유물론에 의한 자연법칙의 기원 : 물리 법칙들이 우연히 생겨날 수 있는가?

미디어위원회

2023-05-05

유물론에 의한 자연법칙의 기원

: 물리 법칙들이 우연히 생겨날 수 있는가?

(On the Origin of Natural Law by Materialism)

by Jerry Bergman, PhD

우주의 기원이 순전히 자연적 과정으로 우연히 생겨났다는 것을 증명하려는 시도는 실패하고 있다.

다중우주론(multiverse hypothesis)은 다중우주의 개념을 수정하거나 우주의 기원에 대한 다른 해답을 만들어야만 하는 중대한 문제에 직면해 있다. 우주의 기원이 순전히 자연법칙의 결과로 우연히 발생했다는 것을 증명하려는 시도는 "자연법칙(natural law)"들이 어떻게, 어디서, 언제 시작되었는가라는 커다란 다중적 문제들에 직면한다.

무신론자의 동기

로사 루비콘디오(Rosa Rubicondior)이라는 필명으로 글을 쓰는 한 작가는 기독교와 지적설계에 반대하는 13권의 책을 저술했다. 13권 모두 리처드 도킨스(Richard Dawkins)가 말한 것처럼 한 가지 주제, 즉 다윈의 진화론은 "지적으로 만족스러운 무신론자가 되는 것을 가능하게 했다"는 것에 초점을 맞추고 있다.[1] 다윈 이전의 시기까지 모든 서양 자연주의자의 99.9%가 창조론자였다. 다윈 이후 오늘날에는 모든 저명한 과학자의 98%가 기능적 무신론자(functional atheists), 즉 신이 없는 것처럼 삶을 살아가는 사람들이다. 로사는 "다윈의 자연선택에 의한 진화론은 창조주 하나님을 믿어야 할 마지막 남은 이유를 효과적으로 종식시켰다.... 다윈 이전에는 어떤 종류의 창조주가 있다는 주장은 난공불락인 것처럼 보였다"고 쓰고 있다.[2] 로사는 그의 책에서 “하나님의 관에 마지막 못을 박고 싶다”고 말한다.

우주의 기원

한 가지 커다란 질문(big question)은 "우주는 어디에서 왔을까?"이다. 고 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 이 분야에서 가장 존경받았던 주요 연구자 중 한 명이었다. 그는 지난 20년 동안 이 질문에 답하기 위해 노력했었다.[3] 간단히 말해, 그가 제안한 이론은 다음과 같다.

생명체 친화적인 우주의 자연법칙들은 우주의 초기 팽창 과정에서 일련의 무작위적 전환을 통해 만들어졌다는 것이다. 이러한 추론에 따라, 우주론자들은 우주가 하나 이상일지도 모른다는 의문을 품기 시작했다. 어쩌면 우리는 각기 다른 빅뱅을 일으켜, 고유한 지역적 물리법칙을 따르는 다양한 우주들이 모여 있는, 거대하고 팽창하는 다중우주에 살고 있는지도 모른다.[4]

우주가 두 개 이상일 수도 있고, 우리가 다중우주에 살고 있을 수도 있다는 식의 추측성 용어가 사용되고 있다는 점에 유의하라. 다중우주론에 대한 문제점들이 누적되면서, 호킹과 그의 동료들은 이론을 수정했다. 하나는 특별한 행성의 원인을 다음과 같이 의인화하는 것이었다. "자연은 선택의 여지가 없었기 때문에, 우주는 있는 그대로의 모습이다". 자연은 선택의 여지가 없었다고? 이 주장을 뒷받침하기 위해 호킹과 그의 동료들은 다음과 같은 결론을 내렸다.

물리학과 우주론의 법칙에는 생명체를 유지시키는 많은 특성들이 있다. 마치 우주가 고정된 것처럼 느껴질 정도이다. 전통적으로 대부분의 과학자들은 물리 법칙들을 뒷받침하는 수학적 관계를, 초월적인 플라톤적 진리로 간주했다. 이 경우 우주 설계의 수수께끼에 대한 답은 (그것이 답인 한도 내에서) 수학적 필연성의 문제라는 것이다. 자연은 선택의 여지가 없었기 때문에, 우주는 그렇게 된 것이다.[5]

"우주는 하나의 고정, 커다란 고정(The universe is a fix – a big one)"이라는 주장은 누가, 어떻게, 왜 커다란 고정(fix)을 가했는 지에 대한 질문을 남긴다. 다른 비과학적 이슈로 우주의 설계(cosmic design)라는 수수께끼가 있다. 빅뱅은 하나의 수수께끼인가? "수학적 필연성(mathematical necessity)"이라는 대답은 정답이 아니다.

