제멋대로 재미있게 풀어본 역사총합이론

우리는 우주의 현재 상태를 과거의 결과이자 미래의 원인으로 볼 수 있다. 지적 능력이 있는 존재가 어떤 순간에 자연을 움직이는 모든 힘을 알고, 우주를 이루는 모든 사물들의 위치를 알고, 또 만약 이 데이터를 분석할 수 있을 만큼 위대하다면, 하나의 방정식 안에 우주에서 가장 큰 물체부터 가장 작은 원자에 이르기까지 모든 것의 운동을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 지적 존재에게 불확실한 것은 아무 것도 없으며 미래란 마치 지나간 일들처럼 선명하게 보일 것이다.

 

                                                                           - 피에르 라플라스의 『천체역학』 중에서

 

 

과학적 상상력이 상상력의 고갈을 목표로 삼고 있다는 것은 역설이 아닐 수 없다. 이처럼 거친 말을 통해 말하려는 바는, 과학적 상상력이 극대화되면 새로운 사상은 씨가 마를 것이라는 점이다. 과학에서 거시적 관점은 탐욕적인 관점이며, 우주를 설명하는 값진 모델은 가장 빈곤한 가설에 지나지 않는다.

 

                                                                  - 제이콥 브로노프스키의 『인간의 정체성』 중에서

 

 

 

 

20세기 최고의 물리학자들인 리처드 파인만, 스티븐 호킹, 레너드 서스킨드(스티븐 호킹과 블랙홀에 대해 25년간 치열한 논쟁을 벌인 것으로 유명) 등의 주장처럼 우주를 이루는 물리학법칙은 크게 두 가지로 나뉜다. 그 하나는 뉴턴을 거쳐 아인슈타인에 의해 완성된 상대성이론으로 우주라는 거대한 공간에 적용되는 만류인력, 즉 우주에서 가장 약한 힘인 중력에 관한 법칙이다.

 

멀리 떨어진 행성 간에 서로 끌어당기는 힘인 중력은 전자기장의 작용에 대한 이론으로 현재의 우주(지구가 포함된 은하계를 뜻함)가 안정된 상태를 유지할 수 있는 원리를 밝힌 것으로 모든 물리학의 근간이다. 이중에서 다윈의 진화론과 함께 인류 역사상 최고의 과학 이론으로 꼽히는 상대성이론은 시간과 공간에 대한 고전물리학의 3차원적 공간(위-아래, 동-서, 남-북 등의 3가지 방향으로 이루어진 공간)에 과거와 현재, 미래로 이어지는 사건들의 누적인 시간이란 차원을 더해 우주를 4차원 시공간으로 재구성한 이론으로, 우주라는 시공간에 대한 기존의 이론들을 송두리째 뒤집어버렸다.

 

특히 빛이 태양처럼 강력한 인력을 갖고 있는 항성을 지나갈 때 휘어진다는 것을 예언했고 후대의 관측에 의해서 입증됨으로써 빛에 담겨 있는 현실의 시공간도 휘어질 수 있음을 증명했다. 그 휘어짐이 알파벳 U자의 형태처럼 극도로 가까워졌을 경우, 현재의 시공간에서 사건이 일어난 과거의 시공간으로 건너갈 수 있다는 기상천외한 논리(과거로의 여행, 즉 타임머신에 대한 환상이 여기서 비롯됐다)를 펼쳐 보이기도 했다.

 

하지만 영원불변할 것 같던 아인슈타인의 일반상대성이론도 서로 끌어당기는 행성들의 실제 움직임이 반드시 중력(만유인력)을 따르지 않고 진공상태에서도 양자요동하는 입자들과 행성들 사이에 중력이 작용하기 위해서는 0에 가까운 우주 상수라는 미세 조정들이 필요하다는 ‘끈 이론’에 밀려 물리학 왕좌의 자리를 상당 부분 내주기에 이르렀다.

 

그렇다 해도 지구를 포함한 모든 우주에서 공통으로 적용될 수 있는 물리 법칙을 밝혀냄으로써 현대물리학의 비약적 발전을 이끌어낸 그의 발칙하면서도 직관적인 상상력은 인류 역사의 최고 꼭짓점이라고 해도 결코 과장되지 않을 것이다. 또한 그는 특수상대성이론과 함께 발표한 ‘광양자론’과 ‘브라운 운동’에 대한 논문을 통해 ‘빛이란 파장, 진동수 등의 파동의 성질을 가지면서도 무엇인가 이상한 새로운 방식으로 불연속적인 단위들로 이루어진 알갱이 같은 성질도 가지고 있다고 제안’한데 이어, 그때까지 그 실체를 정확히 밝혀내지 못한 원자의 존재를 증명함으로써 물질을 이루는 최소 단위인 원자를 연구하는 양자 역학이란 현대물리학의 문을 활짝 열어젖혔다.

