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물리법칙에 많은 가능성 안정성과 준안정성
이론적으로는 물리 법칙에 많은 가능성이 있다고 주장할 수 있지만, 자연이 실제로 그 모든 가능성들을 이용하는지는 별개의 문제입니다. 가능한 많은 환경들 중에서 어떤 것이 실제 세계로 실현될까? 물리 방정식은 의심의 여지없이 순금으로 만들어진 천체의 주위를 도는 거대한 강철공 같은 해를 허용합니다. 이론적인 관점에서 방정식의 그러한 해는 분명히 존재합니다. 그러나 우주에 그런 물체가 실제로 있을까? 아마도 그렇지 않을 것이며, 그것은 역사적인 이유 때문입니다.
우주 진화에 대한 이론 또는 대폭발 우주론의 어떤 부분도 왜 그런 물체가 형성될 수 있는지를 설명하지 못합니다. 끈 이론이 10500개의 해들을 가집니다는 사실을 발견했다고 해도 그 해 에 해당하는 환경들이 어떻게 출현하는지 이해하지 못하는 한, 우리 우주에 대해서 끈 이론이 가르쳐 줄 수 있는 것은 아무것도 없습니다. 어떤 물리학자들은 풍경의 독특한 한 점을 골라 줄 진공 선택 원리가 틀림없이 존재한다고 믿습니다. 그 점은 아마도 실제 세계의 우리 우주에 해당할 것입니다. 만약 그 원리가 존재한 다면 수학적인 것일겁니다.
예를 들 어 그것은 끈 이론의 수많은 해들 중 단 하나만이 논리적 일관성을 가진다는 것의 증명일 것입니다. 그러나 끈 이론의 수학은 그 반대 방향 즉 다 양성이 점점 더 커지는 방향으로 나아갔습니다. 나는 어떤 이들이 진공 선택 원리는 우주론적인 것임에 틀림없습니다고 말하는 것을 들은 적이 있습니다. 말한다면 우주의 탄생은 유일한 방식으로만 일어날 수 있으며 유일한 환 경에 이르는 것만이 가능하다는 것입니다. 그러나 진공 선택 원리는 흡사 네스 호의 괴물 같은 것입니다. 존재한다고 이야기하지만 실제로 본 사 람은 없습니다. 결과적으로 우리 중 많은 사람은 진공 선택 원리가 존재하지 않는 것이 아닐까 의심하기에 이르렀습니다. 그러한 메커니즘이 존재한다고 해도, 그 결과로 얻어지는 물리 법칙이 우리가 존재할 수 있도록 엄청난 정확도로 미세 조정되어 나타날 확률은 아직도 무시할 만합니다. 진정한 진공 선택 원리가 있다는 생각은 오히려 실패로 끝나기 쉽습니다.
대안은 무엇인가? 그 대답은 자연은 어떤 방법을 통해서든 결국 모든 가능성을 이용한다는 것입니다. 메가버스에는 그 모든 가능성을 다 활용하고, 그것들을 단순한 수학적 가능성에서 물리적 실재로 변화시킬 자 연스러운 메커니즘이 존재할 것인가? 이것이 존재한다고 믿는 이론 물 리학자들이 나를 포함해서 점점 더 늘어 가고 있습니다. 나는 이러한 아이디어를 채워진 풍경이라고 부릅니다.
이 장에서 나는 채워진 풍경의 주요 아이디어들을 설명할 것입니다. 즉 잘 검증된 물리학 원리에 따른 메커니즘을 통해 풍경의 모든 계곡들을 대표하는 무한히 많은 수의 호주머니 우주들이 나타나는 것을 말입니다. 채워진 풍경의 기저에 있는 메커니즘을 설명하는 데에는 단지 아주 통상적인 일반 상대성 이론의 원리와 양자 역학이 필요할 뿐입니다. 풍경 이 어떻게 실현되는지 이해하기 위해. 우리는 두 가지 매우 기본적인 물리 개념을 조사할 것입니다. 첫 번째는 진공의 준안정성이라는 것으로. 그 것은 진공의 성질들이 아무 전조 없이 갑자기 변화할 수 있음을 뜻한 다. 두 번째 개념은 공간의 자기 복제입니다.
안정성과 준안정성
커트 보니것(Kurt Vonncguc. 1922년)의 음침하고 재미있는 공상 과학 풍자 소설 고양이의 요람에서 물리학자 펠릭스 회니커는 얼 음-9라고 부르는 새로운 형태의 고체화된 물을 발견합니다. 얼음-9의 결 정 구조는 보통의 얼음과는 다릅니다. 즉 새로운 결정 격자는 대포알을 쌓 은 것처럼 아주 안정해서 섭씨 45도까지 녹지 않았습니다. 보니것의 소설에 서 지구의 물이 지금까지 액체로 남아 있을 수 있었던 이유는 새로운 결정의 아주 작은 씨가 물 분자들에게 더욱 안정한 얼음-9처럼 재배열 하는 방법을 ‘알려 주었기’ 때문입니다. 그러나 그런 아주 작은 ‘선생님 결 정’이 한번 형성되면, 그 주위의 물은 그 결정 주위에 응고해 빠르게 팽 창하는 얼음-9의 거품을 이루게 됩니다.