빅뱅(Big Bang, 대폭발)이 어떻게 생명체가 번성할 수 있도록 하는 완벽한 수학적 필연성을 만들어낼 수 있었을까? 헤르토그(Hertog)는 설명한다: "우주는 생명체에 매우 적합하도록 설계된 것처럼 보일 수 있다."[6] 물론 우주가 설계되었다는 결론은 스티븐 호킹(Stephen Hawking)과 토마스 헤르토그(Thomas Hertogs)의 무신론적 세계관에 반대되는 것이다. 그들은 빅뱅이 어떻게 완벽하게 설계된 것처럼 보이는 우주를 만들 수 있었는지를 설명하려고 시도하고 있었다. 그들은 우주는 설계된 것이 아니라, 오히려 생명체가 생존할 수 있도록 우주가 진화했다고 주장한다.

법칙들이 스스로 만들어질 수 있을까?

이 주장에는 중력(gravity)과 같은 우주의 일부 물리적 특성은 변치 않는다는 추정도 포함된다. 하지만 스티븐 호킹은 오히려 빅뱅 이후 초기 우주가 냉각되고 응축되는 특정한 방식의 결과일 수 있다고 설명한다. 문제는 냉각과 응축에 대해 알려진 모든 것들은 실재(reality)를 설명하는 법칙을 만들어내지 못한다는 것이다. 내가 가르치는 학생들에게 물리학 수업 시간에 실험실에서 증명할 수 있었던 가장 잘 알려진 과학 법칙들은 다음과 같다 :

뉴턴의 운동 법칙들(Newton's Law of Motion)

∙제1법칙 - 관성의 법칙(the Law of Inertia) : 정지하거나, 일정하게 운동하는 물체는 순 외력(net external force)이 작용하지 않는 한, 계속 정지하거나, 계속 일정하게 운동할 것이다.

∙제2법칙 - 가속도의 법칙(the Law of Motion) : 물체의 가속도는 순력(net force)의 크기에 정비례하고, 순력과 같은 방향으로 작용하며, 물체의 질량에 반비례하여 발생한다.

∙제3법칙 - 작용 반작용의 법칙(the Law of Action-Reaction) : 모든 작용에는 크기가 같고, 방향이 반대인, 반작용이 존재한다.

뉴턴의 관찰을 기반으로 한, 마찰력(frictional force)에 관련된 몇 가지 법칙들은 다음과 같다 :

∙움직이는 물체의 마찰력은 접촉면을 누르는 수직항력에 비례한다.

∙물체가 받는 마찰은 접촉하는 표면의 성질에 따라 달라진다.

∙마찰력은 접촉면의 넓이와 무관하다.

∙운동 마찰력은 운동 속도와 무관하다.

∙정지마찰계수는 운동마찰계수보다 크다.

물리적 우주를 이루고 있는 다른 법칙들은 다음과 같다:

∙역제곱 법칙(inverse square law) : "방사선의 강도는 광원으로부터의 거리의 제곱에 반비례한다."

∙보일의 법칙(Boyle’s law) : 기체의 온도와 양(질량)이 일정하게 유지되는 한 기체의 압력과 부피는 서로 반비례한다.

∙퀴리의 법칙(Curie’s law) : 자기체 물질의 자화(magnetization)는 가해진 자기장에 정비례한다. 물체가 가열되면 자화는 온도에 반비례한다.

∙도플러 효과(Doppler effect) : 파동원이 관측자 쪽으로 이동하면, 주파수가 상향 이동하는 현상이다. 파동원이 관측자 쪽에서 후퇴하면 주파수의 하향 이동이 나타난다.

∙옴의 법칙(Ohm’s law) : 모든 물리적 조건과 온도가 일정하게 유지될 때, 도체를 가로지르는 전압은 도체를 통해 흐르는 전류에 정비례한다.

