광활한 우주부터 작디작은 원자까지
물리학의 언어로 세상을 해석하다!

이 책 《고양이와 물리학(From Micro To Macro)》은 저자인 블라트코 베르럴(Vlatko Vedral) 교수가 옥스퍼드의 하트퍼드 칼리지에서 열린 만찬에 참석하면서 시작된다. 화학자를 비롯해 생물학자, 경제학자, 사회학자까지 각 분야의 석학들이 모두 모인 자리에서 양자물리학자인 그는 다음과 같은 질문을 받았다. “당신은 우리에게 주어진 가장 큰 도전이 뭐라고 생각합니까?” 그는 이렇게 답한다. “마이크로와 매크로 사이에 다리를 놓는 것이죠. 외람되지만, 그 작업은 물리학만이 할 수 있다고 생각합니다.”

이 책은 미시 세계의 양자 현상과 거시 세계에서 다루는 복잡계 사이에 다리를 만들어 온 물리학자의 여정을 담은 것으로, 자연과학뿐만 아니라 사회과학에서 설명하지 못한 사회 현상과 난제를 해결한 물리학 이론과 실험을 총망라한다. 옥스퍼드대학교 물리학과 교수인 저자는 미시적인 양자 세계와 거시적인 고전 세계 사이의 논쟁거리를 모두 해소한 가상 현실을 ‘대환원(Great Reduction) 시대’라고 명명하며, 양자역학의 포문을 연 슈뢰딩거의 고양이 실험부터 뉴턴역학, 상대성이론, 열역학에 이르기까지 인류의 지평을 넓힌 과학 이론을 상세히 설명한다. 더불어 범용 컴퓨터의 홀팅 문제, 진화의 불가역성과 열역학의 상관관계, 정보 이론에 따른 양자역학의 패러다임, 인간의 거시적 행동과 물리학에서 발현한 진화생물학의 연결고리 등을 일상 속 사례를 통해 소개하며 물리학의 영향력이 자연과학뿐 아니라 사회과학의 영역까지 훌쩍 뛰어넘는다는 것을 증명한다.

수많은 과학서 중에서도 이 책이 특별한 이유는, 방대하고 심도 있는 고급 과학 지식을 다루면서도 이 분야에 관심 있는 사람이라면 누구나 쉽게 읽을 수 있도록 집필되었다는 점이다. 과알못은 물론이거니와 과학 덕후라고 해도 물리학 전반의 흐름을 완벽히 이해하기란 결코 쉽지 않다. 그러나 블라트코 베드럴은 양자역학의 권위자라는 명성에 걸맞게 이론물리학부터 생활 속 물리학에 이르는 복잡한 공식을 대중들도 이해할 수 있도록 쉽고 재미있게 풀었다. 브라운 운동, 엔트로피 공식, 불확정성 원리 등 이름은 들어봤어도 도통 알 수 없었던 물리학의 수많은 이론을 이제는 정복하고 싶다면, 이 책을 펼쳐보자.


과학의 시대를 살아가는 우리를 위한
독보적이고 매혹적인 책!- 데이비드 도이치
양자물리학자가 세계 곳곳을 여행하며 포착한 물리학의 세계

한 사람이 딜레마에 빠져 있다. 그는 조만간 결혼을 해야 한다. 그리고 그에게는 일곱 번의 맞선 기회가 있다. 다만 여기에는 다음 조건이 따른다. 일단 상대에게 거절 의사를 내비치고 나면 선택을 번복할 수 없다. 이 사람이 최고의 선택을 하려면 맞선을 몇 번 봐야 할까?

‘물리학 입문서’라는 타이틀에 손색없는 이 책은 다소 엉뚱한 사례로 이야기가 시작된다. 과연 물리학과 맞선에는 어떤 상관관계가 있는 걸까? 바로 ‘오일러의 수’다. 최적의 맞선 횟수를 결정하는 데 양자역학의 토대가 된 오일러의 수(2.71)가 활용되기 때문이다. 맞선 총횟수인 ‘7’을 오일러의 수로 나눈 값(반올림해서 ‘3’)을 기준으로 그 이후에 만난 상대 중 가장 마음에 드는 첫 번째 이성에게 마음 놓고 청혼하면 된다. 이처럼 저자는 알게 모르게 일상 속에서 활용되고 있는 물리학 이론을 흥미로운 사례로 가르쳐준다.

총 일곱 개의 장으로 구성된 이 책에서 저자는 옥스퍼드, 베이징, 싱가포르, 두바이, 벨기에 등을 다니며 곳곳에 있는 동료 학자들과 화학, 생물학, 자연과학, 경제학, 사회생물학 그리고 통합 결론에 이르기까지 각 분야가 물리학과 어떻게 연결되어 있는지 상세히 다루며, 물리학자의 관점에서 우리의 일상과 사회 및 자연 현상을 조명한다. 가령 노벨 경제학 수상자 대니얼 카너먼의 행동경제학 이론과 조지 애커로프의 레몬 시장 이론을 바탕으로 정보의 균형을 이루는 양자역학의 ‘신호 보내기(signalling)’ 이론을 소개하고, 정치학자 로버트 액설로드의 《협력의 진화》를 토대로 물리학에서 사용되는 수학의 게임 이론이 인간의 충돌과 협력을 어떻게 해석하는지 알려준다. 나아가 프린스턴대학교 수학과 교수 존 콘웨이가 ‘생명의 게임’이라고 부르는 생물 진화의 시스템에 범용 양자 컴퓨터를 적용해 복잡계의 미래를 예측한다.

