외계인이 지구에 착륙하고 현재의 과학적 지식을 배우고 싶다고 가정하십시오. 나는 40 살짜리 다큐멘터리 Ten 부터 시작할 것입니다. . 물론, 그것은 약간의 구식이지만, 유명한 디자이너 커플 Charles와 Ray Eames가 작성하고 감독 한이 단편 영화는 10 분 이내에 우주의 포괄적 인 시야를 캡처합니다.
.스크립트는 간단하고 우아합니다. 영화가 시작되면 시카고 공원에서 몇 피크닉이 보입니다. 그런 다음 카메라가 확대됩니다. 10 초마다 시력 필드는 10 미터에서 100, 1,000에서 10 미터까지 10의 힘을 얻습니다. 천천히 큰 그림이 우리에게 드러납니다. 우리는 도시, 대륙, 지구, 태양계, 이웃 별, 은하수, 우주의 가장 큰 구조물까지 이하를 봅니다. 그런 다음 영화의 후반부에서 카메라는 가장 작은 구조를 확대하고 탐구하여 점점 더 많은 미세한 세부 사항을 발견합니다. 우리는 인간의 손으로 여행하고 세포, DNA 분자의 이중 나선, 원자, 핵 및 마지막으로 양성자 내부에서 진동하는 기본 쿼크를 발견합니다.
이 영화는 Macrocosm과 MicrocoM의 놀라운 아름다움을 포착하고 기본 과학의 도전을 전달하기위한 완벽한 절벽 결말을 제공합니다. 그 당시 8 살짜리 아들이 처음 보았을 때“어떻게 계속됩니까?”라고 물었습니다. 정확히! 다음 순서를 이해하는 것은 우주의 가장 크고 작은 구조에 대한 우리의 이해의 국경을 추진하는 과학자들의 목표입니다. 마지막으로, 나는 아빠가 직장에서하는 일을 설명 할 수있었습니다!
Ten 의 힘 또한 우리는 길이, 시간 및 에너지의 다양한 규모를 가로 지르는 동안 우리는 다른 지식의 영역을 여행한다는 것을 가르쳐줍니다. 심리학 연구 인간 행동, 진화 생물학은 생태계를 조사하고 천체 물리학은 행성과 별을 조사하며 우주론은 우주 전체에 집중합니다. 마찬가지로, 내면으로 이동하면, 우리는 생물학, 생화학 및 원자, 핵 및 입자 물리학의 주제를 탐색합니다. 마치 과학 분야가 그랜드 캐년에 전시 된 지질 층처럼 지층으로 형성되는 것처럼 보입니다.
한 층에서 다른 층으로 이동하면서, 우리는 현대 과학의 두 가지 중요한 조직 원칙 인 출현과 감소주의의 예를 봅니다. 확대되면 개별 빌딩 블록의 복잡한 동작에서 새로운 패턴이 "등장"을 볼 수 있습니다. 생화학 적 반응은 지각있는 존재를 야기합니다. 개별 유기체는 생태계로 모입니다. 수백 억 개의 별이 모여 은하계의 웅장한 소용돌이를 만들어냅니다.
우리가 미세한 견해를 뒤집고 취하면서, 우리는 직장에서 감소주의를 본다. 복잡한 패턴은 기본 간단한 비트로 녹습니다. 수명은 DNA, RNA, 단백질 및 기타 유기 분자 사이의 반응으로 감소합니다. 화학의 복잡성은 양자 기계 원자의 우아한 아름다움으로 평평 해집니다. 그리고 마지막으로, 입자 물리학의 표준 모델은 단지 4 가지 힘과 17 개의 기본 입자에서 알려진 물질과 방사선의 모든 성분을 포착합니다.
