서론
우리는 평행 우주에 대한 과학적 이론들을 조사했으며, 이러한 이론들이 자연스럽게 우리 자신의 우주와 점진적으로 더 큰 차이를 허용하는 4단계 다중 우주 계층 구조를 형성한다는 것을 발견했습니다(그림 1).
- 레벨 I: 다른 허블 부피는 다른 초기 조건을 갖습니다.
- 레벨 II: 다른 인플레이션 거품은 다른 유효 물리 법칙(상수, 차원, 입자 내용)을 가질 수 있습니다.
- 레벨 III: 양자 파동 함수의 다른 분기는 질적으로 새로운 것을 추가하지 않습니다.
- 레벨 IV: 다른 수학적 구조는 다른 기본 물리 방정식을 갖습니다.
레벨 I 우주가 매끄럽게 연결되는 반면, 레벨 II와 III 내의 우주는 각각 팽창하는 공간과 비간섭성으로 인해 명확하게 구분됩니다. 레벨 IV 우주는 완전히 분리되어 있으며, 당신의 미래를 예측하기 위해서만 함께 고려해야 합니다. 왜냐하면 '당신'이 둘 이상의 우주에 존재할 수 있기 때문입니다.
조르다노 브루노가 종교 재판으로 곤경에 처한 것은 레벨 I이었지만, 오늘날 우주가 관측 가능한 우주의 가장자리에서 갑자기 끝난다고 제안하는 천문학자는 거의 없을 것입니다. 과거 수십 년 동안 가장 많은 비난을 받은 것은 레벨 III이라는 것은 아이러니하며 아마도 역사적 우연 때문일 것입니다. 왜냐하면 레벨 III은 질적으로 새로운 유형의 우주를 추가하지 않는 유일한 레벨이기 때문입니다.
미래 전망
이러한 다중 우주 이론을 테스트하고 아마도 배제할 수 있는 충분한 미래 전망이 있습니다. 다가오는 10년 동안 마이크로파 배경 복사, 대규모 물질 분포 등에 대한 극적으로 개선된 우주론적 측정은 공간의 곡률과 위상을 더 제한하여 레벨 I을 테스트하고, 인플레이션에 대한 엄격한 테스트를 제공하여 레벨 II를 테스트할 것입니다. 천체 물리학과 고에너지 물리학 모두의 발전은 또한 다양한 물리적 상수가 얼마나 미세 조정되었는지 명확히 하여 레벨 II에 대한 주장을 약화시키거나 강화해야 합니다. 양자 컴퓨터를 구축하려는 현재의 전 세계적인 노력이 성공한다면, 이는 레벨 III에 대한 추가 증거를 제공할 것입니다. 왜냐하면 양자 컴퓨터는 본질적으로 병렬 계산을 위해 레벨 III 다중 우주의 병렬성을 이용할 것이기 때문입니다(Deutsch 1997). 반대로 유니타리 위반에 대한 실험적 증거는 레벨 III을 배제할 것입니다. 마지막으로 일반 상대성 이론과 양자장 이론을 통합하는 현대 물리학의 큰 과제에서의 성공 또는 실패는 레벨 IV에 더 많은 빛을 비출 것입니다. 결국 우리 우주와 일치하는 수학적 구조를 찾거나 수학의 불합리한 효율성에 대한 한계에 부딪혀 레벨 IV를 포기해야 할 것입니다.
측정 문제
다중 우주 이론 내에서 해결해야 할 흥미로운 이론적 문제도 있는데, 가장 중요한 것은 측정 문제입니다. 다중 우주 이론이 신뢰를 얻으면서 물리학에서 확률을 계산하는 방법에 대한 까다로운 문제는 사소한 성가심에서 주요 당혹감으로 커지고 있습니다. 확률이 매우 중요해지는 이유는 동일한 과거의 삶과 기억을 가진 '당신'의 복사본이 실제로 많다면, 다중 우주의 전체 상태에 대한 완전한 지식을 가지고 있더라도 자신의 미래를 계산할 수 없기 때문입니다. 이는 이러한 복사본 중 어떤 것이 '당신'인지 결정할 방법이 없기 때문입니다(모두 자신이 그렇다고 느낍니다). 따라서 당신이 예측할 수 있는 것은 당신이 관찰할 것에 대한 확률이며, 이는 서로 다른 것을 경험하는 이러한 관찰자들의 비율에 해당합니다. 불행히도 무한히 많은 관찰자 중 어떤 비율이 무엇을 인식하는지 계산하는 것은 매우 미묘합니다. 왜냐하면 답은 당신이 그들을 세는 순서에 달려 있기 때문입니다! 짝수인 정수의 비율은 1, 2, 3, 4... 순서로 정렬하면 50%이지만, 워드 프로세서가 하는 방식으로 알파벳순으로 정렬하면(1, 10, 100, 1000, ...) 100%에 가까워집니다.
