양자의식 이론

[래리]

펜로즈의 양자의식 이론 과연 가능성 있는가?

마음이란 무엇일까? 과연 마음은 어디에서 오는 것일까? 이 마음과 의식의 수수께끼를 과연 과학으로 풀 수 있을까? 지금 세계의 내로라하는 최고의 지성과 최전선의 과학자들이 이 문제에 다투어 도전하고 있다. 그러나 동서고금을 통해 마음과 의식 연구의 제1 주체는 철학이었다. 최첨단 과학의 시대인 21세기에도 철학의 역할은, 적어도 마음과 의식과 정신과 영혼의 연구에서만큼은, 조금도 줄어들지 않고 있다. 오히려 마음 연구에서 철학의 역할과 통찰력은 모든 분과 학문의 바탕이자 등불이자 길잡이이자 ‘자리매김이’로서, 과학이 발전하면 할수록 더욱 더 커지고 있다. 물론 과학은 단연 탐구의 최전선을 달리고 있다. 뉴턴 역학, 아인슈타인의 상대성이론, 양자역학, 복잡성 과학, 초끈이론 따위를 두루 종횡하며 21세기를 열어젖힌 과학은 그러나 이제, 인류의 가장 심원한 문제이면서도 그동안 객관적 경험과학의 눈길을 거의 받아오지 못했던 저 오래된 수수께끼를 새삼 경이로운 탐구의 신천지로 (재)발견하고 서서히, 아니 아주 빠르게, 그 말할 수 없는 매혹 속으로 빠져들고 있다. 다시 말해 역설적으로 과학은 철학 속에서 가장 궁극적이고 가장 흥미로운 과학의 본령을 발견하기에 이른 것이다. 마음, 의식, 정신, 영혼 앞에서 이제 과학은 철학보다 더 설레는 마음으로 발걸음을 재촉하고 있다. 

Francis Crick (from: blog.guardian.co.uk/science) 

아마도 과학자들 중에서 단연 두드러지게 마음 · 의식 문제를 본격적으로 파고든 사람은 프랜시스 크릭(Francis Crick, 1916. 06. 08~2004. 07. 28)일 것이다. 사실상 과학(자들)이 주관적, 추상적, 관념적인 마음 · 의식에 매혹을 느끼고 객관적, 경험적, 과학적으로 탐구하도록 주춧돌을 놓고 그 첫문을 열어젖힌 사람이 바로 1953년 제임스 왓슨(James Watson)과 함께 유전자의 본체인 디옥시리보핵산(DNA, Deoxyribonucleic acid)의 이중나선 구조를 처음으로 밝혀낸 프랜시스 크릭인 것이다. 프랜시스 크릭은 1990년, 젊은 동료 신경과학자 크리스토프 코흐(Christof Koch)와 함께 《신경과학 세미나 Seminars in the Neurosciences》라는 학술지에 「의식의 신경생물학 이론을 향하여 Towards a neurobiological theory of consciousness」라는 기념비적 논문을 발표하면서, 마음 · 의식을 과학적으로 탐구해나갈 것을 천명했던 것이다. 그로써, 이중나선 구조 발견으로 생물학에서 하나의 큰 획을 그었던 프랜시스 크릭은 그 뒤로 마음과 의식의 수수께끼를 자신의 최종적 탐구 주제로 삼고 삶의 마지막까지 연구에 매진하게 된다. 

The Queen presenting Sir Roger Penrose with the Order of Merit during a private 

audience at Buckingham Palace, 25 July 2000 (from: www.royal.gov.uk). 

학계는 물론이고 일반 대중에게 마음 · 의식에 대한 과학적 탐구와 흥미를 불러일으킨 대표적인 또 한 사람이 바로 로저 펜로즈(Roger Penrose)다. 펜로즈는 1989년과 1994년에 잇달아 『황제의 새 마음 ― 컴퓨터, 마음, 물리 법칙에 관하여』와 『마음의 그림자 ― 잃어버린 의식 과학을 찾아서』라는 탁월한 문제작을 써내면서 철학계와 과학계에 모두 매우 열띤 논쟁과 화제를 몰고왔다. 

