두뇌 의식, 양자 물리학으로 설명될 수 있는가?

프랙탈 광자 격자에서 비정상적인 양자 전송 현상 관찰

프랙탈(fractal)은 일반적으로 자기 유사성을 갖고 정수가 아닌 차원을 갖는 복잡한 구조다.

최근 네델란드 유흐레트 대학(Utrecht University) C. Morais Smith 교수와 중국 상하이 교통대학(Shanghai Jiao Tong University) Xian-Min Jin 교수가 이끄는 연구 그룹은 공동으로 프랙탈 공간에서 양자 전송(quantum transport) 역학을 실험적으로 조사하고 비정상적인 현상을 관찰했다. 펨토초 레이저 직접 쓰기 기술을 사용하여 연구원들은 프로파일이 프랙탈인 광자 격자를 제작할 수 있었다.

세 가지 유형의 프랙탈, 즉 Sierpinski 개스킷, Sierpinski 카페트 및 이중 Sierpinski 카페트가 광자 격자에 정확하게 매핑됐다. 그것들은 하우스도르프 차원(Hausdorff dimension, i.e., the fractal dimension)이나 기하학에서 다르다. 이중 Sierpinski 카펫은 Sierpinski 카펫의 Hausdorff 차원을 상속하지만 완전히 다른 기하학적 구조를 갖는다. 3개의 프랙탈 사이의 차이점을 통해 양자 전송과 프랙탈 간의 상호 작용을 조사할 수 있다.

두뇌와 프랙탈

우리의 뇌는 뉴런이라는 세포로 구성됐다. 각 뉴런에는 물질을 세포의 다른 부분으로 운반하는 미세소관(microtubules)이 있다. 펜로즈-해머로프(Penrose-Hameroff) 양자 의식(quantum consciousness) 이론은 미세소관이 양자 과정이 일어나도록 하는 프랙탈 패턴으로 구조화돼 있다고 주장한다.

“프랙탈(fractal)”이라는 용어는 수학자 Benoit B. Mandelbrot에 의해 처음 소개됐다. 그는 눈송이, 나뭇가지, 해안선 등과 같은 많은 자연물이 프랙탈 구조임을 알아차렸다.

물리학자들은 정수 차원이 아닌 이러한 비전통적인 시스템에 포함된 미묘한 물리 법칙에도 관심이 있다. 유클리드 기하학은 정수 차원이며 정수 차원 공간의 경우 물리 법칙이 주로 도입된다. 그러나 다른 상황에서 변칙 현상이 발생할 수 있다. 최근 수십 년 동안 풍부한 연구가 있었지만 프랙탈 공간에서 양자 이동에 대한 실험적 조사는 여전히 애매했다.

C. Morais Smith 교수는 “프랙탈은 MC Escher와 Jackson Pollock의 매혹적인 반복 작품에도 등장하며 안테나 디자인과 같은 기술 분야에서 수십 년 동안 사용됐다. 이것들은 모두 고전 프랙탈의 예”라며 “인간 의식의 복잡성을 설명하기 위해 프랙탈이 사용된 이유를 쉽게 알 수 있다. 그것들은 무한히 복잡하고 단순한 반복 패턴에서 복잡성이 나타날 수 있기 때문”이라고 설명했다.

이어 그는 “이것이 사실이라면 뇌의 뉴런 내에서 프랙탈 패턴으로 움직이는 작은 입자와 함께 양자 수준에서만 일어날 수 있다. 그렇기 때문에 Penrose와 Hameroff의 제안을 양자 의식 이론이라고 한다”고 덧붙였다.

양자 의식

과학에서 가장 중요한 미해결 질문 중 하나는 우리의 의식이 어떻게 확립되는지다. 1990년대에 블랙홀을 예측한 공로로 2020년 노벨 물리학상을 받기 훨씬 전에 물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 마취과 의사 스튜어트 해머로프(Stuart Hameroff)와 협력, 한가지 답을 제안했다.

그들은 뇌의 신경 시스템이 복잡한 네트워크를 형성하고 이것이 생성하는 의식이 전자와 같은 작은 입자가 어떻게 움직이는지를 결정하는 이론인 양자 역학의 규칙을 따라야 한다고 주장했다. 그러나 양자 역학 법칙은 일반적으로 매우 낮은 온도(약 -272°C)에서 작동하기에 양자 의식 이론은 많은 과학자들에 의해 기각됐다.

C. Morais Smith 교수는 이번 연구에서 전자를 프랙탈 패턴으로 배열하여 양자 프랙탈을 생성, 의식의 양자 이론을 뒷받침하는 몇 가지 원리를 테스트하고 싶어했다.

그는 “양자 상태를 나타내는 전자의 파동 함수를 측정했을 때 전자도 연구팀이 만든 물리적 패턴에 의해 결정된 프랙탈 차원에서 살고 있다는 것을 발견했다. 이 경우 양자 스케일에서 사용한 패턴은 Sierpiński 삼각형으로 1차원과 2차원 사이의 어딘가에 있는 모양”이라고 설명했다.

기존 STM(scanning tunneling microscope) 기술은 양자 입자가 어떻게 움직이는지를 조사할 수 없었다. 최신 연구에서 연구팀은 한 걸음 더 나아갔다. 최첨단 광자 실험을 사용하여 프랙탈 내에서 발생하는 양자 운동을 전례 없는 세부 사항으로 밝힐 수 있었다.

연구팀은 작은 Sierpiński 삼각형으로 공들여 설계된 인공 칩에 광자(빛 입자)를 주입하여 이를 달성했다. 삼각형의 끝에 광자를 주입하고 양자 전송이라는 과정에서 광자가 프랙탈 구조 전체에 어떻게 퍼지는지 관찰했다. 그런 다음 삼각형이 아닌 정사각형 모양의 두 가지 다른 프랙탈 구조에 대해 이 실험을 반복했다. 그리고 이러한 각 구조에서 수백 가지의 실험을 수행했다.

C. Morais Smith 교수는 “이러한 실험을 통해 관찰한 결과 양자 프랙탈은 실제로 고전 프랙탈과 다른 방식으로 행동한다는 것이 밝혀졌다. 특히, 프랙탈을 가로지르는 빛의 확산이 고전적인 경우와 비교하여 양자의 경우에서 다른 법칙에 의해 지배된다는 것을 발견했다. 양자 프랙탈에 대한 이 새로운 지식은 과학자들이 양자 의식 이론을 실험적으로 테스트할 수 있는 토대를 제공할 수 있다. 언젠가 인간의 뇌에서 양자 측정을 취한다면 이 결과와 비교하여 의식이 고전적 현상인지 양자적 현상인지 확실히 결정할 수 있다”고 설명했다.

관련 연구는 네이처 포토닉스(nature photonics)에 최근 게재됐다.

*Xu, X.-Y. et. al. Quantum transport in fractal network. Nat. Photon. (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00845-4