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내가 살고 있는 세계와 교차하지 않는 평행 세계가 있을 것이라는 개념은 많은 사람들이 공상과학이나 다큐멘터리를 통해 들어본 적이 있을 것이다. 매우 흥미로운 주제이고, 과학적이면서도 문화적 뿌리를 가지고 있다고 여겨지는 분야이다. 그런데, 이러한 이론의 주요 출처 중 하나는 신화를 다루는 분야도 아니고, 전통적인 구전으로 이루어진 문화적인 것에 바탕을 둔 것도 아니라 물리학, 특히 양자역학(Quantum Mechanics)과 우주론(Cosmology)이라는 것이다.
“평행 세계” 이론은 왜 물리학에서 유래했을까? “평행 세계”가 있다는 것은 신화처럼 느껴지지만, 오늘날 대부분의 사람들이 이야기하는 버전, 즉 여러 개의 ‘시간영역’이든가, 여러 버전의 현실, 나란히 존재하는 우주는 신화에서 비롯된 것이 아니다. 각각이 의미하는 바를 들어 보면, 이것이 신화적으로 전해 내려왔다는 생각에 약간의 의문이 생기기는 한다.
예를 들어 여러 개의 ‘시간영역’(1)이란 모든 중요한 선택이나 사건이 서로 다른 미래로 이어질 수 있으며, 각각은 별도의 ‘시간영역’을 형성한다는 개념이다.
또 여러 버전의 현실(1)이라는 의미도 다른 다양한 결과가 가능할 때, 현실은 여러 버전으로 나뉘며, 각 버전은 서로 다른 결과가 포함된다는 개념이다.
특히 나란히 존재하는 우주들(2)이란 표현은 특히 신화적일 수 없다는 생각이 많이 드는 표현인데, 이것은 여러 개의 서로 다른 우주가 동시에 존재하며, 각 우주가 사건이나 법칙 또는 역사에 대한 고유한 버전을 가지고 있다는 개념이다.
이런 표현들은 매우 구체적이며, 우주라는 것을 과연 옛 사람들이 생각을 이렇게까지 생각했을까 하는 의문을 가지게 한다(3). 이렇게 이러한 표현은 오히려 과학 토론, 교과서, 다큐멘터리, 강의, 특히 양자역학(4)과 우주론에 대한 설명에서 자주 등장한다. 다시 말해, 신화적인 것이 아니라 현대 물리학에서 비롯된 것이라는 이야기이다. 그리고 그저 아무 물리학에 나오는 것이 아니라 특히 양자역학(Quantum Mechanics)과 우주론(Cosmology)에서 비롯된다는 것이다.
그래도 마음 한 켠에서는 자연스럽게 떠오르는 질문이 있다. 왜 하필 물리학일까? 심리학, 철학, 고대 전설은 왜 아닐까? 그러나 이 글을 읽을 때 중요하게 염두에 두어야 할 것은 이 모든 주장이 언제라도 가설로 변할 수 있는 주장이라는 것이다. 결국 모든 것은 사람의 머리에서 나왔고, 또 그렇게 큰 소리로 주장을 했기에 사람들은 그렇다고 여겨주지만, 중요한 것은 반박할 수 있는 주장이 아직 나오지 않았을 뿐이지, 그들의 주장이 완전한 진리라고 할 수는 없는 것이다.
과학은 발견에 의해 주장을 만든다. 발견한다는 것은 존재하는 대상이 있기 때문이다. 그렇다면 존재하는 대상의 시작은 어떻게 되었는지 그것이 해결이 되지 않는다면, 단지 내가 그들보다 그 분야에서 많은 지식이 없기 때문에 그들의 주장을 한 번 들어준다고 생각해야 하는 것이다. 진리라는 것은 어떤 경우에도, 또 아무리 많은 시간이 지나도 같아야 하는 것이기 때문이다. 변한다면 그것은 진리가 아니기 때문에 진리로 섣불리 받아들이는 것은 매우 위험한 생각이라는 것이다.