펜로즈의 양자의식 이론은 마취학자 스튜어트 해머로프와 함께 주창한 것으로 “조화로운 객관적 오그라듦(≒ 붕괴) 의식 이론(Orchestrated Objective Reduction Theory of Consciousness = Orch OR model of Consciousness)”으로 불린다. 이것은 뉴런의 나노미터급 구성요소인 미세소관과 관련된 양자정보처리 이론과 아직은 가설 단계인 양자중력 이론을 결합한 것이다. 그리고 이 이론의 철학적 배경은 플라톤주의, 쿠르트 괴델의 불완전성 정리, 강인공지능 반대 논증 따위가 뒷받침하고 있다.

이 펜로즈-해머로프의 양자의식 이론에 대해 신경과학자 크리스토프 코흐(Christof Koch), 마음철학자 패트리샤 처칠랜드(Patricia S. Churchland), 인공지능학자 마빈 민스키(Marvin Minsky), 인지과학자 폴 쌔거드(Paul Thagard, 폴 새가드), 과학철학자 스티븐 와인스타인(Steven Weinstein)을 비롯한 많은 학자들은 거의 야유와 조롱에 가까운 어조로 전혀 가능성이 없는 이론이라고 비판했다. 그러나 이들이 내세운 양자의식 이론 반박 논증 또한 그렇게 큰 설득력이 있다고 볼 수는 없다. 오히려 대부분의 반양자의식론자들의 논거와 논증은 펜로즈-해머로프의 논거와 논증의 수준에 한참 못 미친다고 할 수도 있다. 왜냐 하면, 이들의 논증은 대부분 다음과 같은 잘 알려진 초보적 삼단논법 논증을 양자의식 이론가들이 암암리에 전제하고 있다고 선제한 다음, 이를 역으로 유추 적용하여 반대 논증을 전개하고 있기 때문이다(이것은 일종의 선결 문제의 오류 + 피장파장의 오류다). 즉, “양자역학은 신비롭다, 의식도 또한 신비롭다, 따라서 양자역학과 의식은 서로 연관관계가 있다”라는 신비주의적 논리를 양자의식 이론가들이 전제하고 있다고 미리 혐의를 뒤집어 씌우는 것이다(김동광 선생이 옮긴 존 호건의 『과학의 종말』 241-243쪽 참조할 것) . 그러나 이런 논거/논증은 아무런 설득력도 없는 것이다. 

  

Max Tegmark and Charles Seife (from: http://web.mit.edu, www.princeton.edu)

그러나 2000년, (그 당시엔 펜실베이니아 대학교에 재직하고 있었지만 2004에 매사추세츠 공과대학 물리학과로 옮겨온) 우주론 학자이자 물리학자인 맥스 테그마크가 처음으로 과학적인 근거로써 펜로즈-해머로프의 양자의식 이론을 설득력 있게 논파하는 논문을 발표한다. 테그마크의 논증은 철저히 구체적인 과학적 자료에 근거한 것이었다. 이 논문을 보고 펜로즈와 해머로프에게 신비주의자라는 혐의를 뒤집어 씌웠던 많은 신경과학자, 인지과학자, 물리학자 들은 쾌재를 불렀다. 아래에 소개하는 과학저술가 촬스 시프(Charles Seife, 찰스 시프)의 글은 맥스 테그마크의 논문의 요점을 잘 추려서 전달하고 있다. 구체적 내용은 아래의 《사이언스Science》 지 기사를 참조하기 바란다. 

