우주의 구조 – 브라이언 그린
The Fabric of the cosmos
1. 종합서평
처음에 간단한 사고실험으로 시작하기 때문에 지적 호기심을 가진 사람은 누구나 눈을 떼지 못하고 생각하면서 읽게 될 것이다. 읽은 지 오래되어 책의 순서대로 내용이 기억나는 것은 아니지만, 시간이 왜 한 차원을 차지하게 되는지, 빨리 움직일수록 시간 차원의 가치가 줄어드는 느낌은 왜 그런지 등의 좋은 사유 자료를 안겨준다. 그리고 무엇보다도 하나의 원리를 설명할 때 이해하기 쉬운 단어와 쉬운 문맥, 예를 드는 것도 시의적절한 것임을 상기하면, 저자는 타고난 저술가가 아닐까 생각한다. 이 책의 앞에 출간된 엘리간트유니버스에서도 느끼지만, 저자와 함께 현대물리학의 최신조류를 쫓아가면 스스로 물리학자가 된 듯하고, 물리학을 개인적으로 공부하고 싶은 생각도 들 것이다.
개인적으로 100억 광년 떨어진 생물체와 서로의 정보를 교류할 때의 시간 간격을 생각하면, 동시성이 무엇인지 깊이 생각하게 해 준다. 저자의 독특한 시간관념은 빵 같은 예를 들어 빗겨 자를 때의 동시성의 문제로 우리 시야의 관점을 넓혀 준다.
꼭 요약하고 싶었던 책이기에, 요약을 완료한 후에 새로 느끼는 점을 다시 후기로 정리하겠다.
2. 진리의 각축장
가. 진리로 가는 길
뉴턴 – 시간과 공간을 단순하게 생각하여, 삼라만상이 발생하고 사라지는 무대가 곧 시간과 공간이라고 생각했다.
라이프니츠는 시간과 공간이란 모든 사물들이 존재하고 모든 사건이 발생하는 무대를 칭하는 하나의 어휘에 불과하다고 생각했다.
아인슈타인에게는 우주의 비밀이 숨어있는 물리적 실체가 시간과 공간이라고 보았다.
뉴턴, 프린키피아 – 시간과 공간이 절대불변의 실체이며 이로부터 구성된 우주 역시 절대로 변하지 않는 견고한 세계이다.
아인슈타인 – 시간과 공간은 절대적이지 않으며 서로 무관하지도 않다.
인플레이션 우주론 – 우주의 탄생 초기에 우주가 엄청나게 빠른 속도로 팽창을 겪었다는 주장이며, 이 우주의 크기는 100만*1조*1조분의 일 초 사이에100만*1조*1조 배 이상 팽창되었다고 한다.
초끈이론 – 모든 입자들은 핵자보다 100*10억*10억 배나 작은 가느다란 끈으로 이루어져 있으며, 어떤 특정한 패턴으로 진동하는 작은 끈이 질량이9.11*10-31kg이고 전기전하가 1.6*10-19쿨롱이면 그 끈은 전자를 기리킨다.
즉 초끈이론은 우리의 눈에 보이는 세계는 진정한 실체가 아니라 실체의 일부분에 지나지 않는다는 것을 시사한다.
나. 회전하는 물통과 우주
과학자들은 물통 하나를 두고 300년 동안 논쟁을 벌여 왔다. 1689년 뉴턴은 물통을 밧줄에 매단 후 물통을 돌려서 밧줄을 꼬이게 한 다음 손을 놓으면 회전속도가 빨라지면서 가장자리의 수면이 올라간다는 실험을 했다.
물은 무엇에 대해 회전하는가?
물통에 대해서 회전하는가? 회전 초기의 수면은 평평한 상태를 유지하지만,물이 물통을 따라서 회전하기 시작하면 수면은 오목해지기 시작한다. 따라서 물은 물통에 대해서 움직이는 것이 아니다.
텅 빈 우주에서 물통을 회전할 때, 뉴턴은 운동을 판단할 기준계가 존재한다고 생각했다. 그는 이것을 절대공간이라고 불렀다.
라이프니츠 – 어떠한 논리를 동원한다 해도 공간은 존재하지 않는다. 공간은 물체들 사이의 상대적 위치를 결정하는 편리한 방법에 불과하다. 물체가 하나도 없으면 공간의 의미도 함께 사라진다.
뉴턴 – 회전하는 물통의 가속도는 절대 공간에 대한 가속도이므로, 수면이 오목하게 패는 것은 바로 절대공간이 존재하기 때문에 나타난 결과이다.
에른스트 마흐 – 텅 빈 공간에 하나의 물체만 존재하는 경우에는 그 물체의 회전운동을 감지할 방법이 없다. 우리는 우주 안에 존재하는 모든 물질들의 평균분포상태에 대하여 상대적인 가속운동을 해야만 그에 대응되는 힘을 느낄 수 있다.
다. 상대성과 절대성
패러데이 – 전자기장의 발견, 한스 외르스테드의 최초 발견을 실험으로 확인하였다.
마이컬슨과 몰리 – 1887년 빛의 속도는 시속 6억 7천만 마일을 확인
아인슈타인 – 맥스웰의 방정식에 정지상태의 기준이 도입되지 않았다는 것은 그런 것이 애초부터 필요하지 않았다는 뜻이다.
빛의 속도는 항상 일정하고, 시간과 공간은 그것을 바라보는 관측자의 운동상태에 따라 다르게 보인다.
물체는 공간 속에 이동할 수도 있고, 시간을 따라 이동할 수도 있다.
나는 원치 않았지만 어쩔 수 없이 시간을 따라 강제로 이동당했다라는 말을 간단하게 줄여서 늙었다는 말로 대신한다.
정지해 있는 주차된 자동차는 공간상의 이동이 전혀 없는 대신 시간을 따라 미래로 이동하고 있다. 자동차가 공간을 가로지르며 달리기 시작하면 시간을 따라 이동하던 운동의 일부가 공간에 사용된다. 이는 자동차의 시계가 길에 서 있는 당신의 시계보다 느리게 간다는 것이다.
임의의 물체의 공간과 시간을 조합한 이동 속도는 어떠한 상황에서도 항상 광속과 같다.
빛은 항상 광속으로 달리고 있으므로 나이를 먹지 않는다. 빛은 100억 년 전이나 지금이나 나이가 똑같다.
