 강길전박사의 양자기공 1. 물리학과 의학과의 관계
1.1 뉴턴 물리학과 현대의학
역사를 보면 모든 시대는 그 시대가 요구하는 필연적인 우주론이 있었고 제반 학문은 그 시대의 우주론에 맞추어서 설명하고 발전하였다. 과학사를 보면 세 가지의 대변혁이 있었다. 첫 번째 변혁은 중세기 코페르니쿠스가 지동설을 발표하면서 근대과학이 탄생하면서 생긴 변혁이고, 두 번째 변혁은 17세기 뉴턴의 고전 물리학에 의한 현대과학이 탄생하면서 생긴 변혁이며, 세 번째 변혁은 20세기 상대성 이론과 양자 이론의 탄생에 의한 변혁이다.
서양의 의학은 제반 학문과 마찬가지로 그 시대를 주도하는 물리학의 개념을 도입하여 발전하여 왔다. 그래서 의학은 17세기 뉴턴 물리학이 창시된 이래 지금까지 뉴턴 물리학의 기계론적 우주관에 입각하여 설명되고 연구되어 왔다. 따라서 서구 사회의 현대의학은 뉴턴 물리학에 바탕을 둔 생의학(biomedicine)이었다. 따라서 현대의학의 패러다임은 뉴턴 물리학의 기본 패러다임과 동일하였다.
1.2 뉴턴 물리학의 기본 패러다임
뉴턴 물리학의 기본 패러다임은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
첫째, 뉴턴 물리학에서는 우주는 물질로 이루어져 있으며, 이들은 3차원 공간에서 움직이며, 시간은 절대적이며 3차원 공간과는 별개라고 하였다. 따라서 현대의학에서는 분자, 세포, 조직 및 장기 등을 3차원 수준에서만 논의하였다.
둘째, 뉴턴 물리학에서 우주의 공간이란 3차원적 공간이며, 이는 텅 비워 있으며, 언제나 정지해 있고, 변화할 수 없는 절대 공간이었고, 시간은 물질적 세계와 아무런 관계 없이 흐르는 절대적인 것이었다. 따라서 현대의학에서는 인체는 우주 공간이나 환경과는 아무런 상관 관계를 갖지 않는다.
셋째, 뉴턴 물리학에서는 우주는 절대적 공간이며, 여기에 작고 견고하며 질량을 가지고 딱딱하며 파괴될 수 없고 움직일 수 있는 입자로서 빚어진 물질만이 존재한다고 보았다. 따라서 현대의학에서는 인체는 물질만으로 된 것으로 생각하며 눈으로 볼 수 없는 에너지 혹은 정신 현상 등은 아무런 의미가 없다고 생각한다.
넷째, 뉴턴 물리학에서는 우주는 거대한 기계와 같은 것이라고 하였다. 따라서 현대의학에서는 인체도 기계와 같은 것으로 생각하여 인체를 물리학의 기계 논리로 설명하였고, 조직 및 장기에 병이 생기면 고장난 부품처럼 생각하고 고장난 장기만 치료하게 되었다.
다섯째, 뉴턴 물리학에서는 측정할 수 없는 것은 과학적으로 의미가 없는 것으로 간주하였다. 따라서 현대의학에서는 눈에 보이지 않고 측정할 수 없는 인체의 에너지 혹은 마음, 감정 등의 존재를 인정하지 않았다.
여섯째, 뉴턴 물리학에서는 전체는 부분의 합이며 계속 분석을 하다보면 전체를 알 수 있다고 생각하였다. 따라서 현대의학에서는 환원주의에 입각하여 육체를 장기, 조직, 세포 그리고 유전자의 순서로 계속적으로 분석하는 작업을 하여 지금은 유전자 생물학에 이르게 되었다.
1.3 양자 물리학의 탄생
1900년 12월 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)가 빛은 에너지 알갱이 즉, 빛의 양자(量子)가 띄엄띄엄 전달된다는 사실을 발표하면서 새로운 물리학의 시대를 열었다. 그 당시 빛은 파동(wave)이라는 설이 인정되고 있었던 때이라 빛이 입자(particle)로 전달된다고 발표한 것은 엄청난 충격이었다. 어쨌든 이것이 계기가 되어 빛은 입자(particle)와 파동(wave)이라는 이중성을 갖는다는 사실을 인정하지 않을 수 없게 되었으며 이것이 바로 양자물리학의 시작이었다1).