 

아이러니한 것은 아인슈타인이 ‘신은 주사위놀음을 하지 않는다’며 자신이 문을 연 양자 역학에 대해 끈질기게 거부했다는 것이다(완벽한 인간이란 없다!). 그는 우주가 아름다운 법칙에 의해 탄생했다고 믿었기에 존재의 모든 것을 불확실성과 일정한 확률적 분포로써 설명하는 양자역학을 끝내 인정하지 않으려 했던 것이다. 말년의 그는 양자역학을 더 이상 부인할 수 없어 만유인력과 상대성이론, 양자역학을 아루르는 대통일이론을 정립하기 위해 노력했지만 끝내 실패하고 생을 마감했다. 

 

우주라는 광활한 공간에 대한 관찰로 이루어지는 천문학과 그것을 수학적 공식으로 나타내는 천체물리학의 (불완전한) 발견과 (불완전한) 법칙들을 기반으로 극도로 미세한 공간인 원자 세계에 천착해 기본입자에 대한 새로운 발견과 이론을 계속해서 내놓고 있는 양자역학은 물질과 생명의 본질과 근원, 특성을 밝히는데 결정적 역할을 하고 있다. 일종의 창조과정에 대한 최첨단과학이다. 

 

특히 원자라는 공간에서 이루어지는 각종 입자들 간의 결합과 이탈, 재결합과 재이탈에 관한 순환적이면서도 무작위한 불확정성원리가 그 핵심 중의 핵심이라 할 수 있다. 플랑크가 밝혀낸 우주 상수들과 파울리가 밝혀낸 베타원리에 가장 많은 도움을 받은 하이젠베르크의 불확정성 원리는 물질을 이루는 최소 단위인 원자의 구조와 특성을 다뤄 현대물리학이 급속한 발전을 이루는데 결정적 공헌을 했다. 생명과 우주 탄생의 신비를 풀 수 있는 가장 유력한 이론인 불확정성 원리에 의하면, 물질의 최소 단위인 원자는 하나의 원자핵과 그것보다 약 10만 배 정도의 공간을 형성하며 끝없이 움직이는 하나 이상의 전자로 구성되어 있다.

 

우주의 4가지 힘 중에서 가장 강한 인력을 갖고 있는 원자핵은 그 주변을 쉬지 않고 돌고 있는 전자들을 끊임없이 끌어당긴다. 양성자 때문에 플러스 전하를 띠는 원자핵의 무지막지한 인력에 대항해 살아남으려면 마이너스 전하를 띠는 전자들이 원자핵에서 일정한 거리를 유지할 수 있는 대항적 힘, 즉 척력을 가져야만 한다.

 

헌데 우주에서 가장 강한 힘인 원자핵의 인력을 당해낼 수 있는 힘은 존재하지 않기에, 전자들은 빛의 속도로 움직일 때 발생하는 운동 에너지인 관성력(원자핵의 인력에 대항하는 척력)을 이용해 생명을 유지해야 한다. 보통 전자는 시간적으로는 1042분의 1초만 움직이면, 공간적으로는 1033분의 1센티미터만 움직이면 정점에 이르러 광자라는 에너지 덩어리를 방출(이는 전자가 3가지 종류의 자체 스핀을 가지고 있기 때문에 방출된다)하고 그 반발력에 의해 움직일 수 있다.

 

빛의 형태로 방출된 광자는 다른 전자와 만나 두 번째 신혼살림을 차린 후 또 다른 정점까지 이동한 후 다시 광자를 방출한다. 그렇게 전자들은 광자를 방출하거나 받아들임으로써 끝없이 움직일 수 있다. 전자들은 생존을 위해서 죽기 살기로, 그것도 잠시도 쉬지 않고 정점에서 방귀 같은 광자를 방출해 우주에서 가장 빠른 속도로 극도로 짧은 거리를 요동치며 움직여야만 목숨을 부지할 수 있다. 이게 무슨 얘기인지, 도대체 무슨 말을 하는 것인지 당신은 완전 헷갈려 할 수도 있겠지만 한 가지 분명한 것은 전자는 원자핵의 인력에 저항하려면 끊임없이 요동치며 돌아야 한다는 것이다(어, 상상만 해도 속이 울렁거린다!).

