증명 할 수 없 는 이론 들 : 끈 이론 과 다중 우주 론 
 tags : # 과학 , # 끈 이론 , # 다중 우주 론 , # 물리학 , # 양자 역학 2014 년 12 월 22 일 | By : veritaholic | 과학 | 5 Comments 
 올해 물리학계 에서 일어난 논란 에 는 우려 스러운 점 이 있 습니다 . 올해 벌어진 일련 의 사건 들 은 관찰 결과 를 통해 우주 의 기본 원리 를 검증 하 는 일 이 얼마나 어려운지를 보여 주 었 습니다 . 그리고 그 결과 , 몇몇 연구자 들 은 이론 물리 를 검증 하 는 방법 이 바뀌 어야 한다고 이야기 하 기 시작 했 습니다 . 그 들 은 어떤 이론 이 충분히 아름답 고 ( elegant ) , 또 우주 를 잘 설명 할 수 있 다면 그 이론 이 굳이 실험 적 으로 검증 될 필요 가 없 다고 말 하 기 시작 했 습니다 . 이 들 의 말 은 옳 지 않 습니다 . 이 는 과학 지식 은 오직 실험 적 증거 로 만 뒷받침 되 어 온 수백 년 의 전통 을 무시 하 는 것 입니다 . 과학 철학자 칼 포퍼 가 말 했 던 것 처럼 , 한 이론 은 오직 반증 가능 할 때 에 만 과학 적 일 수 있 습니다 . 
 한 이론 이 그 이론 이 가진 우아 함 만 으로 도 충분 한 의미 를 가진다고 주장 하 는 대표 적 인 과학자 들 은 바로 끈 이론 을 연구 하 는 이 들 입니다 . 사실 끈 이론 은 오늘날 네 가지 우주 의 기본 힘 ( 역 자주 : 중력 , 전자기력 , 약한 핵력 , 강한 핵력 ) 을 하나 의 이론 으로 설명 하 려는 통일장 이론 의 유일 한 후보 이 며 , 따라서 이 들 은 비록 이 끈 이론 이 우리 가 절대 관측 할 수 없 는 잉여 의 차원 들 을 가정 하 고 있 다 하 더라도 여기 에 어떤 일말 의 진실 이 있 을 것 이 라고 믿 고 있 습니다 . 천체 물리학자 들 중 일부 도 역시 실험 적 으로 검증 할 수 없 는 이론 인 , 무수히 많 은 우주 의 존재 를 가정 하 는 다중 우주 이론 과 측정 이 곧 새로운 우주 를 만들 어 낸다는 양자 역학 버전 의 다중 우주 이론 , 그리고 빅뱅 이전 의 우주 에 대한 이론 등 을 이야기 하 며 이런 흐름 에 참여 하 고 있 습니다 . 
 이 증명 할 수 없 는 이론 들 은 현실 에서 실험 적 으로 증명 된 ‘ 소립자 표준 모형 ( Standard model ) ’ 이나 ‘ 암흑 물질 ’, ‘ 암흑 에너지 ’ 이론 과 는 전혀 다른 종류 의 것 입니다 . 즉 , 이 새로운 이론 물리 분야 는 수학 과 물리학 , 철학 의 어디 에 도 속할 수 없 는 어정쩡 한 분야 가 될 위험 을 가지 고 있 는 것 입니다 . 
 이 들 에 대한 우려 가 갑자기 등장 한 것 은 아닙니다 . 지난 10 년 간 , 피터 우 잇 의 “ Not Even Wrong ” 이나 리 스몰린 의 “ The Trouble with Physics ” , 짐 배 것 의 “ Farewell to Reality ” 등 의 책 이 이 들 을 비판 하 는 내용 이 었 습니다 . 지난 3 월 , 이론 물리학자 폴 슈타인 하트 는 지금 의 인플레이션 우주 모형 은 어떤 관찰 결과 도 모두 합리 화 시킬 수 있 기 때문 에 더 이상 과학 적 인 모델 이 라 할 수 없 다는 글 을 네이처 지 에 실 었 습니다 . 이론 물리학자 이 자 철학자 인 리차드 데이 위드 와 천체 물리학자 션 캐럴 이 폴 의 주장 을 반박 했 습니다 . 그 들 은 이론 물리 의 경우 다른 과학 분야 만큼 실험 적 증거 를 요구 해서 는 안 된다는 내용 의 철학 적 주장 을 펼쳤 습니다 . 
