[우주과학] 대체 타임라인과 다중우주에 대한 물리학적 설명!

한때 '우주'라는 단어는 존재하는 모든 것을 설명했습니다. 그러나 우리의 지평이 확장됨에 따라 많은 과학자들은 우리 우주 너머에 무엇이 있는지, 그리고 눈에 보이지 않는 감질나게 숨어 있는 다른 많은 우주가 있는지 고려하기 시작했습니다.

 

올해 영화관에 발을 들여놓았다면 할리우드가 다중우주와 사랑에 빠졌다는 사실을 눈치채셨을 것입니다. Marvel 에서 DC , Disney 에 이르기까지 대체 우주, 현실 및 타임라인이 스크립트로 작성되어 A급 유명인사가 라텍스를 잡아당기는 데 지쳤을 때 관객을 놀라게 하고 삶을 조금 더 쉽게 만듭니다.

큰 스튜디오만 있는 것은 아닙니다. 숭고한 즐거움을 주는 인디 영화 Everything Everywhere All At Once 묻고 답합니다. '모든 것이 한 번에 모든 곳에서 일어나고 있다면 왜 그것이 중요해야 합니까?'

마찬가지로, Rick And Morty , Dark 및 Man In The High Castle 은 대안 우주의 개념을 일종의 재미있는 거울로 사용하여 우리 자신의 우주에 대한 (때로는) 심각한 질문을 숙고합니다. 그리고 그 아이디어가 새로운 것은 아니라는 점을 지적하는 것이 타당합니다. 적절하게 불길한 수염을 가진 스팍의 사악한 도플갱어를 누가 잊을 수 있겠습니까? 분명히, 다중우주의 개념은 우리 문화의 구조에 스며들었다. 그러나 과학자들은 다중우주에 대해 어떻게 생각합니까? 그들을 뒷받침하는 과학이 있습니까?

 

많은 물리학자들은 블랙홀 의 사건 지평선 뒤에 숨어 있는 우주에서부터 비누 거품의 거품처럼 팽창하는 성장하는 우주 에 이르기까지 다중우주가 존재할 수 있다고 믿습니다 .

스웨덴 웁살라 대학의 이론 물리학자인 울프 다니엘손 교수 는 “다중우주는 과학의 관점에서 역사적으로 생각해보면 그리 이상하지 않은 것”이라고 말했다 . “우리의 지평은 지속적으로 확장되고 있습니다. 한때 우리는 지구가 유일한 행성이고 이것이 온 세상이라고 생각했습니다. 우리는 이제 다른 행성들로 가득 찬 우주가 있다는 것을 압니다. 또 다른 단계가 있고 우리 우주가 유일한 것이 아니라고 추측하는 것도 매우 자연스럽습니다.”

그렇다면 최고의 다중우주 이론은 무엇이며, 그 중 어떤 것이 사악한 은신처가 될 수 있는지, 아마도 콧수염을 기른 ​​당신입니다.

 

팽창하는 우주적 다중우주

이것은 우주론에서, 특히 우리 자신의 우주가 팽창하고 있다는 발견에서 성장한 이론입니다. 다중 우주의 이 개념은 우리 우주가 약 138억 년 전에 겪었던 초기의 급속한 인플레이션이 우리 우주와 분리된 시공간의 먼 지역에서 일어날 수 있는지 묻습니다.

미시간 대학의 천체물리학자 프레드 아담스( Fred Adams) 교수 는 "기본 아이디어는 우리 우주가 잘 정의된 독립체로 진화하는 시공간의 한 부분이라는 것"이라고 설명 했다. “이 영역은 균질하고 등방성이며 [모든 방향에서 동일] 잘 정의된 방식으로 확장됩니다. 시간을 거슬러 진화를 추적하면 이 초기 팽창으로부터 약 138억 년의 우주 나이를 찾을 수 있습니다.”

 

Our Living Multiverse 라는 책 을 저술하고 이 주제에 대한 Physics Report 논문을 저술한 Adams 도 다중우주의 다른 지역이 자체 빅뱅 을 경험할 수 있고 따라서 자체 확장을 경험할 수 있다고 믿습니다. 이것은 그들이 우리 우주에 영향을 줄 수 없다는 것을 의미합니다. "그들은 따라서 다른 우주이고 그러한 모든 우주의 집합은 다중 우주입니다."라고 Adams는 말합니다.

이 다중우주 아이디어는 훌륭한 스토리텔링 장치이기 때문에 허구에 사로잡혔습니다. 그것은 여전히 ​​​​기존 물리학에 적합하면서 남아있는 미스터리를 해결할 수 있기 때문에 우주론에서 인기를 얻었습니다.

