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다세계 해석에 대한 급진적인 재해석
독일이 제2차 세계 대전에서 이겼다면 어떻게 되었을까? 또는 만약 공룡들은 멸종시킨 6500만 년 전의 소행성들이 지구에 충돌하지 않았다면 어땠을까? 역사의 갈림길에서 다른 방향으로 나아간 평행 우주라는 아이디어는 공상 과학 소설의 인기 있는 주제 중 하나입니다. 그러나 진정한 과학의 영역에서 나는 언제나 그런 생각들을 그저 말도 안 되는 것으로 치부해 왔습니다. 그러나 놀랍게도 나는 바로 그러한 일들에 대해서 말하고 생각하고 있음을 깨닫게 되었습니다. 사실 이 책 전체가 평행 우주에 관한 것입니다. 메가버스란 서로의 지평선 너머로 멀어지면서 서로 연락이 끊겨 소통이 완전히 불가능한 호주머니 우주들로 이루어져 있습니다.
현실이란 우리의 경험으로 이루어진 세계뿐만 아니라 우리와 다른 역사를 가진 대체 우주들도 포함한다는 가능성을 진지하게 고려한 물리 학자가 물론 처음은 아닙니다. 그 주제는 양자 역학의 해석에 관한 논쟁의 일부분입니다. 1950년대에 당시 젊은 대학원생이었던 휴 에버렛 3세 (Hugh Everett III)는 그가 다세계(多世界) 해석(many-worldsinterpretation)이라고 명명한 양자 역학에 대한 급진적인 재해석을 내놓았습니다. 에버렛의 이 론은 역사의 모든 갈림길에서 우주는 다른 역사를 가진 평행 우주들로 갈려져 나갑니다는 것입니다.
이것은 과격한 억측처럼 들리기는 하지만 현대의 위대한 물리학자들 중 몇몇, 말합시다면 리처드 파인만. 머리 겔만. 스 티븐 와인버그, 존 휠러, 스티븐 호킹 등은 양자 역학의 불가사의한 특 성 때문에 에버렛의 아이디어를 받아들이기에 이르렀습니다. 다세계 해석은 브랜든 카터(BrandonCarter. 1942년-)가 1974년에 최초로 인간 원리를 명확하게 주장하는 데 영감이 되었습니다.
에버렛의 다세계는 얼핏 보기에는 영원히 급팽창하는 메가버스와는 무척 다른 개념으로 생각됩니다. 그러나 나는 이 둘이 사실은 같은 것이라고 생각합니다. 나는 양자 역학이란 과거로부터 미래를 예측하는 이론이 아니라, 관측 가능한 결과에 대한 확듈을 결정할 뿐이라는 사실을 누차 강조한 바 있습니다. 이 확률들은 양자 역학의 기본 수학적 대상인 파동 함수로 요약됩니다.
만약 당신이 양자 역학에 대해 들은 적이 있어서 슈뢰딩거가 전자를 기술하는 파동 방정식을 발견했다는 사실을 알고 있다면, 당신은 파동 함수에 대해 들어 본 것입니다. 당신이 그 모든 것을 잊어버리기를 바랍니다. 슈뢰딩거의 파동 함수는 훨씬 더 큰 개념의 무척이나 특별한 경우 일 뿐이기 때문입니다. 나는 이처럼 일반성이 높은 개념에 주의를 기울이려고 합니다. 어떤 주어진 시점에서 예를 들어 바로 지금 이 세계에는 관 측할 수 있는 것이 많이 있습니다. 나는 내 책상 위에 있는 창문 밖을 내다보 고 달이 떴는지 확인할 수 있습니다.
또 나는 이중 슬릿 실험을 행하고 스크린 위의 특정한 반점의 위치를 측정할 수도 있습니다. 또 다른 실험에서는 미리 예른 들어 10분 전에 미리 준비한 중성자 하나를 대상으로 할 수 있습니다. 원자핵에 속박되어 있지 않은 중성자는 불안정한다고 한 것을 상기해 봅시다. 평균적으로（어디까지나 평균입니다） 12분마다 중성자는 양성 자와 전자와 반중성미자로 붕괴합니다. 이 경우 1분 후에 중성자가 붕괴 했는지 아니면 아직 원래대로 있는지를 관측으로 확정할 수 있습니다.
이 실험에서는 둘 이상의 결과를 얻을 수 있습니다. 가장 일반적인 의미에서 파동 함수는 고찰하는 계에 대한 모든 가능한 관측에 대해서 얻을 수 있는 모 든 결과들의 목록입니다.
붕괴하는 중성자는 설명을 시작하기에 좋은 예입니다. 약간 단순화하면 우리는 중성자를 관측할 때 오로지 두 가지 결과가 가능하다고 생각할 수 있습니다. 붕괴하는가 그렇지 않은가입니다. 가능성의 목록은 짧으며. 파동 함수에는 오로지 2개의 기입 사항만이 있을 뿐입니다. 우선 중성자가 붕괴되지 않은 경우부터 생각해 봅시다. 그때 파동 함수는 붕괴하지 않을 가능성에 대해 1이라는 값을 갖고, 붕괴할 가능성에 0이라는 값을 가집니다. 다시 말해 초기에 중성자가 붕괴하지 않았을 확률은 1이고 붕괴했을 확률은 0입니다. 그러나 약간의 시간이 흐른 후에는, 중성자가 사 라졌을 작은 확귤이 생기게 됩니다. 파동 함수에 대한 두 가지 기입 사항은 1 과 0에서 1 보다 약간 작은 어떤 수와 0보다 약간 큰 어떤 수로 바뀌었습니다.
