‘수학에 연구할 게 남아 있나요?’ 항상 답하기가 난감하다. 학교에서 배우는 수학만으로도 차고 넘쳐서 어디에 쓸까 싶은데 거기에 뭘 더 하느냐는 뜻이겠지. 사람들이 같은 용어를 서로 다른 뜻으로 사용하면 대화할 수 없어지는 것처럼 수학은 상이해 보이는 몇 가지 속성을 가지고 있어서 누구와 대화하는가에 따라 엉뚱한 얘기를 하게 되곤 한다. 첫째 속성은 문화적이고 철학적인 측면이다. 기초 데이터로부터 논리적 과정을 거쳐 결론을 끄집어내는 사유의 방식을 말하는데, 고대 알렉산드리아의 수학자 유클리드가 명료하게 정리했다. 그보다 전에 플라톤 같은 철학자들은 이런 방식을 혼돈과 궤변에서 인간을 지켜 내는 도구로 보았다. 힐버트나 러셀 같은 수학자는 이런 측면을 수학의 논리성 또는 언어적 측면으로 보아서 과학과 구별했다.대부분 학생은 수학자도 과학자도 되지 않을 것이므로 보편 교육의 틀 안에서 수학 교과목에 집중해야 하는 측면이다. 독립적으로 생각하고 결론에 다다르는 능력, 즉 합리적 사유의 능력은 시민 교육의 핵심이니까. 둘째는 과학의 언어라는 측면이다. 같은 말을 두고도 다르게 해석해 생기는 소통의 혼선이 어디 한둘인가. 양자역학의 한 줄 수식을 보통의 언어로 설명하면 책 한 권이 필요할 수도 있고 그나마 해석의 오류 가능성이 존재한다. 하지만 물리량 사이의 관계를 단순한 수식으로 표현하면 명료한 소통의 언어가 된다. 게다가 수식으로 표현된 자연 현상은 코딩 과정을 통해 컴퓨터가 즉시 이해하게 할 수 있어서 초기조건 등과 함께 기계에 주고 풀게 하면 현상을 설명할 수도 있고 미래를 예측할 수도 있다. 현대 과학이 수학이라는 언어를 효과적으로 사용하면서 자연현상의 설명뿐 아니라 산업의 토대가 되는 이유라고 할 만하다. 과학기술 분야로 진출하려는 학생이라면 첫 번째 측면을 넘어서 이런 언어적 측면까지 습득해야 한다. 수식으로 표현된 물리현상이나 생명현상 법칙의 명료함을 이해할 뿐 아니라 실험으로 얻어 낸 방대한 데이터의 의미를 깨닫고 이를 수식으로 표현하는 능력도 중요하다. 셋째는 자체로서의 과학 측면이다. 수와 모양에 대해 인간이 아직도 모르는 비밀스러운 부분이 많아서 연구가 이루어지는 전문가의 영역이다. 보편 교육인 ‘교과목으로서의 수학’에서는 잘 다루지 않는다. 이런 이유로 일반인은 수학의 첫 번째 측면을, 과학자는 두 번째 측면까지 접하게 되지만, 세 번째 연구의 측면은 존재 자체를 잘 몰라서 ‘수학에 연구할 게 남아 있나요?’라는 질문을 하는 것으로 해석할 수 있다. 수학에서도 인간이 아는 것보다 모르는 게 여전히 많은데, 그중에서도 수학자들을 괴롭히며 오래 버텨 온 수학 난제들은 문제가 무엇인지를 일반인에게 설명하는 것조차 어려운 경우가 흔하다. 백 년의 난제였다가 그리고리 페렐만이 해결한 푸앵카레의 추론 같은 게 그런 예다. 4차원 공간 안에 있는 3차원 구의 경우 국지적인 기하적 성질로부터 글로벌한 기하적 성질을 유추해 낼 수 있느냐는 문제인데, 역시 수수께끼처럼 들릴 것을 인정할 수밖에 없다. 반면 5차 방정식의 일반해 문제처럼 문제 설명은 쉽게 할 수 있는데도 수천년 동안 난공불락의 미해결 난제로 남는 경우도 있다. 결국 갈루아와 아벨이 해결했다. 그전 인간 지식의 체계 안에는 이 문제의 해결을 위해 필요한 어떤 부분이 아예 빠져 있었던 걸까?

6일 치러진 2018학년도 대학수학능력시험(수능) 9월 모의평가가 지난 6월 모의평가와 지난해 수능 수준의 난이도로 다소 어렵게 출제된 것으로 분석됐다. 특히 수학 가형이 어렵게 출제됐다는 평이 주를 이뤘다. 수능 출제기관인 한국교육과정평가원이 출제하는 9월 모의평가는 올해 11월 치를 수능 출제 경향과 난이도를 파악할 수 있는 시험이다.입시업체들은 국어 영역에 대해 전반적으로 지난해 수능과 비슷했고, 다소 어렵게 출제된 올해 6월 모의평가에 비해 조금 쉬웠다고 분석했다. 이투스는 “양자역학과 고전 논리학을 융합한 과학+인문 지문이 고난도 문항으로 출제된 것이 눈에 띈다”고 했다. 종로학원하늘교육도 “복합지문 문제에서 변별력이 높게 출제됐다”며 “올해 수능 국어 영역도 어려웠던 지난해 수능 수준 정도로 난이도가 유지될 전망”이라고 내다봤다. 수학은 자연계열 학생들이 주로 치르는 가형이 6월 모의평가보다 다소 어려웠다는 평가가 많았다. 유웨이중앙교육은 가형이 지난해 수능보다 더 어려웠고, 나형은 비슷했다고 평가했다. 비상교육도 “가형은 6월 모의평가와 동일하게 미분법에서 고난도 문항이 출제됐다. 나형은 비슷하게 출제됐다”고 했다. 진학사는 “수학 가형 고난도 문항은 여러 개념을 복합적으로 사용한 문제가 출제돼 학생들이 어렵게 느꼈을 수 있다”며 “수학 가형은 자연계열 학생들의 수능 점수를 좌우하는 열쇠가 될 것”이라고 내다봤다. 올해부터 절대평가로 바뀌는 영어 영역에 대해서는 평가가 엇갈렸다. 종로학원하늘교육과 대성학원은 이번 모의평가 영어 영역이 6월 모의평가보다 어려웠던 것으로 분석했다. 진학사는 “전체적으로 최상위권 학생들에게는 ‘킬러 문제’라 할 문제가 없었다”면서 “다만 90점 근처, 즉 1등급 경계의 학생 상당수에게는 지문이 전반적으로 난도가 있고 보기에서 답을 찾기가 어려웠을 수 있다”고 분석했다. 종로학원하늘교육, 이투스, 메가스터디는 9월 모의평가 1등급 커트라인을 원점수 기준 국어 93점, 수학 가형 92점, 수학 나형 88점으로 예상했다. 김기중 기자 gjkim@seoul.co.kr

현대 사회에서 없어서는 안 될 것들을 꼽으라면 많은 사람들이 ‘컴퓨터’를 꼽는다. 1946년 2월 1만 8000여개의 진공관으로 만들어진 ‘애니악’을 시작으로 컴퓨터 기술은 눈부시게 발전해 ‘손안의 컴퓨터’라고 불리는 스마트폰으로까지 진화했다. 1950년대 이후 트랜지스터가 발명되고 반도체 집적회로 기술이 발전하면서 컴퓨터도 점점 소형화, 고성능화되고 있지만 현재 기술로는 소자를 원자 하나 이하로 구현하기는 불가능해 컴퓨터 성능도 한계에 이르렀다는 평가가 지배적이다. 그래서 나온 것이 양자컴퓨터(Quantum Computer) 개념이다.현재 컴퓨터는 0과 1이라는 2진법을 1비트로 정보를 저장하고 처리한다. 그렇지만 양자컴퓨터는 양자역학의 불확정성 원리에 따라 서로 다른 특징을 갖는 상태가 중첩되는, 즉 0과 1을 동시에 표시할 수 있는 ‘큐비트’로 정보를 처리한다. 서로 다른 정보를 동시에 표시할 수 있기 때문에 처리 속도는 물론 컴퓨터가 처리할 수 있는 정보량도 현재 사용하고 있는 컴퓨터와는 비교할 수 없을 정도가 된다. 실제로 양자컴퓨터가 상용화될 경우 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터로도 수천년이 걸릴 문제를 몇 분 만에 풀 수 있기 때문에 ‘꿈의 컴퓨터’로 불린다. 미국 구글이나 IBM 같은 기업과 연구소, 대학들이 개발에 박차를 가하고 있지만 상용화에는 이르지 못하고 있다. 또 양자의 불확정성이라는 특징을 이용한 양자통신은 복제나 도·감청을 원천 차단하는 기술로 주목받고 있다. 양자 상태에 정보를 기록해 송신자와 수신자가 정보를 주고받기 때문에 중간에 해커가 도청을 하는 순간 양자 상태 자체가 변한다. 이렇게 되면 수신자는 데이터에 대한 해킹 시도를 쉽게 파악할 수 있고 해킹 시도된 정보를 폐기해 버리면 되기 때문에 도청이 원칙적으로 불가능해진다. 이 같은 양자컴퓨터와 양자통신의 장점들 때문에 각국 정부는 관련 기술 개발에 관심을 갖고 다양한 정책들을 내놓고 있다. 양자 관련 기술개발에 가장 발 빠르게 움직이고 있는 곳은 중국이다. 2000년대 초 중국은 중장기 과학기술개발계획에 양자정보연구 계획을 포함시켜 국립자연과학연구소, 국방과학기술대, USTC 등에서 관련 연구를 진행 중이다. 그 덕분에 지난해 8월 중국 과학기술대(USTC) 연구팀은 세계 최초로 양자통신 인공위성인 ‘양자’호를 발사하고 지난달에는 칭하이 덩리하 기지와 1200㎞ 떨어진 윈난 기지 간 양자통신에도 성공했다. 미국 역시 2009년에 국가양자정보과학비전을 발표하고 지난해 7월에는 양자정보과학 발전계획을 발표해 산학연 연계 방식으로 양자정보통신 기술 개발에 나서고 있다. 유럽연합도 지난해 5월 양자정보통신 성명서를 발표하고 양자통신, 양자네트워크, 양자인터넷 등 단계별 중장기 연구개발 목표를 설정해 놓고 있다. 우리나라 역시 2014년 말 당시 미래창조과학부(현 과학기술정보통신부) 주관으로 양자정보통신 중장기 추진전략을 수립했지만 다른 나라에 비해 한발 늦은 후발주자 신세다. 앞서가는 선진국들을 따라잡기 위한 대책 마련을 위해 지난 18일 한국과학기술한림원이 ‘양자통신, 양자컴퓨터의 부상’이라는 주제로 원탁토론회를 열었다. 이 자리에서는 지난 2월 북한 김일성종합대 물리학과 김남철 교수팀이 광자를 이용한 양자정보처리 기술에 대한 논문을 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘사이언티픽 리포츠’와 물리학 분야 국제학술지 ‘플라즈모닉스’에 발표했다는 사실이 공개되기도 했다. 이들 연구는 북한 정부 차원의 국가 주요 연구과제로 진행되고 있는 것으로 밝혀졌다. 문성욱 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단장은 “양자컴퓨팅 연구는 광자, 이온, 초전도체, 반도체 등 다양한 방식으로 연구되고 있지만 상용화에 성공하는 기술은 어떤 것이 될지 아무도 예측할 수 없다”면서 “양자컴퓨팅이나 양자통신 기술이 상용화되면 엄청난 기술 도약의 계기가 될 것이기 때문에 다양한 형태의 기초연구를 동시에 지원하는 정책이 필요하다”고 강조했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