동시성의 상대성 – relativity of simultaneity – 동시에 일어난 일도 보는 각도나 시각에 따라 다르게 보인다.
서로에 대하여 움직이고 있는 관측자들은 동시성에 대하여 의견일치를 볼 수 없다.
아인슈타인 – 물통은 절대 시공간에 대하여 회전한다. (절대공간이 아님)
시공간에서의 불변량은 깊은 의미가 있다. 서로에 대하여 등속운동을 하고 있는 관측자들은 매 순간마다 각기 다른 시간단면을 보고 있지만, 어떤 물체가 가속되고 있는지의 여부에 대해서는 모두 하나로 일치한다.
중력도 빛의 속도와 같다.
운동 상태를 바꾸면 중력에 의한 힘을 상쇄시킬 수 있다.
중력에 의한 힘과 가속운동에 의한 힘은 구별할 수 없다. 두 가지는 동일하다-등가원리 – principle of equivalence.
중력과 가속운동은 동일한 현상이므로, 만일 당신이 중력의 영향을 느낀다면 그것은 곧 당신이 가속운동을 하고 있다는 뜻이다.
특수상대성이론에 의하면 서로에 대하여 등속운동을 하고 있는 관측자들이 바라보는 시공간의 단면도는 상대방에 대하여 일정 각도만큼 돌아가 있으며,한 관측자의 시간단면들은 시공간 속에서 평행하게 놓여 있다. 그러나 가속운동을 하게 되면 관측자의 시간단면(어느 한 순간에 바라본 공간)은 휘어져 있다.
일반상대성이론에 의하여도 텅 빈 공간에서 회전하는 물통의 수면은 오목해지고 회전하는 두 개의 돌멩이를 묶어 놓은 밧줄은 평행하다.
라. 얽혀 있는 공간
국소성 – locality – 공간의 상호반응에 의한 개념
양자역학에서는 국소성의 원리를 위반하는 무언가가 있다.
양자역학에 따르면, 하나의 입자는 하나의 특성을 뚜렷하게 갖지 않고 몇 가지 특성의 중간지점에 애매하게 놓여 있다가 관측을 시도했을 때 비로소 그중 하나의 특성이 뚜렷하게 나타난다고 주장한다.
// 1초당 하나씩 발사된 전자는 슬릿을 통과한 후 스크린에 간섭무늬를 만든다.
(a) 한 시간 후 (b) 12시간 후 (c) 24시간 후
개개의 전자들이 파동적 성질을 가지고 있다면 그 파동의 정체는 무엇인가? 이에 대해 에르빈 슈뢰딩거는 “전자는 공간의 일정 영역 안에 퍼진 채로 존재하며 그 존재 자체가 파동이다”는 가설을 제안한다.
막스 보른은 1927년, 파동의 정체는 공간에 퍼져 있는 전자가 아니라 바로‘확률파동’이라고 해석했다.
하이젠베르크 불확정성원리 – 한 입자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 없다. 자동차가 시청 앞에서 시속 100키로 미터의 속도로 달렸다는 표현은 엄밀히 따지면 정확한 표현이 아니지만, 일상적인 스케일에서 나타나는 불확정성이 무시할 수 있을 정도로 작기 때문이다.
불확정성원리는 진리에 대하여 우리가 알 수 있는 한계를 설정한 것인가?아니며 그 한계라는 것이 진리, 그 자체인가?
보어 – 물리학의 연구대상은 반드시 측정 가능해야 한다. 물리학의 입장에서 보면 측정 결과가 곧 진리이다.
아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) – 불확정성원리는 자연에 내재되어 있는 한계가 아니라 양자역학 자체의 한계라고 주장했다.
EPR 실험에 대한 해명 – 존 벨 – 동시에 측정이 불가능한 특성이 세 개 이상 존재한다면 (즉 셋 중 하나를 정확하게 측정했을 때 나머지 특성들을 결정할 수 없게 된다면) 실체의 존재여부를 실험으로 확인할 수 있다고 주장하고,입자의 스핀을 추가하였다.
양자역학에 의하면 모든 입자는 정확한 위치와 정확한 정확한 속도를 동시에 가질 수 없으며 두 개 이상의 축에 대하여 정확한 스핀성분(시계방향, 또는 반시계방향)을 동시에 가질 수 없다. 일반적으로 모든 입자는 불확정성의 쌍을 이루는 모든 양들을 동시에 정확한 값으로 갖고 있을 수 없다.
벨이 제안했던 실험은 1980년 경이 되어서야 수행되었는데, 두 대의 감지기가대동일한 스핀 값을 나타내는 경우는 전체 시행횟수의 50%를 넘지 않았다.
1997년 제네바 대학의 니콜라스 가신은 아스펙의 실험을 재현하였지만 같은 결과가 나왔다.
1950년대에 보옴은 비국소성과 숨은 변수를 조호롭게 연결시키는 새로운 양자역학체계를 제안하였다. 이에 따르면, 입자의 위치와 속도를 동시에 측정할 수는 없지만, 그럼에도 불구하고 입자는 명확한 위치와 속도를 갖고 있다.또 멀리 떨어져 있는 지점에 가해진 조건에 따라 입자에 작용하는 힘이 즉각적으로 영향을 받는 더욱 대담한 비국소적 요소를 이론에 포함하였다.
3. 시간과 경험
가. 얼어붙은 강 – 시간은 정말로 흐르고 있는가
시간은 누구에게나 공평하게, 그리고 누가 봐도 동일하게 흐른다는 개념은 상대성이론과 함께 폐기처분 되었다. 시간은 상대적이고 개인적인 개념이 된 것이다.
시간에 관한 우리의 경험은, 어떻게든 흘러가는 것으로 보인다. 시간은 화살처럼 방향성을 갖고 있다. 시간이 흘러간다면 무엇이 흘러가고 있으며, 흐르는 속도는 얼마인가?
물리학자들은 시간의 흐름을 물리법칙으로 표현하려고 노력을 해 왔으나,아직 그 누구도 성공하지 못했다.
아인슈타인은 과거, 현재, 미래가 똑같이 현실적이기 때문에 시간의 흐름은 인간의 불완전한 감각이 느끼는 일종의 환상이라고 믿었다.
