ 441쪽, 14장 앎이란 무엇인가?