# 고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀 있다. 상자 안에는 고양이와 함께 방사성물질이 들어 있는 가이거 계수기, 계수기와 연결된 망치, 독가스가 들어 있는 유리병이 있다. 방사성물질의 원소 한 개가 한 시간 안에 붕괴할 확률은 50%다. 방사성 원소가 한 개라도 붕괴할 경우 망치는 떨어져 유리병을 깨뜨리게 되고 독가스가 방출되면서 고양이는 죽는다. 그렇다면 이제 한 시간 뒤 상자 속 고양이는 죽어 있을까, 살아 있을까. 정답은 ‘상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 섞여 있다’이다. 일반적인 사고로는 도저히 이해가 되지 않는 이 사고실험은 여전히 대학의 물리학과, 화학과 학생들을 ‘멘붕’에 빠뜨리고 있는 양자역학의 ‘슈뢰딩거 고양이’의 역설이다. 세계적인 물리학자인 스티븐 호킹마저도 ‘누군가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 한다면 난 조용히 총을 꺼낼 것’이라고 할 정도다.●안다는 것은 무엇?… 인식론 철학 선구 양자역학의 확률론적 해석에 대해 가장 잘 표현한 이 사고실험을 만들어 낸 사람이 바로 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)다. 오는 12일은 슈뢰딩거가 태어난 지 130년이 되는 날로 과학계에서는 그의 업적을 되돌아보는 활동이 활발하다. 20세기 물리학 업적의 양대 산맥은 상대성이론과 양자역학이다. 이 중 상대성이론은 아인슈타인이라는 천재 한 명이 만들어 낸 것이지만 양자역학은 여러 과학자의 다양한 업적이 모여 만들어진 것이다. 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론인 양자역학은 이론체계로 만들어지는 과정에서 ‘우리가 안다는 것은 무엇인가’라는 문제를 제기해 인식론이라는 철학적 발전을 이끌어 내기도 했다. 슈뢰딩거는 1926년 양자역학에서 가장 중요한 수학식인 ‘슈뢰딩거 방정식’(파동방정식)을 발표함으로써 양자역학의 체계를 완성했다는 평가를 받고 있다. 1933년 노벨상 위원회는 슈뢰딩거가 만든 파동방정식이 양자역학의 핵심적인 업적이라는 사실을 인정해 그를 노벨물리학상 수상자로 선정했다. 실제로 슈뢰딩거 방정식은 원자, 핵, 고체물리 분야에서 널리 사용되고 있다. 원자현미경의 작동 원리인 ‘터널링 현상’을 풀 때는 물론 원자력 발전이나 핵폭탄처럼 원자핵 붕괴로 에너지를 얻는 모든 분야에서는 슈뢰딩거 방정식을 빼고는 생각할 수 없다는 것이다. 이 때문에 “고전역학(뉴턴역학)에 운동방정식이 있다면 양자역학에는 슈뢰딩거 방정식이 있다”는 평가를 받고 있다. 물리학뿐만 아니라 생물학 분야에도 관심이 많았던 슈뢰딩거는 제2차 세계대전 중 독일 나치를 피해 아일랜드 더블린에서 거주하는 동안 ‘생명이란 무엇인가?’라는 책을 냈다. 생명체의 유전정보를 가지고 있는 복잡한 분자에 대한 그의 생각을 풀어낸 것으로 유전자(DNA) 발견과 분자생물학의 탄생에 기여했다고 알려져 있다. 실제로 DNA 분자구조를 밝혀내 노벨생리의학상을 받은 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 이 책 때문에 DNA 연구를 시작했다고 회고록에 밝히기도 했다.●스마트폰 등 우리 생활과 밀접한 관계 슈뢰딩거가 완성한 양자역학은 우리 삶과 어떤 관계가 있을까. 남순건 경희대 물리학과 교수는 “반도체가 없는 세상을 생각해 보면 양자역학이 실제로 우리 생활과 얼마나 밀접한 관계를 갖고 있는가를 알 수 있다”며 “양자역학이 없었다면 반도체, 컴퓨터는 물론 스마트폰이 존재할 수 없고 레이저, 엘리베이터 출입문 개폐장치, 최근 활발히 연구되는 양자컴퓨터는 그저 SF소설에서나 보게 됐을 것”이라고 설명했다. 양자역학은 20세기 초반 과학기술의 혁명으로 시작돼 물리학의 핵심 기둥이 됐지만 지금도 계속 진화하고 있다. 양자역학을 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘이 밝혀졌고 나노기술, 양자계산 등 새로운 방향으로 발전해 나가고 있다. 이론적으로도 양자역학과 특수 상대성이론을 결합한 양자장론(quantum field theory, QFT)은 물론 양자전기역학 등 새로운 이론이 계속 만들어지고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

#고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀 있다. 상자 안에는 고양이와 함께 방사성물질이 들어 있는 가이거 계수기, 계수기와 연결된 망치, 독가스가 들어 있는 유리병이 있다. 방사성물질의 원소 한 개가 한 시간 안에 붕괴할 확률은 50%다. 방사성 원소가 한 개라도 붕괴할 경우 망치는 떨어져 유리병을 깨뜨리게 되고 독가스가 방출되면서 고양이는 죽는다. 그렇다면 이제 한 시간 뒤 상자 속 고양이는 죽어 있을까, 살아 있을까. 정답은 ‘상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 섞여 있다’이다. 일반적인 사고로는 도저히 이해가 되지 않는 이 사고실험은 여전히 대학의 물리학과, 화학과 학생들을 ‘멘붕’에 빠뜨리고 있는 양자역학의 ‘슈뢰딩거 고양이’의 역설이다. 세계적인 물리학자인 스티븐 호킹마저도 ‘누군가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 한다면 난 조용히 총을 꺼낼 것’이라고 할 정도다.양자역학의 확률론적 해석에 대해 가장 잘 표현한 이 사고실험을 만들어 낸 사람이 바로 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)다. 오는 12일은 슈뢰딩거가 태어난 지 130년이 되는 날로 과학계에서는 그의 업적을 되돌아보는 활동이 활발하다. 20세기 물리학 업적의 양대 산맥은 상대성이론과 양자역학이다. 이 중 상대성이론은 아인슈타인이라는 천재 한 명이 만들어 낸 것이지만 양자역학은 여러 과학자의 다양한 업적이 모여 만들어진 것이다. 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론인 양자역학은 이론체계로 만들어지는 과정에서 ‘우리가 안다는 것은 무엇인가‘라는 문제를 제기해 인식론이라는 철학적 발전을 이끌어 내기도 했다. 슈뢰딩거는 1926년 양자역학에서 가장 중요한 수학식인 ‘슈뢰딩거 방정식’(파동방정식)을 발표함으로써 양자역학의 체계를 완성했다는 평가를 받고 있다. 1933년 노벨상 위원회는 슈뢰딩거가 만든 파동방정식이 양자역학의 핵심적인 업적이라는 사실을 인정해 그를 노벨물리학상 수상자로 선정했다.실제로 슈뢰딩거 방정식은 원자, 핵, 고체물리 분야에서 널리 사용되고 있다. 원자현미경의 작동 원리인 ‘터널링 현상’을 풀 때는 물론 원자력 발전이나 핵폭탄처럼 원자핵 붕괴로 에너지를 얻는 모든 분야에서는 슈뢰딩거 방정식을 빼고는 생각할 수 없다는 것이다. 이 때문에 “고전역학(뉴턴역학)에 운동방정식이 있다면 양자역학에는 슈뢰딩거 방정식이 있다”는 평가를 받고 있다. 물리학뿐만 아니라 생물학 분야에도 관심이 많았던 슈뢰딩거는 제2차 세계대전 중 독일 나치를 피해 아일랜드 더블린에서 거주하는 동안 ‘생명이란 무엇인가?’라는 책을 냈다. 생명체의 유전정보를 가지고 있는 복잡한 분자에 대한 그의 생각을 풀어낸 것으로 유전자(DNA) 발견과 분자생물학의 탄생에 기여했다고 알려져 있다. 실제로 DNA 분자구조를 밝혀내 노벨생리의학상을 받은 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 이 책 때문에 DNA 연구를 시작했다고 회고록에 밝히기도 했다. 슈뢰딩거가 완성한 양자역학은 우리 삶과 어떤 관계가 있을까. 남순건 경희대 물리학과 교수는 “반도체가 없는 세상을 생각해 보면 양자역학이 실제로 우리 생활과 얼마나 밀접한 관계를 갖고 있는가를 알 수 있다”며 “양자역학이 없었다면 반도체, 컴퓨터는 물론 스마트폰이 존재할 수 없고 레이저, 엘리베이터 출입문 개폐장치, 최근 활발히 연구되는 양자컴퓨터는 그저 SF소설에서나 보게 됐을 것”이라고 설명했다. 양자역학은 20세기 초반 과학기술의 혁명으로 시작돼 물리학의 핵심 기둥이 됐지만 지금도 계속 진화하고 있다. 양자역학을 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘이 밝혀졌고 나노기술, 양자계산 등 새로운 방향으로 발전해 나가고 있다. 이론적으로도 양자역학과 특수 상대성이론을 결합한 양자장론(quantum field theory, QFT)은 물론 양자전기역학 등 새로운 이론이 계속 만들어지고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

