상대성 이론과 양자 역학의 통합을 위해 우리는 물질주의를 버려야 한다

정신과 물질보다 더 근본적인 무언가가 존재한다.

2025년 6월 20일

딘 리클스(Dean Rickles) | 시드니 대학교 현대 물리학의 역사 및 철학 교수, 시드니 시간 센터(Sydney Centre for Time) 공동 소장.

물리학자들은 지금까지 일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합하는 데 실패했습니다. 이를 양자 중력 이론으로 결합하려는 시도가 늘어나는 가운데, 물리학 철학자인 딘 리클스는 '물질주의'라는 가설 자체가 문제라고 주장합니다. 우리는 물리적인 것(시공간, 물질)을 넘어, 정신이 물리적 실재를 구성할 수 있게 하는 근원적이자 일반 상대성 이론과 양자 역학을 모두 설명할 수 있는 '원초적인 무언가'를 바라보아야 합니다. 존 휠러(John Wheeler)나 데이비드 봄(David Bohm) 같은 선구자들은 이러한 "전-물리학(pre-physics)"의 영역이 어떤 모습일지 이미 탐구하기 시작했습니다. 이제 물리학이 그들의 아이디어를 진지하게 받아들일 때입니다.

최근 두 번의 노벨 물리학상(2020년, 2022년)은 일반 상대성 이론(중력을 물질과 에너지에 의한 시공간의 곡률로 설명하는 아인슈타인의 이론)과 양자 역학(물질과 에너지에 관한 최고의 이론)에 대한 기초 연구에 수여되었습니다. 이 이론들의 실험적 성공은 계속해서 쌓이고 있으며, 그 안에 많은 진실이 담겨 있다는 점은 분명합니다. 두 이론 모두 동일한 세계, 즉 우리가 사는 이 세계를 묘사하는 것을 목표로 합니다. 양자 역학이 설명하는 물질과 에너지 또한 기존의 고전적인 물질과 마찬가지로 시공간을 휘게 할 것이기에, 두 이론은 분명 겹치는 부분이 있어야 합니다. 그런데 왜 우리는 이 둘이 공존하는 이론, 즉 '양자 중력 이론'을 구축하지 못하는 것일까요?

> "이것은 물리학계의 가장 큰 스캔들이지만, 그저 재미있는 역설이나 흥미로운 과제 정도로만 치부되곤 합니다."

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결정적인 면에서 두 이론이 그리는 세계상은 완전히 상반되는 것으로 보입니다. 양자 이론은 입자와 장(field)이 자신들과는 별개로 존재하는 고정된 시공간 속에서 움직인다고 말합니다. 반면 일반 상대성 이론은 시공간 자체가 입자 및 장과 함께 역동적으로 어우러진다고 말합니다. 입자와 장이 양자 역학을 따르도록 요구하면, 중력 및 시공간과의 열정적인 탱고(상호작용)가 망가집니다. 반대로 시공간이 양자 이론이 묘사하는 물질과 에너지에 의해 움직이고 휘게 만들면, 양자 이론을 작동시키는 엄격한 규칙들이 깨집니다. 그 결과 우리는 100년이 넘는 교착 상태에 빠져 있습니다. 우리의 과학적 세계관에 비추어 이것이 무엇을 의미하는지 생각해 보십시오. 이 두 이론 체계가 평화롭게 공존할 수 없다면, 근본적인 수준에서 물리학이 서 있을 견고한 지면은 없는 셈입니다. 이것은 물리학계의 가장 큰 스캔들이지만, 드물게 언급될 뿐입니다. 한마디로 엉망진창인 상황입니다!

> "진보를 위해서는 정통 물질주의적 물리학 접근법의 굴레를 최소한 느슨하게 하거나, 완전히 끊어내야 합니다."

