[신경 과학] 양자 역학이 의식의 본질을 밝혀낼 수 있는 이유

먼저 이 글은 @ngans의 글 Why Quantum Mechanics can Elucidate the Nature of Consciousness 를 번역한 것이며, @ngans에게 그의 모든 글에 대한 번역을 허락 받았음을 밝혀둡니다.

@ngans의 글은 신경과학의 정보와 함께 다소 철학적인 주제를 던져줍니다. 저도 익숙한 분야가 아니라서, 함께 공유하고 생각을 나누는 계기가 되었으면 합니다.

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어떻게 물리학이 우리에게 우리의 의식의 본질에 대하여 가르칠 수 있을까?

우리 의식 경험은 물리 세계와의 상호 작용에서 해석 장치이자 여과 장치이며 중개 장치로서 존재합니다. 우리는 물리적 요소들과 직접 접촉하는 것처럼 느끼지만, 좀 더 면밀한 고찰을 통해, 단지 그들이 내부적 심상으로서만 작용한다는 사실을 알 수 있습니다. 이는 시각 작용으로 쉽게 입증됩니다. 한번 누군가의 집 창문 너머로 탁자를 보아 보십시오. 우리는 실제로 탁자를 보고 있는 것이 아닙니다.

대신에, 탁자에서 난반사된 빛은 진행하며 유리창에 의해 왜곡되고, 또 우리 눈의 수정체에 의해 왜곡되어 우리 망막의 뒤쪽에 있는 간상세포와 원추세포에 도달합니다. 여기서부터 수평 세포, 양극 세포, 아마크린 세포 및 신경절 세포로 이루어진 복잡한 신경망이 정보를 재구성하고 꾸려내어 외측슬상핵(lateral geniculate nuclei, LGN)으로 전달합니다. 그리고 LGN에서는 다수의 복잡한 수학적 기능이 시각 정보와 함께 해부학적 자료들을 계산에 넣습니다. 두 눈 사이의 정보가 통합되고 신호에 맥락 정보(예를 들어, 요소들의 거리, 위치 및 속도 같은)가 붙습니다. 이러한 연산이 수행된 후 데이터는 일차시각피질(V1 영역)로 전송됩니다. V1는 망막위상적 지도(retinotopic map)의 형성과 같이 위치가 지정된 입력들로부터 기초적인 의미가 추출하고, 그런 다음 더 큰 시각 영역(V2, V3, V4, V5 선조 외 시각 영역)에서 세부적으로 정보를 처리합니다. 이들 영역에서는 시각적 정보에 대하여 보다 자세한 분석이 수행되며, 색상, 방향, 움직임, 물체의 식별과 같은 특징이 추출됩니다. 이러한 과정이 끝난 후에야, 정보가 후두엽과 뇌의 다른 영역들로 보내져 통합되었을 때, 매끄러운 시각 경험을 형성할 수 있습니다. 이 전체 메커니즘은 많은 점에서 우리의 시각 경험이 오류에 취약하도록 만들며, 우리가 단지 심상만을 본다는 사실을 잘 설명합니다. 이렇게 복잡한 외삽의 추론법과 정보 처리가 진화에 의해 개발되었음은 기적이라 할 수 있습니다.

그렇다면 어떻게 이러한 것들이 우리 우주의 물리적 측면과 관련지어질 수 있을까. 아마도 양자 물리의 세계를 지배하는 기술적 법칙을 통찰함으로써, 우리 자신의 특성을 이해할 수 있다는 주장은 무리일지 모릅니다. 하지만, 한편으로 우리는 어떠한 근원적인 방식들로써, 우리의 사회적 상호 작용과 사회 구조가 이 사회 구조를 이루는 사람들의 기저 심리를 반영하고 있다고 직관합니다. 마찬가지로, 우리는 어떤 정신적 상태가 확실히 각각의 신경들의 상태에 기초하고 있음을 인정할 수 있습니다. 그리고 이 신경의 상태는 다시 전기 화학적 생리학 요소와 작은 처리 단위로 이루어진 회로로 구성될 것입니다. 우리는 이 논리의 길을 따라 내려가, 수학적으로 표현된 실재의 핵심에 이를 수 있습니다. 문제는 각 도약마다, 우주에 대한 현재의 지식에서는 찾을 수 없는, 그림의 일부가 빠져 있다는 것입니다. 오늘날의 과학에도 알지 못하는 부분들이 많이 있습니다. 다만, 과학계가 얼마나 빠르게 우주를 이해해가고 있는지는 우리가 주목할 만합니다.

