(과학) 미래는 결정되어 있는 것인가? 아니면 개척 가능한가?

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미래는 결정되어 있는가?

누구나 한 번쯤 품어봤을 의문이다

이 주제에 대해 과학적으로 다뤄보고자 한다

우리는 앞에는 단 하나의 길만이 놓여있는가 아니면 여러 갈래의 길이 놓여있는가

설렘과 두려움을 안고 사고(思考) 여행을 떠나보자

"자, 그럼 게임을 시작하지"

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Ⅰ. 결정론

"우주가 탄생한 순간 주어진 초기 조건들에 의해 모든 사건은 사전적으로 결정되었다"

이러한 결정론을 이해하는 가장 간단한 방법은 바로 뉴턴 역학이다

머리 아픈 수학 따위는 집어치우자

뉴턴 역학의 원리를 가장 단순하게 이해하려면 당구를 떠올리면 된다

목적구를 포켓에 집어넣기 위한 순서는 다음과 같다

1. 손으로 큐를 쥐고 수구의 특정 부분에 특정 힘을 가한다

2. 수구는 특정 속도로 특정 방향으로 운동하여 목적구의 특정 부분에 닿는다

3. 목적구는 수구로부터 받은 힘의 크기와 방향에 따라 특정 각도로 튕겨나간다

4. 움직인 목적구가 포켓이 있는 방향으로 이동하여 포켓 안으로 떨어지거나 포켓을 비껴나간다

위의 사건을 역으로 생각해보면 득점에 성공할 지, 실패할 지는 1번의 사건이 일어난 순간에 이미 결정이 되어버린 것이다

사건의 무대를 확장하여 3차원의 공간과 중력이라는 요소를 도입한다 하더라도 미래의 사건은 과거의 사건에 의해 결정된다는 점에는 변함이 없다

천왕성이 발견된 직후 천문학자들은 천왕성의 공전 궤도를 뉴턴역학으로 계산했다

그리고 천왕성의 겉보기 위치가 공전궤도 계산 결과값과 약간 어긋난다는 사실을 발견했다

천문학자들은 이를 천왕성 바깥 궤도에 존재하는 어떤 천체의 중력에 의해 천왕성이 영향을 받기 때문에 나타나는 현상이라고 생각했다

뉴턴 역학을 적용하여 미지의 천체의 위치를 계산하고 그 결과값이 가리키는 장소에서 발견된 것이 바로 해왕성이다

뉴턴 역학의 결정론적 세계관은 당구공과 같은 우리 주변 물체의 움직임뿐만 아니라 우주의 천체 움직임에도 확장 적용되는 셈이다

기상 현상을 정확하게 예측하는 것이 힘든 이유는 미래가 비결정적이기 때문이 아니다

고려해야하는 기체 분자의 수가 극단적으로 많아 각각의 분자들의 위치나 속도 등을 모두 파악할 수 없기 때문이다

즉, 세상이 비결정적인 것처럼 보이는 본질적 원인은 인간의 능력 부족이다

양자론의 코펜하겐 해석에 반발하여 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다!"고 외쳤던 아인슈타인

상태의 공존이라는 개념을 비꼬기 위한 '슈뢰딩거의 고양이'라는 사고 실험을 제안했던 슈뢰딩거

(여기서 자세히 들여다보진 않겠지만) 이들은 모두 뒤에 나올 확률 해석과 파동 수축이라는 개념을 혐오한 결정론자들이었다

"결정론이 마음에 드는가?"

"그럼 살아남기 위한 자네의 노력은 아무런 의미가 없다네"

Ⅱ. 비결정론

거시적 세계(macro scale)와 미시적 세계(micro scale)의 이미지이다

(이 두 세계를 나누는 명백한 기준점은 없으나 대략 0.1nm 정도라고 생각하면 되겠다)

19세기 말 무렵, 전자나 원자핵 등 아주 작은 것의 운동은 뉴턴 역학으로 제대로 설명할 수 없다는 것이 알려졌다

미시 입자의 움직임은 양자론의 지배를 받는다

미시 입자의 위치와 운동량(질량 × 속도)은 항상 일정한 불확실성을 갖기 때문에 그 움직임을 예측할 수 없다

즉, 미래는 결정되어 있지 않다는 뜻이다

이를 이해하기 위해 필요한 두 가지 기본 원리를 간단히 언급하겠다

전자나 빛과 같은 미시 세계 입자들은 입자와 파동의 양면성을 가진다

(자세한 내용을 알고싶다면 '전자의 이중 슬릿(slit) 통과 실험'을 찾아보길 바란다)

