《아인슈타인의 주사위와 슈뢰딩거의 고양이 》
(원제: Einstein’s Dice and Schrodinger’s Cat)
폴 핼펀(Paul Halpern) 지음 | 김성훈 옮김 | 이강영 감수 | [플루토]
【들어가며】
오늘날 아인슈타인은 말할것도 없고, 많은 일반인들이 슈뢰딩거에 대해서도 한 번쯤 들어봤을 것이다. 특히 ‘신은 주사위놀이를 하지 않는다’라는 아인슈타인의 말이나, 애매모호함의 상징이 되어버린 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’은 이미 대중문화에 자리잡은지 오래다. 지난 백여년 간의 물리학사를 되돌아볼 때, 이 두 사람은 매우 중요한 역할을 하고 있으면서도 한편으로는 얄궂은 입장을 공유하며 특이한 위치를 차지하고 있는 사람들이기도 하다. 이 책 《아인슈타인의 주사위와 슈뢰딩거의 고양이》는 바로 20세기 현대물리학사에서 매우 중요한 인물인 이 두 물리학자들의 우정과 연대, 반목과 화해의 이야기이자 현대물리학사의 한 국면에 대한 흥미롭고 귀중한 기록이기도하다. 그리고 이 두 물리학자 사이를 매개하는 이야기의 중심에는 자연의 모든 힘을 통합하려는 ‘통일이론’이 있었다. 이 책은 1900년대 초 양자역학 및 상대성 이론이 태동하던 시기에서 시작하여 최근의 힉스입자 발견 및 중력파 검출 등의 최근 물리학 소식까지 아우르며 인류가 ‘존재의 기원 및 우주의 근본에 대한 이해’라는 노력의 현장을 배경으로 하고 있다.
아인슈타인과 슈뢰딩거 두 사람은 20세기 초 양자역학의 정립에 중요한 계기를 마련해준 장본인이다. 아인슈타인의 광전효과 발견, 슈뢰딩거의 파동역학 정립으로 두 사람은 국제적인 명성을 얻게 된다. 양자역학이 보어와 하이젠베르크가 주축이된 ‘코펜하겐 해석’, 곧 자연의 ‘무작위성’과 ‘확률’로 대변되는 철학적 해석이 더 많은 물리학자들로부터 지지를 받게 되자, 아인슈타인과 슈뢰딩거는 이에 반대하는 입장에서 공동의 전선을 구축하게 된다. 이 두 사람은 우주의 질서에 우연이 배제된 결정론적 법칙이라는 명료함과 객관성에 의해 유지된다는 믿음을 공유하고 자연의 여러 힘들을 통합하려는 노력에 전념하게 된다. 이 책은 바로 이런 배경에서 슈뢰딩거와 아인슈타인을 중심으로 일어난 사건들을 이들 사이에 오고간 편지 및 사료들을 조사하여 재구성하고 있다.
【스피노자라는 유령과 스피노자의 신】
아인슈타인은 대중에게 너무나 잘 알려진 아이콘으로서 그가 상대성이론이나 광전효과, 브라운 운동 등의 발견 및 이론 정립 뿐만 아니라 생의 후반에 통일이론 정립에 매진했음을 많은 이들이 알고 있는 사실이다. 반면 슈뢰딩거도 아인슈타인과 같은 입장에서 서로 경쟁하고, 연대하며 이 통일이론을 추구했다는 사실은 새롭게 알게 되었다. 나아가 이 책에서 더욱 흥미로웠던 부분은 두 사람 모두에게 의식/무의식 적으로 지대한 영향을 미쳤던 인물이 다름아닌 스피노자라는 사실이다. 물론 슈뢰딩거와 아인슈타인 두 사람은 모두 철학적으로 스피노자, 쇼펜하우어, 마흐의 영향을 크게 받았다고 저자는 밝히고 있으나, 시기적으로나 사상적으로 스피노자가 나머지 두 사람에게 영향을 크게 미친 것은 분명해보인다. 그런데 왜 하필 스피노자인가? 네덜란드의 유대인으로서 이른 나이에 유대교단 으로부터 저주와 함께 파면을 당했다고 하는 이단아 스피노자, 파면 후 렌즈 깍는 일을 하며 독립적으로 자신의 철학체계를 세운 이 사람에게 세기의 두 천재 아인슈타인과 슈뢰딩거가 경도되었던 이유가 무엇일까 궁금해졌다.