아직까지 이 “평행 세계”에 대한 부분에 대해 확실하게 알 수 있는 것은 양자역학이 “평행 세계”를 탄생시켰다는 것이다. 양자역학은 전자, 광자, 원자와 같은 현실의 가장 작은 구성 요소를 다룬다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이 작은 입자들의 기이한 움직임은 물리학자들에게 “현실”의 의미조차 다시 생각하게 만들었다는 것이다. 이 “기이한 움직임”이라는 표현자체가 모든 것을 정의 내릴 수 없다는 것을 나타내고 있는 것이다. 그래서 이에 대한 설명은 다음과 같이 주로 주어진다.
우선 첫 번째로, 양자역학은 입자가 동시에 여러 가지 가능한 상태를 취한다는 것이다. 즉, 이것을 “Superposition”이라고 하는데, 매우 이상한 현상이지만, 전자는 한 곳에만 존재하는 것이 아니라 수학적인 관점에서 보면, 관찰되기 전까지 동시에 여러 가능한 장소에 존재할 수 있다고 되어 있다(5).
두 번째로, 일부 물리학자들은 “수학적으로 여러 상태가 존재한다는 것이 가능하다면, …, 만약 그 상태가 모두 존재한다면 어떨까?”라고 질문했다는 것이다. 여기서 Hugh Everett이 등장한다. 1957년, 그는 양자역학에 대한 “Many-Worlds Interpretation”을 제안했다고 한다. 이 “Many-Worlds Interpretation”에서 “양자 사건의 모든 가능한 결과는 발생하지만, 서로 다른, 갈라지는 우주에서 발생한다”고 되어 있다. 이것이 현대의 “평행 우주(Parallel Universes)(1)”의 기원이다.
세 번째로, 양자역학은 무작위성(Randomness)에 대한 설명이 필요했다는 것이다. 일부 해석은 “우주는 무작위로 하나의 결과를 선택한다”고 되어 있으나 Hugh Everett의 해석은 “우주는 선택하지 않고 단순히 분열될 뿐이며, 각 결과는 서로 다른 갈래로 갈라진다”고 해석했다는 것이다. 도대체 그렇게 주장한 근거는 무엇이었을까? 이는 너무나 급진적이어서 그 당시 과학자, 공상과학 작가, 그리고 일반 대중의 상상력을 자연스럽게 사로잡았다고 한다.
그래서 1957년에 제안된 Hugh Everett의 “Many-Worlds Interpretation”은 평행 우주 개념에 대한 강력하고 새로운 틀을 제공하는 급진적인 아이디어였기 때문에, 이 개념은 곧 SF 소설의 주요 영감이 되었을 것이다. 하지만 이 아이디어는 1970년대 초 물리학자 Bryce DeWitt에 의해 대중화되기 전까지는 물리학 외의 분야에서는 널리 알려지거나 영향력을 발휘하지 못했다고 한다. 이러한 시간적 지연으로 인해 Hugh Everett의 “Many-Worlds Interpretation”을 직접적 기반으로 한 가장 유명하고 널리 알려진 소설들은 그의 1957년 논문 바로 다음이 아니라 1970년대 이후에 나왔다고 한다. 대체되는 ‘시간영역’의 개념은 마법이나 시간 여행 같은 생각을 통해서 그 이전에도 존재했지만, “Many-Worlds Interpretation”은 “Multiverse”의 존재에 대한 과학적, 양자 역학적 근거를 제공했고, 작가들은 이를 활용하기 시작했다는 것이다(7). 그러나 Hugh Everett의 “Many-Worlds Interpretation” 개념이 대중화되기 전에도 평행 또는 대체 현실이라는 개념이 공상과학에 존재했다는 점도 주목할 만하다. 이렇게 공상과학 소설이 존재한다는 것은 사실로 밝혀질 수 있는 어떤 확실한 근거가 없다는 일면을 보여주기도 한다.
또한 우주론(Cosmology)이 평행 우주(Parallel Universes)를 만들어낸 이유가 있다. 우주론은 우주 전체, 그 기원, 그리고 그 구조를 다루는 학문이다. 그래서 “Multiverse”라는 개념을 만들어낸 두 가지 주요 발전은 다음과 같다.