서로에 대해 상대적으로 움직이고 있는 관측자들은 주어진 한 순간에 서로 다른 ‘지금’을 느끼고 있으며, 따라서 이들은 실체 – reality – 에 대하여 서로 다른 개념을 갖고 있다. 두 사람의 상대속도가 시속 수백 키로 정도라면 시간단면이 돌아간 각도가 아주 미미하여 두 개의 단면은 거의 동일한 사건을 담지만, 상대속도가 광속에 가까울수록 현재에 대하여 많이 달라질 것이다. 이러한 것은 속도가 아니라 거리가 아주 멀리 떨어진 것으로 가정하여도 마찬가지 결과가 된다.
///처음에 조그만 틈이 있어도, 빵이 엄청나게 크면 썰어난간 각도가 작아도 거대한 틈이 생긴다//
지금-목록 - 100억 광년 떨어진 외계인이 거실의 안락의자에 앉아 느긋하게 쉬고 있는 모습을 상상하자. 둘 사이는 아무런 상대운동이 없다고 가정하자. 외계인과 당신은 시공간을 정확하게 동일한 각도로 썰어 낸 시간단면 속에 살고 있으므로 두 사람이 작성한 지금-목록은 정확하게 일치한다. 잠시 후 외계인이 산책을 시작하는데, 그것이 관측자로부터 멀어지는 방향이라면, 외계인의 시간단면이 조금 돌아가지만, 100억 광년이라는 거리 때문에 두 사람이 느끼는 ‘지금’은 현격하게 달라진다. 외계인이 시속 10마일의 속도로 당신으로부터 멀어져 가고 있다면 그의 지금-목록에 올라있는 지구의 모습은 당신의 입자에서 볼 때 무려 150년 전의 모습에 해당한다. 그러나 150년 전 링컨 대통령의 암살 사건이 외계인의 지금-목록에 있다고 해도, 외계인이 그 사건을 보려면 100억 년 이상을 기다려야 한다.
우리는 ‘지금 존재하는 것들’을 생각할 때 단 하나의 ‘지금-단면(과거는 지나간 시간단면이고 미래는 앞으로 다가올 시간단면으로 생각하는 경향)’을 떠올리지만, 외계인을 포함한 모든 관측자의 관점은 동등하기 때문에 과거까지 포함하게 된다. 외계인의 초기 위치를 중심으로 외계인의 이동 속도에 따라 이론적으로 발생할 수 있는 지금-단면을 함께 고려해 주어야 한다. 외계인은 빛보다 빨리 움직일 수 없으므로 단면의 돌아간 각도는 시공간에서 시계, 또는 반시계 방향으로 45도를 넘을 수 없다.
당신의 지금-단면에 들어있는 만물들이 현재를 이룬다는 것과, 다른 장소에서 임의의 속도로 움직이고 있는 관측자의 지금-단면도 당신의 단면과 같이 현실적이라는 것을 인정한다면, 결국 시공간의 모든 점(사건)들이 당신의 현재가 된다.
공간은 현실적인 실체이며 전 우주에 걸쳐 하나의 실체로 존재한다고 생각한다면, 시간도 역시 현실적인 실체이며 모든 과거와 미래에 걸쳐 하나의 실체로 존재한다는 것을 받아들여야 한다. 아인슈타인 – 과거, 현재, 미래는 인간의 뇌리를 떠나지 않는 끈질긴 환영이다.
모든 사건들은 과거에 일어났고 현재 일어나고 있고 미래에 일어날 예정이 아니라, 하나의 시공간 안에서 한꺼번에 존재한다.
나. 우연과 화살 – 시간의 방향성
시간의 방향성을 극명하게 보여주는 예로 기억을 들 수 있다. 과거의 사건을 머리에 저장해 두었다가 수시로 꺼내 보면서 감상적인 분위기에 빠지곤 한다. 미래에 일어날 사건을 기억하며 추억에 잠기는 사람은 없다.
그런데 시간의 방향성을 나타내 주는 물리학적 법칙은 아직 발견되지 않았다. 오히려 뉴턴과 맥스웰, 아인슈타인의 이론을 비롯하여 현대 물리학이 발견한 기본 법칙들은 과거와 미래가 완벽하게 대칭적임을 보여 주고 있다.
엔트로피는 주어진 물리계의 무질서한 정도, 즉 무질서도를 나타내는 양이다. 물리계는 고-엔트로피 상태로 이동하려는 경향이 있다. 엔트로피가 증가하는 쪽으로 시간이 흐른다는 아이디어가 있다.
그러나 뉴턴의 운동법칙은 과거와 미래를 구별하지 않고 있으므로, 미래로 진행되는 물리계는 엔트로피가 증가한다는 논리는 과거로 진행되는 물리계에도 적용될 수 있다는 논리도 있다. 칠흑 같은 우주공간에서 위와 아래를 구별할 수 없는 것처럼, 고전 물리학에서는 어느 쪽이 미래이고 어는 쪽이 과거인지 구별할 수 없다.
열역학 제2법칙은, 임의의 한 순간에 어떤 물리계가 최대한의 엔트로피를 갖고 있지 않다면, 이 물리계는 앞으로 엔트로피가 증가할 가능성이 크고, 과거에도 지금보다 높은 엔트로피를 갖고 있었을 가능성이 크다라고 주장한다. ##수학적 결론이 그렇게 나왔기 때문에 이런 논의를 하는 거라고 하지만, 과연 수학의 가정이 맞는지도 검토해 보아야 함. 수학에서는 혹시 현재와 미래만 변수를 두고 계산한 것은 아닌지~.
##다만 시냇가의 반쯤 얼은 살엄음을 예로 든다면, 과연 그것이 얼어가는 중인지, 녹아가는 중인지 알기가 힘들 것이다. 그런 면에서는 현재가 가장 엔트로피가 적다는 가정도 일리가 있다. 그러나 오히려 반대로 생각하면 시냇가의 살얼음은, 엔트로피가 증가하는 중이던지, 감소하는 중이던지 둘 중 하나일 가능성이 월등히 크다는 의미에서, 현재가 가장 엔트로피가 작다는 수학적 결론은 잘못된 것이 아닐까 생각한다##
##위의 생각을 확장하면, 현재의 우주도 엔트로피가 작아지던지 커지던지 둘 중 하나의 과정에 있지, 엔트로피가 가장 작은 상태에 있다는 가정은 잘못될 가능성이 많다##
닭이 먼저인지, 달걀이 먼저인지의 논의 – 동물은 어떻게 저-엔트로피 상태를 유지하고 있는가. 먹이사슬을 추적해 가면 그 끝에는 식물만 먹고 사는 동물이 있다. 식물은 태양빛과 이산화탄소를 재료로 광합성을 하면서 그 부산물로 산소와 탄소를 만드는데, 산소는 공기 중으로 방출되고 탄소는 식물에게 필요한 영양분으로 사용된다. 그러므로 저-엔트로피의 원천은 태양에너지이다.