영국 더럼대학교 출신의 문학 교수 사이먼 존 제임스와 물리학 교수 리처드 바우어는 ‘타임 머신-과거, 미래, 우리들의 시간여행 이야기’라는 프로그램에 참여해 문학과 과학적인 측면에서 시간여행의 흥미로우면서도 다양한 성격과 의미, 과학적인 가능성에 관해 대담을 나누었다. 우주전문 매체 스페이스닷컴 16일자(현지시간)에 소개된 대담 내용의 일부를 발췌해 소개한다. 사이먼 존 제임스(이하 제임스): 리처드, ‘시간여행'(time travel) 이란 말은 물리학자들에게 어떤 뜻으로 쓰입니까 리처드 바우어(이하 바우어): 시간여행은 현대 물리학의 기본 개념입니다. 밤하늘을 올려다보는 것 자체가 바로 시간여행을 하는 셈입니다. 우리는 밤하늘에서 별과 행성들을 봅니다. 하지만 그것은 현재 그들의 모습이 아닙니다. 과거의 모습들인 것이지요. 행성들은 몇 분 전의 과거 모습이지만, 별의 경우에는 몇백 년, 몇천 년 전 과거의 모습을 보는 것입니다. 희미하게 보이는 은하들의 경우에는 수백만 년 전 또는 수십억 년 전의 과거를 보는 셈이지요. 최첨단 망원경으로 볼 수 있는 가장 희미한 은하는 우주의 전 역사를 거슬러 보는 것이라 해도 과언이 아닙니다. 하지만 이런 것을 시간 여행의 모든 것이라 생각할 수는 없지요. 우리는 다만 먼 과거의 시간을 거슬러서 보는 것에 지나지 않으니까요. 현대 물리학에서 화두가 되고 있는 것은 우리가 시간을 거슬러서 과거에 영향을 미칠 수 있느냐 하는 문제입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에서 보이는 가장 기본적인 개념의 하나는 시간과 공간이 서로 독립적이 아니라 얽혀 있는 4차원의 시공간 연속체 안에 사물이 존재한다는 것입니다. 비록 모든 관찰자가 두 사건을 연결하는 세계선(世界線·world line)의 길이에 동의한다 하더라도, 두 사건이 동시에 일어난 것인지 또는 같은 장소에서 다른 시간대에 일어난 것인지에 대해 다른 시각을 가질 수 있습니다. 일례로, 내가 점심을 먹기 위해 책상 앞에 앉아 있다가 조금 일을 하고 몇 시간 뒤 집에 가기 위해 일어난다고 치죠. 아주 빠르게 운동하는 관측자가 이것을 본다면 내가 점심을 먹고 이내 자리에서 일어서는 것으로 보였을 겁니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 시간과 공간은 하나로 얽혀 있는 시공간 연속체로서 따로 분리할 수가 없습니다. 따라서 우리는 언제나 4차원 세계선을 따라 움직이며 광속으로 미래를 향해 여행하고 있는 것이라 생각하는 게 적절합니다. 그렇다면 아인슈타인의 이론을 조금 비틀어서 과거로의 여행을 하는 것이 가능한 일일까? 원칙적으로는 불가능합니다. 하지만 절대로 불가능하다는 말은 할 수 없죠. 19세기의 과학은 사람은 결코 하늘을 날 수 없다고 말하지 않았습니가? 앞으로 어떤 영감과 기발한 아이디어가 나타날지는 모르는 일입니다. 제임스: 공상과학 소설들을 보면 기발한 아이디어와 많은 영감들을 발견할 수가 있습니다. 시간 여행에 관해 가장 유명한 소설은 H. G. 웰스의 <타임 머신>(1895)일 겁니다. 말 그대로 타임 머신을 타고 시간여행하는 것을 다룬 최초의 소설이죠. 그가 상상했던 것 중 현실세계에서 실현된 것도 있는데, 예컨대 동력 비행기구 같은 것은 나중에 실제로 발명되었죠. 이 같은 웰스의 혁신적인 아이디어는 현대에 와서 <백 투 더 퓨처>나 <닥터 후> 같은 시간여행 픽션으로 이어졌습니다. 그런데 시간여행을 다룬 다른 많은 소설들은 사건의 인과관계가 시간순을 따라 전개되지는 않는 것 같아요. 바우어: 문학적인 장치는 늘 상상으로 어떤 것이나 가능하지만, 문제는 실제로 시간여행이 가능한가 하는 것입니다. 아인슈타인의 이론에 따르면 시간은 늘어나거나 짧아질 수도 있습니다. 하지만 인과관계를 뒤집어엎을 수는 없죠. 예컨대 피살자가 눈을 감는 순간 자신의 삶이 불꽃처럼 눈앞을 지날 수가 있지만, 그 삶이 죽음 후에 올 수는 없는 것과 마찬가지죠. 그러나 일례로 <터미네이터>를 보면 미래의 인류 문명이 과거로의 시간여행을 해서 사이보그가 새러 코너를 죽이는 것을 막아내는 장면이 있어요. 이는 인과관계를 뒤틀어버리는 결과가 됩니다. 회전하는 블랙홀의 내부는 시간과 공간이 뒤섞여 인과관계가 무너질 수도 있다고 하는데, 나는 아직까지 미래에서 온 누구도 아직 만나본 적은 없습니다. 세계선(world line)이 고리처럼 휘어진다면 오랜 미래로부터 새로운 미래가 탄생할 수 있을지도 모릅니다. 그러면 동시에 평행우주가 존재하게 될 겁니다. 통상적인 시각에서 보면, 과거의 시간으로 거슬러올라간다는 것은 터무니없는 아이디어로 비칠 겁니다. 그러나 현대의 양자역학의 해석을 보면, 많은 갈래로 나누어진 평행우주가 공존하는 것을 제시하고 있어요. 이 수많은 미래들은 동시에 존재합니다. 우리는 그중 오로지 한 우주만을 인식할 뿐이란 거죠. 이러한 관점에서 보면 시간여행이 불가능하다고만은 할 수 없어요. 고리처럼 휘어진 세계선은 또 다른 가능성의 미래를 탄생시키기 때문이죠. 제임스: 학문적인 여러 분야에 대한 토론에서 시간여행이 하나의 메타포로서 다양한 기능을 하는 것이 내게는 무엇보다 매력적인 것으로 받아들여집니다. 역사와 고고학이 가장 명백한 사례일 겁니다. 그러나 최근의 한 프로젝트에서 나는 큰 영감을 얻었는데, 그것은 자적적인 기억을 다루는 심리학 분야의 작품에 관련된 것입니다. 서사는 이제 문학이나 여타 종류의 텍스트만의 전유물은 아닙니다. 인간의 자의식은 시간의 흐름 속에서 획득된 자신의 경험을 서술함으로써 형성된다는 것은 이미 지금까지 논의되어 왔던 부분이죠. 기억과 미래에 대한 계획은 일종의 ‘심리적인 시간여행’이죠. 이것이 우리의 정체성을 구성하는 것입이다. 찰스 디킨스의 ‘크리스마스 캐럴’을 문학적인 예로 들어보고 싶습니다. 스크루지는 과거의 자아에게로 시간여행을 합니다. 이를통해 보다 나은 미래의 자기 삶을 바꾸는 원동력을 얻습니다. 우리는 미래의 크리스마스에 여전히 경멸스럽고 하찮은 수전노인 스크루지와 소설의 끝부분에 나오는 사랑스럽고 행복한 스크루지를 같이 그려볼 수 있습니다. 이는 또 다른 의미에서 평행우주에 사는 두 명의 스크루지라 할 수 있지 않을까요. 바우어: 문학적인 아이디어를 과학의 세계에 접목시키다는 것은 분명 매력적인 일입니다. 평행하는 두 개의 미래는 언젠가 모두 동등한 실제임이 증명될 것으로 봅니다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

