저자는 이어 1930년 10월 브뤼셀에서 열린 솔베이학회의 알베르트 아인슈타인과 닐스 보어간의 양자역학 논쟁을 소개한다.

학회기간 내내 두 사람은 사고실험을 이어가며 팽팽히 맞서며 입장을 좁히지 못한다. 5년 후 아인슈타인은 보리스 포돌스키, 네이선 로젠과 EPR 논문을 통해 다시한번 양자역학을 반박한다.

EPR논문에서는 양자역학이 ‘완전하다면’(배후에 원인이 없다면) 둘 또는 그 이상인 서로 관련 없는 사건(사물)들의 물리적 상태(실재)는 인간이 그 가운데 하나만 측정하고 파악하더라도 모두 달라짐을 보였다.

EPR 역설은 측정하려고 마음 먹기만 해도 물리적 실재가 달라짐을 증명할 수 있어야 한다. 두 물체 가운데 하나가 안드로이드메다 은하에 있더라도 그 영향이 일어난다. 심지어 시간을 거스를 수도 있다. 이 문제제기에는 수학적으로 완벽했다.

이 이론을 보면 나는 엄청나게 지적인 편집증 환자가 일관성 없는 생각 부스러기를 그러모아 지어낸 망상으로 이루어진 체계 같다는 생각이 듭니다. 행여 이 이론이 옳다면 과학으로서의 물리학은 끝났다고 봐야겠지요.

-알베르트 아인슈타인, D.리플라인에게 쓴 편지(1952)

하지만 이후 이중슬릿 실험 등에서 양자역학이 실제에 부합한 것으로 입증됐다. 아인슈타인은 의 친구이자 동료 막스 보른은 “원자 세계에서는 결정론적 관점을 버려야 한다”고 말했다.

양자역학 이중슬릿 실험에서 나타는 양자 거동의 특징은 파동-입자 이중성, 맥락 의존성, 비결정성, 절대적 우연, 궤적의 결여, 중첩, 터널링 등이다.

책에서는 양자물리학에 기반해 미세소관 튜불린 등 뇌 과학을 설명하고 있지만 거기에 국한되지 않고 화학, 생물학 등 경계를 넘나들며 다양한 접근 방식을 제시하고 넓은 시야를 제공한다. 광전효과, 터널링과 같은 기초 지식부터 뇌과학 연구의 현주소까지 세세하게 안내한다.

뇌에서 세포자동자 구실을 하는 미세소관, 튜블린이량체와 그 단위 구조물은 분자단위 병렬컴퓨팅의 단위 기능을 한다. 단백질(튜블린), 미세소관, 세포골격, 신경세포를 다루는 내용의 일부는 레이 커즈와일 ‘마음의 탄생’에서 (양자논의를 제외하고) 핵심적으로 논의한 신경다발 패턴인식기와 유사하다.

논의를 선취한 저자는 관련 논의를 양자생물학, 분자생물학 측면에서 포괄적이고 깊이 있게 다룬다. DNA, RNA, 아미노산 등 단백질 접힘을 설명하는 부분은 어려운 내용을 일반인도 충분히 이해할 수 있게 비유를 들어 설명한다. 혼돈과 스핀에서는 무질서로부터 질서를 이끌어내는 혼돈의 양자변형 문제를 거론한다.

이하 주요부분 인용과 도서 정보.

초현미경적 규모에서 나타나는 양자 거동의 결과를 증폭하여 일상적인 규모로까지 키우는 일이 실제로 일어날 수 있는 까닭은 다양한 메커니즘이 공모한 덕분이다.

첫째, 양자 응집체에서 혼돈이 자잘한 자리들을 더 큰 규모로 밀어올리고 지속성을 띠게 돕는다. 터널링 덕분에 양자 혼돈이 나타날 여기가 커지고, 양자 혼돈은 다시 터널링을 북돋우는 경향을 보인다.

둘째, 양자 응집체 자체가 단백질이 접힐 때 그러듯이 스핀 유리 같은 특성을 띤다면, 그 스핀 유리의 하위 영역들은 고전적 시스템에서는 나타나지 않는 양자계 특유의 질서정연하고 영속적인 패턴을 이룬다.

