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아, 여러분 안녕하세요! 뭔가 큰 새가 힘차게 날아오르는 모습, 혹시 보신 적 있으세요? 땅에서 점점 속도를 내면서 큼지막한 날개를 펄럭이고, 발을 떼는 바로 그 순간 있잖아요. 뭔가 뭉클하지 않나요?
우리가 IQ, 그러니까 논리적인 사고 능력이랑 SQ, 우리의 특별한 인지 능력을 합치면 딱 그런 모습이 되는 것 같아요. IQ로 문제를 풀 때는 마치 땅 위를 걷듯이, 한 단계씩 차근차근 해결해 나가죠. 물론 그것도 좋지만, SQ를 활용하면 마치 날개를 펴고 하늘로 날아오르는 것처럼, 정말 상상도 못 할 높이까지 훌쩍 뛰어오를 수 있는 거죠.
SQ는 IQ로는 절대 상상도 할 수 없고, 존재를 증명할 수도 없는 그런 머나먼 곳으로 우리를 데려다 줘요. 인간의 놀라운 호기심, 바로 그 엔진 역할을 하는 거죠.
제1차 세계대전 직후에 유행했던 노래 가사가 갑자기 생각나네요. 미국 농촌 출신 병사들이 해외에서 돌아온 후에 "파리를 보고 온 사람들을 어떻게 농장에 붙잡아 둘 수 있을까?" 뭐 이런 내용이었거든요.
SQ의 놀랍고 깊이 있는 지능은 정말 초논리적인 세계에 눈을 뜨게 해 줘요. 한번 경험하고 나면, 다윈의 진화론적인 낡은 틀에 다시는 갇히고 싶지 않아질 거예요.
우리가 SQ 덕분에 중력파, 중성미자, 양자 진공 같은 생존과는 별 상관없는 현상들에 관심을 갖게 되는 거잖아요. 심지어 그런 난해한 것들을 연구하다가 끔찍한 발명품을 만들어서 우리 존재를 위협하기도 하고요.
도대체 왜 우리는 이 세상의 가장 멀고 이해하기 힘든 미스터리, 그리고 저 너머에 있을지도 모르는 것들에 대해 궁금해하도록 설계되었을까요?
이건 어떤 무신론자들이 주장하는 것처럼 설계상의 결함 같은 게 아니에요. 오히려 그런 초현실적인 세계가 실제로 존재한다는 명확한 증거라고 생각해요. 눈으로 볼 수도 없고, 증명할 수도 없고, 심지어 상상조차 할 수 없는 그런 세계 말이죠.
물리학자들은 그걸 누구보다 잘 알고 있을 거예요.
물리학, 아니 과학이라는 건, 마치 영원히 자라는 십대 같아요. 끊임없이 성장하거든요. 좋은 점도 있고, 나쁜 점도 있죠.
물리학자들이 끊임없이 새롭고 놀라운 것을 배우는 건 정말 좋은 일이에요. 하지만 과학 이론은 덧없다는 뜻이기도 하죠. 새로운 발견이 끊임없이 기존 질서를 뒤엎고, 물리학자의 세계관을 오염시킬 수 있는 잘못된 생각이나 맹목적인 믿음을 몰아내니까요.
때로는 새로운 발견 때문에 물리학자의 세계관을 완전히 바꿔야 할 때도 있어요. 뭐랄까, 갑작스러운 성장통 같은 거죠. 지금까지 물리학이 겪었던 가장 큰 성장통이 네 번 정도 있었는데…
첫 번째는 기원전 4세기에 그리스 철학자 아리스토텔레스가 쓴 '자연학'이에요. 세계 최초의 물리학 교과서였고, 아리스토텔레스 물리학의 시작이었죠.
두 번째는 1687년에 아이작 뉴턴이 발표한 '자연철학의 수학적 원리', 보통 '프린키피아'라고 부르죠. 뉴턴 물리학, 즉 고전 물리학의 시작이었어요.
세 번째는 20세기 초에 알베르트 아인슈타인과 많은 학자들이 물질과 빛의 내부 구조에 대한 아이디어를 발표했을 때예요. 이게 바로 현대 물리학의 중요한 분야인 양자 물리학의 시작이었죠.
네 번째는 역시 20세기 초에 아인슈타인이 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론을 발표했을 때예요. 이것도 현대 물리학의 또 다른 중요한 분야인 상대성 이론 물리학의 시작이었죠.
물리학을 동물에 비유하자면, 뱀처럼 낡은 껍질을 벗는 게 아니라 앵무조개처럼 자라면서 껍데기를 계속 확장하는 모습일 거예요.
물리학은 성장하면서 예전 믿음을 완전히 버리는 게 아니라 수정하고, 재해석하고, 덧붙여요. 그래서 현대 물리학에도 아리스토텔레스 물리학의 흔적이 남아 있는 거죠.
