▲ 上: 다세계 이론은 동시에 존재하는 무수한 세계에 모두 '사본'이 존재한다고 여긴다. 下: 여러 세계 속에서 동시에 존재하는 한 사람이 서로 다른 일을 하고 있다. 한 세계에서는 문을 지나고 다른 한 세계 속에 있는 '사본'은 문 한 쪽에 남아있다.
다세계 이론
밤하늘을 바라볼 때, 이 광대한 우주에는 무한히 많은 여러 세계가 동시에 존재하며 서로 연결되어 있을 것이라고 상상해 볼 수 있다. 그리고 사람들은 이 무한한 여러 세계 속에 동시에 존재하고 있으며, 매 세계에서는 각기 다른 형식과 모습으로 존재하고 있다고 생각해 볼 수도 있다. 마치 환상소설 같은 이것이 바로 양자역학(Quantum mechanics)에서 나오는 다세계이론(Many Worlds Theory)의 중심 내용이다.
이 이론은 1957년에 프린스턴대학의 물리학 박사 에버렛 (Hugh Everett)이 발표한 뒤 미국의 우주물리학자 요한 휠러(John Wheeler) 교수가 그것을 더욱 발전시켰다.
그 후 50년 동안 물리학자들은 꾸준히 이 이론을 연구하였는데, 영국 옥스포드 대학의 데이비드 도이치 (David Deutsch) 교수가 바로 그 대표적인 인물이다. 영국의 유명한 과학잡지 는 2001년 9월호에 도이치 교수와 인터뷰한 내용을 실었다. 그 기사에서 그는 여러 개의 세계가 동시에 존재한다는 이 생소한 개념을 일반인도 알기 쉽게 소개하였다.
미시세계에서 양자현상과 다른 공간
20세기 초, 물리학자들은 전자, 양성자와 같이 작은 입자는 모두 특이한 성질을 갖는다는 사실을 발견하였다. 그것들은 파동과 입자의 성질을 동시에 가져서, 아무 것도 없는 공간에서 나타났다가 다시 사라진다. 한 입자는 한 곳에만 있는 것이 아니라 여기저기에 통계적으로 분포되어 있으며, 어떤 특정한 곳에 확률적으로 많이 존재할 뿐이다.
이러한 양자현상은 전자와 같은 소립자의 미시세계에서만 일어난다. 그러나 도이치 교수는 이 양자현상을 ‘다세계’이론으로 설명하였는데 그 이론은 다음과 같다. 전자가 무수히 많은 다른 공간에 각각 다른 상태와 위치에 있기 때문에 매번 전자를 측정할 때마다 어떤 한 공간을 선택하며 그곳에 있는 전자를 발견하게 된다는 것이다. 그래서 전자가 어느 한 곳에 고정되어 있지 않고 확률적으로 분포되어 있는 것을 설명한다.
거시세계에도 다른 공간이 존재
도이치 교수는 양자 역학의 이 한 이론은 미시적 세계에 적합할 뿐만 아니라 거시적인 세계에도 적합하다는 견해를 주장한다. 비록 미시적 영역이지만 많은 실험을 통하여 양자역학의 믿음성이 실증되었고 모든 거시적인 물체는, 우리 자신을 포함하여 모두 이 미시적인 입자로 구성되었기 때문에 거시적인 영역에서 그것 역시 동일하게 마땅히 적용되어야 한다고 했다. 한 사람을 예로 들면, 그가 살고 있는 이 공간 외에 다른 공간이 무수히 존재하고, 각 공간에 그의 분신이 동시에 존재하며 약간씩 다른 모습과 일을 하고 있다는 것이다.