사주나 별자리 운세처럼 태어난 시각을 따져서 사람의 미래를 예측하는 방식은 동서양을 막론하고 그 역사가 길다. 정말 과거와 현재가 정해지면 미래는 그에 따라 정해지는 걸까. 고전물리학의 ‘결정론’ 관점에서는 움직이는 물체의 초기 조건과 그 위에 작용하는 힘을 알면 미래에 어디에서 어떤 속도로 움직이고 있을지 완벽히 알 수 있다. 그래서 20세기에 양자역학이 출현하면서 나온 불확정성의 개념은 아인슈타인 같은 대가조차도 혼란에 빠뜨렸다. ‘신은 주사위 놀음을 하지 않는다’는 유명한 말은 이 혼란을 표현한다. 혼돈이론(chaos theory)은 아주 달라서 고전적인 결정론과 대립하지 않는다. 시작의 미미한 차이가 결과의 작은 차이로 귀결된다는 오랜 통념은 오해라고 말한다. 이런 혼돈계는 쉽게 만들 수 있다. 유리로 만든 축구공 4개를 탁자 위에 옹기종기 모아 둔다. 레이저 포인터로 빛을 공 하나에 쏜다. 빛은 이 공 저 공에 반사되며 궤적을 만드는 데 대개는 반사를 거듭하다 밖으로 사라진다. 하지만 아주 드물게 빛은 공 사이에서 반사를 거듭하며 영원히 공 네 개 사이에 잡혀 있기도 한다. 수학 계산으로 그런 특이한 출발점을 미리 알아낼 수도 있다. 그러니까 그 특별한 지점에서 빛을 쏘면 빛은 무한히 반사를 거듭하며 제한된 공간에 머무른다. 이제 포인터를 아주 조금 움직인다. 그럼 반사의 경로가 바뀌어서 빛의 궤적이 바뀐다. 빛의 출발 지점을 아주 미세하게 움직여도 빛의 궤적은 완전히 달라진다. 시작할 때의 미미한 차이가 종국에는 전혀 다른 결과를 만들어 내는 고전적인 혼돈계의 예다. 시간을 소재로 한 2004년 영화 ‘나비 효과’에서 불행했던 과거 때문에 고통받던 주인공은 우연히 시공간 이동의 통로를 발견하고 과거로 되돌아가 불행한 과거를 고쳐 나간다. 그러나 과거를 바꿀수록 더욱 충격적인 현실이 그를 기다리고 현재는 예상치 못한 파국으로 치닫는다. 하나를 조금 바꾸면 모든 것이 바뀐다는 메시지랄까. 영화 소개에는 ‘나비의 날갯짓이 지구 반대편에선 태풍을 일으킬 수도 있다’는 글이 등장해 영화 제목의 유래를 추측하게 한다. 처음에 어떤 선택을 했느냐에 따라 전혀 다른 인생을 살게 된다는 뜻이다. 나비효과라는 표현을 처음 사용한 것은 미국의 수학자이자 기상학자인 에드워드 로렌츠였다. 1961년에 컴퓨터로 방대한 수치 기상 계산을 하던 중 잠시 쉬려고 계산 결과를 출력했다. 휴식 뒤에 출력된 숫자를 입력하고 나머지 계산을 했다. 얼마 뒤에 같은 계산을 중간 휴식 없이 다시 했는데 그 결과가 너무 달랐다. 입력이 같으면 결과도 같아야 하는데…. 혼란에 빠진 그는 결국 휴식을 위해 잠시 계산을 멈추었을 때 0.506127이라는 출력 결과를 0.506이라고 기록한 게 문제였음을 발견했다. 이 두 숫자의 미미한 차이가 전혀 다른 결과를 만든 것이다. 1963년 논문에 이어 1972년 AAAS 강연에서 나비효과라는 표현으로 자신의 발견을 소개했다. 프랙털 이론에 등장하는 줄리아 집합은 시작할 때의 미미한 차이가 종국에는 전혀 다른 결과를 만들어 내는 구체적인 실례다. 만델브로는 정성적 묘사의 수준을 넘어서 복소 함수를 사용한 엄밀한 이론을 탄생시켰다. 불규칙과 무질서가 자연의 본질에 더 가깝다는 것을 보여 주는 혼돈이론이나 복잡계이론 같은 분야는 시작은 수학자의 사유에서 출발했지만, 사회과학과 정보통신에까지 큰 영향을 미치며 영역을 확대하는 중이다.

양자컴퓨터는 미시세계의 물리 현상을 표현하는 양자역학에 기반한 차세대 계산 장치다. 양자컴퓨터의 가능성은 1982년 노벨 물리학상 수상자로 유명한 미국의 물리학자 리처드 파인먼이 처음으로 제안했다. 그로부터 35년이 흐른 지금, 양자컴퓨터의 일부가 구현됐으나 상용화까지는 아직 커다란 숙제로 남아 있다. 현대 컴퓨터의 성능은 몇 년 안에 공정상의 물리적 한계로 인해 성능 발전의 정체기가 도래할 것이라고 한다. 이러한 이유로 양자컴퓨터를 비롯한 차세대 컴퓨터 기술이 우리가 지향해야 할 미래기술로 다시 조명받고 있다. 양자컴퓨터의 특성은 정보를 저장하는 단위로부터 설명할 수 있다. 현대의 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 ‘비트’가 단위이다. 반면 양자컴퓨터는 00, 01, 10, 11과 같이 두 개의 이진수로 정보 저장이 가능하고 3개 이상의 이진수로도 표현할 수 있다. 이것이 ‘큐비트’라는 단위인데, 정보 저장과 처리의 관점에서 기존의 컴퓨터 대비 곱절 이상의 효율을 달성할 수 있다는 것이다. 양자컴퓨터의 대표적인 적용 분야는 소인수분해이다. 소인수분해를 계산하기 위한 컴퓨터 알고리즘은 우리가 중학교 때 배웠던 방식과 크게 다르지 않다. 소수를 일일이 대입해 보고 나눠지는지를 판단하는 작업의 반복이기 때문에 상당한 계산 능력을 요구한다. 실제로 193자리의 수를 소인수분해하는 데에 80개의 연산처리장치(CPU)를 사용해 5개월이나 걸렸다. 양자컴퓨터를 활용한 소인수분해 알고리즘은 1994년 처음으로 소개됐는데, 계산에 소요되는 시간을 수백분의1로 줄일 수 있다는 것을 이론적으로 증명했다. 양자컴퓨터가 상용화되면 소수 기반의 암호체계가 모두 무용지물이 될 것이라는 우려는 바로 이러한 알고리즘 때문이다. 지금까지 양자컴퓨터가 소인수분해에 성공한 가장 큰 수는 2014년의 ‘56153’이었다. 더 큰 수의 해석은 아직 이뤄지지 못했다. 이 사실을 보면 양자컴퓨터 기술은 아직 갈 길이 멀다. 양자컴퓨터의 양자적 특성은 외부환경에 매우 민감하고 극저온 환경에서 동작하기 때문에 현실과 과학기술의 장벽이 여전히 높은 분야이다. 우리나라에서도 양자컴퓨터에 대해 적극적인 관심을 갖고 지원하고 있다. 기초과학연구원에서는 양자컴퓨터의 원천기술 확보를 위한 연구를 진행 중이고 미래창조과학부도 올해 업무계획에서 양자컴퓨터 연구개발 지원을 언급했다. 여기서 우리가 추가적으로 지향해야 할 방향은 양자컴퓨터의 소프트웨어 기술이다. 양자컴퓨터상에서의 코딩은 큐비트를 다뤄야 하기 때문에 일반적인 코딩과 그 범주를 달리한다. 원천기술 확보와 더불어 양자컴퓨터 시대에 대비한 소프트웨어 기술 육성이 중요한 이유다.

지난 수십년 동안 인간 사회 발전에 컴퓨터가 기여한 바는 지대하다. 커다란 방 크기의 컴퓨터가 지니고 있던 능력을 뛰어넘는 스마트폰이 이제 거의 모든 사람의 삶의 중심에 있다 해도 과언이 아니다. 나아가 여러 장치가 서로 연결된 4차 산업혁명, 빅데이터에 의한 인공지능 등 하루가 다르게 새로운 발전이 있을 것 같다.그런데 컴퓨터의 하드웨어적 한계는 예정돼 있다. 비트라 불리는 0과 1을 다루는 매우 간단한 연산자들의 집적으로 이루어져 있는 하드웨어 소자는 이제 거의 원자 크기에 근접할 정도로 작아졌다. 원자의 세계를 지배하는 양자역학에 따르면 이런 고전적 튜링 방식의 연산은 더이상 발전할 수 없다.기존 컴퓨터에 대한 대안은 무엇이 있을까. 물리학자들은 오래전부터 양자컴퓨터라는 완전히 새로운 방식의 컴퓨터를 꿈꿔 왔다. 양자물리학의 세계에서는 0과 1의 분명한 구분이 없고 0과 1의 값을 가질 확률만이 의미가 있는 것이다. 이런 확률적 최소 단위를 큐비트라 부른다. 작은 자석처럼 행동하는 원자를 활용하면 큐비트를 구현할 수 있다. 큐비트가 2개 있으면 2의 제곱만큼 많은 정보가 있게 되고 큐비트의 수가 커짐에 따라 정보량이 기하급수적으로 많아지게 된다. 원자 20개만 있어도 20배가 아닌 백만배로 커진다. 따라서 50큐비트만 있더라도 기존 컴퓨터의 능력을 이미 상회하고 300큐비트만 있으면 우주 전체의 원자수보다도 큰 정보를 다룰 수 있게 된다는 말이다. 양자컴퓨터는 대규모 데이터 검색이나 나노물질의 디자인 등에 탁월한 능력을 보일 것으로 예측되고 있다. 소인수분해는 자릿수가 커지면 기하급수적으로 하기 어려워진다. 232자리를 가진 수를 소인수분해 하려면 현재로선 기존 컴퓨터 수백대를 2년 동안 돌려야 한다. 그렇기 때문에 소인수분해는 컴퓨터의 암호화에 활용되고 있다. 그러면 현재 실제 작동하는 양자컴퓨터는 어디까지 발전했을까. 2012년 4개의 큐비트를 가진 양자컴퓨터는 15를 3과 5로 소인수분해 했다. 5년이 지난 지금은 이보다 낫지만 기존의 컴퓨터를 뛰어넘는 계산 능력은 아직 발휘하지 못하고 있다. 또 외부 온도가 높아지면 에러가 나기 때문에 섭씨 영하 270도 이하의 극저온에 장치를 넣어야 하는 문제도 안고 있다. 기본적으로 원자나 광자 하나를 제어할 정도로 정밀함이 필요하기 때문에 장치의 크기도 훨씬 크고 복잡하다. 상업적으로 나와 있는 것들은 아직 본격적 양자컴퓨터라 부르기엔 이르다. 이런 문제를 곰곰이 생각하고 있는 나의 뇌를 떠올려 보면 훨씬 작고 다양한 기능을 수행하는 컴퓨터는 얼마든지 가능해 보인다. 물론 단순하게 빠른 계산에서는 컴퓨터보다 느릴지 모르나 서번트 증후군이 있는 레인맨 같은 사례를 보면 인간의 뇌에는 아직 활용되지 않는 부분이 있을 것이다. 뇌가 과연 양자컴퓨터일까. ‘황제의 새 마음’이란 책을 낸 천재 수리물리학자 로저 펜로즈는 ‘마이크로 튜블’이라는 새로운 단백질 구조가 뇌를 양자컴퓨터로 만들고 인간의 자의식을 만들어 낸다고 주장한 바 있다. 물론 그의 주장은 잘 받아들여지지 않았다. 양자컴퓨터란 외부의 잡음이 차폐돼야 하는데 인간의 체온은 양자컴퓨터를 유지하기에는 너무 높다는 지적도 있다. 그럼에도 불구하고 최근 매우 재미있는 연구 결과를 매슈 피셔라는 이론물리학자가 발표했다. 그는 안정제로 사용되는 리튬이 화학적으로는 동일한 동위원소에 따라 결과가 전혀 다르게 나온 1986년의 쥐에 대한 실험 결과를 유심히 살펴본 뒤 리튬 핵의 자성이 뇌에 영향을 미칠 수 있는 가능성에 착안, 뇌 속 인(P)에 의한 양자컴퓨터의 가능성을 제안하게 됐다. 정신과에서 사용하는 약이 어떤 메커니즘으로 작용하는지 전혀 모르면서 사용되고 있는 현실에 새로운 빛을 던지고 궁극적으로 뇌에 대해 이해하게 하는 한편 인간의 뇌를 닮은 컴퓨터를 상상하게 만드는 재미있는 연구 결과다. 과학은 항상 경이로움을 준다.

