- 아래 글은 양자역학에 관한 존재론적 해석을 제시하는 파일럿 파동 이론을 지지하는 이론물리학자 안토니 발렌티니(Antony Valentini)가 <<메타넥서스(metanexus)>>와 가진 인터뷰를 옮긴 것이다.
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실재가 실제적일 때: 안토니 발렌티니와의 인터뷰
When Reality is Real: An Interview with Antony Vanlentini
나는 지난 봄 (부분적으로는 템플턴 재단에서 자금을 지원하고 메타넥서스에서도 특집으로 다루어진) 존 휠러(John Wheeler)를 기리는 학술회의에서 이론물리학자 안토니 발렌티니를 처음 만났다. 나는 우주론학자 리 스몰린(Lee Smolin)과 함께 계단을 오르며 그에게 그가 매우 똑똑해서 나를 초조하게 만든다고 말했다. 언젠가 한 친구가 리에 관해 말했듯이, '그는 아침 식사용 시리얼에 새로운 착상들을 붓는다." 우리는 계단 꼭대기에서 멈추었고 어두운 곱슬 머리의 한 남자가 우리에게 미소를 지었으며, 리는 말했다. "이 사람이 나를 초조하게 만든다."
나는 이 인물이 자신의 아침 식사로 어떤 정말로 기발한 시리얼을 먹고 있음에 틀림없다고 생각했다. 사실상, 리는 안토니의 연구를 지원해 왔고, 그를 캐나다의 새로운 페리미터 인스티튜드(Perimeter Institute)의 장기 방문연구원으로 두 번 초빙했다(안토니는 내년 9월에 그곳에서 연구할 것이다. 그는 현재 런던 임페리얼 칼리지에서 근무하고 있다). 그렇다 하더라도, 그 학술회의에서 미스터 발렌티니는 분명히 국외자, 호기심을 불러 일으키는 청중 회원이었을 뿐이지, 자신의 착상들 가운데 하나도 좋은 시절을 갖지 못할 참이었다. 어쨌든, 이번 달은 아니었다. 그 학술회의가 끝난 지 오래 지나지 않아서 <뉴 사이언티스트>는 안토니의 이론을 알게 되었고, 그에 관한 커버 스토리를 실었다.
안토니 발렌티니와 관련하여 무엇이 그렇게 이례적인가? 바로 이것이다. 그는 양자역학의 중심 신조를 무화시키는 한 이론을 부활시켰으며, 뜻밖에 상대성 이론에도 멋지게 한 방을 먹인다. 그 이론은 양자 수학을 따르지만, 동시에 전통적인 양자역학을 넘어서는 새로운 가능성들을 고려한다. 그것은, 우리가 관찰하는 사물들 배후에 객관적 실재가 실제로 존재한다―양자 불확실성은 근본적이지 않다―고 말하는 이론이다. 게다가 어딘가에서, 아무튼, 시간이 보편적―상대적이 아니다―이라고 말한다. 잘 가세요, 명백히 얼마간 관계하지 않고 항상 여전히 약간 수줍어하고 유령 같은 반면에 현실적인 것들로 붕괴하는 기묘한 성향을 지닌 유령 같은 확률들이여. 안녕하세요, 객관적인 숨은 변수들이여. 그리고 그 이론에 관한 안토니의 특별한 해석은 초기 우주―그곳에서는 양자역학이 적용되지 않았을 수도 있고, 물질이 빛의 속력보다 더 빠르게 상호작용할 수 있었으며, 그런 상호작용들이 실제로 가시적이었다고 그는 말한다―의 균일성에 대한 새로운 설명을 제시한다.
물론, 아무 증거도 없는데, 최소한 아직은 없다. 그러나 그것에 관해 생각하는 것은 즐겁다. 실제 물리학은 약간 힘들고, 그래서 나는 그 속에서 발가락을 옴질옴질 움직일 뿐인데, 계속 읽자, 초조해 할 것은 아무것도 없다. 이 인터뷰는 생명, 우주, 그리고 우주론에 관해 깊이 사유하는 사상가들과 나눈 일련의 대화 가운데 네 번째 것이다. 처음 세 대화는 리 스몰린, 스튜어트 카우프만(Stuart Kauffman), 그리고 셰릴린 로쉬(Sherrilyn Roush)였다.