관찰자가 연결되지 않은 우주에 거주하는 경우, 그들을 정렬하는 명백히 자연스러운 방법이 없으며, 수학자들이 '측정'이라고 부르는 일부 통계적 가중치로 다른 우주에서 샘플링해야 합니다. 이 문제는 레벨 I에서 가볍고 치료 가능한 방식으로 발생하고, 레벨 II에서 심각해지며, 레벨 III에서 양자 확률을 추출하는 맥락에서 많은 논쟁을 일으켰고(de Witt 2003), 레벨 IV에서 끔찍합니다. 예를 들어 레벨 II에서 Vilenkin과 다른 사람들은 다른 양만큼 팽창한 다른 평행 우주가 부피에 비례하는 통계적 가중치를 가져야 한다고 주장하여 다양한 우주론적 매개변수의 확률 분포에 대한 예측을 발표했습니다(예: Garriga & Vilenkin 2001a). 반면에 수학자는 2 × ∞ = ∞라고 말할 것입니다. 따라서 두 배로 확장된 무한 우주가 더 커졌다는 객관적인 의미는 없습니다. 실제로 지수적으로 팽창하는 우주는 시간이동 불변이고 따라서 수학적 관점에서 변하지 않는다는 것을 의미하는 시간적 킬링 벡터를 가지고 있습니다. 더욱이 유한한 부피와 토러스의 위상을 가진 평면 우주는 수학적 조감도와 그 안의 관찰자의 개구리 관점에서 모두 무한한 부피를 가진 완벽하게 주기적인 우주와 동일합니다. 그렇다면 무한히 작은 부피가 왜 통계적 가중치를 0으로 주어야 할까요? 허블 부피는 레벨 I 다중 우주에서도(무작위 순서로 10115개이지만 주기적으로는 아님) 약 1010미터 후에 반복되기 시작하므로 무한한 공간이 실제로 그 크기의 유한한 영역보다 더 많은 통계적 가중치를 가져야 할까요? 이 문제는 확률적 인플레이션 모델을 관찰적으로 테스트하기 위해 해결되어야 합니다. 그것이 나쁘다고 생각했다면 레벨 IV에서 다른 수학적 구조에 통계적 가중치를 할당하는 문제를 고려하십시오. 우리 우주가 비교적 단순해 보이는 사실은 많은 사람들이 올바른 측정이 어떻게든 복잡성을 포함해야 한다고 제안하게 했습니다. 예를 들어 각 수학적 구조에 2-n으로 가중치를 부여하여 단순성에 보상을 줄 수 있습니다. 여기서 n은 그것을 지정하는 가장 짧은 비트 문자열(예: 컴퓨터 프로그램)의 길이로 정의되는 비트 단위로 측정된 알고리즘 정보 내용입니다(Chaitin 1987).
이는 모든 무한 비트 문자열(각각 .101011101...과 같은 실수로 표현 가능)에 동일한 가중치를 부여하는 것이지 모든 수학적 구조에 동일한 가중치를 부여하는 것이 아닙니다. 높은 복잡성에 대한 그러한 지수적 벌칙이 있다면 우리는 아마도 관찰자를 포함할 만큼 충분히 간단한 가장 단순한 수학적 구조 중 하나에 거주하는 자신을 발견할 것으로 예상해야 합니다. 그러나 알고리즘 복잡성은 구조가 비트 문자열에 매핑되는 방식에 따라 달라지며(Chaitin 1987; Deutsch 2003), 현실이 구독할 수 있는 가장 자연스러운 정의가 존재하는지 여부는 분명하지 않습니다.
평행 우주의 장단점
그렇다면 평행 우주를 믿어야 할까요? 평행 우주에 대한 찬반 논쟁에 대한 간략한 논의로 결론을 내리겠습니다. 우선 이것은 예/아니오 질문이 아닙니다. 오히려 가장 흥미로운 문제는 다중 우주가 0, 1, 2, 3 또는 4단계인지 여부입니다. 그림 1은 다양한 수준에 대한 증거를 요약합니다. 우주론 관측은 인과적 물질 분포를 가진 평면 무한 공간을 가리켜 레벨 I을 뒷받침하고, 레벨 I과 인플레이션은 초기 조건 문제를 우아하게 제거합니다. 레벨 II는 우주론 관측을 설명하는 인플레이션 이론의 성공에 의해 뒷받침되며 물리적 매개변수의 명백한 미세 조정을 설명할 수 있습니다. 레벨 III은 유니타리에 대한 실험적 및 이론적 증거에 의해 뒷받침되며 조감도에서 인과 관계를 포기하지 않고 아인슈타인을 그토록 괴롭힌 명백한 양자 무작위성을 설명합니다. 레벨 IV는 물리학을 설명하는 수학의 Wigner의 불합리한 효율성을 설명하고 '왜 이 방정식이 아니라 다른 방정식인가?'라는 질문에 답합니다.
