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이 강연에서 저는 우주와 현실 자체에 대한 우리의 관점을 바꿀 수 있는 흥미롭고 새로운 메커니즘에 대해 설명하고 싶습니다. 이 개념은 우리가 더 넓은 공간의 막이나 표면에서 살 수 있다는 것입니다.

BRANE이라는 단어는 브레인의 일반화를 고차원적으로 표현하기 위해 동료 Paul Townsend가 제안한 것입니다. 그것은 마음과 같은 말장난인데, 나는 그가 의도적으로 그런 말을 했다고 의심합니다. 우리는 3차원 공간에 살고 있다고 생각합니다. 즉, 세 개의 숫자를 사용하여 방에 있는 물체의 위치를 ​​나타낼 수 있으며, 북쪽 벽에서 5피트, 동쪽 벽에서 3피트, 바닥에서 2피트일 수 있습니다. 또는 대규모로 위도, 경도 및 고도가 될 수 있습니다. 더 큰 규모에서 우리는 은하계에 있는 별의 위치를 ​​나타내기 위해 은하계의 위도, 은하계의 경도, 은하계 중심으로부터의 거리라는 세 가지 숫자를 사용할 수 있습니다. 위치를 표시한 원래 세 개의 숫자와 마찬가지로 네 번째 숫자를 사용하여 시간을 표시할 수 있습니다. 이런 식으로 우리는 4차원 시공간에 살고 있다고 설명할 수 있습니다. 4차원 시공간에서는 4개의 숫자를 사용하여 사건을 나타낼 수 있으며 그 중 3개는 사건의 위치를 ​​나타내고 네 번째 숫자는 사건의 위치를 ​​나타냅니다. 시간.

아인슈타인은 시공간이 평평하지 않으며 시공간 속의 물질과 에너지가 시공간을 휘거나 심지어 휘게 한다는 사실을 깨달았습니다. 이는 그의 천재적인 일이었습니다. 일반상대성이론에 따르면 행성과 같은 물체는 시공간을 직선으로 움직이려고 하지만 시공간은 휘어져 있기 때문에 중력장에 의해 그 경로가 구부러진 것처럼 보입니다. 마치 별을 상징하는 추를 고무막 위에 올려놓으면 그 무게로 인해 고무막이 움푹 들어가 별 쪽으로 휘어지는 것과 같습니다. 이제 고무 조각 위에 작은 공을 굴리면 공은 행성을 나타내고 별 주위를 공전합니다. 우리는 GPS 시스템, 선박, 비행기 및 일부 자동차에 장착된 내비게이션 시스템에서 공간과 시간이 휘어져 있음을 확인했습니다. 여러 위성의 신호를 비교하여 작동합니다. 시공간이 평평하다고 가정하면 위치를 잘못 계산하게 됩니다.

우리가 보는 것은 3차원의 공간과 1차원의 시간뿐입니다. 그렇다면 관찰할 수 없는 추가 차원을 기억할 수 없다고 믿어야 하는 이유는 무엇입니까? 그것은 단지 공상과학 소설인가, 아니면 눈으로 볼 수 있는 과학적 결과인가? 우리가 추가 차원을 진지하게 받아들이는 이유는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 우리가 관찰하는 모든 것과 일치하지만 이론 자체가 실패를 예측하기 때문입니다. 로저 펜로즈와 내가 일반 상대성 이론을 논의했을 때, 우리는 시공간이 빅뱅에서 시작하고 블랙홀에서 끝난다고 예측했습니다. 여기서 일반상대성이론이 무너진다. 이로 인해 우주가 어떻게 시작되었는지, 블랙홀에 빠진 사람에게 어떤 일이 일어날지 예측하는 것이 불가능해졌습니다.

빅뱅이나 블랙홀에서 일반상대성이론이 실패하는 이유는 물질의 소규모 거동을 고려하지 않기 때문이다. 정상적인 상황에서 시공간 곡률은 매우 작고 상대장의 규모이므로 단거리 변동의 영향을 받지 않습니다. 그러나 시간의 시작과 끝에서는 시공간이 하나의 점으로 압축된다. 이를 다루기 위해 우리는 일반상대성이론이라는 매우 큰 규모의 이론과 양자역학이라는 소규모 이론을 결합하고자 합니다. 이를 통해 우주 전체를 처음부터 끝까지 설명하는 데 사용할 수 있는 만물이론(Theory of Everything)인 TOE가 생성됩니다.

