인류가 엿본 자연의 가장 아찔한 비밀

양자역학은 태생부터 달랐다. 우리가 ‘고전역학’이라고 부르는 물리학은 점진적으로 발전해왔다. 기존 개념을 유지하면서 더 정교한 수학적 모델이 추가됐다. 그러나 19세기 후반부터 기존 물리학으로 설명할 수 없는 실험 결과가 쌓이면서 과학자들은 익숙했던 개념을 포기해야만 했고, 양자역학이 탄생했다. 실험이 기존 패러다임을 무너뜨린 것이다.

당시 과학자들은 어떤 감정을 느꼈을까. 우리가 믿고 있던 세계가 흔들린다는 혼돈과 충격, 그러나 동시에 새로운 시대가 열릴 것이라는 흥분이 공존하지 않았을까. 이 모든 감정을, 세계적인 이론 물리학자 카를로 로벨리는 이렇게 표현한다.

“나는 종종 궁금했습니다. 인류가 엿본 자연의 가장 아찔한 비밀 중 하나에 처음으로 눈을 뜨고 난 후, 북해의 바람이 부는 척박한 헬골란트섬에서 바다가 내려다보이는 바위에 올라 거친 파도를 바라보며 일출을 기다리던 젊은 하이젠베르크는 무엇을 생각하고 무엇을 느꼈을까.”

이 책은 1925년 스물세 살의 베르너 하이젠베르크가 기존 물리학의 한계를 깨고 양자역학을 탄생시킨 순간을 출발점으로 삼아, 이후 양자역학이 어떻게 발전하고 어떤 논쟁을 불러일으켰는지를 따라간다.

사실 우리도 양자역학을 처음 접할 때 비슷한 혼란을 경험한다. 뉴턴역학에서는 모든 것이 명확한 인과관계에 따라 결정된다고 배웠는데, 양자역학에서는 입자가 동시에 여러 상태에 있을 수 있고, 관측하면 상태가 변한다는 개념이 등장한다. 받아들이기 쉽지 않다. 이 책의 저자조차 양자역학을 이해하기가 왜 그렇게 어려운지를 설명하고 있는 것일지도 모른다.

“우리가 보는 세계는 거친 파도가 일렁이는 바다를 달에서 바라본 모습과 같습니다. 푸른 구슬의 매끈한 표면처럼 보이는 것이죠.” 자기 정체성에 앞서고 협력이 자율성을 앞선다. 우리를 우리로 만들어주는 존재는 바로 함께 ‘헤엄치는 사람들’이라고 말한다.

다중우주의 비밀을 양자역학으로 파헤치다

이제, 양자물리학이 뒤바꾼 우주론으로 시선을 돌려보자. 현대 이론물리학계는 ‘단일우주론’과 ‘다중우주론’으로 양분돼 있다. 세계적인 이론 물리학자 로라 머시니-호턴 교수는 여러 우주론을 철저히 검토한 끝에 단일우주론으로는 우주의 기원을 온전히 설명할 수 없다는 결론에 도달했다. 결국 연구 방향을 다중우주론으로 전환했다.

새로운 이론적 돌파구를 찾은 계기는 2000년대 끈이론의 발전이다. 양자이론의 기묘한 세계를 밝히려는 끈이론은 양자가 11차원의 끈으로 이루어져 있으며, 이 끈이 진동해 다양한 입자가 만들어진다고 설명한다. 우주 초기 물질은 매우 작은 상태였기에 양자역학을 적용해야 한다. 2004년 끈이론 연구자들은 빅뱅을 일으킬 수 있는 무수한 개수의 ‘위치 에너지 집합’을 발견했다. 머시니-호턴은 이 발견을 다중우주론과 연결했고, 그 결과 ‘양자 경관 다중우주론’이 탄생했다.

많은 비평가들은 다중우주 개념이 너무 사변적이라고 말하지만, 저자는 양자 경관 다중우주론이 실제로 검증 가능하다고 주장한다. 그중 하나가 다른 우주와의 양자 얽힘이 남긴 흔적(거대 거시공동)인데, 플랑크 위성의 데이터 분석을 통해 실제로 이런 구조가 발견됐다.

마치 지구가 우주의 중심이라고 믿었던 시절이 지나고 태양이 중심임을 받아들였듯, 이제 우리는 우주 역시 더 이상 중심이 아닐 수도 있음을 인정해야 할지도 모른다.

#다중우주#멀티버스