퀀텀 유니버스(Quantum Universe) - 마커스 초운

현대과학의 열쇠, 퀀텀 유니버스 - 마커스 초운 지음, 정병선 옮김/마티

"...우리가 아주 작은 것을 다루는 이론과 아주 큰 것을 다루는 이론을 융합하는 데 성공하면 이들 질문에 답할 수 있을 것이다. 그런 다음에는 한 발 더 나아가 궁극의 질문과 대면하게 될 것이다. 어떻게 없음에서 있음이 창조되었을까?..."

다음 중 사실에 해당하는 것은 무엇일까?

1. 우리가 쉬는 모든 들숨에 마릴린 먼로가 내쉰 날숨의 원자가 들어 있다.
2. 액체가 위로 흐를 수도 있다.
3. 건물 꼭대기에서는 아래층에서보다 나이를 더 빨리 먹는다.
4. 원자는 여러다른 장소에 동시에 존재할 수 있다.
5. 인류 전체를 각설탕 크기의 공간 안에 집어넣을 수 있다.
6. 채널이 동조된 TV 수상기 잡음의 1%는 빅뱅의 자취이다.
7. 물리 법칙은 시간 여행을 금하지 않는다.
8. 한 잔의 커피는 차가울 때보다 뜨거울 때 무게가 더 무겁다.
9. 빨리 여행할수록 더 홀쭉해진다.

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과학이 소설보다 훨씬 더 기묘하고, 우주가 인류가 발명해낸 그 어떤 것보다도 훨씬 더 경이롭다는 사실에 항상 놀란다는 저자가 지난 100년 동안 우리 세계에서 달성된 두 가지 기념비적 업적인 원자와 그 구성물에 관한 이해를 도출한 `양자이론`과 시공간에 중력까지 결합시킨 아인슈타인의 `일반상대성 이론`을 자신의 방식으로 요약해서 비교적 쉽게 풀어 설명하고 있다. 그리고, 두께도 얇아서 어떻게 보면 간추린 물리학을 읽고 있다는 느낌도 든다.

이렇게 한 번 요점이 정리된 절차를 거쳐 나오는 설명은 읽는 이들의 이해를 도울 수 있다는 점에서 동일한 내용에 대해 다른 사람의 관점을 통해 보는 것은 좀  색다르면서도 재미있다. 내용은 크게 두 부분으로 이루어져 있는데 전반부에는 미시 세계를 서술한 `양자이론`이 먼저 나오고, `상대성이론`이 후반부를 이루고 있다. 이 두 분야 모두 결국엔 우주와 뗄레야 뗄 수 없는 깊은 연관을 가지지만 아직은 이 둘을 한데 묶어 통합할 수 없기에  설명이 따로 나뉘어져 있다.

(1) 작은 것들

우선 양자역학을 설명한 부분에서 가장 흥미로웠던 점은 `양자컴퓨터`다. 지금 사용되고 있는 일반 컴퓨터에서 통용되는 0과 1의 비트 개념은 둘 중 하나만 취하는 것이지만 양자컴퓨터에서는 `큐비트(qubit)`라고 해서 0과 1이 동시에 존재할 수 있는데 이는 동시에 두 가지 속성이 있고, 여러가지 일을 한꺼번에 할 수 있는 원자의 불가사의한 능력을 이용하는 것이다.

아직은 현실적으로 연구가 단 몇 개의 큐비트만 조작이 가능한 기초 걸음마 단계에 머물러 있지만 그럼에도 불구하고 동시에 수십 억, 수 조, 수천 조의 계산을 할 수 있는 양자컴퓨터는 물리법칙에 위배되지 않으므로 30~40년 후 양자컴퓨터가 탄생하리라는 낙관을 해볼 수 있다. 그렇게 양자컴퓨터가 완성되기만 하면 그 성능의 위력은 엄청나 현재 수퍼 컴퓨터를 아주 우습게 뛰어넘을 것이고 100자리 단위의 소수로 이루어진 해독 불가능한 암호체계도 간단히 풀어버릴 것이라 한다.

그런데 이 양자컴퓨터를 연구한다는 것은 또한 `공간이동`과 `다중우주`의 개념과도 밀접한 관련이 있어 결국 양자역학이라는 분야의 전체적인 연구 발전이 있어야 가시적인 성과를 낼 것으로 기대된다. 그 다음으로 주목을 끄는 내용은 기적의 해라 불리는 1905년 이후 10년이라는 세월을 통해 답을 얻어낸 가속도가 포함된 일반상대성 이론으로 밝혀진 우리 우주의 현재 상태와 앞으로의 예측이다.