고도의 질서를 유지하는 태양은 어디서 왔는가? 50억 년 전에 소용돌이치던 수소기체가 중력에 끌려 한데 모이면서 지금의 모습을 갖추게 되었다. 기체가 밀집될수록 입자들 사이에 작용하는 중력이 커져서 기체는 더욱 수축되고 기체입자들 사이의 간격이 좁아지면서 중심부는 점점 뜨거워졌다. 그러다가 어떤 특정 온도에 이르는 순간부터 핵융합반응이 일어나기 시작했고 그 결과로 강한 복사에너지가 방출되면서 중력에 의한 수축은 더 이상 일어나지 않게 되었다. 태양의 전신인 기체구름은 그 전에 살던 별이 수명을 다하여 초신성이 되면서 사방에 뿌려 놓은 흔적이고, 그것들은 또 빅뱅에서 발생했다고 본다.
이러한 논의는 중력을 고려하지 않은 것이다. 중력을 무시한 채 보면 방 안에 콜라병의 기체는 골고루 퍼지게 된다.
##중력이 작용하지 않는 단기간을 살펴 보면 엔트로피의 법칙이 맞지만,거대규모나 장기 규모에서 보면 중력이 저엔트로피로 가는 도구이고, 전체적 엔트로피는 항상 일정하지 않을까하는 아이디어##
엔트로피가 크다는 것은 물리적 상태에 변화를 거의 주지 않으면서 구성물질의 배열을 바꿀 수 있는 방법의 수가 많다는 뜻이다.
미래는 엔트로피가 증가하는 방향이며, 시간이 흐르는 방향은 고도의 질서가 갖춰진 극저-엔트로피 상태의 초기우주에서 이미 결정되어 있었다.
다. 시간과 양자
리처드 파인만 – 하나의 결과가 여러 가지 방법으로 나타날 수 있는 경우,모든 가능한 사건들은 동시에 진행된다. 이 모든 가능한 경우들이 최종결과가 나타날 확률에 나름대로 기여하고 있으며, 각각의 확률을 모두 더한 결과는 양자역학이 예견하는 총 확률과 정확하게 일치한다.
일어날 수 있는 모든 가능한 과거들을 한꺼번에 더해야 현재를 이해할 수 있다.
관측을 당한 입자는 모든 가능성을 더 이상 유지하지 않고 그중 하나의 가능성을 우리에게 보여 준다. 즉, 우리의 관측행위가 입자의 가능한 과거들 중 하늘 골라낸 것이다.
각종의 실험들 – 수정된 과거, 과거 지우기, 과거 만들기
파동함수의 붕괴를 초래하는 관측행위를 기점으로 하여 과거와 미래는 비대칭적인 속성을 갖고 있어야 하는 것이 아닌가? – 아직 미해결이다.
양자적 실체와 양자적 관측에 대한 견해들 – 하이젠베르크는 파동함수를 객관적 특성으로 간주하는 기존의 관점을 포기하고 ‘실체에 대하여 우리가 알고 있는 내용을 형상화시킨 것’으로 간주할 것을 권하고 있다. 즉 파동함수의 붕괴는 우리가 무언가를 새롭게 알았을 때 부수적으로 나타나는 현상에 불과하다는 것이다.
휠러의 제자였던 휴 에버레트는 1957년 파동함수의 붕괴를 정면으로 부정하고 모든 가능성들이 여러 개의 세상에서 동시에 진행되어 나간다고 주장했다. 다중우주해석이라 불리는 이 이론은 파동함수는 내재되어 있는 모든 가능성들을 개개의 우주에서 개별적으로 펼치고 있다는 것이다.
데이비드 보옴이 1950년대에 제안한 이론은, 전자와 같은 입자들이 고전물리학의 주장대로 정확한 위치와 속도를 갖고 있지만 그 특성이 우리의 눈에 보이지 않는다는 것이다. 하이젠베르크의 불확정성원리는 우리가 알 수 있는 한계를 지정해 주지만 입자의 실제적인 속성을 의미하지는 않는다는 것이다.보옴은 입자의 파동함수를 입자와 함께 존재하는 또 하나의 실체로 간주했다.
이탈리아의 물리학자 지안카를로 기라르디, 알베르토 리미니, 툴리오 웨버의 아이디어는, 미시적 물체에 여전히 적용되면서 일상적 스케일에도 적용될 수 있는 방정식을 만들었는데, 이 방정식의 해는 매우 불안정하여 외부에서 교란을 가하지 않아도 스스로 붕괴되는 특성을 갖고 있다. 이 파동함수는 수십억 년에 한 번씩 붕괴된다고 가정하므로, 기존의 양자역학을 뜯어고칠 필요가 없었다.
파동함수를 물리적 실체가 아닌 하나의 지식으로 취급하는 견해도 있다. 반대론자들은 근본적인 물리학이 대체 인간의 지식 여부와 무슨 상관이란 말인가, 인간이 지구에 출현하면서 이 우주가 전혀 다른 곳으로 변했다는 말인가 하는 반박
양자적 결어긋남-decoherence- 이는 미시세계에 적용되는 양자역학과 확률의 간섭이 거의 일어나지 않는 일상적인 세계를 연결시켜 주는 개념이다. 1970년 독일의 물리학자 ‘디터 제’의 논문에서 현대적인 의미로 자리잡게 되었다. 광자나 공기분자는 크기가 너무 작아서 책이나 고양이처럼 덩치가 큰 물체에 심각한 영향을 주지 못하지만 다른 방식으로 영향을 미치는 것은 가능하다. 즉 광자나 분자는 거시적 물체의 파동함수, 또는 결맞음-coherence상태를 교란시키고 있다.
