사물의 풍경

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막스 테그마크: 오늘의 물리학-의식은 물질의 한 상태이다

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2014. 5. 3.

 

의식은 물질의 한 상태이다

 

이론물리학에서는 조용한 혁명이 진행 중에 있다. 오래 전에 물리학이 생성된 이래로 지금까지 물리학자들은 의식을 논의하기를 꺼려했는데, 그들은 의식을 허풍선이와 사기꾼들을 위한 주제로 여겼다. 사실상 '의식'이라는 낱말을 언급하는 것만으로도 경력을 망칠 수 있었을 것이다.

 

마침내 이론물리학 공동체 전체에 걸쳐 들불처럼 퍼지고 있는 의식에 대한 근본적으로 새로운 사유 방식 덕분에 상황이 바뀌기 시작하고 있다. 그리고 의식의 문제가 결코 해결되지 않고 있는 도중에, 마침내 그것은 연구자들이 이해하고, 탐구하며, 논의할 수 있는 일단의 문제들로서 수학적 형식으로 표현되고 있다.

 

최근에, 케임브리지 소재 메사추세츠 공과대학의 이론물리학자 막스 테그마크(Max Tegmark)는 이런 새로운 사유 방식이 제기하는 근본적인 문제들을 제시했다. 그는 양자역학과 정보 이론의 견지에서 이런 문제들이 어떻게 형식적으로 표현될 수 있는지 보여준다. 그리고 그는, 의식에 대한 이런 사유 방식이 과학적 실험 과정이 분석하는 데 도움이 될 수 있는 실재의 본성에 관한 정확한 의문들로 어떻게 이어지는지 설명한다.

 

테그마크의 접근방식은 의식을 고체, 액체 또는 기체처럼 물질의 한 상태로 간주하는 것이다. "나는 의식이란 물질의 다른 한 상태로 이해될 수 있다고 추측한다. 다양한 액체 유형들이 존재하는 것과 꼭 마찬가지로 다양한 의식 유형들이 존재한다"고 그는 말한다.

 

계속해서 그는 우리 우주를 관장하는 물리 법칙들에서 의식의 특수한 특성들이 어떻게 비롯될 수 있는지 보여준다. 그리고 그는 이런 특성들 덕분에 물리학자들이 의식이 발생하게 되는 조건에 관해 어떻게 추리할 수 있는지 그리고 그것이 우리 주변의 세계가 현재 모습처럼 보이는 까닭을 더 잘 이해하는 데 활용될 수 있는지 설명한다.

 

흥미롭게도, 의식에 대한 새로운 접근방식은 물리학 공동체의 외부에서 비롯되었는데, 주로 매디슨 소재 위스콘신 대학의 줄리오 토노니(Giulio Tononi) 같은 신경과학자들에서 비롯되었다.

 

2008년에 토노니는 의식을 나타내는 체계는 두 가지 특정한 특질을 갖추고 있어야 한다고 제시했다. 첫째, 의식적 체계는 대량의 정보를 저장하고 처리할 수 있어야 한다. 다시 말해서 의식은 본질적으로 정보 현상이다.

 

그리고 둘째, 이 정보는 독립적인 부분들로 나눌 수 없도록 하나의 통일된 전체로 통합되어야 한다. 그것은 의식의 각 사례가 개별적인 성분들로 분해될 수 없는 하나의 통일된 전체라는 경험을 반영한다.

 

이 두 가지 특질 모두 수학적으로 규정될 수 있고, 그래서 테크마크 같은 물리학자들이 최초로 그것들에 관해 추리할 수 있게 된다. 테그마크는 의식적 체계가 갖추어야 하는 기본적인 특성들을 요약함으로써 시작한다.

 

의식이 정보 현상이라는 점을 감안하면, 의식적 체계는 효율적으로 그것을 기억 속에 저장하고 검색할 수 있어야 한다.

 

또한 의식적 체계는 우리에게 친숙한 실리콘 기반 장치보다 훨씬 더 유연하고 강력한 컴퓨터처럼 이 데이터를 처리할 수 있어야 한다.

 

테그마크는 컴퓨토리움(computorium)이라는 술어를 차용하여 이것을 행할 수 있는 물질을 서술하며, 그리고 오늘날의 컴퓨터는 이론적인 계산 한계보다 대략적으로 10^38배 부족한 연산 능력을 증명하는 다른 연구를 인용한다.

 

명백히, 의식적 체계들의 실행을 가능하게 하는 개선의 여지가 대단히 많이 존재한다.

