물리학의 분열된 성격: 다크 사이드가 이기고 있는가?

한동안 지금 우주의 대부분은 어두워졌다. 이 놀라운 뉴스는 뉴욕 타임즈의 6월 Op-Ed 기사에서 "물리학의 가장자리에 있는 위기"라는 제목의 기사에서 대중의 관심을 끌었다. 그것은 "물리학자들은 그들의 이론을 확인하기 위해 경험적 증거가 필요한가?"라고 시작했다. 다시 말해, 일단 자연이 어떻게 작동하는지에 대한 이론적 설명을 알아낸다면, 그것을 증명할 증거가 필요할까?

대답은 명백한 예스인 것 같다. 만약 누군가가 유니콘이 블랙홀의 중심에 산다는 이론을 가지고 있다면, 아무도 증거 없이 그것을 믿지 않을 것이다. 하지만 100년 동안, 양자 혁명 이후, 수학은 종종 경험적 데이터를 대체해 왔다. 경험주의가 길을 안내하기에 양자 세계는 일상 세계와 너무 멀리 떨어져 있다. 1919년 천문학자들이 빛이 곡선으로 구부러질 수 있다는 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하기 위해 개기일식을 사용했을 때처럼 불가사의한 이론에 대한 유명한 검증이 있었다.

그러나 지난 반세기 동안, 증거 수집을 통해 증명될 수 없거나 거의 증명할 수 없는 많은 이론들이 있었다. 전문 우주론자는 빅뱅의 첫 순간에 일어난 일, 이른바 플랑크 시대로 불리는 것을 결코 관찰하지 못할 것이다. 그것은 우리가 알고 있는 물질과 에너지가 아직 존재하지 않았기 때문이고, 아마도 공간과 시간과 함께 자연의 법칙도 존재하지 않았기 때문이다. 플랑크 시대는 알려진 우주와 알려지지 않은 다른 상태 사이의 첨예한 구분의 예시이다.

알 수 없는 것에 대한 다른 후보들은 무한한 중력을 포함하는 것으로 생각되는 블랙홀의 중심들이다. 가장 기본적인 수준에서, 블랙홀은 모든 물질과 에너지를 삼키기 때문에, 그것들은 때때로 우주의 진공 청소기라고 불리기도 한다. 블랙홀 주변부에서의 방사선을 제외하고는 어떠한 입자나 에너지도 그것들로부터 빠져나갈 수 없다. 거의 알 수 없는 사람들이 사용 가능한 경험적 데이터를 제공하기 위해 거대한 10억 달러 입자 가속기가 제작되어 진공에서 이국적인 아원자 입자를 폭발시키고 심지어 그때까지도 많이 떠들썩한 "신 입자(힉스-보손)"에 대해서도 정확히 무슨 일이 일어났는지 이해하기 위해 수학 물리학자 팀이 그것을 분석한다.

타임즈 기사에서 언급된 위기는 경험적 증거가 필수였던 수세기 동안의 과학에서 벗어나는 것이다. 현대 물리학의 최첨단에서 증거는 가능성 혹은 절대이다. 다중우주론, 슈퍼스트링 이론과 같이 대중화된 다양한 이론들은 현실에 대해 아무 말도 하지 않을 수도 있는 수학에 전적으로 기반을 두고 있다. 초대칭과 파동 함수의 붕괴와 같은 개념은 결코 직접 목격되지 않는 과정을 설명한다.

그러나 아마도 가장 큰 장애물은 암흑물질과 암흑에너지로 인해 우주의 대부분이 닿지 않는 곳으로 떠돌게 된 것일 것이다. 이 두 개의 실체는 일반적인 의미에서 어둡다고 불린다.--그들은 빛을 내지 않고 볼 수 없다. 그러나 그것들은 또한 근본적으로 어두울 수 있는데, 이는 암흑 에너지의 경우 그것의 구조가 중력이나 실제로 그것의 반대인 것을 제외하고는 원자, 분자, 그리고 자연의 네 가지 기본 힘과 유사성을 가질 수 없다는 것을 의미한다. 암흑물질과 에너지의 존재는 은하가 서로 떨어져 날면서 가속하는 실제 관측과 우주에 존재하는 보통의 질량과 에너지의 관련 계산 때문에 필요하다고 여겨져 왔다.

어둠이 얼마나 많이 존재하는지를 제외하고 어둠은 틈새의 대상이 될 것이다. 현재 가장 좋은 계산으로는 우주가 4.9%의 규칙 물질, 26.8%의 암흑 물질, 68.3%의 암흑 에너지라고 한다. 이 중 4.9%는 수십억 개의 은하에 포함된 모든 발광 물질과 성간 먼지에 포함된 엄청난 양의 비발광 물질을 포함하고 있다. 그래서 창조의 가장 작은 부분은 경험적인 데이터를 제공하는 것이다. 물리학은 아이스크림 위에 체리를 올려놓거나, 빙산의 일각, 혹은 몸이 사라진 후 체셔 고양이의 미소를 다루고 있다. 당신이 좋아하는 어떤 비유든 골라라. 우주의 대부분은 적어도 꽤 이국적이다.

현 상황에서 미래 과학은 어떻게 진행되어야 할까? 경험주의가 여전히 보금자리를 지배하는 것처럼 계속 행동하는 것은 지적으로 순진하거나 헛된 것처럼 보인다. 불가사의한 수학은 오래 전에 그것을 폐기했고, 그들의 솔직한 순간에, 이론물리학자들은 자연이 이러한 이론들이 예측하는 방식으로 행동하는 것을 믿는 것은 대체로 믿음의 문제라는 것을 인정할 것이다. 실제로 양자역학의 창시자들 중 많은 사람들은 이론이 실제로 자연과의 상호 작용에 관한 것이지, 사물이 어떻게 작용하는지에 관한 것이 아니라는 견해를 가지고 있었다. 물리학과 우주론의 최첨단에서 물리적 검증은 불가능하거나 실에 걸려 있다는 사실에 직면하는 것이 현실적인 것처럼 보인다.

물리학의 위기는 과학만큼이나 철학적이다. 우리는 그리스 철학자들이 2,000년 전부터 고민하기 시작한 세 가지 큰 미스터리를 풀지 못했다. 우주는 어디에서 왔을까? 그것은 무엇으로 만들어졌을까? 우리의 지식이 현실에 기반하는지 어떻게 알 수 있을까? 대부분의 일하는 과학자들은 이러한 우주적인 수수께끼에 직면하지 않아도 그들의 연구를 따라갈 수 있다. 그러나 그 답을 찾기 위한 탐색에서, 두 개의 진영이 나타났다. 한 진영은 "조금만 더 참아. 거의 다 왔어요" 다른 진영은 "우리는 아직 답을 찾기 시작하지도 않았다"고 말한다.

수십 년 동안 첫 번째 진영이 지배해 왔다. 물리학의 위기는 "우리가 거의 다 왔다"는 신뢰의 상실로 귀결된다. 다음 게시물에서 우리는 "아직 시작도 안 했다"는 한 진영이 완전히 옳을 수 있는 이유를 제공할 것이다.