첫 번째가 초기 우주는 서로 다른 속도로 팽창했다는 “Inflation Theory”이다. Inflation Theory에 따르면, Big Bang 이후 우주는 믿을 수 없을 정도로 빠른 속도록 팽창했다고 한다. 하지만 ‘Inflation’은 균일하게 일어나지 않았을 수도 있다고 했다. 초기 우주의 서로 다른 영역은 서로 다른 방식으로 팽창하여 서로 다른 물리 법칙을 가진 별개의 우주를 형성했을 수 있다는 것이다. 이것이 바로 “Cosmic Bubble Multiverse(6)”이라는 것이다.
두 번째는 “Big Bang Equation”은 가능한 우주가 많다는 것을 허용한다는 것이다. 수학 자체는 단 하나의 우주만 필요한 것은 아니며, 우주론자들은 다음과 같은 사실을 깨달았다고 한다. “일반 상대성 이론의 방정식은 “Multiverse”의 존재를 금지하지 않는다. 오히려 자연적으로 “Multiverse”를 만들어낼 수도 있다(2)” Max Tegmark는 “Multiverse”를 4단계로 분류했는데, 이는 “Multiverse 이론”의 토대가 되었다고 한다.
지금까지의 이야기는 양자역학은 현실이 동시에 여러 가능한 방식으로 작용할 수 있음을 보여주었고 우주론은 우주가 혼자가 아니라 수많은 거품 중 하나일 수 있음을 보여주었다. 그래서 과학자들은 “수학적으로 이미 이러한 가능성이 허용된다면, 왜 우주가 유일한 우주라고 가정하는가”라고 질문했다는 것이다. 물리학에서 비롯된 이 하나의 질문은 현대 평행 세계(Parallel Worlds) 개념의 씨앗이 되었다고 한다. 이전에는 “다른 세계”라는 것이 신화적이거나 영적인 것이었을 수도 있지만, 물리학이 등장한 후, “다른 세계”는 과학적으로 어떤 가능성을 보여주게 된 것이다. 이 과학적인 가능성이라는 것은 결정된 것이 아니라 모든 것이 사람들의 발견에 근거해서 그들의 머리에서 나왔다는 것을 유념해야 한다. 그래서 이론적으로 이것이 바로 오늘날 이야기하는 개념이 양자역학과 우주론에서 나온 이유라고 하는 것이다.
이 아이디어의 가장 유명한 버전은 양자역학의 “Many-Worlds Interpretation(다중 세계 해석)(8)”으로 이는 1957년 물리학자 Hugh Everett 3세가 제안한 것으로 알려져 있다.
그의 아이디어는 여러 가지 가능한 결과를 가진 갑작스럽고 불확실하며 확률적인 느낌을 주는 무엇인가 발생할 때마다 우주가 “분열”하고 각 결과가 별도의 평행 세계에서 발생한다는 것이었다. 즉, 무엇인가가 여러 방향으로 나아갈 수 있을 때마다 모든 가능한 결과가 실제로 발생한다는 생각인데, 각 결과는 그 나름의 우주의 버전에서 발생한다고 한다. 다른 말로 해서, 과학자들은 원자나 전자 같은 작은 입자를 아주 자세히 관찰했을 때, 그 입자들이 다음에 무엇을 할지 불분명한 경우가 있다는 것을 발견하게 되는데, 예를 들어, 입자가 왼쪽으로 갈 확률이 50%이고 오른쪽으로 갈 확률이 50%일 수 있는데, 대부분의 사람들은 입자가 어느 쪽으로 든 갈 것이라고 생각할 것이다.