우리는 이 이론을 찾기 위해 30년을 보냈고 지금까지 M 이론이라는 후보가 있다고 생각합니다. 사실 M 이론은 별도의 이론이 아니라 이론의 네트워크입니다. 모든 이론적 사물은 물리적으로 동일하며 이는 과학적 실증주의 철학과 일치합니다.

이 철학에서 이론은 관찰을 설명하고 구성하는 수학적 모델에 지나지 않습니다. (실증주의 철학---이론은 관찰 내용을 설명하고 체계화하는 수학적 모델일 뿐입니다.) 무엇이 실제인지 결정하는 이론 독립적인 방법이 없기 때문에 이론이 현실을 반영하는지 여부를 물어볼 수 없습니다. 실증주의적 관점에서 보면 우리 주변에 있는 물체들조차도 명백히 실제라고 여겨지는 것들은 우리의 시신경과 감각신경에서 나오는 정보를 해석하기 위해 우리 마음 속에 만들어진 모델에 지나지 않습니다. 존슨 박사는 “아무것도 진짜가 아니다”라는 버클리 주교의 의견을 들었을 때 발가락으로 돌을 차며 소리를 질렀기 때문에 나는 이를 반박했다.

그러나 우리 모두는 거대한 컴퓨터 시뮬레이션에 연결되어 있을 수 있으며, 가상의 발을 가상의 돌 위로 흔들기 위해 운동 신호를 보내면 통증 신호를 보냅니다. 어쩌면 우리는 외계인이 플레이하는 컴퓨터 게임의 캐릭터일 수도 있습니다. 농담은 제쳐두고, 요점은 우리가 우주에 대해 여러 가지 다른 설명을 가질 수 있다는 것입니다. 그 설명은 모두 동일한 관찰을 예측합니다. 어떤 설명이 다른 설명보다 더 현실적이라고 말할 수는 없으며 단지 특정 상황에 더 편리하다고 말할 수 있습니다. 따라서 M이론 네트워크의 모든 이론은 비슷한 위치에 있습니다. 어떤 이론도 나머지 이론보다 더 현실적이라고 주장할 수는 없습니다.

인상적으로 M 이론 네트워크의 많은 이론은 우리가 경험하는 네 가지보다 더 높은 시공간 차원을 가지고 있습니다. 이 추가 차원은 실제입니까? 나는 한때 추가 유지 관리에 대해 주저했다는 것을 인정해야 합니다.

그러나 M 이론 네트워크는 너무나 완벽하게 들어맞고 예상치 못한 대응이 너무 많아서 그것을 믿지 않는 것은 신이 다윈이 진화론을 발견하도록 오도하기 위해 암석에 화석을 넣는 것과 같다고 생각합니다.

이러한 네트워크에 대한 일부 이론에서는 시공간이 10차원이고 다른 이론에서는 11차원입니다. 이는 공간과 시간, 그리고 그 차원이 절대적이고 이론에 독립적인 양이 아니라 단지 특정 수학적 모델에 따라 파생된 개념일 뿐이라는 사실을 보여주는 또 다른 신호입니다. 그래서 우리에게 시공간은 4차원으로 보이지만 M 이론에서는 10차원 또는 11차원으로 나타납니다. 어떻게 이런 일이 일어나는 걸까요? 왜 우리는 또 다른 6~7차원을 관찰할 수 없습니까?

오늘날에도 여전히 일반적으로 받아들여지고 있는 이 질문에 대한 전통적인 대답은, 여분의 차원은 모두 작은 규모의 공간으로 말려져 있고, 나머지 4개의 차원은 거의 평평하다는 것입니다. 사람의 머리카락과 같습니다. 멀리서 보면 1차원적인 선처럼 보입니다. 그런데 돋보기 아래에서 보면 그 굵기를 보면 털이 정말 입체적입니다. 시공간의 경우 충분히 강력한 돋보기를 사용하면 컬의 추가 차원이 존재하는 경우 이를 드러낼 수 있습니다. 실제로 우리는 제네바에 건설 중인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 대형 입자 가속기에서 생성된 입자를 사용하여 매우 짧은 거리까지 우주를 탐사할 수 있습니다. 적어도 지금까지 우리는 4차원을 넘는 추가 차원의 증거를 발견하지 못했습니다. 이 이미지가 정확하다면 추가 치수는 1000조분의 1센티미터 미만으로 줄어들 것입니다.

