중력은 단순히 엔트로피가 증가하는 현상일까? 먼 길 돌아 다시 주목받는 이론

• 최근 이론물리학자들은 중력을 미시적 입자들의 무작위적 상호작용, 즉 엔트로피 증가의 결과로 보는 모델을 제시함
• 이 모델은 엔트로피와 중력의 관계에 초점을 맞추며, 기존 중력 이론에 대한 대안적 접근을 탐구함
• 엔트로피 중력 모델은 검증 가능한 실험적 예측을 제공하며, 실제 중력이 기본 힘이 아니라 집단적 현상임을 시사함
• 그러나 이 모델은 뉴턴의 중력 법칙만 설명하며, 일반 상대성 이론의 공간-시간 곡률같은 깊은 특성을 담지는 못함
• 새로운 이론은 양자 중첩, 웨이브 함수 붕괴 등과도 연결되어, 양자중력이론 및 중력의 본질 탐구에 실마리를 제공함

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뉴턴, 아인슈타인, 그리고 중력의 재해석

• 아이작 뉴턴은 중력의 본질에 대해 혼란을 품었으며, 당시 여러 학자들이 중력을 실제로는 '당기는 힘'이 아닌 '미는 힘'으로 해석하려 시도함
• 알버트 아인슈타인은 중력이 공간과 시간의 왜곡이라고 설명했으나, 이 또한 완전한 설명은 아니었음
• 중력이 미시적 입자들의 집단적 효과, 즉 '스웜 행동'에서 나타나는 현상이라는 해석은 여전히 많은 물리학자들의 관심사임

엔트로피 중력 이론의 현대적 부활

• 최근 Daniel Carney 등 이론물리학자 팀은, 우주에 보이지 않는 열적 시스템이 존재하여 이로 인해 우리가 아는 모든 중력 현상이 설명될 수 있다는 모델을 제시함
• 이 접근은 '엔트로피 중력'이라 불리며 중력을 열(heat) 물리학으로 간주함
• 엔트로피 중력은 보일러, 자동차 엔진, 냉장고 등에서 보듯, 입자의 무작위 움직임과 혼합에 의해 엔트로피가 증가하는 현상과 동일한 원리로 중력이 생성된다고 설명함

일반 상대성 이론과 엔트로피의 연결

• 일반 상대성 이론은 아름답고 정확한 예측을 제공하지만, 블랙홀 내부처럼 특이점에서는 설명력이 사라지는 한계점을 가짐
• 일반 상대성 이론은 블랙홀은 늘어날 뿐 줄지 않으며, 흡수만 하고 방출하지 않는 등 엔트로피적인 현상과 유사함
• 양자역학으로 설명 시 블랙홀에서 열적 방출(호킹 복사)이 일어나, 블랙홀 또는 공간-시간이 실제로 미시적 입자나 구성요소로 이루어졌을 가능성 시사

홀로그래피 원리와 Jacobson의 접근

• 홀로그래피 원리는 미시적 입자들이 만드는 패턴이 추가적인 차원을 만들어 중력이 자연스럽게 나타남을 설명함
• Ted Jacobson은 공간-시간이 독자적인 열적 성질을 가진다는 가정 아래, 그로부터 일반 상대성 이론의 방정식을 연역함
• 이 접근은 중력과 열의 깊은 연관성을 강조함

Carney 등의 구체적 모델

• 첫 번째 모델: 공간이 양자 입자(큐비트) 의 결정격자로 이뤄졌으며, 질량이 있는 물체가 인근 큐비트를 재배열하여 질서 있는 영역(엔트로피 감소)을 형성함
  • 두 질량이 가까워질수록 전체 시스템의 엔트로피를 높이기 위해 질량이 서로 끌리는 효과 발생
  • 이 효과는 뉴턴의 중력 법칙과 동일하게 거리에 따라 약해짐
• 두 번째 모델: 큐비트가 특정 위치에 얽매이지 않으며 비국소적으로 질량에 영향 줌
  • 두 질량의 거리 변화 시 각 큐비트가 저장할 수 있는 에너지 변화 → 질량이 가까워질수록 시스템의 엔트로피가 증가하도록 만듦

