[책] 현대과학의 빅아이디어

이틀 전에는 일반인, 고등학생들을 대상으로 한 [책] 한번 과학적으로 생각해 보겠습니다 를 읽었다. 어제 오늘은 상당히 난이도가 있는 책을 골라 보았다.

이 책은 지난번에 읽은 [책] 현대 수학의 빅 아이디어 의 과학 버전이다. 지난번 수학의 부제가 소수의 음모였고 소수가 주를 다루었는데 이 과학 버전은 물리, 그 중에도 양자중력에 초점을 맞췄다. 앨리스와 밥이 화염의 벽을 만나다는 이 부제는 Firewall 에 대한 이야기가 이 책의 주제가 될 것이란 것을 암시한다.

Firewall 이라는 것은 일종의 사고실험은 2012년도에 처음 등장한다. 블랙홀 주변의 event horizon 에서 블랙홀 중심으로 떨어지는 관찰자가 있었을 때를 가정한 사고실험으로 한 사람만 있으면 특별히 재미가 없으나(과연?), 떨어지는 사람과 (이를 Alice 라 하자) 관찰자(이를 bob 이라 하자) 가 있으면 상황이 매우 골치아파진다.

호킹은 입자-반입자 쌍을 생각하며 black-hole 의 radiation 을 생각해 낸 것처럼, 여기서는 블랙홀 안에 들어가는 사람과 관측하는 사람을 연결시켜 상황을 재미있게(?) 만든다. 그 이유는 블랙홀이라는 물체를 고전적인 물체 뿐만 아니라 양자적인 물체라고 다루기 때문이다.

고전적인 물체로써 블랙홀은 아인슈타인의 equivalence principle[우리말로 하면 등가원리] 을 따를 것이다. 양자역학적 물체로써 unitarity를 따를 것이다. [양자역학의 wave function 의 time evolution 이 Hamiltonian 과 관련된 unitarity operator 로 기술되고, 양자역학에서 가장 성공적인 계산 중 하나인 S-matrix[산란행렬]이 이런 unitarity 성질을 가진다. 수학적으로 unitaity 는 UU = UU = I, 로 간단히 정히할 수 있다. 여기서 * 는 adjoint 로 conjugate and transpose 를 의미한다.]

또한 블랙홀을 연구하던 사람들은 블랙홀이 만족하는 성질 중 하나로 normality 를 생각했다. [ normality 는 event horizon 내부에서는 물리학이 잘 성립하지 않지만, 아주 먼 곳에는 물리학이 잘 성립할 것이라는 조건이다. ]

그런데 이 Firewall 의 시나리오 중 몇몇은 이 3 중에 하나 혹은 하나 이상이 잘못된 것일수도 있다고 말해주고 있기에 관련 물리학자들이 흥분(?)하고 있는 것이다.

마치 호킹과 서스킨드의 Black hole information paradax 와 마찬가지로 이 firewall 은 한동안 많은 사람들의 시선을 잡았었고 여전히 많은 학자들이 논문을 쓰고 있는 주제이다. Firewall 때문에 호킹이 맞았을지도 모른다.[블랙홀은 정보를 손실한다.] 는 이론이 살아났다가 또 아니다며 서스킨드의 [블랙홀는 정보를 손실하지 않는다. - holography 를 이용하여 서스킨드와 't hooft 는 블랙홀이 입자의 정보를 블랙홀의 surface 에 저장한다고 주장했다.] 이론을 옹호하는 등, 왔다리 갔다리 여러 논문들과 강연들이 줄을 이었다. 이런 논란(?)을 좋아하는 학자들[특히 서스킨드]은 매우 활동적으로 논문과 강연을 했고 관련 내용 중 일부는 이 퀀트 잡지에 소개되었다.

Information loss paradox 도 그렇고 firewall 도 그렇고 결국 어떻게 보면 이 문제는 우리가 양자역학을 잘 이해하고 있지 못하기에 생긴 문제로 보인다. 양자역학은 정말 매력적인 학문이고 다 알고 있다고 생각하지만 실상은 그렇지 않다. 그렇기에 여전히 그 근본 정리, 공리에 의문을 가지고 공격하는 학자들이 있는게 아닐까 싶다. ['t hooft 가 그 중 한 명으로 꼽힌다.] 한동안은 사람들은 양자역학적 상황에서 다가오는 진공(vacuum) 에 신경을 썼었다면, 근래의 이슈들은 모두 entanglement(양자얽힘)과 관련이 있다. EPR 이니 기타 등등 이야기 할 것들이 너무나도 많은데 ... [일단 나도 이쪽을 잘 알지 못한다.]

나도 이쪽 전공도 아니고 전문가도 아니어서 ㅋㅋㅋ 양자 얽힘에 관한 이야기는 @hunhani 님의 포스팅 [암호화폐가 100% 망한다고? 양자 컴퓨터와 블록체인 보안 이야기] Chapter 2. 놀라운 자연의 마법, 양자 중첩/얽힘/순간이동 과 좀 더 전문적으로 알고 싶다면 고등과학원의 박권 교수님의 믿기 힘든 양자 Incredible Quantum [9]: 양자 얽힘 와 관련 시리즈를 추천한다.

다시 책 코멘트로 돌아가면 이 책은 이런 최신 물리학, 과학 이야기를 소개하는 상당히 과학 지식이 많은 사람들을 대상으로 한 과학책이다. [사실 중간에 생물학과 관련된 이야기나, 인공지능 이야기도 등장하긴 하나 많은 내용들은 이론물리학과 관련된 내용으로 구성되어 있다.] 논문 처럼 테크니컬한 내용을 다루고 있진 않지만, 그 과학 이론이 나오게 된 배경과 그것이 주는 의미 파급효과 등을 다룬다.

여러 과학 대중서들을 통해 최근 과학 이론에 자신이 있다는 사람들(?)이 도전해 볼만한(??ㅋㅋㅋㅋ) 책이 아닌가 싶다. 물론 지난번 [책] 현대 수학의 빅 아이디어 나 이 현대과학의 빅 아이디어 책의 최신 내용은 사실 각 학계의 주류 이론을 다룬 것이라 다른 시각도 있을 수 있다. 수학은 증명된 것들만 다루는 학문이지만 과학, 물리이론은 그렇지 못하기에 또 여기서 말하는 과학 이론[최신 물리이론]은 실험으로 검증할 수 없는 그런 것이기에 매우 다양한 시각이 존재한다.

이 퀀트의 잡지에서도 이와 관련된 챕터를 넣었긴 하지만, 어느정도 주류 분야의 손을 들어주는 느낌을 받았다. ㅋㅋㅋ