우주를 줄께🌟 어차피 엄청 많거든ㅋ (끈이론, 빅뱅, 다중우주)

 

다중우주(multiverse)에 대한 논쟁이 커지면서

현대 물리학과 우주론에 대한 주요 결함들이 드러났다

일부 연구자들은 다중우주가 논증을 피할 수 없다고 보며

또 다른 연구자들은 이제 경험적 과학을 포기해야할 때라고 생각한다.

양자역학, 인플레이션 빅뱅 우주론, 끈 이론, 초대칭 이론

그리고 현대 과학 실험과 수학 이론 등 전 영역에 걸쳐 이 논쟁이 진행되고있는데

다중우주론은 무엇이며 정말 존재하는 걸까?

 

 

 

양자 역학의 "많은 세계 해석"

 

1930년 수학적 방법으로 물리학자들이 양자역학을 만들어 냈고

이 이론은 원자 아원자 현상의 세계를 매우 정밀하게 설명해냈다.

수학적으로 양자역학은 많은 가능성의 상태가 중첩되어 있으며

측정이 이루어 질 때 하나의 상태를 선택하는 개념이다.

많은 물리학자들이 "닥치고 계산"하면 결과가 나오는 방법을 추구하는 반면

다른 물리학자들은 "합리적인" 프레임을 만들려고 하고있다.

1957년 휴 에버렛 (Hugh Everett)에 의해 처음 개발된 이러한 합리적인 프레임은

양자 역학의 "many worlds interpretation". 많은 세계 해석"이을 이끌어 냈다. 이 해석은 현실 세계는 수학적으로 계속해서 수 많은 평행 우주로 분기되고 있으며,

우리가 단 하나의 지점 만이 실현되는 이유는

단순히 그 지점에 우리가 살고 있기 떄문이라는 것이다.

오늘날 많은 물리학자들이 이 견해에 저항하고 있지만

몇몇 물리학자들은 그것을 받아 들이고 자신의 이론을 발전해왔다.

물리학자 숀 캐롤은 2019년 자신의 저서 Something Deeply Hidden에서

다중우주는 우주의 양자화를 이해하는 가장 직접적인 길이라고 표현했다.

[ Carroll2019 , 페이지. 306].

 

 

 

인플레이션 빅뱅 우주론과 포켓 우주

 

인플레이션 빅뱅 이론은 1960년대 처음으로 언급된 몇몇 역설에 뿌리를 두고 있다.[ Guth1997 , pg. 25]

우주에 존재하는 물질들의 상호작용은 초기우주부터 현재까지 빛이 이동할 수 있는 거리 안에서만 이루어질 수 있는데 관측에 의하면, 그보다 훨씬 큰 거리에서 물질의 분포나 우주배경복사의 온도 분포가 만분의 일 이내에서 거의 같은 값을 가지고 있다. 서로 정보를 교환할 수 없는 두 지점이 왜 같은 밀도와 온도를 가지는가, 이것을 지평선문제라고 한다.

또 다른 문제는 평탄성문제다. 감속팽창하는 표준 빅뱅모형에서는 우주의 팽창으로 인하여 공간이 휘어지게 된다. 하지만 관측에 따르면 현재의 우주는 아주 평탄하게 보인다. 따라서 초기 우주에서는 그 평탄성의 정도가 현재보다 훨씬 큰, 즉 한 치의 오차도 없이 정확하게 평탄하여야 한다는 것이다.

이와 같은 역설에 대해 물리학자들은 의문을 가지게 되었으며

1980년대 초 물리학자 Alan Guth는 빅뱅 이후 1초만에 우주가 거대한 인플레이션을 겪었다는 가정을 세웠다. 우주가 1초만에 10^38배의 폭발을 일으켰다고 하면다면 앞에 말한 두가지 역설을 설명할 수 있다. [ Guth1997 pg. 193]. 그리고 이 인플레이션 우주론의 결과로 빅뱅에 의해 생성된 우주가 관측가능한 우주보다 10^23배 더 크다는 결론에 도달했다. [ Guth1997 pg. 186].

그리고 보다 최근의 Andrei Linde와 Alex Vilenkin은 Guth의 이론이 시작도 끝도 없는 "chaotic eternal inflation(혼란스럽고 영원한 인플레이션)"으로 이어진다는 것을 관찰했고 [ Susskind2005 , pg. 81]. 우리가 유일한 우주라고 불러운 것은 그러한 우주들 속에 있는 작은 포켓 우주에 지나지 않을지도 모른다고 말했다.

