양자역학보다 더 깊은-실재에 대한 데이비드 도이치의 새 이론

Deeper Than Quantum Mechanics-David Deutsch's New Theory of Reality

 

―― The Physics Arxiv Blog

 

세상에 알려지지 않은 20세기 과학의 영웅들 가운데 한 사람은 1940년대, 50년대 그리고 60년대 동안 유명한 벨 연구소에서 연구했던 수학자이자 전자공학자인 클로드 섀넌(Claude Shannon)이다. 섀넌의 가장 위대한 업적은 1948년에 발표된 이래로 우리 세계에 심대한 영향을 끼친 정보 이론이다.

 

이 이론은 모든 디지털 통신의 기초이다. 그래서 이동 전화, 디지털 텔레비전과 라디오, 컴퓨터와 인터넷 모두 섀넌의 정보 이론에 의존한다. 그런 이유 때문에 섀넌이 21세기 기술에 역사상 그 누구보다도 더 큰 영향을 끼쳤다고 주장할 수 있다.

 

그런데 그의 정보 이론에는 최근에 물리학자와 수학자들을 괴롭혀온 문제점이 존재한다. 이것은 그 이론이 고전 정보, 즉 통상적인 디지털 코드를 구성하는 0과 1들로 표현되는 그런 정보에만 적용된다는 것이다.

 

그런데 물리학자들은 양자 정보 및 암호학과 양자 계산에 대한 그것의 잠재력에 점점 더 관심을 갖게 되었다. 양자 정보는 동시에 1과 0일 수가 있다. 다른 기묘한 특성들 가운데 이 특성 덕분에 양자 컴퓨터가 매우 강력할 수 있고 양자 암호학이 완벽하게 안전할 수 있다.

 

그런데 섀넌의 착상들은 양자 영역에서 붕괴되고, 그래서 다양한 연구 집단들은 섀넌이 고전 정보에 부여한 것과 동일한 이론적 기반을 양자 정보에 부여할 대안적 형식을 추구해왔다.

 

이제 영국 옥스퍼드 대학교의 데이비드 도이치와 키아라 말레토(Chiara Marletto) 덕분에 그 목표에 한 걸음 더 다가섰을 것이다. 이 사람들은 고전 정보와 양자 정보 둘 다에 대한 토대로서 작용하는 단일한 이론을 사용하여 그것들을 연결하는 방식을 고안해냈다.

 

그들의 새로운 관념은 구성자 이론(Constructor thoery)으로 불리며, 그 이론은 양자역학, 또는 사실상 여타의 물리학 법칙들보다 더 단순하고 더 깊다. 실제로 도이치는 구성자 이론이 물리학의 모든 법칙들이 출현하게 되는 일종의 실재에 대한 기반을 형성한다고 주장한다.

 

구성자 이론은 도이치가 한 동안 개발해온 우주에 관한 본원적으로 상이한 사유 방식이다. 그는 현재 물리학자들이 초기 조건과 운동 법칙들의 견지에서 세계를 설명하는 작업에 열중하고 있다고 지적한다. 이 작업은 일어나는 것과 일어나지 않는 것을 구별짓게 된다.

 

구성자 이론은 이런 접근 방식을 뒤집는다. 도이치의 새로운 근본 원리는 물리학의 모든 법칙들은 가능한 물리적 변형들과 불가능한 물리적 변형들의 견지에서 전적으로 표현될 수 있다는 것이다.

 

다시 말해서, 물리학의 법칙들은 가능한 것과 불가능한 것을 말해주는 것이 아니라, 가능한 것과 불가능한 것의 결과이다. 그래서 가능한 물리적 변형들과 불가능한 물리적 변형들에 관해 추리하는 것은 물리학의 법칙들을 낳는다.

 

그런 이유 때문에 구성자 이론이 선행하는 그 어떤 이론보다도 더 깊다. 사실상 도이치는 그 이론을 물리학의 법칙이 아니라 물리학의 법칙들이 따라야 하는 하나의 원리, 또는 원리들의 집합으로 간주한다.

 

그가 끌어들이는 비유는 에너지 보존 같은 보존 법칙들이다. 이것은 양자역학이나 상대성 같은 물리학의 법칙이 아니라 여타의 법칙들이 따라야 하는 원리이다. 에너지가 화학에너지에서 전기에너지로, 운동에너지로, 위치에너지 등으로 변환될 때 그것의 거동은 모든 종류의 상이한 물리 법칙들에 의해 좌우된다. 그런데 그것들은 모두 에너지는 보존된다는 원리를 따라야 한다.

 

"그러므로 보존 법칙은, 선험적인 수학적 진리가 아니지만, 운동의 양상들에 대해 운동 법칙들보다 더 깊은 설명을 제공한다"고 도이치와 말레토는 말한다.

 

구성자 이론은 유사한 역할을 수행한다. "그것은 하나의 원리, 즉 물리적 대상들의 거동을 직접적으로 표현하고 설명하기보다는 다른 법칙들에 대한 제약 조건을 표현하고 설명하는 물리학의 법칙이"라고 그들은 말한다. 그것은 물리학의 모든 법칙들을 지배하는 유일한 법칙이다(음... 톨킨이 서술했었을 것처럼).

 

이런 측면에서 정보는 에너지와 유사하다. 정보는 빛, 화학, 전자공학, 연기 신호 등을 사용하여 코드화될 수 있으며, 이 모든 것들은 상이한 물리 법칙들을 따른다. 그렇지만 정보 자체는 아무튼 이 모든 것들과 분리되어 있다. 정보는 기체(基體)에 독립적인 것이다. 그런데, 작용하는 법칙들과 무관하게, 정보 자체는 보존된다.