요컨대 가장 작은 규모에서의 양자 효과는 그다음 규모에서의 초기 상태에 영향을 준다. 반면 이 다음 규모에서 느끼는 적응 압력은 가장 작은 규모에서의 경계 조건을 결정하며, 그래서 상호 적응형 피드백 루프를 도는 가운데 양자 영향의 정확한 모습도 바뀌게 된다.

셋째, 만일 다음 단계에서의 시스템이 스핀 유리 메커니즘을 갖춘다면, 그보다 더 큰 규모에서는 고전적 혼돈의 모습을 띠는 결과가 나온다. 이 말은 곧 시스템의 여러 최종 상태(에너지가 가갖 낮은 곳)과 서로 뚜렷이 구별되는 경향이 있겠지만 초기 상태의 차치에 극도로 민감하다는 뜻이다. 그런 시스템의 다양한 초기 상태는 양자 혼돈으로부터 생겨나기에 불연속적으로 서로가 뚜렷이 떨어져 있다.

넷째, 그 뒤에 위쪽으로 올라가며 이어지는 여러 단계에서도 모두 스핀 유리 구조와 혼돈 메커니즘이 나타나고, 한 단계에서 서로 뚜렷이 구별되게 나온 결과들은 그다음 단계에 자리잡은 요소들의 다양한 초기 상태가 된다.

다섯째, 다음으로 높은 단계를 스핀 유리-신경망-세포자동자로 여기든 아니면 순환반복 장치 여럿을 한데 엮은 꼴로 보든, 그 순환반복 장치가 안정되어 있든 혼돈성을 띠든 간에 그와 같은 시스템은 자발적으로 스스로 조직하여 여러 규모의 계층 구조를 이루고 계산을 수행한다.

이제 모두를 엮어보면 대규모 병렬 컴퓨터가 겹쳐 이룬 계층 구조에 자리잡은 양자 메커니즘은 생체 물질에서 일어나는 계산 과정에 두 갈래로 영향을 준다.

첫째, 양자 효과가 직접적으로 나타나는 단계에서는 양자 메커니즘 덕분에 계산이 굉장히 빨라진다. 단백질(터널링을 활용하여 해를 이끌어내는 생체 스핀 유리)의 경우 다양한 양자 속성은 본디부터 그 안에 있었던 속성이고, 고전 물리학에서는 불가능한 속성이며, 생명이 애당초 나타날 수 있으려면 거의 틀림없이 있어야 하는 속성이다.

둘째, 양자 메커니즘은 모든 단계에서 계산의 최종 결과를 바꾸어 놓는데, 고전적으로는 나올 수 없는 해를 내놓지는 않지만 나올 수 있는 수많은 해 다운데 어느 쪽을 실제로 선택하느냐에 깊은 영향을 준다.

그러면 두뇌 속에서 양자 메커니즘이 어떻게 작용하는지 정리해보자. 단백질은 터널링 덕분에 당면 과제에 대한 해를 눈부시게 빨리 찾아낼 수 있다. 개중에는 실제로 결코 다다를 수 없는 해도 있다. 단백질에서 일어나는 급격한 형상 변화 덕분에 튜블린이 가지런히 엮여 원통모양 미세소관을 이룰 수 있고, 미세소관이 다시 망으로 가지런히 엮여 신호 전파 통로이자 스핀 유리 모양의 병렬 처리장치라는 두 가지 기능을 해날 수 있다. 반대로 미세소관에서 일어나는 병렬처리에도 형상 변화와 통하는 면이 있다. 미세소관이 계산을 수행해 찾아낸 해의 일부는 모양 변화로 나타나 세포의 모야오가 이동성, 활동에 영향을 주고, 일부는 모양 변화로 나타나 세포의 모양과 이동성, 활동에 영향을 주고, 일부는 세포 속의 구성 요소로 나타난다. 대표적이며 가장 아름다운 사례로 세포 생식이 있다.