Q: 당신은 파일럿 파동 이론(pilot-wave theory)에 관해 연구하는 데 지난 십이 년을 보냈는데, 그 이론은 1920년대에 프랑스 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie)에 의해 최초로 공식화된 이후에 1950년대에 미국 물리학자 데이비드 봄(David Bohm)에 의해 발전되었습니다. 드 브로이-봄 이론의 수학은 양자역학의 수학과 유사합니다만, 진행 중인 사태에 대한 해석은 전적으로 다릅니다. 모든 사람이 양자 불가사의를 설명하고자 할 때 언급하는 실험인 그 유명한 이중슬릿 실험으로 시작합시다. 양자역학은 무엇이 진행 중이라고 말하며, 당신은 정말 무엇이 진행 중이라고 생각하십니까?
A: 이중슬릿 실험의 기본적 착상은 전자들이 한 번에 하나씩 발사되어 두 개의 구멍이 뚫린 스크린을 통과하여 단단한 벽에 부딪친다는 것입니다. 수천 개의 입자를 발사한 후에 그것들이 부딪친 지점들의 분포를 보면 이것이 파동적 구조를 지니고 있습니다. 그러나 그 슬릿들 가운데 하나를 차단하면, 전자들이 부딪치는 지점들은 개방된 슬릿 뒤에 집중되는 경향이 있습니다. 논리적으로는, 슬릿 "a"가 개방되어 있을 때 일어나는 패턴과 슬릿 "b"가 개방되어 있을 때 일어나는 패턴을 각각 취하여 합하면, 당신은 두 슬릿이 모두 개방되어 있을 때와 동일한 패턴을 얻어야 합니다.
Q: 그렇지만 그것은 맞지 않습니다, 그렇지요? 두 구멍이 모두 개방되어 있을 때 당신은 파동적 패턴을 얻습니다.
A: 그것이 그 실험이 보여주는 것입니다. 그리고 이것을 설명하기 위해, 양자역학은 아무튼 전자가 동시에 두 가지 일을 행한다고 말합니다. 이런 잘못 규정된 의미에서는, 두 구멍이 모두 개방되어 있을 때 전자는 두 구멍을 동시에 통과한다고 간주됩니다.
Q: 그것이 파동이자 입자입니다. 저는 그것을 결코 정말로 이해하지 못하고, 또는 이런 유령 같은 확률들은 실재적인 것이 아니며 우리가 그것들을 관찰하는 순간에 관찰된 현실적인 것들로 붕괴한다는 관념을 이해하지 못합니다. 그러나 명백히 저는 잘 지내고 있습니다. 최근에 저는 리처드 파인만의 멋진 얇은 책, <<일반인을 위한 파인만의 QED 강의(QED: The Strange Theory of Light and Matter)>>를 다시 읽고 있었습니다. 그것은 네 개의 강연을 담고 있습니다. 그는 바로 첫 부분에서 다음과 같이 말합니다. "여러분은 내가 여러분에게 말할 것을 이해할 것인가? ...그렇지 않다. 여러분은 그것을 이해하지 못할 것이다...알다시피, 나의 물리학과 학생들도 그것을 이해하지 못한다. 나도 그것을 이해하지 못하기 때문이다. 아무도 이해하지 못한다." 그러나 또한 그는 양자론이 믿을 수 없을 만큼 성공적이라고 지적합니다.
A: 그렇습니다. 그것은 레이저와 초전도체와 모든 종류의 물건들을 제공했습니다.
Q: 그렇다면 그것에 무슨 잘못된 점이 있습니까?
A: 그것은 일어나고 있는 사태에 관한 명료한 설명을 제공하지 않습니다. 사람들은 이중슬릿 실험이 더 심층적인 설명이 불가능하다는 점을 증명한다고 말합니다. 그러나 그런 논증은 틀렸는데, 그것은 구멍의 개방 또는 차단이 전자의 운동에 영향을 미치지 않는다고 가정하기 때문입니다. 파일럿 파동 이론에서는 그럴 수 있습니다. 전자, 또는 어떤 입자도 실제로 공간에서 파동에 의해 유도되고 있습니다. 그래서 이 이론에서 전자의 운동은 확정되어 있고 궤적을 가집니다. 실재의 번짐은 전혀 없습니다. 입자는 나란히 그것을 유도하는 파동 속에서 움직이고 있습니다.
Q: 그렇다면 그 파동은 무엇으로 이루어져 있습니까?
A: 그것은 보통 물질과 같지 않습니다.
Q: 좋습니다. 그렇다면, 그것은 추상물입니까?
