018 [과학] 과학은 절대적인가
현대 물리학을 한 페이지로 요약하면
현재 가장 절대적인 진리로 지지를 받고 있는 과학이 과연 절대적인지 생각해 보도록 하겠습니다. 이를 위해서는 어쩔 수 없이 현대 이론물리학에 대한 설명이 필요할 듯합니다. 이 글은 물리학 책이 아니기 때문에 신기한 이론에 대한 자세한 설명은 기회가 되면 하기로 하고, 흐름과 흐름이 가지는 의미 위주로 설명을 해보도록 하겠습니다.
아리스토텔레스 시대의 과학은 현재 거의 완전히 부정을 당했기 때문에, 과학 흐름의 시작은 뉴턴부터 시작하는 것이 맞는 것 같습니다. 뉴턴 역학은 누구나 배우고, 또 어려워 하지만 상당히 심플한 공식으로 세상 모든 현상을 설명했습니다. 많은 과학자들은 세상 원리는 상당히 간단한 원리로 지배되고 있다고 믿고 있는 것 같으며, 심플하고 아름다운 공식이 아니면 인정을 하지 않으려는 경향이 있습니다. 뉴턴은 이 세상 모든 힘의 작용에 대해 아주 간단하고 아름다운 공식으로 설명을 하였고, 이 때문에 역사상 가장 위대한 과학자 중 하나로 분류가 되게 됩니다. 현대에 뉴턴 역학이 깨졌다고는 하지만 일상의 공학에서는 모두 뉴턴 역학을 기준으로 해도 아무 문제가 없을 정도로 아직까지 건재한 이론입니다.
완벽해 보이던 뉴턴 역학을 뒤집은 사람은 잘 알고 있는 아인슈타인입니다. 상대성 이론은 앞의 설명처럼 빛을 기준으로 시공간을 통합하여 더 큰 범위의 세상에서도 설명이 가능한 이론을 만들었고, 중력이 발생하는 이유를 공간의 비틀림으로 설명하였습니다. 중력을 설명한 이후에 모든 힘을 통합하려 시도를 하였습니다. 4가지나 되는 힘이 각각 서로 다른 성질을 가진다는 것이 아름답지 않았기 때문에 모든 것을 통합하는 이론을 만들고 싶어 했습니다. 만약 이런 이론이 만들어진다면 우주의 운영 법칙을 통합하게 되는 것이며, 신이 이 세상을 운영하는 방식을 알게 되는 것일 수 있으며, 신이 없고 단지 공식에 의해 우주가 흘러간다는 증거라고 말하는 사람도 있을 수 있을 것 같습니다. 물론 그 공식을 누가 만들었는지를 물어본다면 답하기가 어렵겠지만 말입니다.
아인슈타인은 이런 이론을 만드는 것에 실패를 하고 죽게 되었는데, 이후에 많은 과학자들 역시 통합 이론의 꿈을 버리지 않았습니다. 그리고 이런 실마리는 양자 역학에서 발전되어 나가기 시작하였습니다. 모든 힘을 통일하기 위해서는 더 작은 세계, 즉 근원을 탐구하다 보면 모든 힘의 발생 원리가 이해가 될 뿐만 아니라 통일도 가능할 것이기 때문입니다. 하지만 아인슈타인은 양자 역학의 시작점이 되는 논문을 발표했음에도 양자 역학을 받아들이지 않으려 했습니다. 양자 역학을 알면 알수록 아인슈타인이 왜 그랬는지 이해가 됩니다. 이건 복잡하고 아름답지가 않으며 너무 현실과 동떨어져 있다는 생각이 듭니다. 양자 역학을 말도 안 되게 단순하게 요약하면 세상은 아날로그가 아닌 디지털로 되어있다는 점과, 세상의 모든 물질은 파동이다가 관측이 되면 입자로 결정된다고 얘기할 수 있을 것 같습니다. 우리가 연속적이라고 믿는 세상을 확대하면 모니터의 픽셀처럼 불연속 적이며, 우주는 관측되기 전까지는 계산하지 않으며, 존재하지 않은 것과 비슷한 상태라고 설명할 수 있을 것 같습니다. 마치 컴퓨터 게임 속의 세상처럼 디지털화된 화면 속에 우리는 살고 있으며, 그 리소스가 유한하기 때문에 서로 관측이 되는 부분만 계산이 된다는 결론이 나오게 됩니다.
