사물의 풍경

자연과 문화 그리고 과학기술의 교차로에서 바라보는 사물/객체의 풍경

로버트 크리스 & 필립 볼: 인터뷰-양자 모멘트

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2015. 2. 8.

 

양자 모멘트

The Quantum Moment

 

로버트 크리스(Robert Crease) & 필립 볼(Philip Ball)

 

볼: 어떻게 해서 하이젠베르크(Heisenberg)는 불확정성 원리를 표명하게 되었습니까? 수학적 견지에서 그 공식에서 비롯된 것이 존재합니까?

 

크리스: 그것은 꽤 극적인 이야기입니다. 불확정성 원리는 하이젠베르크와 파울리(Pauli) 사이의 서신 교환에서 출현했으며, 그것은 그 전 해에 하이젠베르크가 양자 이론에 관해 행했었던 연구, 즉 행렬 역학에서 비롯되었습니다. 1926년 가을에 하이젠베르크와 파울리는 그것의 함의들을 어떻게 이해해야 되는지와 관련하여 서신을 교환하고 있었습니다. 하이젠베르크는 그것을 이해하는 유일한 방법은 양자 세계에 위치와 운동량 같은 쓸모없는 고전적 개념들을 포함하는 것이라고 주장했습니다. 1927년 2월에 하이젠베르크는 코펜하겐에 있는 닐스 보어(Niels Bohr)를 방문했습니다. 대개 보어는 하이젠베르크가 생각하는 데 도움을 주었지만, 이번 방문은 그런 평소의 결과를 얻지 못했습니다. 그들은 좌절하게 되었고, 그래서 보어는 하이젠베르크를 내버려 두고 스키를 타러 갔습니다. 어느 날 밤 보어 연구소 뒤 공원에서 홀로 거닐던 하이젠베르크는 간파하게 됩니다. 그는 파울리에게 편지를 보냈습니다. "모든 사고실험들이 이런 특성을 갖는다고 항상 발견하게 될 것입니다. 어떤 양 p를 평균 오차 p1에 의해 규정되는 정확도 내에서 알아낼 수 있을 때, ... 동시에 q는 평균 오차 q1 = h/p1에 의해 규정되는 정확도 내에서 주어질 수 있을 뿐입니다." 그것이 불확정성 원리입니다. 그런데 E = mc^2와 맥스웰 방정식을 비롯한 많은 방정식들과 마찬가지로 그것의 최초 출현은 지금 널리 알려져 있는 형태로 나타나지 않았습니다. 어쨌든 하이젠베르크는 자신의 착상을 담은 논문을 투고했고 5월에 출판되었습니다.

 

볼: 하이젠베르크는 물리적 견지에서 그것을 어떻게 해석했습니까?

 

크리스: 사실상 그는 해석하지 않았습니다. 당시에 그는 불확정성 원리는 물리적 견지에서 해석될 수 없으며, 아원자 세계는 시각화할 수 없다는 사실을 반영할 뿐이라고 계속 주장했습니다. 뉴턴 역학은 시각화할 수 있는데, 그 속에서 각 사물은 특수한 시점에 특수한 장소를 차지합니다. 하이젠베르크는 양자 역학에 대한 시각화할 수 있는 해를 구성하려고 하는 시도는 곤란한 상황을 초래할 것이고, 그래서 그는 수학에만 주의를 집중하라고 권고했습니다. <<코펜하겐(Copenhagen)>>이라는 희곡에서 마이클 프레인(Michael Frayn)은 하이젠베르크의 이 측면을 잘 포착합니다. 보어라는 등장인물이 하이젠베르크는 수학이 해결하는 한 자신이 행하고 있는 것의 의미에 주목하지 않는다고 책망할 때, 하이젠베르크라는 등장인물은 분개하여 이렇게 응대합니다. "수학이 의미이다. 그것이 바로 의미이다."

 

볼: 하이젠베르크는 자신이 행하고 있던 것의 함의들에 당황했습니까?

 

크리스: 그렇지 않았습니다. 그와 보어 둘 다 그들이 발견했던 것에 흥분했습니다. 바로 처음부터 그들은 그것이 깊은 철학적 함의들을 품고 있다고 깨달았고, 그래서 그것들을 탐구할 수 있다는 것에 전율을 느꼈습니다. 거의 즉각적으로 두 사람은 불확정성 원리의 인식론적 함의들에 관해 생각하고 글을 쓰기 시작했습니다.