예를 들어, 아리스토텔레스는 신을 자연 현상 설명에 끌어들였어요. 그는 '형이상학'에서 이렇게 썼죠. "아주 먼 옛날 우리 조상들은 신화 형태로 후손에게 전해 줬는데, 해, 달, 별 같은 천체는 신이고, 신이 온 자연을 감싸고 있다고… 이건 신의 계시라고 봐야 한다."
현대 물리학에서는 더 이상 신을 직접 언급하지 않지만, 특히 최근에는 형이상학적인 개념에 점점 더 의존하고 있어요. 사실, 앞으로 설명하겠지만, 이런 개념들은 아리스토텔레스 물리학은 물론이고, 루이스 캐럴의 '이상한 나라의 앨리스'보다 훨씬 더 환상적이에요.
1905년 6월 9일, 권위 있는 독일 과학 저널 '물리학 연보'에 젊고 무명의 물리학자 알베르트 아인슈타인이 제출한 논문이 실렸어요. 제목은 "빛의 발생 및 변환에 관한 휴리스틱 관점에 대하여" 였는데, 엄청 평범해 보였죠.
근데 그게 미국 독립 혁명의 "세상에 울려 퍼진 총성"과 같은 의미를 갖게 될 줄 누가 알았겠어요. 아리스토텔레스와 뉴턴 이후 물리학이 가장 큰 변화를 겪는 순간이었고, 물리학이 거울 속으로 들어가는 순간이었던 거죠.
우리는 그걸 양자 물리학이라고 불러요. "너무나 혁명적이라서 대부분의 물리학자들이 받아들일 수 없었다" 라고 아이작 아시모프가 말했을 정도니까요.
여기서 양자 물리학을 자세히 설명할 공간은 없어요. 그리고 공간이 있다고 해도, 저도 제대로 설명할 수는 없어요.
아무도 양자 물리학을 완전히 설명할 수는 없어요. 노벨상 수상자인 리처드 파인만조차도 "아무도 양자 역학을 이해하지 못한다고 자신 있게 말할 수 있다" 라고 솔직하게 고백했을 정도니까요.
양자 물리학은 아직 진행 중인 연구예요. 덜 익은 케이크, 아니면 아직 자라고 있는 아주 이상한 아이 같다고나 할까요?
양자 물리학은 이상한 나라의 현미경적 기괴함을 살짝 엿볼 수 있게 해 주지만, 완전한 그림을 보여주지는 않아요. 명확한 방정식은 제시하지만, 그 방정식에 대한 해석은 제각각이죠.
마치 소파 쿠션 사이에 떨어진 동전 같아요. 잡으려고 하면 할수록 더 멀어지는 그런 느낌이랄까요?
그게 바로 양자 물리학의 핵심이에요.
좀 더 명확하게 이해하기 위해, 양자 물리학이 이상한 나라에 대해 주장하는 다섯 가지 충격적인 내용을 한번 살펴볼까요? 우리가 완전히 이해하기에는 너무나 벅찬 그런 내용들이죠. 말로 표현하기도 어렵고, 증명하기도 어렵고, 심지어 상상조차 하기 힘들어요. 하지만 물리학자들은 아리스토텔레스가 신을 믿었던 것처럼, 그걸 믿고 있죠.
첫째, 이상한 나라의 모든 존재는 역설적이에요.
예전에 빛이 입자처럼 행동하기도 하고, 파동처럼 행동하기도 한다고 말씀드렸잖아요. 마치 검은색이면서 동시에 흰색이라고 주장하는 것과 같은 거죠.
아무도 그런 모순을 완전히 이해할 수 없어요. 아인슈타인조차도 말이죠.
1954년, 죽기 1년 전에 아인슈타인은 친구에게 "50년 동안 고민했지만, '빛 양자란 무엇인가?'라는 질문에 대한 답에 더 가까워지지 못했다. 요즘은 모두가 자기가 안다고 생각하지만, 스스로를 속이고 있는 것"이라고 고백했어요.
그리고 이런 초논리적인 기괴함은 거기서 끝나지 않아요.
예를 들어, 전자도 마찬가지예요. 예전에는 그냥 단순한 입자라고 생각했는데, 지금은 입자처럼 행동하기도 하고, 파동처럼 행동하기도 한다는 걸 알게 됐죠. 이런 놀라운 발견은 귀족 출신 프랑스 대학원생인 루이 드 브로이 덕분이었어요.
이런 초논리적인 존재들은 이상한 나라 같은 양자 영역에만 사는 게 아니에요. 우리 몸을 이루는 물질이 바로 그런 것들이죠!
다시 말해서, 여러분은 살아 숨 쉬는 모순 덩어리라는 거예요. 여러분은 초논리적이고 형이상학적인 존재이며, 여러분의 상상력으로는 완전히 파악할 수 없을 정도로 기괴하고 불가사의한 존재인 거죠.