 

Diagram of a typical myelinated vertebrate neuron. (from: www.memoryzine.com/neuroplasticity.htm) 

하지만 2002년, 펜로즈-해머로프 진영도 반박 논문을 테그마크가 위 논문을 발표했던 《물리학 리뷰 E》 지에 똑같이 발표한다. 그 뒤로 논전은 어느 정도 양자의식론 반박론자들이 우세한 듯하지만, 지금까지 확실하게 결판난 사항은 거의 없다고 할 수 있다. 아니 오히려 궁극적으로는 양자의식론자들이 승리하리라는 예감이 든다. 왜냐 하면 그동안 뇌 안에서 양자적 신경작용이 발생하리라는 (결정적이고 직접적인 증거는 아니지만) 많은 간접적 증거들이 축적되어 왔기 때문이다(해머로프의 2007년 논문 참조할 것). 그런데 여기서 지적해두어야 할 한 가지 중요한 사실은, 21세기 최첨단 과학의 시대인 현재까지도, 1000억 개에 이르는 인간 뇌세포, 뉴런의 작동을 양자적 수준까지 파악토록 해줄 수 있는 신경과학기술의 개발은 아직도 요원하다는 것이다. 즉 현단계는 마음 · 의식의 발생 기제 탐구에 관한 한, 권투 장갑을 끼고 4~100 마이크로미터(㎛)에 이르는 미세한 뉴런들의 세포체를 일일이 해부해서 파악해보겠다는, 지극히 무디고 무딘 수준보다 훨씬 못한 단계에 지나지 않는다라는 사실이다. 다시 말해 뇌의 양자적 작동의 실체 파악은 아직도 21세기의 지평선 저 너머에 있는 것이다. 즉 양자의식 이론의 반증 혹은 입증은 아직은 너무 이른 단계다. 

1953년 프랜시스 크릭이 제임스 왓슨과 함께 디엔에이(DNA)의 이중나선 구조를 처음으로 밝혀내 생명의 신비의 첫 관문을 열어젖혔듯이, 이제 마음 · 의식의 디엔에이(DNA)를 밝혀낼 또 다른 프랜시스 크릭을 우리는 대망한다. 프랜시스 크릭은 2004년 7월 28일 결장암으로 죽는 날까지 병상에서 마지막 의식 관련 논문을 다듬고 있었다. 어떤 사람이 프랜시스 크릭에게 다음과 같이 물었다고 한다. “크릭 박사님, 박사님께선 훗날 어떤 사람으로 기억되길 바라십니까?” 크릭은 다소 의외스런 대답을 했다. “젊은이들이 의식이라는 수수께끼를 열정적으로 탐구해 나가도록 자극해준 사람, 그런 사람으로 기억되고 싶소.” (To excite younger people to study the problem of consciousness). 

과학의 역사에서 가장 위대한 발견 가운데 하나를 성취했던 과학자 중의 과학자 프랜시스 크릭. 그는 자신의 마지막 탐구 대상으로 마음 · 의식을 선택했듯이 과학의 마지막 수수께끼 또한 마음 · 의식이라고 보았던 것이다. 자, 지적 욕구에 불타는 우리 젊은이 여러분, 이제 할 일을 하나 찾은 것 아닌가? 

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양자 마음 ― 초저온에서 얼어붙다 

촬스 시프 (Charles Seife, 찰스 시프, 찰스 세이프, 찰스 사이프) 

▷ [옮긴이 주 ―제가 확인한 바에 따르면 “Charles Seife”의 음역으로는 ‘촬스 시프’가 현지 발음에 가장 가깝다고 생각합니다. “찰스 세이프”와 “찰스 사이프”는, 현재 한국에 번역 · 출간된 촬스(찰스) 시프의 책이 세 권 있는데요, 그 세 번역판에서 각각 찰스 세이프와 찰스 사이프로 표기했기 때문에 검색의 편의를 위해서 병기해 놓은 것입니다.]

양자물리학적 계산에 따르면, 의식의 신비는 두뇌 속 미세 골격에서 발생하는 파동 함수의 붕괴로는 설명할 수 없음이 밝혀졌다. 