 

볼: 하이젠베르크와 보어 외에 심란했던 사람이 있었습니까?

 

크리스: 반응은 복합적이었습니다. 천문학자이자 과학 소통가인 아서 에딩턴(Arthur Eddington)은 전율을 느꼈는데, 불확정성 원리의 인식론적 함의들은 과학, 종교 그리고 예술의 새로운 통일을 예고한다고 말했습니다. 하버드 물리학자 퍼시 브리지먼(Percy Bridgman)은 대단히 당황했는데, 세계의 "바닥이 꺼져 버렸다"고 적었습니다. 그는 그것이 대중에 미칠 영향에 관해 무서워했습니다. 함의들이 충분히 이해되면, 그것은 "방탕하고 타락한 사유의 진정한 지적인 난장을 풀어놓"을 것이라고 그는 적었습니다.

 

볼: 물리학자들은 모두 양자 역학의 인식론적 함의들에 대해 동일한 견해를 공유하고 있었습니까?

 

크리스: 그렇지 않았습니다. 그들은 그것을 해석하는 다양한 상이한 방식들을 고안했습니다. 과학사가 돈 호워드(Don Howard)가 보여주었듯이, 당대의 물리학 공동체가 공통 견해, 즉 "코펜하겐 해석"이라고 하는 것를 공유하고 있었다는 관념은 1950년대에 하이젠베르크가 자신의 이기적인 이유 때문에 조장한 신화입니다.

 

볼: 불확정성 원리 이전에 대중은 양자 이론에 얼마나 많이 주목했습니까?

 

크리스: 그렇게 많이 주목하지 않았습니다. 그것이 물리학자들을 흥분시켰기 때문에 신문과 잡지들은 그것을 흥미로운 것으로 다루었지만, 대중에게 설명하기에는 너무 복잡했습니다. 심지어 철학자들도 양자 물리학을 특별히 흥미롭거나 중요한 철학적 문제들을 제기하는 것으로 여기지 않았습니다. 1927년에 불확정성 원리가 출현함으써 상황이 바뀌었습니다. 갑자기 양자 역학은 그저 또 하나의 과학적 이론이 아니게 되었습니다. 그것은 양자 세계가 일상 세계와 매우 다르게 작동한다는 것을 보여주었습니다.

 

볼: 불확정성 원리는 더 넓은 대중에게 어떻게 전달되었습니까?

 

크리스: 대략 일 년이 걸렸습니다. 1927년 8월에, 아직 명사가 아니었던 하이젠베르크는 영국과학진흥협회(BAAS)의 모임에서 강연을 했지만, 그것은 기자들의 머리 위를 미끄러지듯 지나갔습니다. <<뉴욕 타임즈>>의 과학 기자는, 대중에게 그것을 설명하려고 시도하는 것은 "에스키모인에게 프랑스어를 말하지 않은 채 프라스어가 어떤 것인지 말하려고 시도하는 것"과 비슷하다고 말했습니다. 그런데 하나의 행운이 닥쳤습니다. 1928년에 출판된 <<물리적 세계의 본성(The Nature of the Physical World)>>이라는 책에서 에딩턴은 불확정성 원리에 한 절을 바칩니다. 그는 굉장한 설명가였고, 그의 상상과 언어는 영향력이 대단했습니다.

 

볼: 대중은 어떻게 반응했습니까?

 

크리스: 즉각적으로 그리고 열렬하게 반응했습니다. 1929년 10월 29일이 며칠 지난 후에 <<뉴욕 타임즈>>는 농담조로 주식 시장 붕괴를 설명하는 데 불확정성 원리를 동원합니다.

 

볼: 그리고 오늘날은 어떻습니까?

