흥미롭게 읽는 양자 세계 상 - 게임처럼 생각하면 양자역학이 쉬워진다

“우주는 거대한 시뮬레이션 게임인가?”

 

중국 국가도서관 주관 최고 권위의 교양도서상

‘제21회 문진도서’ 과학 부문 본상 수상작

 

 

현대의 천재 물리학자 리처드 파인먼은 “세상에 양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다”라고 말했다. 인류가 밝혀낸 우주의 작동 원리를 이해하고 싶은 보통 사람들에게 이 말은 넘을 수 없는 장벽처럼 들린다. 하지만 그 장벽은 ‘양자역학’이 아니라 ‘설명하는 방식’이 만들어 낸 것인지도 모른다.

이 책은 중화권 최고 권위의 학술 및 문화적 검증 기관인 중국 국가도서관이 주관한 ‘제21회 문진도서’ 과학 부문에서 본상을 받았다. 주류 학계와 평단의 극찬을 동시에 받으며 올해의 과학 도서가 된 비결은 저자 특유의 경력과 그로 인해 가능했던 발상의 전환에 있다. 특히, 게임의 언어와 일상의 비유를 통해 ‘양자역학은 어렵다’는 오랜 편견을 뒤집는다.

 

저자는 세계적인 IT 기업 텐센트의 핵심 게임 개발 부서에서 20년 넘게 디지털 가상 세계를 설계하고 프로그래밍해 온 베테랑 개발자다. 게임 개발자가 이야기하는 양자역학이라니, 다소 의아할 수도 있다. 하지만 걱정하지 않아도 된다. 이 책은 이 분야를 대표하는 전문가들의 꼼꼼한 감수를 거쳐 내용의 정확성을 확보했다. 오히려 그는 물리학자가 아닌 컴퓨터 게임 개발자 특유의 시각으로 미시 세계를 들여다보았고, 그 결과 양자역학의 이해하기 힘든 개념들이 사실은 우주라는 거대한 컴퓨터 프로그램을 구동하기 위한 ‘최적화 소스 코드’와 기막히게 일치한다는 충격적인 사실을 발견했다. 이러한 발상의 전환으로 그동안 이해하기 어려웠던 양자역학의 핵심 개념을 가장 직관적인 방식으로 안내한다. 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 양자 터널링, 양자 얽힘 같은 기초 개념부터 양자 반사실적 통신, 양자 암호화, 양자 컴퓨터 등 미래를 바꿀 최첨단 기술까지 게임의 언어를 빌려 쉽고 흥미롭게 풀어낸다.

 

양자의 세계를 이해하는 순간, 여러분이 알고 있던 세상은 달라질 것이다. 현실과 우주, 그리고 ‘나’를 바라보는 시선이 완전히 새로워질 것이며, 이것이 지금, 양자가 우리 모두의 교양이 되어야 하는 이유다.

[목 차]

머리글

서문_양자 물리를 이해할 수 있는가?

 

01. 불확정 상태의 고양이 vs 소환 전의 몬스터

슈뢰딩거의 고양이 ― 눈에 보이기 전까지, 몬스터는 아직 소환되지 않은 것이다

 

02. 게임 개발자, 인과율을 구하다

지연 선택 ― ‘인색한’ 프로그래머는 빛이 과거로 거슬러 간 척 꾸민다

 

03. 샌드박스 양자 세계

불연속성 ― 신도 샌드박스 게임을 한다

 

04. 신이 쥔 주사위

불확정성 ― 신의 손안에 뭐가 있는지는 사실 신조차 모른다

 

05. 일반 몬스터를 잡는 것도 쓸모가 있을까?

반사실적 통신 ― 일어나지 않은 사건도 실제로는 무언가를 남긴다

 

06. 미시 세계 속 버그

양자 터널링 ― 현실 세계에 ‘벽 뚫기 버그’가 나타났다고?

 

07. 기묘하고도 미묘한 측정

자원 절약 ― 게임 텍스처는 플레이어가 보려고 할 때 비로소 렌더링된다

 

08. 세상에서 가장 강한 힘은 무엇인가?

보손과 페르미온 ― 세상의 밑바닥에 깔린 게 수학 법칙이라고?

 

09. 신기한 쌍둥이 보물 상자

양자 얽힘 ― 프로그래머의 눈에는 공간이 없다

 

10. 수백만 광년 너머의 불가사의한 지우개

어째서 광속보다 빠른 양자 얽힘으로는 정보를 전달할 수 없을까?

[본 문]

** 고양이의 상태를 모른다고 해서 고양이의 실제 상태가 존재하지 않는 것은 아니라고 생각할지도 모른다. 마치 주사위 컵을 흔들다 멈췄을 때, 컵 안의 주사위는 볼 수 없어도 주사위의 점수는 이미 정해져 있는 것과 같은 이치다.

