입자로 설명하는 공간, 공간 설명을 위한 입자
보이는 세상은 실재가 아니다 - 카를로 로벨리
카를로 로벨리 교수님의 두 번째 책이다. "보이는 세상은 실재가 아니다" 글의 주제는 후속작이라 할 수 있는 "모든 순간의 물리학"과 유사하다. 오히려, 먼저 출판되었음에도 불구하고, 책의 내용은 섬세하다. 따라서, "모든 순간의 물리학"을 먼저 읽고, "보이는 세상은 실재가 아니다"를 후속 편처럼 읽으면 재미있다. 단 글의 후반부는 정신 바짝 차리고 한숨에 읽어내길 권장드린다. (좀 어렵습니다!!)
많은 사람들이 카를로 로벨리 교수님의 책을 대중 과학 서라고 평가한다. 나는 그와 다른 견해를 갖고 있다. 일반 상대성 이론 및 양자역학에 대한 설명은 매우 잘 되어 있다. 그러나, 이러한 부분도 그의 연구분야인 "루프 양자중력이론"을 설명하기 위한 재료로서 사용된다. 루프 양자중력이론은 모든 시공의 근원이 플랑크 길이의 입자로 구성되어 있다는 이론이다. 이론을 위해 설명하는 과정은 멋지다.
저자의 의견을 따라가 보자.
가장 주요한 키워드는 "입자"라고 할 수 있다. 그렇기 때문에 만물이 입자로 되어 있다는 데모크리토스에서 글이 시작한다. 이러한 철학적 사유는 뉴턴 시대에 이르러 세상은 입자가 시간과 공간상에서 정지해 있거나, 등(가)속 운동을 하여 이루어낸 결과라 할 수 있다. 18세기 페러데이와 맥스웰의 전자기학 연구를 통해, 입자는 장(fielf)에 분포해 있는 것이라는 알아내게 된다. 이후 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 시간과 공간이 하나의 형태임을 밝혀낸다. 특수 상대성 이론에 의하면 빛의 속도는 유한하다. 그렇기 때문에 다른 운동하는 물체들이 상대적 효과를 나타내기 위해서는 그들의 시간이 변하는 것이다. 이를 공간으로 옮기면, 공간이 변하게 된다. 이러한 공간의 변화는 "중력"을 야기한다. 질량이 있는 곳 주변은 왜곡되어 있다. 예를 들어, 태양 주변 공간은 왜곡되어 있다. 태양 뒤에서 지구로 향하는 수성의 근일점 관찰은 지구에서 바라보는 직선 방향이 아니라, 태양의 공간 왜곡에 영향을 받아 휘어져서 관측된다.
미시세계로 주제를 옮겨보자. 1900년대 초반 닐스 보어는 원자핵 주변의 전자가 "양자화"되어 운동하고 있다는 사실을 발견한다. 전자는 연속적으로 존재하는 것이 아니라, 띄엄띄엄 존재하는 것이다. 이를 양자역학으로 완성한 연구자는 하이젠베르크이다. 그는 불확정성의 원리로 오늘날 전자구름의 초기 모델을 제시한다. 우리는 원자의 위치와 운동을 정확하게 동시에 예측할 수 없다. 아인슈타인은 이러한 양자역학을 좋아하지 않았다. 지속적 사고 실험으로 닐스 보어 군대를 공격했다. 이때마다 닐스 보어는 그의 해석으로 방어를 한다. 양자역학은 슈레딩어의 파동 방정식과, 하이젠베르크의 행렬 역학으로 설명할 수 있다. 저자는 이러한 논리 중 "입자" 성질에 대해 서술하고 있는 하이젠베르크의 양자역학에 무게중심을 둔다
양자역학은 입자성, 관계성, 비결정성을 갖게 된다.
그럼 시공은 어떻게 구성되어 있을까? 양자역학을 일반상대성 이론에 접목해보면, 공간을 나누는 것에 한계가 있다는 결과가 나타난다. 즉 공간은 무한히 나눌 수 있는 것이 아니라, 특정 크기 이하로는 쪼개지지 않는다. 즉 공간도 양자화되어 있는 것이다. 이렇게 결정된 길이를 플랑크 길이라고 한다. 이는 구소련의 과학자 마트베이와 브론스테인에 의해 구해졌다. 공산당이었던 마트베이는 스탈린 경찰에 의해 체포되어 사형당한다. 과학자 치고는 끔찍한 결말이다. 그들의 연구는 양자 중력의 초석이라 할 수 있다. 이러한 양자중력의 성장에 영향을 준 사람은 존 휠러이다. 그는 양자 공간이 다양한 기하학적 모형을 지닌 구름이 중첩된 현상이라고 생각했다. 이러한 개념은 수학적 해解에 의해, 공간은 닫힌 선들에 의존적이라는 특성이 발견된다. 이러한 개념과 수학적 논리는 "루프 양자중력"으로 발전된 것이다. 이러한 양자중력은 블랙홀에서 발생하는 "열"을 이해하는 데 도움이 된다. 열은 개별 원자의 미시적 진동의 결과인데, 공간의 구성자가 진동하고 있으면, 열이 발생하는 것이다.
마지막으로 저자는 시간이 흐른다는 개념을 설명하기 위해, 열역학 제2법칙을 활용한다. 이는 스티븐 호킹이 그의 책 '시간의 역사'의 접근법과 유사하다. 저자는 시간의 흐름을 "열 시간"이라는 단어를 도입하여 설명하고자 한다. 예를 들어, 운동은 열을 만들어 낸다. 이를 통해 우리는 시간의 흐름을 느끼게 된다는 것이다.
데모크리토스의 입자에서 출발한 저자의 글은 데모크리토스의 인용문 구로 마무리했다. 인용구는 입자와 공간을 통일시키는 저자의 양자중력이론에 대한 열망을 보여준다.
데모크리토스가 말했듯이, 단지 어떤 원자들이 있는가가 문제인 것만이 아니라 그것들이 어떤 순서로 배열되어 있는가 하는 것이 문제이기도 합니다.
요약
- 재미있는 글이다.
- 루프 양자중력이론이 합쳐지는 부분은 이해하기 어렵다. 가벼운 스케치만 본 느낌이다. 출판사를 통해 저자 강연이나, 전문가 설명이 진행되면 좋을 것 같다.
- 저자의 철학적 사유가 느껴진다. 하이젠베르크도 그의 자서전에서 "동굴의 이데아"를 자주 설명한다. 즉 우리가 보는 것은 실재가 아닐 수 있다. 철학적 사유(수학)에 의해 우리는 그러한 절대 보편적인 "실재"에 접근할 수 있다.