하지만 Hugh Everett이나 후에 Sean Carroll과 같은 일부 과학자들은 다른 생각을 하게 되었는데, 그들은 “만약 우주가 그러한 선택이 일어날 때마다 자신의 복사체를 만든다면 어떨까?”라고 생각했다고 한다. 즉, 한 우주에서는 입자가 왼쪽으로 가고, 다른 우주에서는 오른쪽으로 갈 수 있다는 것이다. 두 가지 결과가 모두 발생하지만, 우주의 다른 복사체된 버전에서는 그렇다는 이야기로, 즉, 다른 결과를 담고 있는 우주가 분리된다는 것이다. 그래서 거리에서 좌회전할지 우회전할 지와 같은 결정을 내릴 때, 한 우주에서는 왼쪽으로 가는 나의 모습이, 다른 우주에서는 오른쪽으로 가는 나의 모습이 있다고 하는 생각하는 것이고, 이를 양자역학의 “Many-Worlds Interpretation”이라고 한다.
처음에는 대부분의 과학자들이 이를 심각하게 받아들이지 않았다고 한다. 하지만 시간이 지나면서 관심을 받게 되었고, 오히려 이는 현재 물리학에서 논의되는 양자역학에 대한 여러 진지한 해석 중 하나가 되었다. 예를 들어, 물리학자 Sean Carroll(3)은 그의 저서 『Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime(9)』(2019)에서 이에 대해 이야기를 한다. 그는 Many-Worlds 이론이 어떤 것도 붕괴되거나 신비롭게 사라질 필요 없이 양자역학을 이해하는 일관된 방법을 제공한다고 설명을 한다.
결코 만나지 못하거나 접근할 수 없는 평행 세계라는 개념은 과학적이든 상상력이든 여러 방식으로 상상되어 왔다. 우주론에서 “Multiverse(10)”라는 개념은 서로 다른 물리 법칙을 가진 여러 개의 우주가 존재할 수 있으며, 우리는 그 우주들과 결코 상호작용하지 않을 수도 있다는 것을 보여주는데, 이는 Max Tegmark의 저서 『Our Mathematical Universe(11)』에서 다뤄지며, 그는 Multiverse 이론의 다양한 수준을 설명을 한다고 했다.
String Theory에서 유명한 아이디어 중 하나인 “Brane-World” 시나리오도 있다. 이는 우주가 고차원 ‘공간’에 떠 있는 3차원 표면(“Brane”) 위에 있을 수 있으며, 다른 Brane, 즉 다른 우주가 우리 근처에 있을 수 있지만 우리가 볼 수 없거나 상호작용할 수 없다는 것을 보여주는 것이다. 이 아이디어는 2000년대 초 Lisa Randall과 Raman Sundrum 같은 물리학자들이 탐구했다고 한다.
“뒤집힌 세상(Upside Down)”이 나오는 『Stranger Things』나, 영화 『Everything Everywhere All at Once』 같은 이야기는 나란히 존재하지만 보통은 닿지 않는 평행 현실이라는 개념을 다루고 있다. 아직 이러한 다른 세계가 존재한다는 증거는 없지만, 이 아이디어는 양자 이론, 우주론, 그리고 대중문화에 깊이 뿌리내리고 있다고 한다. 현실의 한계, 그리고 그 너머에 무엇이 있을지 상상하는 하나의 방식이 되었다고 한다.
Sean Carroll의 “Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime(9)”라는 책은 양자역학의 다중세계 해석(Many-World Interpretation)과 시공간이 어떻게 생겨날 수 있는지를 일반 독자도 이해할 수 있는 언어로 설명한다.
Huge Everett의 1957년 논문은 기본적으로 양자역학의 가장 큰 수수께끼 중 하나인 “측정 문제”를 풀려는 그의 시도였다. 전통적인 양자 이론에서는 두 단계가 있다. 파동 함수는 Schrödinger 방정식에 따라 부드럽게 변화하다가, 측정을 하는 순간 갑자기 하나의 결과로 붕괴된다. Huge Everett은 이 붕괴라는 아이디어가 인위적이라고 생각했다.
