마음의 그림자 : 노벨물리학상 수상자 로저 펜로즈의 양자역학적 의식 연구

이후 저자는 각 해석에 대해 차근차근, 수학적, 논리적으로 반박해 나간다. 그리고 저자가 선호하는 관점이 등장하는데 바로 파동함수의 붕괴에 중력이 관여한다는 이론이다. 내가 알기로는 자연의 기본 힘은 중력, 전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용, 이렇게 네 가지가 있고, 그 중 중력은 아인슈타인의 상대성 이론으로 설명되고, 나머지 세 개는 양자역학으로 설명 가능하다. 전자기력과 약한 상호작용은 글래쇼, 와인버그, 살람에 의해 통합되었고, 여기에 강한 상호작용이 통합되어 대통일 이론을 낳았다. 하지만 아직 중력은 통합되지 못했다. 중력을 양자역학으로 설명하기 위해 끈이론, 루프 양자 중력 같은 이론들이 도입되긴 했는데 아직 이렇다 할 진전이 없다고 한다. 어쨌거나 이 책에서 저자는 중력을 양자역학으로 설명하는 게 아니라 양자역학을 중력으로 설명하는 입장을 취하고 있다. 양자 또한 질량을 가지므로 주변에 중력장을 형성하는데 그렇다면 중첩된 양자는 중첩된 중력장을 형성할 것이라는 얘기다.

저자는 위와 같은 얘기를 하면서 시간, 공간, 질량이 양자화되어 있다며 플랑크 스케일을 소개한다. 시간과 공간과 질량의 최소 단위이다. 시간, 공간, 질량은 연속적으로 존재하지 않고 반드시 이 최소 단위의 배수로만 존재한다. 저자는 파동 함수가 붕괴되려면 중력으로 인한 에너지가 어느 정도로 작용해야 하는지를 계산한다.

이로써 거시 세계에서는 왜 우리가 중첩 현상을 볼 수 없는가가 설명되는데, 현실에서는 매우 많은 입자들이 모여 있으므로 중력으로 인한 에너지가 커서 중첩 상태를 지속할 수 있는 시간이 매우 짧기 때문이다.(저자의 주장을 내가 이해한 바로는 그렇다.) 따라서 꽤 큰 분자라도 이러한 에너지를 줄일 수 있으면 그 분자는 중첩된 상태로 존재할 수 있다. 책에는 나오지 않은 얘기이지만(아무래도 좀 옛날 책이라 그런지) 이건 사실 실험으로도 확인됐는데, 탄소가 몇 십 개나 되는 풀러렌 같은 분자도 아주 정교하게 설계된 환경에서 그러한 중첩을 보인다는 얘기를 들은 적이 있다.

이번 장도 복잡하고 어려웠지만 중력과 파동함수 붕괴의 관계에 대해 생각해 볼 수 있어서 흥미로웠다. 예전에는 관측 행위가 파동함수를 붕괴시킨다고만 알고 있었지 그게 왜 붕괴되는지는 크게 궁금하지 않았었던 것 같다. (한 양자의 상태가 중첩돼 있다는 사실, 그리고 그것이 관측에 의해 붕괴된다는 사실 같은 기본 개념을 받아들이는 것만 해도 힘들었음) 근데 파동함수 붕괴에 중력이 관여하는 거라면 광자와 상호 작용하여 파동함수가 붕괴하는 건 어떻게 설명해야 하는 걸까? 광자는 물리학에서 질량이 없다고 말하는 걸로 알고 있는데... 그럼 이때는 전자기력이 작용하는 걸까? 아무튼 다음 장은 '양자론과 두뇌'이다. 대충 훑어 보니 수식은 없고 뉴런 그림이 몇 개 있다. 이 책의 핵심에 해당하는 챕터라 무슨 얘기를 할지 기대가 된다.

