창조주가 된 관찰자(상대론적 양자물리)

1931년 디락방정식의 출현으로 슈뢰딩거가 처음 시도했던 상대성 양자방정식이 왜 원자의 분광데이터 설명에 실패했으며 어떤 경우에 올바르게 사용될 수 있는지 알게되었다. 디락방정식으로부터 새롭게 알게된 사실은 다음과 같다.

1.물질에 대응하여 반물질이 있다는 것(전자의 짝으로 양전자가 존재)
2.물질에는 페르미 입자(예: 전자)와 보제 입자라는 두종류가 있다는 점
3.(철학적으로 중요한) 어떤 입자이던 개체 하나로서 떼어생각하는 것은 불가능함

개체 하나를 따로 분리할 수 없는 이유는 개체는 정적(static)인 존재로 있는 것이 아니고 동적인 상호작용을 끊임없이 하기 때문이다. 동적인 상호작용은 무한히 복잡하게 이루어지는데 이에 관련된 기술적 문제로 수학적 계산의 무한대의 량이 나와 계산을 무의미하게 만드는 수가 있고 이는 아직 미제의 문제이다.

소립자와 그들간의 상호작용의 분류에서 핵심적인 역할을 하는 개념은 `변환 대칭성`이다. 원은 회전을 시켜도 똑같은 모양이기 때문에 회전대칭성이 있다. 외부변환대칭성을 알아보자. 소립자는 `스핀(spin)`이라는 물리량을 가지고 있는데 일종의 자기회전량이다. 전자, 양성자 등은 스핀이 0.5이고, 광자(빛)은 1, 중간자는 0등 특정량을 가지며 소립자 분류의 중요한 역할을 한다. 즉 소립자들은 회전대칭성을 가지고 있다. 공간은 3차원이기 때문에 관찰자의 회전 변환도 3가지 독립된 방법이 있을 수 있으며 이들은 군이론(group theory)로 다르면 스린의 양은 0,0.5,1,1.5... 등으로 특정값만이 나온다.

자연에 어떤 소립자가 나타날 수 있느냐가(스핀량에 관한 제한된 범위라고는 하지만) 관찰자가 갖는 회전변환의 대칭성에 의해서 결정된다는 것은 의미심장하다. 관찰자가 단순히 수동적인 보는 자가 아니라 대상의 성격을 규정하고 만들어내는 능동적 창조자라 할 수 있기 때문이다. 즉, 관찰자가 어떤 변환(가령 군이론)을 할 수 있느냐가 자연계에 무엇이 나타날 수 있는가를 규정하는 것이다. 실제로 반입자의 관측 및 실험적 생성이 로렌츠 변환에 의해 이루어졌고 평행 변환과 시상변환 등의 물리계 이론으로 소립자들이 규정되고 있다.

우리가 주목해야할 것은 관찰자가 취하는 변환이 관찰대상의 성격을 규정한다는 것이다. 이는 대상의 상태는 미리 정해져 있고 관찰자는 단지 그것을 규명할 뿐이라는 상식과 대치된다. 이점을 더욱 일반화하여 "모든 대상은 관찰자에 의해 그 성격이 결정되어 있다"고 확대할 수 있다면 "대상을 보는 것은 곧 자기자신을 보는 것이고 자기자신에 대해 철저히 안다면 모든 대상에 대하여 다 알게된다"고 말할 수 있다.