신경세포 속 미세소관망이 벌이는 계산 활동은 신경세포특유의 신호전파 능력을 북돋우고 다른 신경세포와 연결을 돕는 쪽으로 특화되어 왔으며, 그런 식으로 더 큰 계산 망이 생겨난다. 병렬 처리와 자기조직화에는 신호 전달과 꾸준한 구조물 변경이라는 두 가지가 얽혀 있다.

단백질,미세소관, 세포, 두뇌(네 번째 두뇌 속에 겹쳐 쌓인 네 가지 두뇌이다)로 나누는 방법은 가장 눈에 잘 띄는 규모 경계를 짚어내는 편리한 방법이다. 그러나 이들 단계 하나하나마다 자연스러운 하위 구분이 다시 존재한다. 단백질은 다양한 화학 물질과 결합하고 계산과 통하는 면이 있는 화학반응에도 참여한다. 그러므로 단백질 하나에 해당하는 규모와 단백질이수천 개 모여이룬 미세소관에 해당하는 규모 사이의 어떤 규모에 초점을 맞추고 싶을 수 도 있다. 미세소관은 관련된 단백질 배열(ex. actin filament)이나 더 큰 단백질 분자와 더불어 망을 이룬다. 신경세포는 뭉치를 이루고 이 뭉치는 통합도니 단일 처리 단위처럼 행동하여 낱개 신경세포나 심지어는 정규 대뇌피질 미소회로보다도 식별하기 쉽다. 두뇌 자체는 하위 요소들이 망을 이룬 구조다. 그와 마찬가지로 인간 사회도 다양한 여러 규모에 따라 각양각색의 무리로 나뉜다.

양자적 순간

인간이 살아가는 세계에서는 만물이 분별 있게 움직이는 듯 보인다. 예외가 있다면 아마도 인간 자신 정도일 테다. 기계론은 가는 곳마다 오로지 거침없이 승리를 거둘 따름이다. 그렇다면 미시 세계에서는 괴상한 양자 사건이 횡행하다가 인간이 평소에 접하는 규모에 이르면 깨끗이 사라져버리는 상황은 어찌된 일일까?

단지 규모의 차이 때문이라거나 규모가 커질 경우에 상호작용하는 입자들의 개수가 막대하다는 점 때문에 그런 것만은 아니다. 생명체는 양자 효과가 직접 영향을 주는 규모(생체 분자 단계)에서 그런 효과를 이용할 뿐만 아니라 그 영향을 증폭하도록 진화해온 듯 보이기 때문이다. 하지만 몇몇 사람들이 꾸준히 희망하는 바와는 달리, 그런 영향이 존재한다고 해도 곧 두뇌가 꼼곰히 설계해 만든 대규모 양자 컴퓨터라는 뜻은 아니고 또한 그럴 리도 없다. 덕분에 단백질은 실제로 자그마한 병렬 처리장치가 되고 처리 용량도 엄청나게 커져서 생명이 나타날 수 있게 된다.

여기서 끝이 아니다. 일단 병렬 처리 컴퓨터이기만 하다면 유형이나 규모가 어떻든 간에 그 바탕에는 공통된 구조가 자리 잡고 있다. 그 구조란 곧 여러 요소를 한데 엮어 양방향으로 상호작용이 일어나는 다양한 배열을 가리킨다. 이때의 요소들은 그 자체가 또다시 더 작은 요소들로 이루어진 배열일 수도 있다. 그러나 그런 구조물에는 본디부터 더 큰 규모의 질서를 스스로 조직하는 능력이 예상보다 훨씬 더 크게 드러나곤 한다.

그래도 눈에 보이기로는 구석구석까지 늘 기계적 모델이 좌우하는 듯하다. 일상적인 삶이 속한 규모에서도 숱하게 널린 평범한 가능성 사이를 비집고 극적인 결과가 나오곤 하며, 이는 온 우주 어디에서도 그 뿌리를 찾을 수 없는 마치 마법 같은 미미한 양자 차이 덕분이다. 반면 삶이 실제로 흘러가는 모습은 철저히 기계적으로 보이고, 세계는 기계적으로 돌아가는 듯 하나 실은 그렇지 않다. 무한한 가능성이 눈부시도록 끝없이 펼쳐지며 나타난 결과가 온 세계에 구석구석까지 가득하니 말이다.