그렇다면 그는 대신 무엇을 제안했을까? 그는 이렇게 말했다. “파동 함수는 절대 붕괴되지 않을 지도 모른다. 대신, 양자 사건의 모든 가능한 결과는 더 크고 보편적인 파동 함수로 계속 존재한다. 측정을 한다고 해서 다른 가능성들이 사라지는 것이 아니라, 단지 특정 결과가 발생한 하나의 가지에 머무르게 될 뿐이다. 한편, 다른 가지에서는 다른 결과가 발생했고, 당신과 똑같은 사람이 그 경험을 했다.”
그래서 사람들은 Huge Everett의 아이디어를 “평행 세계 이론”과 연관 짓는 이유이다. 그는 대중문화에서 흔히 쓰이는 그런 표현을 직접 사용하지는 않았지만, 논리는 같다. 양자적 선택이 일어날 때마다 우주는 여러 개의, 똑같이 실제적인 버전으로 계속 분열 또는 새로운 가지가 생기게 된다는 것이다. 예를 들어, 한 세계에서는 고양이가 살아 있고, 다른 세계에서는 죽었지만, 두 세계 모두 우주 파동 함수의 일부이다. 즉, Huge Everett의 핵심 주장은 붕괴가 아니라 단지 가지가 만들어지는 것이었다. 그리고 그 가지가 만들어진다는 것은 Bryce DeWitt과 같은 후대 사상가들이 양자역학의 “다중세계 해석(Many-Worlds Interpretation)”이라고 부른 것이다.
언급된 각주의 내용
(1) “Relative State” Formulation of Quantum Mechanics, Hugh Everett III, 1957, https://plato.stanford.edu/archives/sum2012/entries/qm-everett/, https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.29.454,
(2) Parallel Universes, Max Tegmark, Scientific American, 2003, https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/multiverse_sciam.pdf
(3) Sean Carroll의 블로그 및 책: https://www.preposterousuniverse.com/ , https://www.preposterousuniverse.com/?s=The+Many-Worlds+of+Quantum+Mechanics
(4) Quantum Physics III, MIT OpenCourseWare, https://ocw.mit.edu/courses/8-06-quantum-physics-iii-spring-2018/
(5) Introduction to Quantum Mechanics, David J. Griffiths, 1995, https://www.fisica.net/mecanica-quantica/Griffiths%20-%20Introduction%20to%20quantum%20mechanics.pdf
(6) Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems, Alan Guth, Eternal Inflation theory, 1981, https://www.astro.rug.nl/~weygaert/tim1publication/cosmo2007/literature/inflationary.universe.guth.physrevd-1981.pdf,
> The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos, Brian Greene, 2011, https://en.wikipedia.org/wiki/The_Hidden_Reality
(7) “Many-Worlds Interpretation”에 의해 영감 받아서 나온 소설들
> 『The Man Who Folded Himself』, David Gerrold, 1973, https://en.wikipedia.org/wiki/The_Man_Who_Folded_Himself
> 『The Number of the Beast』, Robert A. Heinlein, 1980, https://en.wikipedia.org/wiki/The_Number_of_the_Beast_(novel)
> 『The Guns of Avalon』Roger Zelazny , 1972, https://en.wikipedia.org/wiki/The_Guns_of_Avalon
(8) The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, DeWitt & Graham, 1973, https://api.pageplace.de/preview/DT0400.9781400868056_A26062617/preview-9781400868056_A26062617.pdf, https://cqi.inf.usi.ch/qic/everett_phd.pdf,
> Many Worlds? Everett, Quantum Theory, and Reality, (Saunders, Barrett, Kent, Wallace 2010), https://academic.oup.com/book/11755
(9) Something Deeply Hidden, Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime, Sean M. Carroll, 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Something_Deeply_Hidden, https://www.wired.com/story/sean-carroll-thinks-we-all-exist-on-multiple-worlds
(10) The Emergent Multiverse: Quantum Theory according to the Everett Interpretation, David Wallace, 2012, https://ndpr.nd.edu/reviews/the-emergent-multiverse-quantum-theory-according-to-the-everett-interpretation
(11) “The Interpretation of Quantum Mechanics: Many Worlds or Many Words?”, Max Tegmark, 1997, https://arxiv.org/abs/quant-ph/9709032