소개
만약 레벨 I 다중우주가 크고 받아들이기 힘들다고 느꼈다면, 차원이 다르고 물리 상수가 다른 무한한 집합을 상상해보십시오. 이것이 현재 인기 있는 혼돈 인플레이션 이론에서 예측하는 것이며, 우리는 이것을 레벨 II 다중우주라고 부를 것입니다. 이러한 다른 영역은 영원히 빛의 속도로 여행하더라도 결코 도달할 수 없다는 점에서 무한히 멀리 떨어져 있습니다. 그 이유는 우리의 레벨 I 다중우주와 이웃 간의 공간이 여전히 인플레이션을 겪고 있어, 그것을 계속 늘리고 당신이 그것을 통과하여 여행할 수 있는 속도보다 더 빠르게 더 많은 볼륨을 생성하기 때문입니다. 대조적으로, 당신이 인내심을 가지고 우주 팽창이 감속된다면 임의로 먼 레벨 I 우주로 여행할 수 있습니다. (천문학적 증거는 우주 팽창이 현재 가속화되고 있음을 시사합니다. 이 가속이 계속된다면, 레벨 I 평행 우주조차도 영원히 분리되어 남아 있을 것이며, 중간 공간은 빛이 통과할 수 있는 속도보다 더 빠르게 늘어날 것입니다. 그러나 인기 있는 모델은 우주가 결국 가속을 멈추고 심지어 재붕괴될 것이라고 예측하면서 배심원단은 여전히 결정을 내리지 못하고 있습니다.)
레벨 II 평행 우주에 대한 증거
1970년대까지 빅뱅 모델은 우리 우주의 역사의 대부분에 대한 매우 성공적인 설명으로 입증되었습니다. 그것은 원시 화구가 팽창하고 냉각되어 처음 몇 분 동안 헬륨 및 기타 경원소를 합성하고, 400,000년 후에 우주 마이크로파 배경 복사를 방출하면서 투명해지고, 중력 클러스터링으로 인해 점차 덩어리가 되어 은하, 별 및 행성을 생성하는 방법을 설명했습니다. 그러나 맨 처음에 무슨 일이 일어났는지에 대한 불안한 질문이 남아 있었습니다. 무에서 무언가가 나타났습니까? 입자 물리학이 초기에 생성되어야 한다고 예측하는 자기 홀극이라고 알려진 모든 초중입자는 어디에 있습니까("홀극 문제")? 일반적인 초기 조건이 시간이 지남에 따라 곡률이 증가하고 밀도가 10⁻⁴²초 후에 0 또는 무한대에 접근할 것이라고 예측할 때 공간이 왜 그렇게 크고, 오래되고 평평합니까("평탄성 문제")? 어떤 음모로 인해 인과적 접촉을 한 적이 없는 공간 영역에서 CMB 온도가 거의 동일하게 되었습니까("지평선 문제")? 모든 구조가 자라난 10⁻⁵ 레벨의 시드 변동을 생성한 메커니즘은 무엇입니까?
인플레이션이라고 알려진 프로세스는 한 번에 이러한 모든 문제를 해결할 수 있으며(Guth & Steinhardt 1984 및 Linde 1994의 리뷰 참조), 따라서 매우 초기에 일어난 일에 대한 가장 인기 있는 이론으로 떠올랐습니다. 인플레이션은 공간의 급속한 확장으로, 홀극 및 기타 파편을 희석시키고, 공간을 팽창하는 풍선의 표면처럼 평평하고 균일하게 만들고, 양자 진공 변동을 거시적으로 큰 밀도 변동으로 확장하여 은하 형성을 시드할 수 있습니다. 시작 이후 인플레이션은 추가 테스트를 통과했습니다. CMB 관측은 공간이 극도로 평평하고 시드 변동이 실질적인 중력파 구성 요소 없이 대략적으로 규모 불변 스펙트럼을 갖는 것으로 측정했는데, 이는 모두 인플레이션 예측과 완벽하게 일치합니다.
