2020년 노벨 물리학상에 대해 제가 쓴 다른 기사를 읽으셨다면, 수학과 미적분학에 대한 놀라운 실력으로 노벨 물리학상을 수상한 세 명의 수상자 중 한 명인 로저 펜로즈를 기억하실 것입니다.

펜로즈는 이 연구 외에도 지난 몇 년 동안 블랙홀 분야와는 다른 또 다른 흥미로운 주제에 대한 기사를 발표했습니다.

펜로즈는 의식과 양자역학에 대한 또 다른 연구 분야를 보유하고 있습니다.

양자역학도 수학과 미적분학이라고 말할 수 있지만, 블랙홀과는 매우 다른 종류의 수학이라고 말할 수 있습니다.

양자역학은 거의 전적으로 슈뢰딩거 방정식을 기반으로 하고, 블랙홀은 아인슈타인 방정식을 기반으로 하지만 각 경우의 접근 방식이 다르다고 할 수 있습니다.

펜로즈는 그의 논문 '해머로프; 펜로즈, 2014'에서 우주의 구조와 우리 뇌, 더 구체적으로는 뇌의 생체 분자 구조 사이에 연관성이 있다고 믿고 결론을 내립니다.

양자역학을 통해 이 관계를 설명할 수 있을지도 모릅니다. 하지만 어떤 종류의 연결일까요? 우주와 같은 거대한 구조가 어떻게 우리의 작고 빛나는 머리와 공통점을 가질 수 있을까요?

2018년에는 조 로건이라는 코미디언이 자신의 토크쇼에서 펜로즈를 환영하며 거의 2시간 동안 펜로즈의 연구, 의식, 양자역학 및 기타 여러 가지에 대해 이야기를 나눴습니다.

의식이라는 주제에서 펜로즈는 의식에 대한 추상적인 이해를 숫자로 변환할 수 있는 것처럼 공식화하여 컴퓨터에 입력하는 것이 얼마나 어려운지에 대한 자신의 생각을 공유했습니다.

어떤 종류의 번역이 있고 그 주장이 옳다고 생각하더라도 그 판단력을 가지려면 규칙을 고려해야하므로 이러한 규칙에 따라 안내되며, 우리의 마음은 우리가 알고있는 규칙을 따르지 않아서 그 주장과 번역이 실제가 아닐 수도 있습니다. 이해하시겠어요?

이에 대한 펜로즈의 대사를 소개합니다: "이해란 무엇인가요? 무슨 뜻일까요? 규칙을 따르는 것일까요? 알고리즘인가요?

알고리즘이 아닙니다...", 그렇다면 알고리즘이 아니라면 그것은 무엇일까요? 그리고 양자역학은 우리가 이미 알고 있는 것 아닌가요?

네, 저희도 알고 있습니다만, 너무 크고 복잡하며 우리가 함께 일하는 모든 것과는 다른 것처럼 보이는 것의 아주 작은 부분만을 알고 있을 뿐입니다.

양자 수준에서는 우리 현실에서 일어나는 것과 같은 일이 일어나지 않으며, 법칙이 있다면 완전히 다른 법칙에 따라 움직이며, 이는 모두 우리가 아직 알지 못하기 때문입니다.

마블 영화의 앤트맨을 보셨다면 무슨 말인지 이해하실 것 같습니다.

잠시 슈뢰딩거의 고양이를 기억해 봅시다. 1935년 슈뢰딩거는 양자역학의 개념을 설명하기 위해 고양이 한 마리, 독약 한 병, 방사성 원소를 밀폐된 상자에 넣는 사고 실험을 했습니다.

원소가 썩으면 독이 담긴 병이 깨지고 고양이는 죽습니다.

여기서 요점은 상자가 닫혀 있으면 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 볼 수 없으며 실험 결과를 알지 못하면 실제로 무슨 일이 일어 났는지 알 수 없으므로 고양이가 살아있을 수도 있고 죽을 수도 있다는 것입니다.

양자역학의 흥미로운 점은 사물이 동시에 두 가지가 될 수도 있고, 한 번에 두 곳에 있을 수도 있다는 점입니다.

살아있음과 죽음이 동시에 존재한다고요?

펜로즈는 우리 머릿속에서 일어나는 일은 알고리즘이 아니며, 어떤 규칙도 따르지 않으며, 다른 무언가라고 확신한다고 말합니다.

"우리가 생각하고 있는 것에 대한 의식적인 인식이 필요하고, 생각은 의식적인 것이며, 이해는 의식적인 활동"입니다.

악기 연주, 창의력 발휘, 일, 사랑에 빠지는 것 등이 양심 활동입니다. 이러한 양심 활동은 분명히 계산 데이터가 아니라 다른 무언가가 진행되고 있는 것입니다.