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이 혼란을 해결하려는 대담하고 아름다운 시도들이 있었습니다. 끈 이론(단순한 양자 중력 이론 이상의 것)이나 루프 양자 중력 이론 같은 접근법은 대중 문화에까지 스며들기도 했습니다. 그러나 이들은 여전히 특정 예측을 생성하는 데 문제를 겪거나, 정통 물리 이론으로서 일관성을 유지하는 데 심각한 난관에 봉착해 있습니다. 이 완고한 문제의 역사와 철학을 수십 년간 조사한 끝에, 나는 이제 무언가 잘못되었음을 인정해야 할 때라고 믿습니다. 그것은 노력이나 기술의 부족 때문이 아닙니다. 이 문제와 싸워온 천재적인 두뇌들의 능력은 과소평가될 수 없습니다. 거의 모든 접근법이 시도되었고 소진되었습니다. 나는 물리학을 수행하는 정통 물질주의적 접근법의 굴레를 최소한 느슨하게 하거나, 완전히 끊어내야만 진전을 이룰 수 있다고 강력히 의심합니다. 왜 그런지, 그리고 그것이 어떤 형태가 될지 간략히 설명하겠습니다.

> "내가 제안하는 접근법은 중력과 양자 역학 사이에 어떤 직접적인 인과 관계나 구성적 연결이 있다는 것을 부정하는 것입니다. 대신, 그들은 같은 근원을 공유합니다."

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먼저, 조금 덜 급진적인 방향을 고려해 볼 수도 있습니다. 즉, 물리 모델과 실재 사이의 연결을 끊거나 무시하고, 실험적 결과와 관찰에만 집중하는 것입니다. 이론적 모델은 그저 우리의 경험을 체계화하는 데 도움을 주는 유용한 '동화'로 취급하는 것이죠. 이러한 "진리는 잊어라"라는 아이디어는 데이비드 머민(David Mermin)이 만든 "입 닥치고 계산이나 해(shut up and calculate)"라는 구호와 함께 제2차 세계대전 이후 물리학계에 침투했습니다. 일부 영역에서 여전히 지속되고 있는 이러한 분위기 속에서는 이론이 무엇을 의미하는지, 그것이 참인지 묻는 것 자체가 당혹스러운 일로 여겨집니다. 특히 머민의 공격 대상이었던 양자 이론의 의미를 묻는 것은 더욱 그렇습니다. 하지만 이러한 접근 방식은 특정 상황에서 유용할 수 있을지 몰라도, 새로운 탐험의 경로를 차단하는 부작용을 낳습니다. 현재 물리학자들이 "입 닥치고 계산"하는 데 사용하는 바로 그 이론들을 탄생시킨 깊은 사고방식 자체를 가로막는 것입니다.

우리에게 필요한 것은 양자 이론과 일반 상대성 이론을 넘어서기 위해, 그 이론들을 이끌어냈던 것과 같은 깊고 열린 사고입니다. 그러면서도 앞서 언급한 이론들의 성공을 설명해낼 수 있어야 합니다. 내가 제안하는 접근법은 중력과 양자 역학 사이에 직접적인 인과 관계가 있다는 것을 부정하는 것입니다. 대신, 그것들은 동일한 근원을 가집니다. 어느 쪽도 더 근본적이지 않습니다. 둘 다 아직 탐구되지 않은 더 깊은 구조에서 비롯된 결과물입니다. 양자 물질과 중력이 모두 그 어느 쪽도 아닌 '무언가'로부터 구축된다는 이러한 생각이 교착 상태를 깨뜨릴 가장 좋은 방안이라고 생각합니다.

실제로 현재 유행하는 양자 역학과 중력 사이의 '대칭성(dualities)'을 이러한 더 깊은 층위의 증거로 삼을 수 있습니다. 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)가 "GR=QM"이라고 간단히 표현한 것과 같은 대칭성들은 두 이론의 요소들 사이에 일종의 '이론적 사전'을 구축합니다. 이를 통해 한 이론에서 계산을 수행하여 다른 이론에 대한 정보를 알아낼 수 있습니다. 어느 하나가 더 근본적이거나 다른 하나로 환원되지 않습니다. 그러나 두 이론이 그리는 세계상이 완전히 다르다는 점을 고려할 때, 우리는 어느 쪽도 근본적이지 않다는 결론에 도달하며, 두 이론이 서로 다른 옷을 입고 실현된 공통의 토대를 찾아야 한다는 압박을 받게 됩니다. 시공간에 대한 묘사와 양자적 묘사가 섞여 있다는 사실은 둘 다 궁극적인 것이 아니며, 우리는 시공간과 양자 물질 너머에서 새로운 건축 재료를 찾아야 함을 시사합니다.