그러나 ‘양자의 불확정성’은 그렇게 간단한 문제가 아니다. 양자는 ‘점수만 모르는 것’이 아니라 정말로 ‘불확정적’이기 때문이다. 즉, 관측 전의 양자는 확정적 상태가 아니다. 주사위로 치면, 데굴데굴 계속 구르고 있는 셈이다.

 

** 최소 시간 단위가 없는 세계는 시스템 주파수가 없는 컴퓨터와 같다. 그런 세계에서는 어떠한 명령도 실행할 수 없으며, 전체 시스템은 완전히 정지된 상태에 머물게 된다. 컴퓨터가 정상적으로 작동하려면 시스템 클록이 진동해야 하고, 그 진동이 각종 하위 시스템을 구동해 작동을 시작하게 만들어야 한다. 그래야 코드도 실행될 수 있다. 그래서 모든 가상 세계는 불연속적인 시스템 클록의 펄스에 의해 가동되며, 흠 없이 매끄럽고 연속적인 연산 체계는 있을 수 없다.

세상의 모든 운동이 불연속적인 시공간에서 이루어진다니, 이는 기존의 세계관을 완전히 뒤집는 새로운 발상이었다.

 

** 양자 세계를 이해하려면 ‘그 세계 안에 있다’는 각오와 인식이 있어야 한다. 물질의 객관적 실재성에 대한 기존의 인식을 단호히 배제하고 가상 세계의 사물을 대할 때의 관점으로 접근해야 한다. 측정할 수 없는 사물을 기어이 측정해 보겠다고 괜히 기운 빼지 말고, 관측 결과와 사실을 굳이 나누려 하지 말고, 관측 결과가 곧 사실임을 받아들여야 한다.

 

** 현재 가장 뛰어난 물리학자들조차 확률파에 대해 명확히 설명하지 못하는데, 하물며 거의 0에 가까운 확률파를 어떻게 차단할 수 있겠는가. 양자 게임 속 보스 몬스터의 상황도 이와 다르지 않다. 플레이어조차 자신을 보지 못하는 상황에서 아이템 드롭 확률이 아무 이유 없이 높아지는 것을 어떻게 막을 수 있을지 고민하는 것과 같다. 시스템 기저의 코드를 볼 수 없다면 이 현상을 이해하기조차 어려우며, 더 나아가 어떻게 개입할 수 있을지도 알 수 없다.

 

** 몬스터 한 마리 한 마리의 뒤에는 사실 몬스터를 무작위로 생성하는 프로그램 코드가 존재한다. 만약 그 코드가 생성하는 몬스터의 정확한 위치를 알고 싶다고 해도, 시스템은 그것을 알려 줄 수 없다. 다음 몬스터가 어디에 소환될지도 미리 예측할 수 없다. 다만 지금까지 플레이어들이 몬스터를 처치한 위치를 바탕으로, 그 몬스터가 출현하는 지점의 분포도를 만들 수 있을 뿐이다.

 

** 양자가 어떤 차원에서 한 번 측정되면, 그 차원에서의 상태를 일회성으로 기억하다가 다른 차원의 측정이 이루어지면 모든 기억이 갱신되었다. 그러나 이전의 측정 차원과 측정된 정보는, 다른 사람이 알 길이 없다. 정보를 알려면 다시 측정해야 하는데, 새로 측정하면 이전 측정 상태의 정보가 파괴된다. 그래서 이전의 측정 차원과 측정을 통해 얻은 정보로 이루어진 종합적인 정보는 이전 측정자만 알 수 있는 비밀이 된다. 이전의 측정을 ‘개인 키’로 취급하면, 이런 특성은 당연히 암호화 기술에 응용될 수 있다.

 

** 게임 속 아이템을 설계할 때, 겹치기 여부를 설정할 수 있다. 현실에서 미시 입자에도 비슷한 설정이 있다. 양자 물리학은 이 설정에 ‘파울리 배타 원리(Pauli exclusion principle)’라는 이름을 붙였다.

파울리 배타 원리는 겹칠 수 없는 게임 속 아이템처럼, 미시 세계에서 일부 입자가 배타적으로 각 칸을 차지하는 것을 의미한다.

어떤 입자가 그럴까? 겹칠 수 없는 입자는 보손이 아닌 다른 입자, 즉 ‘페르미온’을 말한다.

 

** 가상 게임 속 공간은 실제로 존재하지 않는다. 게임 속 세상을 구성하는 것은 계산 논리와 시계열뿐이고, 공간은 스크린으로 그럴듯하게 만든 것이다. 얽힌 입자를 물리적으로 갈라놓는다 해도, 시스템의 논리 안에서는 여전히 같은 함수로 계산된다는 사실을 바꾸지는 못한다. 그래서 과학자들이 ‘관측’이라는 수단으로 억지로 얽힌 입자에 결잃음을 일으켰을 때, 시스템은 당연히 가상으로 만든 공간적 거리를 무시하고, 멀리 떨어진 입자들의 값을 그 즉시 계산한다.