로저 펜로즈 경(Sir Roger Penrose)의 주장에는 모순이 있다. 맥스 테그마크(Max Tegmark)는 그 사실을 입증할 수 있다고 말한다. 즉 테그마크의 계산에 따르면, 펜로즈가 가정한 두뇌 속의 뉴런은 온도가 너무 높기 때문에, 그가 내세우는 의식이론의 핵심적 요소 중의 하나인 양자계산을 수행하지 못한다는 것이다. 

Penrose Tiling (from: www.tantric.demon.co.uk) 

펜로즈는 평면을 다양한 형태의 도형으로 채우는 타일 깔기(tiling, 타일 붙이기 ≒ 쪽매붙임, 쪽매맞춤) 연구로 유명한 옥스퍼드 대학의 수학자로서, 순간순간 변하는 의식의 본질은 양자적 과정을 함축한다고 믿는 소수의 과학자 가운데 한 사람이다. 극미세 규모의 세계에서는 편광(polarization) 혹은 스핀(spin)과 같은 속성을 지니는 하나의 입자가 다양한 양자상태들 중에서 그 어떤 상태로든 존재할 수 있다. 다시 말해, 참으로 기묘하게도 그 입자는 여러 개의 양자상태에 동시에 존재할 수 있는데, 바로 이것이 중첩(superposition)이라는 속성이다. 그러나 양자중첩은 순식간에 깨질 수 있다. 그러한 상태에 있는 한 원자가 주변 환경과 상호작용하면 ― 예컨대 주변의 원자들과 부딪치거나 서로 밀치게 되면 ― 그 원자의 파동 형태는 “붕괴”될 수 있다. 즉 환경과의 상호작용은 그 원자가 가능한 상태들 가운데 한 가지 상태를 취하도록 작용함으로써 중첩이 사라지도록 한다. 

어떤 연구자들은 이러한 결맞음(coherence) 과정과 붕괴(collapse)가 마음 속에서 일어나는 현상과 놀라울 정도로 비슷하다고 생각했다. 자각(awareness, 감지)의 문턱 아래에서는 수많은 생각들이 오락가락한다. 그러다가 어떤 형태를 갖춰 의식의 전면으로 떠오른다. 양자의식 이론에 열광하는 자들은 이러한 유비가 단지 우연적인 진실에만 그치는 것이 아니라고 가정한다. 11년 전, 펜로즈는 그러한 열광자들의 대열에 합류하면서, 『황제의 새 마음 The Emperor's New Mind』이라는 대중적인 저서에서 뇌는 양자 컴퓨터처럼 작동할 것이라는 사변을 전개했다. 

Stuart Hameroff and his wife Samantha Clark (from: www.quantumconsciousness.org) 

때때로 펜로즈와 공동 연구를 하는, 투산(Tucson) 소재 애리조나 대학의 마취학자인 스튜어트 해머로프(Stuart R. Hameroff)는 다음과 같이 말한다. “전의식(the preconscious)이 의식으로 전이될 때, 그 사이에는 뚜렷한 문턱이나 경계선 같은 것은 없습니다.” 생각은 전의식에서의 중첩에서 시작되어, 그 다음 중첩이 사라지고 파동 형태가 붕괴되면서 의식적 마음 속으로 떠오른다는 것이다. “즉 붕괴가 발생하면서 의식이 생겨나는 것이죠”라고 해머로프는 주장한다. 