이 두 가지 과학적 원칙 중 어느 것이 감소주의 또는 출현이 더 강력합니까? 전통적인 입자 물리학 자들은 환원주의를 주장 할 것이다. 복잡한 물질을 연구하는 응축 된 물리학 자. 노벨상 수상자 (및 입자 물리학 자) David Gross에 의해 분명히 표현 된 바와 같이 :본질적으로 어디에서 아름다움을 찾을 수 있고 어디에서 쓰레기를 찾을 수 있습니까?
우리 주변의 현실의 복잡성을 살펴보십시오. 전통적으로 입자 물리학 자들은 소수의 입자와 그 상호 작용을 사용하여 자연을 설명합니다. 그러나 요약 물리학 자들은 물리학자가 묻습니다. 매일의 물 한 잔은 어떻습니까? 대략 10 개의 개별 물 분자 (기본 입자는 물론)의 움직임 측면에서 표면 잔물결을 묘사하는 것은 어리석은 일입니다. 전통적인 입자 물리학 자들이 직면 한 소규모 (“쓰레기”)에서 뚫을 수없는 복잡성 대신, 응축 물리 물리학자는 유체 역학 및 열역학의“아름다움”을 사용합니다. 사실, 우리가 분자의 수를 무한대로 가져갈 때 (감소 주의적 관점에서 최대 쓰레기와 동일), 이러한 자연 법칙은 선명한 수학적 진술이됩니다.
많은 과학자들은 지난 세기의 경이로운 성공적인 감소 주의적 접근을 칭찬하는 반면, 핵 물리학에서 블랙홀에 이르기까지 영향력있는 프린스턴 대학 물리학자인 존 휠러 (John Wheeler)는 흥미로운 대안을 표현했다. "극단적 인 물리학 법칙은 수학적으로 완벽하고 정확하지 않은 통계적이고 근사한 것으로 밝혀 질 것"이라고 그는 말했다. Wheeler는 출현 법의 중요한 특징을 지적했습니다. 대략적인 특성은 미래의 진화를 수용 할 수있는 특정 유연성을 허용합니다.
여러면에서 열역학은 많은 현미경 세부 사항에 관계없이 많은 입자의 집단적 행동을 설명하는 출현 법의 금 표준입니다. 그것은 간결한 수학적 공식으로 놀랍도록 넓은 종류의 현상을 포착합니다. 법은 위대한 보편성을 유지합니다. 실제로, 그들은 물질의 원자 기반이 확립되기 전에 발견되었습니다. 그리고 허점이 없습니다. 예를 들어, 열역학 제 2 법칙에 따르면 시스템의 엔트로피 (숨겨진 미세한 정보의 양)는 항상 시간이 지남에 따라 커질 것입니다.
Modern Physics는 소위 재 정규화 그룹 인 사물의 규모를 포착하는 정확한 언어를 제공합니다. 이 수학적 형식주의는 우리가 작은 것에서 큰 것으로 체계적으로 갈 수있게합니다. 필수 단계는 평균을 취하는 것입니다. 예를 들어, 물질을 구성하는 개별 원자의 거동을 보는 대신, 우리는 작은 큐브를 가져 가서 양쪽에 10 개의 원자를 넓게 잡고이 큐브를 새로운 빌딩 블록으로 가져갈 수 있습니다. 그런 다음이 평균화 절차를 반복 할 수 있습니다. 마치 각 물리적 시스템에 대해 하나의 개인 힘을 10 로 만듭니다. 영화.
재 정규화 이론은 관찰이 이루어지는 길이 척도를 증가시키는 경우 물리 시스템의 특성이 어떻게 변하는 지 자세히 설명합니다. 유명한 예는 양자 상호 작용에 따라 증가 또는 감소 할 수있는 입자의 전하입니다. 사회 학적 사례는 개별 행동에서 시작하는 다양한 규모의 그룹의 행동을 이해하는 것입니다. 군중들에게 지혜가 있습니까, 아니면 대중이 책임감있게 행동합니까?