아리조나 대학의 우주론, 입자 물리학 및 천체 물리학 박사후 연구원인 Heling Deng 은 "다우주의 개념이 대중화된 한 가지 이유는 그것이 인플레이션 이론에서 자연스럽게 발생할 수 있기 때문입니다."라고 설명합니다 .

"[물리학자] Andrei Linde 와 Alex Vilenkin 은 별도의 작업에서 인플레이션이 발생하면 무한히 분리된 영역을 만들 수 있음을 보여주었습니다."

인플레이션은 우리가 살고 있는 우주에서 138억 년 전에 끝났지만 양자 효과는 항상 다른 시공 영역에서 인플레이션을 가져올 수 있다고 Deng은 말합니다. 그 결과 '영원한 인플레이션'이라고 하는 끝없는 인플레이션과 무한한 수의 '다른 우주'의 가능성이 발생합니다.

빅뱅 이후 우주 역사의 단계

러시아계 미국인 이론 물리학자 Andrei Linde는 이 다중우주의 배열에 대해 한 가지 제안을 했습니다. 그는 우주를 우주 화포와 유사한 무언가 위에서 팽창하는 '거품'으로 보고, 영원하고 혼란스러운 인플레이션의 시합에서 서로를 압착합니다.

다중 우주 내에서 이러한 우주가 어떻게 다를 것인지는 현재 추측의 주제이기도 하지만 Adams는 물리 법칙이 이러한 개별 영역에서 동일할 것이라고 믿을 이유가 없다고 제안합니다.

"이러한 다른 우주가 흥미로운 이유 중 하나는 다른 버전의 물리 법칙을 가질 수 있기 때문입니다."라고 그는 말합니다. 그 변형은 중력 과 우주가 팽창하는 속도를 포함한 물리적 매개변수의 범위에 적용될 수 있습니다 .

이는 이러한 우주 중 일부가 은하나 별과 같은 대규모 구조의 형성에 적합하지 않은 물리 법칙을 가질 수 있음을 의미합니다. 그들은 동일한 기본 입자를 가지고 있지 않을 수도 있습니다.

결과적으로, 이 우주는 우리 우주의 변형이 아니므로 어떤 생명체도 살 수 없습니다. 당신이나 나의 어떤 버전은 신경쓰지 마세요.

끈 이론 다중 우주

끈 이론은 양자 역학과 일반 상대성 이론을 연결하기 위해 물리학자들이 제시한 제안이며, 이는 우리가 가진 무한히 작고 이해할 수 없을 정도로 큰 설명입니다. 끈 이론의 기본 아이디어는 쿼크와 ​​전자와 같은 기본 입자가 실제로는 다른 주파수에서 진동하는 1차원 끈의 단일 지점이라는 것입니다.

이 '끈-풍경'은 끈 이론이 의존하는 핵심 요소 중 하나 덕분에 다중우주에 널리 사용되는 설정을 제공합니다. 수학적으로 건전하기 위해서는 끈 이론이 존재하기 위해 '여분의 차원'이 필요합니다.

이것은 공상과학 소설에서 볼 수 있는 평행 차원이 아닙니다. 대신, 끈 이론가들은 이러한 추가 차원이 공간의 세 가지 전통적인 차원 내에 웅크리고 있다고 믿습니다. 우리가 3차원으로만 볼 수 있도록 진화했기 때문에 그것들은 우리에게 보이지 않는 채로 남아 있습니다. 이러한 추가 차원은 끈 이론 다중우주에 대한 '길'을 제공할 수 있습니다.

끈 이론은 자연의 모든 기본 입자를 작은 끈으로 모델링하여 설명하려고 시도합니다. © Science Photo Library

Danielsson은 "이러한 추가 차원이 필요하며 총 필요한 차원의 수는 10 또는 11입니다."라고 말합니다. "이 다른 우주에 가려면 어떤 추가 차원으로 가야 할 수도 있습니다."

이것이 사실이고 이러한 공간 차원을 통한 다른 우주와의 연결이 존재하더라도, 우주의 팽창은 우리가 넘어야 할 우주적 지평이 있다는 사실 덕분에 여전히 손이 닿지 않는 곳에 영구적으로 남아 있을 수 있습니다. 볼 수 없습니다. 다중우주에서 우주 사이에 '연결성'이 없다면 다중우주의 우주론적 개념을 실험적으로 테스트하는 것이 거의 불가능합니다.

“현재까지의 '증거'는 이론적인 것이지 실험적인 것이 아닙니다. 불행히도 우리는 다른 우주에서 일어나는 일을 확인하거나 위조하기 위한 직접적인 실험을 할 수 없습니다.”라고 Adams는 설명합니다.