평행 우주에 대한 주요 주장은 낭비적이고 이상하다는 것입니다. 따라서 이러한 두 가지 반박을 차례로 고려해 보겠습니다. 첫 번째 주장은 다중 우주 이론은 우리가 결코 관찰할 수 없는 다른 세계의 존재를 가정하기 때문에 Ockham의 면도날에 취약하다는 것입니다. 왜 자연은 그렇게 존재론적으로 낭비적이고 무한한 다른 세계를 포함할 정도로 사치스러워야 할까요? 흥미롭게도 이 주장은 다중 우주를 주장하기 위해 뒤집을 수 있습니다. 우리가 자연이 낭비적이라고 느낄 때 정확히 무엇을 낭비하는 것에 대해 불안해합니까? 분명히 '공간'은 아닙니다. 왜냐하면 무한한 부피를 가진 표준 평면 우주 모델은 그러한 반박을 일으키지 않기 때문입니다. 분명히 '질량'이나 '원자'도 마찬가지입니다. 같은 이유로 무한한 양을 낭비했다면 더 낭비해도 누가 신경 쓰겠습니까? 오히려 이러한 보이지 않는 세계를 모두 지정하는 데 필요한 정보의 양인 단순성의 명백한 감소가 불안해 보일 것입니다. 그러나 Tegmark(1996)에서 더 자세히 논의된 바와 같이 전체 앙상블은 종종 그 구성원 중 하나보다 훨씬 간단합니다. 예를 들어 일반적인 정수 n의 알고리즘 정보 내용은 log2 n(Chaitin 1987)의 차수이며, 이는 이진수로 작성하는 데 필요한 비트 수입니다. 그럼에도 불구하고 모든 정수 1, 2, 3, ...은 매우 간단한 컴퓨터 프로그램으로 생성할 수 있으므로 전체 집합의 알고리즘 복잡성은 일반적인 구성원보다 작습니다. 마찬가지로 아인슈타인 장 방정식에 대한 모든 완전 유체 해의 집합은 일반적인 특정 해보다 더 작은 알고리즘 복잡성을 가집니다. 왜냐하면 전자는 몇 개의 방정식만 제공하면 지정되는 반면, 후자는 일부 초표면에 대한 방대한 양의 초기 데이터를 지정해야 하기 때문입니다. 느슨하게 말하면 정보와 복잡성의 명백한 내용은 앙상블의 특정 요소에만 주의를 기울여 모든 요소를 함께 취할 때 내재된 대칭과 단순성을 잃을 때 증가합니다. 이러한 의미에서 더 높은 수준의 다중 우주는 더 적은 알고리즘 복잡성을 가집니다. 우리 우주에서 레벨 I 다중 우주로 이동하면 초기 조건을 지정할 필요가 없고, 레벨 II로 업그레이드하면 물리적 상수를 지정할 필요가 없으며, 모든 수학적 구조의 레벨 IV 다중 우주는 본질적으로 알고리즘 복잡성이 전혀 없습니다. 정보와 복잡성의 사치로움이 실제로 존재하는 것은 관찰자의 주관적인 인식인 개구리 관점에서만이기 때문에 다중 우주 이론은 단일 앙상블 요소에 물리적 존재를 부여하는 것보다 논쟁의 여지가 있습니다(Tegmark 1996).
다중 우주에 대한 두 번째 일반적인 불만은 이상하다는 것입니다. 이 반박은 과학적이라기보다는 미학적이며, 위에서 언급했듯이 아리스토텔레스적 세계관에서만 의미가 있습니다. 플라톤적 패러다임에서는 조감도가 개구리 관점과 충분히 다르다면 관찰자가 올바른 TOE가 이상하다고 불평할 것으로 예상할 수 있으며, 이것이 우리에게 해당된다는 모든 징후가 있습니다. 진화는 우리에게 먼 조상에게 생존 가치가 있는 일상적인 물리학에 대한 직관만을 제공했기 때문에 인지된 이상함은 거의 놀라운 일이 아닙니다. 영리한 발명품 덕분에 우리는 정상적인 내부 관점의 개구리 관점보다 약간 더 많은 것을 엿볼 수 있었고, 어떤 식으로든 인간 척도에서 벗어날 때마다 기괴한 현상에 부딪혔습니다. 빠른 속도(시간이 느려짐), 작은 척도(양자 입자가 여러 곳에 동시에 있을 수 있음), 큰 척도(블랙홀), 낮은 온도(액체 헬륨이 위로 흐를 수 있음), 높은 온도(충돌하는 입자가 정체성을 바꿀 수 있음) 등. 결과적으로 물리학자들은 개구리와 조감도가 매우 다르다는 사실을 이미 대체로 받아들였습니다. 양자장 이론에 대한 널리 퍼진 현대적 견해는 표준 모델이 단순히 효과적인 이론일 뿐이며, 우리의 편안한 고전적 개념에서 훨씬 더 멀리 떨어진 아직 발견되지 않은 이론(예: 10차원의 끈 포함)의 저에너지 한계일 뿐이라는 것입니다. 많은 실험가들은 너무나 많은 '이상한'(그러나 완벽하게 반복 가능한) 실험 결과를 생산하는 데 지루해지고 있으며, 단순히 세상이 우리가 생각했던 것보다 더 이상한 곳이라는 것을 받아들이고 계산을 계속합니다.
우리