호킹은 이 모든 법칙들과 다른 많은 법칙들이 자연선택과 유사한 과정을 통해, 초기 우주에서 우연히 어떻게든 생겨났다고 가정한다.[7] 호킹은 물리 법칙들의 변화는 "무작위적 양자도약(random quantum jumps)이 결정적 행동에서 자주 작은 이탈을 일으키고, 때로는 더 큰 이탈을 일으키기 때문에 발생했다"고 말한다.[8] 따라서 중력의 값은 빅뱅 동안 현재의 9.8m/s2로 고정되어 있기 때문에, 오늘날 우주 어디에서나 동일하다고 호킹은 추론했다. 호킹은 이러한 무작위적 양자도약 중 일부, 특히 더 큰 양자도약은 선택이 발생하여, 빅뱅 내에서 어떻게든 "동결(frozen, 고정)"될 수 있었다고 주장한다. 어떻게 그리고 왜 동결되었는지는 설명하지 않았다. 호킹은 이러한 동결이 모든 물리 법칙들의 후속 진화를 형성하는데 도움이 되는 새로운 조건들을 발생시켰다고 설명한다.

추측되는 다중 우주

우주론자들의 일반적 가정에 따르면, "다중 우주(multiverse)는 모두 동일한 물리 법칙들에 의해 묶여져 있는, 개별 우주들의 조각보(patchwork quilt)“라는 것이다.[9] 그러나 호킹은 다른 우주에서는, 적어도 생명체의 자연발생에 적합한 조건을 생성한 많은 우주들 중 하나에서는, 다른 물리 법칙들이 존재한다는 매우 다른 상황을 가정하고 있다.

물리 법칙들이 진화했거나 진화할 수 있다는 증거가 없으며, 이것은 단지 호킹의 추측에 불과한 것이다. 또한 생물 진화에 대한 화석 기록처럼, 과거에는 달랐다는 증거도 없다. 호킹은 모든 필수적인 물리 법칙들은 설계된 것이 아니라, 알 수 없는 어떤 이유로 인해 생명체가 번성할 수 있도록, 적절하게 만들어진 '우연'들이라고 주장한다. 따라서 이러한 생각에 따르면,

대부분의 우주는 불모지이지만, 일부 우주에서는 자연 법칙들이 생명체에 적합할 수 있다. 끈(String) 이론가인 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)는 다중 우주의 물리적 법칙의 지역적 특성을 미국 동부 해안의 날씨에 비유한 적이 있다: "엄청나게 변덕스럽고, 거의 항상 끔찍하지만, 드물게는 사랑스럽기도 하다." 그의 견해에 따르면, 우리의 쾌적한 우주 날씨는 우연이며, 설계된 것 같은 느낌은 환상이라는 것이다.

더 나아가, 무작위적 양자도약(random quantum jump)이 새로운 우주를 만들었다는 것이다.

양자역학에서 다중 세계 해석의 현실 세계 변형과 같이, 무작위적 양자도약(quantum jump)은 사건의 전환이 발생할 때, 새로운 우주를 만든다. 홀로그램 다중우주(holographic multiverse)는 공간의 표면적이 해당 영역의 부피의 내용을 암호화할 수 있다는 이론에서 파생되었다.

양자요동(quantum fluctuation, 진공상태요동, 또는 진공요동이라고도 함)은 공간의 한 지점에서 에너지 양의 일시적인 무작위적 변화이다.[12] 우주의 기원을 무작위적 요동으로 설명하려는 시도의 문제점은 아무것도 설명하지 못한다는 것이다. "요동이란 무엇인가?"라는 질문이 생겨난다. 에너지? 하지만 어떤 종류의 에너지일까? 어떤 물질이 에너지가 될까? 위(up), 아래(down), 기묘(strange), 맵시(charm), 바닥(bottom), 꼭대기(top) 쿼크? 전자? 양성자? 중성자? 중성미자? 뮤온? 광자? 양전자? 이것들은 주변적 관심사가 아니지만, 호킹 이론의 핵심이다.

당신의 이론을 선택하기

다중 우주론은 하나의 이론이며, 우리 우주 외에 다른 우주들에 대한 증거는 존재하지 않는다. 호킹의 이론은 사실에 의해 제한받지 않고, 사실을 넘어서는 추측이다. 호킹 우주론의 핵심은 우주마다 물리 법칙들이 다르다는 것이다. 또 다른 다중 우주론은 "메타 법칙(metalaws)"들이 존재한다는 것인데, 그것은 우리 태양계에 있는 것으로, 많은 우주들에 있는 것이라는 것이다. 메타 법칙 이론은 모든 곳에서 중력은 동일하다고 가정하며, 우리가 거주하는 우주에서만 특별하다고 보지 않는다. 검증해볼 수 있는 주요 사실들이 없다면, 다중 우주론이라는 공상은 검증 가능한 예측 없이, 역설의 소용돌이에 휘말릴 수밖에 없다.