이러한 아이디어를 테스트할 수 없다는 것은 양날의 검입니다. 다중우주를 테스트할 방법이 없다는 것은 다중우주의 존재를 증명할 수 없다는 것을 의미하지만 그것은 또한 우리가 그것을 반증할 수도 없다는 것을 의미합니다.

블랙홀 멀티버스

무거운 별의 수명이 끝나면 핵융합을 위한 연료가 고갈되면 블랙홀로 붕괴됩니다. 이 블랙홀은 사건의 지평선이라고 불리는 표면으로 경계를 이루는 시공 영역입니다. 

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 큰 질량이 시공간을 휘게 할 수 있다고 말합니다. 또한 블랙홀의 심장에는 질량이 너무 커서 시공간의 곡률이 무한대가 되어 물리 법칙이 무너지는 특이점이 있다는 이론도 있습니다. 이것은 물리학자들을 괴롭히는 개념이지만, 하나의 가설은 특이점을 없애고 전체 우주로 대체할 수 있으며 차례로 다중 우주로 대체할 수 있습니다.

“특이점은 측정할 수 없기 때문에 비물리적입니다. 이것은 그것들의 존재가 이론이 불완전하다는 것을 의미한다는 것을 의미 합니다. "내 가설에 따르면 모든 블랙홀은 사건의 지평선 반대편에 있는 내부에 새로운 아기 우주를 생성하고 웜홀이라고도 하는 아인슈타인-로젠 다리가 되어 이 유아 우주를 모우주와 연결합니다. 블랙홀이 존재한다."

블랙홀이 새로운 아기 우주를 생성할 수 있을까?   이 그림은 시공간의 두 지점을 연결하는 가상의 지름길인 웜홀을 나타낸 것입니다.

이 이론에서 새로운 우주에서 볼 때 모우주는 화이트홀의 반대편으로 나타나며, 외부에서는 들어갈 수 없고 블랙홀의 반대 방향으로 생각할 수 있는 공간 영역이다.

Poplawski는 "물질이 블랙홀로 이동하여 새로운 우주에 도달하는 것과 유사하게 원형 지팡이를 통해 비누 방울을 날릴 수 있습니다."라고 말합니다. "지팡이는 사건의 지평선입니다. 비록 1차원은 적지만 - 비눗물은 사건의 지평선을 가로지르는 물질이고 거품의 표면은 새로운 우주입니다."

Poplawski가 제안한 가설에서 우주는 수십억 개의 블랙홀을 생성할 수 있으며 각각은 아기 우주를 생성할 수 있습니다. 올해 1월 이탈리아 국제고등대학원(SISSA) 연구원들은 우리 우주에만 4개 뒤에 0이 13개 있는 블랙홀이 최대 40조 개 있을 수 있다고 추정했습니다. 그것은 많은 아기 우주입니다!

이 유아 우주는 사건 지평선의 빛을 가두는 표면에 의해 부모 우주의 점유자로부터 숨겨질 것이며, 사건 지평선을 넘으면 되돌아갈 수 없습니다. 그것은 그리고 아무것도 화이트홀에 들어갈 수 없다는 사실(아직도 순전히 이론적인 것이지만 일반 상대성 이론에 의해 허용됨)은 부모와 유아 사이에 상호 작용이 없음을 의미합니다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 큰 물체는 시공간을 휘게 만듭니다.

그러나 같은 우주에 두 개의 블랙홀이 존재하고 이 블랙홀이 각각 새로운 우주를 만들었다면, “두 개의 블랙홀이 합쳐져 하나의 블랙홀이 되는 것처럼”, 이 두 형제의 우주가 합쳐질 가능성이 있다. Poplawski는 말합니다.

그는 이것이 우주의 대규모 비대칭으로 아기 우주에서 나타날 것이라고 덧붙입니다. 이것은 우리가 우주에서 선호하는 방향(예: 물질과 에너지가 증가하는 방향)을 발견하게 된다면 그것은 우리 우주가 형제 자매와 상호 작용하기 때문일 수 있음을 의미합니다.

블랙홀의 사건 지평선 너머에 존재하는 대체 버전의 가능성에 대해 Poplawski는 가능성이 좋지 않다고 결론을 내립니다. “'대체 당신'은 없을 것입니다. 언제든지 개체는 하나의 우주에만 존재할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

그러나 한 대중 문화의 주류는 그의 개념을 반영 합니다. 당신은 파출소에 들어가고 당신이 그 상자보다 더 큰 무언가에 있다는 것을 깨닫습니다.”