2026.04.21. 7장. 양자론과 두뇌. 드디어 먼 길을 돌고 돌아 로즈 펜로즈가 주장하는 핵심 챕터에 들어왔다. 다 읽고 난 소감은 '도대체 내가 뭘 읽은 거지?'이다. 6장에서 펜로즈 본인의 양자중력에 관한 썰을 풀 때까지만 해도 그래, 이건 양자역학이니까, 내가 뭘 알겠어, 하고 받아들였는데 이번 7장은 읽으면서 계속 고개가 갸웃거려진다. 뭐, 그의 주장에 관해서 별다른 실험적 증거가 없다는 사실을 아는 채로 시작한 책이긴 한데 이렇게까지 실험적 증거가 없을 수가...싶어서였다. 우선 저자는 세포(뉴런 포함)의 골격을 이루는 미세소관이라는 것에 관해 이야기한다. 이것은 긴 원통형 모양의 관인데 안은 텅 비어 있고(실은 물로 차 있다고 한다, 저자의 말에 의하면. 아무 것도 녹아 있지 않은 순수한 물이라고...) 그래서 이것이 외부의 환경적 교란이 차단된, 양자 결맞음이 일어나기 좋은 구조라고 한다. 그러면서 하는 말이 원래 물은 불규칙한 열운동을 하지만 가끔 그렇지 않을 때가 있다고 하는데, 그 근거로 드는 얘기가, 로저 펜로즈와 함께 의식 연구를 하면서 '조화 객관 환원 이론'을 주장하는 미국의 마취과 의사 스튜어트 해머로프가 그렇게 말했다는 것이다. (흠...) 해머로프는 '미세소관'이 의식에 관여하는 구조물이라고 줄기차게 주장해 온 사람이다. 마취약이 사람의 의식이 소실되게 만드는 데 그것이 미세소관에 작용하기 때문이라는 것이다.(이것은 죽음과 의식에 대해 다룬 국내 다큐멘터리에서 그가 등장해 한 이야기이거나 그의 테드 강연에서 본 이야기인 걸로 기억한다. 내 기억이 잘못되었을 수도 있다) 그의 말이 사실인지 아닌지는 마취에 대한 지식이 없어서 모르겠다. "마취 + 미세소관"으로 정보를 찾아 보니 펜로즈와 해머로프의 조화 객관 환원 이론만 검색되는 걸 보면 이 부분 또한 해머로프의 뇌피셜인지도... 여하튼 이 장에서 펜로즈는 미세소관에서 대규모의 양자 결맞음이 일어나고 그것이 의식을 만드는 데에 관여하지 않을까? 하는 뇌피셜을 상당히 여러 소챕터에 나눠서 썰을 풀고 있다. 나로서는 실험적 증거가 별로 없으니(사실 제시하는 증거가 있긴 한데, 예를 들면 미세소관의 공명 진동수 같은 것들...하지만 직접적인 증거는 아니고 간접적인 증거일 뿐이라 와 닿지가 않는다) 읽는 데에 흥미가 떨어져서 이번 챕터 또한 읽기가 힘들었다. 이번 챕터에서는 또한 본인의 양자중력 이론이 언젠가는 새로운 패러다임이 될지도 모른다는 얘기까지 하고 있어 더 그런 느낌이 들었다. 아직 제대로 입증되지도 않은 양자중력 이론을 가지고 학자들 사이에서 정의조차 분분한 의식을 설명하려 들다 보니 온 챕터가 이럴 수도 있고 저럴 수도 있고...같은 문장들로 점철되어 있다. 오히려 내 흥미를 끄는 것은 위상 수학에 대한 설명이라든가 닫힌 시간꼴 곡선에 대한 얘기들이었다.(평소 다른 이유로 관심을 갖고 있어서다...닫힌 시간꼴 곡선은 단편 쓰는 데에 써 먹기도 했고...) 저자는 이 개념들을 양자중력과 의식의 비컴퓨팅성에 연관 짓고 있다. 어떻게 연관이 된다는 건지는 잘 이해가 안 된다.(내 머리의 한계이거나 저자의 비약이 심하거나 둘 중 하나겠지) 하여간에 저자는 양자중력도 입증해야 하고, 양자중력의 비컴퓨팅성도 입증해야 하고, 의식의 비컴퓨팅성도 입증해야 하고, 미세소관이 의식 생성에 관여함도 입증해야 하고, 미세소관에서 대규모의 양자 결맞음이 일어남도 입증해야 하고, 그러한 결맞음이 의식과 무슨 관계가 있는지도 입증해야 하고, 참으로 갈 길이 멀어 보인다. 내가 저자의 주장에 대해 회의적으로 쓰긴 했지만 저자의 주장이 틀렸다고 하는 건 아니다. 생명체에서 양자역학적 현상은 속속 발견되고 있고, 의식에서도 그런 일이 일어날 가능성은 크니까. 다만 실험적 증거가 쌓이기도 전에 너무 일찍 책을 낸 게 아닌가 하는 생각이 든다. 내가 하는 제안은, 로즈 펜로즈와 스튜어트 해머로프가 이 글을 볼 리도 없겠지만 일단 그냥 든 생각은, 내가 최근 병렬 독서 중인 양자생물학 책 <생명, 경계에 서다>에서 본 바로는 어떤 화학적 물리적 반응이 양자역학과 관계가 있는지 알아보려 할 때 수소를 중수소로 치환한 물질을 이용하는 방법을 많이 쓰는 것 같다. 중수소는 수소와 화학적으로 같은 물질이지만 원자핵에 중성자를 갖고 있어 수소보다 무겁다. 따라서 양자역학적인 행동을 보일 때 다른 양상을 보일 수 있다고 한다. 이런 행동이 질량에 민감하기 때문이다. 저자도 파동함수 붕괴가 중력과 관계 있다고 주장하기도 했고, 그렇다면 미세소관 내부의 물을 H2O가 아닌 D2O로 채우면 의식에 어떤 일이 일어나는지 알아보는 건 어떨까? 뭐 이건 나의 짧은 지식에서 나온 생각이고, 저자는 이미 이 사실을 알고 있고 실험도 해 봤는지도 모른다. 이 책이 꽤 오래 전에 쓰인 책이다 보니... 이 분야에 대해서 어떤 새로운 연구가 이루어지고 있는지는 <생명, 경계에 서다>를 읽어봐야할 듯하다.