흔히 과학이라고 하면 완전한 공식만 추구하여 현실과 동떨어진 일을 연구하는 학문이라고 생각한다. 하지만, 과학, 그중에서도 특히 물리학은 기존의 이론과 실험을 바탕으로 새로운 이론을 발전시키며 다른 분야에서는 해결하지 못한 문제를 풀어내곤 한다. 따라서 저자가 이 책을 통해 소개하는 ‘물리학이 세계를 해석하는 방식’은 학자들만이 아니라 이 세계를 살아가며 매일 해결해야 하는 난제와 싸우는 모든 사람에게 필수적이라 할 수 있다. 이것이야말로 우리가 이 책을 읽어야 하는 이유가 아닐까?

책 속에서

라플라스의 악마가 있다면 고전 세계에서 일어나는 모든 후속 사건의 정확한 경로를 알 수 있으므로 확률은 필요 없어진다. 라플라스에게 알려진 유일한 고전물리학의 법칙은 완전히 결정론적이기 때문이다. 그러나 양자물리학에서 확률은 세계가 어떻게 작동하는가에 대한 절대적인 불확정성에서 비롯한다. 양자 이론에서 물리계의 상태는 슈뢰딩거가 ‘정보의 카탈로그’라고 부른 것으로 설명된다.
---「1장 물리학 | 69p」중에서

전자는 양전하를 띠고 있는 핵에 전기적으로 더 가깝게 끌리고 결국 핵 속으로 추락하고 말 것이다. 따라서 고전 세계에서는 어떤 전자도, 어떤 분자도 존재할 수 없다. 양자적으로 원자들은 양자물리학의 주춧돌 격인 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 (고전 세계에서의) 붕괴로부터 ‘구출된다’. 불확정성 원리는 어떤 물체의 위치와 속도도 100퍼센트 정확히는 알 수 없다고 설명한다.
---「2장 화학 | 88p」중에서

물리 법칙이 인간이 진화한 다음에야 기능하기 시작했다는 주장에는 어폐가 있다. 우리는 우주가 인간이 존재하기 전부터, 심지어 40억 년 전 생물이 만들어지기 전부터 동일한 물리학적 명령을 수행해 왔다는 사실을 안다. 또한 인간과 모든 생명이 멸종하더라도 물리 법칙은 여전히 유효하고 우주는 거기에 순응할 것이다.
---「3장 생물학 | 158p」중에서

양자물리학이 생명계에 부여하는 효율성의 이점 덕분에 생물체는 동시에 여러 과제를 수행할 수 있다. 이는 컴퓨터 과학자들이 병렬 정보 처리라고 부르는 것이다. 그러나 양자물리학의 레퍼토리 전체가 식물과 새처럼 거시적이고 따뜻하고 습하고 시끄러운 환경에서 살아남을 거라고 기대하는 사람은 없다.
---「4장 자연과학 | 210p」중에서

경제학에 대한 이해가 자연과학처럼 과학 원리에 의해 뒷받침되지 않는다면, 둘 사이의 간극은 영원히 열려 있을 것이다. 다행히 개인 간 거래를 연구하는 미시경제학자들은 물리학자처럼 접근한다. 이들은 경제학을 ‘사회과학의 물리학’이라고 즐겨 부른다. 게다가 물리학에서 볼츠만의 마이크로-매크로 접근법을 취해 경제학에서 마이크로-매크로 전이 과정에 적용하는 분야가 있다.
---「5장 경제학 | 253p」중에서

사회생물학은 ‘모든 사회 행동의 밑바탕에 있는 생물학적 기초를 체계적으로 연구’하는 학문이다. 사회적 행동을 생물학적 행동이라는 용어로 이해할 수 있다고 주장하므로 논란의 여지가 있다.
---「6장 사회생물학 | 285p」중에서

만약 뇌에서 활동하는 물질이 양자라면 우리의 생각, 활동, 대규모 행동 등은 어떨까? 예를 들어 인간의 사고가 빛의 양자인 광자처럼 ‘생각자’라고 부를 만한 불연속적인 덩어리로 찾아온다면, 사회과학에서 양자물리학으로의 도약이 결국 그렇게 대단한 게 아닐지도 모른다.
---「결론 사회과학과 자연과학 | 323p」중에서

프롤로그: 사물의 핵심

1장 물리학
2장 화학
3장 생물학
4장 자연과학
5장 경제학
6장 사회생물학

결론 사회과학-자연과학

에필로그: 세상, 육신 그리고 악마

감사의 말
참고문헌