장12 [제9장 시간의 화살]

우리는 이전 장에서 시간의 본질에 대한 사람들의 견해가 시간이 지남에 따라 어떻게 변했는지 살펴보았습니다.20세기 초까지 사람들은 절대 시간을 믿었습니다.즉, 각 이벤트는 시간이라는 숫자로 고유하게 표시될 수 있으며 모든 좋은 시계는 두 이벤트 사이의 시간 간격을 측정할 때 일관성이 있습니다.그러나 움직이는 관찰자에 대해 빛의 속도가 항상 동일하다는 발견은 상대성 이론으로 이어졌으며, 여기서는 절대 시간이 하나라는 개념을 버려야 했습니다.대신 각 관찰자가 들고 다니는 시계는 자신의 시간을 측정하며, 다른 관찰자가 들고 다니는 시계가 반드시 같은 시간을 읽는 것은 아닙니다.이런 식으로 시간은 측정하는 관찰자에게 보다 주관적인 개념이 됩니다.

중력과 양자역학을 통합하려 할 때 허수시간 개념을 도입해야 한다.상상의 시간은 공간의 방향과 구별될 수 없다.북쪽으로 갈 수 있으면 고개를 돌려 남쪽으로 갈 수 있는 것과 마찬가지로, 상상의 시간으로 앞으로 갈 수 있다면 돌아서 되돌아갈 수 있어야 한다.이것은 상상의 시간에서 앞으로 가는 것과 뒤로 가는 것 사이에 중요한 차이가 있을 수 없음을 보여줍니다.한편, 실시간으로 보면 잘 알려진 바와 같이 정방향과 역방향의 차이가 매우 크다.과거와 미래의 차이는 어디에서 오는 것일까요?왜 우리는 미래가 아닌 과거를 기억하는가? 과학의 법칙은 과거와 미래를 구분하지 않습니다.보다 정확하게는 앞에서 설명한 것처럼 과학의 법칙은 C, P, T라고 하는 작용(또는 대칭)의 조합 하에서 불변합니다. (C는 입자를 반입자로 교체하는 것을 의미하고, P는 거울상을 찍어 좌우가 바뀌도록 하는 것을 의미하며, T는 모든 입자의 운동 방향을 반대로 하는 것, 즉 운동을 되돌리는 것을 의미한다. ) 아래의 모든 정상적인 경우 개체의 동작을 지배하는 과학적 법칙은 CP 관절 대칭에서 변경되지 않은 상태로 유지됩니다.다시 말해, 우리의 거울상이고 물질 대신 반물질로 만들어진 다른 행성의 주민들의 삶은 정확히 똑같을 것입니다.

과학의 법칙이 CP 관절 대칭과 CPT 관절 대칭 모두에서 불변하는 경우 T 대칭에서만 불변해야 합니다.그러나 일상생활의 실시간에서는 여전히 정방향과 역방향의 차이가 크다.테이블에서 미끄러져 바닥에 부딪치는 물잔을 상상해 보십시오.비디오테이프를 찍으면 앞으로 가는지 뒤로 가는지 쉽게 알 수 있습니다.다시 부으면 조각이 바닥에서 찰칵 소리를 내며 테이블 위로 다시 튀어 올라 완전한 컵을 형성하는 것을 볼 수 있습니다.이 동작은 일상 생활에서 볼 수 없기 때문에 비디오가 거꾸로 재생되고 있음을 알 수 있습니다.이런 일이 벌어지면 도자기 업계는 할 일이 없게 된다.

