양자론적 우주관... ②비실재론

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양자론적 우주관... ②비실재론

아무도 달을 보지 않으면 달의 존재를 확인할
수 없다

양자론에 대한 보어-아인슈타인 논쟁의 하이라이트인 'EPR 논증'의 핵심은 실재론 논쟁입
니다. EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)은 완전이론의 조건으로 (1)완전성 기준 (2)실재성
기준 (3)국소성의 가정을 내세운 뒤 양자론이
이를 만족시키지 못하기 때문에 불완전한 이
론이라고 논증했습니다.

이들 세 가지 기준을 하나로 압축한다면 실제
성 기준이라고 할 수 있습니다. 즉 EPR은 양자
론이 불확정성 원리로써 물리적 실재를 제대
로 기술하지 못한다고 논증한 것입니다. 물론
EPR의 논증은 후에 벨의 부등식과 아스페의
실험에 의해 부정되었습니다. 이제부터 양자
론의 비실재론적 성격에 대해 알아보겠습니
다.

실재론(實在論 realism)은 '인식론에서, 인간
이 인식하는 대상이 의식이나 주관과 관계없
이 독립적으로 존재한다'는 이론입니다. 여기
서 논의하는 실재론이라고 할 때 이 개념이 철
학적 범주를 완전히 만족시키는 것은 아닙니
다. 여기서 '실재'는 아인슈타인이 주장하는 실
재의 정의 즉, '물리적 실재(physical reality
혹은 '과학적 실재' 개념으로 사용하겠습니다.

양자론적'비실재론'이라 한 것은 양자역학의
철학이 실재론을 만족시키지 않는다고 해서
반드시 반실재론을 뜻하는 것은 아니기 때문
입니다. 양자역학의 실재론은 아인슈타인과
뉴턴의 과학적 실재론과 상충되지만 그렇다고
대상이 인간의 의식에 의해 창조된다는 관념
론이나 반실재론이라고 할 수는 없습니다. 비
실재론'이란 고전적인 과학적 실재론이 아니라는 의미입니다.

관측된 물리량만 의미가 있다

아인슈타인의 실재론의 기본 가정은 (1)인간
의 관찰 여부와 독립적인 실재 세계의 존재,
(2) 동일한 실험에 의해 보편적 결과 획득, (3)
국소성의 원리 만족 등 세 가지입니다. 이들 기본
'가정도 하나로 압축한다면 (1)이 될 것입니다.
즉, 우리의 관측 대상은 인간의 의식과 의도에 관계없이 실재한다는 것입니다.

아인슈타인은 보어와의 논쟁에서 이를 거시세
계의 비유를 들었습니다. “저 하늘의 달은 인간
이 바라보지 않아도 존재한다.” 이에 대한 보어
의 답변은 “아인슈타인 박사와 내가 그리고 이
세상 그 누구도 달을 바라보지 않았다면 달이
그곳에 있는지 누가 확인할 것인가. 달의 존재
를 확인하는 방법은 달을 바라보는 것이다."였
습니다.

양자론은 아인슈타인의 실재론 조건을 만족하
지 않습니다. 그 본질적인 이유는 '측정'에 있습
니다. 양자론의 표준해석인 코펜하겐 해석에
의하면 관찰자는 상보적인 두 물리량을 동시
에 정확히 측정할 수 없으며, 단지 원하는 측면
을 선택해 측정할 수 있습니다. 양자론에 대한
인식론적 해석의 핵심은 측정 과정에서 나타나는 선택입니다.

따라서 양자론에서는 측정된 물리량만을 의미
있는 것으로 받아들입니다. 측정 이전의 혹은
측정할 수 없는 '어떤 실재'를 상정하는 것은 무
의미합니다. 양자론의 다양한 해석들은 결국
측정 문제의 수수께끼를 풀고자 하는 다양한
시도로 간주될 수 있습니다.

여기서 파동함수가 과연 개별 입자의 상태를
실제로 완전하게 기술할 수 있는가 여부에 대
한 문제가 제기됩니다. 즉, 미시 물리적 대상이
단지 현상적 과정일 뿐인가, 아니면 실제적인
실재인가의 문제입니다. ‘숨은 변수 이론’은 이
에 대해 숨은 변수들을 추가하면 파동함수가
완전한 실재를 기술할 것이라고 주장합니다.