방금 설명한 것은 추가 차원을 다루는 전통적인 방법입니다. 이는 우리가 추가 차원을 탐지할 가능성이 있는 유일한 곳이 우주의 초기 단계라는 것을 의미합니다. 그러나 최근 누군가가 추가 차원의 한 차원 또는 두 차원의 규모가 훨씬 더 크거나 심지어 무한할 수 있다는 좀 더 급진적인 아이디어를 제안했습니다. 이러한 큰 추가 차원은 입자 가속기에서는 볼 수 없기 때문에 모든 물질 입자는 브레인이나 시공간 표면에 갇혀 있으며 큰 추가 차원을 통해 자유롭게 전파될 수 없다고 가정해야 합니다. 빛은 또한 브레인에 국한되어야 합니다. 그렇지 않으면 입자 사이의 핵력의 경우처럼 큰 추가 차원을 감지했을 것입니다.

반면 중력은 모든 형태의 에너지나 질량 사이에 작용하는 보편적인 힘입니다. 막에만 국한되지 않고 공간 전체에 스며들어야 합니다. 중력은 소산될 수 있을 뿐만 아니라 대량으로 추가 차원으로 분산될 수 있기 때문에 거리에 따른 감쇠는 전기의 감쇠보다 커야 합니다. 전기는 막에 국한됩니다. 그러나 우리는 행성 궤도 관찰을 통해 행성이 태양에서 멀어질수록 태양의 중력이 감소한다는 것을 알고 있습니다. 이는 전기력이 거리에 따라 감소하는 것과 같은 방식입니다.

그래서 우리가 브레인 위에서 산다면 중력이 브레인에서 멀리 퍼지지 않고 브레인 근처에만 국한되는 데에는 어떤 이유가 있을 것입니다. 한 가지 가능성은 추가 차원이 우리가 살고 있는 곳에서 멀지 않은 두 번째 섀도우 브레인에 도달한다는 것입니다. 빛은 두 브레인 사이의 공간을 통하지 않고 브레인을 통해서만 이동할 수 있기 때문에 우리는 이 섀도우 브레인을 볼 수 없습니다. 그러나 우리는 섀도우 브레인에 있는 물체의 중력을 느낄 수 있습니다. 그림자 은하계, 그림자 별, 심지어 그림자 사람들이 있을 수도 있는데, 이들은 우리 브레인의 물질에서 느끼는 중력에 놀라기도 합니다. 우리에게 이러한 그림자 물체는 눈에 보이지 않는 물질인 암흑물질로 나타난다. 그러나 그 중력이 느껴집니다.

사실 우리 은하계에도 암흑물질이 있다는 증거가 있습니다. 우리가 볼 수 있는 물질의 양은 중력이 회전하는 은하계를 하나로 묶기에 충분하지 않습니다. 어떤 종류의 암흑 물질이 없으면 은하계는 날아갈 것입니다. 마찬가지로, 은하단에서 우리가 관찰하는 물질의 양은 은하단이 흩어지는 것을 막을 만큼 충분하지 않으므로 암흑물질이 존재해야 합니다. 물론 쉐도우 브레인이 암흑물질의 필요조건은 아니다. 암흑 물질은 단순히 윔프(약하게 상호 작용하는 무거운 입자), 갈색 왜성, 수소를 태울 만큼 뜨거워지지 않는 저질량 별과 같이 관찰하기 어려운 물질의 한 형태일 수 있습니다.