둘째, 이상한 나라의 일부 주민은 순간 이동을 하고, 즉각적으로 소통할 수 있어요.
높은 건물의 1층에서 20층으로 가려면 엘리베이터를 타거나 계단을 올라가야 하잖아요. 슈퍼맨이나 슈퍼우먼이라고 해도 층간 거리를 이동해야 하고요.
그렇죠?
이상한 나라에서는 꼭 그렇지 않아요. 예를 들어, 원자는 층이 많은 고층 건물과 같아요. 양자 물리학에 따르면, 전자는 중간 층을 거치지 않고 한 층에서 다른 층으로 이동할 수 있어요. 말 그대로 한 층에서 사라졌다가 다른 층에 즉시 다시 나타나는 거죠.
그리고 통신 문제도 있어요. 일반적으로 메시지를 A에서 B로 전달하려면 시간이 걸리잖아요. 요즘 소위 인스턴트 메시지조차도 송신자에서 수신자까지 도달하는 데 시간이 걸리고요.
하지만 이상한 나라에서는 꼭 그렇지 않아요. 예를 들어, 전자는 팽이처럼 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전해요. 같은 원자에서 나온 두 전자가 쌍둥이처럼 분리되어 각자 다른 회전 방향을 갖게 되었다고 가정해 봐요. 한쪽 전자의 회전을 측정하면 다른 쪽 전자의 회전에 즉각적으로 영향을 미쳐요. 마치 두 전자가 텔레파시로 소통하는 것처럼요. 우리는 이 불가사의한 현상을 양자 얽힘이라고 불러요.
양자 얽힘은 많은 실험을 통해 입증되었어요. 최근 중국 과학 기술 대학교의 과학자들은 746마일 떨어진 곳에 있는 빛 양자가 여전히 즉각적으로 통신할 수 있는 것처럼 보인다는 것을 발견했대요.
셋째, 이상한 나라의 주민은 여러 곳에 동시에 존재할 수 있어요.
제가 중학교 다닐 때 과학 선생님이 원자는 태양계 축소판과 같다고 말씀하셨어요. 원자 중심에는 중성자와 양성자로 이루어진 핵이 있고, 행성처럼 핵 주변을 전자가 맴돌고 있다고 말이죠.
하지만 이제 그런 시대는 지났어요.
양자 물리학에 따르면, 원자는 마치 거대한 파도처럼 퍼져 있다고 해요. 해변의 파도와는 좀 다르지만요. 확률 파도 같은 거라고 해야 할까요?
원자가 특정 위치에 있을 확률은 꽤 높아요. 하지만, 아주 희박하지만 다른 곳에 있을 수도 있다는 거죠. 심지어 우주 반대편에 있을 수도 있고요.
일반적으로 원자는 고전 물리학에서 말하는 위치에 있을 가능성이 높아요. 하지만 그 위치에 있다고 확신할 수는 없어요. 여러 곳에 동시에 존재할 수 있으니까요.
이건 원자뿐만 아니라 이상한 나라에 사는 모든 미시적 존재에게 해당되는 이야기예요. 여러 곳에 동시에 퍼져 있는 특이한 성질을 가지고 있는 거죠.
예를 들어, 우물 안에 갇힌 전자, 마치 도랑에 갇힌 구슬을 생각해 보세요. 스스로는 절대 나올 수 없을 것 같지만, 나올 수 있어요. 왜냐하면 대부분은 우물 안에 갇혀 있지만, 일부는 우물 안과 밖에 동시에 존재하거든요.
정말 말도 안 되는 소리처럼 들리겠지만, 이상한 나라에서는 이런 일이 가능해요. 전자가 퍼져 있기 때문에, 아주 오랫동안 기다리면 마치 유령처럼 단단한 벽을 뚫고 우물 밖으로 나올 수도 있는 거죠. 우리는 이 놀라운 현상을 양자 터널링이라고 불러요.
넷째, 이상한 나라의 실험은 결코 객관적일 수 없어요.
일반적으로 물리학자들은 편견이나 실수 때문에 실험 결과가 왜곡되는 것을 막기 위해 최선을 다해요. 하지만 양자 물리학에 따르면, 객관성이라는 건 거의 신화에 가까운 이야기예요.
왜냐하면 물리학자들과 그들의 장비는 관찰 대상과 상호 작용할 수밖에 없거든요. 그 상호 작용은 필연적으로 관찰 결과에 영향을 미치죠.
이런 의도치 않은 왜곡은 빛 양자나 아원자 입자처럼 아주 작은 것을 관찰할 때 특히 심각하지만, 결국 모든 실험에 영향을 미쳐요.
다른 방식으로 설명해 볼게요.
"아름다움은 보는 사람의 눈에 달렸다" 라는 말을 들어본 적 있을 거예요. 그 말은 아름다움은 관찰자와 독립적인 의미를 갖지 않는다는 뜻이죠. 아름다움과 관찰자는 뗄 수 없이 연결되어 있는 거예요.