20세기가 시작되면서 물리학자들은 원자의 구조를 밝히는 과정에서 원자는 태양계와 같이 중심에 원자핵(原子核)이 있고 그 주위를 전자(電子)가 회전한다는 사실을 알게 되었다. 그런데 전자(電子)의 정체를 밝히는 과정에서 전자(電子)의 이상한 성질을 발견하게 되었다. 전자(電子)의 이상한 성질이란 다음과 같은 것이었다[2].
1. 전자(電子)가 어떤 때는 입자(particle)로 관찰되기도 하고 어떤 때는 파동(wave)으로 관찰되기도 한다는 점이었다. 입자와 파동이 비슷한 성질의 것이라면 문제가 되지 않겠으나 입자와 파동은 너무나 다른 성질의 것이기 때문에 한 순간에 입자가 되기도 하고 또 다른 순간에는 파동이 되기도 한다는 사실이었다.
2. 뉴턴 물리학에서의 물체의 운동과는 달리 전자(電子)는 위치와 속도를 동시에 측정할 수 없었다. 그래서 전자(電子)의 위치를 측정하면 속도는 알 수 없게 되었고 전자(電子)의 속도를 측정하면 그 위치를 알 수 없었다.
3. 전자(電子)는 한 순간은 여기에서 측정되고 바로 다음 순간은 우주의 끝에서 발견되었다.
이와 같이 전자(電子)의 이상한 성질을 규명하기 위하여 세계적인 물리학자들이 연구를 시작하였으며 이들이 밝혀낸 학문이 바로 양자 물리학이다. 초창기의 양자물리학을 연구한 사람들로는 보어(Niels Bohr), 하이젠베르크(Werner Heisenberg), 슈뢰딩거(Erwin Shroedinger) 등이 있으며 이들은 주로 보어(Bohr)의 코펜하겐 대학을 중심으로 연구활동을 하였기 때문에 이들을 코펜하겐 학파라고 부른다. 코펜하겐 학파는 전자(電子)에 대하여 다음과 같이 해석하였으며 이것을 코펜하겐의 표준해석이라고 부른다[3].
하이젠베르크(Heisenberg)는 전자(電子)는 입자(particle)의 가능성과 파동(wave)의 가능성(可能性)이 공존하고 있다가, 즉 가능태(可能態)로 있는 상태에서 과학자의 관측 행위에 의해서 비로소 입자(particle)로 탄생되거나 혹은 파동(wave)으로 탄생된다고 하였다.
다시 말하면, 물질의 최소 단위라 생각되며, 우주의 가장 원초적 질료로 생각되는 양자(量子)가 관측되기 이전에는 가능태로만 존재하기 때문에 입자(particle)인지 파동(wave)인지 알 수 없다고 하였다. 이것을 하이젠베르크의 불확정성 원리(uncertainty principle)라고 불렀다.
보어(N. Bohr)는 전자(電子)는 입자(particle)와 파동(wave)이 실제로 존재하는 것이 아니라 입자와 파동이 동전의 앞면과 뒷면과 같은 구조를 갖고 존재할 가능성만 갖고 있는데 관찰자가 전자(電子)의 앞면을 관측하게 되면 입자로 나타나 보이고, 전자(電子)의 뒷면을 관측하게 되면 파동으로 나타나 보인다고 하였다. 이것을 보어의 상보성 원리라고 불렀다.
양자이론의 파동함수 방정식을 창안한 슈뢰딩거(E. Shroedinger)는 전자(電子)는 관측되기 전까지는 도처에 있으며 동시에 아무 곳에도 존재하지 않지만 과학자에 의하여 전자(電子)가 관찰되는 순간에 양자 도약(quantum jump)에 의하여 다른 모든 파동함수는 붕괴되고 단 하나만 남게 되어 전자(電子)는 파동으로 보이거나 아니면 입자로 보인다고 하였다. 슈뢰딩거는 이것을 설명하기 위하여 유명한 고양이 역설을 만들었는데, 그 내용인 즉은 반(半)은 죽은 고양이와 반(半)은 살아 있는 고양이가 공존하고 있는데 관찰자에 의해서 고양이가 발견되는 순간에 어느 쪽 반(半)이 존재하고 나머지 반(半)은 소멸되는 것이라고 하였다.
이와 같이 보어(Bohr), 하이젠베르크(Heisenberg), 슈뢰딩거(Shroedinger) 등은 양자(量子)에 대해 다소 차이가 있는 해석을 하였으나 이들의 공통된 점은 우주의 근본인 양자(量子)의 정체는 비 존재에 가까운, 알 수 없는, 확실치 않는 것이라고 주장한 점이다.
