물리학은 어디까지 설명할 수 있는가

다중우주, 빅뱅, 만물의 이론…….
아이디어와 과학을 혼동하지 말라

우리가 보는 별빛이 수억 광년 전의 별빛인 것처럼 어딘가에서 우리의 과거를 볼 수 있지 않을까? 정말로 다른 우주에 우리의 복제본이 있는 걸까? 정신은 물질의 작용일 뿐 우리는 자유의지가 있다고 착각하는 걸까? 물리학이나 우주론 책을 좀 읽어봤다 하는 독자라면 떠올려봤을 만한 물음들이다. 물리학이 본질을 파고들수록 물리학은 우리의 상상력을 자극한다. 물리학자들의 설명은 어디까지 진실일까?
『물리학은 어디까지 설명할 수 있는가』는 현대 물리학에서 제기된 거대한 질문에 물리학자들이 어떻게 답변하고 있는지를 비판적으로 들여다보는 책이다. 과학은 이론과 관측, 실험으로 이루어진다. 실체를 간접적으로나 직접적으로 확인할 수 없는 것을 과학이라 할 수 있을까? 이 책에서 저자 자비네 호젠펠더는 물리학자들의 아이디어와 과학의 영역에 있는 물리학을 구별하면서 현대 물리학의 한계를 날카롭게 진단한다. 스티븐 호킹, 숀 캐럴, 카를로 로벨리 등 저명한 물리학자들의 주장에 대해서도 예외가 없다. 이 책을 통해 물리학이 어디까지 답할 수 있는지 확인해보자.

"현대 물리학 연구 중 일부는 과학적이지 않다"
물리학의 거대한 질문들과 그 답변에 관한 솔직하고 날카로운 해설

물리학자들은 인류가 궁금해하는 질문들에 관해 탐구해왔으며 새롭게 등장하는 질문들에 "기가 막히게" 답을 잘 찾아낸다. 문제는 물리학자들이 답을 찾는 데 몰두하느라 그 답이 애초의 질문과 어떻게 연결되는지, 왜 그런 답을 내놓았는지를 설명하는 데는 능숙하지 못하다는 것이다.
'과거는 실제로 우주 어딘가에 존재하는가, 우리는 원자로 이루어진 일종의 사물에 불과한 것인가, 또 다른 우주에 나의 복제본이 있는 것인가…….' 이 책은 세상과 인간에 관해 우리의 경험적 인식과 다른 내용을 내놓는 현대 물리학에 궁극적으로 묻고 싶은 것을 질문하며 물리학자들의 이론을 연결시킨다. 거대한 질문에 대한 답을 찾아나가다 보면 물리학 이론이 명쾌하게 답할 수 없는 지점을 만나게 된다. 호젠펠더는 과학적으로 그르다고 분명하게 판정할 수 있는 주장인 '비非과학'과 구분해, 증거가 없어 옳다 그르다를 판정할 수 없는 가설을 '무無과학ascience'이라 칭한다. 이런 기준에 따르면, 초기 우주에 관한 설명이나, 양자역학의 해석에서 비롯된 다중우주 가설은 과학이 아니라 무과학에 해당한다.
호젠펠더는 물리학자들의 이론적 주장들 중 일부는 실은 과학이라기보다 믿음에 기반한 추측에 가깝다는 사실을 지적하며, 물리학 이론의 한계를 폭로한다. 물리학자들이 말하는 것들을 이해하려고 노력하기에 앞서 우리가 궁금해하는 질문이 무엇인지, 물리학자들의 답변이 과학적으로 신뢰할 만한 것인지에 집중해보자. 이 책은 현대 물리학에서 과학적으로 좀 더 생산적인 논의를 가려낼 수 있는 안목을 길러줄 것이다.

