파동함수 실재론과 양자역학의 존재론
2013년에 나온 논문집을 소개합니다. 논문집의 제목은 <파동함수: 양자역학의 형이상학에 대한 에세이들>입니다. 영미 분석철학에서 형이상학(metaphysics)은 존재론(ontology)과 거의 동의어처럼 쓰이는데, 양자역학이 말해 주고 있는 존재론적 쟁점들을 11명의 물리철학자들이 심도있게 논의하고 있습니다.
Alyssa Ney and David Z Albert eds. (2013). The Wave Function: Essays on the Metaphysics of Quantum Mechanics. Oxford University Press. https://amzn.to/46IY6dO
이 논문집의 목차는 다음과 같습니다.
- Introduction (Alyssa Ney)
- 1. Wave Function Realism (David Z Albert): 파동함수 실재론
- 2. Primitive Ontology and the Structure of Fundamental Physical Theories (Valia Allori): 원초적 존재론과 기본 물리학이론들의 구조
- 3. Whither Wave Function Realism? (Steven French): 어느 파동함수 실재론인가?
- 4. Reality and the Role of the Wave Function in Quantum Theory (Sheldon Goldstein and Nino Zanghì): 양자이론에서 실재와 파동함수의 역할
- 5. Dimension and Illusion (Peter J. Lewis): 차원과 환상
- 6. The Nature of the Quantum State (Tim Maudlin): 양자상태의 본성
- 7. Against 3N-Dimensional Space (Bradley Monton): 3N-차원 공간에 반대함
- 8. Ontological Reduction and the Wave Function Ontology (Alyssa Ney): 존재론적 환원과 파동함수 존재론
- 9. The Structure of a Quantum World (Jill North): 양자세계의 구조
- 10. A Prolegomenon to the Ontology of the Everett Interpretation (David Wallace): 에버렛 해석의 존재론을 위한 서설
10년 전에 나온 논문집이지만, 지금 오히려 뜨거운 쟁점이 되고 있는 문제들을 상세하게 잘 다루고 있습니다. 이 저자들이 양자역학의 해석에 대해 일치하고 있지는 않습니다. 가령 데이비드 지 앨버트는 여러마음해석(Many Mind Interpretation)을 제안하고 이를 발전시키고 있고, 네 번째 논문의 저자 셸던 골드스타인과 니노 찬기는 봄 해석을 주도하고 있습니다. 마지막 논문의 저자 데이비드 월러스는 여러세계해석(Many World Interpretation)을 강하게 주장합니다. 하지만 이 저자들은 여하간 양자역학에서 상태를 나타내는 수학적 도구를 단순히 수학적 도구로 여기지 않고 그것이 세계의 존재론과 형이상학에 대해 무엇인가를 말해 주고 있다고 보고 있습니다.
특히 발리아 알로리가 쓴 두 번째 논문에서는 원초적 존재론이라는 개념을 가지고 와서 양자역학이 말해 주는 새로운 존재론에 대해 근본적인 이야기를 펼칩니다. 또 이런 논의에서 기본물리학 이론들이 공통적으로 지녀야 하는 구조를 출발점으로 삼고 있습니다. 이는 동역학의 기본구조를 바탕으로 양자역학의 존재론을 새롭게 확립하고자 하는 장회익 선생님의 메타과학 연구프로그램과 잘 연결됩니다.
이 논문집은 전문적인 물리철학자나 물리학자를 독자로 삼고 있다 보니 접근이 조금 어렵습니다. 2021년에 이 논문집의 편집자 중 한 명인 앨리사 네이가 더 알기 쉽고 상세한 책을 냈습니다.
Alyssa Ney (2021). The World in the Wave Function: A Metaphysics for Quantum Physics. Oxford University Press. https://amzn.to/3pyM6Lf
양자물리학의 형이상학이라는 부제도 호기심을 자아내지만, "파동함수 속의 세계"라는 제목이 궁금증을 불러일으키는 책입니다. 이 책의 강점은 중요하고 자칫 난해할 수 있는 주제를 다루는데도 글이 분명하고 매우 논리적이어서 쉽고 재미있게 읽힌다는 점에 있습니다.
서문 부분에 있는 다음 구절이 흥미롭습니다.