세상이 디지털로 되어있다면 그 픽셀에 대해 궁금해집니다. 이 픽셀을 알기 위해 양성자와 중성자를 쪼개어보았고, 결과적으로 16개의 입자를 표준 모형으로 정립하게 되었습니다. 즉, 세상의 모든 입자는 16개 입자의 결합으로 이루어져 있다는 의미이며, 질량을 만들고 사라지는 힉스 보손도 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 질량이 없는 광자 또한 이 16개의 입자 중 하나입니다. 그런데 기본 입자가 16개나 되는 것은 너무 많고 아름답지 않다는 생각이 듭니다. 입자를 매우 빠른 속도로 가속시킨 상태에서 충돌시켜 쪼개지는 입자를 측정하여 기본 입자를 발견해 내었는데, 특히 양성자를 이루는 입자가 3종류, 전자를 이루는 입자가 3종류는 같은 입자를 다른 상태에서 충돌시켰을 때 다른 에너지 양을 나타내는 입자를 말한다고 합니다. 무언가 이상합니다. 우리가 모를 뿐 또 다른 방식에서 다른 쪼개짐이 일어날 수도 있고, 기본 입자마저도 쪼개지지 않으리라는 보장은 없으니 말입니다. 또한 만약 쪼갤 수 있는 방법이 없더라도 입자를 구성하는 더 근본적인 존재가 있을 수도 있습니다. 무엇보다도 아직 중력을 매개하는 입자는 발견되지 않았다고 하니 표준 모형은 현재 인정받고 있는 주류 물리학이지만 무언가 비전문가가 볼 때도 무언가 조금 이상하다는 생각이 듭니다.
이런 아름답지 않은 많은 종류의 입자 근본을 설명하기 위해 나온 이론이 초끈 이론입니다. 기본 입자가 여러 에너지 상태를 가지는 것을 끈의 진동수의 차이라고 설명하였고, 중력을 통합시키기 위해 다차원을 도입하였습니다. 차원 얘기가 나오면서 더 이해하기 어려워지게 되는데 사실 차원의 아이디어는 이미 상대성 이론 때 도입이 되었습니다. 아인슈타인은 공간의 차원과 시간을 통합시켰고, 중력을 설명하면서 공간의 일그러짐, 즉, 현재 차원으로는 설명이 불가능한 방식으로 차원을 늘렸습니다. 이런 아이디어에서 모든 힘을 통일하기 위해 초끈 이론과 다중 차원 개념이 도입되지 않았나 하는 생각이 듭니다. 하지만 이 이론은 실험이나 증명 조차 불가능합니다. 단지 수학적으로 이렇게 해석하면 모든 것이 설명된다고 맞추고 있습니다. 즉, 실제로 기본 모양이 끈일지 다른 모양일지 모를 뿐 아니라, 실제로 현재는 끈이 아니라 막으로 구성되어 있다는 M-이론이 자리를 잡았습니다, 이보다 더 근원적인 것이 있을 수도 있으며, 우리가 못 찾았을 뿐 더 아름다운 공식이 있을 수도 있습니다.
상대성 이론은 의미와 공식이 먼저 제시되고 한참 후에 증명이 되게 됩니다. 양자역학부터는 공식이 먼저 정립되고 딱딱 맞아떨어지는 공식을 신기해하며 실제 적용하다가 의미를 설명하기 시작하였고, 증명을 하게 됩니다. 물론 이런 스케일의 증명은 간접 증명을 했다고 보는 것이 맞을 것 같습니다. 그리고 더 과학의 발전이 진행되면서 아예 증명이 불가능한 이론까지 나오게 됩니다. 즉, 증명할 수는 없지만 이러한 방식으로 설명하면 모든 현상을 설명할 수 있다고 주장하는 것입니다. 그 이야기는 실제로 세상은 다른 방식으로 설명할 수도 있다는 것이며, 실제로 과학자들 역시 정설 외에도 다양한 방식의 설명을 지지합니다. 그러한 창의력은 다수의 일반인들도 발휘할 수 있을 것입니다. 물론 저명하고 이론을 잘 아는 유능한 과학자들이 들으면 터무니없는 소리들만 하게 될지도 모르지만, 분명 과학자들은 현재 과학의 패러다임 안에 갇혀 있기 때문에 다른 패러다임을 생각하는 과학자는 매우 소수일 것입니다. 이미 과학의 영역은 철학과 신학을 침범하였으므로, 역설적으로 다른 인문학, 공학 등의 소양이 많은 사람들이 과학에 관심을 가지고 생각을 한다면 정말 생각지도 못하는 진리의 실마리가 잡힐지도 모른다는 기대를 하게 됩니다. 그러기 위해서는 과학을 쉽게 설명하고 접할 수 있는 과학의 대중화 역시 필요하다고 생각합니다.
과학은 절대적이지 않지만 가장 절대적인 진리를 찾고 있는 학문이라고 생각합니다. 사실 실험적으로 완벽히 증명된 이론 역시 지금까지의 경험이라는 한계가 있습니다. 상상도 못 할 방법으로 뉴턴 역학을 뒤집어버린 상대성 이론처럼, 지금의 복잡한 이론을 아주 간단히 뒤집는 이론도 생길지 모릅니다. 그리고 만약 그렇게 모든 것의 기본을 알아내어 세상이 어떻게 구성이 되어있다는 것을 알게 된다고 해도, 왜 이렇게 세상이 구성이 되어있는지도 의문입니다. 왜 세상은 이런 방식일까요? 우리가 모르는 존재의 의지에 의한 걸까요? 아니면 이렇게 구성이 되어 있는 것 역시 이유가 있어 이럴 수밖에 없었던 것일까요? 그 이유는 왜 생긴 걸까요?