세월이 흐르면서 코펜하겐학파의 불확정성 원리를 추종하는 또 다른 그룹의 물리학자들이 나타나서 불확정성 원리를 새로운 각도에서 재해석하기 시작하였는데 이들은 주로 관측에 의해서 무슨 일이 일어나는가를 심도 있게 연구하였다[1][2][3].
1. 노벨 수상자이며 양자이론의 선도적 권위자인 항거리 출신의 물리학자 위그너(E. Wigner)를 위시하여 사파티(J. Sarffati), 워커(E. Walker), 야우호(Jauch), 론돈(London) 그리고 울프(F. Wolf) 등은 과학자가 관측하는 순간, 과학자의 의식(意識)이 존재하기 이전의 양자(量子) 세계에 개입하는 것이라고 하였다. 즉, 입자인지 파동인지 알 수 없는 양자(量子)라는 가능태(可能態)에 대하여 과학자가 관측하는 순간, 과학자의 의식이 입자 혹은 파동을 탄생시키는 것이라고 추측하였으며 따라서 양자(量子)의 탄생에는 의식이 중요하게 작용한다고 하였다.
2. 물리학자 뮤지스(C. Muses), 탄도학의 권위자인 해리스 워커(H. Walker) 및 미국 프린스톤 대학의 물리학자 얀(R. G. Jahn) 등은 관찰자의 의식에 의하여 입자 혹은 파동이 탄생하는 것이라면 양자의 관찰 전 상태가 의식이기 때문에 그러한 일이 가능하다고 생각하였다. 따라서 양자의 관찰 전 상태란 바로 의식이라고 하였다.
3. 미국의 물리학자 에베렛(H. Everette)은 파동함수란 존재할 가능성을 묘사하는 것이 아니라 실제로 그렇게 존재하고 있는 것이라고 주장하였다. 따라서 파동함수가 의미하는 바에 의하면 우주는 하나만 존재하는 것이 아니라 한 우주와 더불어 나란히 공존하고 있는 또 다른 우주가 있다고 하였다. 그래서 관측이란 다름 아닌 여러 개의 우주 중에서 하나의 우주를 선택하는 과정이며, 관측되지 않는 우주도 여전히 현존하고 있다고 주장하였다. 다시 말하면 입자로 된 우주와 파동으로 된 우주가 따로따로 병행하고 있는 상태로 존재하고 있다가 과학자의 관찰에 의해서 두 가지 우주 중에서 하나가 선택되는 것이라고 하였다.
4. 미국의 물리학자 폰 노이만(John von Neumann)은 양자의 관측 시, 과학자의 의식이 작용하여 양자(量子)가 탄생하는 것이 아니라 관측 시 사용하는 기구의 빛 즉, 광자(光子)가 양자(量子)의 가능태(可能態)에 작용하여 입자를 탄생시키거나 혹은 파동을 탄생시킨다고 하였다.
1.4 불확정성 원리는 인체에 적용할 수 없다
이상에서 보는 바와 같이 대부분의 양자 물리학자들은 코펜하겐의 표준 해석법인 불확정성 원리를 추종하고 있으며 이러한 불확정성 원리를 주장하는 한, 이를 인체에 적용할 수는 없는 일이다. 왜냐하면 인간의 의식 활동을 불확정성 원리에 의하여 뇌에서 일어나는 양자의 확률로 설명할 수는 없는 일이기 때문이다.
따라서 필자는 인체에 적용할 수 있는 또 다른 양자이론을 찾지 않을 수 없었다. 이것이 바로 글렌 라인(G. Rein)[4]의 양자 생물학과 데이비드 봄(David Bohm)[5]‐[12]의 양자이론이었다.
2. 데이비드 봄(David Bohm)의 양자이론
데이비드 봄(David Bohm)은 미국 출신으로 영국 런던 대학의 이론 물리학 교수를 역임했던 물리학자로써 코펜하겐 학파의 불확정성 원리를 정면으로 반대하였다. 그 이유는 우주가 그토록 불확정한 것처럼 보이는 것은 인간의 인식의 한계 때문이거나 아니면 측정 기구의 한계 때문이지 우주 자체가 불확정한 것은 아니라고 믿었기 때문이었다. 그래서 봄(Bohm)은 인간이 미처 모르는 어떤 숨은 변수가 있을 것이라고 생각하였고 그래서 ``숨은 변수 가설(hidden variable theory)''을 제안하였다[5]. 다시 말하면 하이젠베르크의 불확정성 원리에서 ``전자가 어디에 있는지 어떻게 움직이는지 모르기 때문에 전자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 알 수 없다''라고 말하는 대신에 봄(Bohm)은 정확한 위치와 정확한 운동량을 동시에 가지는 전자가 반드시 있을 것이라고 가정하고 그 해(解)를 구하기 위하여 숨은 변수 가설을 가정하였으며, 이를 위하여 아인슈타인이 질량과 에너지의 이중성(질량 ↔ 에너지)을 상대성 이론에 의해 해결했듯이 봄(Bohm)은 입자와 파동의 이중성(입자 ↔ 파동)을 숨은 변수 가설로 해결하려고 하였다.