"Although it is common in physics to represent systems using wave functions in terms of a position variable as we just did, and as we will see, wave function realists and their opponents typically focus their discussions on position representation wave functions, in quantum mechanics, systems are often also represented in terms of other variables, such as momentum, energy, and spin. And so we have to keep in mind that there are other ways of representing the states of quantum systems. We may use wave functions that are functions of position. But we also may use wave functions that are functions of momentum or other variables. There is a straightforward mathematical operation, the Fourier transform, that allows one to move back and forth between position and momentum representations. Indeed, one famous feature of quantum mechanics, the Heisenberg uncertainty principle, is essentially just a fact about the results of such Fourier transforming." (pp. 6-7)
"이와 같이 파동함수를 위치 변수를 써서 계를 표현하는 것이 물리학에서 일반적이며, 앞으로 보게 될 것처럼 파동함수 실재론자와 그의 반대자들은 일반적으로 위치 표현 파동 함수에 대한 논의에 집중하지만, 양자역학에서는 계를 운동량, 에너지, 스핀과 같은 다른 변수로 표현하기도 한다. 그래서 우리는 양자계의 상태를 나타내는 다른 방법이 있다는 것을 기억해야 한다. 위치의 함수인 파동 함수를 사용할 수 있다. 그러나 운동량이나 다른 변수의 함수인 파동 함수를 사용할 수도 있다. 위치와 운동량 표현 사이를 앞뒤로 이동할 수 있는 간단한 수학적 연산이 푸리에 변환이다. 실제로 양자 역학의 유명한 특징 중 하나인 하이젠베르크의 불확정성 원리는 본질적으로 그러한 푸리에 변환의 결과에 대한 사실일 뿐이다." (6-7쪽)
위의 구절을 보면, 장회익 선생님의 논의와 잘 맞아 떨어짐을 볼 수 있습니다. 지난 세미나에서 제가 네이의 접근이 파동함수를 단지 위치의 함수만이 아니라 운동량의 함수로 선택할 수 있다고 본다고 말씀드렸습니다. 위의 구절은 그 말의 직접적인 근거가 됩니다. 이 책을 이전에 읽을 때에는 주목하지 않았는데, 다시 찾아보니 푸리에 변환에 대한 명시적인 언급이 있어서 반가웠습니다.
장회익 선생님은 양자역학에서 입자-파동 이중성에 대한 근본적인 신봉을 반대하며, 하이젠베르크 관계식이 불확정성 원리 내지 불확실성 원리라는 근원적인 바탕이라고 여기지 않습니다. 푸리에 변환이라는 명료한 수학적 장치를 이용하여 위치공간과 운동량공간의 상호성을 강조하며, 이를 통해 하이젠베르크 관계식이 유도된다는 접근을 선택하십니다. 2021년에 나온 네이의 책의 서술은 장회익 선생님의 접근과 같다고 볼 수 있습니다. <양자역학을 어떻게 이해할까?>는 2022년에 출간되었고, 네이의 책을 인용하시고 있으므로 네이의 접근을 참조한 것으로 여길 수도 있지만, 실상 이에 대한 논의는 2019년에 출간된 <자연철학 강의>에서 이미 상세하게 다루어졌습니다.
이 책의 목차는 아래와 같습니다.
2. The Argument from Entanglement (얽힘으로부터의 논변)
3. The Virtues of Separability and Locality (분리가능성과 국소성의 미덕)
4. Wave Function Realism in a Relativistic Setting (상대론적 틀에서 파동함수 실재론)
5. Must an Ontology for Quantum Theories Contain Local Beables? (양자이론의 존재론이 국소존재가능량을 포함해야 할까?)
6. The Causal Role of Macroscopic Objects (거시물체의 인과적 역할)
7. Finding the Macroworld (거시세계를 찾아)
이 책의 목차를 보면, 상대성이론과 양자역학의 연관이라든가 거시물체의 인과적 역할을 강조하는 것 등 장회익 선생님의 <양자역학을 어떻게 이해할까?>와 상당한 연관이 있으리라 짐작할 수 있습니다. 네이가 말하는 '거시물체'를 장회익 선생님의 '변별체'와 연결시킨다면 어떨까 하는 생각도 할 수 있습니다.