“자연에는 우발적인 것이 존재하지 않는다. 모든 것은 신성의 필연성에 따라 어떤 방식으로 존재하고 행동하도록 결정되어 있다.”
: 스피노자, 《에티카》에서 재인용(163면)
저자 폴 핼펀이 스피노자의 《에티카》에서 인용해놓은 이 부분을 보면, 아인슈타인과 슈뢰딩거가 평생토록 취했던 철학적 입장, 다시말하면 우주에 대한 근본적 설명에 애매모호함이나 주관성을 배제하려고 했던 입장의 실마리가 보인다. 우연을 거부하고 결정론적인 믿음을 갖게 된 데에는 분명 스피노자의 치밀한 철학체계에서 영감을 얻은 바가 클 것이다. 스피노자의 《에티카》만 보더라도, 이 책은 짧은 스피노자의 생애의 상당 기간동안 엄밀한 기하학적 증명 방식을 빌어 자연의 법칙이라는 신과 인간에 대한 논증을 완성해나간 책이다. 공교롭게도 20세기가 태동하면서 등장한 양자역학의 ‘애매모호성’은 스피노자의 엄정하고 객관적인 신의 세계와 양립불가능해보였다. 다시말하면 스피노자의 완벽한 자연 법칙, 곧 스피노자의 신에 무한한 신뢰를 가진 아인슈타인과 슈뢰딩거에게 양자역학은 불합리해 보였을 것이다. 이 두 사람 모두 양자역학의 성립에 중요한 기여를 한 장본인임에도 불구하고, 이처럼 스피노자의 유령은 이들에게 향후 입장에 지대한 영향을 미치고 있다.
“저는 존재의 질서정연한 조화를 통해 스스로를 드러내는 스피노자의 신을 믿지, 인간의 운명과 행동에 관여하는 신은 믿지 않습니다.”
:『New York Times』, 1929년 4월 25일자에서 아인슈타인의 말 인용 (164면)
아인슈타인의 말을 음미해보면, 그리고 향후 70년이 넘는 인생에서 그가 궁극의 통일이론을 발견하기 위해 집착에 가까울 정도로 스피노자의 신에 대한 믿음이 확고했음을 읽어낼 수 있다. 결국 스피노자의 신은 아인슈타인 뿐만 아니라 슈뢰딩거에게도 일종의 종교와도 같은 위치에 있었다고 볼 수 있다. 물론 슈뢰딩거는 아인슈타인보다 좀더 쇼펜하우어와 힌두교의 베단타 철학에 경도되어 있었다고 한다. 심지어 쇼펜하우어를 ‘서구 최고의 학자’라고 평하기도 했다. 하지만 결국 쇼펜하우어도 스피노자의 철학에서 지대한 영향을 받았음을 고려한다면, 통일이론을 추구한 슈뢰딩거의 행보도 설득력을 갖는다. 나아가 자연의 모든 법칙을 기하학적 원리를 통해 표현하겠다는 포부를 가졌던 아인슈타인에게 스피노자는 일종의 교리였을 것이다. 이러한 경향은 특히 아인슈타인이 실증적인 증거에 대한 고려없이 순수 수학적인 세계에 침잠하기 시작하면서 더욱 두드러지게 나타나는 듯하다. 대중적으로는 나날이 인기를 더해가던 시기에 학문적으로는 물리학계로부터 점점 고립되어가던 아인슈타인의 입장을 좀더 이해할 수 있을 것 같다. 나는 이것이 스피노자라는 유령이 아인슈타인에게 준 영향이라고 본다. 저자는 보다 명료하게 스피노자가 아인슈타인에게 준 직접적인 영향을 다음과 같이 정리하고 있다.