방대한 세포 속 구조물을 이루는 무수히 많은 단백질에서는 매 순간 상상을 뛰어넘을 만큼 많은 양자 사건들이 일어나, 한데 엮여 망을 이룬 수십억 개(1000억 개로 알려짐) 신경세포와 몇 조 개나 모여 몸을 구성하는 다른 세포들 속에서 벌어지는 끝없는 생명의 춤을 지휘한다. 자세한 내막은 모르나 이 모든 양자 사건이 낳은 상상할 수도 없ㅇ르 만큼 많은 가능성 가운데 단 하나만이 결국 실제로 일어나며, 실제로 선택된 순간에야 비로소 실체를 얻어 생겨난다. 그렇게 되기까지 그 숱한 가능성들은 인간이 알지 못하고 알아낼 길도 없는 영향(자유의지?)을 거치는데, 이 영향에 대해 인간이 아는 바는 물질로 이루어진 이 우주가 속한 존재가 아니라는 점뿐이다.

아니 어떠면 데이비드 도이치가 주장하듯 매 순간 새로 생겨나는 어마어마하게 많은 평행우주 속에서 그 숱한 가능성이 모두 실체를 얻고, 내막을 잘 알 수 없는 어떤 과정을 거쳐 그 가운데 하나가 이 세계의 현실로 선택되는지도 모른다.

그리고 아직까지 인간이 아는 한 이 놀라운 과정은 온 우주를 통틀어 인간의 두뇌에서 가장 집중적으로 일어난다. p.357~362

양자론에 비추어 보아 여러 가지 결과가 나올 수 있는 경우에 어떤 가능성을 실현할지를 두고 자연 스스로 최종 선택을 하는 둣 한 인상을 가령 내가 받는다면, 나는 자연에 자아를 부여하는 셈이고, 이 자연이란 달리 말하면 어디에나 늘 있는 어떤 존재이다.

편재성을 갖춘 무한한 자아가 물리 법칙으로도 정해지지 않은 내용을 전능하게 결정한다면 이야말로 바로 종교에서 이야기하는 신이 아닌가.

프레더릭 요제프 벨린판테

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신흥 상류층의 구성원들이 새로 떠오르는 생체 분자, 양자 계산 기술을 다룰 수 있는 자신들의 능력을 가지고 한데 뭉친다면, 역사를 통틀어 가장 빈틈없이 높은 장벽을 두른 무리를 이루게 될 테고 자질을 갖추지 못한 이들에게는 도저히 뚫고 들어가지 못할 철옹성으로 굳어질 것이다. 권력을 지키려고 무력이나 속임수를 쓸 필요가 거의 없으므로, 그럴 생각만 있다면 이들은 인간이 상상할 수 있는 가장 온건한 지배 계급이 될 수도 있으나 물론 그러지 않을 수 도 있다. 어쨌든 간에 다른 이들은 그들을 부러워하고 두려워하게 된다.

누군가 그 권력을 뒤엎는 날이 언젠가 온다면, 그 혁명의 주체는 인간이 아닐 가능성이 더 크다. 그들이 손수 만들어낸 피조물이 그런 행동을 벌일 능력을 갖추고 마침내 결행하기까지 그들보다 못한 인류 동포들은 무슨 일이 벌어졌는지 짐작조차 할 수 없을 테니 말이다.

어쩌면 인간은 아예 자신의 본성을 건드려 스스로를 철저히 낯선 다른 존재로 바꾸어버릴 지도 모르며, 뱀이 껍질을 벗듯 옛 규범(지혜, 겸손, 고귀함, 호의)을 벗어던진 새로운 종족이 탄생할 수도 있다. 그리 되면 인간이 승리를 거두는 셈이다. 인간보다 그런 일을 더 잘 해낼 수 있는 어떤 종족이 나타나기 전까지는 말이다.