회니커의 장난스러운 소규모 실 험이 있기까지 아무도 얼음-9의 결정을 만든 적이 없었으며’ 지구상의 H?o는 보동의 얼음에 비해서 훨씬 위험한 사촌뻘에 해당하는 얼음-9 에 오염되지 않는다. 회니커의 새로운 물질 조각이 산 로렌조의 대통령이며 독재자인 파 파 몬자노의 손에 들어가기 전까지 지구는 오염되지 않는다. 파파는 그 것을 약간 삼키는 바람에 그의 삶을 마감했고’ 그 자신의 체액을 불안정 하게 했습니다.
그것들은 치명적인 얼음一9로 변화하고, 그의 모든 신체는 눈 깜짝할 사이에 얼어붙었습니다. 파파 몬자노의 요새가 붕괴되고 바다로 빠 져듦에 따라, 얼음-9로 가득 찬 그의 시체도 같은 길을 걸으며 연쇄 반 웅을 일으킨다. 결정은 무서운 속력으로 팽창하며. 즉시 지구상의 모든 물을 얼리고, 모든 생명을 끝장낸다. 얼음-9의 이야기는 물론 허구입니다. 섭씨 0도 이상에서 물은 고체로 존재할 수 없습니다.「고양이의 요람』은 사실 핵무기로 가득 찬 세계의 광기 와 불안정성을 경고하는 이야기입니다. 그러나 비록 허구이지만. 얼음-9 이야기는 물리학과 화학의 중요한 원리, 즉 준안정성 개념에 기반하고 있습니다.
안정성은 예기치 못한 갑작스러운 변화에 대한 어느 정도의 저항을 의미합니다. 수직으로 매달려 있는 진자는 매우 안정합니다. 불안정성이란 그 반대입니다 연필을 뾰족한 끝을 바닥으로 해서 세우면 곧 예측할 수 없는 방향으로 넘어집니다. 준안정성이란 그 중간의 개념입니다. 어떤 계는 긴 시간 동안 안정한 것처럼 보이지만, 결국은 매우 갑작스럽고 예측하 기 어려운 대변화를 겪습니다. 이런 계들을 일컬어 준안정한다고 합니다.
실제 세계에서 실온의 울을 용기에 담아 놓았다면 그것은 안정한다. 그러나 펠릭스 회니커와 파파 몬자노의 허구 세계에서라면. 그것은 단지 준안정할 뿐입니다. 현실 세계의 물도 준안정한 경우가 있지만, 실온에서 는 그렇지 않습니다. 만약 물을 조심스럽게 어는점 이하로 냉각하거나 끓는 점 이상으로 가열하면, 놀랍게도 물은 꽤 오랫동안 액체로 있다가 갑자 기 얼음이나 수증기로 변한다.
더욱 이상한 일로서 끈 이론의 진공은 종종 준안정한다. 그러나 준안정한 물이나 빈 공간에 대해 자세히 이야기 하기 전에, 준안정성에 대한 더 간단한 예를 하나 살펴보도록 합시다.
세상에는 절대로 일어나지 않는 일들이 있습니다. 아무리 오래 기다려도 그런 일들은 절대로 일어나지 않았습니다. 잘 일어나지 않을 법한 일도 충분히 오래 기다리면 결국은 일어납니다. 그러나 고전 역학적으로는 절대 일어날 수 없는 사건들이 있습니다. 다시 한번 간단한 1 차원의 풍경에서 굴러 다니는 작은 공을 생각해 봅시다. 사실 그것은 굴러다니는 것이 아닐거예요. 두 높은 산 사이에 있는 계곡 바닥에 있습니다. 그곳을 벗어날 수 없습니다.
두 산 중 하나의 너머에 더 낮은 계곡이 있어도, 그 공은 지금 있는 곳에서 빠 져나올 수 없습니다. 산을 넘어 더 낮은 계곡에 닿기 위해서는 꼭대기의 위 치 에너지를 상쇄할 만한 운동 에너지를 가져야만 합니다. 멈추어 있다면 언덕을 따라 짧은 거리를 올라갈 에너지마저도 없는 것입니다. 누가 슬쩍 밀지 않는 한, 다른 쪽으로 넘어가는 일은 일어나지 않을 법할 정도가 아니라, 절대로 일어나지 않았습니다. 이것이 완벽한 안정성의 한 예입니다.
하지만 이제 약간의 열을 가해 봅시다. 그 공은 따뜻한 기체의 분자들과의 마구잡이 충돌에 노출되어 있습니다. 기체 분자들은 열로 인한 떨림을 가지고 있습니다. 만약 충분히 오래 기다린다면, 어떤 시점에서는 비정상적으로 큰 에너지를 가지는 분자와 충돌하거나 연쇄적인 마구잡이의 충돌로 인해서 충분한 에너지가 공급되어 공은 산 너머로 넘어가 더 낮은 계곡에 도달할 수 있습니다. 그러한 마구잡이 사건이 한 시간 안에 일어날 확률은 아주 낮습니다. 그러나 아무리 낮아도 확률이 0이 아닌 한 충분히 오래 기다리면 공은 결국 장애물을 넘어서 낮은 계곡에 안착하게 됩니다.