 

정보의 거동을 좌우하는 법칙 또는 원리들은 지금까지 알려져 있지 않다. "이 논문에서 우리는 이런 법칙들이 무엇인지 추측한다"고 도이치와 말레토가 말한다.

 

이 사람들이 집중하는 중요한 핵심은 정보는 물리적 환경에서만 존재한다―정보는 결코 추상적이지 않다―는 것이다. 그런데 그것은 과거에 많은 수학자와 물리학자들이 정보에 접근한 방식과 두드러진 대조를 이룬다.

 

"근본적인 층위에서 정보를 물리학 또는 최소한 양자역학에 편입시키려고 한 이전의 시도들은 정보를 선험적인 수학적 또는 논리적 개념으로 간주했다"고 도이치와 말레토가 말한다. "우리의 접근 방식은 정반대이다."

 

그들의 방법은 구성자 이론에 기반을 둔 아홉 개 원리들의 집합을 규정하고 그것들을 정보에 대해서 가능하다고 알고 있는 것과 불가능하다고 알고 있는 것에 적용하는 것이다. 이 원리들은 계산, 측정 그리고 고전 정보에 관한 개념들을 표현한다.

 

그 다음에 도이치와 말레토는 정보와 관련된 어떤 작업들이 불가능한 초정보(superinformation)라고 불리는 새로운 개념을 규정한다. 계속해서 그들은 양자 정보의 독특한 특징들이 이런 작업들의 불가능성에서 비롯된다는 것을 증명한다. "그때 양자 정보는 초정보의 일례인 듯 보인다"고 그들이 말한다.

 

이 접근 방식은 많은 문제들을 해결한다. 특히 정보는 항상 규정하기 어려웠다. 통상적인 정보 이론에서는 정보와 구별 가능성이 각각 서로의 견지에서 규정되는데, 이것은 일종의 닭과 알 문제를 초래한다.

 

그런데 구성자 이론에서는 정보의 본성이 물리학의 법칙들에 의해서만 결정된다. 그것은 그 문제를 산뜻하게 벗어난다.

 

또한 구성자 이론은 최초로 동일한 이론적 지붕 아래 양자 정보와 고전 정보를 연결한다. 그것은 양자 계산, 암호학 그리고 통신과 관련된 신흥 기술에 대해 중요한 함의를 지닐 수 있는 중대한 진전이다.

 

구성자 이론은 물리학의 법칙들을 도출하는 방식이 아니라는 것을 강조하는 것이 중요하다. 예를 들면, 도이치와 말레토는 어떤 더 깊은 이론에서 양자역학을 도출하려고 시도하고 있지 않다.

 

그 대신에 원리들은 에너지 보존과 거의 마찬가지로 기능한다. 에너지의 보존은 수학적 진리가 아니라 그것을 따르는 물리학의 법칙들보다 더 깊다고 도이치와 말레토가 말한다. 그들에게 이것은 아직 발견되지 않은 그 어떤 법칙들도 이 보존 규칙을 따를 것이라고 예상해야 한다는 것을 의미한다.

 

구성자 이론에서 비롯되는 원리들도 마찬가지 방식으로 작용한다. 알려진 물리 법칙들은 이 원리들을 따르고 아직 발견되지 않은 미지의 법칙들도 따라야 한다.

 

구성자 이론과 관련하여 미해결된 큰 문제는 그것이 얼마나 유용한 것으로 판명될지라는 의문이다. 도이치는 실재의 근본적인 특성들에 매혹되어 있고, 그래서 그에게는 더 깊은 설명이 계속 추구하기에 충분한 이유이다.

 

다른 사람들은 더 많은 것―예를 들면, 구성자 이론이 참인지 아닌지를 결정할 수 있는 시험 가능한 가설들―을 요구할 것이다. 더 많은 물리학자들이 도이치의 새로운 사유 방식을 발견함에 따라 이런 종류의 예측들은 확실히 출현할 것이다.

 

그리고 특히 도이치는 물리학의 기초에 관한 선도적인 사상가들 가운데 한 사람이며 가장 창의적이고 독특한 사상가들 가운데 한 사람으로도 널리 인정받고 있기 때문에 물리학자들은 확실히 이 관념을 계속 탐구하고 싶을 것이다.

 

1980년대에 도이치는 양자 계산을 뒷받침하는 관념들을 제창했다. 그 당시에는 계산에 양자역학을 사용한다는 착상은 물리학의 후미였다. 오늘날 그것은 새로운 물리학뿐 아니라 새로운 기술에 대한 추동력 가운데 하나이다.

 

나중에 그는 양자역학에 대한 다세계 해석과 다중우주의 주요한 옹호자들 가운데 한 사람이 되었다. 그것 역시 우주론의 소수자 견해에서 주류 관념으로 변형되었다.

 

다시 말해서, 도이치는 인상적인 이력을 겪었다.

 

오직 바보만이 구성자 이론 역시 우주에 대한 미래의 이해에 심대한 영향을 미칠 물리학의 주류 관념이 될 수 있을 것이라는 가능성에 반하는 추측을 할 것이다. 2001년에 사망한 섀넌은 확실히 깊은 인상을 받았을 것이다.

 

※ 자세한 내용은 이 논문["정보에 관한 구성자 이론(Constructor Theory of Information)"]을 참조하라.