인플레이션은 광범위한 기본 입자 이론에서 발생하는 일반적인 현상입니다. 혼돈 인플레이션으로 알려진 인기 있는 모델에서 인플레이션은 우리가 아는 바와 같이 생명을 허용하는 공간의 일부 영역에서 끝나지만 양자 변동으로 인해 공간의 다른 영역은 훨씬 더 빠르게 팽창합니다. 본질적으로 하나의 팽창 거품은 다른 팽창 거품을 싹틔우고, 이는 차례로 끝나지 않는 연쇄 반응으로 다른 거품을 생성합니다. 인플레이션이 끝난 거품은 레벨 II 다중우주의 요소입니다. 각 거품은 크기가 무한합니다. (놀랍게도, 시공간의 공간 방향이 (무한) 시간 방향으로 구부러지는 효과 덕분에 인플레이션이 유한한 공간 볼륨의 거품에서도 무한한 레벨 I 다중우주를 생성할 수 있다는 것이 입증되었습니다(Bucher & Spergel 1999).), 그러나 연쇄 반응이 결코 끝나지 않기 때문에 무한히 많은 거품이 있습니다. 실제로 거품 수의 이러한 지수적 성장이 영원히 계속되어 왔다면, 그러한 평행 우주는 셀 수 없이 무한히 많을 것입니다(예를 들어 정수 집합보다 큰 실수 집합에 할당된 것과 동일한 무한대). 이 경우 시간의 시작도 없고 절대적인 빅뱅도 없습니다. 우리가 거주하는 곳과 같은 팽창하는 거품과 포스트 인플레이션 영역은 무한히 많으며, 프랙탈 패턴을 형성합니다.
레벨 II 평행 우주는 어떻습니까?
일반적인 견해는 우리가 오늘날 관찰하는 물리학은 극도로 높은 온도에서 나타나는 훨씬 더 대칭적인 이론의 낮은 에너지 한계일 뿐이라는 것입니다. 이 근본적인 기본 이론은 11차원이고, 초대칭이며, 자연의 네 가지 기본 힘의 대통합을 포함할 수 있습니다. 이러한 이론의 일반적인 특징은 인플레이션을 유도하는 필드의 잠재적 에너지가 여러 개의 다른 최소값(때로는 "진공 상태"라고 함)을 가지며, 이는 이 대칭성을 깨는 다양한 방식과 결과적으로 다른 저에너지 물리학에 해당한다는 것입니다. 예를 들어, 세 개의 공간 차원을 제외한 모든 공간 차원이 말려 올라갈 수 있으며("컴팩트화"), 결과적으로 우리와 같은 효과적인 3차원 공간이 되거나, 더 적은 차원이 말려 올라가 7차원 공간을 남길 수 있습니다. 혼돈 인플레이션을 유도하는 양자 변동은 다른 거품에서 다른 대칭 깨짐을 일으켜 레벨 II 다중우주의 다른 구성원이 다른 차원을 갖도록 할 수 있습니다. 입자 물리학에서 관찰되는 많은 대칭은 대칭이 깨지는 특정 방식으로 인해 발생하므로, 세대가 아닌 두 개의 쿼크 세대가 있는 레벨 II 평행 우주가 있을 수 있습니다.
차원 및 기본 입자와 같은 이산적 속성 외에도 우리 우주는 물리 상수라고 알려진 무차원 숫자의 집합으로 특징지어집니다. 예로는 전자/양성자 질량비 mp /me ≈ 1836과 소위 플랑크 단위에서 약 10⁻¹²³으로 보이는 우주 상수가 있습니다. 이러한 연속적인 매개변수도 하나의 포스트 인플레이션 거품에서 다른 거품으로 달라질 수 있는 모델이 있습니다. (물리학의 기본 방정식은 레벨 II 다중우주 전체에서 동일하지만, 우리가 관찰하는 저에너지 세계를 지배하는 대략적인 유효 방정식은 다를 것입니다. 예를 들어, 3차원에서 4차원(비컴팩트화) 공간으로 이동하면 관찰된 중력 방정식이 역제곱 법칙에서 역세제곱 법칙으로 변경됩니다. 마찬가지로, 입자 물리학의 기본 대칭을 다르게 깨뜨리면 기본 입자의 배열과 이를 설명하는 유효 방정식이 변경됩니다. 그러나 우리는 근본 방정식이 아닌 유효 방정식이 변경되는 레벨 IV 다중우주에 대해 "다른 방정식" 및 "다른 물리 법칙"이라는 용어를 예약할 것입니다.)
따라서 레벨 II 다중우주는 초기 조건이 다를 뿐만 아니라 차원, 기본 입자 및 물리 상수가 다를 수 있는 영역을 포함하여 레벨 I 다중우주보다 더 다양할 가능성이 높습니다.