 

 

 

끈 이론이 보여주는 수학적 우주

 

거의 40년 동안 물리학자들은 10^-34cm 크기의 가장 낮은 수준의 현실에서 진동하는 끈과 막에 대해 연구했습니다. 필즈상 수상자 에드워드 위튼에 의해 이 끈은 우리에게 익숙한 3차원 공간이 아니라 10차원 또는 11차원에 존재한다는 것을 수학적으로 밝혀냈고 더불어 물리학자들은 이를 바탕으로 수학적으로 가능한 다중우주의 모양에 대해 추측했죠. 그리고 수학자들은 칼라비-야우 Calabi-Yau 다양체 해당되며 각각 다른 물리법칙과 상수에 의해 통제되는 10^500가지의 우주가 수학적으로 가능하다는 것을 밝혀냈습니다. 이에 대한 논거로

Paul Davies는 다섯가지 영역을 열거하며, 빅뱅에서 창조되어진 우리와 유사한 법칙을 가진 포켓우주 그리고 완전한 다중우주에 대해 논했으며

Brian Greene은 2011년 그의 저서 숨겨진 진실 (The Hidden Reality)에서 7가지의 다른 모양의 다중우주를 열거했고.

Max Tegmark는 2014년 저서 "우리의 수학적 우주(Our Mathematical Universe)"에서 논리적으로 일관된 수학적 구조에 대한 자신의 의견을 보여주었습니다.

 

 

 

우주는 지적 생명체가 살 수 있게 조정되어지는가?

 

일부 학자들은 다중우주의 개념에 대해 회의적인 의견을 보이지만

다중우주는 유일 우주에서는 설명할 수 없는 역설적인 상황을 해결할 실마리를 줄 수 있습니다.

다중우주를 주장하는 연구자들은 우리가 살고 있는 우주가 지적생명체가 생길 수 있게 세밀하게 조정되어있다고 봅니다.

예를 들면 우리 우주는 삼중 헬륨 핵반응이 탄소 핵을 생성할 알맞은 양의 에너지가 있었다는 점, 약력과 양성자-중성자 균형으로 별들이 핵융합이 가능했다는 점, 우주 배경복사가 별과 은하를 형성하기에 충분하게 작은 이방성이 있다는 것들인데 이렇게 잘 조정되어진 우주는 10^120분의 1의 확률로 생성될 수 있는데 수학적으로는 10^500가지의 우주가 존재할 수 있으니 우리가 살고 있는 우주는 어떻게 보면 수학적으로 반드시 만들어져야 하는 우주라는 것이죠. 그리고 산술적으로만 계산한다면 생명체가 살 수 있는 또 다른 우주도 존재할 수 있습니다.

 

 

 

 

다중우주에 대한 비판

 

일부 연구원들은 다중우주가 존재해야만

생명체가 살 수 있게 조정되어진 우주가 탄생할 수 있다고 보고있다.

이러한 추론에 따르면 우리는 우주에서 10^120분의 1의 확률을 이기고

우주에 존재한다는데 놀랄 필요는 없다.

하지만 이러한 끈이론에 의한 결과는 반대로

우주들의 대다수는 매우 짧거나 원자나 다른 정보가 생성 될 수 없는

완전한 무의 상태라는 결과도 함께 도출해낸다.

그리고 이러한 논리는 과학계뿐만 아니라 수학계에서도 저항을 받게된다.

다중우주는 단지 우리가 현상을 설명하기 위해

경험적으로 관찰 할 수 없는 우주를 상정한다는 점에서

 

많은 것들을 필요없이 가정해서는 안된다.

더 적은 수의 논리로 설명이 가능한 경우, 많은 수의 논리를 세우지 말라는

흔히 경제성의 원리라고 불리는 오컴의 면도날에 대한 중대한 위반이라고 주장한다.

 

몇몇 비평가들의 말을 빌리자면

2015 년 Lee Smolin은

다중우주론자들은 우리 우주와 같은 무한한 수의 우주와 그렇지 않은 무한한 수의 우주가 있다고 하는데 무한대의 비율은 정의되지 않았고, 따라서 이론가가 원하는 것은 무엇이든 만들어 낼 수 있다며 다중우주는 과학의 영역이 아니라고 하였고

 

2018년 Sabine Hossenfelder는

우리가 상당한양의 새로운 법칙들을 제안했음에도 불구하고, 다중우주에 대한 내용은 확인 되지 않았으며 물리학의 기초해서 현상을 설명하는 것이 과학이라며 비평하였습니다. (의역)

 

 

 

 

 

도전받고 있는 다중우주

수학이 바라본 우주

 

2018년 6월, 하버드 대학교의 Cumrun Vafa(커런 바파)가 이끄는

끈 이론 전문가들로 이루어진 팀은 10^500개 이상의 변형을 가진 다중 우주의 개념에 대해 근본적으로 의문을 제기하는 새로운 논문을 발표했습니다. [Obied2018].