 

크리스: 하이젠베르크와 그의 원리는 대중 문화에서 여전히 나타납니다. 사실상, 불확정성 원리 덕분에, 저는 제가 아인슈타인보다 하이젠배르크가 대중 문화에 훨씬 더 큰 영향을 미쳤다고 주장하곤 했다고 생각합니다. 미합중국 텔레비전 연속극 <<브레이킹 베드(Breaking Bad)>>에서 '하이젠베르크'는 블법 약물 결정 메탐페타민을 제조하여 판매하는 고등학교 화학 선생인 주인공의 가명입니다. 암을 대면하기에 관한 최근의 책에서 종교 시인 크리스천 와이먼(Christian Wiman)은 "우연의 대혼란" 가운데 "순전한 행운의 일격처럼 지속적인 사랑을 느끼는 것"은 신을 "궁극적인 불확정성 원리"로 만드는 것이라고 적고 있습니다. <<인간 등정의 발자취(The Ascent of Man)>>에서 폴란드 출신 영국 과학자 제이콥 브로노우스키(Jacob Bronowski)는 불확정성 원리를 관용의 원리로 부릅니다. 심지어 불확정성 원리 농담이라는 온전한 장르도 있습니다. 한 경찰관은 하이젠베르크의 차를 길가에 세우고 이렇게 말합니다. "당신이 시속 90마일로 가고 있었다는 것을 알고 있었습니까?" 하이젠베르크는 이렇게 말합니다. "감사합니다. 지금 저는 길을 잃었습니다."

 

볼: 불확정성 원리는 진지한 철학적 목적들을 위해 사용되었습니까?

 

크리스: 그렇습니다. 1929년에 이미 존 듀이(John Dewey)는 실용주의에 관한 자신의 관념들과 특히 그가 "지식에 관한 관객 이론(spectator theory of knowledge)"이라고 부른 것의 유지 불가능성에 관한 자신의 사유들을 촉진하기 위해 그것에 관한 글을 적었습니다. 문학비평가 조지 슈타이너(George Steiner)는 불확정성 원리를 사용하여 문학 비평의 과정―그것이 해석되는 "대상", 즉, 텍스트를 변형시키는 것에 관여하고 후속 세대에게 상이하게 전달하는 방식―을 서술했습니다. 더 최근에 슬로베니아 철학자 슬라보예 지젝(Slavoj Zizek)은 불확정성 원리의 철학적 함의들에 주의를 집중했습니다.

 

볼: 불확정성 원리의 몇몇 대중 문화적 활용들은 기발합니다. 유의미한 활용과 엉터리 활용을 어떻게 구별합니까?

 

크리스: 그것은 쉽지 않습니다. 대중 문화는 흔히 과장되거나 잘못되었거나 터무니없거나 검증할 수 없는 방식들로 과학적 술어들을 사용합니다. 불확정성 원리를 예를 들면, 의학이나 자기 개발 쟁점들에 적용하는 것은 터무니없습니다. 그런데 그것은 문학 비평의 과정을 서술하는 데 불확정성 원리를 사용한 슈타이너와 어떻게 다릅니까?

 

볼: 물리학의 외부에서, 불확정성이 아원자 세계의 특징이라는 우리의 지식과 함께 작가와 철학자들에 의한 그것의 활용들이 어쨌든 우리의 세계관을 변화시키는 데 도움이 되었습니까?

 

크리스: 저는 그렇게 생각합니다. 현대 세계는 뉴턴적 세계와 마찬가지로 매끈하고 연속적이며 법칙의 지배를 받는 것처럼 항상 느껴지지는 않습니다. 그 대신에 우리 세계는 흔히 신경질적이고 불연속적이며 부조리한 듯 느껴집니다. 그것은 때때로 작가들로 하여금 우리 세계를 서술하기 위해 양자 상상과 언어에 호소하도록 촉구했습니다. 예를 들면, 존 업다이크(John Updike)의 등장인물들은 때때로 불확정성 원리에 호소하는 한편, 업다이크 자신은 현대 세계를 "환경 표면에서의 간극, 부정합, 왜곡 그리고 방울들"로 가득찬 것으로 언급할 때 그렇게 합니다. 업다이크와 다른 작가 및 시인들은 이 상상이 은유적으로 적합하다고 깨달았습니다.

 

역사가 베티 돕스(Betty Dobbs)와 마가렛 제이콥(Margaret Jacob)은, 뉴턴적 모멘트는 "현재 대부분의 서구인들과 일부 비서구인들이 살고 있는 물질적 및 심리적 우주―산업적이고 과학적인 우주, 즉 근대성으로 적절히 서술될 수 있는 우주"를 제공했다고 언급했습니다. 그런데 그런 우주는 변하고 있습니다. 양자 이론은, 더 근본적인 층위에서 세계는 결코 뉴턴적인 것이 아니라, 우연, 확률 그리고 불확실성 같은 관념들에 의해 관장된다는 점을 보여주었습니다.