 

사실 원자라는 공간은 전파현미경으로 그 속을 들여다 볼 수 없을 정도로 협소하기 때문에, 그 안에서 빛의 속도로 움직이는 하나 이상의 전자들이 만들어낼 수 있는 공간적 궤도도 극히 짧고 제한적일 수밖에 없다. 따라서 전자들은 원자핵의 인력에 대항하면서도 동시에, 그들이 돌고 있는 궤도를 수시로 조정해 상호충돌이라는 동족상잔의 비극을 막아야만 한다.

 

마침 원자 안에는 양전하가 많은 곳과 음전하가 많은 곳이 있어, 전자는 그런 공간들에 잠복돼 있는 에너지를 활용해 궤도를 수시로 수정하며, 발레리나나 꽃사슴(노사연)의 노랫말처럼 돌고 돌고 또 돈다. 그래서 완전히 돌아버린다, 나처럼! 결국 전자들이 돌아버리지 않기 위해 선택할 수 있는 가장 효율적인 방법은 자기 양 옆에서 움직이는 전자들의 궤도를 수시로 계산해 그때그때의 상황에 따라 자신의 궤도를 미세 조정해 충돌을 피하는 것이다. 만일 계산이 조금이라도 빗나가면, 원자가 존재할 수 있는 공간을 만들어내는 전자들이 충돌해 궤도를 이탈하게 된다(실제로는 전자에 의해서 계산이 이루어지는 것이 아니라 그냥 저절로 이루어진다).

 

따라서 물리학자들도 그 계산의 원리만 대충 짐작할 뿐, 아직도 원리를 정확히 알아내지 못했다. 그래서 그들은 전자의 움직임을 그냥 전자가 취할 수 있는 가능한 모든 궤도의 분포, 즉 확률로써 나타낸다. 이를 테면 ‘뭐, 그까이 거 대충’ 이런 식으로 계산해도 전혀 문제가 되지 않을 정도로 그 움직임이 짧기 때문이다. 어쩌면 인간이 불완전한 사회적 동물인 이유도, 그래서 이를 보충해주는 타인과 사회와의 관계를 중시하는 이유도 여기에서 출발하는 것은 아닐까?

 

전자가 궤도를 이탈하면 신이 난 원자핵이 여러 개의 양성자와 중성자를 묶어 글루온의 작용에 의해 만들어낸 강력으로 비행청소년처럼 방황하는 전자들을 가차 없이 빨아들인다. 어떻게? 라고 물으신다면 국물을 들이키는 것처럼, 후루룩! 소리만 들으면 ‘국물이 끝내줘야’ 할 것 같은, 관성력(척력)이란 운동에너지를 잃어버린 전자들이 원자핵이란 끈적끈적한 수프를 향해 나선형을 그리며 떨어진다.

 

그 다음에는 어느 누구도 예상할 수 있듯이 플러스 전하를 띤 채 호시탐탐 전자(동양의 음양사상 중 음에 해당)가 떨어지기만 기다리고 있던 양성자(양에 해당)가 전자를 뒷방으로 끌고 가 강제로 몸을 섞은 후, 함께 복상사(소멸)하고 만다. 물론 둘은 절정에 달해 거대한 에너지를 방사함으로써 새로운 원자를 창출하기 위한 기본입자로 이루어진 ‘원자의 유전자 풀’을 넓혀간다(뭔가 야하다!). 

따라서 광활한 우주와 은하수, 태양계와 리처드 도킨스가 원래 이기적인 놈이라고 낱낱이 까발린 유전자는 물론, 나와 당신과 기타 등등의 모든 물질과 생명체가 만들어지기 위해서는 원자가 아무 탈 없이 제 역할을 다할 수 있는 환경이 유지되고 조성돼야만 한다. 즉 전자들이 외부의 충격이나 혹은 아주 드물지만 스스로 자연 붕괴해 사춘기적 탈선을 하게 되면, 그래서 미세 조정(아인슈타인은 이것을 너무나 부정확하게 측정해 평생 후회한 ‘우주 상수’라 했는데, 이런 수없이 많은 미세 조정에 의해 원자의 세계부터 광활한 우주가 창조됐다)된 전자들의 궤도가 흐트러지면, 쾅!쾅!쾅! 앞에서 설명한 일, 즉 빛의 속도로 이루어진 충돌이 발생한다.