봄(Bohm)은 ``숨은 변수 가설(hidden variable theory)''을 제안한 이후 이 ``숨은 변수''가 무엇인가를 집중적으로 연구하였으며 봄(Bohm)은 일차적으로 파동함수를 존재의 확률로 생각하지 않고 실제의 장(場)으로 생각하였고 이 장(場)의 해(解)를 구하는 연구를 계속하였다. 그래서 그는 아인슈타인(Einstein), 플랑크(M. Planck) 및 드브로이(de Broglie)가 밝힌 공식들을 종합하여 양자이론의 새로운 수학 공식을 만들어 냈다. 다시 말하면 봄(Bohm)은 아인슈타인(Einstein)의 공식, (물질 ↔ 에너지), 플랑크(M. Planck)의 공식, (에너지 ↔ 양자 × 파동) 그리고 드브로이(de Broglie)의 공식, (물질 ↔ 파동) 등을 종합함으로써 물질은 원자로, 원자는 소립자로 그리고 소립자는 파동으로 환원될 수 있다고 생각하게 되었다. 다시 말하면 소립자란 바로 파동의 다발(wave packet)이라고 생각한 것이며 단지 소립자의 종류에 따라서 그 진동수만 다른 것이 소립자라고 생각하였다[6].
그리고 봄(Bohm)은 마지막으로 파동이 어디서 기원하였는가를 연구하였다. 그 결과 맥스월(James Maxwell)의 전자기장 방정식에서 스칼라 포텐셜(scalar potential)이 있다는 사실을 발견하였다.
영국의 물리학자 맥스웰[13]은 패러데이(Faraday)의 전자기장 이론을 토대로 하여 20개의 전자기학의 기초 방정식을 수립하였다. 그런데 영국의 전기공학자이며 물리학자인 올리버 헤비사이드(Oliver Heaviside)가 맥스웰의 방정식을 4개로 재구성해버렸다. 그 이유는 맥스웰의 방정식에 들어 있는 전기장 E의 방정식 속에 들어있는 스칼라 포텐셜(scalar potential)과 자기장 B의 방정식에 들어있는 벡터 포텐셜(vector potential)이 양자이론이 없었던 그 당시로서는 그 정체가 확실치 않았고 또한 그 필요성을 느끼지 않았기 때문이었다. 이와 같이 멕스웰 방정식에서 힘의 장(場)은 소멸시키지 않으면서 임의로 대칭적으로 포텐셜(potential)을 변환시키는 것을 게이지 변환이라고 부른다. 원래의 멕스웰의 공식대로 해석하면 전자기장(場)은 포텐셜장(場)에서 기원하는 것으로 되어 있는데 이 포텐셜을 삭제하였기 때문에 고전 전자기학에서는 마치 전자기에너지가 전자기장(場)에서 발생하는 것으로 착각하게 된 것이다. 다시 말하면 게이지 변환은 억지로 짜 맞춘 변환이었는데 사람들은 그것이 참 진리인 것처럼 착각한 것이었다.
그런데 20세기에 들어와서 양자 물리학이 시작되면서 전자(電子)의 운동에너지의 출처를 규명하는 과정에서 포텐셜의 필요성이 발견된 것이며 삭제된 포텐셜의 필요성을 인정하고 이를 멕스웰이 본래 밝힌 대로 환원시킨 사람이 바로 봄(Bohm)이었다. 그래서 봄(Bohm)은 스칼라 포텐셜(scalar potential)을 이름을 바꾸어 초양자장(superquatnum field) 혹은 초양자 파동(superquantum wave)이라고 불렀다. 따라서 봄(Bohm)은 물질은 원자로, 원자는 소립자로, 소립자는 파동으로 그리고 파동은 다시 초양자장으로 환원될 수 있다고 하였다. 이것의 봄(Bohm)의 양자이론이다[6].