결론을 요약하자면 우주가 팽창함에 따라 빈 공간의 진공에너지 밀도는

감소해야하며. 이 규칙은 대부의 끈 이론에 기초한 보편적 모델에는 적용되는 것 처럼 보이지만, 암흑에너지에 의한 우주의 팽창 가속화와 빅뱅 후 1초 인플레라는 두가지 현대적 우주론을 위반한다고 말했습니다. 특히 연구진들은 안정적이고 일정한 에너지 밀도를 가진 우주는 끈이론의 일반적인 가정에서는 불가능 하다. 즉 우리 우주와 같은 우주들은 는 수학적으로 일관성이 없기 때문에 끈 이론의 "늪지대"에 존재할 것이라 결론내렸습니다.

VAFA팀의 결과는 마찬가지로 우주가 대략 10^30 이상으로 확장된 것으로 생각 될 떄 초기 우주에서 널리 받아들여진 "인플레이션"에 대한 의문을 제기하며 인플레이션을 유도한 에너지가 너무 빨리 감소해서 우리가 살고 있는 우주처럼 매끄럽고 평평한 우주를 형성했을 것을 내포하기 떄문입니다.

우주의 팽창 가속화에 대한 암흑에너지에 대한 설명이 실험적인 증거에 의해 재확인된다면, 끈 이론은 더 이상 설 힘을 잃게 되며 근본적으로 다중 우주에 존재성은 폐기 될 수도 있습니다. 하지만 이 분야의 많은 연구원들은 연구할 가치가 충분한 내용에 대해 엄격한 시험을 하는 것이 절대적이고 필수적인지 반문합니다.

수학적으로 설명가능한 물리학은 지금까지의 과학처럼 엄격한 경험적 사실이 반드시 뒷받침 되어야만 인정받을 수 있는 걸까요? 아니면 100년 뒤에야 존재가 밝혀진 아인슈타인의 중력파처럼 시간과 순서에 있어서 좀 더 융통성을 발휘할 수 있을까요?

 

끈 이론 연구원들은 40년간 이론을 뒤에 숨겨진 수학을 연구해왔고 수 많은 진보에도 불구하고 아직 현대 기술로는 명확한 실험테스트는 제시하지 못하고 있습니다. 오히려 vafa팀의 결과는 치명적이였죠. 양쪽 모두 여젼히 확실한 답에 도달하기 위해서는 더 많은이론적 발전과 엄격한 경험적 결과가 요구된다는데 동의 하지만 몇 십년이 흐른 뒤에도 수학적인 결과만 얻어내고 실험적인 결론을 얻지 못한다면 끈 이론이 암흑에너지와 일치하는지를 알기 위해 얼마나 많은 끈을 우주에 던져야할까요?

 

오늘 수업은 여기까지

 

 

 

다중우주에 대한 다양한 물리학자들의 견해

 

다중우주는 오캄의 면도칼에 대한 명백한 침해이다. 만약 다중우주가 존재한다면, 우리와 같은 다른 우주가 존재할 뿐만 아니라, 첨단 기술문명이 컴퓨터로 우리와 같은 우주를 모방한 힘을 얻는 훨씬 더 많은 우주가 존재할 것이다. 따라서 모든 "지능적" 존재들을 포함한 우리의 우주 전체가 어떤 컴퓨터 시뮬레이션에서 단지 아바타일 수 있다. 그렇다면 ‘자연 법칙’을 왜 심각하게 받아들여야 하는가. [데이비즈2007, 페이지 179-185].

 

 

나는 이 접근법이 두 가지 이유로 매우 위험하다고 생각한다. 첫째로, 그것은 상상할 수 있는 관찰의 범위를 훨씬 넘어서는 물리적 조건에 대한 복잡한 가정에 의존하기 때문에 과학적으로 증명할 수 없다. 둘째로, 나는 그것이 불가피하게 과학의 우울한 종말로 이어진다고 생각한다. 만약 대부분의 다중 우주가 그렇게 다르다면, 무작위로 선택된 우리의 작은 구석에서 더 많은 물리적 특성을 탐구하는 것은 무슨 의미가 있는가? [스테인하르트2006].

 

 

안드레이 린드(Andrei Linde)

다중우주론을 싫어하는 사람들은 그야말로 "부정"하는 것이다. 이 원리는 보편적인 무기가 아니라 해결책이 있을지도 모르는 순수 환경적 문제와 분리시켜 물리학의 근본적인 문제에 집중할 수 있게 해주는 유용한 도구다. 사람은 다중우주론을 싫어하거나 좋아할지 모르지만, 나는 결국 모든 사람들이 그것을 사용할 것이라고 장담한다." [Susskind2005, 페이지 353].

 

 

스티븐 호킹(Stephen Hawking)

"M 이론[끈 이론의 하나의 공식화]에 기초하여 양자 우주론의 틀로 보는 것을 기술하겠다. 나는 경계선 없는 제안을 채택하고, M 이론이 허용하는 우주에서 우리 우주를 대표하는 해결책을 선택하려면 다중우주가 필수적이라고 주장할 것이다." [Susskind2005, 페이지 353].