 
미세소관과 그 구성분자인 땅콩 모양의 튜불린 단백질 (출처 : 해머로프 홈페이지) 

그러나 정확히 말해서 무엇이 붕괴한다는 것인가? 해머로프는 신경생리학 연구를 통해서, 양자적 특성이 내재할 가능성이 있는 부위를 알게 되었다. 바로 “미세소관”(microtubules)이라고 하는 것으로서, 튜불린(tubulin)이라는 단백질로 구성된 매우 가느다란 관이다. 이 미세소관들이 뉴런을 포함하여 우리의 세포 골격을 형성한다. 튜불린 단백질은 적어도 두 가지 상이한 상태 ― 확장된 형태와 수축된 형태 ― 를 취할 수 있다. 그러므로 이론상 그것은 동시에 두 가지 상태를 지니게 된다. 만약 그렇게 된다면, 개별적인 튜불린 단백질은 이웃에 있는 단백질들의 양자상태에 영향을 끼치게 되고, 계속해서 이웃과 이웃이 연쇄적으로 이웃의 양자상태에 영향을 끼쳐나가, 뇌의 전 영역으로 영향이 확산된다. 1990년대에, 펜로즈와 해머로프는 그러한 튜불린 기반의 양자 정보 전달 체계가 거대 양자 컴퓨터처럼 작동하는 방식을 밝혀내어 그것이 의식 경험의 자리일 수도 있음을 보여줬다. 

 

[왼쪽 : 미세소관으로서 직경 25나노미터인 속이 빈 관이다. 비스듬한 6각형 격자 형태로 정렬된 튜불린 이합체들(dimers)의 기둥 13개로 구성되어 있다. 오른쪽 위 : 각각의 튜불린 분자는 두 가지 혹은 그 이상의 형태 사이를 오가며 변할 수 있다. 오른쪽 아래 : 가설적인 원리상, 튜불린 분자는 또한 그 상이한 상태들을 동시에 취하는 양자중첩 상태로 존재할 수도 있다 ― 옮긴이. 출처 : 해머로프 홈페이지www.quantumconsciousness.org] 

그러한 착상은 소수의 물리학자, 일단의 의식 연구 학자, 그리고 수많은 신비주의자의 관심을 끌었다. 그러나 대부분의 양자물리학자들은 그것이 너무 추상적이어서 수치 계산으로 검증할 가치가 없다고 무시해버렸다. 그런데 펜실베이니아 대학의 물리학자인 맥스 테그마크(Max Tegmark)가 그 계산을 해낸 것이다. 《물리학 리뷰 E, Physical Review E》 지의 2000년 2월호에서, 테그마크는 뇌가 양자계산이 발생하기에 얼마나 열악한 환경인지를 명쾌히 밝혀주는 계산을 제시했다. 

뇌의 온도, 논의에서 제기된 다양한 양자적 물체의 크기, 그리고 인접한 이온과 같은 것들이 야기하는 교란(disturbances) 따위의 자료를 취합하여, 테그마크는 뇌 속에 존재하는 미세소관과 그 밖의 추정 가능한 (뇌 안의) 양자 컴퓨터가 결이 깨지기/어긋나기(decohere) 전까지 얼마 동안이나 중첩상태를 유지하는지 계산해냈다. 테그마크의 답은 이렇다. 즉, 그 중첩은 10의 마이너스 13승에서 10의 마이너스 20승(10^－13~10^－20) 초 만에 사라진다. 이에 비해 가장 빠르게 작동하는 뉴런조차도 10의 마이너스 3승(10^－3) 초 안팎의 시간대에서 주로 작동하기 때문에, 뇌의 양자적 특성이 그 무엇이든지 간에 그것은 너무나 빠르게 결이 어긋나므로 뉴런이 그 특성을 이용할 수 없다는 결론을 끌어냈다. 

 

Max Tegmark and Agelica de Oliveira-Costa (1997년 4월 29일 아름다운 봄날, 결혼식을 올리고 행복에 겨워서··· 출처 : 맥스 테그마크 홈페이지http://space.mit.edu/home/tegmark/main.html) 

“우리의 뉴런이 우리의 생각을 처리하는 데에 모종의 일을 한다고 할지라도, 그리고 뇌에서 일어나는 그 모든 전기적 발화(electrical firings)가 우리의 사고 양상과 모종의 방법으로 상응한다고 할지라도, 우리 인간이 양자 컴퓨터일 수는 없습니다.” 하고 테그마크는 주장한다. 문제는 바로 우리 두개골 속의 물질은 온도가 너무 높은 데다가 원자적 규모로 항상 변하고 있다는 사실이다. 그런 환경에서는 양자계산이 우리의 사유 양상에 채 영향을 끼치기도 전에, 발생 초기의 그 어떠한 양자계산도 이미 운을 다해 버리고 만다. 양자효과(quantum effects)가 어떤 의미를 지니려면, 뇌는 절대 영도 가까이에 처한 아주 작은 덩어리가 되어야 할 것이다. 