 

그럴 경우 존재하는 모든 것들이 ‘말짱 도루묵’이 된다(헐!!). 물론 전자의 무작위적인 궤도가 그려내는 구름의 맨 바깥(최외곽)을 맴돌다가 어떤 정점에서 광자를 방출하며 다른 원자의 세계로 도망 가버리는 놈들도 있지만(그렇게 해서 그 유명한 주기율표가 탄생한다. 이곳이 물리학과 화학이 만나는 지점이다, 서로가 분리되는 지점이 아니라), 그것들은 치명적인 생존의 문제를 야기하지는 않는다.

 

중요한 것은 새로운 원자나 분자를 만들어내는 배신자 전자들이야 어떻든 간에, 원자의 구성 입자인 전자와 마찬가지로 그것들을 이루는 기본입자들도 원자의 구성입자 안에서 끊임없이 움직이며 가능한 모든 궤도를 돌아야 한다(현대물리학은 온통 도는 것뿐이다. 그래서 춤바람 나기 쉬운 학문이다).

 

따라서 기본입자들도 동시에 하나의 위치(궤도)와 속도(힘 또는 운동에너지)를 가질 수 없다. 전자 같은 입자가 분명한 형상으로 측정될 수 있는 하나의 위치, 즉 하나의 점에 머물러 있다면, 이는 멈춰서 있다는 뜻이 된다. 다시 말해서 점이든 찰나이든 간에 기본입자가 특정한 위치에 머물러 있다면 그 순간의 속도가 0이라는 의미가 된다. 이는 원자의 공간을 만들어내는 전자들이 원자핵의 인력에 대항해 생존을 유지할 수 있는 유일한 힘인 관성력(질량이 없는 광자의 역할)이 사라져 버린 상태를 의미한다.

 

당연히 앞에서 살핀 것처럼, 원자핵의 인력이 가만히 있지 않을 것이고 기본입자가 다시 빛의 속도로 돌지 않는 한, 나를 필두로 해서 모든 존재하는 것들이 절대적으로 피해야 하는 정말 돌아버리는 사태가 발생하고 만다. 전자가 그랬던 것처럼, 기본입자들도 궤도를 이탈해 서로 부딪쳐 거대한 에너지를 방출하며 쌍소멸 된다. 이번에도 역시 물질을 이루는 최소 단위인 원자조차 만들어내지 못하게 되는 것이다.

 

이와 같이 입자들이 충돌해 우주 전체가 미증유의 에너지가 소용돌이치는 무의 상태로 돌아가지 않으려면 원자를 이루는 기본입자가 특정 속도와 특정 위치를 동시에 가져서는 안 된다. 즉 끊임없이 움직여야 하는 기본입자들이 하나의 점에 동시에 존재하면 충돌을 피할 수 없기 때문에, 기본입자들은 언제나 하나의 점으로 측정될 수 없는 상태를 유지해야만 한다는 뜻이다(이 정도 되면 신도 우주를 탄생시키고 만물을 창조하는 기본적인 법칙만 만든 것이 아닌가 하는 의문이 든다).

 

바로 이런 특성 때문에 기본입자의 위치와 속도, 둘 다를 정확하게 측정할 수 없으며, 둘 중 하나를 정확하게 측정하면 할수록 나머지 하나는 그만큼 더 불확실해질 수밖에 없다. 그래서 물리학자들은 기본입자가 취할 수 있는 가능한 궤도들의 분포를 확률로 나타낼 수밖에 없다. 지금까지의 내 설명이 옳았다면 그리고 여러 분들이 부족한 나의 설명에 헷갈리지 않았다면, 하이젠베르크의 불확정성의 원리가 아인슈타인의 상대성이론과 협력해 우주를 창조했으며 지금도 계속해서 한다는 것을 알 수 있으리라(윽, 설명이 너무 어렵다고요? 제가 부족해서ㅠㅠ). 