최근 물리철학에서는 이와 같이 파동함수 실재론이 상당히 주목을 받고 있습니다. 장회익 선생님의 접근이 이런 학계의 분위기와 어떻게 이어질지 자못 궁금합니다. 이를 위해 이전의 글에 소개한 물리철학자 마우로 도라토의 논문을 참조할 수 있습니다. 도라토는 2015년에 상태함수의 실재성을 주장하는 분파를 다음과 같이 세 가지로 나누었습니다.
Dorato, M. Laws of nature and the reality of the wave function. Synthese 192, 3179–3201 (2015). https://doi.org/10.1007/s11229-015-0696-2
(1) 법칙적 실재론(nomic realism): 상태함수는 양자역학이라는 법칙이 그 실재성을 보장하는 어떤 것이다.
(2) 성향주의(dispositionalism): 상태함수는 온전히 세계에 실재하는 것은 아니지만 일정한 조건을 충족하면 현행화할 수 있는 잠재성이다.
(3) 배위공간 실재론(configuration space realism): 상태함수는 실제의 시간과 공간에 존재하는 파동이 아니라 함수로서 그 정의역에 해당하는 배위공간에 존재하는 파동이다.
앨리사 네이는 이 중 세 번째에 속합니다. 장회익 선생님의 접근은 두 번째 분파에 속하는 것으로 볼 수 있으리라 생각합니다. 저는 장회익 선생님의 접근에 공감하면서도 양자장이론의 역할을 더 강조해야 한다고 보고 있습니다. 그래서 양자마당이 곧 양자성향의 구현이라는 작업가설을 가지고 더 공부하고 있습니다.
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[정리 : 책+세미나] 양자역학을 어떻게 이해할까? : 패자부활전 (8) 제4장-2 (pp.144-154)
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양자역학, 더 넓게 양자이론을 어떻게 이해하고 이를 기반으로 새로운 존재론을 어떻게 세울 것인가 하는 문제는 매우 중요하고 어렵고 또 재미있습니다.
Big Think에 작년 11월부터 올해 2월까지 10부작으로 실린 연재 글이 유익합니다.
A brief history of quantum mechanics: Does our most successful scientific theory actually describe reality? (Marcelo Gleiser)
1. Max Planck and how the dramatic birth of quantum physics changed the world
2. Quantum jumps: How Niels Bohr’s idea changed the world
3. The paradox of light goes beyond wave-particle duality
4. Not just light: Everything is a wave, including you
5. Our language is inadequate to describe quantum reality
6. Quantum superposition begs us to ask, “What is real?”
7. Quantum mystery: Do things only exist once we interact with them?
8. Einstein’s quantum ghost is here to stay
9. Could a hidden variable explain the weirdness of quantum physics?
10. The weirdness of quantum mechanics forces scientists to confront philosophy
이 연재글을 쓴 마르셀루 글레이세르(Marcelo Gleiser)는 브라질 출신의 천체물리학자로서 미국 다트머스 대학의 교수로 있으며, 다음과 같은 저서로 알려져 있습니다.
* The Dancing Universe: From Creation Myths to the Big Bang (2005)
* A Tear at the Edge of Creation: A Radical New Vision for Life in an Imperfect Universe (2010)
* The Island of Knowledge: The Limits of Science and the Search for Meaning (2014)
* The Prophet and the Astronomer: Apocalyptic Science and the End of the World: A Scientific Journey to the End of Time (2015)
* The Simple Beauty of the Unexpected: A Natural Philosopher’s Quest for Trout and the Meaning of Everything (2022)
* Great Minds Don’t Think Alike: Debates on Consciousness, Reality, Intelligence, Faith, Time, AI, Immortality, and the Human (2022)
Big Think에 좋은 기사들이 많이 모여 있네요. 수식도 없고 글도 길지 않아서 한 번 읽어보겠습니다. 감사합니다.
Big Think라는 웹진을 정확히 누가 어떻게 운영하는지는 잘 모르겠지만, 읽을만한 좋은 글이 꽤 있어서 자주 들여다보고 있습니다. 특히 이론물리학자 마르셀루 글레이세르(Marcelo Gleiser)와 천체물리학자 애덤 프랭크(Adam Frank)가 집필하는 컬럼 13.8(https://bigthink.com/13-8/)에 흥미로운 글이 잘 올라옵니다. 단지 호기심을 불러일으키는 글만이 아니라 상당한 깊이가 있으면서도 근거를 충분히 제시하고 있어서 도움이 됩니다.