중력이 브레인과 섀도우 브레인 사이의 영역으로 분산되기 때문에 브레인에 있는 근처 두 물체 사이의 중력 당기는 힘은 멤브레인에 국한된 전기력보다 거리가 멀어질수록 감소합니다. 우리는 케임브리지의 Lord Cavendish가 발명한 도구를 사용하여 실험실에서 단거리 중력의 거동을 측정할 수 있습니다. 지금까지 우리는 전기의 차이를 본 적이 없습니다. 즉, 멤브레인이 1cm 이상 떨어져 있을 수 없다는 의미입니다. 이는 천문학적 기준으로는 작지만 다른 추가 차원의 상한선에 비하면 엄청납니다. "브레인 세계"의 개념을 테스트하기 위해 짧은 거리에서 새로운 중력 측정이 이루어지고 있습니다.

또 다른 가능성은 추가 차원이 두 번째 브레인에서 끝나지 않고 무한하지만 안장 표면처럼 굴곡이 크다는 것입니다. Lisa Langdahl과 Raman Sundrum은 이 곡률이 두 번째 브레인과 비슷한 방식으로 작동한다는 점을 지적합니다. 브레인에 대한 물체의 중력 영향은 추가 차원에서 무한대로 퍼지지 않습니다. 섀도우 브레인 모델에서와 마찬가지로 중력장은 행성 궤도와 중력에 대한 실험실 측정을 설명할 수 있을 만큼 장거리에 걸쳐 감소하지만 중력은 짧은 거리에서 더 빠르게 변합니다. 그러나 Landahl-Sandrum 모델과 Shadow Brane 모델 간에는 중요한 차이점이 있습니다. 중력의 영향을 받아 움직이는 물체는 중력파를 생성합니다. 중력파는 빛의 속도로 이동하는 시공간 곡률의 잔물결입니다. 빛의 전자기파와 마찬가지로 중력파도 에너지를 전달해야 하며, 이는 쌍성 펄서의 관찰을 통해 확인된 예측입니다.

우리가 실제로 추가 차원의 시공간의 막 위에 살고 있다면 막 위의 물체의 움직임에 의해 생성된 중력파는 다른 차원으로 전파될 것입니다. 두 번째 섀도우 브레인이 있으면 반사되어 두 브레인 사이에 갇히게 됩니다. 반면에, 단 하나의 브레인만 있고 추가 차원이 Landahl-Sandrum 모델에서처럼 무한히 확장된다면 중력파는 모두 탈출하여 브레인 세계에서 에너지를 빼앗아 갈 것입니다. 이는 기본적인 물리적 원리인 에너지 보존 법칙을 위반하는 것으로 보입니다. 이는 총 에너지가 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 그러나 무슨 일이 일어났는지에 대한 우리의 시각이 브레인에 국한되어 있다는 것만으로도 법을 위반한 것처럼 보입니다. 추가 차원을 볼 수 있는 천사는 에너지가 일정하지만 더 많은 에너지가 방출된다는 것을 알고 있습니다.

막에서는 짧은 중력파만 빠져나갈 수 있고, 짧은 중력파의 상당수도 블랙홀에서 나오는 것으로 보인다. 브레인의 블랙홀은 추가 차원의 블랙홀로 확장됩니다. 블랙홀이 작으면 거의 둥글게 됩니다. 즉, 추가 차원으로 확장되는 길이는 브레인의 눈금과 동일합니다. 한편, 브레인 속 거대한 블랙홀은 '블랙 케이크'로 확장된다. 이는 브레인 부근으로 제한되며 추가 차원의 두께는 브레인의 너비보다 훨씬 작습니다.

몇 년 ​​전 저는 블랙홀이 완전히 검은 것이 아니라는 사실을 발견했습니다. 블랙홀은 온갖 종류의 입자와 방사선을 방출하고 뜨거운 물체처럼 행동합니다. 물질과 전기가 막에 갇혀 있기 때문에 빛과 같은 입자와 방사선이 막을 따라 방출됩니다. 그러나 블랙홀은 브레인에만 국한되지 않고 추가 차원으로 전파되는 중력파도 방출합니다. 블랙홀이 크고 파이 모양이라면 중력파는 브레인 가까이에 머무를 것입니다. 이는 블랙홀이 4차원 시공간에서 예상되는 속도로 에너지와 질량을 잃고 있음을 의미합니다. 따라서 블랙홀은 방출되는 중력파가 자유롭게 여분의 차원으로 빠져나가기 시작할 만큼 충분히 작아질 때까지 크기가 줄어들면서 서서히 증발할 것입니다. 브레인 위에 있는 누군가에게 블랙홀은 어두운 방사선을 방출하는 것과 동일합니다. 이는 브레인에서 직접 관찰할 수는 없지만 블랙홀이 질량을 잃고 있다는 사실에서 그 존재를 추론할 수 있는 방사선입니다. 이는 증발하는 블랙홀에서 나오는 최종 방사선 폭발이 실제보다 덜 강렬하게 나타난다는 것을 의미합니다. 이것이 바로 우리가 죽어가는 블랙홀에 의해 생성되는 감마선 폭발을 아직 관찰하지 못한 이유일 수 있습니다.