A: 그렇지 않습니다. 오히려 그것은 새로운 종류의 물리적 존재자 같은 것입니다. 인간들이 전기장과 자기장을 발견했던 19세기를 생각합시다. 오랜 시간 동안 사람들은 말했습니다. 이것들은 무엇으로 이루어져 있는가? 빛은 무엇으로 이루어져 있는가? 전자기파는 무엇으로 이루어져 있는가? 그리고 그들은 모형들을 세우려고 노력했으며, 마침내 그들은 이런 장들이 보통 물질과 같지 않다는 점을 깨달았습니다. 저는 비슷하게 이것도 새로운 종류의 물리적 존재자라고 말하고 있습니다.
Q: 그렇다면, 우리는 어떻게 이 파동이 무엇인지 파악할까요?
A: 그것은 이미 양자역학에 존재합니다. 그것은 파동함수라고 합니다만, 그것은 확률로 간주됩니다. 본질적으로 그것은 어디든 어떤 주어진 지점에서 전자를 발견할 확률을 말해주는 수학적 객체입니다. 그 확률은 그 지점에서의 파동의 세기의 제곱에 비례합니다.
Q: 그래서 양자론은 순전히 수학적인 파동함수가 있는 반면에, 파일럿 파동 이론은 그 파동을 물리적이고 실재적인 것으로 다룹니까?
A: 그렇습니다. 그것은, 이중슬릿 실험에서 그 파동이 스크린을 때릴 때 그것은 두 개의 구멍이 난 장벽을 때리는 물 파동과 비슷하다는 점을 의미합니다. 두 개의 파동이 출현할 것이고, 그것들은 퍼질 것이며, 마침내 서로 속으로 움직여서 중첩할 때 그것들은 복잡한 패턴을 형성할 것입니다. 그리고 그 구멍들 가운데 하나에서 나오는 전자는 두 파동 모두로부터 영향을 받을 것입니다. 그래서 그 전자가 어디에서 부딪칠지는 한 구멍만 개방되는지 아니면 두 구멍 모두 개방되는지에 매우 많은 영향을 받습니다. 두 구멍이 모두 개방되었을 때의 패턴이 한 구멍이 차단되어 있을 때의 패턴들의 합과 같아야 할 이유가 전혀 없습니다.
Q: 그것은 저를 다시 QED로 데리고 가는데, 빛과 그것이 유리를 어떻게 통과하는지에 관해 이야기할 때 파인만은 100개의 광자에 대해 대략 96개의 광자가 유리를 통과하고, 대략 4개의 광자가 반사될 것이라고 특별히 언급합니다. 그러나 두 겹의 유리를 서로 붙이면, 유리 두께에 따라서, 거의 아무 광자도 반사되지 않게 되거나, 또는 두 배나 많은 광자가 반사되게 될 것입니다. 물리적 파동은 이것을 설명할 수 있을까요?
A: 확실히 할 수 있습니다. 유리판들을 투과하거나 반사되는 파동은 서로 간섭하여 상쇄되거나, 아니면 증폭될 수 있습니다.
Q: 좋습니다. 양자론이 불확실성(불확정성)을 모든 것의 핵심에 두었을 때 그것이 그렇게 인기 있는 이유와 관련된 어떤 철학적 사상이 있습니까?
A: 저는 1920년대에 사람들이 19세기 유물론과 시계처럼 작동하는 우주에서 멀어지고 있었던 철학적 유행이 있었다고 생각합니다. 독일에서는 영국과 프랑스의 계몽주의 철학에 대항하는 강한 운동이 있었습니다. 사실상 이것은, 우리가 도대체 이른바 "물 자체"를 아는 것은 불가능하다고 말한 것으로 생각되는 칸트의 작업에 뒤이어, 18세기 말에 낭만주의가 등장함으로써 시작되었습니다. 많은 사람들이 칸트가 있는 그대로의 세계는 정말 알 수 없다고 말한 것으로 해석했습니다. 저는 양자역학이 이런 관념의 낙진―당신의 세계상이 문자 그대로 세계의 모습이라고 가정하는 것은 철학적으로 소박하다는 것―으로부터 영향을 받았다고 생각합니다. 이것 때문에 사람들은 주관주의의 미끄러운 비탈 아래로 내려가게 되었으며, 20세기 초 오스트리아와 독일에서는 물리학자들이 현상 배후에 숨어 있을지도 모르는 것에 관해 생각하지 말아야 한다는 이런 관념을 품게 되었습니다. 19세기 말에 벌어진 원자들의 현존에 대한 논쟁을 생각해 봅시다. 많은 사람들이 원자들에 관한 관념은 형이상학일 뿐이고 실험실에서 관찰할 수 있는 것만을 다루어야 한다고 말했습니다.
