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양자 다중세계 - 3단계 다중우주

다중우주
- 누벼 이은 다중우주 (Quilted Multiverse) : 무한히 큰 우주공간에 걸쳐 평행우주가 반복되고 있다.
- 인플레이션 다중우주 : 영원히 지속되는 우주적 인플레이션은 무수히 많은 거품우주를 낳는다
- 양자적 다중우주 : 양자역학의 확률파동에 존재하는 다양한 가능성들은 수많은 평행우주에서 모두 실현된다.
- 시뮬레이션 다중우주 : 기술이 발전하면 컴퓨터 시뮬레이션으로 실제로 똑같은 우주를 만들어낼 수 있다.
- 주기적 다중우주 : 브레인세계들이 충돌이 반복되면 공간이 아닌 시간을 따라 다중우주가 존재하게 된다.
- 경관 다중우주(Landscape) : 인플레이션 우주론과 끈이론을 결합하면 다양한 여분차원들이 다양한 거품우주를 양산한다.



[특징] 세계가 갈라져 독립된 다중우주가 된다.
3단계 다중우주에서는 양자역학의 기묘한 특성이 지금도 무한한 다중우주를 낳고 있다고 본다. 나(정확히는 나를 구성하는 입자들) 역시 매 순간 우주를 가르고 있다.


[아이디어] 양자역학 속 ‘해석’의 문제

양자역학에서 가장 기묘한 성질은 양자역학의 심장에 숨어 있다. 바로 양자역학을 수학적으로 기술한 ‘슈뢰딩거 방정식’이 때때로 작동하지 않는다는 사실이다. 슈뢰딩거 방정식은 시간에 따른 양자의 상태를 담고 있는 함수, 즉 양자의 ‘파동함수(어떤 계의 정보나 상태를 담고 있는 함수)’를 구하기 위한 방정식이다. 그런데 고전 물리학과 달리 슈뢰딩거 방정식의 해는 하나가 아니라 여러 가지 서로 다른 에너지 상태를 설명하는 파동함수로 나온다.
그래서 양자역학에서는 구한 해를 ‘해석’하는 일이 중요해졌다. 해석을 쉽게 이야기하면 “서로 다른 상태(위치나 에너지 등)의 양자가 동시에 존재하는가 또는 그 중 하나만 존재하는가” 등을 결정하는 일이다. 예를 들어 책상 위 볼펜의 위치를 나타내는 파동함수를 구했는데(슈뢰딩거 방정식을 풀었음), 볼펜의 위치가 책상 아래 30cm, 위 15cm, 5500km 상공, 이런 식으로 나왔다면 “볼펜이 세 군데에 동시에 존재하는가, 아니면 (어떤 이유 때문이든) 이 중 하나에 존재하는가”를 해석해야 한다.
고전 물리학에서는 볼펜 하나가 동시에 여러 곳에 존재하는 일은 불가능하다. 하지만 양자역학의 세계에서는 가능하다. 입자는 가능한 모든 곳에 동시에 위치할 수 있는 기묘한 성질이 있다(중첩). 좀더 정확히 설명하면 책상 위, 아래, 5500km 상공 등 세 곳에 볼펜(입자)이 있을 수 있고, 그 중 어디에 있는지는 관측하기 전에는 알 수 없다. 그래서 같은 볼펜이지만 관측 전에는 여러 곳에 동시에 위치한 것과 마찬가지다.
이런 기묘한 성질을 설명하기 위해 물리학자들이 여러 가지 해석을 제시했다. 가장 유명한 것이 바로 세 곳에 “확률적으로 존재한다”는 해석이다. 이에 따르면 파동함수는 입자가 어떤 상태를 지닌 확률을 나타내는 함수가 된다. 입자의 위치가 각각 ‘책상 아래, 위, 5500km 상공에 각각 90%, 9%, 1% 존재할 확률’이라는 식이다. 그러다 관측을 하면 확률함수가 작동하지 않고 한 곳에 100% 존재하는 것으로 바뀐다. 기이해 보이지만, 이 해석은 양자역학을 이용한 수많은 계산과 예측에 잘 맞는다. 이를 받아들인 해석이 닐스 보어(Niels Bohr, 1922~2009) 등이 확립한 ‘코펜하겐 해석’이며, 현재 양자역학 해석의 주류다.

[등장] 다세계 해석, 양자역학 접수하나
그런데 중요한 문제가 있다. 막상 관측을 통해 양자의 상태를 하나로 결정하는 과정은 슈뢰딩거 방정식에 없는 내용이다. 즉, 방정식을 방정식에 없는 방법으로 푸는 셈이다. 코펜하겐 해석에서는 이를 파동함수가 ‘붕괴한다’고 표현하는데, 수학적으로 엄밀하지 못한 편의주의적 발상이라는 비판이 있다. 여기에서 세 번째 단계의 다중우주가 태어날 가능성이 나온다. 미국의 양자물리학자 휴 에버렛 3세(Huhg Everett III, 1930~1982)는 코펜하겐 해석에 반대해 ‘다세계 해석’을 내놨다. 이 해석에 따르면, 관측을 해도 파동함수는 붕괴하지 않는다. 책상 아래, 위, 5500km 상공 모두에 볼펜이 존재한다. 다만 세 곳에 각각 볼펜이 있는 세계가 ‘갈라질’ 뿐이다. 그리고 갈라진 세계 하나하나가 다중우주다.
이 해석에 따르면 우리(정확히는 우리를 구성하는 입자들)가 행하는 모든 판단과 행동도 다 우주를 갈라놓는다. 일상에서도 무수히 많은 우주를 만들고 있다는 점이 다른 거대 다중우주 이론과 다른 점이다.


[비판과 한계] 다세계 해석, ‘해석’을 증명할 방법이 있는가

양자역학이 일으키는 기묘한 현상 자체는 이미 숱한 실험과 예측으로 거의 완벽하게 증명돼 있다. 하지만 그것이 코펜하겐 해석의 설명대로인지, 다중세계 해석대로인지를 알 방법은 현재로서는 없다. 특히 수많은 입자로 구성된 현실 우주가 정말 갈라질지 알 방법은 더더욱 요원하다. 데이비드 앨버트(David Albert) 미국 컬럼비아대 철학과 교수(물리철학)는 2007년 <네이처>와의 인터뷰에서 “(어느 해석이 맞는지 확인하기 위해) 중첩 현상을 실험하고 있지만, 1000개 입자를 실험한 정도에 불과하다”며 “일부 학자들이 106개 입자를 지닌 바이러스를 대상으로 실험할 계획”이라고 말했다.

문제는 세계의 ‘갈라짐’이 아니라는 지적도 있다. 박병철 대진대 물리학과 교수는 “세계가 무수히 갈라진다는 사실은 쉽게 제안할 수 있고, 이해하기도 쉽다. 그런데 그렇게 갈라진 세계의 ‘나’와, 마찬가지로 무수히 갈라진 세계의 ‘너’가 같은 세계에서 만난 것은 어떻게 이해해야 하나”하고 반문했다. 문제는 세계가 갈라지는 현상이 아니라, 그 세계가 ‘나’와 너’에게 동일하다는 점이다. 이 점에 대해 확실한 설명이 다중세계 해석에는 없다.