로저 펜로즈와 스튜어트 해머로프의 의식 가설은 <생명, 경계에 서다>에서 짐 알칼릴리와 존 맥패든이 적절히 잘 반박하고 있다. 그들은 미세소관이 세포의 골격일 뿐 뉴런의 정보 전달 메카니즘에서 직접적인 어떤 역할을 하는 게 아니며, 미세소관이라는 거대한 구조에서는 결맞음이 일어나기 힘들다는 등의 이야기를 근거로 이들의 주장에 반박한다. 이에 관해서는 <생명, 경게에 서다>를 참고할 것.

2026.04.26. 8장. 의미? 마지막 장이다. 이 장에서 펜로즈는 1장부터 7장까지 펼친 주장들을 정리하며 책을 마무리한다. 여기서는 그 스스로도 양자 상태 축소에 대한 가설(중력에 의해 파동함수 붕괴가 일어난다는 주장)이 먼저 입증되어야 그것을 이용한 의식 가설을 입증할 수 있음을 인정하고 있다. 내가 이번 장에서 흥미롭게 읽은 부분은 저자가 자기 주장을 반복하는 그 부분이 아니라, 8.7장 '세 가지 세계와 세 가지 불가사의' 이 장이다.

완독 감상 : 비록 저자의 미세소관에 대한 주장에는 동의하기 힘들지만, 양자역학을 좀 더 공부하게 된 것 같아서 내 나름대로 얻어가는 게 있다는 기분이 든다. 수학에 대해서도 마찬가지다. 비록 그가 언급한 것들 중에 내가 이해한 게 아주 조금이라 해도. 아, 이런 개념이 있구나, 하는 정도만 알아도 뭐... 마지막 장을 읽다 보니 수학에 대한 생각이 조금 더 깊어지는데, 사실 우리가 사는 우주 자체가 수학이라는 얘기도 있다. <맥스 테그마크의 유니버스>가 그 얘기를 다루고 있다고 한다. 조만간 읽어볼 예정이다. 비록 나는 수학을 못 하지만 수학이 우주라는 이야기에는 공감이 된다. 물리학과 수학은 떼려야 뗄 수 없는 관계이므로. 로저 펜로즈의 주 연구 주제는 사실 블랙홀이다. 그래서 그의 다른 저서를 사 놓았는데 이것도 수학이 한가득이라 읽기 전부터 걱정이 든다. 하지만 나는 우주의 시작과 끝이 어떻게 순환하는지에 관한 펜로즈의 주장이 궁금하다. 바로 <시간의 순환>이라는 책이다. 여기서 그는 '등각순환우주론'이라는 걸 주장한다고 한다. 아무튼...<마음의 그림자>는 읽기 힘든 책이고 의식에 관한 저자의 주장이 황당하게 느껴지기는 하지만 물리학과 수학을 공부하기에는 좋은 책이다, 라는 게 나의 결론이다.