사이언스 브런치/이종필 지음/글항아리/364쪽/1만 5000원물리학 박사인 저자가 정치, 문화, 스포츠 등 각 분야에서 우리의 일상 속 과학을 알기 쉽게 설명한다. 대통령 후보에 대한 지지층의 변화를 과학적 원리로 살펴보고 요즘 드라마에서 유행하는 타임 슬립을 과거의 내가 다른 선택을 해서 다른 시공간에 살고 있다는 가설의 평행 우주와 양자역학 이론으로 설명한다. 또한 프로야구에서 4할대 타자가 나오지 않고 3할대에서 멈추는 이유를 상향 평준화에 의한 변이의 감소라는 진화론으로 설명한다. 모든 선수의 실력이 상승하면서 그만큼 독보적인 기록이 나올 확률이 줄어들었다는 것이다. 이은주 기자 erin@seoul.co.kr

1993년 개봉한 로맨스 코미디 ‘사랑의 블랙홀’, 톰 크루즈 주연의 ‘엣지 오브 투모로우’(2014), SF 최초로 1000만 관객을 돌파한 ‘인터스텔라’(2014), 그리고 마블 만화를 원작으로 한 ‘닥터 스트레인지’(2016)의 공통점은 무엇일까.우선 ‘영화’라는 점, 그리고 우리가 살고 있는 우주와는 다른 차원의 우주가 존재할 수 있다는 ‘평행우주론’을 다룬다는 것이다. 평행우주론은 과거를 바꾸면 현재의 상황이 일어나지 않는 ‘시간여행의 역설’이 발생하지 않기 때문에 SF에서 선호하는 과학 주제다. 영화 ‘백 투 더 퓨처’에서 과거로 간 주인공에게 젊은 시절 어머니가 사랑을 느끼기 시작하자 이를 피하기 위해 고군분투하는 모습은 시간여행의 역설을 잘 묘사한다. 만약 어머니가 주인공을 사랑하게 된다면 자신은 존재할 수 없는 논리적 오류에 빠진다. 평행우주론에서는 과거로 돌아가 어떤 영향을 줬다고 하더라도 그 우주와 관계 없는 우주가 평행으로 진행되기 때문에 이런 오류가 성립하지 않는다. 2000년대 들어 과학계는 평행우주를 다양한 다중우주가설로 재정립하고 있다. 브라이언 그린 미국 컬럼비아대 수학·물리학과 교수의 ‘멀티 유니버스’, 리사 랜들 하버드대 물리학과 교수의 ‘숨겨진 우주’ 등의 책으로 대중에 알려졌다. 최근에는 다중우주론의 거장 맥스 테그마크 MIT 물리학과 교수의 ‘우리의 수학적 우주’라는 책이 번역되면서 다중우주에 대한 대중의 관심이 높아지고 있다.●테그마크 교수 4단계 분류법 유명 아직 관측되지 않았기 때문에 학자들마다 예측하는 다중우주의 구조는 다르다. 일반적으로 평행우주와 다중우주를 섞어 쓰지만, 엄격하게 구분하자면 평행우주는 다중우주의 하위 개념에 속한다. 실제로 다중우주에 관한 가설들은 매우 다양하다. 이 때문에 이들을 체계적으로 분류하려는 노력이 있었는데 현재 가장 널리 알려진 분류법은 바로 테그마크 교수가 2003년 1월 ‘평행우주’라는 논문을 통해 제안한 4단계 분류법이다. 1단계는 관측 범위 밖에 독립 우주들이 존재하며 우리는 각각의 우주를 관측하지 못하고 있다는 개념이다. 개별 우주에서 적용되는 물리법칙들은 현재 우리가 알고 있는 것과 같다. 2단계는 인플레이션 우주론과 관계된 것으로 우리 우주와는 전혀 다른 물리법칙이 적용되는 우주들이 있다는 것이다. 끈이론과 관련한 다중우주이론이 여기에 속한다. 3단계 다중우주는 양자역학적 다중우주론이다. ‘슈뢰딩거의 고양이’ 역설처럼 확률론적 결정에 따라 무수히 많은 우주들이 존재할 수 있다는 가설로 우리는 여러 가지 우주 중 단 하나의 우주만 보고 있을 뿐이라는 설명이다. 4단계는 테그마크 교수의 독자적 아이디어로 수학 속에서 존재하는 우주다. 물질을 구성하는 입자와 입자가 만들어 내는 장(field)을 방정식과 함수로 표현할 수 있으므로 ‘물리적 우주와 수학은 같다’고 주장한다. 3단계 다중우주까지는 많은 학자들이 동의하고 있지만 4단계 다중우주론에 대해서는 이견이 있다. 남순건 경희대 물리학과 교수는 “영화나 소설에서 나오는 다중우주는 상상력의 산물”이라며 “양자역학적 평행우주론의 경우 확률에 의해 순간적으로 여러 개의 우주로 갈라지는데 완전히 서로 다른 우주이기 때문에 SF에서처럼 넘나들기 힘들다”고 설명했다. ●“검증·관측 어려워 상상력의 영역” 남 교수는 “물리학자들은 4차원 시공간을 넘어선 5차원 방향에 우리가 생각지 못한 우주가 존재할 수 있다고 생각한다”며 “만약 다중우주가 있다면 이 세상에서 수행하는 각종 실험 연구 결과에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 연구자들이 다중우주론에 관심을 갖는 것”이라고 말했다. 그러나 일부에서는 ‘관측할 수 없는 것이 존재한다고 주장하는 것은 어불성설’이라며 다중우주론을 여전히 상상력의 한 부분으로 취급하기도 한다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