해머로프는 테그마크의 결론을 받아들이지 않는다. “열적인 결깨짐(thermal decoherence, ≒ 결풀림, 결어긋남, 결잃음, 결흩어짐)에 문제의 소지가 있다는 점은 사실입니다. 그러나 생물학으로써 그 문제를 해결할 방법이 있다고 생각합니다.” 하고 해머로프는 말한다. 예를 들어, 뇌 조직 내의 물 분자들이 미세소관을 감싸 주변 환경의 영향을 차단함으로써 튜불린이 결맞도록 해줄 수 있을 것이다. “아주 간단한 즉석 계산만으로도, 나는 손쉽게 마이너스 13승 문제를 해결했습니다.” 

  

▷ Stapp, Henry P. (1993 / Jan. 2004). Mind, Matter and Quantum Mechanics. Berlin: Springer-Verlag. (XIII + 297 pages). 

▷ Stapp. Henry P. (July 2007). Mindful Universe: Quantum Mechanics and the Participating Observer. Springer-Verlag. (XII + 198 pages).

[헨리 스탭의 양자의식 이론은 양자 제논 효과quantum Zeno effect 개념, 존 폰 노이만John von Neumann의 양자역학 이론, 윌리엄 제임스William James의 전체론적 의식의 흐름 개념, 앨프레드(알프레드, 앨프리드) 노스 화이트헤드Alfred North Whitehead의 과정철학을 근간으로 하고 있다 ― 옮긴이]. 

그러나, 양자의식 연구 진영에 속하는 일단의 연구자들은 테그마크가 펜로즈-해머로프 류의 뇌이론에 결정타를 가했다는 사실에 동의했다. “그 뇌모형은 테그마크의 연구 결과로 심각한 손상을 입었습니다.” 하고 캘리포니아 소재 로런스 버클리 국립연구소의 물리학자 헨리 스탭(Henry P. Stapp)은 말한다. (스탭은 자신의 양자의식 이론은 테그마크의 논증으로부터 영향을 받지 않는다고 주장한다). 

이 논쟁에서 벗어나 있는 아이비엠(IBM)의 연구원 존 스몰린(John Smolin) 같은 물리학자들은 테그마크의 계산 결과가 자신들이 처음부터 줄곧 의심해 온 것을 입증해 주었다고 평가한다. “우리의 뇌는 절대 영도에 가까운 온도에선 작동을 하지 못하죠. 뇌에서 양자작용(quantum behavior)이 진화되어 왔다는 가설은 이치상 그럴 듯하게 보이지는 않습니다.” 하고 스몰린은 말한다. 스몰린은 덧붙여 말했다. “저는” 논쟁에서 벗어나 “공정하게 지켜볼 따름입니다.” ▣ 

[에드윈]

래리님,안녕하세요 ?
좋은 글 고맙습니다.에드윈 올림

[래리]

^^

[지행선]

좋은 글 고맙습니다.^^

[명상가]

좋은 자료 감사합니다.

[에드윈]

고맙습니다.
가까운 시일내에 양자의학시대가 도래할 것입니다.
현재의 의학은 많은 문제점을 내포하고 있는것 같아요.

[김형후]

위글 재밌는거네요 자세히 읽어 봐야 겠습니다.

[하늘새]

잘 읽어보았읍니다.
우리가 관심갖는 ..양자역학..
나날이 새로운 발전으로 거듭날것이라 믿읍니다