깨진 컵이 모이는 것을 볼 수 없는 이유에 대한 일반적인 설명은 이것이 열역학 제2법칙을 위반하기 때문입니다. 이 법칙은 닫힌 시스템에서 시간이 지남에 따라 무질서 또는 엔트로피가 항상 증가한다는 것입니다.즉, 머피의 법칙(Murphy's Law)의 한 형태입니다. 상황은 항상 나쁠수록 나빠지는 경향이 있습니다. 테이블 위에 가득 찬 컵은 매우 질서 있는 상태이고 바닥에 깨진 컵은 무질서한 상태입니다.사람들이 이전에 테이블 위의 컵에서 나중에 바닥에 있는 깨진 컵으로 이동하는 것은 쉽지만 그 반대는 아닙니다. 시간이 지남에 따라 무질서 또는 엔트로피의 증가는 시간의 화살로 알려진 것의 예입니다.시간의 화살은 과거와 미래를 구별하고 시간에 방향을 제시합니다.적어도 세 가지 다른 시간의 화살이 있습니다: 첫째, 무질서 또는 엔트로피가 증가하는 방향인 열역학적 시간의 화살, 그리고 우리가 시간을 인식하는 방향인 심리적 시간의 화살 우리는 기억할 수 있습니다. 미래 대신 과거, 마지막으로 우주가 수축하는 것이 아니라 팽창하는 방향인 우주론적 시간의 화살이 있습니다.

나는 이 장에서 우주의 무경계 조건과 약한 인류 원리가 왜 세 개의 화살표가 모두 같은 방향을 가리키는지 설명한다고 주장할 것입니다.또한 잘 정의된 시간의 화살이 있어야 하는 이유도 있습니다.나는 심리적 화살이 열역학적 화살에 의해 결정되고 두 화살이 항상 같은 방향을 가리켜야 한다고 주장할 것이다.우주에 대한 경계 조건이 없다고 가정하면 잘 정의된 열역학적 및 우주론적 시간 화살표가 있음을 알 수 있습니다.그러나 우주의 전체 역사에서 그들은 항상 같은 방향을 가리키지 않았습니다.그러나 우주 팽창의 시간 방향으로 무질서의 정도가 증가하는 이유를 물을 수 있는 지적 생명체의 발달에 적합한 조건은 그들이 일치를 지적할 때만 지적할 것입니다.

먼저 열역학적 시간의 화살에 대해 설명하겠습니다.항상 질서 있는 상태보다 무질서한 상태가 더 많다는 사실이 열역학 제2법칙을 존재하게 만드는 것입니다.예를 들어, 완전한 그림을 구성하는 작은 조각의 배열이 단 하나뿐인 직소 퍼즐 상자를 생각해 보십시오.반면에, 작은 종이 조각이 고장나서 그림으로 합칠 수 없는 엄청난 수의 순열이 있습니다. 시스템이 이러한 몇 가지 정렬된 상태 중 하나에서 시작한다고 가정합니다.시간이 지남에 따라 이 시스템은 과학의 법칙에 따라 진화하고 상태가 변경됩니다.나중에는 무질서가 더 많기 때문에 질서보다는 무질서에 있을 가능성이 높다.따라서 시스템이 고도로 정렬된 초기 조건을 따르는 경우 무질서의 정도는 시간이 지남에 따라 증가합니다.

직소 퍼즐 상자의 조각들이 그림을 만드는 질서 있는 조합에서 시작한다고 가정하고, 상자를 흔들면 조각들이 다른 조합을 채택하게 되는데, 이는 적절한 그림을 형성하지 않는 무질서한 조합일 수 있습니다. 무질서한 조합이 너무 많고 많습니다.일부 덩어리는 여전히 부분적인 그림을 형성할 수 있지만 상자를 더 많이 흔들수록 덩어리가 분리될 가능성이 높아지고 덩어리는 어떤 종류의 그림도 형성할 수 없는 완전한 혼란 상태에 있게 됩니다.따라서 시트가 고도로 정렬된 상태의 초기 조건에서 시작하면 시트의 무질서는 시간이 지남에 따라 증가할 가능성이 높습니다.