 데 이 위드 와 캐럴 은 적어도 이 문제 에 진지 하 게 대응 했 다는 점 에서 는 박수 를 받 을 만 합니다 . 그러나 이 논쟁 은 매우 조심 스럽 게 진행 되 어야 합니다 . 오늘날 , 기후 변화 에서 진화 론 에 이르 기 까지 몇몇 정치인 이나 종교 적 근본주의 자 들 은 과학 자체 에 의문 을 가지 고 도전 하 고 있 습니다 . 이론 물리 에 대한 과학자 와 철학자 들 이 벌일 이 논쟁 에 는 이 들 의 다툼 이 과학 과 이론 물리학 에 대한 대중 의 신뢰 에 어떤 영향 을 끼치 게 될 것 인가라는 보다 신중 한 고려 역시 포함 되 어야 합니다 . 
 끈 이론 ( String theory ) 
 끈 이론 은 다 차원 우주 의 매우 작 은 크기 의 끈 ( 1 차원 개체 ) 과 막 ( 다 차원 개체 ) 이 우리 우주 를 이루 고 있 다는 이론 입니다 . 이 이론 에서 다 차원 은 매우 작 게 말려 있 어 현실 적 인 입자 가 속기 내 의 입자 의 충돌 에 의한 에너지 수준 에서 는 관찰 이 불 가능 합니다 . 
 물론 끈 이론 의 어떤 측면 은 원칙 적 으로 는 실험 이 가능 하 기 도 합니다 . 예 를 들 어 초대칭 , 곧 페르미온 과 보존 사이 의 대칭 은 끈 이론 의 중요 한 결과 이 며 , 이 이론 은 모든 입자 들 이 아직 관측 되 지 않 은 쌍 입자 를 가질 것 으로 예측 합니다 . 스위스 제네바 의 유럽 입자 물리 연구소 CERN 의 LHC 에서 아직 그런 입자 는 발견 되 지 않 았 습니다 . 만약 이 쌍 입자 들 이 계속 관측 되 지 않 는다면 , 우리 는 그런 입자 가 존재 하 는지 를 영원히 알 수 없 을 것 입니다 . 끈 이론 을 지지 하 는 이 들 은 쌍 입자 의 질량 이 가속기 가 만들 수 있 는 에너지 보다 크 다고 언제나 주장 할 수 있 습니다 . 
 데 이 위드 는 끈 이론 의 연구 과정 을 철학 적 으로 , 그리고 확률 적 으로 논증 함 으로써 이 이론 의 진실 성 을 이야기 할 수 있 다고 주장 합니다 . 그 는 어떤 이론 이 일련 의 사실 들 을 얼마나 잘 설명 하 는지 에 대해 말 할 수 있 는 베이지안 방법론 을 통해 끈 이론 이 참 이거 나 적어도 현실 과 맞아떨어질 확률 을 높여 감 으로써 끈 이론 을 검증 할 수 있 다고 말 합니다 . 그러나 그런 확률 은 순전히 이론 적 일 뿐 입니다 . “ 누구 도 다른 대안 을 찾 지 못했 기 때문 에 ” , 또 “ 다른 대안 이 없이 도 지금 까지 잘 맞 아 왔 기 때문 에 ” 그 는 끈 이론 을 우리 가 받아들여야 한다고 이야기 합니다 . 
 그러나 그 의 주장 은 주객 을 전도 시키 는 것 입니다 . 특정 이론 에 대한 신뢰 는 그 이론 을 지지 하 는 관찰 결과 들 에 의해 증가 해야 하 는 것 이 지 , 추론 자체 가 자신 에 대한 신뢰 를 스스로 높이 게 해서 는 안 됩니다 . 또 수학 적 으로 논리 적 인 결과 가 항상 현실 과 맞아떨어지 지 도 않 았 습니다 . 아름답 고 간결 한 이론 이 실험 결과 에 의해 배척 당한 무수 한 예 가 있 습니다 . 정상 우주 론 이 그랬 고 강한 핵력 과 약전 자기력 을 통합 하 는 SU ( 5 ) 통일장 이론 이 그랬 습니다 . 확립 된 사실 들 이상 의 진리 를 추론 에 의해 발견 할 수 있 다고 믿 는 귀납 주의 는 포퍼 를 비롯 한 20 세기 철학자 들 에 의해 이미 반박 된 바 있 습니다 . 