주변환경의 결어긋남 현상이 파동함수의 규칙을 교란시키면 양자역학의 신기한 특성이 일상적인 확률로 전환되는 것이다. 즉 결어긋남은 거시적 물체에 존재하는 상식을 벗어난 양자적 특성을 희석시킨다. 주변환경과 주고받는 상호작용에 의해 양자적 특성이 상실되는 것이다.
파동함수에 내재되어 있는 다양한 가능성들은 아직도 현실적인 개념으로 이해되지 않고 있다.
양자적 실체와 일상적인 경험을 연결하는 데 두 가지 방법은, 파동함수를 하나의 지식으로 간주하는 이론과 양자적 결어긋남 등과 같이 슈뢰딩거의 파동방적식을 이론의 종착점으로 보는 접근법이 있다.
4. 시공간과 우주론
가. 눈송이와 시공간 – 우주의 대칭성과 진화
병진대칭-translational symmetry, 병진불변성-translational invariance –장소를 바꾼다 해도 뉴턴의 운동법칙은 변하지 않는다. 장소가 달라지면 운동은 변할 수도 있지만 그 운동을 설명하는 법칙은 변하지 않는다.
회전대칭-rotational symmetry – 공간상의 모든 방향이 동등하다는 아이디어에 그 뿌리를 두고 있다.
시간이 존재한다는 것은 곧 시간에 과거-미래 대칭성이 존재하지 않는다는 것을 의미한다.
우주배경복사 – 우주배경복사의 온도가 균일하다는 것은 초기의 우주가 균질분포상태-homogenous distribution였음을 의미한다. 또 하나는 빅뱅 이후로 우주가 겪어 온 진화과정이 전 지역에 걸쳐 거의 동일한 양상으로 진행되어 왔다는 것이다. 우주전역의 온도는 0.001도 이내에서 일치하고 있으므로,우주 내의 전 지역은 빅뱅 이후로 거의 동일한 변화과정을 거쳐 온 것으로 추정된다.
우주가 정말로 균일하다면 전 우주에 걸쳐 동일하게 적용되는 시간의 개념을 정의할 수 있다.
일반상대성이론에 의하면 은하가 멀어지는 현상은 우주적 공장의 폭발사건에 기인하는 것이 아니라, 지난 수십억 년 동안 우주가 꾸준히 팽창해 온 결과이다.
공간의 팽창론에 의하면 먼 곳일수록 멀어져 가는 속도가 빨라진다.
##팽창의 속도는 일정한데, 거리가 멀수록 더 빠르게 멀어지는 것은 당연한가##
하나의 은하 속에 있는 시계는 다른 은하에 대하여 분명히 운동을 하고 있다. 그러나 시계는 모두 같다. 은하들이 공간을 가로지르며 이동하기 때문이 아니라 공간 자체가 팽창하고, 시계는 공간에 대하여 움직이는 것이 아니므로 모든 시계들은 동일한 시간을 가리키게 된다. 우주의 나이를 측정하는 시계는 이와 같이 공간에 대하여 정지해 있는 시계이다.
아주 멀리 있는 은하가 광속보다 빠르게 멀어질까? 아인슈타인의 특수상대성이론은 두 은하 사이의 거리가 빛보다 빠르게 멀어지도록 공간이 팽창하는 것을 금지하지 않았다.
현재까지 공간의 곡률은 0이라는 쪽에 무게가 실리고 있다.
나. 증발된 진공 – 열(熱)과 무(無), 그리고 통일
우주는 지금도 계속 팽창하고 있다. 그 결과 우주의 온도와 밀도는 점차 낮아지고 있다. 가장 거시적인 스케일에서 볼 때, 우주공간은 대칭성과 균질성을 유지하고 있다.
얼음이 물로 변하는 것을 ‘상전이’라고 한다. 1970년대에 물리학자들은 우주를 구성하는 물질들뿐만 아니라 우주 자체도 ‘상전이’를 일으킬 수 있다는 놀라운 사실을 알아냈다. 지난 140억 년 동안 우주는 끊임없는 팽창을 겪으면서 꾸준히 식어 왔는데, 온도가 내려가는 어떤 임계온도에 다다랐을 때 격렬한 변화를 겪으면서 그동안 보유하고 있던 많은 대칭성을 잃어버렸다는 것이다.
즉 우주가 점차 식어가다가 임계온도에 도달하면 얼음처럼 얼어붙는 것이 아니라 그 안에 어떤 장-field이 출현하는데, 이것을 힉스장이라고 한다.
빅뱅이 일어난 직후 초고온 상태에서 모든 장들은 한결같이 격렬한 진동을 겪었지만 온도가 충분히 내려가면서 다른 장들이 거의 0에 까까운 평균값을 갖게 되었을 때 전 공간에 걸쳐 0이 아닌 어떤 특정한 값으로 동결된 장을 힉스장이라 한다.
힉스장이 전 공간에 걸쳐 0이 아닌 값을 갖게 되는 과정을 가리켜 ‘자발적인 대칭성 붕괴’라고 한다. ##페이지 366 정독필요##
물체의 질량은 움직임에 대한 저항으로 이해할 수 있다. 이 세상이 온통 힉스장으로 가득 차 있다면 쿼크와 전자들은 힉스장과 무언가 상호작용을 교환하고 있을 것이다. 물체의 속도를 바꿀 때 힘을 가해야 하는 이유는 힉스장이 물체의 운동상태가 변하는 것을 방해하고 있기 때문이다.
힉스장은 전 우주공간에 가득 차 있기 때문에, 물체를 힉스장으로부터 꺼낼 수 없다. 힉스장은 오직 가속운동이 일어날 때만 저항력을 행사한다. 그러므로 등속운동을 할 때는 저항력을 받지 않는다. 우리가 물체의 속도를 변화시킬 때에 한하여 힉스장은 그에 해당하는 힘을 요구함으로써 자신의 존재를 간접적으로 드러내고 있다. 대부분의 물리학자들은 힉스장이 없다면 모든 입자들은 질량이 없을 것이라고 굳게 믿고 있다.