마찬가지로, 이상한 나라도 그걸 묘사하는 관찰자가 없다면 아무 의미가 없다고 말할 수 있어요. 이상한 나라와 그걸 관찰하는 지각 있는 주민, 즉 우리 인간은 뗄 수 없이 연결되어 있는 거죠.
마틴 리스 경은 "우주는 누군가가 관찰해야만 존재할 수 있다. 우주는 우리가 존재를 인식하기 때문에 존재한다" 라고 말하기도 했어요.
그렇다면 객관성이라는 건 신화에 불과한 거죠.
여러분과 저는 필연적으로 이상한 나라에 대한 묘사의 일부가 될 수밖에 없어요.
이런 양자 왜곡은 피할 수 없어요.
이게 무슨 의미인지 구체적인 예를 들어 볼게요. 불투명한 상자 안에 갇힌 회전하는 전자를 상상해 보세요. 고전 물리학에 따르면, 전자는 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전하고 있을 거예요. 다른 가능성은 없죠. 게다가 전자를 그대로 두면 회전 방향은 바뀌지 않을 거예요.
하지만 양자 물리학은 완전히 다르게 봐요. 양자 물리학에 따르면, 전자는 확률 파도처럼 행동해요. 시계 방향과 시계 반대 방향으로 동시에 회전하고 있는 거죠.
하지만… 상자를 여는 순간, 전자와 상호 작용하는 순간, 여러분은 두 가지 가능성 중 하나를 현실로 만들게 돼요. 여러분이 관찰하는 전자는 시계 방향 또는 시계 반대 방향 중 한 방향으로만 회전하게 되고, 더 이상 동시에 회전하지 않게 되는 거죠.
따라서 여러분은 객관적인 관찰자가 아니에요.
여러분은 미리 정해진 현실을 단순히 관찰하는 게 아니에요.
여러분은 필연적으로 결과에 영향을 미치는 거죠.
바로 여러분이요.
아무리 주의 깊게, 정직하게 실험을 해도, 그 결과는 항상 여러분의 개입 때문에 왜곡될 수밖에 없다는 건 절대적인 진실이에요.
독일 물리학자 베르너 하이젠베르크는 "과학은 더 이상 자연의 관찰자 입장에 있는 것이 아니라, 인간과 자연의 상호 작용의 일부라는 것을 인식한다" 라고 설명했어요.
이걸 이해하는 또 다른 방법이 있어요. 여러분이 만난 적 없는 여자의 행동은 여러 가능성을 가진 구름으로 표현될 수 있어요. 하지만 그 여자를 만나는 순간, 그녀는 그 가능성 중 하나가 되는 거죠.
그리고 가장 중요한 점은, 여러분과 그녀의 상호 작용이 만남의 결과에 영향을 미친다는 거예요. 여러분은 그녀의 행동에 영향을 미치는 거죠.
다른 사람이 같은 여자를 만났다면 완전히 다른 결과를 경험할 수도 있어요. 다른 사람이 그녀에게서 완전히 다른 행동을 이끌어낼 수도 있고요.
자, 다시 전자로 돌아가서… 제가 상자를 열었을 때, 여러분이 경험하는 것과 같은 결과를 경험할 수도 있고, 아닐 수도 있어요. 50대 50의 확률로 같은 결과를 얻을 수도 있고, 정반대의 결과를 얻을 수도 있는 거죠.
같은 전자, 같은 상자인데, 결과는 정반대인 거예요.
충분히 많은 사람들이 상자를 열면 결과는 평균적으로 50대 50이 될 거예요. 절반은 전자가 시계 방향으로 회전하는 것을 볼 것이고, 절반은 시계 반대 방향으로 회전하는 것을 보겠죠.
우리는 이 흥미로운 현상을 양자 측정 문제라고 불러요. 왜 문제냐고요? 현실이 어떻게 그렇게 주관적일 수 있는지 제대로 이해하지 못하기 때문이에요.
세상의 여론이 주관적이라는 건 이해하기 쉬워요. 하지만 물리적 현실이 주관적이라는 건 정말 이해하기 어렵죠.
컬럼비아 대학교 물리학자 브라이언 그린은 "어떻게 하면 여러 위치에 다양한 확률로 존재할 수 있는 양자 확률의 흐릿하고 희미한 현실에서, 우리가 측정할 때 관찰하는 단일하고 명확한 현실로 넘어갈 수 있을까?" 라고 질문했어요. 답은? "모르겠다" 라는 거죠.
정말 문제죠.
다섯째, 우리는 이상한 나라에 대해 모든 것을 결코 알 수 없어요. 절대로.
살면서 얼마나 많은 측정을 하는지 한번 생각해 보세요. 체중을 재기 위해 체중계에 올라서고, 새 커튼을 사기 위해 거실 창문 크기를 재고, 레시피에 따라 재료를 꼼꼼하게 계량하고, 자녀의 키가 얼마나 컸는지 확인하죠.
