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책소개

양자역학의 창시자 하이젠베르크가 직접 말하는 현대 물리학의 철학적 함의

양자역학은 뉴턴 역학, 19세기의 열 이론, 아인슈타인 등이 완성한 전기역학, 특수 상대성이론, 광학, 자기학 등과 함께 현재 물리학의 네 번째이자 마지막인 공리계로 받아들여지고 있다. 하지만 완벽한 수학적 정식화에 성공했음에도 불구하고 양자역학은 그 유명한 불확정성 원리로 인해 과학계에서도 많은 논란을 불러왔다. 객관적인 실재를 추구하는 자연과학의 입장에서 원자 단위의 입자의 움직임이 그 위치와 속도가 관찰자의 개입에 따라 달라진다는 사실은 양자역학을 잠정적인 가설이나 어딘가 괴이하고 미심쩍은 것으로 받아들여지게 했다. 현재 양자역학은 레이저 및 각종 전자장비의 작동 원리에 응용되며 DVD 플레어나 슈퍼마켓의 계산대와 같은 일상적인 장소에서도 적용되고 있다. 또한 양자역학을 이용해 기초 단위 입자의 성질을 계산한 결과는 실험으로 측정한 결과와 정확하게 일치한다. 그럼에도 양자역학은 아인슈타인의 상대성이론과 더불어 과학계에서 가장 많은 논란과 반발을 초래했다는 것은 사실이며 고전 물리학에서 벗어나 심지어 과학의 이념에 대한 안티테제로 보인다는 점에서 대중들의 호기심을 자극한다. 양자역학은 과연 어떠한 종류의 학문인가. 그리고 양자역학을 포함해 현대 과학은 지금의 사회, 문화, 종교, 철학, 언어와 어떤 관계를 맺어야 하는가.
<물리와 철학>은 불확정성 원리로 양자역학의 창시에 결정적인 역할을 한 하이젠베르크가 1955~56년에 스코틀랜드 세인트앤루스 대학의 기퍼드 강연에서 발표한 내용을 정리한 것으로 현대 과학의 고전으로 평가받는 책이다. 하이젠베르크는 양자역학을 주제로 한 이 강연에서 양자역학의 발전 과정을 비롯해 양자역학이 가지는 철학적 함의와 우리가 사용하는 언어와 과학의 관계에 이르기까지 과학과 철학을 종횡무진 오가며 자신이 만든 새로운 학문을 대중들에게 소개한다.
하이젠베르크는 우선 플랑크, 아인슈타인, 보어 등의 활약으로 뉴턴 역학이 자연을 설명해 온 방식에 문제가 제기되는 과정을 거쳐 양자역학이 성립되기까지의 경과를 설명한다. 이들 과학자들의 새로운 발견은 뉴턴 역학의 일관성에 손상을 가할 수밖에 없었는데 뉴턴의 고전 역학으로 설명할 수 없는 새로운 사실들은 너무도 혁명적이어서 과학자들을 환희보다는 오히려 당혹감에 빠지게 한 것으로 보인다. 하이젠베르크 또한 불확정성 원리를 발견했을 때의 당혹감을 자연에는 수학으로밖에 표현할 수 없는 진실이 존재하는 것은 아닐까 하는 의구심으로 조심스레 표명한다.
현대 물리학은 뉴턴 역학뿐 아니라 칸트가 <순수 이성 비판>에서 절대 의심할 수 없는 ‘선험적a priori’ 지식이라 불렀던 것들도 완전히 파괴했다. 상대성이론은 시간과 공간에 대한 관점을 바꾸었으며 양자역학에서 설명하는 원자 단위의 사건들에서는 인과율과 물질이라는 개념도 더 이상 적용되지 않는다. 물론 이것은 고전 물리학과 인과율이 잘못된 것이라는 의미는 아니며 그것이 적용되는 범위에 한계가 있다는 것을 의미한다.
뉴턴 역학과 칸트의 인과율의 해체는 고정불변의 객관적 진실의 추구라는 과학의 이념을 뒤흔들었다. 하지만 하이젠베르크는 ‘우리는 여기서 관찰하는 대상이 자연 그 자체가 아니라 과학의 방법론에 노출된 자연의 일부라는 사실을 항상 기억해야 한다’고 주의를 촉구한다. ‘인간은 존재라는 연극에 참여하는 배우이자 그 모습을 지켜보는 관중임을 잊지 말아야 한다’는 보어의 말은 자연 속에서 과학적 사실을 추구하는 인간이 관찰 대상인 자연과 맺는 관계에 대해 새로운 정립이 필요함을 암시한다. 그리고 이러한 태도는 인간과 자연의 관계뿐 아니라 인간이 만든 모든 문화와 역사, 철학, 종교에까지 적용될 수 있다. ‘자연과학은 단순히 자연을 기술하고 설명하는 행위가 아니라 자연과 인간 사이의 상호작용의 일부를 나타내는 것이다.’
양자역학을 비롯해 현대 물리학은 과학적 사실을 넘어서 철학을 비롯한 다른 분야의 학문에도 불가피하게 영향을 끼치게 되었다. 과학의 발전이 인간의 정신이나 영혼, 생명이나 신 같은 개념들에 대한 태도에 어떤 변화를 가져왔는지를 돌아본다면 현대의 물리학이 인간의 자연과 세계 인식에 어떠한 변화를 가져올 것인가를 가늠해 보는 것은 흥미로울 것이다.
하이젠베르크는 책의 후반에서 20세기 중반의 제2차 세계대전이 인간의 사상과 교리에 대한 신념에서 비롯되었음을 언급한다. 과학이 놀라운 발전을 거듭하던 바로 그 시기에 한 집단의 신념이 얼마나 황당하게 떠받들어졌으며 그 신념을 공유한 사람들이 목숨을 잃고서야 그 광기가 끝이 났다는 사실은 인간은 지식을 더한다고 해서 쉽게 경직된 신념을 버리지 않는다는 씁쓸한 진실을 말해준다.
인류의 가장 오래된 학문이자 인류 지혜의 보고라고 할 수 있는 철학은 현대 물리학의 발전으로 인해 기존의 명제들을 재검토하게 되었다. 원자 단위의 사건들에서 벌어지는 불확정성이라는 원리는 분명 과학 발전 이전에는 생각지도 못했던 사실이다. 새로운 철학은 당연히 이러한 새로운 과학적 사실들에 대한 음미를 통해 재검토되어야 할 것이다. 그뿐 아니라 핵의 가공할 힘에 기대어 현대 문명이 서 있다는 사실은 현대의 과학과 인간의 관계를 상징적으로 보여준다. 핵 이외에도 수많은 문명의 이기는 현대 과학의 성과에 직접적으로 기인한 것이다. 과학이 가져다준 편리와 함께 그것의 가공할 파괴력은 야누스의 얼굴처럼 인류에게 번영과 파멸의 길을 동시에 열어놓고 있다. 과학을 수용하고 그것이 가지는 의미와 한계에 대해 지혜로운 해결책을 모색해 가기 위해 하이젠베르크의 고전적 저작인 <물리와 철학>은 매우 중요하면서도 여전히 유효한 시사점들을 우리에게 던져준다.