 

그 다음에, 테그마크는 퍼셉트로니움(perceptronium)을 논의하는데, 그것은 자의식을 주체적으로 느끼는 가장 일반적인 실체로 정의된다. 이 실체는 정보를 저장하고 처리할 수 있을 뿐 아니라, 그것도 통일된 분할할 수 없는 하나의 전체를 구성하는 방식으로 할 수 있어야 한다. 또한 그것은 정보 동역학이 외부로부터가 아니라 내부에서 결정되는 어느 정도의 독립성이 필요하다.

 

마지막으로, 테그마크는 양자 인수분해 문제로 알려져 있는 양자역학의 근본적인 문제들 가운데 하나를 연구하는 렌즈로서 의식에 대한 이 새로운 사유 방식을 사용한다.

 

이것이 일어나는 까닭은 양자역학이 세 가지 수학적 존재자들―체계의 전체 에너지를 서술하는 해밀토니안(Hamiltonian)으로 알려진 객체, 체계의 모든 양자 상태들 사이의 관계를 서술하는 밀도 행렬, 그리고 이런 것들이 시간에 따라 어떻게 변하는지 서술하는 슈뢰딩거 방정식―을 사용하여 전체 우주를 서술하기 때문이다.

 

문제는, 전체 우주가 이런 항들로 서술될 때, 모든 가능한 양자역학적 결과를 포함하는 무한히 많은 수학적 해답들과 훨씬 더 기묘한 다른 가능성들이 많이 존재한다는 점이다.

 

그래서 문제는, 우리가 우주를 매우 친숙한 반(半)고전적인 삼차원 세계로 지각하는 까닭이다. 잔에 담긴 얼음물을 바라볼 때 우리는 동일한 체계의 부분으로서 밀접하게 연결되어 있는 액체 물과 육각형의 고체 얼음 조각들을 독립적인 것들로 지각한다. 이런 일이 어떻게 일어나는가? 모든 가능한 결과들에서 우리는 왜 이런 해답을 지각하는가?

 

테그마크는 아무 대답도 제시하지 않는다. 그런데 그의 접근방식과 관련하여 매혹적인 것은 그것이 상세한 과학적 추리를 가능하게 하는 방식으로 양자역학의 언어를 사용하여 표현되어 있다는 점이다. 그래서 그것은 물리학자들이 더 자세히 분석하기를 바랄 모든 종류들의 새로운 문제들을 제시한다.

 

예를 들어, 의식적 체계 속의 정보는 통일되어야 한다는 관념을 생각하자. 그것은 의식적 체계가 절반 이하의 정보로 이루어진 그 어떤 부분집합도 나머지 정보로부터 재구성될 수 있게 하는 오류 교정 코드를 포함하고 있어야 한다는 점을 의미한다.

 

테그마크는 홉필드(Hopfield) 신경망으로 알려져 있는 특수한 연결망에 저장된 정보는 무엇이든 자동적으로 이런 오류 교정 능력을 갖추고 있다고 지적한다. 그런데 그의 계산에 따르면, 10^11개의 신경세포로 이루어진 인간 뇌 크기에 이르는 홉필드 신경망은 37비트의 통합 정보를 저장할 수 있을 뿐이다.

 

"이것은 결국 통합 역설을 제기한다. 의식적 경험의 정보 내용은 왜 37비트보다 엄청나게 더 큰 것처럼 나타나는가?" 테그마크는 묻는다.

 

그것은 결국 많은 과학자들이 자세히 검토할 문제이다. 테그마크의 경우에, 이 역설은 의식에 대한 그의 수학적 표현 형식이 필수적인 요소를 빠뜨리고 있다는 점을 시사한다. "이것은 통합 원리가 최소한 하나의 부가적 원리로 보충되어야 한다는 점을 강하게 의미한다"고 그는 말한다. [...]

 

그럼에도 이런 접근방식의 힘은 의식이 우리의 이해 범위를 넘어서지 않는다는 가정에 있다. 즉, 그것 없이는 의식이 길들여질 수 없는 "비밀 소스"는 전혀 없다는 것이다.

 

20세기 초에 일단의 젊은 물리학자들이 우주에 대한 우리 이해에 존재하는 몇 가지 기묘하지만 겉보기에 사소한 변칙적인 것들을 설명하려는 탐구에 착수했다. 상대성과 양자역학이라는 새로운 이론들을 도출하면서 그들은 결국 인간이 우주를 이해하는 방식을 바꾸었다. 이 물리학자들은, 최소한 그들 가운데 몇몇은 이제 잘 알려져 있다.

 

21세기 초에 비슷한 혁명이 현재 진행 중에 있다는 것이 가능한 일일까?

 

[원문은 여기에]