Q: 양자역학은 확실히 불가사의하고 기묘합니다. 그런데, 당신은 여태까지 가장 성공적인 이론을 비판하고 있습니다. 저는, 많은 물리학자들이 양자역학이 제대로 작동하고, 그것도 매우 잘 작동하며, 그래서 해석이 반직관적이고 심지어 부조리한 듯 보일지라도 괜찮다고 생각하리라 추정합니다.
A: 양자역학은 전자를 무시하고 파동을 바라볼 뿐입니다. 각 개별 전자에는 관심이 없고 벽에 나타나는 패턴에만 관심이 있다면, 당신은 궤적들은 잊고 수학적 공식으로서의 파동으로 작업할 수 있습니다. 문제는 당신이 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 물을 때 나타나며, 그 다음에 당신은 역설에 빠지게 됩니다.
Q: 애초에 당신은 무엇 때문에 파일럿 파동 이론에 관심을 가지게 되었습니까?
A: 케임브리지 대학의 학부생일 때 저는 그것을 접했지만, 그 당시에 제가 읽었던 논문들은 매우 설득력이 없었습니다. 그 다음에 저는 트리에스테에서 박사 학위 과정에 있을 때 다시 한 번 그것에 착수했고 제네바 소재 CERN에 소속된 존 벨의 멋진 책을 읽었습니다. 그것의 제목은 <<양자역학에서 말할 수 있는 것과 말할 수 없는 것(Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics)>>이었습니다.
Q: 그의 기본적인 주장은 무엇이었습니까?
A: 그는, 양자역학을 특수한 사례들에 대해서뿐만 아니라 전적으로 재현하는 이론이 있으며, 또한 그것은 한 입자의 궤적의 확정된 실재를 제공한다고 말했습니다. 그러나 전체와 관련하여 저를 정말로 흥분시킨 것은, 이 이론에 따르면, 처음에 입자들이 어떤 분포를 갖는다고 가정할 때에만 양자역학을 얻게 된다는 점이었습니다. 그런데, 파일럿 파동 이론을 진지하게 여기면, 입자들이 이런 분포를 갖지 않았던 환경들이 있을 수 있습니다. 초기 우주처럼 말입니다. 초기 우주에서는 공간이 매우 빠르게 팽창하여, 그런 상호작용들이 빛의 속력에 의해 제한된다면, 각 지역의 입자들은 멀리 떨어진 지역들의 입자들과 상호작용할 수 없었습니다. 그렇지만, 파일럿 파동 이론에서는 입자들이 빛보다 더 빠르게 상호작용할 수 있습니다. 사실상 그것들은 순간적으로 상호작용합니다. 이 이론에서는 두 입자가 실제로 육 차원의 "배치 공간"에서 단일한 체계를 형성하며, 그 체계를 유도하는 파일럿 파동은 이런 고차원의 공간에 현존합니다. 그렇다면, 초기 우주에서 입자들의 분포가 양자역학에 어긋났었다면, 빛보다 더 빠른 이런 영향들은 가시적이었을 것입니다. 그리고 그것은 초기 우주가 물질의 밀도와 온도에 있어서 매우 균일한 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있을 것입니다. 균일하지 않았던 것들은 이런 순간적인 상호작용들에 의해 먼 거리에 걸쳐 매끈해질 수 있었을 것입니다.
Q: 제가 이해하고 있는지 알아 봅시다. 당신은 우리가 초기 우주를 살펴볼 때 우리는 불가사의한 균일성을 보게 된다고 말하고 있습니다. 그리고 그런 균일성은 빛보다 빠른 상호작용들이 없었다면 가능하지 않았을 것입니다. 그 때로 돌아가 만약 양자역학적 분포가 없었다면, 빛보다 빠른 상호작용들이 가시적이었을 것입니다. 그러나 바로 지금, 우리는 양자역학이 있으며, 그리고 바로 지금, 오늘날 우리 우주에 살고 있고, 그래서 그런 상호작용이 계속 작동하고 있더라도 그런 상호작용들은 비가시적입니다.
A: 그렇습니다. 그리고 빅뱅 이후에 곧 입자들의 분포가 양자적 분포와 같게 되었다는 바로 그 이유 때문에 오늘날 우리에게 양자역학이 있습니다. 그래서 제가 말하고 있는 것은, 양자역학이 지금 작동하고 있지만, 그것은 근본적인 이론이 아니라는 것입니다. 그것이 항상 작동하지는 않았으며, 그리고 빛보다 빠른 영향들이 항상 은폐되어 있지는 않았습니다.