이 두 가지 원리를 적절히 버무려내 양자 중력 또는 대통일 이론으로 통합해낼 수만 있다면, 빅뱅 이후에 진행된 우주 역사 중 양자효과가 일어나 원시 우주가 갖고 있던 것보다 더 많은 입자들이 만들어진 1043분의 1초 동안 지속된 대팽창의 시기를 포함한 우주 창조의 전 과정을 셜록 홈즈나 콜롬보 형사처럼 완벽하게 역추적할 수 있을 것이다. 어떤 슈퍼컴퓨터가 있어야 1043분의 1초 동안에 이루어진 인플레이션 기간을 재현해낼 수 있을까? 그때까지 신의 존재는 유효하다는 것만은 확실하다. 

 

아무튼 인플레이션 기간을 재현할 수 있으면 앞으로의 과정도 어느 정도 예상할 수 있으니, 그때까지 살아남은 인간들은 최소한 우주의 탄생원리에 대해서는 알고 죽게 될 것이다, 모든 물리학자들의 끈질긴 희망처럼. 모든 존재의 원리이자 생명 탄생의 창조 법칙인 불확정성 원리와 상대성이론에 근거해 진공상태(대부분의 우주가 진공상태다)에서도 진동한다는 양자요동 이론을 기반으로 해서, 아인슈타인 이래 최고의 물리학자 중 한 명인 리처드 파인만이 인류의 역사나 경로가 하나가 아닌 여러 개라는 역사총합이론을 정립하기에 이르를 수 있었다(드디어 이번 글의 황당한 주제로 접어들었다. 휴! 여기까지 묵묵하게 따라와 준 당신께 경의와 고마움을 표한다).

 

그의 이론에 따르면 원자를 구성하는, 그래서 물질의 시공간을 탄생시킨 기본입자가 불확정성의 원리에 따라 그들이 만들어낼 수 있는 궤도가 무한대이기 때문에, 그것들의 조합과정에서 탄생한 우주나 인류의 역사가 하나가 아닌 가능한 모든 역사와 경로(무한대가 나온다)를 가질 수 있다는 것이다. 즉 기본입자들로 이루어진 원자의 집합체인 인류가 만들어낸 사건들은 시간이 흘러감에 따라 여러 갈래로 나누어 질 수밖에 없기 때문에 인류의 역사나 경로를 나타낼 때는 사건의 갈래들의 총합으로 나타내야 한다는 희한한 주장이자 양자역학적 역사이론이다.

 

그에 따르면 빅뱅 이래 무수히 많은 우주가 탄생한 것처럼, 그 수많은 우주 중에서 인간이라는 지적 생명체가 살 수 있는 유일한 환경으로 진화한 지구에서 인간들이 만들어가는 역사나 사건의 경로도 무수히 많으며, 빛이나 전자, 입자의 운동처럼 무작위적이고, 그때그때의 상황에 따라 여러 갈래로 나뉘어 진행될 뿐이지, 어떤 절대적 설계자의 계획대로 진행되는 것이 아니라고 주장할 수 있게 된다.

 

따라서 역사총합이론에 따르면 창조론은 물론 칼 마르크스나 토인비처럼 역사가 일정한 발전단계를 밟는다는 주장은 아무 대책도 없는 새빨간 거짓말이거나, 아니면 양자역학에 대한 이해가 부족한, 그래서 미래에 대핸 예측이 빗나간 판단일 수도 있다. 하나의 호주머니 우주에 갇혀 있는 지적 생명체는 나머지 우주에 대해서는 전혀 알 수 없고, 적용되는 물리적 법칙도 달라 그곳에서 살 수도 없겠지만, 어쨌든 숱한 우연들이 겹쳐 인간과 생명체가 살 수 있는 환경으로 진화한 우리의 호주머니 우주에는 하나의 역사나 경로만 있는 것이 아니라 무수히 많은 역사나 경로가 존재하고 있다는 것은 확실하다.

 

바로 옆을 보라. 아니면 위라도 상관없다. 당신이 손을 뻗으면 만질 수 있는 그곳에 또 다른 내가 실존하는 세상이 존재할 수도 있다. 도무지 말 같지도 않고 곳곳에서 귀신이 튀어나올 것 같겠지만 그 유명한 평행이론도 이 중의 하나일 뿐이다. 또는 영화 <인터스텔라>에서 영상화한 것의 늙은도령 버전일 수도 있다. 마지막으로 이 글은 입자물리학에 중점을 두고 쓴 글이라 파장이나 끈이론을 주장하는 물리학자들과는 견해가 다를 수도 있음을 첨부한다, 그것도 마지막에 스을쩌억. 

 

                                                                                                사진 출처 : 구글이미지