아인슈타인은 이에 대해 “파동함수가 물리적
실재에 대한 완전한 기술 방식을 제공하지 못
함을 보여주었지만, 완전한 기술 방식이 과연
있는지 없는지의 질문을 열어 놓아야 한다. 그
러나 우리는 그러한 이론이 가능하다고 믿는
다.”고 말했다. 현재 불완전한 양자론이 '숨은
'변수'의 보완을 거쳐 실재를 기술하는 완전한
이론이 될 수 있다는 것입니다.

그러나 이 같은 '숨은 변수'는 벨의 부등식과 아
스페의 실험에 의해 부정되었습니다. 결국 아
인슈타인의 시각에서는 터무니없는 것으로 여
겨지는 코펜하겐 해석을 인정하지 않을 수 없
다는 것입니다. 즉, 파동함수가 실제 입자를 완
전하게 기술하건 못하건 간에 확률해석을 받
아들여야 합니다. 그리고 측정 이전의 실제
대해 묻는 것은 무의미합니다.

'슈뢰딩거 고양이'의 경우 관측자가 상자를 열
어보기 전에 고양이의 생사를 말하는 것이 불
가능합니다. 안드로메다은하로 가져간 전자상
자 사고실험이나 스핀보존 사고실험에서도 한
쪽을 확인하기 전에 다른 쪽의 상태를 결코 미
리 알지 못합니다. 만약 영원히 열지 않으면 어
떻게 될까요? 이 물음에 대한 답은 '영원히 알
'없다'입니다. 다시 말하면 양자론은 측정을
떠나 실재를 얘기할 수 없습니다.

양자론의 실재론 논쟁은 EPR 논문이 노골적
으로 제기했습니다. EPR에게 중요한 것은 입
자의 실체(reality)였고, 실체를 서술하지 못하
는 양자론은 불완전한 이론이라는 주장이었습
니다. 그래서 그들은 입자의 실체를 파악하는
데 한계를 규정한 불확정성 원리의 오류를 파고들었습니다.

EPR의 논증은 기막힐 정도로 정교했으나 결
국 벨의 부등식과 아스페의 실험에 의해 오류
로 판명되었습니다. 오히려 '국소성 가정'이 부
정되고 우주가 비국소적임(얽힘)이 확인된 것
입니다. 불확정성 원리대로 미시세계의 입자는 위치와 운동량, 스핀 등의 물리량에 있어 측정과 무관한 본래의 속성을 갖고 있지 않은 것으로 밝혀졌습니다.

여기서 확인된 것은 관찰 대상은 관측자와 분
리된 상태에서 독립적인 속성을 가질 수 없다
는 사실입니다. 즉, 대상의 물리적 속성은 관측
자와 상호작용 속에서만 드러난다는 것입니다.
전자의 입자성과 파동성은 전적으로 각각의
관측 장치와의 상호작용에 따라 결정됩니다.
물리적 변수인 위치와 운동량도 측정 장치와
상호작용 아래에서만 값을 가질 수 있다는 점
에서 마찬가지입니다.

그러나 이 두 물리량은 동시에 측정하는 것이
불가능하기 때문에 서로 양립 불가능합니다.
입자-파동, 위치-운동량은 서로 배타적이면서
동시에 보완적입니다. 보어에 의하면 입자와
파동, 위치와 운동량은 상보적 관계에 있습니
다.
코펜하겐 해석에 따르면 실재의 기술은 개체
들 간의 관계를 어떻게 설명하느냐에 달렸습
니다. 즉 실재의 올바른 기술은 관측 장치와의
관계 안에서만 가능합니다. 아인슈타인의 실
재론에 따르면 실재는 다른 실체들과의 어떤
관계와도 독립적인 속성들을 갖는 그런 실체
입니다. 반면 보어에게 실재는 실체들 사이의 관계이며, 측정은 그 관계의 한 가지 특수한 경
우입니다.

아인슈타인에게는 '독립적으로 존재하는 상태
들의 발견'이 물리학의 목적이며, 보어에게는
‘전에는 전혀 없었던 실재의 구성'이 과제가 됩
니다. 관찰된 것만이 확실하게 존재한다고 말
할 수 있습니다. 다만, 측정 과정에서 양자적
대상의 상태와 측정 장치의 거시 물리적 상태
사이의 상관성을 해명하는 일이 문제가 됩니

관측자와 독립적인 '물리적 실재'를 가정한
EPR 논증에 대한 보어의 해결책은, 근본적으
로 관찰을 통해서만이 실재가 비로소 드러나
게 된다는 가정에 의존하며, 따라서 독립적으
로 존재한다는 실재의 가정을 거부합니다.

