리처드 파인먼의 삶 들여다보기

전자의 정체에 대한 탐구와 관련하여, 파인먼과 휠러 교수는 빛(전자기파)을 흡수하는 '흡수체'이론을 함께 발전시키면서 시간의 역행 가능성에 대한 고민을 하고 있었다는 점이 무척 흥미롭습니다. 이 당시에 연구했던 이 부분이 훗날 파인먼의 업적 가운데 잘 알려진 '파인먼 다이어그램'의 씨앗이 되는 생각이 태동하고 있는 정황을 봅니다. 이 부분에서 '최소작용의 원리'가 나오는데, 이 원리는 빛이 특정한 두 지점을 지나갈 때, 두 지점 사이의 운동이 가장 짧은 시간에 이루어질 수 있는 경로를 택한다는 설명을 떠올려볼 수 있습니다. 유클리드 기하학에서는 두 점 사이의 가장 빠른 경로는 직선이 되겠구요. 그런데 빛은 두 점 사이에 가장 빨리 통과할 수 있는 경로를 마치 '이미 알고 있다는 듯'이, 이 최소 경로를 어김없이 통과합니다. 순차적이고 직선적인 시간 관념을 갖고 있는 평범한 지구인으로서는 이 원리가 양자역학까지 가지 않더라도 낯설고 신기하기만 합니다. 바로 이 '최소 작용의 원리'가 중심 테마로 사용되고 있는 작품이 테드 창의 <당신 인생의 이야기>에 실린 단편 '당신 인생의 이야기 (Stories of Your Life)'입니다. 시작과 끝, 과거와 현재를 알아가 두 지점 혹은 시점 사이의 경로를 순차적으로 알아낼 수 있는 인간의 인식 방법과 달리, 과거와 현재, 미래를 동시적으로 인식하고 있는 듯한 외계인이 등장합니다. 테드 창이 놀라운 것은 이런 물리학적인 원리의 의미를 고민하면서 우리의 삶과 접목하고 있다는 부분입니다. 그리고 이 지점에서 '자유의지'의 문제도 대두되구요. '당신 인생의 이야기'에 등장하는 언어학자는 딸의 죽음을 경험한 상태에서 과거를 회상합니다. 우리가 과거와 현재 뿐만 아니라 외계인처럼 미래도 알 수 있는 능력이 주어진다면, 우리의 삶은 어떻게 달라질 수 있을까. 소설은 제가 묻는 것 같았거든요. 딸의 이른 죽음을 알고 있는 부모라면 망설임없이 아이를 낳겠다는 결심을 할 수 있을 것인가. 제게는 '자유의지'와도 관련하여 상당히 실존적인 물음이 이 소설에 담겨있다고 봤습니다. 이와 같은 맥락으로 읽은 소설이 최근에 출간된 마거릿 애트우드의 소설집 <숲속의 늙은 아이들>가운데 '모르트 드 스머지'란 단편이 있습니다. 반려 고양이의 죽음을 애도하는 소설인데, 여기에도 다시 다른 고양이를 기를지, 말지 하는 고민으로 소설을 끝납니다. 애도는 과거-현재-미래가 단선적으로 이어지는 과정이 아닌 것 같습니다. 애도란 것은, 기억과 이것이 불러오는 감정의 소용돌이가 뒤섞이고, 과거와 현재, 어쩌면 미래에 대한 예상이 착종된, 어쩌면 존재 그 자체 혹은 생에의 의지일 수 있겠다는 생각을 해보았습니다. '최소작용의 원리'를 생각해보다가 옆길로 새어버렸네요. 이 원리를 다르게 표현해보면 어떤 물체가 운동할 때, 물체가 갖는 운동에너지와 위치에너지의 차이가 최소가 되게 하는 경로를 최종 경로로 택하게 된다라는 겁니다. 그렇다면 이 물체 운동의 전제에는 특정한 '시간과 공간'이 마련되어 있어야 운동 관계가 파악될 것이라는 점이 의문으로 남습니다. 어쩌면 '공간이란 무엇인가'라는 것이 명확히 정의가 된다면, '시간' 없이도 이 '최소작용의 원리'가 적용될 수 있겠다는 생각도 해보고요. 그러니까 이 원리에서 '시간'은 충분조건이나 필요조건은 아닐 수 있겠다는 말이죠. 이 원리가 적용되는, 혹은 전제된 '공간'이란 것이 뉴턴의 '절대공간'아 아니라면, 그래서 시간과 공간이 '시공간'으로 결부되어 중력에 의해 변형될 수도 있는 '상대공간'에서라면 어떻게 정의될 수 있을까 싶은 의문도 듭니다. 고전역학에서 이 원리는 '절대공간' 속에서 정의되었을 것으로 짐작됩니다.