수증기는 섭씨 100도에서 액화되고, 물은 섭씨 0도에서 얼어붙지만 힉스장은 무려 1015도라는 엄청난 고온에 0이 아닌 값으로 얼어붙는다. 이것은 태양의 중심부보다 1억 배나 높은 온도인데, 빅뱅 이후 10-11초 만에 우주는 이 정도 온도로 식었던 것으로 추정된다. 그 이전에는 힉스장의 값이 격렬하게 진동하면서 평균적으로는 0을 유지하고 있었다. 고온에서 물이 증발한 것처럼 힉스의 바다도 저 이상의 온도에서는 증발된 상태였던 것이다. 이렇게 힉스장이 없는 상태에서 가속운동을 하는 입자는 아무런 저항도 받지 않기 때문에 질량도 0으로 사라진다.
힉스장이 형성되면서, 질량이 없던 입자들이 일제히 질량을 갖게 되었고,입자들 사이의 대칭성이 크게 줄어 들었다.
게이지대칭-gauge symmetry – 힘입자를 교환했을 때 물리적 과정이 달라지지 않는 것은 물리계에 어떤 대칭성이 존재한다는 뜻이 된다. 그런데 힘입자는 특정한 힘을 매개하는 입자이므로 이들 사이에 대칭성이 존재한다는 것은 곧 그들이 매개하고 있는 힘들 사이에도 대칭성이 존재한다는 것을 의미한다.
글래쇼와 와인버그, 그리고 살람은 약력과 전자기력이 동일한 힘의 다른 모습이었음을 알아내어 이들이 통일시킨 힘은 오늘날 약전자기력이라 한다. 1979년 노벨물리학상 수상
대통일이론 – 1974년 조자이와 글래쇼는 빅뱅이 일어나고 10-35초가 지났을 때 우주의 온도는 100억*10억*10억 도 이상이었으며 이 상태에서 네 개의 힘들 중 세 개(강한 핵력, 약한 핵력, 전자기력)는 동일한 형태로 존재했다는 이론을 발표했다. 그러나 아직 실험적으로 검증되지 않았다.
힉스장도 힉스입자라 불리는 입자로 이루어져 있을 것이다.##힉스파라고 부르면 어떨 것인가##
다. 빅뱅의 재구성
우주상수 – 아인슈타인의 중력이론에 의하면, 모든 것이 끌어 당기므로 그것을 상쇄해 줄 힘이 필요하고 중력론에 우주상수를 추가할 수밖에 없었다.
아인슈타인은 중력이 질량과 에너지에만 좌우되는 것이 아니라 물체가 받는 압력에도 좌우된다는 것을 수학적으로 증명하였다. 양압은 중력을 크게 만드는 효과가 있고, 음압은 작게 만드는 효과를 가져올 것이다.
즉 음압은 음의 중력, 밀어내는 중력을 만들어 낸다는 결론을 내릴 수 있다.
압력은 압력 자체가 행사하는 힘 이외에 다른 힘의 원천이 될 수도 있으며,그 힘이 바로 중력이라는 것이다.
우주공간에는 질량과 에너지에 의한 인력보다 음압에 의한 척력이 더 강하기 때문에 전체적으로는 바깥 쪽으로 밀어내는 척력이 작용하고 있다. 추가로 밀어내는 중력의 세기가 공간이 커짐에 따라 누적된다는 사실을 알 수 있었다.
알란 구스 – 인플레이션 우주론 – 우주의 초기 우주의 밀도가 높았을 때 힉스장의 값은 에너지 그릇의 가장 낮은 계곡에 자리 잡고 있었다. 인플라톤장-inflaton field – 은 초기 형태의 힉스장이라 할 수 있는데, 음압을 갖고 있기 때문에 중력적으로 엄청난 척력을 행사하여 공간 내의 모든 지점들이 서로 멀리 도망가도록 만들었다. 이 척력은 위력이 너무도 방대하여 10-35초라는 시간에 1030배, 혹은 10100배까지 팽창된 것으로 추정된다. 그 후 인플라톤장은 고에너지 상태에서 이탈하여 에너지 그릇의 가장 깊은 계곡으로 굴러 떨어졌고, 그와 함께 밀어내는 중력도 사라졌다.
인플레이션 우주론은, 우주의 탄생 초기에 공간이 서서히 팽창하여 모든 지점들이 정보를 충분히 교환할 수 있었고, 그 후 갑자기 팽창속도가 빨라진 것으로 이해한다. ##우주의 지평선과 배경복사 온도가 같은 것을 맞추기 위한 이론으로도 보인다##
인플레이션과 평평성 문제 – 초기의 우주 곡률이 아주 컸다고 해도 인플레이션이 일어난 후의 우주는 국지적인 관점에서 거의 평평한 공간으로 간주할 수 있다.
프리츠 즈윅키 - 1930년대 초반 가장자리에 있는 은하들은 튀어나가야 되는데, 은하의 질량보다 훨씬 큰 중력이 작용하는 것처럼 한데 뭉쳐서 움직이고 있는 것을 발견하고, 어떤 물질이 코마 성단에 잔뜩 퍼져 있는 것으로 주장하였다. 그 뒤 암흑물질이라는 것을 베라 루빈, 켄트 포드 등에 의해 재발견되었다.
눈에 보이는 은하들이 전체의 5%를 차지하고, 암흑물질이 25%를 차지하며,나머지는 암흑에너지라는 것을 정설로 받아 들이다.
시간이 흐르다 보면 밀어내는 중력이 끌어 당기는 중력보다 강해져서 팽창속도가 점차 빨라지는 시점이 찾아온다. 바로 그 시점이 대략 빅뱅 후 70억년이다.
라. 인플라톤과 양자적 요동, 그리고 시간의 일방통행
양자적 요동은 원자 스케일의 작은 영역에서 진행되므로 일상적인 삶 속에는 이러한 요동이 눈에 띄지 않는다. 그러나 급격한 인플레이션에 의해 양자적 효과는 거시적인 영역에 흔적을 남기게 되었다. 양자적 세계에서는 그 어떤 것도 완전한 균질성을 유지할 수 없다. 균일하지 않은 양자적 세계가 인플레이션을 겪으면 그 비균질성이 거시적 스케일로 확장되면서 별이나 은하와 같은 거대한 천체의 모태가 형성된 것이다. 이렇게 나타난 비균질성은 시간이 흐를수록 점차 커지는 경향을 보인다.
