양자역학의 발전과 시대상

불확실성의 시대 - 찬란하고 어두웠던 물리학의 시대 1900~1945
토비아스 휘터 지음, 배명자 옮김 / 흐름출판 / 2023년 5월

부제가 ‘찬란하고 어두웠던 물리학의 시대 1900~1945’이다. 매우 적확하다. 1900년 플랑크의 양자가설부터 시작해서 양자역학이 만들어지는 1920년대까지는 엄청난 지적 격동기였다. 여러 천재들의 노력으로 탄생한 양자역학은 자연에 대해 상상할 수 없던 기이한 그림을 우리에게 안겨줬다. 인류의 지적 역사에 있어 정말 대단한 성취라고 할 수 있다. 그런 의미에서 이 시기는 진정 '찬란하다'. 하지만 이렇게 밝혀진 원자의 신비가 결국 인류에게 원자폭탄이라는 재앙을 선사했으니 참으로 아이러니하고 '어둡다'. 이 시기에 걸친 두 번의 세계대전은 물리학자들을 전쟁의 광풍에 휩싸이게 만들었으며 결국 괴물을 낳게 만들었다. 20세기는 진정 물리학의 세기였다고 할 수 있겠다. 

원자의 ˝정지 상태˝

전반적으로 번역이 괜찮은 편이지만, 한 단어의 잘못된 번역이 지속적으로 나와 글을 적는다. 역자는 영어로 "stationary state"라고 하는 것을 "정지 상태"로 계속 번역하고 있다. 양자역학에서 "stationary state"는 에너지 고유상태를 일컫는 말이다. 에너지 고유상태는 외부 자극 없이는 시간이 흘러도 변하지 않고 계속해서 그 상태에 남아있는 성질을 지니며, 이에 따라 "stationary"란 말을 갖게 됐다. "시간이 흘러도 변하지 않는"의 의미이다. 이 단어를 "정지"로 번역하는 것은 의미의 왜곡을 가져온다. 물리학계에서 사용하는 번역어는 "정상定常"이다. 일상에서는 사용하지 않는 단어이지만, 이공계에서는 많이 보는 단어이다. 고정되어 변하지 않는다는 의미를 담고 있다[*]. 

<불확실성의 시대>는 양자역학을 주로 다루며 여기서 "정상 상태"가 굉장히 중요한 의미를 담은 단어임에도 지속적으로 "정지 상태"로 잘못 번역되어 있다. 원자의 "정지 상태"가 '움직이지 않는 원자'를 의미하는 것이 아님에도 오해의 여지를 준다. 책 속 여러 곳에 이 단어가 나오는데, 두 군데만 다음에 옮겨 놓는다. 먼저 보어의 논문을 인용한 부분이다.  

"우리는 특정 정지 상태의 원자가, 고전이론에 따라 원자를 다른 정지 상태로 다양하게 전달하는 가상의 조화 진동자가 발생시키는 가상의 복사장과 거의 동등한 가상의 시공간 메커니즘을 통해, 다른 원자와 지속적으로 소통한다는 사실을 인정하게 될 것이다." (154 페이지)

역시 보어의 말은 모호하고 어렵다. ^^ 다음은 코펜하겐으로 보어를 방문한 슈뢰딩거가 하는 말이다. 

"보어 교수님, 양자 도약에 대한 모든 상상은 난센스로 이끌 수밖에 없다는 것을 아셔야 합니다. 양자 도약 주장에 따르면, 원자의 정지 상태에서 전자는 우선 빛의 방사 없이 한 궤도에서 주기적으로 순환합니다. 그러나 전자가 왜 빛을 방사하면 안 되는지 해명하지 않습니다. (267 페이지)

한 해 동안 누추한 서재를 방문하여 격려해 주신 알라딘 친구분들께 감사드린다. 새해에도 더욱 행복하시기를~! 

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[*] 비슷하지만 맥락이 좀 다른 의미를 담고 있는 단어인 "steady state"도 정상 상태로 번역된다. 