그러나 신이 우주가 어떤 상태에서 시작했든 간에 고도로 질서정연한 상태로 끝나야 한다고 결정했다는 점에서 초기 우주는 무질서한 상태에 있었을 가능성이 있다.이는 장애가 시간이 지남에 따라 감소함을 의미합니다.깨진 컵이 모여 탁자 위로 튀는 것을 볼 수 있습니다.그러나 컵을 관찰하는 사람은 누구나 시간이 지남에 따라 무질서가 감소하는 우주에 살고 있으며 그러한 사람은 시간의 거꾸로 된 심리적 화살을 가지고 있다고 주장합니다.즉, 그들은 과거의 사건보다 미래의 사건을 기억합니다.유리잔이 깨졌을 때 그들은 그것이 탁자 위에 어떻게 있었는지 기억했지만 그것이 탁자 위에 있었을 때 그들은 그것이 어떻게 바닥에 있었는지 기억하지 못했습니다.

인간의 기억에 대해 논의하는 것은 뇌가 어떻게 작동하는지 자세히 알지 못하기 때문에 다소 어렵습니다.그러나 우리는 컴퓨터의 메모리가 어떻게 작동하는지 알고 있습니다.그래서 컴퓨터의 심리적인 시간의 화살에 대해 이야기하겠습니다.컴퓨터와 인간이 같은 화살을 가지고 있다고 가정하는 것이 합리적이라고 생각합니다.그렇지 않으면 사람들은 내년의 가격을 기억하는 컴퓨터를 보유함으로써 증권 거래소를 무너뜨릴 수 있습니다. 일반적으로 컴퓨터의 메모리는 두 가지 상태 중 하나로 존재할 수 있는 요소를 포함하는 장치이며 주판이 간단한 예입니다.가장 단순한 형태는 여러 개의 철 막대로 구성되며 각 막대에는 두 위치 중 하나로 고정할 수 있는 묵주가 있습니다.컴퓨터의 메모리가 저장되기 전에 메모리는 무질서한 상태에 있으며 묵주기도는 동일한 확률로 두 가지 가능한 상태에 있습니다. (주판의 쇠막대에 주판 구슬이 아무렇게나 흩어져 있습니다.)메모리가 암기할 시스템과 상호 작용한 후에는 시스템의 상태에 따라 하나 또는 다른 상태에 있어야 합니다(각 주판 구슬은 막대의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치합니다). 기억은 무질서한 상태에서 질서 있는 상태로 이동합니다.그러나 메모리를 올바른 상태로 유지하려면 일정량의 에너지가 필요합니다(예: 주판 구슬 이동 또는 컴퓨터 전원 켜기).이 에너지는 열의 형태로 소멸되어 우주의 무질서의 양을 증가시킵니다.이 무질서의 증가가 항상 기억 자체의 질서 증가보다 크다는 것을 증명할 수 있습니다.따라서 컴퓨터의 냉각 팬에서 방출되는 열은 컴퓨터가 메모리에 항목을 기록할 때 우주의 무질서 총량이 여전히 증가하고 있음을 나타냅니다.컴퓨터가 과거를 기억하는 시간의 방향은 무질서가 증가하는 방향과 일치합니다.

따라서 시간의 방향에 대한 우리의 주관적인 느낌 또는 심리적 시간 화살표는 열역학적 시간 화살표에 의해 마음 속에서 결정됩니다.컴퓨터처럼 엔트로피가 증가하는 순서대로 기억해야 합니다.이것은 거의 열역학 법칙을 지루하게 만듭니다.무질서는 증가하는 방향으로 시간을 측정하기 때문에 시간이 지남에 따라 무질서가 증가합니다.이것을 걸면 승리가 보장됩니다. 그런데 도대체 왜 열역학적 시간의 화살이 있어야 할까요?또는 다른 말로, 우리가 과거 시간이라고 부르는 것의 한쪽 끝에서 우주가 고도로 질서정연한 상태에 있는 이유는 무엇입니까?항상 완전히 무질서하지 않은 이유는 무엇입니까?결국 그럴 가능성이 더 높아 보였다.그리고 우주의 팽창과 같은 시간 방향으로 무질서가 증가하는 이유는 무엇입니까?