우주배경복사 – 1992년 COBE-Cosmic Background Explorer satellite 관측 결과와 최근의 WMAP-WILINSON Microwave Anisotropy Probe 의 관측결과에 따르면 대부분 공간의 온도는 2.7249K이며 일부 지역은 2.7250K 또는2.7251K를 유지하고 있다. 또 온도의 차이가 하늘에서 어떤 방향성을 갖고 나타난다.
우주가 팽창함에 따라 질량과 복사는 중력에게 에너지를 빼앗기고 인플라톤장은 중력으로부터 에너지를 획득한다.
인플라톤장은 중력에 기생하면서 그 명맥을 유지해 왔다. 그래서 인플라톤장에 함유된 에너지의 총량은 공간이 팽창할수록 증가한다.
일단 질량 덩어리가 형성되기만 하면 자체 중력으로 주변의 물질들을 끌어 모아서 덩치가 점차 커진다는 기본가정이 있다.
인플레이션이 끝난 후에도 중력은 계속해서 은하와 별, 행성, 블랙홀 등 주변의 물질들을 빨아들이면서 엔트로피를 증가시켰다. ## 엔트로피 증가처럼 보이는 현상인데도, 마치 질서를 잡아가는 것으로 보인다##
5. 근원과 통일
가. 끈이론이 말하는 시공간의 구조
진공요동-vacuum fluctuation – 장의 값이 얌전하게 0을 유지하는 고전적인 개념의 진공은 불확정성원리에 정면으로 위배된다. 장의 값이 0을 중심으로 요동을 치는 것은 가능하지만 특정한 값을 일정하게 유지할 수는 없다. 이러한 현상이 진공요동이다.
헨드릭 카시미르 – 1948년 금속판 두 개를 가까이 가져가면 장의 요동 패턴에 변화가 일어난다. 금속판 사이에 양자장의 요동이 제거되면 두 금속판이 가까워지는 쪽으로 압력이 작용한다. 이것을 카시미르힘이라 한다.
상대성이론과 양자론의 결합이 가능할 것인가 이 양자를 결합하는 이론은 없는가 ##극대와 극미가 같은 물질인 것 같아도 전혀 다른 물질 즉 규모가 커지면서 질적인 전환이 있으면 양립가능하지 않을까##
끈이론의 가장 중요한 특지은 기본입자를 점이 아닌 끈으로 간주한다. 점은 크기가 없지만 끈은 길이를 가지고 있으므로 공간의 한 부분을 점유한다. 바로 이런 차이점 덕분에 양 이론을 조화롭게 결합할 수 있다.
끈은 대략 플랑크길이-10-33cm 정도의 길이다.
보손 끈이론 – 끈의 진동으로 나타나는 입자들은 모두 정수 스핀을 가진다.
진동 스핀이 1/2 단위로 차이가 나는 반정수 스핀을 발견하였고, 정수 스핀과 반정수 스핀 사이에 존재하는 대칭에는 초대칭이라는 이름을 붙여서 초대칭 끈이론 또는 초끈이론이라 불리게 되었다.
초끈이론은 오지 ㄱ10차원의 시공간에서 제대로 작동하는 이론이다##최근 결과에 의하면 11차원에서 정상적으로 작동한다고 한다##
테오도르 칼루자 – 칼루자는 공간의 차원을 확장시킴으로써 일반상대성이론의 방정식과 맥스웰의 전자기 방정식을 하나로 통일시키는 새로운 이론체계를 구축했다.
칼라비-야우 형태, 칼라비-야우 공간 – 여분의 6차원을 예상하는 각종 도형의 연구 모형들
여분 차원의 크기와 형태는 끈의 진동패턴에 결정적인 영향을 주며, 입자의 특성은 이로부터 전적으로 좌우된다.
나. 막 위의 우주 – Membrane
끈이론의 유형 - Ⅰ형 Type, ⅡA형 Type, ⅡB형 Type, 이형(異形)-OHeterotic-O, 이형-EHeterotic-E이론이라는 다섯 가지가 있다. 이것을 통합시킨 것이 M이론이다.
위튼이 주장한 것으로 이전까지 사용해 왔던 끈이론 방정식이 열 번째 공간차원을 생략하는 근사식이었음을 입증하였다.
위튼은 끈이론은 1차원인 끈 뿐만 아니라 2차원인 멤브레인일 수도 있다는 사실을 발표하였다.
조 폴친스키 – 끈의 몸통은 자유롭게 진동할 수 있지만 열린 끈의 양쪽 끝은 어떤 영역 안에 들러붙어 있거나 속박되어 있다는 결론은 내리다. 열린 끝의 양쪽 끝이 붙어있다는 공간의 특정지역은 어디인가? 열린 끈의 양끝이 어떤 p차원 영역 이내에서 움직이도록 제한되어 있다면, 그 영역은 바로 p브레인이어야 한다는 결론을 내린다.
열린 끈의 양끝은 3-브레인을 이탈할 수 없지만 그 안에서는 얼마든지 자유롭게 움직일 수 있다. 우리가 속해 있는 3-브레인은 완전히 투명하여 육안으로는 볼 수 없는 세계가 된다.
여분의 차원이 기존의 3차원 공간만큼 크다고 해도, 광자가 3-브레인을 이탈하지 못하는 한 우리는 여분의 차원을 볼 수 없다.
우리의 우주가 3차원이 아니라 2차원이라면 중력은 거리가 두 배 멀어짐에 따라 두 배로 줄어든다.
중력과 관련하여 지금까지 수행된 실험결과로 미루어 볼 때, 만일 우리가3-브레인에 살고 있는 것이 사실이라면 여분 차원의 크기는 거의 1/10mm까지 허용된다.
주기적 우주론 – 리처드 톨만의 주기모덴 – 매 주기마다 발생하는 엔트로피의 증가량은 그 다음 주기의 길이를 결정하며, 엔트로피가 클수록 팽창이 지속되는 시간은 길어진다.
슈타인하르트와 투록은 두 개의 3-브레인이 충돌하면서 나타나는 물리적 특성들이 인플레이션 팽창이 막 일어나기 시작한 시점의 특성과 매우 정확하게 일치한다고 주장한다. 최근에 초신성을 관측하여 얻은 결과로부터 “주기가 시작되고 70억년이 지나면 브레인의 팽창이 충분히 진행되어 일상적인 에너지 복사보다 암흑물질의 음압에 의한 팽창이 더욱 두드러지게 나타나며, 그 결과 팽창속도는 더욱 빨라진다”고 주장했다. 70억 년이 지난 지금, 지구 위에 존재하는 우리 인간들은 팽창이 가속되는 시기의 초기에 살고 있는 셈이다.앞으로 약 1조 년 동안 우리의 3-브레인은 별다른 변화없이 가속되는 팽창을 겪을 것이며, 다시 엄청난 규모로 커져서 거의 텅 빈 우주가 될 것이다.