‘이해‘의 의미

<불확실성의 시대>는 흥미롭고 좋은 책이다. 많이 알려진 양자역학의 역사를 당시의 시대상과 대비하며 그 분위기를 느낄 수 있도록 풀어내고 있다. 양자역학은 기존의 뉴턴역학과는 좀 더 다른 차원의 문제를 야기했는데, '과연 이 이론이 이야기하는 바가 무엇이냐'였다. 이러한 문제를 이해하는 데 있어 큰 역할을 한 이가 닐스 보어였다. 닐스 보어는 당시의 여러 젊은 양자물리학자들에게 아버지와 같은 존재였는데 이후 양자역학의 본격적 발전에 후견인과 같은 역할을 한다. 

책에는 하이젠베르크가 보어와 처음 만나서 산책하며 이야기하는 장면이 나온다. 이 장면은 하이젠베르크의 회상록인 <부분과 전체>에도 나와 있다. 

  두 물리학자는 도시 전체가 내려다보이는 언덕 꼭대기에 오르기 전에, '론스Rhons'라는 카페에서 잠시 쉬며 기운을 차린다. 하이젠베르크가 묻는다. "그렇다면 그것은 인간의 인식으로 접근할 수 없는 것입니까? 우리가 원자를 올바르게 이해할 전망은 전혀 없습니까?" "당연히 있어요. 하지만 그때 우리는 이해한다는 단어가 무엇을 의미하는지 비로소 배우게 될 것입니다." (131~132 페이지)

이때는 1922년 6월로, 하이젠베르크가 헬골란트 섬에서 행렬역학을 착상하기 3년 전이다. 로벨리는 <나 없이는 존재하지 않는 세상Helgoland>에서 헬골란트 섬에 간 하이젠베르크의 이야기부터 시작한다. 우리는 이렇게 찾아낸 양자역학을 '이해'할 수 없다. 이러한 불가해성을 라바투트는 <우리가 세상을 이해하길 멈출 때>에서 소설적으로 풀어내고 있다. 

과연 우리는 양자역학이라는 불가해한 도구를 손에 쥐고 라바투트가 묘사한 것처럼 이 세상의 이해를 포기한 채 어쩔 줄 모르고 있는 것일까. 여기서 우리는 앞서 나온 보어의 말을 곱씹어야 한다. 우리는 양자역학이 우리에게 보여주는 기묘한 세상을 '이해'할 수 없다. 여기서의 '이해'는 거시세계에 기반한 우리의 상식에 비추어서를 말한다. 비록 거시세계에 기반한 우리의 머리로는 '이해'하지 못하지만 우리는 미시세계가 그렇게 이상하게 행동한다는 것을 알고 이를 활용해서 반도체 메모리를 비롯한 여러 장치를 만들어 쓰고 있다. 우리가 미시세계를 정녕 '이해'하지 못하고 있는 것일까. 

종종 언급되는 리처드 파인먼의 말이 있다. "양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없다고 나는 확실히 얘기할 수 있다. I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics." 이 말은 여러 차원의 의미를 지닌다. 파인먼은 양자역학의 도사master이다. 그가 자신을 포함하여 아무도 양자역학을 '이해'하지 못한다고 말할 때의 '이해'는 거시세계에 기반한 우리 상식에 비춘 이해이다. 예컨대 전자는 입자라고 하지만 우리가 친숙히 알고 있는 입자인 당구공이나 구슬과는 다르다. 전자를 당구공과 마찬가지로 생각하면 전자를 '이해'하지 못하는 것이다. 전자는 기묘한 성질을 갖는 '전자' 그 자체로 이해해야 한다. 그런 측면에서 우리는 전자를 이해하고 있다. 보어가 말했듯이 양자역학은 우리가 지닌 언어 자체까지도 되새겨 보며 그 한계를 자각하도록 만든다. 더불어 과학의 의미를 되새기게 한다. 요즘 들어 보어가 더욱 위대해 보인다.

로벨리의 물리학 책 국역본들

카를로 로벨리는 이탈리아의 이론 물리학자로 고리양자중력 이론을 연구한다. 그가 쓴 책들이 근래 많이 번역되어 모아 둔다. 국내에 출간된 순서로 나열한다. 