고전적인 일반 상대성 이론에서는 알려진 모든 과학 법칙이 빅뱅 특이점에서 무너지기 때문에 우주가 어떻게 시작되었는지 예측할 수 없습니다.우주는 매우 매끄럽고 질서 정연한 상태에서 시작할 수 있습니다.이것은 우리가 관찰할 때 잘 정의된 열역학적 및 우주론적 시간 화살표로 이어집니다.그러나 매우 고르지 못한 장애로 합리적으로 시작할 수 있습니다.그런 경우 우주는 이미 완전한 무질서 상태에 있으므로 시간이 지나도 무질서의 정도가 증가할 수 없습니다.또는 일정하게 유지하다가 잘 정의된 열역학적 시간 화살표가 없거나 감소하여 열역학적 시간 화살표가 우주론적 시간 화살표와 반대가 됩니다.이러한 가능성 중 어느 것도 우리가 관찰한 것과 일치하지 않습니다.그러나 우리가 본 것처럼 고전적인 일반 상대성 이론은 자체 붕괴를 예측합니다.시공간 곡률이 커지면 양자 중력 효과가 중요해지고 고전 이론은 더 이상 우주를 잘 설명할 수 없으므로 우주가 어떻게 시작되었는지 이해하려면 중력의 양자 이론을 사용해야 합니다. 지난 장에서 보았듯이 양자 중력 이론에서 우주의 상태를 특정하기 위해서는 우주의 가능한 역사가 과거의 시공간 경계에서 어떻게 행동했는지를 여전히 말해야 합니다.이러한 역사가 무경계 조건을 충족하는 경우에만 우리가 모르고 알 수 없는 것을 설명해야 하는 어려움을 피할 수 있습니다. 규모는 유한하지만 경계, 모서리 또는 특이점은 없습니다.이 경우 시간의 시작은 규칙적이고 매끄러운 시공의 지점이 될 것이며 우주는 매우 매끄럽고 질서 있는 상태에서 팽창을 시작합니다.그것은 완벽하게 균일할 수 없습니다. 그렇지 않으면 양자 이론의 불확정성 원리가 위반될 것입니다.밀도와 입자 속도에 작은 변동이 있어야 하지만 경계 조건이 없다는 것은 이러한 변동이 불확실성 원리에 따라 가능한 한 작다는 것을 의미합니다. 우주는 기하급수적 인플레이션 기간과 함께 시작되었으며, 그 기간 동안 우주는 크기가 매우 크게 증가했습니다.팽창하는 동안 밀도 변동은 처음에는 작다가 점차 커집니다.평균보다 약간 밀도가 높은 지역에서는 여분의 질량이 끌어당기는 중력으로 인해 팽창이 느려집니다.결국 그러한 지역은 확장을 멈추고 붕괴하여 은하, 별, 그리고 우리와 같은 인간을 형성합니다.우주는 매끄럽고 질서 정연한 상태에서 시작하여 시간이 지남에 따라 물결 모양의 무질서한 상태로 진화했습니다.이것은 열역학적 시간의 화살의 존재를 설명합니다. 우주가 팽창을 멈추고 수축하기 시작하면 어떻게 될까요?열역학적 화살표가 역전되어 무질서가 시간이 지남에 따라 감소하기 시작하지 않을까요?이것은 확장 단계에서 수축 단계로 살아남는 사람들에게 모든 종류의 공상 과학 가능성을 남깁니다.그들은 유리 조각이 바닥에서 떨어져 탁자 위로 뛰어오르는 것을 볼 수 있을까요?그들은 내일의 가격을 기억하고 주식 시장에서 큰돈을 벌게 될까요?우주는 적어도 앞으로 100억년 동안은 수축을 시작하지 않을 것이기 때문에 그때 일어날 일에 대해 걱정하는 것은 현학적으로 보일 수 있습니다.그러나 미래에 무슨 일이 일어나고 있는지 알아내는 더 빠른 방법이 있습니다. 그것은 블랙홀 속으로 뛰어드는 것입니다.별이 붕괴하여 블랙홀을 형성하는 과정은 전체 우주 붕괴의 후기 단계와 매우 유사하므로 우주의 수축 단계에서 무질서가 감소하면 블랙홀에서도 감소할 것으로 예상할 수 있습니다.