가장 흥미로운 것은 재 정규화 과정의 두 가지 종점입니다 :무한 크고 무한한 작은 것입니다. 여기에서 모든 세부 사항이 씻겨 지거나 환경이 사라지기 때문에 일반적으로 단순화됩니다. 우리는 10 세의 파워의 두 절벽 행거 결말로 이와 같은 것을 본다. 우주의 가장 크고 작은 구조는 놀랍게도 단순합니다. 여기에서 우리는 입자 물리학과 우주론의 두 가지 "표준 모델"을 찾습니다.
놀랍게도, 이론 물리학에서 가장 강력한 도전에 대한 현대의 통찰력 (양자 중력 이론을 개발하려는 추진)은 환원주의와 출현 관점을 모두 사용합니다. 교란 적 줄 이론과 같은 양자 중력에 대한 전통적인 접근법은 모든 입자와 힘에 대한 완전히 일관된 미세한 설명을 찾으려고 노력합니다. 이러한 "최종 이론"은 반드시 중력장의 기본 입자 인 중력 이론을 포함한다. 예를 들어, 문자열 이론에서, 중력은 특정 방식으로 진동하는 문자열로 형성됩니다. 문자열 이론의 초기 성공 중 하나는 그러한 중력의 행동을 계산하는 계획이었습니다.
그러나 이것은 부분적인 대답 일뿐입니다. 아인슈타인은 중력이 훨씬 더 넓은 범위를 가지고 있다고 가르쳤다. 그것은 공간과 시간의 구조를 다룬다. 양자 역학적 설명에서 공간과 시간은 초음파 거리와 시간 척도에서 의미를 잃어 기본 개념을 대체하는 것에 대한 의문을 제기합니다.
중력과 양자 이론을 결합하는 보완적인 접근법은 1970 년대에 블랙홀의 정보 내용에 대한 Jacob Bekenstein과 Stephen Hawking의 획기적인 아이디어로 시작되었으며 1990 년대 후반 Juan Maldacena의 주요 작품과 함께 시작되었습니다. 이 제형에서, 모든 입자와 힘을 포함한 양자 적 시공간은 완전히 다른“홀로그램”설명에서 나온다. 홀로그램 시스템은 양자 기계적이지만 명백한 형태의 중력이 없습니다. 또한 일반적으로 공간 치수가 적습니다. 그러나 시스템은 시스템이 얼마나 큰지를 측정하는 숫자에 의해 관리됩니다. 그 숫자가 증가하면 고전적인 중력 시스템에 대한 근사가 더 정확 해집니다. 결국, 아인슈타인의 일반적인 상대성 방정식과 함께 공간과 시간은 홀로그램 시스템에서 나옵니다. 이 과정은 열역학 법칙이 개별 분자의 움직임에서 나오는 방식과 유사합니다.
어떤 의미에서,이 운동은 아인슈타인이 달성하려는 것과 정확히 반대입니다. 그의 목표는 공간과 시간의 역학에서 자연의 모든 법칙을 구축하여 물리학을 순수한 기하학으로 줄이는 것이 었습니다. 그를 위해, 시공간은 과학적 대상의 무한 계층 인 그랜드 캐년의 바닥에서 자연스러운“지면”이었다. 현재의 관점은 시공간을 출발점이 아니라 종말점으로 생각합니다. 물 한 잔을 지배하는 열역학과 마찬가지로 양자 정보의 복잡성에서 나오는 자연 구조로 생각합니다. 아마도 돌이켜 보면, 아인슈타인이 가장 좋아하는 두 가지 물리 법칙, 열역학 및 일반 상대성은 출현 현상으로 공통된 기원을 가지고있는 것은 우연이 아니 었습니다.
.어떤면에서,이 놀라운 출현과 축소주의의 결혼은 두 세계의 최고를 즐길 수있게 해줍니다. 물리학 자에게는 아름다움이 스펙트럼의 양쪽 끝에서 발견됩니다.