“아인슈타인이 양자물리학에서 확률을 거부하고, 수십 년에 걸쳐 매끈한 통일장이론을 추구했던 것은 분명 그가 스피노자의 개념을 열렬히 고수했던 데서 비롯된 것이다.” (164-165면)
【아인슈타인과 슈뢰딩거의 인간적인 면모】
그러나 어쩔것인가? 우리 모두는 결국 사람인 것을. 두 천재 물리학자 아인슈타인과 슈뢰딩거 역시 모든 면에서 완벽한 사람은 아니었다. 두 사람의 가정 생활 역시 우리가 생각하는 일반적인 가정과는 사뭇 달랐다. 두 사람 모두 화려한 여성 편력과 복잡한 관계를 유지했던 인물들이다. 우리가 사는 사회, 문화에서 정해놓은 규범과 다르다는 이유만으로 그 규범에서 벗어난 사람들에게 비난의 화살을 쏘아대는 것이 과연 옳은 일일까? 우리 모두는 실수를 하기도하고, 어느 순간 잘못 판단하여 다른 길로 접어들기도 한다. 나치가 독일에서 실권을 잡고 오스트리아를 합병 하던 때, 슈뢰딩거는 영국에서의 임기를 끝내고 막 오스트리아로 돌아와 빈 대학에서 연구를 시작했다. 나치에 동조하지 않았던 슈뢰딩거는 자신의 교수직을 지키기위해 나치 치하의 오스트리아를 지지한다는 편지를 썼던 일은 분명 사람들의 비난을 받을만한 일이겠지만, 거대한 폭압적 세력 앞에 자신의 운명을 맡길 수밖에 없는 한 개인의 고충을 이해할 수는 있을 것이다. 나치의 입장에서 믿음직스럽지 못하게 보였던 슈뢰딩거는 이 편지에도 빈 대학 명예교수직마저 박탈당하고 만다. 아마도 이러한 불안감과 좌절감으로 인하여 슈뢰딩거는 더욱 스피노자, 쇼펜하우어 그리고 베단타 철학 등 종교적/철학적 질문에 침잠하는 것으로 저자는 보고 있다.
통일장 이론에 매진하던 아인슈타인의 말년, 아인슈타인은 슈뢰딩거에게 다음과 같은 편지를 보낸다.
“이 모든 것(자신의 통일장 이론에 대한 노력)이 옛날의 돈키호테와 비슷한 느낌을 풍기는 것 같군. 하지만 실재를 나타내야 한다는 요구사항을 유지하고 싶다면 선택의 여지가 없다네.”
: 슈뢰딩거에게 보낸 1950년 09월 03일자 편지에서 인용(399면)
세상물정에 어두워 보이는 아인슈타인이라도 이 편지의 내용을 살펴보면 자신의 노력에 대한 숱한 회의를 했음을 짐작해볼 수 있다. 현재의 시점에서 아인슈타인의 행보를 되돌아볼 때, 통일이론을 구축하려는 평생의 노력은 결국 무산되었다. 세기의 천재였지만, 그 또한 인간이기에 그리고 어쩌면 벗어나기 힘든 자신의 입장과 종교에 가까운 집착으로 인하여 실패는 예견되었을 수 있다. 하지만 일흔이 넘도록 자신의 신념과 열정에 따라 사망하기 전날 까지도 연구할 수 있었던 아인슈타인은 인간으로서 하나의 모범이 되었다고 생각한다.
아인슈타인과 슈뢰딩거 두 사람이 공통의 목표를 향해 노력을 경주했지만, 이들 사이에 언제나 우정이 가득했던 시기만 있었던 것은 물론 아니다. 1947년 슈뢰딩거가 통일장 이론을 완성했다는 언론 발표 이후 슈뢰딩거와 아인슈타인 사이의 관계가 급속히 악화되는 사건이 있었다. 당시 슈뢰딩거는 아일랜드 더블린 연구소에서 근무하고 있었는데, 업적에 대한 압박과 언론사들의 선정적인 보도로 인하여 아인슈타인의 감정을 건드린 부분이 있다고 보인다. 심지어 상대방을 표절로 고소할 생각까지도 했다는 사실도 당시의 심각성을 보여준다. 이후 두 사람이 다시 편지를 주고 받기까지 꼬박 3년의 세월이 더 필요했다는 점도 나에겐 이 두 천재들이 결국 완벽하지만은 않은 인간의 모습으로 다가오기까지 한다. 저자는 슈뢰딩거와 아인슈타인 사이의 관계를 다음과 같이 평하고 있다.