　1993년 개봉한 로맨스 코미디 ‘사랑의 블랙홀’, 톰 크루즈 주연의 ‘엣지 오브 투모로우’(2014), SF 최초로 1000만 관객을 돌파한 ‘인터스텔라’(2014), 그리고 마블 만화를 원작으로 한 ‘닥터 스트레인지’(2016)의 공통점은 무엇일까. 　물론 ‘영화’라는 점, 그리고 우리가 살고 있는 우주와는 다른 차원의 우주가 존재할 수 있다는 ‘평행우주론’을 다룬다는 것이다. 평행우주론은 현재의 상황이 일어날 수 없도록 과거를 바꿔서 발생하는 ‘시간여행의 역설’이 일어나지 않기 때문에 SF에서 선호하는 과학 주제다. 영화 ‘백 투 더 퓨처’에서 과거로 간 주인공에게 젊은 시절 어머니가 사랑을 느끼기 시작하자 이를 피하기 위해 고군분투하는 모습은 시간여행의 역설을 잘 묘사한다. 만약 어머니가 주인공을 사랑하게 된다면 자신은 존재할 수 없는 논리적 오류에 빠진다. 평행우주론에서는 과거로 돌아가 어떤 영향을 줬다고 하더라도 그 우주와 관계 없는 우주가 평행으로 진행되기 때문에 이런 오류가 성립하지 않는다. 　2000년대 들어 과학계는 평행우주를 다양한 다중우주가설로 재정립하고 있다. 일반인들에게는 브라이언 그린 미국 컬럼비아대 수학·물리학과 교수의 ‘멀티 유니버스’, 리사 랜들 하버드대 물리학과 교수의 ‘숨겨진 우주’ 등의 책으로 알려졌다. 최근에는 다중우주론의 거장 맥스 테그마크 MIT 물리학과 교수의 ‘우리의 수학적 우주’라는 책이 번역되면서 다중우주에 대한 일반인들의 관심이 높아지고 있다. 　아직 관측되지 않았기 때문에 학자들마다 예측하는 다중우주의 구조는 다르다. 일반적으로 평행우주와 다중우주를 섞어 쓰지만, 엄격하게 구분하자면 평행우주는 다중우주의 하위 개념에 속한다. 　실제로 다중우주에 관한 가설들은 매우 다양하다. 이 때문에 이들을 체계적으로 분류하려는 노력이 있었는데 현재 가장 널리 알려진 분류법은 바로 테그마크 교수가 2003년 1월 ‘평행우주’라는 논문을 통해 제안한 4단계 분류법이다. 　1단계는 관측 범위 밖에 독립 우주들이 존재하며 우리는 각각의 우주를 관측하지 못하고 있다는 개념이다. 개별 우주에서 적용되는 물리법칙들은 현재 우리가 알고 있는 것과 같다. 　2단계는 인플레이션 우주론과 관계된 것으로 우리 우주와는 전혀 다른 물리법칙이 적용되는 우주들이 있다는 것이다. 끈이론과 관련한 다중우주이론이 여기에 속한다. 　3단계 다중우주는 양자역학적 다중우주론이다. ‘슈뢰딩거의 고양이’ 역설처럼 확률론적 결정에 따라 무수히 많은 우주들이 존재할 수 있다는 가설로 우리는 여러 가지 우주 중 단 하나의 우주만 보고 있을 뿐이라는 설명이다. 　4단계는 테그마크 교수의 독자적 아이디어로 수학 속에서 존재하는 우주다. 물질을 구성하는 입자와 입자가 만들어 내는 장(field)을 방정식과 함수로 표현할 수 있으므로 ‘물리적 우주와 수학은 같다’고 주장한다. 3단계 다중우주까지는 많은 학자들이 동의하고 있지만 4단계 다중우주론에 대해서는 이견이 있다. 　남순건 경희대 물리학과 교수는 “영화나 소설에서 나오는 다중우주는 상상력의 산물”이라며 “양자역학적 평행우주론의 경우 확률에 의해 순간적으로 여러 개의 우주로 갈라지는데 완전히 서로 다른 우주이기 때문에 SF에서처럼 넘나들기 힘들다”고 설명했다. 남 교수는 “물리학자들은 4차원 시공간을 넘어선 5차원 방향에 우리가 생각지 못한 우주가 존재할 수 있다고 생각한다”며 “만약 다중우주가 있다면 이 세상에서 수행하는 각종 실험 연구 결과에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 연구자들이 다중우주론에 관심을 갖는 것”이라고 말했다. 　그러나 일부에서는 ‘관측할 수 없는 것이 존재한다고 주장하는 것은 어불성설’이라며 다중우주론을 여전히 상상력의 한 부분으로 취급하기도 한다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

1927년 호기심에 가득 찬 25세의 청년은 당시 이미 유명한 아인슈타인의 상대성 이론에 많은 흥미를 느끼고 있었다. 또 이 청년은 당시 막 떠오르기 시작한 양자역학에도 관심이 컸다. 미시의 세계에 대한 새로운 이론을 향한 호기심이었다. 그는 어느 날 매우 단순한 질문을 한다. “두 이론을 함께 적용하면 어떤 일이 있을까?” 그는 몇 달 동안 이 문제를 고민하다가 매우 간단한 방정식을 발견한다. 1928년 초 청년 디랙은 이와 관련한 논문을 발표한다. 디랙 방정식은 전자의 상대론적, 양자론적 성질을 보여 주는 것이었다. 이 방정식에서 새로운 또 한 가지 사실이 도출됐다. 전자와는 전하가 반대이고 이제까지 발견된 적이 없는 새로운 반물질의 존재였다. 이듬해 양전자라 불리는 이 입자는 실제로 발견됐고, 1933년 31세 청년은 노벨물리학상을 받았다. 이 낭만적 과학사에 대해서는 이미 알고 있는 사람도 있을 것이다. 이렇듯 과학에서 창의적 발전 방향에 대해서는 주위에서 예측할 수 없고 연구 성과의 경제적 효용 가치에 대해 연구자 스스로도 알 수 없다. 탄생 90여년이 지난 지금 양자역학은 전 세계 국내총생산(GDP)의 20%에 해당하는 산업을 만들어 냈다. 또 양전자는 암, 심장질환, 뇌질환 진단에 많이 쓰이는 양전자 단층촬영 장치에 응용되고 있다. 창의성 있는 젊은이가 마음껏 자신의 호기심을 추구했을 때 간혹 이런 엄청난 파급효과가 따라올 수 있다.그럼 이런 연구는 어떻게 가능했을까? 사회와 정부는 어떻게 과학을 지원해야 할 것인가? 해답은 비교적 간단한 데 있다. 1919년 노벨물리학상 수상자인 막스 플랑크는 ‘빛의 존재’라는 책에서 “지식이 응용을 선행해야 한다”고 강조했다. 그의 이런 철학은 독일의 최고 연구기관인 막스플랑크연구소의 설립 취지에 분명히 각인돼 있고 덕분에 2차 세계대전 후 거의 20건의 노벨상을 배출할 수 있었다. 아인슈타인을 비롯한 세계 최고 석학들이 거쳐 간 미국의 최고 연구기관인 ‘프린스턴 고등연구소’ 초대 소장을 지낸 에이브러햄 플렉스너는 1939년 ‘쓸데없는 지식의 유용성’이란 글에서 방향을 잃은 듯해 보이지만 거기서 나오는 탐구들이 가장 중요한 연구 결과들을 가져다주고 있음을 강조하면서 효용성을 따져 연구비를 배분하는 것에 대해 강하게 반대했다. 인간의 영혼을 자유롭게 하는 것이야말로 가장 중요하다는 것이다. 이런 논조는 21세기에도 유효하다. 윌리엄 프레스는 2013년 ‘사이언스’에 기고한 ‘과학이 뭐가 그리 특별한가?’라는 글에서 호기심에 기반을 둔 기초과학 연구가 대중의 이익을 위해서도 가장 효과적인 투자라고 주장했다. 우리나라는 어떤가. 창의적 인재들의 호기심에 기반한 기초과학은 국가와 사회에서 지원이 필수적이다. 자체적으로 재원을 마련할 방법이 없기 때문이다. 프린스턴 고등연구소의 경우 백화점 사업으로 크게 돈을 번 기업가 뱀버거가 사재로 만든 연구소다. 그의 이름은 인류에 기여한 공로로 역사에 기록되고 있다. 반면 한국에서는 이런 기업인을 찾기 어렵다. 자신과 가족의 이윤을 위해 불법도 불사하는 기업인이 더 많다. 보다 공적이어야 하는 정부는 아직도 과학을 기술과 묶어 동류로 여기면서 헌법 127조 1항에 ‘국가는 과학기술의 혁신과 정보 및 인력의 개발을 통하여 국민경제의 발전에 노력하여야 한다’고 하는 말처럼 경제 발전의 도구쯤으로 여기고 있다. 과학에 대한 근본적인 시각을 완전히 바꾸고 영혼이 자유로운 창의적 인재들이 마음껏 연구할 수 있는 국가적 인프라를 조속히 구축해야 한다. ‘왜 그럴까’ 하는 질문의 불씨가 계속 타오를 수 있도록 하기 위해서는 과학이 무엇인지 무엇을 추구하는지를 제대로 알 필요가 있다. 새로운 연구 주제로 연구비 지원을 신청하면 사전 연구가 없고 국제 동향과 동떨어져 있다고 거부하는 낮은 수준의 연구 지원 방식은 사라져야 한다.

별 주변 공간 등을 제외한 우주 대부분은 매우 춥고 진공에 가까운 상태다. 그런데 미항공우주국(NASA)가 이보다 1억 배는 더 추운 장소를 만들기 위해 도전한다. 저온 원자 실험실(CAL·Cold Atom Laboratory)이라고 불리는 이 실험실은 아이스박스처럼 작은 크기지만, 레이저를 이용해서 극단적인 초저온을 만들 수 있다. NASA는 이를 오는 8월 스페이스X의 CRS-12에 실어 국제 유인 우주정거장으로 발사할 예정이다. 이론적으로 생각할 수 있는 가장 낮은 온도는 '절대영도'다. 키나 몸무게가 마이너스가 된다는 것을 상상하기 어려운 것처럼 절대영도보다 낮은 기온 역시 일반적으로 가능하지 않다. 이 온도를 섭씨로 표시하면 -273.15도에 해당한다. 이렇게 저온 상태에서는 초전도 현상처럼 일반적이지 않은 물리적 현상이 발생하기 때문에 과학자들은 더 낮은 온도를 얻기 위해서 많은 노력을 해왔다. 이를테면 절대영도에 한없이 가까운 상태를 추구한 것이다. 저온 원자 실험실은 절대영도에서 불과 10억분의 1에 불과한 극저온 상태를 만들 수 있다. 이 정도까지 온도가 내려가면 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensates)라는 매우 독특한 현상이 발생한다. 이 상태에 있는 원자들이 모두 같은 양자역학적 상태가 되어 마치 하나의 원자처럼 움직이는 것이다. 그런데 강한 중력이 있는 지구에서는 이 상태가 길어봐야 1초 이상 지속하기 힘들어 상세한 관측이 어렵다. 따라서 NASA는 이 실험 장치를 우주 정거장으로 보내 관측을 시도하는 것이다. 예상대로 된다면 5~10초 정도 관측이 가능할 것이고 앞으로 기술이 발전하면 수백 초 이상 관측도 가능하다. 역시 짧은 시간이지만, 이 정도 시간만 관측할 수 있어도 새로운 현상이 발견될 가능성이 있어 과학계의 이목이 쏠려 있다. 현재 5개의 연구팀이 저온 원자 실험실을 이용한 연구 과제를 신청했으며, 이 중에는 보즈-아인슈타인 응축물을 실제로 만들어내 노벨 물리학상을 받은 에릭 코넬(Eric Cornell)도 포함되어 있다. 우주에서 가장 추운 실험실에서 지금까지 보지 못했던 새로운 현상이 발견될 수 있을지 기대된다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