보어의 입장은 관계성과 통일성의 두 가지로
요약됩니다. 보어는 양자 현상의 결과는 독립
적 실재로부터 나오는 것이 아니라 측정 장치
와 대상의 관계에서 나온다고 본 것입니다. 그
는 “고립된 물질 입자는 추상적인 것이며, 그것
의 속성들은 다른 체계와의 상호 작용을 통해
서만 정의되고, 인지될 수 있다.”고 말했습니다.

관측하지 않으면 존재하지 않는다'는 뜻은 아
니다

여기서 양자론의 반실재론 논란은 다음과 같
은 질문을 던질 때 드러납니다. ‘관찰자 및 관
측 장치와 독립적인 물리적 대상을 생각할 수
없다는 것은 관찰하지 않으면 그 대상은 존재
하지 않는다는 것인가?' 양자론의 해답은 ‘관찰하지 않으면 존재하지 않는다는 뜻은 아니다.입니다.

결론적으로 양자론은 물리적 대상은 외부 세
계와 어떤 형태로든지 연결되어 있다는 점을
강조할 따름입니다. 관측 대상을 관측자와 분
리할 수 없다는 것은 과학적 실재론의 첫째 전
제인 '관측자와 독립된 존재'를 위반하지만 이
것이 개별 관측자의 인식이 개입된다는 뜻은
아닙니다.

마찬가지로 원자를 기술할 때 관측과 관측자
의 상호작용이 완벽하게 기술되지 않는다고
해서 원자의 존재가 우리에게 의존한다는 의
미는 아닙니다. 그러므로 양자론을 관념론이
나 반실재론으로 보는 것은 지나친 비약입니
다. 잊지 말아야 할 것은, 원자와 같은 미시세
계의 대상은 객관적으로 존재하지 않는 것이
아니라 관측자와 분리된 상태에서 독립적인
속성을 가지고 있다고 말할 수 없다는 것입니
다.

앞에서 언급했듯이, 빛의 입자성과 파동성의
확인은 순전히 관측 장치에 달렸습니다. 즉, 관
측 대상은 관측 장치와 독립적이지 않은 것입
니다. 그렇다면 관측을 통해 얻어지는 값은 무
엇일까요? 관측은 측정 대상에 이미 존재하는
값을 드러내는 것일까요? 아니면, 관측을 통해
물리량이 창조되는 것일까요?

이 질문에 대한 코펜하겐 해석은 '대상에 이미
존재하던 값을 드러내는 것'이라는 답을 던집
니다. 여기서 이미 존재하던 값은 대상의 절대
적인 속성이 아니라 실험 장치에 대해 상대적
인 속성입니다. 관측이란 곧 관측 대상과 관측
장치 간의 상호작용입니다.

이를 기술하는 것이 바로 양자역학입니다. 다
시 말하면 양자역학은 우리의 의식과 독립적
인 실재에 관한 기술이 아니라, 우리의 의식과
독립적인 실재와 우리(관측 장치를 포함한)와
의 상호작용에 관한 기술입니다.

그렇다면 엄연히 존재하는 원자가 우리에게
괴이하게 여겨지는 이유는 무엇일까요? 그것
은 우리가 기존 과학적 실재론에 익숙해 있기
때문이라는 것이 보어의 설명입니다. 그는 양
자역학적 현상을, 비록 고전역학의 관점에서
반직관적이긴 하지만 이성적으로 이해하기 위
해서는 우리의 인식의 틀을 변화시켜야 한다
고 생각했습니다.

그래서 고안한 것이 바로 상보성 원리입니다.
상보성은 경험에 기초하여 실재에 충실하려는
실재론적인 개념입니다. 양자역학에 대한 보
어의 이 같은 철학적 관점을 일부 물리학자와
철학자들은 상보적 실재론'이라 부릅니다. 물
론 상보적 실재론은 과학적 실재론에 속합니
다. 이들에 따르면 보어의 실재론은 고전역학
적인 실재론의 관념을 보다 경험에 충실하게
일반화시킨 것이라고 평가합니다.

아인슈타인에게 실재는 물리적 실체로서 이해
되며, 보어에게 실재는 하나의 관계입니다. 다
시 말해서 아인슈타인은 실체를 통해 관계를
해명하려 했으며, 보어는 실재의 개념을 시스템 전체의 관계망 속에서 밝히려 했습니다.

아인슈타인의 희망과는 달리 관측자(관측 장
치)와 독립적인 물리적 실재를 추출해내기는
불가능하다는 것은 분명해보입니다. 거시세계
|비약한다면, 우리 자신을 제외한 본질적인
우주의 모습을 상상하는 것은 원리적으로 불
가능합니다.

<'우주관 오디세이' 저자>