저자소개

독일의 이론물리학자로 미시적인 세계를 지배하는 근본 법칙인 양자역학의 개척자 중 한 명이다. 괴팅겐 대학 시절 닐스 보어의 강의를 듣다가 사제 관계를 맺었고 이후 평생의 학문적 동지로서 깊은 친교를 맺었다. 1927년 라이프치히 대학의 이론 물리학 교수가 되었고 이후 라이프리치 대학을 독일 물리학의 중심지로 만들었다. 불확정성 원리를 제창해 양자역학에 대한 해석을 확립했고 1932년 양자역학을 창시한 공로 등을 인정받아 노벨 물리학상을 수상했다. 1933년 독일 최고의 물리학적 명예인 막스 플랑크 메달을 받았다. 제2차 세계대전 중에는 독일 우라늄 계획의 실질적인 지도자가 되었는데 나치 지도자들에게 인적, 경제적 자원의 부족으로 1945년 이전에는 원자폭탄 생산이 어렵다는 견해를 밝혀 결과적으로 나치는 원자폭탄 개발을 포기했다. 전후 독일 과학의 재건에 힘을 기울여 1946년부터 1970년까지 막스 플랑크 천체물리학 연구소 소장을 역임했고 1953년부터 사망 직전까지 훔볼트 재단의 총재로 있었다. 1957년 저명한 독일의 17명의 핵물리학자와 함께 독일의 핵무장을 반대하는 <괴팅겐 선언>을 주도했다. 등산과 하이킹, 클래식 음악을 즐겼으며 뛰어난 피아니스트이기도 했던 하이젠베르크는 1976년 신장과 방광의 암으로 자택에서 사망했다.

목차

서문 데이비드 린들리

1. 옛 전통과 새로운 전통
2. 양자론의 역사
3. 양자론의 코펜하겐 해석
4. 원자과학의 기원과 양자론
5. 데카르트 이후 철학 사조의 발전과 양자론의 새로운 상황의 비교
6. 양자론과 기타 자연과학의 관계
7. 상대성이론
8. 양자론의 코펜하겐 해석에 대한 비판과 역제안
9. 양자론과 물질의 구조
10. 현대 물리학의 언어와 실재
11. 인류 사상의 발전에서 현대 물리학의 역할

노벨상 수락 강연 양자역학의 발전
옮긴이의 말

한줄 서평