양자역학의 다세계 다중우주

아원자 물리 법칙을 다루는 양자 물리학 에서는 다중 우주라는 용어가 존재하지 않습니다. 대체 우주는 대신 '많은 세계'라고 하며 이전에 탐구한 다중 우주와 같이 본질적으로 지리적이지 않기 때문에 근본적으로 다른 개념의 일부입니다.

다세계 가설은 미국 물리학자 휴 에버렛 3세(Hugh Everett III)가 양자 시스템이 겉보기에 모순된 상태('중첩'이라고 함)에 동시에 존재할 수 있는 방법과 이러한 역설 상태가 사라지는 것처럼 보이는 방법을 설명하기 위해 처음 제안했습니다.

상태 중첩의 존재에 대한 많은 세계의 영향은 에르빈 슈뢰딩거의 악명 높은 사고 실험인 슈뢰딩거의 고양이를 고려하여 상상할 수 있습니다 .

슈뢰딩거의 고양이는 중첩뿐만 아니라 양자 다중우주를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

사고 실험에서 불운한 모기(moggy)는 치명적인 독이 담긴 병이 들어 있는 장치가 있는 밀봉된 상자에 놓여지며 상자의 원자핵이 붕괴될 때만 방출됩니다. 상자, 고양이 및 장치를 단일 양자 시스템으로 취급하여 각 상태(이 경우 '죽음' 또는 '살아 있음')는 파동으로 설명됩니다. 파동이 중첩되어 단일 파동 함수를 형성할 수 있으므로 고양이는 상태의 중첩으로 존재할 수 있습니다. 이것은 양자 역학에서 고양이가 동시에 죽거나 살아 있다는 것을 의미합니다.

 

이 모순적으로 보이는 상태는 시스템에서 측정하는 것과 유사하게 상자가 열릴 때까지만 지속되고 파동 함수가 붕괴되어 중첩이 사라지고 상태가 해결됩니다. 고양이는 죽었거나 살았습니다. 그러나 측정이 중첩의 붕괴를 일으키는 이유 는 '디코히어런스(decoherence)'라고도 알려져 있습니다.

다세계 가설은 결맞음(decoherence)을 완전히 제거합니다. 대신, 상자를 여는 것이 파동 함수를 무너뜨리는 대신 측정을 통해 상자가 기하급수적으로 커져 실험자와 결국 우주 전체를 '삼키게' 한다고 제안합니다.

"양자 역학의 다세계 공식화에서 시스템의 각 상태는 물리적으로 별개의 세계입니다." 캘리포니아 어바인 대학의 과학 철학자인 제프리 배렛 교수 는 말합니다.

즉, 전등 스위치를 깜박일 때마다 거의 무한대의 세계가 생성됩니다. 빛이 거실을 채울 때 각 광자의 가능한 각 경로에 대해 하나씩, 스위치를 전혀 누르지 않은 세계뿐만 아니라.

즉, 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험과 관련하여 실험자는 고양이가 죽었는지 살았는지 알아보기 위해 상자를 열지 않았습니다. 오히려 그들은 고양이가 죽은 세계 또는 고양이가 사는 세계에 있는지 확인하기 위해 상자를 여는 것입니다.

 

처음에 이 양자 다중 우주를 구성하는 세계는 유사하지만 극도로 작은 차이가 있습니다. 그러나 이러한 변화는 우주에서 우주로 성장합니다. 즉, 이전에 분기된 변화는 서로 현저하게 다를 수 있습니다.

“관찰자의 대상, 사건, 물리적 기록은 세계마다 다릅니다. 로스앤젤레스에 에펠탑이 있는 세상이 있습니다.”라고 Barrett은 말합니다. “모든 세계(우주)는 단일 글로벌 우주의 일부입니다. 우리 지부 세계의 지각에서 볼 때 이 우주처럼 보입니다.”

Barrett은 이러한 '많은 세계' 중 하나에 대체 '당신'이 포함될 가능성이 얼마나 되는지에 대한 질문에 답합니다. 그는 그것이 단지 가능한 것이 아니라 요구된다는 것을 밝혔습니다.

"분명히 저에 대한 대체 사본이 많이 포함되어 있을 것입니다."라고 그는 말합니다. "그것은 이론이 양자 측정 문제를 해결하는 방법의 기본입니다."

이 모든 것이 다중우주의 양자 버전을 적어도 원칙적으로는 대중 문화와 가장 유사한 버전으로 만듭니다. 이것은 아마도 당신의 무한한 버전을 포함하는 것이 아니라 확실히 포함하기 때문 입니다.