(2) 큰 것들

'한 사람이 서로에 대해 가속운동을 하는 다른 사람을 볼때 무엇을 보게 될까?'에서 비롯된 이 이론은 아마도 한 명의 개인이 전체 과학계와 그 역사에 기여한 가장 커다란 공헌일 것이다. 그러한 물음의 과정에서 가속도가 곧 중력이며 이와 함께 에너지와 질량(중력원) 사이의 관계가 정립되었다. 중력은 가공의 힘이며 존재하지 않는다(?) 중력의 실체는 그냥 `휘어진 공간`이며 우리 지구뿐만 아니라 우주 전체가 휘어진 공간 위에 펼쳐져 있고 빛은 그 경로를 따라 진행할 뿐이다.

이러한 이론의 결론에서 아직은 검출되지 않고 있는 중력파가 존재하리라 예측되었고, 블랙홀의 존재까지도 예견되었다. 또한 웜홀을 비롯한 시간여행의 가능성까지 여지를 남기고 있기도 하다. 그러나 스티븐 호킹 박사는 우리가 모르는 어떠한 물리법칙이 시간 여행을 허용하지 않는다고 주장했고, 아인슈타인 박사 역시 시간 여행이 가능할 거라고 보지 않았다. 하지만 아인슈타인 박사는 자기 이론의 예측 내용과 관련해서 틀린 바가 두 번 있다. 그는 블랙홀의 존재와 빅뱅으로 지금의 우주가 생겨났다는 것도 믿지 않았다.

그는 뉴턴처럼 우주가 완전하고 정적이라는 믿음과 신념을 가지고 있었던 모양이다. 하지만 그의 이론이 도출한 결론에 따르면 휘어진 우리 우주가 운동을 한다는 것이고, 그는 유한한 우리 우주의 모든 곳에서 작용하는 중력으로 인해 우주가 종래에는 수축할 것이라는 생각에 이르러 이를 상쇄하기 위해 `우주 상수` 개념을 도입하여 중력을 중화시키고, 우주를 정적인 상태로 유지하고자 했으나 1929년 에드윈 허블이 발견한 은하들이 서로에게서 엄청난 속도로 멀어지고 있다는 발표를 듣고 이것을 철회하며 `인생 최대의 실수`라고 했다.

이 팽창속도가 너무 빨라 빛이 우리에게 도달하는 것보다 더 빨리 멀어지므로 밤하늘이 왜 어두운가 하는 올베르스의 역설에 대한 답을 얻을 수 있다. 그런데, 도대체 이렇게 팽창하는 원동력은 무엇일까? 진공의 기묘한 특성이라고 의심되지만 물리학자들도 이 점에 대해 아는게 없다. 그저 팽창이 빠른 속도로 일어났다는 것과 오늘날에는 속도가 좀 느려지긴 했어도 여전히 빠르게 팽창되기는 마찬가지다. 이 인플레이션 이론은 우리 우주와 관련해 이상한 내용을 예측한다.

지금이야 팽창하고는 있지만 우주에 있는 모든 물질이 여기에 제동 역할을 하는데 그러면 앞으로 결국에 가서는 우주가 수축, 붕괴하는 `빅 크런치(Big Crunch)`가 될지, 아니면 무조건 팽창을 계속해서 0K에 도달하는 `빅 프리즈(Big Freeze)`가 되는 두 가지가 그것이다. 현재는 우주가 계속 팽창하는 중이지만 시종일관 감속 중이다.

여기서 최근 발견되어 과학계에 충격을 준 발견으로 우주엔 중력뿐 아니라 척력으로 작용하는 힘이 존재한다는 것이 밝혀졌다. 이것이 팽창의 원동력이라면 우주 공간에 1/3을 차지하고 있는 가시물질과 암흑 물질(Dark Matter) 외에 `암흑 에너지(Dark Energy)`라 명명되는 기묘한 물질이 있다는 것이고 , 이 물질의 정체를 아는 사람은 없다. 이것은 어쩌면 `인생 최대의 실수`라고 했던 아인슈타인 박사가 철회한 우주상수의 개념이 다시금 관심을 받게 되는 바 이 어둠 에너지는 우주 공간의 임계 질량중 나머지 2/3를 차지하고 있는 것으로 알려졌다.

(3) 혓바닥들

이전부터 생각했었지만 아인슈타인 박사.. 혀가 좀 길다.

구글 신은 모든 것을 알고 있다, 카이스트(KAIST) 명강 01

세계 첫 2비트 양자 컴퓨터 실리콘 칩으로 실현