이상에서 보는 바와 같이 봄(Bohm)의 양자이론은 코펜하겐의 표준해석과 상당한 해석상의 차이가 있음을 알 수 있는데 그 차이점을 요약하면 다음과 같다.
표준해석에서는 양자는 관측되기 이전에는 불확정적이어서 존재 혹은 비 존재인가를 알 수 없으나 관측하는 순간에 비로소 양자(量子)는 파동 혹은 입자로 태어나는 것이라고 하였다. 이에 비하여 봄(Bohm)은 파동은 관측되기 이전에도 확실히 존재하는 것이며 파동이 모여서 다발(packet)을 형성할 때 입자가 되는 것이라고 하였으며, 파동의 출처는 우주의 허공을 꽉 채우고 있는 초양자장이라고 하였다. 따라서 봄(Bohm)의 양자 이론은 코펜하겐의 표준해석과를 비교하면 엄청난 차이가 있음을 알 수 있다.
이와 같이 봄(Bohm)의 양자이론은 잘 정리된 수학 공식과 이론으로 구성되어 있으나 코펜하겐 학파의 거물인 보어와 원자 물리학의 대부인 오펜하이머 등이 죽기 이전에는 물리학계에서 별로 주목을 받지 못하였고 오히려 이단자로 취급되었다. 그러나 봄(Bohm)의 양자이론이 아스페(Alain Aspect)에 의하여 실험적으로 증명한 이후로 봄(Bohm)의 양자이론은 새로운 주목을 받게 되었다. 특히 블랙홀 이론을 창시한 옥스퍼드 대학의 펜로즈(Roger Penrose), 양자이론의 개념적 토대를 세운 세계적 권위자 중의 한 사람인 파리 대학교의 베르나르 데스파냐(Bernard d'Espagnat) 그리고 1973년 노벨 물리학상을 수상자 한 켐브리지 대학교의 조W슨(Brian Josephson) 등은 봄(Bohm)의 양자이론을 열렬히 지지하였다.
봄(Bohm)의 양자이론의 요점은 다음과 같다[5]‐[12].
첫째, 우주의 허공은 텅 비어 있는 것이 아니라 초양자장(superquantum field)으로 충만 되어 있다고 하였다.
둘째, 초양자장으로 충만 된 우주는 하나(oneness)로 연결되어 있는데 이것을 비국소성 원리(non‐locality principle)라고 불렀다(그림 참조).
그림 2.1: 3차원에서 보면 두 개의 원은 따로 따로 떨어져 있다. 그러나 3차원에다 시간 차원을 보탠 4차원에서 보면 두 개의 원은 서로 연결 되어 있다. 따라서 3차원에서 보면 각각이던 것이 4차원에서는 모두 연결되어 있다고 생각 하는 논리가 비국소성 원리이다.셋째, 우주에 존재하는 모든 것은 초양자장으로부터 분화되며, 이렇게 하여 생긴 존재는 크게 3 가지 부류, 즉 정신계, 에너지계, 물질계로 나눌 수 있다고 하였다. 이때 에너지가 분화하는 과정을 보면 초양자장이 중첩되어 파동이 되고, 파동이 중첩되어 에너지가 된다고 하였고, 의식의 분화는 초양자장이 중첩되어 파동이 되고, 파동이 중첩되어 에너지가 되며, 에너지가 중첩되어 소립자가 되며 이 소립자가 의식이 된다고 하였으며, 물질의 분화는 초양자장이 중첩되어 파동이 되며, 파동이 중첩되어 에너지가 되며, 에너지가 중첩되어, 소립자가 되며, 소립자가 중첩되어 원자가 되고, 원자가 중첩되어 분자라는 물질이 된다고 하였다. 따라서 에너지, 마음, 물질 등은 동일한 질료로부터 만들어진다고 하였다. 이와 같이 우주에 존재하는 모든 것은 초양자장으로부터 분화하기 때문에 마치 러시아 인형처럼 부분 속에 전체의 정보가 들어 있다고 하였으며 이것을 홀로그램(hologram) 모델이라고 불렀다.
또한 봄(Bohm)은 우주를 홀로그램이라고 말함으로써 수학적 언어로 우주의 모든 것을 설명할 수 있다고 하였으며 따라서 우주에 존재하는 물질, 에너지 그리고 마음 같은 것도 수학으로 표현할 수 있다고 하였다. 이와 같이 봄(Bohm)은 현재의 과학 수준 때문에 실험으로 증명할 수 없는 것은 수학적 이해로 설명하고자 하였는데 이것을 봄(Bohm)의 양자 형이상학(quantum metaphysics)이라고 부른다.
|