따라서 블랙홀에 빠진 우주 비행사는 내기를 하기 전에 룰렛 판에서 공이 어디로 가는지 기억함으로써 돈을 딸 수 있을지도 모릅니다. (불행히도 그가 스파게티로 변하는 데는 오랜 시간이 걸리지 않습니다. 또한 그는 열역학적 화살표의 반전에 대해 우리에게 알릴 수 없으며 심지어 그의 상금을 저금할 수도 없습니다. 나중에 블랙홀.) 처음에는 우주가 무너지면 무질서가 줄어들 것이라고 믿었다.우주가 다시 작아지고 매끄럽고 질서 정연한 상태로 돌아가야 한다고 생각하기 때문입니다.이것은 수축 단계가 단순히 확장 단계의 시간 반전임을 시사합니다.수축 단계에 있는 사람들은 거꾸로 살 것입니다. 그들은 태어나기 전에 죽었고 우주가 수축함에 따라 젊어졌습니다. 이 아이디어는 확장 단계와 수축 단계 사이의 아름다운 대칭을 제시하기 때문에 흥미를 끕니다.그러나 우주에 대한 다른 생각을 무시하고 이 생각만 채택할 수는 없습니다.문제는 이것이 무경계 조건에 의해 암시되는 것입니까, 아니면 이 조건과 양립할 수 없는 것입니까?내가 말했듯이 처음에는 무경계 조건이 수축 단계에서 무질서가 감소한다는 것을 의미한다고 생각했습니다.나는 지구 표면과의 비유에 부분적으로 오해를 받았습니다.우주의 시작이 북극에 해당한다면, 남극이 북극에 비유되는 것처럼 우주의 끝도 시작과 유사해야 합니다.그러나 북극과 남극은 가상의 시간에서 우주의 시작과 끝을 의미합니다.실시간으로 시작과 끝 사이에는 매우 큰 차이가 있을 수 있습니다.나는 또한 붕괴 단계가 확장 단계의 역전으로 보이는 우주의 단순한 모델에 대해 수행한 작업에 의해 오해를 받았습니다.그러나 제 동료인 Penn State University의 D.페이지는 무경계 조건이 수축 단계가 확장 단계의 시간 역전이어야 한다는 것을 요구하지 않는다고 지적했습니다.내 학생 레이몬드 중 하나입니다.Laflemont는 약간 더 복잡한 모델에서 우주가 매우 다르게 붕괴되고 확장된다는 사실을 발견했습니다.나는 실수를 저질렀다는 것을 깨달았습니다. 경계 조건이 없다는 것은 수축 단계에서 장애가 실제로 계속 증가한다는 것을 의미했습니다.시간의 열역학적 및 심리적 화살표는 우주가 축소되기 시작하거나 블랙홀에 들어갈 때 역전되지 않습니다. 이와 같은 실수를 저지르고 있는 자신을 발견했을 때 어떻게 해야 합니까?어떤 사람들은 자신이 틀렸다는 것을 결코 인정하지 않고, 에딩턴이 블랙홀 이론에 반대했을 때 그랬던 것처럼 자신을 정당화하기 위해 계속해서 새롭고 종종 일관성이 없는 주장을 찾습니다.다른 사람들은 처음으로 잘못된 견해가 실제로 지원되지 않았으며, 만약 지원되었다면 그것이 부조리하다는 것을 보여주기 위한 것일 뿐이라고 선언했습니다.제 생각에는 출판물에서 자신이 틀렸다는 것을 인정하는 것이 훨씬 더 좋고 덜 혼란스럽습니다.좋은 예는 우주의 정적 모델을 구축하려는 시도에서 우주 상수를 도입한 아인슈타인인데, 그는 이것을 자신의 인생에서 가장 큰 실수라고 불렀습니다. 시간의 화살로 돌아가서 남은 질문은 왜 우리는 열역학적 화살표와 우주론적 화살표가 같은 방향을 가리키는지 관찰합니까?