우주의 소스 코드를 찾아서

파스터스키(Pasterski)는 페리미터 이론물리학 연구소(Perimeter Institute for Theoretical Physics)의 고에너지 이론물리학자로, 양자 중력이라 불리는 수학적 지뢰밭을 헤쳐 나갈 수 있는 지구상 몇 안 되는 인물 중 한 명입니다. 그녀의 목표는 이른바 "우주의 소스 코드"를 찾는 것입니다. 이는 별들이 왜 은하계 안에 머무는지, 반면 아원자 입자들은 왜 카페인에 취한 유령처럼 행동하는지를 설명하는 단일하고 일관된 규칙 세트, 즉 마스터 파일을 찾기 위한 궁극적인 탐구입니다. 현재 우리가 현실을 설명하는 가장 좋은 방법은 서로 다르며 양립할 수 없는 두 가지 언어로 쓰여 있으며, 물리학자들은 이 둘을 화해시킬 유일한 방법은 우리가 사는 3차원 세계가 사실은 정교한 투영물임을 인정하는 것뿐이라는 의심을 하기 시작했습니다.

이는 컴퓨터 시뮬레이션 속에서 살고 있다는 음모론과는 거리가 있지만, 사용되는 용어는 종종 겹칩니다. 대신, 이는 지난 한 세기 동안 과학계 최고의 지성들을 당혹스럽게 만든 역설을 해결하기 위한 엄밀한 수학적 시도입니다. 아인슈타인의 역작인 일반 상대성 이론은 중력과 행성, 블랙홀, 우주 팽창과 같은 거대 세계를 설명합니다. 양자 역학은 전자, 광자, 아원자 영역의 기묘함과 같은 미시 세계를 설명합니다. 문제는 이 둘을 동시에 사용하려고 하면 수학이 무너진다는 점입니다. 마치 1980년대 계산기로 플레이스테이션 5 게임을 실행하려는 것과 같습니다. 우주의 운영 체제는 그 경계에서 충돌을 일으키고 있으며, 이론가들은 그 해결책(패치)을 찾고 있습니다.

중력 기계의 결함

물리학은 현재 공간과 시간에 대한 우리의 이해가 더 깊은 무언가에 대한 거친 근사치에 불과함을 시사하는 모순들로 가득 차 있습니다. 시스템의 가장 유명한 "버그" 중 하나는 블랙홀 정보 역설입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀로 들어가는 모든 것은 영원히 사라지며 특이점으로 압축됩니다. 그러나 양자 역학에 따르면 정보는 결코 완전히 파괴될 수 없습니다. 블랙홀에 책을 던져 넣으면 이론적으로 그 원자 배열에 포함된 정보는 보존되어야 합니다. 블랙홀이 호킹 복사를 통해 결국 증발할 때 그 정보는 사라지는 것처럼 보입니다. 이는 우주 논리의 치명적인 오류입니다.

파스터스키와 동료들은 이를 해결하기 위해 '천체 홀로그래피(celestial holography)'라는 프레임워크를 연구하고 있습니다. 이 아이디어는 공간의 부피 내에 포함된 모든 정보가 그 공간의 경계에 있는 데이터로 설명될 수 있다는 '홀로그래피 원리'에 기반합니다. 수프 캔을 상상해 보십시오. 수프의 온도, 당근 개수, 염도 등 수프에 대한 모든 정보는 이론적으로 캔 외부에 둘러진 2차원 라벨에 기록될 수 있습니다. 이러한 관점에서 우리의 3D 현실은 단지 '벌크(bulk)'일 뿐이며, 진짜 "코드"는 우주 가장자리의 2D 표면에 기록되어 있습니다.

홀로미터가 공간의 픽셀을 찾는 데 실패한 이유

만약 우주가 투영물이라면, 공간 자체에도 해상도가 있어야 합니다. 디지털 사진을 충분히 확대하면 픽셀 격자가 보이듯이, 많은 이론가는 시공간이 매끄러운 것이 아니라 "덩어리(chunky)"져 있다고 믿습니다. 가능한 가장 작은 거리인 플랑크 규모(약 10의 마이너스 35승 미터)에서 현실의 직물은 거칠어져야 합니다. 2015년 페르미 연구소(Fermilab)의 연구원들은 '홀로미터(Holometer)'라는 장치를 사용하여 이러한 거칠기를 찾으려 했습니다. 이 장치는 우리가 저해상도 투영물 속에 살고 있음을 증명할 수 있는 우주의 미세한 떨림, 즉 "홀로그래픽 노이즈"를 감지하도록 설계된 한 쌍의 거대한 레이저 간섭계였습니다.

