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과거도 미래도 확률이다

19세기까지의 고전물리학에 따르면 자연현상의 추이(推移)는 모두 기계론으로 설명이 가능하다고 생각했다. 모든 현상은 약간의 빈틈도 없는 인과율로 딱 억제되어, 원인에서 유도되는 필연의 결과를 향해서 정해진 궤도 위를 한결같이 계속 달리는 것이라고 생각한 것이다. 그런데 이 절대적이라고 생각했던 인과법칙에 제동을 건 것이 있다. 양자론적 사고, 불확정성 원리가 바로 그것이다. 정확히 이야기하자면 과거도 미래도 확률적으로밖에 결정되지 않는다고 주장하는 것이 불확정성 원리다. 그리고 이 불확정성 원리를 토대로 실험 사실을 충실히 종이 위에 기술한 수학적 체계가 양자역학이다.

이 책은 인과관계를 물리학의 입장에서 바라보면 어떨까 하는 것에서부터 시작했다. 물리학이 전공이 아닌 이들도 친근하게 접근할 수 있도록 공상적인 비유도 많이 추가해 좀 더 수월하게 이해할 수 있도록 했다. 누구나 쉽게 불확정성 원리에 다가설 수 있도록 재미있게 풀어낸 책이다.

양자론적 사고, 불확정성 원리를 탐구하다

“당신은 1년 내에 죽는다”라든가, “당신은 한 달이 지나기 전에 교통사고로 저승에 간다”라는 말을 들으면 누구라도 기분이 좋지 않을 것이다. 그러나 “100년 후에 당신은 이미 이 세상에 없다”라는 선언에 대해서는 인정하지 않을 수 없다. 하지만 누구도 자신의 죽음의 시기는 모른다. 또 많은 사람이 그러한 것은 모르는 편이 낫다고 생각한다. 여기서 중요한 것은 우리의 운명은 삶도 죽음도 실제로 꼭 정해져 있는 것인가 하는 것이다. 더 나아가서 조금 과장해서 덧붙이자면 우주 전체의 운행은 천체의 운동처럼 유유한 것으로부터 작은 벌레의 일생까지 모든 것을 총괄하여 전부 예정된 각본대로 움직이는 것인가에 대한 의문이다. 이는 인과법칙이냐 확률론이냐와 맞닿아 있다.

고전물리학에 따르면 세상 모든 현상은 약간의 빈틈도 없는 인과율로 딱 억제되어, 원인에서 유도되는 필연의 결과가 딱 맞춰 나오는 것이라고 생각했다. 그런데 이 절대적이라고 생각했던 인과법칙에 제동을 건 것이 있다. 양자론적 사고, 불확정성 원리가 바로 그것이다. 원인에서 유발되는 필연적 결과로 어떤 현상을 한 가지로 예언하는 것은 불가능하다는 것이다. 그리고 이 불확정성 원리를 토대로 실험 사실을 충실히 종이 위에 기술한 수학적 체계가 양자역학이다.

하지만 이 정교한 양자역학도 이것을 어떻게 해석하는가라는 극히 소박한 문제가 되면 의외로 애매하다는 지적을 받고 있다. 예컨대 이 책의 마지막에서 언급하는 슈뢰딩거의 고양이는 가장 전형적인 문제의 하나다. 학문체계에는 가끔 이러한 근본적인 의문이 해결되지 않은 채로 남겨져 있는 일이 있다. 그러나 의문은 의문으로 일단 남겨두고 뒤이어 전개된 이론을 계속 흡수해 가는 것도 하나의 공부법으로 이 책은 미해결된 부분에 깊이 관여하기보다는 더 발전적인 사상에 관심을 기울이고자 한다. 그로써 얻는 학습 효과를 기대하고자 하는 것이다. 양자역학과 불확정성 원리, 그리고 슈뢰딩거의 고양이까지 이 책을 따라가다 보면 양자역학적 사고와 시각으로 세상을 보는 법을 배울 수 있을 것이다.

머리말

서장. 거인 팀의 호시
1장. 라플라스의 악마
2장. 어떤 사고실험
3장. h의 불가사의
4장. 인과율의 붕괴
5장. 둔갑술과 불확정성 원리
6장. 슈뢰딩거의 고양이
종장. SF 전쟁