Q: 당신은 누군가에게 이것에 관해 어떻게 납득시킬 것입니까?
A: 우리는 초기 우주에서의 양자역학의 어긋남을 알아낼 필요가 있습니다. 우리는 입자들의 비양자적 분포를 발견할 필요가 있습니다. 초기 우주에서 떨어져 나와 지금 우주 전체에서 떠도는 입자들이 있을지도 모릅니다. 사람들은 초기 우주에서 떨어져 나온 암흑 물질의 입자들을 찾고 있는데, 이것들 가운데 일부가 좋은 후보들일지도 모릅니다. 또 하나의 가능성은 잔류 중력자들(gravitons), 즉 매우 초기에 다른 입자들과의 상호작용을 중지시켰다고 믿어지는 중력과 관련된 입자들입니다. 아마도 초기 우주의 이런 잔류 중력자들은 양자역학을 따르지 않을 것입니다.
Q: 이전의 대화들에서 당신은 이 이론에 대한 봄의 독창적인 연구가 잘못 해석되었다고 느낀다고 제게 말했습니다. 여기서 그것에 관해 언급해 주실까요?
A: 봄의 역정은 흥미롭습니다. 실제로 세 명의 봄이 있습니다. 상보성에 관한 닐스 보어의 관념들에 관심을 가졌던 매우 초기의 봄이 있습니다. 그 다음에 숨은 변수들에 대한 파일럿 파동 이론에 관해 연구한 1950년대의 봄이 있습니다. 그 다음에 1960년대에 그는 다시 변합니다. 그는 크리슈나무르티를 만나서 인도철학에 큰 관심을 가지게 되었고, 파일럿 파동 이론에 몇몇 신비적인 관념들을 첨가하려고 노력하기 시작합니다. 파탄잘리의 <<요가 수트라>>를 보면, 물질적 객체들은 아무튼 환영들이고 더 심층적인 무언가로부터의 투사물들이라는 관념, 즉 사물들은 이런 더 심층적인 층위에서 출현하여 다시 이런 더 심층적인 층위로 사라진다는 관념을 알 수 있습니다. 그래서 봄은 파동을 더 깊은 층위의 표현으로 여기는 해석을 채택하려고 노력했습니다. 그는 파동을 접힌 질서(implicate order)라고 불렀고 입자를 펼쳐진 질서(explicate order)라고 불렀습니다.
Q: 파일럿 파동 이론은 시간과 공간을 어떻게 바라봅니까?
A: 그것은 상대성 이론과 맞서는데, 그것에는 빛보다 빠른 과정들이 있지만, 상대성 이론에는 아무것도 빛보다 빨리 가지 말아야 하기 때문입니다. 그래서 제게는 상대성 이론이 수정되어야 하며 보편적 시간이라는 관념으로 귀결되는 듯 보입니다. 상대성 이론에서는, 속력이 다른 상이한 관찰자들은 그들 나름의 시간이 있으며 절대적 시간은 없습니다. 그러나 이 이론에서는, 멀리 떨어진 관찰자들이 비양자 입자들의 이런 근본적인 층위에서 통제권을 지니고 있다면 그들은 순간적으로 소통할 수 있습니다. 그래서 그들은 수백 만 광년 떨어져 있더라도 순간적으로 자신들의 시계를 맞출 수 있을 것입니다. 물론, 몇몇 사람들은 그런 생각을 좋아하지 않는데, 그것이 문제입니다.
Q: 이 이론에 어떤 일이 일어나고 있다고 보십니까? 그것에 미래가 있습니까?
A: 지금 당장은 그것에 어떤 성공도 없습니다. 그것에 대한 연구비도 전혀 없으며 젊은 사람들이 그것에 관해 연구할 수 있는 곳도 전혀 없습니다. 제 자신은 그것에 저항할 수 없었고, 사교육으로 생계를 유지하며 홀로 연구하느라고 여러 해를 보냈습니다. 저는 항상 그것이 가야할 길이라고 생각했으며 제 결정을 후회한 적은 결코 없습니다. 그러나 조금 더 많은 사람들이 그것에 관해 연구할 필요가 있습니다.
Q: 당신은 어떻게 스스로를 계속 고무합니까?
A: 저는 물리학의 역사를 살펴보며 이전에 우리가 어떻게 비슷한 상황에 처했는지 봅니다. 저는 모차르트를 듣습니다. 그리고 저는 실재론자가 되었습니다. 저는 실재적 세계가 있다고 믿고 있으며, 그리고 우리는 그것에 관해 알아낼 필요가 있습니다.
번역: 김효진