약 10분이 흐르면 두 숫자는 거의 같아집니다. 다시 1분을 더 기다 리면 확률은 역전됩니다. 중성자가 아직 그대로일 확률은 0에 가깝고, 중성자가 양성자/전자/반중성미자로 되었을 확률은 거의 1입니다. 양자 역학은 시간이 흐름에 따라 파동 함수를 갱신시켜 주는 일련의 규칙을 포 함하고 있습니다. 파동 함수의 가장 일반적인 형태는 우리가 관심 있는 계 전체. 즉 관찰자를 포함해서 관측 가능한 우주 전체를 포함합니다. 관찰자 라고 부를 수 있을 만한 물질 덩어리가 여러 개 있을 수 있으므로 그 이 론은 서로 모순이 없는 관측 결과를 예측해야 합니다. 파동 함수는 두 관찰자가 만나 그들의 발견을 비교할 때 서로 모순이 발생하지 않는 방식으로 이 모든 것을 포함하고 있습니다.
물리학에서 가장 잘 알려진 사고 실험을 고찰해 봅시다. 유명한（또는 악명 높다고 해야 할까?） 슈뢰딩거의 고양이 실험입니다. 정오에 고양이 한 마리 률 중성자 하나. 총 한 자루와 함께 상자에 넣고 밀봉한다고 합시다. 중성자가 무작위로 붕괴하면 튀어나온 전자가 회로를 가동시켜 총이 발사되 고 고양이는 죽습니다.
양자 역학에 숙달된 드라는 사람이 여러 가지 결과에 대한 확률의 목 록인 고동 함수를 구성함으로써 실험 결과를 분석할 것입니다. 우주 전체를 고려하는 것은 이치상 어려우므로 그는 그의 계를 상자 안에 있 는 것들로 제한할 것입니다. 정오에는 오로지 하나의 기입 사항만 존재합니다. “고양이는 상자 안에 장전된 총과 중성자와 함께 살아 있습니다." 그다음 이제 예를 들어 12시 10분에 어떤 일이 벌어질지 알아내기 위해서 뉴턴의 방정식을 푸는 것과 유사한 수학을 조금 해야 합니다. 하지만 그 결과는 그 고양이가 죽었을지 살았을지의 예측이 아닐거예요.
그것은 이제 두 항목을 가진 파동 함수의 갱신입니다. “중성자는 완전한다. / 종은 장전되어 있다. / 고양이는 살아 있다." 그리고 "중성자는 붕괴했습니다. / 총은 장 전되어 있지 않습니다. / 고양이는 죽었습니다." 파동 함수는 살아 있는 경우와 죽은 경우의 가지로 나뉘었으며 그 각각의 수치를 제곱하면 두 가지 결 과에 대한 확률을 얻습니다.
상자를 열고 고양이가 살았는지 죽었는지 알아볼 수 있습니다. 만약 고양이가 살아 있으면 파동 함수의 죽은 가지 부분은 버릴 수 있습니다. 그 가지를 따라 시간이 흐르면 고양이가 총에 맞아 죽은 경우의 우주에 대한 모든 정보를 얻을 수 있겠지만 이미 고양이가 살아 있는 것을 확인했으므로 그것은 드에게는 필요 없는 것이 되었습니다. 관측이 이 루어졌을 때 파동 함수의 관측되지 않은 가지를 버리는 이러한 과정을 일컫는 용어가 있습니다. 그것은 파동 함수의 붕괴라고 부릅니다. 이것은 물리학자가 최종적으로 관심 있는 부분에만 주의를 집중할 수 있도록 하는 편리한 트릭입니다. 예를 들어. 살아 있는 가지는 S가 관심을 가질 만한 정보를 담고 있습니다.
만약 그가 파동 함수의 이 가지를 따라서 미래로 나 아간다면. 그는 총이 오발되어 （고소하게도 그 자신을 맞히게 되는 경우의 확률을 결정할 수도 있습니다. 측정이 있을 때마다 파동 함수가 붕괴합니다는 것은, 닐스 보어가 주창한 유명한 양자 역학의 코펜하겐 학파식 해석의 주된 구성 요소입니다. 그러나 파동 함수의 붕괴는 양자 역학적 수학의 일부가 아닐거예요. 이것 은 수학적 규칙과 관계없이 보어가 관측을 동해 실험을 종결시키기 위 해 추가할 수밖에 없었던 것입니다. 이 자의적인 규칙은 여러 세대에 걸쳐서 물리학자들을 괴롭혔습니다.
큰 문제는 계를 상자 내부로 제한 했는데 실험의 마지막 부분에서는S 자신이 측정이라는 행위륜 동해 사건에 참여한다는 사실입니다. 모순을 피하기 위해서는 S 또한 계의 일부분 으로 기술해야 한다는 것이 현재는 잘 알려져 있습니다. 새로운 기술은 예를 들면 다음과 같을 것입니다.