괴델, 에셔, 바흐(1979)에서 더글러스 호프스태터는 논리학자, 예술가, 작곡가와 그들의 작품에서 등장하는 이상한 고리들을 멋지게 탐구합니다. 저는 의식과 논리적 모순의 출현을 생각함으로써, 물리적인 그리고 정신적인 공간과 과정들, 실체들 사이에서 깊은 일체감을 얻었습니다. 우리는 개별 노드의 분산 네트워크가 어떻게 우리의 몸과 뇌, 공동체, 인터넷, 블록체인 기술을 구성하는지 알고 있습니다. 이들은 각자가 하나의 실체이지만, 결국 어떠한 특정 매체 전반에 걸친 부분들의 합으로서 존재하는 것입니다.

만약 모든 것이 겉보기에 더 작고 작은 단위로 분류될 수 있다면 가장 작은 단위는 무엇일까?

이 질문에는 문제가 하나 있습니다. 우리가 보는 모든 것들과 각각의 단위들, 그리고 그것들이 구성하는 각각의 시스템들은 우리에 의해 확인되고, 정의되고, 관찰됩니다. 앞서 다루었듯이, 우리의 인식은 객관적인 진실과는 상당히 다릅니다. 우리는 체계적으로 세계를 연구하고 우리 자신을 연구할 수 있지만, 궁극적으로 우리가 우주의 관찰자입니다.

양자 역학은 중첩의 원리를 들어 시스템의 반응이 시스템을 구성하는 각 자극의 합이라고 말합니다. 이때 양자 상태의 수학적 표현은 복소의 파동 함수로 유도되며, 이 함수를 적분하여 어떠한 사건의 발생 확률을 구할 수 있습니다.

우리는 위치와 같이 두드러지고 잘 정의된 특성을 갖는 것들을 보도록 진화하였습니다. 하지만, 양자 역학은 이러한 직관을 거스르고 사실 “위치”는 없다고 말합니다. 대신에 우리에게 위치로 보이는, 객체와 관련한 양자 상태가 있다고 말합니다. 만일 여러분이 어떠한 자석을 상상하며, 여기에서 나오는 자기장을 볼 수 있다고 하면, 여러분은 자석이 있는 곳에만 자기장이 있다고 말할 수 없습니다. 여러분은 오직 자기장이 가장 집중된 곳을 말할 수 있을 뿐입니다. 물리학자 숀 캐롤은 한 번 조 로건의 쇼에 출연하여 이 개념을 잘 설명한 바 있습니다. 전자의 실제 양자 상태는 여러분이 그것을 관찰할 때 볼 수 있는 단순한 위치가 아닙니다.

의식 체계의 발생과 그것들이 형성되는 심리적 기질의 발생 사이에는 흥미로운 연관성이 많습니다. 의식에 대한 우리의 능력은 우리가 제대로 이해하지 못하고 있는 놀라운 현상입니다. 저는 이러한 주제에 대한 저의 지식이 상당히 제한적이라는 것을 잘 알고 있습니다. 제가 이 주제에 대하여 가르침을 얻거나 언급했던 개념을 재정의하고 확장할 수 있도록 많은 도움 부탁드립니다.

읽어 주셔서 감사합니다.

Images:

Connection, Fractal Image Source.
Spider Web Image Source.

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* 역자 주

분명 우리의 의식은 두뇌로부터 나옵니다. 그리고 우리 두뇌는 세포들로 이루어져 있고, 또 세포는 작은 분자들로, 분자는 원자들로 이루어져 있습니다. 이러한 점에서 원자 단위의 작은 실재를 다루는 양자 역학은 우리의 의식 세계를 밝히는 데 중요한 요소일지 모르겠습니다. 하지만, @ngans가 적은 것처럼 우리는 모르는 것이 너무나 많습니다.

일단 양자역학의 미스터리인, 파동 함수의 붕괴를 적절히 설명할 방법이 존재하지 않습니다. 대체 왜 눈에 보이지 않는 작은 세상에서는 확률의 법칙이 지배하지만, 거시 세계에서는 이것이 드러나지 않는지는 아직 의문입니다. 혹자는 상상력을 발휘하여 평행 우주라는 개념을 가져왔지만, 증명할 길은 없습니다. 단순히 큰 수의 법칙에서 확률이 반복되어 거시 세계가 확정적으로 되는 것일까요.

물리학과 생물학이 이어지는 연결고리를 완성할 날이 언젠가는 오겠지요?

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