계속하기 전에 몇 가지 밀접하게 관련된 다중우주 개념에 대해 간략하게 언급해 보겠습니다. 우선, 하나의 레벨 II 다중우주가 프랙탈 패턴으로 영원히 자체 복제되어 존재할 수 있다면, 완전히 연결이 끊어진 무한히 많은 다른 레벨 II 다중우주가 있을 수 있습니다. 그러나 이 변형은 질적으로 다른 세계를 추가하거나 해당 속성에 대한 확률 분포를 변경하지 않기 때문에 테스트할 수 없는 것으로 보입니다. 가능한 모든 초기 초기 조건과 대칭 깨짐은 이미 각 조건 내에서 실현됩니다.
톨만과 휠러가 제안하고 최근에 슈타인하르트와 투록(2002)이 자세히 설명한 아이디어는 (레벨 I) 다중우주가 순환적이며 무한한 일련의 빅뱅을 거친다는 것입니다. 존재한다면 그러한 화신의 앙상블도 다중우주를 형성할 것이며, 레벨 II와 유사한 다양성을 가질 수 있습니다.
스몰린(1997)이 제안한 아이디어는 레벨 II와 다양성이 유사한 앙상블을 포함하지만 인플레이션 중이 아닌 블랙홀을 통해 새로운 우주를 돌연변이하고 싹틔웁니다. 이것은 최대 블랙홀 생산을 가진 우주를 선호하는 자연 선택의 한 형태를 예측합니다.
브레인월드 시나리오에서 또 다른 3차원 세계는 문자 그대로 우리와 평행할 수 있으며, 단지 더 높은 차원에서 상쇄됩니다. 그러나 그러한 세계("브레인")가 우리 자신의 세계와 분리된 평행 우주라고 불릴 자격이 있는지는 불분명합니다. 우리는 암흑 물질과 마찬가지로 중력으로 상호 작용할 수 있기 때문입니다.
미세 조정 및 선택 효과
물리학자들은 설명되지 않은 우연의 일치를 싫어합니다. 실제로 그들은 그것을 모델이 배제된다는 증거로 해석합니다. 섹션 I C에서 우리는 CMB 변동의 관찰된 패턴이 매우 드물다는 것을 의미하기 때문에 열린 우주 모델이 99.9% 신뢰도로 배제된 방법을 보았습니다. 이는 모든 허블 볼륨의 0.1%에서만 발생하는 1/1000의 우연입니다.
호텔에 체크인하여 1967호실을 배정받고 놀라서 이 해가 당신이 태어난 해라는 것을 알게 되었다고 가정해 보십시오. 잠시 생각한 후, 호텔에 많은 방이 있고 다른 방을 배정받았다면 이러한 생각을 하지 않았을 것이기 때문에 이것이 그리 놀라운 일이 아니라고 결론을 내립니다. 그런 다음 호텔에 대해 아무것도 모른다고 해도 다른 호텔 방의 존재를 추론할 수 있다는 것을 깨닫습니다. 우주 전체에 방 번호가 하나만 있다면 설명되지 않은 우연의 일치가 남게 되기 때문입니다.
더 적절한 예로 태양의 질량인 M을 생각해 보십시오. M은 태양의 광도에 영향을 미치며 기본 물리학을 사용하여 지구상의 우리가 아는 바와 같은 생명은 M이 1.6 × 10³⁰ kg - 2.4 × 10³⁰ kg의 좁은 범위에 있는 경우에만 가능합니다. 그렇지 않으면 지구의 기후가 화성보다 춥거나 금성보다 뜨거울 것입니다. 측정된 값은 M ≈ 2.0 × 10³⁰ kg입니다. 거주 가능하고 관찰된 M-값의 이러한 명백한 우연의 일치는 계산에 따르면 훨씬 더 넓은 질량 범위의 별 M ≈ 10²⁹ kg - 10³² kg이 존재할 수 있다는 점을 고려하면 불안하게 보일 수 있습니다. 그러나 호텔 예제와 마찬가지로 앙상블과 선택 효과가 있는 경우 이러한 명백한 우연의 일치를 설명할 수 있습니다. 실제로 중심 별의 크기와 행성 궤도의 범위가 다양한 태양계가 많이 있다면, 우리는 분명히 거주 가능한 곳 중 하나에 살고 있을 것으로 예상합니다.
더 일반적으로 일부 물리적 매개변수의 거주 가능하고 관찰된 값의 명백한 우연의 일치는 우리가 관찰하는 것이 많은 구성원 중 하나일 뿐인 더 큰 앙상블의 존재에 대한 증거로 간주될 수 있습니다(Carter 1973). 다른 호텔 방과 태양계의 존재는 논란의 여지가 없고 관찰적으로 확인되었지만 평행 우주의 존재는 관찰할 수 없기 때문에 그렇지 않습니다. 그러나 미세 조정이 관찰되면 위의 정확한 논리와 동일한 논리를 사용하여 평행 우주의 존재를 주장할 수 있습니다. 실제로 다른 물리 상수를 가진 평행 우주를 암시하는 미세 조정의 수많은 예가 있지만 미세 조정의 정도는 여전히 활발한 논쟁 중이며 추가 계산으로 명확히 해야 합니다. 인기 있는 계정은 Rees(2002) 및 Davies(1982)를 참조하고 기술적인 세부 사항은 Barrow & Tipler(1986)를 참조하십시오.