다시 말해서 무질서가 증가하는 시간 방향이 우주 팽창의 시간 방향과 정확히 일치하는 이유는 무엇입니까?무경계 가설이 암시하는 것처럼 우주가 팽창했다가 다시 수축한다고 믿는다면 왜 우리가 수축 단계가 아니라 팽창 단계에 있어야 하는지 의문이 듭니다. 우리는 약한 인간론적 원리에 기초하여 이 질문에 답할 수 있습니다.수축 단계의 조건은 지적 존재의 존재에 적합하지 않으며, 무질서 증가의 시간 방향이 왜 우주 팽창의 시간 방향과 동일한지 질문할 수 있는 것은 바로 그들이다.무경계 가설에 의해 예측된 우주의 초기 인플레이션은 우주가 붕괴를 피하기 위해 필요한 임계 속도에 매우 가깝게 팽창해야 함을 의미하므로 오랫동안 붕괴되지 않습니다.그때쯤이면 모든 별이 타버릴 것이고 그 안에 있는 양성자와 중성자는 빛 입자와 방사선으로 붕괴될 것입니다.우주는 거의 완전한 무질서 상태에 있게 될 것이며 강력한 열역학적 시간의 화살은 없을 것입니다.우주는 이미 거의 완전한 무질서 상태에 있기 때문에 무질서의 정도는 크게 증가하지 않을 것입니다.그러나 지적 생명체의 행동을 위해서는 강력한 열역학적 화살이 필요하다.인간이 생존하기 위해서는 질서 있는 에너지 형태인 음식을 섭취하고 이를 무질서한 에너지 형태인 열로 전환해야 하므로 우주의 수축 단계에서는 지적 생명체가 존재할 수 없다.이것은 우리가 열역학과 우주론에서 시간의 화살이 같은 방향을 가리키는 이유를 설명합니다.무질서의 증가를 일으키는 것은 우주의 팽창이 아니라 무질서의 증가를 일으키는 무경계 조건이며, 오직 확장 단계에서만 지적 생명체에 적합한 조건이다. 결론적으로, 과학의 법칙은 시간의 진행 방향과 역방향을 구분하지 않습니다.그러나 과거와 미래를 구분하는 시간의 화살이 적어도 세 개 있습니다.무질서가 커지는 시간의 방향인 열역학적 화살표, 미래보다 과거를 기억하는 시간의 방향인 심리적 화살표, 우주가 움직이는 방향인 우주론적 화살표이다. 축소보다는 확장 방향.나는 심리적 화살이 본질적으로 열역학적 화살과 같아야 한다고 지적했다.우주에 대한 무경계 가설은 잘 정의된 열역학적 시간 화살표를 예측합니다. 왜냐하면 우주는 매끄럽고 정돈된 상태에서 시작되었음에 틀림없기 때문입니다.그리고 우리는 열역학의 화살과 우주론의 화살이 일치하는 것은 지적 생명체가 확장 단계에서만 존재할 수 있기 때문임을 알 수 있습니다.수축 단계는 강한 열역학적 시간 화살표가 없기 때문에 그 존재에 적합하지 않습니다. 우주를 이해하는 인류의 진보는 무질서가 증가하는 우주에서 질서의 작은 구석을 확립하는 것입니다.이 책에 있는 모든 단어를 외우면 기억에 약 200만 단위의 정보가 기록되고 마음의 순서가 약 200만 단위로 증가했을 것입니다.하지만 이 책을 읽으면 음식 형태의 질서 에너지 중 적어도 천 칼로리는 대류와 땀에 의해 주변 공기로 방출되는 열 형태의 무질서한 에너지로 전환된다.이것은 우주의 무질서의 정도를 약 20억 억 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 당신의 머리에 순서의. .나는 다음 장에서 우주의 모든 것에 적용될 완전한 통합 이론을 형성하기 위해 내가 설명한 이론의 일부를 어떻게 결합할 수 있는지 설명하면서 우리 마음에 질서를 조금 더 추가하려고 노력합니다.