6. 실체와 상상의 세계
가. 이상과 현실
중력파는 공간을 따라 이동하는 것(공간에 대하여 이동)이 아니라 공간과 함께 이동하는 특성을 갖고 있다.
현실세계에서 중력이 약하게 나타나는 것은 중력이 원래 약한 힘이어서가 아니라 중력의 일부가 여분차원 속으로 흘러들어 갔기 때문이다.
물리학자와 천문학자들은 초신성을 열심히 관측한 끝에 우주가 갖고 있는 에너지의 70%는 밖으로 팽창하는 우주상수에서 기인한다는 결론에 도달하였다.
나. 타임머신
양자적 순간이동 – 1997년 인스브루크대학의 안톤 자일링거팀과 로마대학의 프란체스코 데 마르티니팀은 독자적인 연구에서 광자 하나를 순간이동 시키는데 성공했다.
##시간 지연에 따른 여행이라는 것은 미래의 속도를 늦추는 것이지 과거로 가는 것이 아니므로, 상대성이론이 깨어지지 않는 한 불가능한 것이 아닌가##
1970.3.8. 자정에 당신의 부모가 만난 것은 절대로 변하지 않는 시공간상의 한 단면의 모습이며, 그것은 앞으로 영원히 세월이 흘러도 결코 변하지 않을 것이다.
타임머신에서 내리는 당신은 이미 존재하고 있는 ‘논리적으로 타당한’ 시공간의 일부이다.
이 때 인간의 자유의지가 존재한다면, 양자역학과의 충돌을 피하기 위해서 다중우주론에 의한 해석 밖에는 없을 것이다.
웜홀에 의한 타임머신은 가능한가? 웜홀은 긴 시간 동안 안정된 상태를 유지할 수 없다. 스티븐 호킹을 비롯한 일단의 물리학자들은 진공요동에 의해 웜홀이 붕괴될 수 있음을 발견하였다.
##이 논리를 따라가면 문제가 있다. 지금 이 순간이 최고의 미래이고, 지금 타임머신이 없기 때문에 시간여행자가 없고, 아직 미래는 오지 않았으므로 앞으로 타임머신이 만들어질지도 모르고 타고 올 사람도 없으며 나중에 타고 오더라도 지금 이 순간은 지나가 버린다.##
다. 암시적인 미래
시공간은 하나의 환상이다.
시공간은 우주를 구성하는 근본적 구성요소가 아닐 수도 있다.
시간과 공간은 복합적이고 근사적인 개념으로서 천문학적 스케일에서 우주를 분석할 때는 매우 유용하지만 구체적인 정보를 담고 있지는 않다.
블랙홀 엔트로피 – 주어진 공간에 주입될 수 있는 엔트로피의 최대값은 동일한 크기의 블랙홀에 내재되어 있는 엔트로피와 같다.
1970년대 야콥 베겐슈타인과 스티븐 호킹은 블랙홀의 엔트로피가 부피에 비례하지 않고 사건지평선의 면적에 비례한다는 사실을 발표했다.
엔트로피의 극한값은 공간의 궁극적인 구조가 불연속적이라는 단서를 제공하고 있다.
주어진 영역의 최대 엔트로피가 그 영역의 부피가 아닌 면적에 비례한다면,무질서도의 원인이 되는 근본적인 자유도는 영역의 내부가 아닌 표면에 존재하게 된다. 그럴 경우 우주의 물리적 과정들은 우리를 에워싸고 있는 표면 위에서 진행되고 있는 셈이며, 우리가 보고 느끼는 모든 것은 이 과정이 투영된 영상에 불과하다. 즉 우주는 하나의 거대한 홀로그램일 수도 있다.
홀로그래피 원리에 의한 것이 이 세상이라면, 우리가 물리적 과정을 제어하는 것이 어떻게 우주의 경계 면에 전달될 것인지, 이런 제어과정조차 환영이라는 것인가?
1997년 후안 말다세나는 5차원 시공간은 자신보다 하나의 차원이 작은 경계를갖는 우주론을 발표했다. 3차원 공간과 1차원 시간으로 이루어진 경계를 갖는 가상우주를 수학적으로 완벽하게 표현했다.
루프-양자중력이론 – 일반상대성이론과 양자역학을 결합하는 또 하나의 대안으로 1980년대 중반에 탄생한 이론이다. 수많은 루프들이 스웨터를 이루는 실들처럼 복잡하게 엮여 있으며 이들을 거시적인 스케일에서 보면 시공간과 비슷한 구조로 나타난다는 사실을 발견하였다.
7. 후기
현대 물리학의 성과를 이용한 우주의 실체를 파헤치기 위한 노력이 돋보이는 책이다. 저자의 쉬운 설명은 어려운 과학적 성과를 이해하는데 많은 도움이 되었다. 현실 생활도 우주의 일부이므로, 어떤 경우는 현실을 깊이 숙고하면 그 속에 우주의 속성이 일부 파악될 가능성도 있다. 예로 들어 고무 호스가2차원의 구조가 아니라 제한된 3차원의 구조라는 것은 잠깐 생각하면 알 수 있다. 비록 건물 속의 한 점이 3차원의 주소체계로 파악된다고 하더라도, 실제 그 속에 들어가기 위해서는 10차원 정도의 공간을 가로지르는 느낌으로 행동하여야 되는 것은 현실 속에서 누구나 느낀다. 개인적으로 공간의 한 점의 정적인 위치를 파악하는 것과 그 한 점에 다다르기 위해 끝없이 변화하여야 하는 것은 질적인 차이가 있다고 보인다. 즉 움직이는 것을 파악하는 체계까지 이론적으로 정립되어야 물리학의 한차원 높은 논의가 이루어질 것으로 보인다.
그렇지만 저자가 제시한 많은 개념들은 우리의 두뇌를 두드리면서 끝없이 사고하게 만드는 즐거움을 이 책 속에서 경험할 수 있다.
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