또 다른 지루한 설명이 있지만, 늦어도 우주의 현재 단계 이전에 증발할 만큼 질량이 작은 블랙홀은 많지 않다는 것이다. 저질량 블랙홀이 발견되었다면 제가 노벨상을 받았을 텐데 안타까운 일입니다.

막 세계의 탄생에는 여러 가지 이론이 있다. 한 버전은 Ekpyrotic 우주의 섀도우 브레인 모델이라고 합니다. Ekpyrotic이라는 이름은 다소 혼란스러우나 그리스어에서 유래되었으며 움직임과 변화를 의미합니다. Ekpyrotic 시나리오에서는 우리의 브레인과 섀도우 브레인이 무기한으로 존재하는 것으로 생각됩니다. 그들은 무한한 과거의 정적인 상태에서 입문되었습니다. 막 사이에 아주 작은 힘이 가해지면 서로 움직이게 되고, 막이 서로 충돌하여 통과하면서 많은 양의 열과 복사가 발생하게 됩니다. 이 충돌은 우주의 열팽창 단계의 시작인 빅뱅으로 생각됩니다.

막이 충돌하여 이런 식으로 행동할 수 있는지에 관해 해결되지 않은 기술적 질문이 많이 있습니다. 그러나 멤브레인에 필요한 특성이 있더라도 Ekpyrotic 시나리오는 제 생각에는 만족스럽지 않습니다. 과거 무한한 시간이 시작될 때 막이 믿을 수 없을 정도로 정밀하게 정렬된 구성에 있어야 합니다. 브레인의 초기 조건에 약간의 변화가 생기면 충돌이 엉망이 되어 현재 우리가 관찰하는 거의 매끈한 우주와 전혀 닮지 않은 매우 불규칙하게 팽창하는 우주가 생성됩니다. 브레인이 바닥 상태, 즉 가장 낮은 에너지 상태에서 시작하는 경우 초기 조건이 정확하게 지정되는 것은 당연합니다. 그러나 가장 낮은 에너지 상태가 존재한다면 막은 그곳에 머물며 결코 충돌하지 않을 것입니다. 하지만 실제로는 막이 불안정한 상태에서 시작되기 때문에 인위적으로 이 상태로 들어가야 합니다. 초기 조건을 정확하게 만들려면 꽤 안정적이어야 합니다. 하지만 그렇게 할 수 있다면 어떤 방식으로든 막을 시작하게 할 수 있습니다.

제 생각에는 브레인 세계의 기원에 대한 더 매력적인 설명은 그것이 진공 상태의 요동으로 자발적으로 발생했다는 것입니다. 필름의 형성은 끓는 물에서 증기 기포가 형성되는 것과 다소 비슷합니다. 물 액체에는 가장 가까운 이웃 사이에 결합되어 서로 뭉쳐진 수십억 개의 H2O 분자가 포함되어 있습니다. 물이 가열되면 분자는 더 빨리 움직이고 서로 튕겨 나옵니다. 이러한 충돌은 우연히 분자 그룹에 높은 속도를 부여하여 분자 그룹이 결합을 끊고 뜨거운 물로 둘러싸인 작은 증기 거품을 형성할 수 있습니다. 액체의 더 많은 분자가 증기에 합류함에 따라 기포는 무작위 방식으로 커지거나 줄어들거나 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 대부분의 작은 증기 기포는 붕괴되어 액체로 돌아가지만, 일부는 특정 임계 크기까지 성장하며, 그 이상으로 기포는 계속해서 성장할 것이 거의 확실합니다. 물이 끓을 때 우리가 관찰하는 것은 거대하고 팽창하는 거품입니다.