 우리 는 다른 대안 이 없 는지 를 알 지 못합니다 . 어쩌면 아직 그 대안 을 발견 하 지 못한 것 일 수 있 습니다 . 또는 모든 힘 을 통일 하 는 하나 의 이론 이 있 을 것 이 라는 그 가정 자체 가 잘못 된 것 일 수 있 습니다 . 사실 끈 이론 에 는 여러 가지 버 젼 이 있 으며 아직 잘 정의 되 지 도 않 았 습니다 . 어쩌면 끈 이론 은 그런 통일장 이론 이 있 을 수 있 다는 정도 의 주장 밖에 되 지 않 을지 도 모릅니다 . 
 다중 우주 론 ( Many multiverses ) 
 다중 우주 론 은 하나 의 수수께끼 에서 시작 했 습니다 . 그것 은 바로 왜 자연 의 기본 상수 , 예 를 들 어 입자 들 사이 의 전자기력 크기 를 결정 하 는 미세 구조 상수 와 우주 의 팽창 을 결정 하 는 우주 상수 가 생명 이 존재 할 수 있 는 그런 좁 은 범위 안 에 존재 하 도록 되 어 있 는가 하 는 수수께끼 입니다 . 다중 우주 이론 은 가능 한 모든 상수 로 만들 어 진 다른 관찰 불 가능 한 우주 가 저 바깥 에 존재 한다고 주장 합니다 . 따라서 어딘가 에 , 우리 우주 처럼 생명체 가 있 는 그런 우주 가 , 아무리 그 확률 이 낮 다 하 더라도 , 있 을 수 있 다고 말 합니다 . 
 어떤 물리학자 들 인 이 이론 만큼 우리 우주 가 가진 어떤 특이 한 우연 들 을 잘 설명 해 주 는 이론 이 없 다고 생각 합니다 . 예 를 들 어 , 왜 우주 상수 가 양자 장론 의 예측 보다 10 ^ 120 만큼 작 은지 는 매우 설명 하 기 어려운 실험 결과 입니다 . 
 올해 초 , 캐럴 은 포퍼 가 제시 했 던 반증 가능 성 기준 을 “ 무딘 도구 ( blunt instrument ) ” 라고 부르 며 다중 우주 론 과 다 세계 해석 을 지지 했 습니다 . 그 는 과학 이론 이 가져야 할 다른 두 기준 을 내 걸 었 습니다 . 그것 은 과학 이론 은 “ 명확 해야 ( definite ) ” 하 며 “ 경험 적 ( empirical ) ” 이 어야 한다는 것 입니다 . 명확 하 다는 것 은 그 이론 이 분명 해야 하 고 현실 에서 어떻게 작동 하 는지 에 대해 모호 하 지 않 아야 한다는 것 이 며 경험 적 이 어야 한다는 것 은 이론 이 실험 결과 를 얼마나 잘 설명 하 는지 에 의해 판단 되 어야 한다는 것 입니다 . 
 그러나 다중 우주 론 은 천체 물리학자 들 의 그 어떤 측정값 에 대해서 도 설명 을 제시 할 수 있 습니다 . 모든 가능 한 우주 의 변수 들 이 어딘가 에 는 존재 하 며 , 따라서 이 이론 은 수많 은 조절 가능 한 변수 들 을 가지 고 있 습니다 . 반면 아인슈타인 의 일반 상대 성 이론 을 변형 한 단위 모듈 중력 이론 ( unimodular gravity ) 역시 우주 상수 가 왜 크 지 않 은지 를 설명 할 수 있 습니다 . 
 어떤 이 들 은 다중 우주 론 을 검증 가능 한 형태 로 변형 하 기 도 했 습니다 . 물리학자 레너드 서스킨드 는 우주 의 공간 곡 률 이 음수 가 된다면 틀린 것 으로 판정 될 다중 우주 론 을 제시 하 기 도 했 습니다 . 사실 다 중우 주론 은 기본 적 으로 아직 검증 되 지 않 은 끈 이론 과 다른 우주 들 에서 는 어떤 다른 물리학 이 가능 할 것 이 라는 다소 추론 적 인 사고 에 기반 하 고 있 습니다 . 즉 , 검증 이 아니 라 , 이론 자체 가 아직 튼튼 하 지 않 은 것 입니다 . 
 한편 , 물리학자 휴 에버렛 이 제안 한 다 세계 이론 의 양자 역학 버 젼 이 바로 궁극 적 양자 다중 우주 론 입니다 . 에버렛 은 측정 전 까지 는 임의 의 방사선 에 의해 살 아 있 는 동시 에 죽 어 있 다고 여겨 지 는 슈뢰딩거 의 고양이 가 측정 후 만들 어 진 각각 의 우주 에서 실제로 살 아 있 거나 죽 어 있 게 된다고 설명 합니다 . 곧 어떤 우리 의 사소 한 선택 도 각각 의 선택 에 해당 하 는 우주 가 양자 진공 으로부터 만들 어 진다는 것 입니다 . 