신의 입자/리언 레더먼·딕 테레시 지음/박병철 옮김/휴머니스트/736쪽/3만원 대담한 가설로만 여겨졌던 책이 놀라운 예언서가 되었다. 전 세계 과학 독자들의 오랜 사랑을 받은 책 ‘신의 입자’를 두고 하는 말이다.물리학자들은 우주 탄생 원리를 설명하기 위해 ‘표준모형’이라는 이론을 만들었으나 결함이 있음을 깨닫는다. 이 결함을 해결하기 위한 구원투수가 바로 힉스입자다. 힉스입자는 물질의 기본을 이루는 입자에 질량을 부여하는 존재로 질량의 근원과 우주 생성 비밀을 밝힐 수 있는 결정적 단서라는 평가를 받았다. 힉스입자의 별칭인 ‘신의 입자’라는 말은 1988년 노벨물리학상을 수상한 미국의 물리학자이자 이 책의 저자인 리언 레더먼이 1993년 과학저널리스트 딕 테레시와 함께 이 책을 내면서 붙여졌다. 레더먼이 원래 원했던 제목은 ‘빌어먹을 입자’(Goddamn Particle)였다. 그만큼 감지하기가 극도로 어려운 탓에 붙인 제목이지만 편집자가 언어 순화를 위해 ‘damn’을 빼면서 새로운 별칭을 얻게 되었다는 일화는 유명하다. 1993년 당시 레더먼은 우주의 작동 원리와 우주를 구성하는 기본단위가 곧 밝혀질 것이라고 믿고 있었다. 더욱이 미국 페르미 연구소가 힉스입자를 감지할 초전도초충돌기(SSC)라는 강력한 입자가속기 공사를 한창 추진하고 있는 중이었다. 하지만 ‘신의 입자’가 출간된 지 얼마 지나지 않아 미국 의회에 막혀 건설계획이 완전히 무산되면서 힉스입자 발견에 대한 전망도 어두워졌다. 하지만 물리학자들은 힉스입자에 대한 기대를 저버리지 않았고, 결국 2012년 7월 유럽입자물리학연구소(CERN)는 대형하드론충돌기(LHC)를 통한 힉스입자 발견을 선언했다. 당시 ‘신의 입자’는 출간과 동시에 비극으로 끝났지만 현재 놀라운 예언서로 다가오게 된 것이다. 한국어판은 2006년 발간된 개정판을 번역했다. 레더먼은 기원전 600년경 시작된 입자물리학의 역사와 물리학의 마지막 과제인 힉스입자의 존재와 그 비밀을 밝히기 위해 노력한 물리학자들의 노력을 전한다. 더이상 쪼갤 수 없는 만물의 최소단위 ‘아토모스’라는 용어를 처음 도입한 그리스 철학자 데모크리토스부터 아이작 뉴턴, 마이클 패러데이, 어니스트 러더퍼드를 거쳐 20세기 양자역학과 힉스입자 등 입자물리학 2600년의 역사를 개괄한다. 힉스입자를 찾기 위해 고군분투한 과학자들의 생생한 모험의 여정을 좇다 보면 마치 역사의 현장을 가까이서 들여다보는 느낌이 든다. 일반인이 소화하기 어려울 수 있는 과학 서적에 필자의 유쾌한 입담이 더해져 읽는 맛도 쏠쏠하다. 조희선 기자 hsncho@seoul.co.kr

12만년 전 기후를 분석해 인류의 이동 경로를 분석한 지구과학자와 세계에서 가장 작은 영화를 만들어 칸 국제광고제에서 황금사자상을 받은 양자물리학자가 국내에서 기후변화와 양자컴퓨터 연구를 시작한다. 기초과학연구원(IBS)가 액슬 티머먼(47) 미국 하와이대 교수와 안드레아스 하인리히(48) 이화여대 석좌교수를 각각 기후물리연구단과 양자나노과학연구단 단장으로 임명했다고 4일 밝혔다. 기후물리연구단 단장인 티머먼 교수는 독일계 과학자로 막스플랑크 기상학연구소를 거쳐 하와이대 해양학 교수로 재직 중이며 해양기후학 분야에서 대표적인 석학이다. 지난해에는 12만5000여년 전 기후변화를 추적해 초기 인류의 이동경로를 밝힌 연구를 세계적인 과학저널 ‘네이처’에 발표해 학계는 물론 대중들의 주목을 받은바 있다. 티머먼 단장은 엘니뇨 상호작용과 기후변동, 고(古)기후역학 등을 중점 연구하면서 기후에 영향을 미치는 다양한 요소들을 고려해 모델을 만들고 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과거, 현재 그리고 미래의 기후변화에 대한 종합적 연구를 할 계획이다. 양자나노과학연구단 단장으로 임명된 하인리히 교수도 독일계 과학자로 지난해 이화여대에 임용되기 전까지 IBM 알마덴 연구소에서 20여년간 고체물리학과 광학연구를 해왔다. 특히 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope·STM) 분야 최고 권위자로 알려져 있다. STM은 전자의 양자역학적 성질을 이용해 물질 표면의 이미지를 원자 수준까지 확보할 수 있는 장비다. 수평 방향으로는 0.1㎚(나노미터), 수직으로는 0.01㎚ 가량의 고해상도를 보이기 때문에 원자를 하나씩 보거나 움직이게 할 수도 있다. 하인리히 단장은 2013년 구리 기판 위 일산화탄소 분자들을 하나씩 옮겨 만든 스톱모션 애니메이션 ‘소년과 그의 원자’라는 작품으로 칸 국제광고제 황금사자상을 받고 기네스북에 세계에서 가장 작은 영화로 이름을 올리기도 했다. 하인리히 단장은 원자 단위의 양자적 특성을 연구해 양자컴퓨팅의 정보 기본단위인 큐비트의 원자 수준 제어를 목표로 연구할 예정이다. 양자컴퓨터는 현재 있는 슈퍼컴퓨터로도 1000년이 걸리는 계산을 양자 알고리즘을 이용해 4분 만에 답을 낼 수 있는 미래형 컴퓨터로 구글은 물론 MS 등에서도 양자컴퓨터 개발을 위해 인력과 자금을 대거 투입하고 있는 상황이다. 김두철 IBS 원장은 “이번에 새로 만든 신규 연구단은 사회적, 경제적 파급효과가 큰 기초과학을 연구하게 될 것이며 연구단을 이끄는 과학자들도 독창적 연구로 세계적인 명성을 얻고 있는 최고 수준의 학자들”이라며 “한국의 기초과학이 새로운 지식의 영역을 개척하고 전 지구적 이슈에 대응하는데도 큰 역할을 하게 될 것”이라고 말했다. 한편 이번 2개의 연구단이 신설되면서 IBS는 총 28개의 연구단을 갖추게 됐고 이 중 외국인 연구단장은 10명(한국계 4명 포함)으로 늘었다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

불과 글(조르조 아감벤 지음, 윤병언 옮김, 책세상 펴냄) 도전적 사상가인 조르조 아감벤의 최신작. 우리 시대의 문학이 잃어버린 ‘불꽃’과 그 복원에 관한 매혹적인 사유를 독창적 사유와 언어로 풀어낸다. 228쪽. 1만 5000원. 사유의 거래에 대하여(장 뤽 낭시 지음, 이선희 옮김, 길 펴냄) 인간과 책이라는 오래된 관계에 대해 현대 프랑스 철학자인 저자의 생각과 언어를 풀어내며 ‘독서는 열림과 닫힘 사이의 접촉과 참여’라는 사유를 전한다. 95쪽. 1만원. 두뇌는 최강의 실험실(신바 유타카 지음, 홍주영 옮김, 끌레마 펴냄) 철학, 인지과학, 수학·논리학, 경제학, 물리학·양자역학 등의 분야에서 이뤄진 사고실험 20개를 소개하며 기존의 상식에 대한 균열을 보여 준다. 340쪽. 1만 5000원. 세계문학 브런치(정시몬 지음, 부키 펴냄) 시대와 국적을 초월해 세계사적 보편성을 획득한 작가 50여명의 작품 80여편을 들여다보며 대작에 담긴 지혜와 식견, 통찰을 전하는 길잡이 역할을 한다. 544쪽. 1만 8000원. 혼자일 것 행복할 것(홍인혜 지음, 달 펴냄) 광고회사 카피라이터이자 카투니스트인 저자가 독립된 삶을 살며 경험한 크고 작은 희로애락의 모든 것을 고스란히 담았다. 268쪽. 1만 4500원. 동양 고전으로 읽는 경제(조준현 지음, 다시봄 펴냄) 2500년 전 중국 춘추전국시대 제자백가의 책을 통해 동양에서의 경제의 의미와 위기의 시대, 경제의 역할을 되짚어 본다. 264쪽. 1만 5000원.