이 부분은 자연에서 시간의 역행 가능성, 혹은 시간에 대한 대칭성을 이야기하게 될 텐데요, 휠러는 '파동'의 관점에서, 그리고 디랙은 '전자'를 매개로 이 문제에 접근하고 있었음을 이 문장은 보여주는 것 같습니다. 디랙이 말한 '절대값이 같고 부호가 다른 해'의 두 가지 해 하나는 전자, 다른 하나는 전하가 반대인 양전자를 말하는 것이라 여겨집니다. 이 문제는 곧이어 나올 우주론에서 우주의 기원을 따지는 문제와 연결이 될 수 있겠네요. 전자/양전자 관계는 물질과 반물질의 한 가지 사례이기도 합니다.

파인먼의 지도교수였던 휠러가 언급한 '현재'에 대한 정의라고 볼 수 있겠네요. 시간은 지금도 그렇지만 모든 지식인들, 특히 물리학자들이 쉽게 답하기 어려운 개념이라 봅니다. <파인먼 평전>의 전자 제임스 글릭이 이 '시간'의 정체를 탐구한 작업이 <제임스 글릭의 타임트레블>이 될 것 같습니다.

"휠러는 <이상한 나라의 앨리스>에서 하얀 여왕 White Queen이 앨리스에게 한 말을 인용하며 이야기를 마무리했다. "지나간 일밖에 모르면 기억력이 나쁜 거란다."", 207p, [프린스턴]중, 'Mr.X와 시간의 본질'중에서 물리학자의 입장에서 '현재'를 정의한 휠러는 이렇게 문학작품의 한 문장을 인용하며 마무리하는데요, 이 문장의 출처는 정확히는 <이상한 나라의 앨리스>가 아니라 <거울 나라의 앨리스>에서 앨리스가 하얀 여왕과 나누는 대화 속에서 가져온 것입니다.

이 우주론과 관련한 부분에서 잠시 멈추고 인용한 이유는, 서로 독립적으로 발달했던 입자물리학과 우주론이 60년대에 만나 화려한 꽃을 피우게 되었다는 내용을 읽은 것이 기억나서였습니다. 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표한 1915년 이후, 1917년에는 일반상대론을 적용한 우주론적 연구 결과를 발표한다는 내용이 <우리 우주의 첫 순간>에 나오는데요, 우주론의 태동은 이 지점에서 시작하지 않을까 싶습니다. 이 책에 따르면, 1922년에는 러시아 물리학자 알렉산드르 프리드만이 아인슈타인의 장방적식에서 우주론적 풀이 가운데 우리의 우주와 가장 유사한 풀이를 얻어냈다고 하고, 1931년에 천주교 사제이자 물리학자인 조르주 르메트르는 '빅뱅'의 초기 아이디어를 자신의 논문에서 언급한 과학자로 알려져 있습니다. '모든 존재가 단 하나의 '원자' 붕괴에서 발생했다고 말이죠. 1940-50년대에 핵폭탄 개발 이후 전세계 공멸의 위험성을 인지한 과학자들이 핵무기 개발을 반대하고 원자력의 안전한 사용을 촉구하면서 입자물리학과 우주론으로 많이 진출한 정황을 <파인먼 평전>과 <우리 우주의 첫 순간>에서 읽을 수 있었습니다. 소련 핵무기 개발 프로그램에 주요 인물로 참여했던 안드레이 사하로프도 핵무기 확산 반대 및 대기권 핵실험 종식을 위한 행보로 전향한 후 입자물리학과 우주론을 연구했다고 하지요. 그이 1967년 논문에서 물질과 반물질이 비대칭적으로 존재하게 되려면 필요한 조건 세 가지를 언급하는데요, 여기에 이미 '우주급팽창'이론의 씨앗이 담겨있습니다. 물론 이 이론의 제창자라고 여겨지는 앨런 구스(Alan Guth)가 이 논문을 읽고 참고하지는 않았을 것 같습니다.