요약

호킹은 자신의 이론을 일반 대중에게 설명하는 능력으로 잘 알려져 있다. 나는 대학에서 물리학, 화학, 생화학을 가르치면서, 그의 이론 중 상당 부분이 난해한 전문 용어들을 과도하게 사용하며, 의미가 없거나 이해할 수 없는 언어들이라 것을 알게 되었다. 과학자들은 300년 동안 실험실 기반의 관찰 가능한 물리학에 집중해 왔다. 이러한 집중 덕분에 과학은 엄청난 발전을 이룰 수 있었다. 조작된 수학의 옷을 입은 상상력에 기반한 추측은 전혀 생산적이지 못하다. 호킹은 우주가 설계된 것처럼 보이지만, 실제로는 설계되지 않았다는 생각을 고수하기 위해서, 자신이 '최종 정리(Final Theorem)'라고 부르는 가정을 세웠는데, 이 정리는 다음에 평가할 것이다. 호킹이 제안한 이 ‘최종 정리’는 호킹이 자신의 이론에 남아있는 문제점들을 다루고 있다.

References

[1] Dawkins, Richard. The Blind Watchmaker: Why the Evidence of Evolution Reveals a Universe without Design. W.W. Norton & Company, New York, NY, 1986, p. 6.

[2] Rubicondior, Rosa. An Unprejudiced Mind: Atheism, Science & Reason (The Light of Reason). CreateSpace Independent Publishing Platform, Scotts Valley, CA, 2015.

[3] Stephen Hawking’s parting gift. New Scientist 257(3431):5; 25 March 2023.

[4] Hertog, Thomas. Stephen Hawking’s final theorem turns time and causality inside out. New Scientist, Issue 3431, p. 40; 20 March 2023.

[5] Hertog, 2023, p. 40. Emphasis added.

[6] Hertog, 2023, p. 41. Italics added.

[7] Hertog, 2023, p. 40.

[8] Hertog, 2023, p. 40.

[9] New Scientist. The Universe Next Door: A Journey Through 55 Alternative Realities, Parallel Worlds and Possible Futures John Murray Press, London, England, p. 12. Emphasis added.

[10] Hertog, 2023, p. 40.

[11] Hertog, 2023, p. 40.

[12] Pahlavani, Mohammad Reza. Selected Topics in Applications of Quantum Mechanics. IntechOpen Publishing, London, England, 2015.

*Dr. Jerry Bergman has taught biology, genetics, chemistry, biochemistry, anthropology, geology, and microbiology for over 40 years at several colleges and universities including Bowling Green State University, Medical College of Ohio where he was a research associate in experimental pathology, and The University of Toledo. He is a graduate of the Medical College of Ohio, Wayne State University in Detroit, the University of Toledo, and Bowling Green State University. He has over 1,300 publications in 12 languages and 40 books and monographs. His books and textbooks that include chapters that he authored are in over 1,800 college libraries in 27 countries. So far over 80,000 copies of the 60 books and monographs that he has authored or co-authored are in print. For more articles by Dr Bergman, see his Author Profile.

*관련기사 : 생물의 진화에도 물리학 원리가 있다 (2021. 6. 19. 동아일보)

https://www.donga.com/news/Culture/article/all/20210618/107510086/1

생명에 관여하는 보편적 물리법칙 29가지 (2021. 6. 18. 한겨레)

https://www.hani.co.kr/arti/culture/book/999891.html

*참조 : 호킹은 불합리한 글들을 남기고 우리의 특별한 행성을 떠났다.

https://creation.kr/Cosmos/?idx=14907662&bmode=view

스티븐 호킹의 어리석은 도전 : 자연법칙은 왜 존재하는가?

https://creation.kr/Cosmos/?idx=1294068&bmode=view

스티븐 호킹의 무신론

https://creation.kr/HistoryofEvolution/?idx=1290156&bmode=view

다중우주론 : 우리 우주는 수많은 우주들 중 하나인가?

https://creation.kr/Cosmos/?idx=1294033&bmode=view