과학과 추측, 신념의 경계는 어디인가
물리학의 한계를 인정하고 좋은 과학적 설명을 가려내다

시간과 공간, 우주의 시작과 끝, 원소와 입자 등 물리학은 직관과 종교에 의존해 세상을 바라보았던 우리 인식의 틀을 바꿔놓았다. 물리학은 세상에 관해 놀라운 사실을 많이 밝혀냈지만 더 근본적인 자연법칙이나 원리를 찾기 위해 파고들수록 아직 설명할 수 없는 무지의 세계를 맞닥뜨리곤 한다.
이 책에서 호젠펠더는 상대성이론, 빅뱅이론, 엔트로피, 양자역학, 다중우주, 시뮬레이션 우주 등 현대 물리학을 이루는 주요 이론들을 검토하며 그것이 과연 과학적으로 타당한 설명인지를 검토한다. 물리학의 목적은 자연현상의 관측을 서술하는 것이며, 관측을 서술하는 데 불필요하거나 이론적인 내용이 관측 불가능한 것이라면 그것은 과학이 아니라는 것이 호젠펠더의 입장이다(1장). 호젠펠더는 자연상수들이 왜 지금의 값인지를 알아내려는 시도나 관측이 원천적으로 불가능한 평행우주를 끌어들이는 이론들은 수학이라는 허울을 뒤집어쓰고 과학으로 변장한 종교라며 신랄하게 비판한다(에필로그 참조). 특히 물리학자들은 수학을 도구가 아니라 실재라고 인식하는 오류에 빠진다는 점을 지적한다. 물리학자들의 그런 탐구나 가정들을 틀렸다고는 할 수 없다. 다만 과학이라고 말하지는 말자는 것이다.
이 책은 다른 물리학자의 견해도 들을 수 있도록 저명한 물리학자 팀 파머, 데이비드 도이치, 로저 펜로즈, 지야 메랄리와의 인터뷰도 담았다. 근본적인 설명을 찾는 물리학자들은 종종 몸과 마음이 독립적으로 존재한다는 이원론, 합성체는 구성 물질의 작용에 의해 결정된다는 환원주의, 구성 요소 수준에서 정의될 수 없는 상위 계층의 성질이 나타남을 인정하는 창발성 등 철학적 개념에 닿는다. 호젠펠더는 과학과 철학, 종교에 관해 대화를 나누며 물리학자들의 생각을 듣는다. 이 책은 물리학자들이 세상을 어떻게 바라보고 있는지, 좋은 과학적 설명이 무엇인지에 관해 생각해볼 수 있는 기회를 제공할 것이다.

프롤로그
경고

1장 과거는 정말 어딘가에 존재하는가
2장 물리학은 우주의 시작과 끝을 밝혀낼 수 있는가
| 인터뷰 #1 | 팀 파머_과연 수학이 전부인가
3장 물리학적으로 젊음을 되돌릴 수는 없는가
4장 우리는 그저 원자가 든 자루일 뿐인가
| 인터뷰 #2 | 데이비드 도이치_지식은 예측할 수 있는가
5장 정말 다른 세계에 또 다른 내가 존재하는가
6장 물리학은 자유의지를 부정하는가
| 인터뷰 #3 | 로저 펜로즈_의식은 연산 가능한가
7장 우주는 우리를 위해 만들어졌는가
8장 우주는 생각하는가
| 인터뷰 #4 | 지야 메랄리_우리는 우주를 창조할 수 있을까?
9장 인간은 예측 가능한 존재인가

에필로그 그래서 이 모든 것의 목적은 무엇인가

감사의 말
핵심 용어
주
찾아보기

자비네 호젠펠더 Sabine Hossenfelder

이론물리학자이자 수학자. 과학 작가, 커뮤니케이터, 콘텐츠 제작자로도 활동하고 있다. 독일 프랑크푸르트 괴테대학교에서 수학 학사 및 석사 학위를, 물리학으로 박사 학위를 받았다. 박사 학위 논문으로 거대 강입자 충돌기가 미세한 블랙홀을 생성할 가능성을 탐구해 우수한 평가를 받았다. 이후 미국, 캐나다, 스웨덴에서 연구했으며, 2015년부터 2022년까지 프랑크푸르트 고등연구소에 재직했다. 현재는 뮌헨 수학철학 센터(MCMP)에서 연구하고 있다. 주요 관심사는 물리학 이론이며, 양자중력을 비롯해 입자물리학, 우주론, 천체물리학, 통계역학, 양자기초 등 다양한 주제에 관해 80편이 넘는 논문을 발표했다.
2006년부터 과학블로그 Backreaction(역반응)에 물리학계의 잘못된 관행을 비판하는 글을 쓰기 시작했으며, 『뉴욕 타임스』, 『네이처』, 『사이언티픽 아메리칸』, 『포브스』, 『피직스 투데이』 등에 기고했다. 코로나19 팬데믹 당시에는 연구실에 가지 못하는 동안 유튜브 활동에 몰입했는데, 꾸준히 올린 영상이 좋은 반응을 얻어 현재 유튜브 채널 구독자가 130만 명을 넘어섰다. 과학 커뮤니케이터로서의 역할을 진지하게 받아들여 과학의 맥락을 이해하고 싶은 이들을 위해 동영상을 제작하고 있다. 팟캐스트와 SNS 활동도 활발하게 하며, 과학 마니아와 관심사를 나누기 위해 질문에 답해주는 이메일 서비스(유료)도 운영하고 있다. 연구가 방해받지 않겠냐는 동료들의 우려에도 지금까지 연구자와 대중 과학자 두 가지 역할을 잘해내고 있다는 자부심을 가지고 있으며, 안정적인 수입을 창출해 연구 지원금 외에 스스로 연구 자금을 조달하며 논문을 쓰고 있다. 지은 책으로 『수학의 함정』이 있다.

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