인류원리 (anthropic principle)

안녕하세요. 

천문학과 물리학이야기입니다. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사 (The illustrated a brief history of time) "를  포스팅 중입니다. 

우주팽창설에 대한 의문들 

우주가 최초에는 아주 뜨거웠다가 팽창하면서 차츰 냉각되고 있다는 가설은 현재 우리가 관측하면서 얻어지는 증거들과 일치하고 있습니다. 

하지만 아직도 우리들은 많은 의문들을 가지고 있지요. 그 질문들은 다음과 같습니다. 

초기 우주는 왜 그렇게 뜨거웠을까요? 

큰 범위에서 보았을 때 우주는 어떻게 이렇게 균일할 수 있을까요?  극초단파 배경복사의 온도가 균일한 이유는 무엇일까요? 

왜 우주는 재수축하는 모형과 영원히 팽창하는 모형을 구분하는 임계 팽창률에 가까운 비율로 출발해서 우주탄생 100억 년이 지난 지금까지도 거의 그 임계율대로 팽창을 계속하고 있을까요? 

만약 백뱅 1초 후의 팽창률이 1/1,000억 분의 1만이라도 작았더라면 우주는 아마도 현재 크기에 도달하기 전에 재수축했을 것입니다. 

신의 의도(신은 어떻게 우주의 초기 상태나 구성을 선택했을까요? ) 

일반상대성이론 그 자체로는 이런 질문들에 대해 답을 줄 수가 없습니다. 그 이유는 일반상대성이론은 우주가 빅뱅 특이점에서 무한한 밀도로 시작되었다고 예측했기 때문입니다.  

특이점에서는 일반상대성이론을 비롯한 모든 물리법칙이 성립하지 못합니다. 따라서 특이점에서 어떠한 결과가 나타날지 예측할 수 없습니다. 

이는 우리가 빅뱅을 포함해 빅뱅 이전에 일어났던 모든 일들을 이론에서 배제해도 괜찮다는 것을 의미합니다. 

빅뱅이나 그 이전에 일어난 일들은 우리가 관찰한 사실에 아무 영향도 끼치지 못하기 때문입니다. 시공은 경계, 즉 빅뱅에서 출발점을 가질 수도 있습니다. 

과학은 만약 우리가 특정 시간에서 우주의 상태를 안다면 불확정성 원리에 의해서 우주가 시간에 따라 어떻게 전개될 것인지를 일련의 법칙으로 알아낼 수 있을 것으로 보입니다. 

하지만 신은 우주가 그 법칙들을 따라 전개되도록 놔두었지만 현재는 거의 개입하지 않는것 처럼 보입니다. 

신은 어떻게 우주의 초기 상태나 구성을 선택했을까요? 

시간이 시작된 순간의 경계조건(boundary condition)은 무엇일까요?  

한 가지 가능한 대답은 신이 우리가 이해할 수 없는 이유로 우주의 초기 구성을 선택했다는 것입니다. 전지전능한 존재라면 분명히 그런 일을 할 수 있었을 것입니다. 

하지만 냐약 신이 그렇게 했다 할지라도 그렇게 선택한 이유는 무엇일까요?  정말 궁금한 일입니다. 

인류원리 (anthropic principle)

지금까지 과학의 역사를 보면 사건들이 임의로 일어나지 않고 내재하는 어떤 질서가 있다는 것을 밝혀온 길입니다. 

이 질서가 법칙에 따를 뿐만 아니라 우주의 초기 상태를 규정하는 시공의 경계조건에도 따라야 한다고 생각하는 것만이 타당한 추론일 것입니다. 

한가지 가능성은 우리가 카오스적 경계조건이라고 부르는 것입니다. 

이 조건은 우주가 공간적으로 무한하거나 또는 무한히 많은 우주들이 존재하리라는 것을 함축적으로 가정합니다. 

빅뱅 직후에 공간의 어느 특정한 영역이 어떤 특정 구성아래에 있을 확률은 다른 구성 속에서 그 영역을 발견할 확률과 어떤 의미에서는 동일합니다. 

우주의 초기 상태는 임의적으로 선택되어진 것입니다. 이말은 초기에는 우주가 아마 매우 카오스적으로 불규칙했을 것임을 뜻합니다. 

왜냐하면 평활하고 질서정연한 우주보다 카오스적이고 무질서한 구성의 우주가 훨씬 더 많이 존재하기 때문입니다. 

카오스적인 초기 조건이 어떻게 대규모적 척도에서 볼 때 오늘날 우리의 우주와 같은 평활하고 규칙적인 우주를 탄생시킬 수 있었을까요? 

우리는 이런 모형에서 나타난 밀도의 요동이 배경 감마 선의 관측에 의해서 설정된 상한보다 훨씬 더 많은 원시 블랙홀의 생성으로 이어졌다고 예상할 수 있습니다. 

만약 우주가 정말 공간적으로 무한하거나 아니면 무한히 많은 우주들이 존재한다면 광활하고 균일한 방식으로 출발한 대규모 영역들이 어딘가에는 존재할 수도 있을 것입니다. 

순전히 우연에 의해서 균일하고 평활하게 된 영역에서 우리가 살고 있는것은 아닐까요? 얼핏 생각하면 이런 일은 극히 발생하기 어려운 것으로 볼 수도 있습니다. 

이렇게 평활한 영역은 카오스적이고 불규칙한 영역들에 비해서 압도적으로 적을 것입니다.  하지만 이런 조건에서만 우주가 왜 이렇게 광활한가라는 질문을 품을 수 있는 우리와 같은 발달한 유기체가 존재할 수 있다고 상상해 봅시다. 

이것은 인류원리라고 알려진 사례입니다. 

인류원리에는 강한 인류원리와 약한 인류원리가 있습니다. 약한 인류원리는 시간 또는 공간이 무한하거나 큰 우주에서 지적 생명체가 발달하기 위한 필요조건은 공간과 시간에 의해서 제한된 특정 영역들에서만 만족될 것이라고 주장합니다. 

이런한 영역 안에 있는 지적 존재는 우주 속에서 장소가 존재를 위한 필요조건을 충족하고 있다는 사실을 알고도 놀라지 않을 것입니다. 

약한 인류원리를 적용시킨 한 가지 예는 왜 빅뱅이 약 100억 년 전에 발생했는가를 설명하는 것입니다. 

약한 인류원리의 유용성에 대해서 문제를 제기할 사람들은 거의 없겠지만 일부 과학자들은 더 나아가서 강한 인류원리를 주장합니다. 

다음시간에 이어서 포스팅하도록 하겠습니다. 

감사합니다.