블랙홀은 한마디로 우주의 괴물이다. 은하계를 어슬렁거리고 돌아다니면서 주위에 있는 모든 물질들을 게걸스럽게 집어삼킨다. 그들이 하는 짓을 보면 블랙홀이란 이름에 값한다. 만약 당신이 블랙홀의 사건 지평선 안으로 미끌어진다면, 결코 다시는 바깥으로 나올 수가 없다. 거기서는 빛조차 탈출할 수 없기 때문이다. 하지만 영화에서는 무시무시한 블랙홀이 약점을 보이기도 한다. 은하계의 괴물 블랙홀도 취약점을 갖고 있다는 말이다. 1970년대에 이론물리학자인 스티븐 호킹이 중력과 양자역학이 만나는 지점의 복잡한 수학 속에 숨겨진 놀라운 사실을 발견했다. 블랙홀도 빛을 방출하며, 오랜 시간이 지나면 증발해 사라진다는 것이다. 이것은 정말 놀라운 사실이 아닐 수 없다. 천하무적 블랙홀도 죽을 수 있다는 말이니 말이다. 과연 블랙홀은 어떻게 죽는가? 호킹이 내놓은 해답은 이른바 '호킹 복사'라는 것이다. 호킹 복사란 대체 뭘까? 블랙홀도 이길 수 없는 막강한 상대인가? 일반 상대성 이론은 아주 복잡한 수학적 이론이다. 양자역학 역시 마찬가지다. 복잡한 수학과 호킹 복사 간에는 만족스럽지 못한 문제점이 약간 존재한다. 그에 대한 표준적인 설명은 다음과 같다. 먼저 '가상 입자'에 대해 알아보자. 이 가상 입자는 실제도 아니고 입자도 아니다. 입자와 힘에 관한 현대적 개념인 양자장 이론에 따르면, 어떤 종류의 입자이든 시공간에 가득한 양자장의 영향 속에 있다고 한다. 아무것도 없는 진공이라 하더라도 양자장이 가득 차 있으며, 양자 요동으로 끊임없이 가상 입자들의 쌍생성과 쌍소멸이 일어나는 역동적인 공간인 것이다. 우주의 진공은 이러한 가상입자로 가득 차 있다. 양자요동으로 인해 한 쌍의 입자들이 진공에서 에너지를 얻어 태어나는가 하면 극히 짧은 시간 동안 존재하다가 서로 충돌하여 쌍소멸한다. 진공은 이러한 가상 입자들의 탄생과 소멸로 들끓고 있는 것이다. 때로는 블랙홀의 사건 지평선 근처에서 입자와 반입자의 쌍생성이 일어난다. 그 때 발생한 두 입자 중 반입자가 블랙홀의 사건 지평선을 향해 떨어지고, 입자는 외부로 방출된다. 블랙홀로 떨어진 반입자는 블랙홀 내부의 입자와 충돌하여 쌍소멸하여, 에너지를 방출하며 질량이 감소하게 된다. 이때 블랙홀 밖으로 방출된 입자는 일반물질의 입자로서 소멸을 피하게 되는데, 이 방사선이 바로 호킹 복사다. 시간 앞에 영원한 것은 없다 호킹 복사가 일어날 경우 이 과정에서 블랙홀이 질량을 잃게 되므로, 흡수하는 질량보다 잃는 질량이 많은 블랙홀은 점점 줄어들다가 결국 증발되어 사라질 것으로 예상된다. 이론에 따르면, 블랙홀은 작으면 작을수록 더 많은 열복사를 방출하는 것으로 알려져 있다. 블랙홀도 이렇게 빛을 방출하는 것으로 보인다. 그래서 가상입자 쌍을 분리해 그중 하나를 일반입자로 변화시킴으로써 ​자신의 질량을 서서히 잃어간다. 물론 이런 복사로 블랙홀 하나가 완전히 증발하는 데는 거의 영겁에 가까운 시간이 흘러야 할 것이다. 그래도 어쨌든 불랙홀도 불사는 아니란 사실이 중요하다. 블랙혹도 결국엔 죽는다. 그래서 호킹은 '블랙홀도 그다지 검지는 않다'고 말했다. 어쨌든 이런 식으로 블랙홀도 해체될 수 있다는 것이 현재까지의 연구 결과다. 그러나 해체되기까지는 엄청난 시간이 걸린다. 태양 질량만한 블랙홀이 완전히 증발하는 데는 무려 10^67(10의 67승)년이 걸린다. 우리 우주의 나이는 고작 10^10(10의 10승, 100억)년 남짓 정도임을 비추어볼 때, 이렇게 어마어마하게 긴 시간 동안을 버틸 수 있는 물질이 현실세계에 존재한다는 것이 참으로 신기한 일이다. 만약 에펠탑을 블랙홀 방식대로 증발시킬 수 있다면 단 하루 만에 사라지고 말 것이다. 이것이 인간세상과 우주의 차이라고 이해해야 할까? 어쨌든 블랙홀도 죽음을 피할 수는 없다. 시간 앞에 영원한 것은 없다. 블랙홀의 증발 정도는 그 질량이 작을수록 빨라진다. 처음에는 천천히 증발하다가 오랜 시간이 지나면 질량이 감소하는 정도가 심해지고 증발 속도는 점차 빨라진다. 그러다가 이윽고 소멸 단계에 이르면 거의 폭발하다시피 격렬한 증발로 소멸할 것으로 예측되고 있다. 하지만 그것을 볼 수 있는 사람은 결코 없을 것이다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

SF영화의 고전 ‘스타트렉’에서는 사람이나 물체를 다른 행성으로 이동시킬 때 ‘텔레포테이션’(원격 순간이동)하는 장면이 자주 나온다. 중국과 캐나다, 일본, 미국 물리학자들이 ‘빛의 알갱이’인 광자(光子)를 텔레포테이션시키는 데 성공해 주목받고 있다. ●국제연구진 광자 텔레포테이션 성공 중국 국립과학기술대, 상하이교통대, 상하이 정보기술연구소, 칭화대, 캐나다 워털루대, 일본 국립정보통신기술연구소 국제공동연구진은 양자 상태의 광자를 14.7㎞ 떨어진 곳까지 순간이동시키는 데 성공했다. 캐나다 캘거리대와 미국 국립표준기술연구소, 항공우주국 제트추진연구소(JPL) 연구진도 6.2㎞ 떨어진 곳으로 광자 텔레포테이션을 성공시켰다. 이들의 연구 성과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’에서 발간하는 광학 분야 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’ 20일자에 두 편의 논문으로 실렸다. ‘양자 얽힘’ 현상은 양자역학에서 핵심적 개념으로, 텔레포테이션을 위해 없어서는 안 될 개념이다. 서로 다른 입자가 얽힘이란 과정을 통해 연결되면 아무리 멀리 떨어져 있더라도 한 입자의 상태가 바뀌는 즉시 다른 입자의 상태도 똑같이 변한다는 이론이다. 연구진은 각각 광섬유를 이용해 캐나다 캘거리에서는 6.2㎞, 중국 상하이에서는 14.7㎞ 떨어진 곳으로 광자를 순간이동시키는 데 성공했다. 지금까지는 입자 하나를 다른 장소로 직접 이동시키는 ‘단일 입자 텔레포테이션’ 방식이었지만 이번에 성공한 기술은 두 개의 광자를 만든 뒤 하나의 입자 상태를 변화시켜 멀리 떨어진 다른 입자의 상태를 똑같이 변화시키는 형태였다. ●“사람 순간이동 현재 기술로는 불가” 판 지안웨이 중국 국립과기대 교수는 “양자 원격 전송을 이용해 통신망을 구축한다면 먼 거리에 떨어져 있는 곳과 지연 현상 없이 거의 실시간으로 연결할 수 있을 뿐만 아니라 통신 품질도 우수해진다”고 설명했다. 그렇다면 이번에 성공한 양자 텔레포테이션 기술로 SF에서처럼 사람이나 물체를 순간이동시키는 것도 가능해질까. 연구진을 비롯한 물리학자들은 사람을 텔레포테이션시키는 것은 불가능하다고 설명했다. 사람을 원격 이동시키기 위해서는 광자나 원자처럼 단순한 입자로 만들어야 하며, 단순한 입자로 분리한다고 하더라도 이를 원격 전송하려면 현재 기술로는 수억년 정도 걸린다는 것이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

물리학자들이 암흑물질의 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 새로운 기본 입자의 존재를 예측해냈다고 영국 일간 데일리메일 등 외신이 6일(현지시간) 보도했다. 학자들이 ‘마달라 입자’(Madala boson)라는 이름으로 새롭게 제시한 이 입자는 힉스 입자(힉스 보손)와 유사성이 많지만, 다른 점은 우주의 약 27%를 구성하는 암흑물질과 상호작용하는 것으로 추정된다. 여기서 마달라는 아프리카 줄루어로 ‘오래된’(old)이라는 의미가 있다. 남아프리카공화국(이하 남아공) 비트바테르스란트대의 고에너지물리학(HEP) 그룹에 속한 과학자들은 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자충돌기(LHC)에서 시행한 여러 실험 자료를 분석해 주요 특징과 특성이 자신들이 제시하는 마달라 가설과 관련돼 있다는 것을 발견했다. 이들은 힉스 입자가 발견됐던 2012년 당시 CERN의 LHC 실험에 기초한 초기 가설을 세웠다. 연구자들은 미국과 영국, 중국, 인도, 스웨덴의 과학자들과 협력해 2015년과 2016년에 반복한 LHC 실험에서 나온 결과들이 마달라 가설로 나타나는 현상과 일치한다는 것을 알아냈다. 마달라 입자에 관한 가설은 암흑물질과 상호작용하는 완전히 새로운 입자이자 분야로 설명된다. 이번 연구를 이끈 HEP 그룹의 브루스 멜라도 교수는 “현대 물리학은 아인슈타인과 양자역학 아버지들이 살았던 시대와 비슷한 중대한 갈림길에 서 있다”면서 “고전 물리학은 수많은 현상을 설명하는 데 실패했고 결과적으로 현대 물리학이라는 현재 우리가 아는 상대성이론과 양자물리학과 같은 새로운 개념으로 혁신할 필요가 있었다”고 말했다. 물리학의 표준모형은 2012년 힉스 입자의 발견으로 완성됐지만, 암흑물질을 포함해 몇몇 특정 현상은 여전히 설명하지 못한다. 하지만 이들 연구자는 마달라 입자가 암흑물질의 이해하기 힘든 기원을 설명하는 것을 도울 수 있다고 말한다. 사진=LHC 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr