왜 양자장론을 공부하는가?

왜 양자장론을 공부하는가?

아픈 사람이 너무 많다!

그런데 왜? 양자장론을 공부하는가?

아픈 것의 가장 근원적인 문제는 세포에서 출발한다. 우리 몸을 이루는 세포들이 모여 장기를 이루고 장기들이 모여 우리 몸을 이루기에 가장 근원적이고 본질적인 왜? 아픈가를 알아내고 본질적인 치료 방법을 찾아내는 것은 세포 수준에서 생명의 이해가 반드시 필요하기 때문이다.

IBM은 2000년대 중반, Deep Biology Computing (심층 생물학 컴퓨팅) 연구를 통해 로쉬등 세계적 제약 회사들로부터 펀딩을 받아, 약을 먹으면 왜 병이 낫게 되는지, 아래 사진들과 같은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 세포 속 단백질의 원자/분자 수준에서 밝혀 내고자 했다.

그러나 안타깝게도 원자 3.2만개로 만들어진 단백질 – 우리 세포 하나에는 1만~10만 원자로 만들어진 단백질이 줄잡아 약 3000억개 덩어리가 우글거리고 있다! - 1만분의 1초의 활동을 컴퓨터로 시뮬레이션 하는데 무려 1000해 (조: 10의 12승, 경 10의 16승, 해 10의 20승) 개의 동작이 필요로 되어 PC로는 약 30만년, 2023년 현재 가장 빠른 수퍼컴퓨터로도 약 3시간이 소요되는 계산 시간이 필요하다.

IBM 연구자들과 얘기를 해 본 결과, 이것도 가장 단순한 분자간 반데르 발스 힘을 모델한 정도, 양자장론은 커녕 양자역학적 모델은 가정도 못했으며, 그것도 실제 세포 환경, 곧 물이 70%인 환경은 손도 댈 수 없어 고체 상태의 단백질 접힘을 시뮬레이션 한 것으로, 문제는 물 분자들의 움직임이 너무도 빠르기 때문이라는 것이다.

이 모델의 결정적 문제는 사실상, 가장 본질적 힘, 곧 이 모든 것들을 가능하게 하는 전기적 + - 가 왜 잡아당기고 + + 가 왜 밀치는지 모르기 때문에 2023년 최첨단 현대 물리학에서도 분자는 모델 대상이 아닌 것에 있다.

양자장론은 그나마 + - 전기가 왜 잡아당기는지 가장 근접한 컴퓨터 모델을 제공할 수 있으며 여러가지 분자 수준 해석 툴들의 정밀도를 가장 자연에 가깝게 높일 수 있다.

생명과학에서 가장 어려운 점은, 한 커플만 더 내려가도 그 복잡도가 무한대가 되며, 인간의 지혜로는 아직, 상상할 방법조차 없는 경우가 거의 대부분이라는 것이다.

예를들어 광합성의 경우를 보자. 가장 단순한 생명현상이며 모든 에너지의 근원적 소스가 되어주는 식물들의 광합성에 대해 2023년 5월 가장 최신 뉴스를 참고하자!!! 놀랍게도 광자 하나가 만들어낸 전자가 이동하는데 마치, 절대온도 0도에서 가능한 초전도, 전기저항 0와 같은 제 5의 상태로 전송된다는 사실을 밝혀냈다.

Scientists find link between photosynthesis and 'fifth state of matter' (phys.org)

광합성에 대해 원자 수준에서 보면, 아직 인간이 전혀 생각지도 못한 특이한 양자적 현상들이 나타난다. 나뭇잎들이 광합성을 하는 과정은 태양전지로는 도저히 흉내내지 못하는 95%의 효율을 갖는데 그 메커니즘은 아직도 밝혀지지 않고 있다. 초전도 유사한 형태가 되는 것도 한가지 이유이긴 하지만, 이 모든 것이 관찰된 결과물이지, 결코 이해할 수 있는 상태는 아니다.

광합성 고효율 비결은 양자결맞음 : 네이버 블로그 (naver.com)

즉, 세포 수준에서의 생명을 이해하는데 과연 양자장론까지 갈 필요가 이유가 있느냐 의문을 가질 수 있는 것은, 양자장론이 필요없어서가 아니라, 양자장론까지 가면 너무도 어렵기때문에 가지 못할 뿐!

한가지 더 단적인 예를 보자!!!

물에 대해 우리가 잘, 아는 것 같지만, 실제로는 정말, 태평양에 일렁이는 물 거품 하나 둘 아는 정도, 그 진짜, 신비에 대해서는 전혀, 모른다라는 것이 맞다!!!

물 방울 크기가 100만분의 1m 아주 미세한 구조가 되면, 너무 너무 신기한 일들이 벌어진다!!! 화학적으로 촉매가 있어야 할 반응들이 마구, 쉽게, 일어난다!!! 해서, 마치 생명에 필요한 RNA등 기본 물질들이 기본 화학 성분들로부터 얻어질 수 도 있다는 보고들이 있다.

미세 물방울, 생명 기원의 비밀 푸는 열쇠? : 과학 : 미래&과학 : 뉴스 : 한겨레 (hani.co.kr)

형광 분자를 붙여 빛을 내는 혈장 단백질들이 초미세 물방울 안에서 표면쪽에 몰려 있는 모습의 현미경 사진이다!!!

물방울의 크기가 작아지며, 물방울 표면 안팎에 생기는 강력한 전기장이 그 주요 원인으로 생각되지만, 이 보다 더 작아지면 어떤 일이 어떻게 일어날지, 상상 불가!!!

이것이 사실상 100만분의 1m 크기인 우리 세포, 70%가 물인데,.. 그 물 속에서 단백질들이 어떻게 움직이는지, 알아내는 첫 관건이야 말로 물에 대한 온전한 이해부터 시작되어야 한다!!!

그러러면 전기장의 근본 모델인 양자장론에서 시작되어야 그래도, 의미있는 결과를 얻어낼 수 있을 것이기에 생명 과학이 사실상, 원자 이하의 세계, 양자장론의 세계가 아니라면, 그야말로 태평양의 물거품 한 두개 보고 논하는 것, 그렇기에 양자장론은 생명 과학 연구에 선택이 아니라 필수다!!!

양자장론 수준에서의 미세 물방울과 단백질 시뮬레이션이 가능해지면 수많은 난제가 해결될 수 있을 것이다.

그러나 그 근원적인 답을 알아내는 것은 영원히 불가능할 수 밖에 없다.

이유는 간단하다! 

우리는 하드웨어의 동작 원리를 조금 밝혀 낼 수 있을지 몰라도 이 모든 것을 관장하는 소프트웨어나 알고리즘의 존재 여부, 존재 방식, 장소, 작동 방식에 대해서는 아직 상상할 방법조차 없기 때문이다.

이 강의의 목적은 인간이 갈 수 있는 분명한 한계를 명확하게 제시하며 그 범위내에서 양자장론을 통해 생명을 어디까지 이해할 수 있을 것인가? 궁극적으로 우리 인류가 겪고 있는 이 모든 불행, 질병과 죽음, 상실과 슬픔, 고통과 아픔, 전쟁과 기아, 너무 너무 마음 아픈 조현병과 뇌전증 어디까지 해결할 수 있을 것인가, 자못 나 역시 궁금해진다!!!

이것이 양자장론을 공부하는 이유다.