<첫번째 과학자, 아낙시만드로스>만 빼고 <모든 순간의 물리학>부터 <보이는 세상은 실재가 아니다>, <시간은 흐르지 않는다>, <만약 시간이 존재하지 않는다면>, 그리고 가장 최근 출간된 <나 없이는 존재하지 않는 세상>까지 모두 쌤앤파커스에서 출간됐다. 쌤앤파커스는 눈길 끄는 제목을 정하는데 신경을 많이 쓰는 것처럼 보인다. <보이는 세상은 실재가 아니다>라는 책의 제목에 대해 예전에 얘기한 바와 같이, 바뀐 제목은 종종 저자의 의도를 벗어난다. <나 없이는 존재하지 않는 세상>의 제목도 그렇다. 양자역학에서 관찰자가 중요한 역할을 하므로 이런 제목을 생각할 수도 있겠지만, 로벨리는 이 책에서 사실 특별한 관찰자가 없는 양자역학 해석을 제시하므로 내가 볼 때 이 제목은 저자의 의도를 거스르는 것처럼 보인다. 

<보이는 세상은 실재가 아니다>를 구글 번역기에 돌려보면 이렇다: "The world you see is not real". <나 없이는 존재하지 않는 세상>은 "A world that doesn't exist without me". 우리말로 볼 때는 시적이고 뭔가 있어 보일지 몰라도 결코 물리학자가 쓸 제목은 아니다. 혹시 편집자가 불교 신자는 아닐까 하는 생각마저 든다. 

위의 책들 중 로벨리의 핵심 저작은 <보이는 세상은 실재가 아니다>와 <시간은 흐르지 않는다>라고 생각한다. <보이는 세상은 실재가 아니다>는 로벨리가 연구하는 고리양자중력이론에 대한 책이다. <시간은 흐르지 않는다>는 현대물리학 주류의 입장에서 바라본 시간의 의미에 대한 책이다. 로벨리의 이름을 크게 알린 <모든 순간의 물리학>은 그가 바라보는 현대물리학의 아름다움에 대한 책이다. 마지막으로 <나 없이는 존재하지 않는 세상>은 양자역학과 그 해석에 대한 책이다. 단 한 권만 고르라면, 내용이 조금 어렵긴 하지만 <보이는 세상은 실재가 아니다>를 고르겠다. 

위 책의 영역본들을 다음에 모아 둔다. 

<만약 시간이 존재하지 않는다면>의 영역본은 없다. 불어로 나온 책(<Et si le temps n'existait pas ?>)을 찾을 수 있을 뿐이다. 검색하다가 로벨리의 최신 책 하나를 찾았다: <White Holes>. 이런, 재미있을 것 같다! 이제 그가 더 쓸 것이 남았을까 했는데...^^ 그리고 하나 더 있다! 그의 에세이집이다: <There Are Places in the World Where Rules Are Less Important than Kindness: And Other Thoughts on Physics, Philosophy and the World>. 

로벨리의 양자역학 이야기

나 없이는 존재하지 않는 세상 - 카를로 로벨리의 기묘하고 아름다운 양자 물리학
카를로 로벨리 지음, 김정훈 옮김, 이중원 감수 / 쌤앤파커스 / 2023년 12월

로벨리는 그동안 여러 권의 대중과학서를 냈는데, <Helgoland>가 원제인 이 책에서는 하이젠베르크를 주인공으로 내세워 자신이 생각하는 양자역학의 의미와 특히 '관계론적' 해석에 대해 논의한다. 그가 주장하는 관계론적 해석에 따르면 세상은 상호작용을 할 때 그 속성이 결정된다. 하지만 상호작용을 하지 않은 다른 대상에 대해서는 그 속성이 전혀 결정되지 않으며, 이는 극단적 반실재론이라고 할 수 있다. 매우 흥미로운 주장임에는 틀림없지만, 곱씹고 생각해봐야 한다. 

책은 '-습니다'체로 번역이 됐는데, 비교적 잘 읽힌다. 양자역학과 로벨리의 생각에 관심 있는 이들에게 추천한다. 

책 속 멋진 문구를 하나 옮겨 놓는다.

과학은 진리의 담지자가 아니라, 진리의 담지자 같은 것은 없다는 자각 위에 놓여 있습니다. (164페이지)

영역본은 위의 문장을 다음처럼 적고 있다.

Science is not a Depository of Truth, it is based on the awareness that there are no Depositories of Truth. (p. 137)

'담지자'라는 말은 depository를 좀 더 의인화했다. depository는 원래 '저장고'라는 뜻이다.