 수없이 많 은 우주 , 그리고 그 우주 안 의 역시 수없이 많 은 은하 와 우리 의 복제 본이 서로 를 확인 하 거나 연락 할 수 있 는 방법 은 없 습니다 . 그렇 다면 , 그렇게 많 은 나 중 에서 내 가 지금 경험 하 는 나 는 도대체 어느 것 일까요 ? 그 많 은 나 들 사이 에 어떤 차이 가 있 을까요 ? 그 많 은 나 중 에 어떤 나 는 다중 우주 론 을 지지 하 고 다른 나 는 그렇 지 않 다면 자연 의 진실 이 무엇 인지 나 는 과연 알 수 있 을까요 ? 
 나 는 천체 물리학자 들 이 수학자 힐 버트 의 경고 를 귀담 아 들어야 한다고 생각 합니다 . 그 는 “ 비록 무한대 라는 개념 이 수학 을 완전 하 게 만드 는 데 필요 하 지만 , 이 우주 어디 에 도 그것 이 실제로 존재 하 지 는 않 는다 ” 고 말 했 습니다 . 
 나 는 이론 물리학자 사비네 호 센 펠더 의 ” ‘ 포스트 경험 과학 ’ 이 라는 말 은 자가당착 이 다 ” 는 주장 에 동의 합니다 . 양자 역학 과 상대 성 이론 은 그 이론 들 이 내어놓 은 예측 결과 가 실제 실험 결과 와 일치 했 기 때문 에 살아남 았 습니다 . 역사 적 으로 수없이 많 은 우아 하 고 유혹 적 인 이론 들 이 실제 측정 결과 와 일치 하 지 않 았 기 때문 에 폐기 되 었 습니다 . 프톨레마이오스 의 천동설 에서부터 켈빈 경 의 나선 형 원자 모형 , 프레드 호일 의 영구 적 정상 우주 론 이 그랬 습니다 . 
 어떤 이론 이 자신 의 중요 성 을 과장 할 경우 그 결과 는 심각 할 수 있 습니다 . 그 이론 이 너무나 훌륭 하 기 때문 에 실제 관측 결과 가 필요 없 다고 말 하 는 순간 , 학생 들 과 대중 들 은 과학 이 이루어지 는 방식 을 오해 하 게 될 것 이 고 , 다른 유사 과학자 들 이 자신 들 의 아이디어 를 똑같 은 방식 으로 주장 할 수 있 게 됩니다 . 
 어떻게 해야 할까요 ? 물리학자 와 철학자 , 그리고 다른 과학자 들 은 현대 물리학 의 이런 상황 을 해결 할 수 있 도록 과학 적 방법론 을 다듬 어야 합니다 . 나 는 결국 이 주제 가 다음 과 같 은 질문 으로 귀결 될 것 이 라고 생각 합니다 . 그 질문 은 곧 “ 그 이론 이 틀렸 다고 스스로 를 설득 할 수 있 게 만들 어떤 잠재 적 인 관찰 또는 실험 결과 가 존재 하 는가 ? ” 하 는 것 이 며 , 만약 이 질문 에 답할 수 없 다면 , 그 이론 은 과학 이론 이 아닙니다 . 
 이 이론 은 잘 정의 된 철학 적 어법 으로 다듬 어 져야 합니다 . 내년 에 는 이 문제 를 다룰 학회 가 열리 기 를 기대 합니다 . 양 진영 의 학자 들 이 모두 모여 이 를 논의 할 수 있 을 것 입니다 . 
 그 전 까지 는 , 각 논문 지 의 편집장 들 은 이 이론 의 결과 들 을 다른 부류 로 분류 해야 할 것 입니다 . 예 를 들 어 우주 론 분야 가 아니 라 수학 분야 에 집어넣 을 수 있 을 것 입니다 . 그리고 이 이론 을 주도 하 고 있 는 기관 이나 학과 는 한 번 더 이 문제 를 생각 해 볼 수 있 을 것 입니다 . 
 우리 는 오직 검증 가능 한 이론 만 을 과학 으로 공인 해야 합니다 . 그것 이 과학 을 지키 는 길 입니다 .