브레인 세계의 행동은 매우 유사합니다. 진공 상태의 변동으로 인해 브레인 세계는 무에서 거품으로 나타나게 됩니다. 막은 기포의 표면을 형성하고 내부는 고차원 공간을 형성합니다. 아주 작은 거품은 붕괴되어 아무것도 없게 됩니다. 그러나 양자 변동에 의해 성장한 거품은 특정 임계 크기 이상으로 계속 팽창할 가능성이 높습니다. 브레인, 즉 거품 표면에 있는 사람들(우리 같은)은 우주가 팽창하고 있다고 생각할 것입니다.

마치 풍선 표면에 은하계를 그려서 부풀려서 은하계들이 서로 멀어지도록 하는 것과 같지만, 은하계를 팽창의 중심으로 삼지는 않습니다. 거품을 수축시키기 위해 우주의 바늘을 사용하는 사람이 아무도 없기를 바랍니다. 막이 팽창함에 따라 내부 고차원 공간의 부피가 증가합니다. 궁극적으로 우리가 살고 있는 막으로 둘러싸인 매우 큰 거품이 있습니다. 기포 표면의 물질인 막은 기포 내부의 중력장을 결정합니다.

마찬가지로 내부의 중력장도 멤브레인의 재료를 결정합니다. 마치 홀로그램 같아요. 홀로그램은 2차원 표면에 인코딩된 3차원 물체의 이미지입니다. 홀로그램에 대해 내가 아는 것은 한 사진에 뉴턴과 아인슈타인과 함께 나와 함께 Star Voyage 에피소드의 한 장면이 있다는 것뿐이었습니다. (그러다가 흑백 단편영화가 나오는데, 세 명의 스승과 선장처럼 생긴 사람이 우주선 선실에서 카드놀이를 하며 이런저런 이야기를 나누는 장면이 나옵니다. 대화가 영어로 되어 있어서 제 수준이 한계가 있어서 이해를 못하겠습니다. 의미.) 마찬가지로, 우리가 4차원 시공간이라고 생각하는 것은 단지 5차원 거품의 내부 영역에서 발생하는 사건의 홀로그램일 수도 있습니다.

이런 경우 진짜란 무엇일까? 거품인가, 막인가? 실증주의 철학에 따르면 이것은 무의미한 질문이다. 현실에 대한 모델 독립적인 테스트가 없거나 우주의 실제 차원이 무엇인지 말하는 것은 의미가 없기 때문에 4차원과 5차원 설명은 동일합니다. 우리는 3차원의 공간과 1차원의 시간으로 이루어진 세상에 살고 있으며, 우리는 이에 대해 모두 알고 있다고 생각합니다. 그러나 우리는 우리 존재라는 동굴의 벽에 깜빡이는 모닥불의 투영에 불과할 수도 있습니다. 우리가 만나는 악마는 단지 그림자일 뿐이기를 바랍니다.

브레인 월드 모델은 인기 있는 연구 주제이며 추측성이 매우 높습니다. 그러나 그들은 관찰을 통해 검증할 수 있는 새로운 행동을 제공하고 중력이 왜 그렇게 약한지 설명할 수 있습니다. 기본적인 이론적 근거에 따르면 중력은 상당히 강할 수 있지만 중력이 다른 차원으로 퍼져나가는 것은 우리가 살고 있는 브레인에 대한 장거리 중력의 당기는 힘이 약해진다는 것을 의미합니다. 여분의 차원에서 중력이 더 강하다면 고에너지 입자가 충돌할 때 작은 블랙홀을 형성하는 것이 훨씬 쉬울 것입니다. 이는 제네바에 건설 중인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)로도 알려진 LHC에서 가능할 수 있습니다. 신문에 나오는 생생한 공포 기사와는 달리 작은 블랙홀은 지구를 먹어치울 수 없습니다. 대신 호킹복사로 블랙홀은 사라지고, 나는 노벨상을 받게 될 것이다. LHC로 오세요! 막의 새로운 세계를 발견할 수 있습니다.