“두 사람의 관계를 보면 두 사람은 애정이 넘칠 때도 있었지만, 배신의 순간도 있었다. 두 사람은 순간의 환영을 쫓다가도 자신을 진정으로 아껴주는 사람을 찾아 집으로 돌아오곤 했다. (…) 마음 속 깊은 곳에서는 언제나 둘도 없는 단짝이었던 것이다.”(423면)
【나가며】
저자 폴 핼펀은 슈뢰딩거와 아인슈타인의 관계를 중심으로 바라본 현대물리학사의 모습을 면밀한 자료조사와 이야기 실력으로 흥미롭게 풀어내었다. 특히 두 사람이 서로에게 또는 다른 과학자들에게 보낸 편지를 통해 보다 친근하게 두 천재 물리학자의 개인적인 생각에 다가갈 수 있었던 기회였다. 저자가 성실하게 통일 이론과 관련하여 설명해주고 있는 부분은 이해가 안가는 부분이 많지만, 통일장이론에 관해서는 학문적 소수파에 속했던 이 두 사람의 입장에서 바라본 현대 물리학의 발전 과정을 가까이서 볼 수 있었기에 무엇보다 흥미로웠다.
개인적으로 궁금증을 가진 부분 중 하나는 불확정성에 관한 아더 에딩턴의 해석에 있다.
“양자적 불확정성이 (하이젠베르크가 주장했던 것처럼) 자연의 근본적 속성이 아니라 인간이 절대적인 정확도로 측정할 능력이 없기 때문”(289면)이라는 에딩턴의 해석은 현재 물리학계에서 어떻게 바라보고 있는지가 궁금해진다. 이 주장은 아직 하나의 견해에 머물고 있는 것일까 아니면 인간은 결코 절대적인 정확도에 미치지 못하리라는 것이 사실로 받아들여지고 있을까 문득 궁금해졌다. 만약 그렇다면 물리학 교과서도 바뀌어야 하지 않은가.
다른 궁금증 하나는 저자인 폴 핼펀이 슈뢰딩거가 말년에 지도하고 이후에 폴 디랙과도 연구한 레오폴드 핼펀이라는 인물을 거론하는 부분(411면)에 있다. 성이 동일한 폴과 레오폴드라는 사람의 관계가 문득 궁금해지는 것이다. 물론 책의 주제와 상관없을 것이지만, 가끔은 책의 주제보다도 주의를 기울이지 않았던 엉뚱한 곳으로, 옆길로 새는 과정에서 나만의 책읽는 즐거움을 느끼는 것이다. 분명 저자는 이 부분에 나름의 의미를 담아 기록해두지 않았을가 하는 짐작을해본다. 저자 폴 핼펀은 슈뢰딩거의 마지막 연구조교라는 이 레오폴드 핼펀의 아들일까?
책을 덮으며 슈뢰딩거와 아인슈타인의 관계를 다시금 떠올려본다. 현대 물리학사에서 놀라운 업적을 남겼던 두 사람이지만, 이들도 1차 및 2차 세계 대전을 겪고, 나치의 영향을 직접 경험했던 사람들이기에 각자 연구에 큰 영향을 미치는 환경 속에서 이루어낸 결과물들이라는 점을 염두해둔다. 아울러 이들도 결국 완벽하지 않은 사람들이기에 숱한 과오와 실수를 저지르기도 했다. 이와 더불어 두 사람은 무기력하거나 좌절감을 겪으며 상당한 시간을 뚜렷한 결과 없이 견뎌내었던 점도 잊지 말아야 할 것 같다. 저자가 언급한 바와 같이 이 두 사람은 멀리 있든, 가까이 있든 둘도 없는 단짝과 같다는 생각을 해본다. 이 둘을 묶어주는 힘은 ‘통일장 이론’이었으며, 이들이 수없이 주고 받았던 편지들은 이 두 존재 사이의 힘을 매개해주었던 교환입자 같기도 하다. 어쩌면 두 사람은 슈뢰딩거 자신이 언급했던 고양이 역설 사고실험에서 ‘얽힘’의 대상이 되는 두 입자와도 같은 존재가 되었는지도 모르겠다. 떨어져 있어도 서로가 서로에게 즉각적으로 영향을 주는 그런 존재들 말이다.
(C) 표지/일러스트: 이다은
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