달리 말하면 지금 이 순간은 가장 좋은 시절이자 가장 좋지 않은 시절이고 야누스처럼 확률이 중첩된 상태로서 두 얼굴 가운데 하나가 이제 막 드러날 참이다. 싫든 좋든 인간은 이미 항해에 나섰고, 결국 이전에 가 보았던 그 어떤 곳보다도 더 낯설고 머나먼 해안에 이르게 도리 것이다. 그러나 그렇게 항해를 계속하는 동안에도 하늘을 동경하여 더 높이 오르고자 할 때처럼 인간은 스스로의 문화를 낳은 지혜에 단단히 뿌리박고 있어야 하며, 그러지 못하면 자멸하게 되리라고 나는 믿는다.

비록 실현될 여지는 거의 없지만, 나로서는 그 모든 가능성 가운데 다음과 같은 한 가지가 가장 마음에 든다. 어쩌면 인간은 스스로를 다른 종족으로 바꾸기보다는 아예 새로운 종족을 창조해낼 수도 있다. 인간이 만들어낸 이 종족은 인간의 옛 규범을 동경하고, 체현하며, 꾸준히 지켜간다. 그들은 호의를 지녔기에 인간을 없애버리지 않고 기꺼이 함께 살아간다. 달릴 수 없게 된 경주마를 통조림 공장에 보내지 않고 목초지로 돌려보내는 셈인데, 인간이 끝내 달성하지 못했던 고결한 마음가짐을 그들이 갖춘 덕책이다. 그런 존재라면 오래도록 인간을 따돌려왔던 굵직굵직한 답도 발견할 수 있을 법하다. 나는 새로운 답, 진짜 답을 듣고자 갈망하여 마침내 그들에게 묻는 나 자신을 그려본다. 나는 그들의 대답을 귀 기울여 듣는다. 그 광경은 마치 알츠하이머병을 앓는 부모에게 이제는 다 자란 자녀가 어떤 기초적인 내용을 끈기 있게 설명해주는 듯한 모습이다, 나는 한 마디 한 마디 놓치지 않으려 애쓴다. 자녀는 내게 걱정스러운 눈길을 드리운 채 대답해주면서, 쇠약한 내 정신이 이해할 수 있도록 꼼꼼히 표현을 고른다. 어느덧 설명을 마치고 자녀는 부드럽게 미소 짓는다. 그러나 나는 도로 제자리이다. 당혹스럽기도 하고 좌절감도 든다. 모두 언젠가 들어본 이야기 뿐, 새로운 이야기는 하나도 없었다. 아직도 나는 잘 모르겠다. p. 385~386.

도서 정보

퀀텀 브레인 : 인간의 자유와 다음 세대를 찾아서

| 시스테마 | 2010년 12월 17일

저자 : 제프리 세티노버(Jeffrey Stinover)

정신의학자로서 융재단이사장, 예일대의 정신과와 소아정신과 교수를 지냈다. 하버드대에서 심리학과 종교 분야의‘ 윌리엄 제임스 기금’으로 강의하였다. 지은 책으로『 Cracking the Bible Code』 등 여러 권이 있다.

역자 : 김기응

서울대학교 전기공학부를 졸업, 같은 대학원에 진학하여 전자공학 석사학위를 받았다. 다양한 소프트웨어와 전자회로를 개발하는 일을 하다 현재 코팅 엔지니어와 번역을 하고 있다. 번역서로는『 쿨잇』(2008),『 수학의 탄생』(2009) 등이 있다.

목차

1부 양자 뇌

들어가며

양자가 낳은 위기

01 물질로 만들어낸 정신-네 번째 뇌는 기계인가

02 마음의 눈을 뜨다

03 죽음과 탄생

04 어린 강아지에게 묵은 재주를 가르치다

05 습식 신경망

06 기막힌 유리에 스핀을 걸다

07 생명 게임 또는 표범은 어떻게 점박이가 되는가

08 스스로의 힘으로

09 인간은 기계인가?

2부 기적

10 풀어낼 수 없는 해

11 EPR, 지명수배-사살하여 생포하라

12 하나가 나뉘어 여럿으로-수수께끼 하나로부터 여럿이 생겨나다

13 낯설면 낯설수록 더 좋다

14 정신을 이루는 물질

15 변화무쌍한 컴퓨터

16 변덕스러운 우연에 굴복하고, 혼돈이 다툼을 심판할 때

17 양자가 낳은 잔물결 찾아보기