우리는 건설적인 과제에 직면해 있습니다. 존 아치볼드 휠러가 즐겨 말했듯이 "어떻게 지을 것인가(How Build?)"의 문제입니다. 현재의 세계관이 가진 한계를 벗어나 미지의 영역을 탐구하려 했던 선구자들이 있었습니다. 그들은 공간, 시간, 물질보다 더 깊은 것, 즉 일반 상대성 이론과 양자 이론이 통일된 방식으로 구축될 수 있는 일종의 '원초적 건축 재료'를 찾았습니다. 휠러 자신도 "전-기하학(pre-geometry)"이라는 기치 아래 물리학의 그 어떤 것과도 다른 토대를 제공할 여러 제안을 내놓았습니다.

> "코페르니쿠스적 혁명의 급진적인 역전이 필요했습니다. 인간을 포함한 관찰자들이 물리적 실재를 구성하는 기초로서 물리학의 중심으로 다시 이동해야 했습니다."

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그의 초기 생각은 시공간만으로 양자 시스템을 포함한 모든 것을 구축하려 했던 아인슈타인의 후기 비전을 확장하는 것이었습니다. 그러나 시공간만으로는 양자 이론의 모든 현상을 설명하는 것이 불가능함이 드러났고, 블랙홀이나 우주의 종말(빅 크런치) 같은 중력 붕괴의 발견은 공간, 시간, 물질, 법칙, 상수가 건축의 기본 단위가 될 수 없다는 결론으로 휠러를 이끌었습니다.

그의 성숙한 견해는 코페르니쿠스적 혁명의 급진적 역전이 필요하다는 것이었습니다. 인간을 포함한 관찰자들이 물리적 실재를 구성하는 기초로서 물리학의 중심으로 다시 돌아와야 한다는 것입니다. 휠러에 따르면, 그가 "관찰자-참여자"라고 부른 존재들은 자연에 질문을 던지고, 자연은 "예" 또는 "아니오"(1 또는 0)로 대답하며, 이것이 그의 유명한 표현인 **"비트에서 만물이(It from Bit)"**의 '비트'가 됩니다. 이 관점에서 볼 때, 시공간과 물질 입자, 장으로 이해되는 세계는 특정한 질문이 던져지기 전까지는 아무런 의미가 없는 '잠재성'일 뿐입니다. 질문이 던져져야만 관찰이나 실험을 통해 세계가 확정된 기록이나 현상으로 응답할 수 있습니다. 무엇을 관찰자로 간주할 것인가는 여전히 열린 문제이지만, '의미 있는 정보를 생성하는 능력'이 그 핵심인 것으로 보입니다. 이것은 물질주의적 토대와는 거리가 멉니다. 휠러 스스로도 이를 "비물질적(immaterial)"이라고 불렀습니다. 루프 형태의 과정이 말로 표현할 수 없는 근원, 즉 옛 현자들이 말한 '무(無)'로부터 세계를 스스로 끌어올리는 것입니다. 시공간과 물질, 에너지는 그저 저 바깥에 존재하는 것이 아니라, 관찰 행위를 통해 존재하게 됩니다. 그래서 휠러는 이를 **"참여적 우주(participatory universe)"**라고 불렀습니다. 우리는 우주에 그냥 사는 것이 아니라, 우주와 상호작용함으로써 우주가 생겨나도록 돕는 것입니다.