예를 들어 전자기력이 4%만 약해지면 태양이 즉시 폭발할 것입니다(디프로톤은 결합 상태를 가질 것이며 이는 태양 광도를 10¹⁸배 증가시킬 것입니다). 더 강하면 안정적인 원자가 더 적을 것입니다. 실제로 저에너지 물리학에 영향을 미치는 대부분의 매개변수가 미세 조정된 것처럼 보입니다. 즉, 적당한 양만큼 변경하면 질적으로 다른 우주가 됩니다.
약한 상호 작용이 실질적으로 더 약하면 빅뱅 직후 헬륨으로 변환되었기 때문에 수소가 없을 것입니다. 훨씬 더 강하거나 훨씬 더 약하면 초신성 폭발에서 나오는 중성미자가 별의 바깥쪽 부분을 날려 버리지 못할 것이며 생명을 지탱하는 무거운 원소가 생산된 별을 떠날 수 있을지는 의심스럽습니다. 양성자가 0.2% 더 무거우면 전자를 붙잡을 수 없는 중성자로 붕괴되어 안정적인 원자가 없을 것입니다. 양성자-전자 질량비가 훨씬 작으면 안정적인 별이 없을 수 있으며 훨씬 크면 결정 및 DNA 분자와 같은 정렬된 구조가 없을 수 있습니다.
미세 조정 논의는 누군가가 "인류"라는 단어를 언급하면 종종 가열됩니다. 저자는 소위 인류 원리에 대한 논의가 빛보다 더 많은 열을 발생시켰다고 생각하며, 그 의미에 대한 다양한 정의와 해석이 있습니다. 저자는 최소 인류 원리인 MAP라고 불릴 수 있는 것에 동의하지 않는 사람은 없다는 것을 알고 있습니다. • MAP: 관측 데이터로 기본 이론을 테스트할 때 선택 효과를 무시하면 잘못된 결론을 내릴 수 있습니다.
이것은 위의 예에서 분명합니다. 선택 효과를 무시하면 더 가볍고 희미한 별이 훨씬 더 풍부하기 때문에 태양만큼 무거운 별을 공전하는 것에 놀랄 것입니다. 마찬가지로 MAP는 우리가 인플레이션이 끝난 공간의 아주 작은 부분에 살고 있다는 사실에 의해 혼돈 인플레이션 모델이 배제되지 않는다고 말합니다. 왜냐하면 팽창하는 부분은 우리에게는 거주할 수 없기 때문입니다. 다행히도 볼츠만이 1세기 전에 지적했듯이 선택 효과는 모든 모델을 구할 수 없습니다. 우주가 고전적인 열적 평형(열사) 상태에 있다면 열적 변동은 여전히 원자를 무작위로 조립하여 한 번의 푸른 달에 당신과 같은 자각 있는 관찰자를 잠시 만들 수 있으므로 지금 당장 당신이 존재한다는 사실은 열사 우주 모델을 배제하지 않습니다. 그러나 이 모델을 배제하는 당신이 관찰하는 정렬된 낮은 엔트로피 상태가 아닌 높은 엔트로피 엉망진창 상태에서 세계의 나머지를 통계적으로 기대해야 합니다.
입자 물리학의 표준 모델에는 28개의 자유 매개변수가 있고, 우주론은 추가적인 독립 매개변수를 도입할 수 있습니다. 우리가 실제로 레벨 II 다중우주에 살고 있다면 평행 우주 간에 변하는 매개변수에 대해 첫 번째 원리에서 측정한 값을 예측할 수 없을 것입니다. 우리는 선택 효과를 고려하여 우리가 발견할 것으로 예상되는 확률 분포를 계산할 수 있을 뿐입니다. 우리는 앙상블 전체에서 변할 수 있는 모든 것이 우리의 존재와 일치하는 만큼 일반적일 것으로 예상해야 합니다. 섹션 V에서 자세히 설명했듯이 "일반적"인 것과 더 구체적으로 물리학에서 확률을 계산하는 방법은 당혹스러울 정도로 어려운 문제로 떠오르고 있습니다.