위에서 언급한 <우리 우주의 첫 순간>에 언급되는 우주급팽창 이론의 창시자 앨런 구스(Alan Guth)의 아이디어에 따르면, 기존의 빅뱅 이론이 해결하지 못했던 우주의 '평탄성 문제'와 '지평선 문제'를 잘 설명해줄 수 있다고 합니다. 위의 인용문에서 언급된 초기 우주론자들의 생각과 달리, 우주는 평평하다고 해석되고, 이를 위한 여러 조건들을 우주급팽창 이론이 잘 설명해주고 있다는 의미로 이해했습니다.

1940년대에 파인먼과 휠러, 스승과 제자가 머리를 맞대고 고민한 문제가 우주의 기원과 관련한 연구에도 닿았다는 점이 흥미롭네요. 두 사람이 상정한 '흡수체'라는 대상을 우주론에 적용하면 우주의 절반 가까이 차지한다고 예상되는'암흑물질'과 관련이 있지 않을까 궁금하네요.

이 발언은 '다중우주'에 대한 언급으로 보입니다. 이 부분이 놀라웠던 것은, 댄 후퍼의 책 <우리 우주의 첫 순간>에서 1987년에 물리학자 스티븐 와인버그가 제안한 가설을 언급하는 대목 때문입니다. 이 논문에서 와인버그는 "우주의 진공에너지 밀도는 우리가 그 안에 살고 있다는 사실을 고려할 때 설명될 수 있다고 주장했다."(293)고 합니다. '현대의 다중우주 아이디어는 이렇게 탄생했다'라고요. 하지만 파인먼의 일화를 보면 이미 1940년대에 휠러와 파인먼이 다중우주가 존재해야할 가능성에 대해 인지하고 있었다는 말이 됩니다. 와인버그와 같은 정교한 이론으로 다듬어지지 않았을지라도, 그 아이디어는 이미 20세기 초반에 정상급 과학자들 사이에서는 논의가 되었다는 말입니다.

책을 아직 많이 읽지 않은 상태에서 어떤 내용일 것이라고 상상하세요? 혹은 어떤 내용을 접하기를 기대하세요?

한 사람의 일대기를 다룬 평전이고, 파인먼에 대한 몇 가지 일화를 알고 있어서 보다 익숙한 느낌입니다. 저자 제임스 글릭이 문학과 언어학을 전공한 저널리스트라서 그런지 과학사적인 이해와 조사도 대단하지만, 여러 가지 사회 문화적 배경과 시대상을 종합적으로 담아내기에 적격이란 인상을 받았습니다. 이런 이유로, 20세기 미국 사회의 단면을 한 과학자의 삶을 따라가며 살펴볼 수도 있을 것 같아 기대 하며 읽고 있습니다. 또 현대 물리학의 두 기둥인 상대성이론과 양자역학을 구축한 장본인들과 젊은 물리학자로서 직접 교류하고 상호작용한 인물의 에피소드가 흥미진진하네요. 다만 분량이 상당해서 서둘러야 겠습니다.