강점과 한계

• 두 모델 모두 실제 큐비트의 존재에 대한 독립적 증거 없음, 힘의 세기와 방향 미세 조정 필요
• 일반 상대성 이론처럼 공간-시간 곡률이나, 자유낙하시 중력 불감 등 중력의 핵심적 특성을 설명하지 못함
• Newton의 약한 중력 영역만 설명하며, 블랙홀 등 강한 중력 영역에 대한 설명력 부족
• 모델은 원리 증명 수준으로, 실제 우주를 모델링하기에는 한계 지님

실험적 검증 및 의미

• 이론의 가장 큰 장점은 검증 가능한 예측을 제공한다는 점
• 예를 들어, 질량체가 두 위치에 동시에 존재하는 양자 중첩 상태일 때, 이 모델은 큐비트가 이를 붕괴시킬 것으로 예측함
• 이는 웨이브 함수 붕괴 현상과 연결되어 있으며, 현재 이러한 붕괴 모델을 실험적으로 검증하는 시도 진행 중임
• 아직 실제 중력이 홀로그래피적으로 발생하는지 확정되지 않았으므로, 엔트로피적 기원이 존재할 가능성도 연구할 가치가 있음

결론 및 시사점

• 엔트로피 중력 이론은 여전히 소수설임에도 불구하고, 중력의 본질적 이해에 새로운 실험 방향과 질문을 제공함
• 이 이론이 올바르다면, 중력은 더 이상 법칙이 아니라 통계적 경향성으로 재해석될 필요 있음

[GN⁺]

Hacker News 의견

• 엔트로피 중력은 "브라질 너트 효과"와 비슷하다는 설명을 하고 싶음
  브라질 너트 효과란 유리잔에 여러 크기의 견과류를 넣고 흔들면 큰 견과류(브라질 너트)가 위로 올라오는 현상임
  이 현상은 큰 견과류가 더 무거워서 흔들릴 때 천천히 움직이고, 작은 땅콩들은 아래 빈 공간으로 채워지는 결과로 해석 가능
  엔트로피 중력 이론에서는 무작위로 사방에서 입자가 대상을 세게 때리는 기본 밀도가 있다고 생각함
  두 개의 큰 질량체가 가까워지면 그 사이의 입자 밀도가 낮아져 서로를 끌어당기는 효과처럼 보임
  입자가 그림자를 드리우는 것 같은 효과를 낸다는 설명임
  다만 입자가 큰 물체와 상호작용하는 밀도에 대한 가정이 설득력 있게 성립하기 힘들다고 생각함
  누군가 더 잘 아는 사람이 오류를 지적해주면 좋겠음
  브라질 너트 효과는 실제로 관찰 가능한 효과임
  건포도를 꺼내고 싶으면 시리얼을 흔들고, 고양이 화장실에서도 흔들면 선물이 위로 올라옴
  아래 링크로 관련 위키피디아 granular convection 설명과 유튜브 영상 참고 가능

  • 나도 물리학자는 아니지만, 위에서 설명한 얘기와 관련 있는 파인만 강의의 한 대목이 떠오름
    파인만 강의 원문 링크
    요지는, 중력을 설명하려는 여러 가설 중 하나에 대해 설명하며, 입자가 모든 방향에서 아주 빠른 속도로 움직이며 약간씩만 흡수된다고 가정
    이 입자들이 지구에 충격을 주는데, 어디서나 균일하면 평형
    하지만 태양이 가까울 때는 태양에서 오는 입자가 일부 흡수되어 그 방향에서 incoming 입자가 줄어든다는 논리
    그래서 지구가 결국 태양 쪽으로 끌리는 것처럼 보이나, 실제로는 이 이론이 맞지 않음
    만약 이게 맞다면, 지구가 태양 주위를 돌 때 앞쪽에서 더 많은 입자를 맞으므로 저항을 받고, 곧 멈추게 됨
    이 메커니즘으론 실제 우주에서 지구처럼 오랜 기간 궤도를 유지할 수 없음
    즉, 여러 사람이 이 방식의 중력기계를 떠올렸다가 반드시 잘못된 예측을 하게 되므로 성립이 안 된다는 내용임