입자의 성질은 위치, 속도와 같은 요소의 수치를 확실하게 파악할 수 있는 거시 세계에서의 당구공으로 이해하면 된다

파동의 성질은 일정한 범위의 영역 상에서 그 대상이 일정한 존재 확률을 가진다라는 다소 이해하기 어려운 개념이다

마치 베츙이들과 같은 존재들이다

찾아볼 시도(입자를 관측)을 하지 않으면 어디에나 있고 어디에도 없는 베츙이들이지만

찾아볼 시도(입자를 관측)를 하게 되면 광화문에서 10마리가 출몰하고, 강원랜드에서 5마리가 목을 매고, 신안 앞바다에서 2마리가 변사체로 발견되는

그런 식이라고 보면 된다

요약하면 입자의 현재(현재 위치와 움직임)를 특정할 수 없기 때문에 그 입자의 미래(관측되는 위치와 움직임) 또한 특정할 수 없다는 것이다

이해가 안되면 그냥 넘어가자

인생이란 원래 그런 것이다

상태의 공존이라고 불리는 이 원리 역시 상식적으로 이해하기 분위기만 파악하고 넘어가자

상자에 야구공을 넣고 흔든 뒤 중간의 칸막이를 끼워 칸을 나눈다면 야구공은 왼쪽 혹은 오른쪽 둘 중 하나의 칸에 있을 것이다

상자의 윗 뚜껑을 열어본 결과 역시 마찬가지이다

그러나 양자론에 따르면 전자는 좌우 양쪽에 동시에 존재하고 있다

'하나의 물체는 같은 시각에 여러 곳에 존재할 수 없다'라는 것이 우리가 사는 거시 세계의 상식이다

그러나 미시 세계에서는 이 생각이 통용되지 않는다

어느 상태가 관측될지를 '확률적'으로 예측할 수는 있지만 '확실한' 예측은 불가능하다

이후 뚜껑을 열고 관측 행위를 하면 전자가 어느 쪽에 있는지 확정된다

즉, 관측 행위 자체가 전자의 공존 상태를 깨버리는 영향을 미친다는 것이다

상식을 버려야만 이해할 수 있다

몰라 시발 넘어가자

지금까지 '관측하지 않은 단계에서는 미시 입자가 어디에 있는지 정해져 있지 않다'라는 점을 이야기 했다

그런데 관측이란 과연 무엇인가?

관측, 즉 물체를 본다라는 것은 물체에 빛이 닿아 그 표면에 반사된 빛을 눈으로 포착한다는 것이다

그러므로 물체를 보기 위해서는 물체에 빛을 닿게 해야만 한다

그런데 빛에는 물체를 미는 힘이 있다

하지만 그 힘은 아주 작아서 야구공에 빛이 닿았다고 해도 날아가는 공의 움직임에는 거의 변화가 없다

반면 미시 입자는 작기 때문에 관측을 위해 빛을 닿게 하면 튕겨 나간다

결국 관측 행위가 미시 입자의 움직임에 큰 영향을 주는 것이다

이와 같은 생각을 바탕으로 하이젠베르크는

'미시 입자의 위치와 움직임(운동량)을 동시에 정확하게 구할 수는 없고, 어느 정도의 불확실성이 반드시 남는다'는 불확정성 원리를 발표했다

(조금 자세한 이해를 원한다면 '상보성의 원리'를 찾아보길 바란다)

관측 전에도 확률로만 가늠할 수 있는 미시 입자의 존재

관측 자체가 미시 입자에 미치는 영향 그리고 그에 따른 불확정성

결국 미시 세계에서 미래는 결코 정해져 있지 않다고 생각할 수 밖에 없다

그렇다면 그것을 근간으로 하는 거시 세계의 미래는 과연 정해져 있다고 할 수 있는가?

(관심있는 게이들은 '코펜하겐 해석', '슈뢰딩거의 고양이', '다중 세계 해석' 등의 내용을 찾아 지적 욕구를 충족하도록)

"여기까지 오니 다소 안도하는 것 같군"

"허나, 자네만 미래를 선택할 수 있는 것이 아니라네"

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"다음 시간까지 살아있다면 또 만나게 될 걸세"

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