다행히도 과학자들의 궁금증을 해소하기 위해 몇 가지 설명이 시작되었습니다.

그 해답은 모든 종류의 정보, 화학, 전기, 역학, 열을 전달하며 시냅스를 이어가는 세포인 뉴런에 있을 수 있습니다.

펜로즈는 로건에게 몇 년 전 스튜어트 해메로프로부터 편지를 받았는데, 펜로즈는 미세소관이라는 신경세포와 구조를 고려하지 않고 있으며, 이것이 의식의 절대적인 기본 도구가 될 수 있다는 내용이었습니다.

안타깝게도 뉴런에서 양자 효과를 분리하는 것은 불가능합니다. 왜냐하면 양자 상태에서 작동하는 환경적 디코히어런스가 상위 수준에서 재생산되지 않기 때문입니다. 

펜로즈는 해메로프의 편지 내용에 대해 로건에게 "양자 상태가 붕괴할 것으로 예상할 수 있는 수준까지 양자 역학을 뒷받침할 수 있는 종류의 것"이라고 말했습니다.

미세소관 미세소관은 튜불린이라는 단백질로 구성된 작은 관으로, 우리 몸에서는 다양한 기능을 하지만 뇌에서는 구조 지지 및 수송과 같은 기존 기능 외에도 뉴런의 정보를 전달하는 역할을 할 수 있습니다(DENT; BAAS, 2014).

미세소관 하위 단위는 A형과 B형의 두 가지 유형의 상호 작용을 할 수 있는 것으로 나타났습니다.

첫 번째는 가장 대칭적인 유형으로, 전체적으로 동일하게 보입니다. 두뇌에는 A형이 존재하며, 대칭성은 정보를 다른 방식으로 구성할 수 있도록 하는 가장 중요한 특징입니다.

결국 의식이란 무엇일까요? 조의 질문에 펜로즈는 우리의 의식 수준에는 이런 종류의 양자 상태가 보존되어 있으며 미세소관이 양자 효과를 전달하는 것일 수 있다고 설명했지만, 우리가 아직 발견하지 못한 다른 구조가 관련되어 있을 가능성을 배제하지 않았습니다. 

펜로즈는 이러한 시냅스에 서식하는 분자가 오각형과 육각형처럼 대칭을 이루고 있으며, 각 소용돌이에는 트리스켈리온 모양의 단백질이 축구공의 무늬처럼 가장자리를 따라 서로 결합되어 있다고 의심했습니다. 하지만 대칭만으로는 충분할까요? 이 단백질로 만들어진 물질이 또 다른 주요 요인일까요? 그리고 시냅스에서 이러한 단백질의 실제 기능은 무엇일까요? 불행히도 우리는 아직 모릅니다.

대칭은 양자역학에서 얀 텔러 효과라고 불리는 것에서 핵심적인 역할을 합니다.

이는 매우 대칭적인 구조를 가지고 있고 가장 낮은 에너지 레벨과 다음 에너지 레벨 사이에 큰 격차가 있을 때 발생합니다.

큰 격차는 가장 낮은 에너지 수준에 대한 중요한 정보를 숨길 수 있으며, 이러한 정보 부족은 문제 중 하나입니다. 하지만 펜로즈는 "이 모든 것은 일종의 양자 현상을 암시하는 것이며, 아직 이해해야 할 것이 많습니다."라고 말합니다.

 펜로즈의 말이 맞습니다. 우리는 아직 확실히 배워야 할 것이 많으며, 단계적으로 우리 머릿속의 양자역학 세계에 대해 점점 더 많은 것을 발견할 수 있습니다.

어떤 사람들은 우리가 주파수와 파동을 통해 서로, 그리고 우주와 연결되어 있다고 말하곤 하는데, 어느 정도는 사실일지도 모릅니다. 하지만 확실히 알기 위해서는 아직 더 많은 연구가 필요합니다.

전체 토크쇼를 시청하고 싶으신가요? 여기를 클릭하세요 또는 이 주제와 펜로즈의 연구에 대해 더 자세히 알아보려면 아래에서 그가 발표한 기사 중 일부를 참조하세요:

DENT, E. W.; BAAS, P. W. 정보 운반체로서의 뉴런의 미세 소관. 신경화학 저널129쪽, 2절, 235-239쪽, abr. 2014.

해머로프, S.; 펜로즈, R. 우주의 의식: 'Orch OR'이론에 대한 검토. 생활의 물리학 리뷰, v. 11, n. 1, 39-78쪽, 1 mar. 2014.

펜로즈, R.; 랜도우어, R. 황제의 새로운 마음: 컴퓨터, 마음, 물리학 법칙에 관하여. 물리학의 오늘, v. 43, n. 6, p. 73, 2008 년 1 월 11 일.

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