  • 이 유튜브 영상이 과립 물리학을 더 잘 설명함
    진동의 속도(진폭)가 입자들이 예상외로 배치되는 결과를 보여줌
    낮은 진동에서는 뉴턴중력과 유사하게 작용하지만, 더 빠른 진동에서는 MOND 중력과 비슷한 현상을 보임
    은하와 대형 공허가 생기기도 하며, 이론적으로 암흑물질 없이도 설명 가능함

  • 엔트로피 해석에 따르면, X개의 확률적으로 동등한 상태가 있고, 어떤 조건을 가장 많이 만족하는 상태가 많을 때 다음 상태가 그쪽으로 갈 가능성이 높다는 논리임
    예시로, N개의 동전을 던지면 가능한 상태가 2^N개임
    전체가 모두 앞면인 경우는 단 하나
    반은 앞, 반은 뒷면인 조합은 훨씬 많으니 N이 커질수록 평균적으로 반은 앞면이라는 '거시적' 상태가 압도적으로 많음
    엔트로피는 이런 '거시적으로 많이 가능한 상태' 쪽으로 시스템이 자연스럽게 이동하려는 경향이 있다는 이야기임

  • "큰 물체가 더 질량이 커서 흔들릴 때 천천히 움직인다"는 설명에 의문
    만약 큰 물체가 더 느리게 움직인다면, 용기의 가속 기준으로 보면 더 빨리 움직인다고 볼 수 있지 않을까?
    일상적인 설명은, 흔들면 잠깐씩 공간이 생기고 더 작은 물체가 그 작은 공간을 채우며 아래로 빠질 확률이 높아서 생기는 현상이라고 이해함

  • 더 질량이 큰 입자는 실제로 더 작지 않은지(de Broglie 파장 기준에서), 그러면 '그림자'도 더 작게 드리워지지 않을까 궁금
    혹시 다른 상호작용에선 입자의 '크기'와 질량의 관계가 달라서, 예를 들어 중력에서는 입자의 크기가 질량에 비례하는지 등 혼란스러움
    그리고 QM(양자역학) 초입에서 wavefunction이 '광자'로 측정할 때 위치확률진폭을 설명한다면, 만약 Z 보존 같은 다른 상호작용으로 측정했다면 입자의 '위치' 해석이 완전히 달라질지 추가로 궁금함

• 통계역학에서의 엔트로피 정의는 시스템 내 입자들의 가능한 배열 수에 의한 것임
  닫힌 시스템에서 엔트로피는 '열적 죽음'(heat death)이라고 극적으로 표현되는 평형 상태로 수렴
  하지만, 우주는 팽창 중이므로 가능한 배열 수(상태 수도) 계속 증가
  만약 우주 팽창 속도가 구성요소 재분포보다 빠르다면 엔트로피가 줄어들 수도 있음
  이런 관점에선, 엔트로피가 중력에 핵심 요소로 들어간 이론은 시간이 지남에 따라 중력이 변화한다는 예측을 할 수 있음

• 엔트로피 중력은 매력적인 프레임워크라고 생각함
  많은 물리학자들이 '아직 밝혀지지 않은 모든 것의 이론'이 미시적이면서 양자역학적이고, 매우 약한 중력이 마치 회계상의 오차처럼 이론에서 도출되면 좋겠다고 여김
  하지만 이런 이론들은 기본적으로 너무 많은 가정을 전제로 하기에 "봐라, 아인슈타인 방정식이 나왔다"고 해도 쉽게 믿기 힘듦

  • Jacobson이 열역학과 특수상대를 결합하면 일반상대성이 도출됨을 보였는데, 이 두 조건 자체가 너무 일반적이어서 더 요구할 게 있을지 고민스러움