사람뿐만 아니라, 지구와 우주도 모두 그의 “분신”이 무수히 있고, 무수히 많은 다른 공간 속에 동시에 존재하고 있다고 한다. “이것은 나, 지구, 그리고 전 우주는 다른 여러 형태로 존재하며 우리는 하나의 단일 공간에 사는 한 개체가 아니라 광대하고 풍부한 다공간(다세계)으로 이루어진 우주에 살고 있다.”고 그는 말한다. 일반적으로 우리는 다른 공간의 존재를 느끼지 못할 뿐만 아니라 다른 공간의 또 다른 자신이 무엇을 하는지 모른다. 그러나 특정한 실험조건에서는 다른 세계의 존재를 엿볼 수 있다.
“다세계 이론”으로 입자의 파동성에 대한 의문을 풀다
1801년에 토마스 영(Thomas Young)이 빛의 파동성을 발견한 광학실험이 있다. 이로써 과학자들은 광자(光子)가 파동과 입자의 두 성질을 동시에 갖는다는 “이중성(duality)”을 주장했다. 입자의 파동성을 검증하기 위해서, 이후에 영의 광학실험을 변형하여 여러 실험을 하였는데, 한 실험에서 광자를 한 번에 한 개씩 두 틈(slit)을 향해 진행시켰다. 하나의 광자는 매번 오직 한 개 틈만을 통과함에도 불구하고 나타나지 말아야 할 간섭현상이 나타났다. 이것은 하나의 광자 주위에 마치 다른 광자들이 많이 존재하며, 매번 다른 틈으로도 통과하여 간섭현상을 일으키는 것과 같다.
▲ 빛을 구성하는 광자가 한 번에 한 개 씩 슬릿이 있는 스크린을 통과하면 이들은 아래사진(파동성 실험)의 경우처럼 간섭무늬를 형성한다. 이는 하나의 광자가 두 틈을 동시에 통과하거나 도이치 교수의 주장처럼 다른 공간에서 틈을 지나가는 보이지 않는 광자의 간섭 효과로 설명이 가능하다.
▲ 두 틈(슬릿)을 통하여 빛을 쪼이면 필름 위에 밝고 어두운 선이 나타난다.
사람들은 여러 가지 이론을 제기하여 이 현상을 해석하려고 하였으나 실패하였다. 이 퍼즐은 1950년대에 와서야 도이치 교수가 제안한 다세계 이론으로 입자의 파동성 실험의 의문점을 해결할 수 있었다. 즉, 한 단일 입자는 무수히 많은 다른 공간에 같은 입자(분신)로서 동시에 존재하며, 그들과 상호작용을 함으로써 간섭무늬를 만들 수 있다는 것이다.
현대과학으로 이해할 수 없었던 여러 현상들도 다세계이론으로 설명할 수 있다
최근 도이치 교수와 옥스퍼드 연구팀은 새로운 개념의 양자컴퓨터를 개발하고 있다. 이 양자컴퓨터는 동시에 여러 상태에 존재하는 입자들의 특성을 이용한 것으로서 머지않은 장래에 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 수퍼컴퓨터로도 계산하기 어려운 복잡한 문제를 쉽게 해결할 수 있다고 한다.
도이치 교수는 많은 물리학자들이 이 다세계이론을 인정하지 못함은 그들이 감히 전통적인 관념을 뛰어넘어 사유하지 못하고 단지 실용적인 측면으로만 양자이론을 응용하려고 하기 때문이라고 말한다. 그리고 그들이 항상 이용하는 방정식 뒤에 숨겨진 뜻이 무엇인지를 진정하게 사고하지 않기 때문이라고 한다.
현대과학의 가장 핵심이론인 양자이론으로 설명할 수 없는 현상들도 이 새로운 다세계의 개념으로 본다면 어쩌면 쉽게 이해할 수 있을 것 같다. 그리고 지금의 과학으로는 설명할 수 없어서 배척했던 여러 초상적이고 기이한 현상들도 어쩌면 이 다세계이론으로 쉽게 설명할 수 있을지도 모른다. 그뿐 아니라 우주, 생명의 신비와 지금까지 설명할 수 없었던 자연현상에 대해 더 새롭고 깊게 이해할 수 있는 중요한 열쇠를 제공해 줄지도 모른다.
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