물리학자에게 측정은 전부나 다름없어요.
지구의 온도, 빙하의 질량, 위성의 궤도 지름, 우주의 나이… 물리학자들은 논문을 발표하고, 대중에게 인정받고, 연구 자금을 지원받고, 권위 있는 상을 받으려면 매번 정확하게 측정해야 하죠.
아리스토텔레스와 뉴턴 시대에는 측정이 얼마나 정확할 수 있는지에 대한 한계가 없다고 믿었어요. 언젠가는 재치, 기술, 장비를 적절하게 조합해서 우주의 모든 것을 무한한 정확도로 파악할 수 있을 거라고 믿었던 거죠.
그러다 1927년이 찾아왔어요.
그 운명적인 해에 베르너 하이젠베르크는 불확정성 원리라는 수학적 표현을 발표했어요. 아무리 노력해도, 아무리 재치 있고 능숙해도, 우리는 우주에 대해 모든 것을 알 수 없다는 주장이었죠.
하이젠베르크의 불확정성 원리를 이야기할 때 괴델의 불완전성 정리를 떠올리지 않을 수 없어요. 둘 다 극복할 수 없는 한계(각각 과학적 방법과 논리의 한계)를 밝힌 충격적인 발견이었으니까요.
L. 프랭크 바움의 '오즈의 마법사'에서 작은 마법사는 커튼 뒤에서 오즈의 나라를 통제하잖아요. 불확정성 원리는 본질적으로 우리 이상한 나라에 대해 그런 이야기를 하고 있는 거예요.
우주의 가장 깊숙한 비밀은 불확실성이라는 커튼 뒤에 숨겨져 있다는 거죠. 도로시와 달리 물리학은 그 커튼을 결코 걷어낼 수 없고, 우리의 슈퍼 파워 SQ조차도 제한적으로만 엿볼 수 있다는 거예요.
좀 더 전문적인 용어로 설명해 볼게요.
하이젠베르크는 측정 가능한 특정 양들이 특이한 방식으로 짝을 이루고 있다는 것을 발견했어요. 운동량과 위치, 에너지와 시간이 그런 짝을 이루는 대표적인 예죠. 물리학자들은 이런 커플을 켤레 변수 또는 비호환적 관측 가능량이라고 불러요.
짝을 이루는 한쪽을 더 정확하게 측정할수록 다른 쪽은 덜 정확하게 측정할 수 있게 돼요. 이상한 나라는 우리가 두 가지 모두 완벽하게 정확하게 측정할 수 없도록 설계되어 있는 거죠.
만약 우주선에서 발견되는 것과 같은 빠른 헬륨 핵을 가지고 실험을 한다고 가정해 봐요. 핵의 운동량을 더 잘 측정할수록 위치는 더 나빠져요.
마치 시소와 같은 거죠. 측정 가능한 한 양의 정확도가 높아질수록 다른 양은 낮아질 수밖에 없어요. 절대 피할 수 없는 거죠.
이건 비디오 작가들이 랙 포커스라고 부르는 것과도 같아요. 전경과 배경에 두 피사체가 있고, 전경 피사체에 초점을 맞추면 배경 피사체는 바로 흐릿해지잖아요. 그 반대도 마찬가지고요. 두 피사체 모두 완벽하게 초점을 맞출 수는 없죠.
그건 여러분이 서투르거나 무능해서가 아니에요. 이상한 나라는 우리가 이해하지 못하는 심오한 이유 때문에 그렇게 돌아가는 거죠. 어쩌면 영원히 이해하지 못할 수도 있고요.
1905년 9월 26일, '물리학 연보'에 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 발표됐어요. 같은 저널에 3개월 전에 그의 양자 물리학 논문이 실렸었죠. 그날, 스물여섯 살의 천재는 물리학자들을 이상한 나라의 더 깊은 곳으로 이끌었어요.
아인슈타인의 이론이 우리 세계에 대해 주장하는 세 가지 충격적인 사실을 소개해 드릴게요. 아리스토텔레스와 뉴턴의 물리학과는 완전히 상반되는 내용들이죠.
첫째, 이상한 나라는 4차원이에요.
아리스토텔레스 이후의 물리학자들은 우주가 위/아래, 오른쪽/왼쪽, 앞/뒤라는 세 가지 공간 차원만 가지고 있다고 믿었어요. 이 차원들은 x, y, z로 표시되고, 일반적인 3D 기하학으로 쉽게 설명할 수 있죠.
하지만 특수 상대성 이론은 시간도 차원이라고 주장해요. 비록 세 가지 공간 차원과는 매우 다르게 행동하지만요. 마치 남자와 여자가 행동은 다르지만 둘 다 인간이라고 말하는 것과 같은 거죠.
물리학자들은 네 가지 차원을 시공간이라고 부르고, x, y, z, t로 표시해요. 때로는 일반적인 4D 기하학으로 쉽게 설명할 수 있지만, 항상 그런 건 아니에요.
둘째, 이상한 나라의 일부 표면적인 모습은 상대적이에요.
아리스토텔레스 이후의 물리학자들에게 거리, 시간, 질량, 즉 자, 시계, 저울로 측정하는 일상적인 양들은 변하지 않는 것처럼 보였어요. 예를 들어, 서로 다른 관찰자들이 1피트의 길이, 1분의 지속 시간, 1페니의 질량에 대해 항상 동의할 거라고 예상했던 거죠.
하지만 특수 상대성 이론은 거리, 시간, 질량이 고무줄처럼 탄력적이라고 주장해요. 1피트의 길이, 1분의 지속 시간, 1페니의 질량은 모두 여러분의 상황에 따라 달라지는 거죠. 특히, 여러분이 측정하는 대상에 대한 상대적인 속도에 따라요.
여러분은 고무 같은 이상한 나라에 살고 있다는 것을 의식하지 못하고 있어요. 그 이유는 간단해요. 아주 빠른 속도에서만 이상한 현상이 분명하게 나타나기 때문이죠.
많은 사람들이, 특히 탈진실 세계관을 옹호하는 사람들이 이 발견에 달려들어 크게 왜곡했어요. 그러니 더 나아가기 전에 분명히 말씀드릴게요. 특수 상대성 이론의 놀라운 발견에도 불구하고, 절대적인 진실은 존재해요. 앞으로 보시겠지만, 거리, 시간, 질량, 즉 상대적인 모든 양조차도 궁극적으로는 물리학의 절대적인 법칙을 따르기 때문이죠.
구체적인 예를 들어 볼게요.
먼저 딱딱한 플라스틱 자를 잡으세요. 제대로 만들어졌다면 정확히 12인치일 거예요.
이제 제가 12인치 자를 들고 시속 60마일로 여러분 옆을 지나간다고 가정해 봐요. 제 눈에는 여러분의 자가 12인치보다 짧게 보일 거예요. 물론 크게 차이가 나지는 않겠지만요. 시속 60마일로 달리면 저는 여러분의 자를 11.999999999999952인치라고 생각할 거예요.
또 다른 예를 들어 볼게요.
스마트폰 스톱워치 앱을 이용해서 1분을 측정해 보세요. 스톱워치가 제대로 작동한다면 1분은 정확히 60초일 거예요.
이제 제가 똑같은 스톱워치 앱을 가지고 시속 60마일로 여러분 옆을 지나간다고 상상해 봐요. 제 눈에는 여러분의 스톱워치가 제 스톱워치보다 느리게 가는 것처럼 보일 거예요. 제 1분과 비교하면 여러분의 1분은 60.00000000000024초처럼 보일 거예요.
마지막으로 한 가지 예를 더 들어 볼게요.
새로 나온 반짝이는 1페니 동전(구리 2.5%, 아연 97.5%)의 무게를 재 보세요. 미국 조폐국에 따르면 질량은 정확히 2.500그램이라고 해요.
이제 다시, 제가 시속 60마일로 여러분 옆을 지나간다고 가정해 봐요. 제 눈에는 여러분의 페니 질량이 2.500그램보다 크게 보일 거예요. 2.50000000000001그램으로요.
지금쯤 여러분이 고개를 흔들면서 "똑같은 자가 길이가 다를 리가 없어! 똑같은 1분이 지속 시간이 다를 리가 없어! 똑같은 페니가 질량이 다를 리가 없어!" 라고 항의하고 있을 것 같네요.
사실, 그럴 수 있어요.
여러분은 그걸 깨닫지 못하고 있을 뿐이죠.
"아니, 잠깐만요!" 여러분은 말할 거예요. "누군가는 틀려야 하는 거잖아요. 여러분과 제가 동시에 옳을 수는 없어요! 불가능해요!"
이상한 나라에 오신 것을 환영합니다.
여러분이 살고 있는 세상에 오신 것을 환영합니다.
우리 이상하고 이상한 세상에서는 1피트의 길이, 1분의 지속 시간, 1페니의 질량, 즉 거리, 시간, 질량은 절대적인 진실이 아니에요. 그건 착시 현상과 같은 거죠. 마치 단단한 다이아몬드의 여러 면처럼, 더 심오한 절대적인 현실의 표면적인 모습인 거예요.
셋째, 빛은 이상한 나라에서 신성한 지위를 가지고 있어요.
예전에 빛에 대해서 자세히 살펴봤었죠. 여기서 좀 더 깊이 있게 이해해 볼 건데, 너무 전문적인 내용은 다루지 않을 테니까 걱정하지 마세요.
먼저, 속도는 상대적이라는 절대적인 진실을 명심해야 해요. 고속도로에서 운전하다가 주차된 경찰차가 시속 60마일로 달리고 있다고 측정했다고 가정해 봐요. 시속 60마일로 옆 차선을 달리는 사람에게는 여러분이 정지해 있는 것처럼 보일 거예요. 사실상 다른 차에 대해 움직이지 않기 때문에 시속 0마일로 달리고 있는 거죠.
그럼 누가 맞는 걸까요? 주차된 경찰차일까요, 아니면 옆 차선의 운전자일까요? 둘 다 맞아요! 속도는 상대적이기 때문에 관점, 즉 기준틀에 따라 달라지니까요.
이 익숙한 사실에 놀라서는 안 돼요. 속도는 거리와 시간으로 구성되어 있고, 시간당 거리로 정의되기 때문에 거리와 시간은 모두 상대적인 양이잖아요.
하지만 이제 충격적인 예외를 말씀드릴게요.
특수 상대성 이론에 따르면, 진공 상태에서 빛의 속도, 즉 초속 299,792,458미터는 상대적이지 않아요. 설명해 드릴게요.
빛 양자가 여러분의 방을 가로질러 간다고 가정해 봐요. 여러분은 문 앞에 서서 최신형 레이더 건으로 측정을 했더니 예상대로 초속 299,792,458미터로 측정됐어요. (물론 여러분의 방이 진공 상태가 아니라는 점은 무시할게요. 하지만 이 단순화는 제가 설명하는 내용에 영향을 미치지 않아요.)
그럼 시속 10억 마일로 옆을 지나가는 사람에게는 어떻게 보일까요? 놀랍게도 빛 양자는 여전히 초속 299,792,458미터로 이동하는 것처럼 보일 거예요.
자동차나 우주의 다른 모든 것의 속도와는 달리, 빛의 속도는 관점에 따라 달라지지 않아요. 모든 사람에게, 모든 곳에서, 항상 똑같아요. 절대적인 진실이죠. 우주에서 유일하게 그런 최고의 지위를 가진 속도인 거예요. 왜 그런지는 모르겠지만요. 미스터리죠.
빛의 신성함에 대한 마지막 이야기가 있어요. 여러분과 저는 아무리 노력해도 빛의 속도에 도달할 수 없어요.
노력하면 할수록 몸이 더 무거워져서 속도를 내기가 더 어려워지죠. 인기 있는 TV 광고 문구를 패러디하자면 "도와주세요! 저는 과체중이라서 속도를 낼 수 없어요!" 라고 외칠 수밖에 없겠죠.
참고로, 저희 물리학자들은 이런 현상이 실제로 일어난다는 것을 알고 있어요. 원자 분쇄기 속의 아원자 입자들은 빛의 속도에 가까워질수록 몸집이 부풀어 오르거든요. 하지만 왜 우주가 이런 식으로 작동하는지 근본적인 이유는 이해하지 못하고 있어요.
중력을 신비로운 연인이라고 생각해 보세요. 매일 함께 살지만, 거의 아는 게 없잖아요.
아이작 뉴턴조차도 중력에 대해 누구보다 잘 알았지만 포기하고 다른 사람에게 책임을 떠넘겼어요. "중력은 특정한 법칙에 따라 끊임없이 작용하는 어떤 힘에 의해 발생해야 한다. 하지만 이 힘이 물질적인지 비물질적인지는 독자의 판단에 맡긴다" 라고 말했거든요.
수 세기 후, 아인슈타인은 1915년 11월 25일에 암호를 해독했다고 주장했어요. 베를린의 프로이센 과학 아카데미 물리학 강의실에서 중력은 4차원 시공간의 탄성 천에 생긴 딤플 때문에 발생한다고 발표했죠.
맞아요, 딤플이요.
예를 들어, 태양은 서커스 코끼리가 고무 트램펄린 위에 올라선 것처럼 거대한 딤플을 만들어요. 지구는 훨씬 작은 딤플을 만들고요. 여러분과 저는 정말 미미한 시공간 딤플을 만드는 거죠.
아인슈타인은 이렇게 말했어요. 시공간 딤플을 가로질러 갈 때마다 자연스럽게 윤곽을 따라가게 되고, 따라서 코스를 벗어나게 된다고요. (보스턴에 살면서 포트홀을 많이 지나다녀 봤기 때문에 어떤 느낌인지 잘 알죠.) 딤플이 보이지 않기 때문에 여러분은 코스 변경의 원인을 보이지 않는 힘, 즉 중력 탓으로 돌릴 수밖에 없다는 거죠.
만약 운이 나빠서 충분히 깊은 시공간 딤플을 가로질러 가게 된다면, 딤플에 빠져서 다시는 나올 수 없게 될 거예요. 우리는 그런 딤플을 블랙홀, 즉 우주의 버뮤다 삼각지대라고 부르죠.
이 모든 기괴함을 설명하기 위해 아인슈타인은 유클리드 기하학보다 훨씬 더 특이한 기하학을 사용해야 했어요. 그래서 예전에 대학 동창이었던 수학 천재 마르셀 그로스만을 포함한 친구들에게 도움을 요청했죠.
그들의 도움으로 아인슈타인은 결국 그 일에 딱 맞는 비유클리드 기하학, 즉 1850년대에 독일 천재 베른하르트 리만이 발명한 4차원 기하학을 찾아냈어요.
리만의 기하학으로 아인슈타인은 뉴턴의 낡은 중력 법칙을 능가하는 중력 법칙을 공식화했는데, 제 생각에는 물리학에서 가장 아름다운 방정식이라고 생각해요.
수학을 싫어하는 사람들이 많다는 걸 알고 있어요. 하지만 잠깐만이라도 이 방정식을 저처럼 예술 작품으로 봐 주셨으면 좋겠어요.
SQ에서 영감을 얻은 섬세한 붓놀림은 눈으로 볼 수 없고, IQ로 증명할 수 없고, 마음으로 완전히 상상할 수도 없는 딤플로 뒤덮인 4차원 이상한 나라의 기이한 아름다움을 묘사하고 있어요. 말로 표현할 수 없는 마법 같은 매력으로 가득한 세상, 여러분과 저의 세상을 말이죠.
기억하시나요? 6장에서 만났던 분리 뇌 환자 조 말이에요.
조에게 프라이팬 사진을 보여줬을 때, 그는 그걸 볼 수도, 이름을 말할 수도 없었어요. 그 사진은 보이지 않고 말로 표현할 수 없는 무언가를 나타냈죠.
하지만 조가 눈을 감자 프라이팬을 스케치했어요. 연필을 든 손을 움직인 건 의식적인 IQ가 아니었어요. 그림을 그린 건 내면의 인식, 즉 선견지명적인 SQ였던 거죠.
아인슈타인의 방정식은 조의 스케치와 같아요. 말로 표현할 수 없는 진실에 눈을 뜨게 해 주는 SQ의 창조물인 거죠.
이런 관점에서 보면 수학은 언어보다는 예술 형태에 더 가까워요. 영화 제작, 연기, 작곡, 조각, 춤과 더 비슷하죠. 우리 종족이 말문이 막힐 정도로 초자연적인 진실과 현실을 인식하고, 처리하고, 전달할 수 있도록 해 주는 SQ의 힘이 담긴 재능인 거예요.
제가 어렸을 때부터 영웅으로 여겨왔던 레오나르도 다 빈치는 아름다운 그림과 아름다운 방정식으로 가득 찬 노트를 채우면서 자연과 초자연에 대해 이야기했어요. "수학자가 아닌 사람은 내 작품의 요소를 읽지 마시오" 라고 경고했죠.
저에게 레오나르도는 전형적인 고SQ-고IQ 과학자를 대표해요. 3D 안경을 쓴 채로 이상한 나라를 이상하고 멋진 모습으로 바라봤던 사람이죠. 레오나르도의 삶에 대한 이탈리아 미니시리즈에서 그는 자신의 입체적인 관점을 이렇게 설명했다고 해요. "지성이 자연을 꿰뚫어 볼 수 없고, 언어가 그 경이로움을 설명할 수 없기 때문에 인간의 생각은 신성한 것에 대한 묵상으로 이끌린다."
현대 물리학의 발견은 분명히 매혹적이지만, 너무 터무니없기도 해요. 그래서 이런 의문이 들 수도 있겠죠. 누가 신경 쓰겠어?
페니의 질량이 고정되어 있는지 탄력적인지, 우주가 3차원인지 4차원인지(아니면 20차원 이상인지), 중력이 보이지 않는 힘인지 우주의 포트홀의 결과인지가 여러분에게 무슨 상관이 있을까요? 이런 정보는 체중 감량, 직장 상사 대처, 질병, 노화, 죽음과 같은 현실에 대처하는 데 아무런 도움이 되지 않을 텐데요.
그럴 수도 있겠죠. 하지만 중요한 문제예요.
몇 년 전, 배우 겸 코미디언 짐 캐리가 출연한 '트루먼 쇼'라는 영화가 있었어요. 서른 살이 넘은 트루먼이라는 남자의 삶 전체가 리얼리티 TV 쇼로 생중계되고 있다는 사실을 트루먼만 모르고 있었죠. 그의 일상 세계는 완전히 정상적으로 보이지만, 어느 날 그는 몇 가지 이상한 점을 발견하게 되고 충격적인 사실을 알게 돼요. 그의 일상 세계 전체가 사실은 세트장이고, 그를 둘러싼 모든 것은 평범함이라는 작은 거품이었고, 그 바깥은 상상할 수조차 없는 것과 사람들로 가득한 놀라운 이상한 나라였던 거죠.
여러분은 트루먼이에요.
여러분의 일상 세계는