데이비드 봄과 바질 하일리(Basil Hiley) 또한 "전-공간(pre-space)"과 "전-물리학(pre-physics)"을 이야기했습니다. 그들은 양자 역학과 일반 상대성 이론이 **"드러난 질서(explicate order)"**에 속하며, 이는 시공간을 초월한 비물질적인 **"숨은 질서(implicate order)"**로부터 펼쳐져 나온다는 급진적인 체계를 개발했습니다. 마치 교향곡이 세상에 표현되기 위해 추상적인 작곡의 영역으로부터 공간, 시간, 물질 속으로 펼쳐져야 하는 것과 같습니다. 다시 말하지만, 물리적 세계가 목적지일 수는 있어도 그 토대는 완전히 다른 무언가입니다. 하일리에 따르면 그것은 추상적인 대수적 구조이며, 그 구조가 구체적인 대상이나 운동으로 실현될 때 비로소 우리가 아는 물리학(양자 이론, 상대성 이론, 그리고 이와 대조되는 정신적 측면까지)이 나타납니다. 이 대수적 구조가 어떻게 세상의 모습(드러난 질서)으로 펼쳐지는가는 어떤 형태의 주체나 참여자에 의해 설정되는 맥락적 요인에 달려 있습니다.

이러한 제안들이 이미 존재했음에도 불구하고 제대로 평가받지 못한 점은, 이 접근법들이 가리키는 방향입니다. 그것은 물질주의로부터 멀어지는 것이지만, 그렇다면 어디로 향하는 것일까요? 이것은 정통 물리학은 아니지만, 그렇다고 정통 형이상학적 관점과 일치하지도 않습니다. 물질주의는 아니지만, 관념론이나 이원론도 아닙니다. 물질주의나 관념론처럼 이것은 '일원론'입니다. 실재의 종류는 단 하나라는 것이죠. 하지만 이것은 **"이중 관점 일원론(dual-aspect monism)"**입니다. 실재의 근본적인 실체(시공간도, 물질도, 정신도 아닌 것)가 두 가지 다른 측면, 즉 물리적 세계(시공간과 물질)와 정신적 세계로 분리된다는 관점입니다.

경험 그 자체의 통일된 구조를 완성하기 위해서는 마음과 세계, 주체와 객체라는 극성이 필요합니다. 근본적인 통일 구조가 우리가 경험하는 세계(따라서 물리학의 세계)로 분리되는 것은 '의미'와 깊게 얽혀 있습니다. 의미란 비물질적인 것을 구체적인 현실의 모습, 즉 세계로 변환하는 것입니다. 정신과 물질은 어느 쪽이 먼저 존재하지 않으며, 서로가 서로의 존재 조건으로서 단단히 결합되어 있습니다. 이들은 일종의 '자기 생성적 기묘한 루프(self-generating, strange loop)'에 묶여 있습니다. 미래 물리학의 과제는, 적어도 양자 중력 문제를 해결하고자 한다면, 우리가 관찰하는 다양한 법칙과 특징을 가진 정신과 물질이라는 한 쌍을 생성할 수 있는 **"심리물리적으로 중립적인 기질(psychophysically neutral substrate)"**이 무엇인지 조사하는 것입니다. 우리는 모델링하려는 시스템 안에 능동적 참여자로서 우리 자신을 포함해야 하는 잠재적 역설에 직면하며, 새로운 영토로 발을 내딛게 됩니다.

헤랄드 아트만스파허(Harald Atmanspacher)와 나는 <이중 관점 일원론과 의미의 깊은 구조(Dual-Aspect Monism and the Deep Structure of Meaning)>에서 이 관점을 상세히 설명했습니다. 봄과 하일리의 '숨은 질서'와 휠러의 '질문받기 전까지는 비물질적인 영역'은 모두 더 궁극적인 실재가 되기에 적합합니다. 우리는 여기서 더 일반적인 프레임워크와 방법론을 갖게 되었습니다. (최근 스티븐 울프럼의 '룰리아드(Ruliad)' 이론이나 니마 아르카니-하메드, 도널드 호프만의 '앰플리투히드론(amplituhedron)' 접근법도 이 틀에 들어맞는다고 생각합니다.) 이것은 공간, 시간, 물질, 정신에 대해 중립적인 공통 구조를 찾는 과제입니다. 핵심 요구 사항은 시공간과 물질이라는 물리학의 통상적인 범주가 궁극적인 것이라는 생각을 버리는 것입니다. 대신 그것들은 훨씬 더 원초적인 영역의 '단면'으로 묘사되어야 합니다. 이제 남은 일은 이 새로운 미개척지를 탐험하는 것입니다.