글레이세르의 책들은 꽤 읽었는데 참 훌륭한 저자라고 평가하고 있습니다. 특히 [지식의 섬: 과학의 한계와 의미의 추구](The Island of Knowledge: The Limits of Science and the Search for Meaning)에서 배운 것이 많았습니다. 아직 한국어로 번역된 게 없어서 아쉽지만 언젠가는 한국어로 읽는 독자들을 만날 날이 있으리라 생각합니다.
제가 이용하는 부산대 도서관에 이 책이 있어요. 아마존 서평을 보니 글레이세르가 양자역학에 대해 다음과 같이 말했다고 하는데 읽어보고 싶습니다. 칼럼 13.9도 흥미로운 기사가 많군요. 감사합니다!
“Physics was thus proposing that something could exist without mass, that things could exist without being material. Since what exists defines physical reality, the new physics suggested that reality could be immaterial.”
브라질 출신이긴 하지만 미국에서 활동하고 있어서 '글레이세르' 대신 '글라이저'라고 불러야 할지도 모르겠습니다. <지식의 섬>은 장회익 선생님의 <자연철학 강의>와 주제나 서술에서 유사한 점도 있습니다. 나중에 한국어로 나오면 참 좋을 것 같습니다.
첨부파일 : The-Island-of-Knowledge_-The-Limits-of-Science-and-the-Search-for-Meaning-Marcelo-Gleiser.pdf
내년 3월에 출간예정인 책이 있어서 호기심을 가지고 기다리고 있습니다.
Adam Frank, Marcelo Gleiser, Evan Thompson (2024). The Blind Spot: Why Science Cannot Ignore Human Experience. The MIT Press. (https://amzn.to/46Yd0wR)
아마존 서점에 있는 책 소개를 구글번역으로 번역해 보았습니다.
"과학에 인간의 관점을 포함시켜야 하는 이유와 인간의 경험이 어떻게 과학을 가능하게 하는지에 대한 설득력 있는 주장이다.
과학이 우리에게 실재에 대한 신의 눈을 제공한다고 생각하기 쉽다. 그러나 우리는 위험에 처한 인간 경험의 위치를 소홀히 한다. The Blind Spot에서 천체물리학자 애덤 프랭크(Adam Frank), 이론물리학자 마르셀루 글레이세르(Marcelo Gleiser), 철학자 에반 톰슨(Evan Thompson)은 혁명적인 과학적 세계관을 요구한다. 여기서 과학은 인류의 살아있는 경험을 무시하거나 보지 않으려고 하는 것이 아니라 객관적 진리를 찾는 데 피할 수 없는 부분으로 포함시킨다. 저자는 과학이 절대적인 실재를 발견하는 것이 아니라 고도로 세련되고 끊임없이 진화하는 인간 경험의 형식이라고 제안한다. 그들은 지구 기후 위기와 증가하는 과학부정론에 직면하여 우리의 미래를 위해 과학이 작동하는 방식을 실무자들에게 재구성할 것을 촉구한다.
계몽주의가 시작된 이래로 인류는 우리가 누구인지, 어디에서 왔는지, 어디로 가는지 알려주기 위해 과학을 찾았지만, 우주 안에서 우리의 위치 밖에서 우주를 알 수 있다는 생각에 갇혀 있었다. 이 외부의 입장에서 상상한 외부의 물리적 사물을 통해서만 실재를 이해하려 할 때 우리는 경험의 필요성을 간과하게 된다. 이것은 시간과 우주의 기원, 양자 물리학, 생명, 인공 지능과 마음, 의식, 행성계로서의 지구에 대한 과학적 난제 뒤에 숨어 있는 맹점이다. 저자는 대안적인 비전을 제안한다. 과학적 지식은 세계와 함께 진화하는 우리의 경험에서 만들어진 자기 수정 의서사이다. 마지막으로 맹점을 "본다"는 것은 절대 지식의 망상에서 깨어나 현실과 경험이 어떻게 얽혀 있는지 보는 것이다.
<맹점>은 과학책이 가지 않는 곳으로 가며 우리 자신을 자연의 표현이자 자연의 자기 이해의 원천으로 보는 새로운 과학 문화를 만들어 인류가 새 천년에 번영할 수 있도록 촉구한다." (구글 번역)
관련하여 The Blind Spot (Aeon)이 흥미로울 수 있습니다.