실험은 실패했습니다. 레이저는 안정적이었고, 그들이 테스트한 감도 수준에서는 어떠한 홀로그래픽 노이즈도 감지되지 않았습니다. 많은 사람에게 이는 우리가 문자 그대로의 홀로그램 속에 산다는 생각에 타격을 주었습니다. 그러나 파스터스키와 같은 이론가들에게 이 결과는 막다른 골목이 아닌 정교화의 과정이었습니다. 이는 "소스 코드"가 픽셀화된 화면처럼 단순하지 않다는 것을 시사합니다. 2D 경계와 3D 벌크 사이의 연결은 더 미묘합니다. 떨리는 우주에 대한 증거가 부족하다고 해서 홀로그래피 원리가 반증된 것은 아니며, 단지 우주가 크레이그 호건(Craig Hogan)과 페르미 연구소 팀이 예상한 특정한 방식으로 "글리치(오류)"를 일으키고 있지 않음을 증명했을 뿐입니다.

이것이 바로 탐구의 반복적인 성격입니다. 특정 오류를 찾기 위해 기계를 만들고, 발견하지 못하면 다시 화이트보드로 돌아가 왜 코드가 생각보다 더 잘 숨겨져 있는지 파악하는 것입니다. 수학은 여전히 통합을 요구하기 때문에 긴장은 계속됩니다. 예를 들어, 우리는 은하를 끌어당기는 중력을 통해 암흑 물질이 존재한다는 것을 알지만, 그 입자 자체의 "코드"는 본 적이 없습니다. 우리는 소프트웨어 프로그램의 효과를 보고 있으면서도 그것을 실행하게 만드는 코드 줄을 볼 수 없는 상태입니다.

우주를 그 근간까지 해체하기

파스터스키는 자신의 연구를 설명할 때 종종 이를 "실존적 퍼즐"이라고 부릅니다. 우주의 광대함을 이해하기 위해 평생을 그리스 기호와 선적분으로 뒤덮인 종이 한 장을 쳐다보며 보내야 한다는 사실에는 일종의 아이러니가 있습니다. 하지만 이것이 인간이나 탐사선이 결코 방문할 수 없는 환경을 탐사할 유일한 방법입니다. 우리는 우주의 가장자리로 갈 수 없고, 블랙홀 내부로의 여행에서 살아남을 수도 없지만, 그러한 극한의 환경을 무서울 정도로 정확하게 표현하는 수학적 모델을 구축할 수는 있습니다.

이러한 접근 방식은 명상에 가까운 집중력을 요구합니다. 파스터스키는 단순화된 4차원 우주(공간 3차원, 시간 1차원)의 방정식이 시간 자체가 사라지는 것처럼 느껴질 때까지 몇 시간이고 흐르는 사고방식에 대해 이야기합니다. 이는 나무, 사람, 빛과 같은 현실의 "사용자 인터페이스"를 걷어내고 그 아래의 원시 변수를 찾는 과정입니다. 만약 우리가 소스 코드를 찾을 수 있다면, 우리는 우주가 어떻게 시작되었는지 이해할 뿐만 아니라 가장 근본적인 수준에서 우주가 실제로 무엇으로 만들어졌는지 이해할 수 있을지도 모릅니다.

우리가 실제로 성공한다면 어떤 일이 벌어질지에 대한 의문도 있습니다. 역사적으로 우리는 새로운 코드 층을 발견할 때마다 새로운 세계를 건설했습니다. 열역학 법칙의 이해는 증기 기관을 가져왔고, 전자의 이해는 컴퓨터를 가져왔습니다. 만약 우리가 중력과 양자 역학의 코드를 이해한다면, 공학적 응용은 공상 과학 소설에서 보는 그 어떤 것보다 뛰어날 수 있습니다. 우리는 단순히 더 나은 로켓을 이야기하는 것이 아니라, 시공간 그 자체를 조작하는 능력을 이야기하는 것입니다.

유산의 무게

"만물의 이론"을 찾는 탐구는 세계에서 가장 똑똑한 사람들의 삶을 소모하는 습성이 있습니다. 아인슈타인은 인생의 마지막 30년을 통일장 이론을 찾기 위해 보냈지만 실패했습니다. 파스터스키가 하버드 행사에서 유명하게 만나 콩가 라인을 함께 추기도 했던 스티븐 호킹은 평생을 같은 유령을 쫓으며 보냈습니다. 이 유산에는 짓누를 듯한 무게가 있지만, 파스터스키는 그녀가 세스나(Cessna) 경비행기에 적용했던 것과 같은 실용적인 호기심으로 그것을 바라보는 듯합니다. 그것은 단지 해결해야 할 또 다른 어려운 문제일 뿐입니다.

이 분야의 커뮤니티는 매우 작지만 깊이 협력합니다. 수학이 너무나 밀도 높기 때문에 발전은 점진적으로 일어납니다. 한 연구자가 2D 평면에서 특정 유형의 입자 상호 작용을 설명하는 방법을 찾으면, 다른 연구자는 그것을 3D 중력장에 매핑하는 방법을 알아냅니다. 서서히 그림이 선명해지기 시작합니다. 그들은 수십억 년 동안 실행되어 온 거대한 오픈 소스 프로젝트를 수행하며, 원래 프로그래머의 의도를 역설계하려는 개발자들과 같습니다.