  • 개인적으로 문제적이라고 생각하는 가정들이 무엇인지 궁금함

  • 기사에서 말하는 수준에선 아직 아인슈타인 방정식까지는 아니고, 고전 뉴턴중력 정도라고 이해함

  • "아직 밝혀지지 않은 모든 것의 이론이 미시적이고 양자적인 형태일 것 같다"는 주장엔 동의
    "중력이 회계 오류같이 이론에서 발생한다"는 것에 대해선, 그보단 또 다른 특이한 보손 패밀리(입자 형태)일 것 같음
    기사 내용 중:
    "엔트로피 중력은 아직 소수 의견이지만, 쉽게 사라질 사상은 아니고 비판자들도 완전히 무시하진 못하는 시각임"

• 나는 실험물리학자라서, 새로운 이론에 흥분하기 전에 반드시 관찰 가능한 현상 예측까지 도달하는지 확인 필요

  • 그래서 Wolfram과 같은 이론에도 회의적임
    수많은 기존 이론(특수상대성, 일부 양자역학, 중력 등)을 설명해도, 새로운 검증 가능한 예측이나 근본이 없다면 '오버핏'이라고 생각
    이론이 10가지 예측을 다 현실과 일치하게 해도 모두 이미 알고 있는 것이라면, 새로움을 기대하기 어려움

  • 이런 emergent(출현형) 이론들은 뉴턴중력이나 일반상대를 유도하지만, 실제로 실험적으로 뭘 테스트할 수 있는지 뚜렷하지 않음
    만약 MOND(수정 뉴턴동역학)를 별도의 MOND장 도입 없이 예측한다면, 그때서야 MOND의 검증 수준에서 반증 가능하다고 할 수 있음

  • 가끔 생각해보면, 만약 우리 물리학이 블랙홀 존재 자체를 허락하지 않았다면 이론을 어떻게 스트레스테스트했을지 궁금
    블랙홀은 우주론에서 '표준 촛불'처럼 이론 진보의 중요한 역할을 한다고 생각함

  • 현실적으로 실용성을 증명하기 전까지는 즐거운 수학 문제 풀이 시간이라는 인식 필요

  • 두 모델 중 '최소 기술 길이(MDL)'가 더 짧은 모델이 일반화에 더 강할 확률이 높다는 주장함

• 나는 자력(magnetism)이 중력에 가깝다고 생각함
  수년간 이 주장을 해왔고, 대부분 비정렬된 자장이 합쳐져 아주 약간은 끌어당기는 순수 효과를 낸다고 느낌

• 나는 잘 이해가 가지 않음
  내게 있어 엔트로피란 실재하는 물리 현상이 아니라 우리가 어떤 시스템에 대해 완벽히 알지 못할 때 그 불완전함을 수치로 나타낸 것임
  우리는 물질의 거시적 특성만 관측하니, 미시적 실상을 제대로 나타내지 못하는 지표를 만든 것임
  만약 현미경으로 미시 세계를 완벽히 알 수 있다면 엔트로피라는 개념 자체가 무의미해질 것
  그래서 중력이나 기타 기본 상호작용이 엔트로피에서 나온다는 말을 이해할 수 없음
  엔트로피란 인간이 만든 개념이라는 생각임

  • 이건 오해임
    물리 엔트로피는 실제 현상을 지배
    예시로, 얼음이 따뜻한 방에서 녹는 이유, 케이블이 점점 꼬이는 이유 등이 있음
    우리가 엔트로피를 측정하는 것은 방 안의 얼음이나 꼬인 케이블 같은 거시적 상태를 요약한 것일 뿐
    Boltzmann 방식의 엔트로피는 '무질서'하게 배치하는 경우의 수가 압도적으로 많기 때문에 전체적으로 엔트로피가 오르는 경향성을 설명해줌
    그래서 얼음이 반드시 녹게 되는 것임

  • 엔트로피 역시 온도와 마찬가지로 물리적 '실체'임
    온도가 단일 입자 수준에서 존재하지 않는다고 해서 물리량이 아닌 것처럼 여길 필요 없음
    엔트로피는 특정 시스템의 미시 상태 수를 측정하며, 이 숫자는 관찰자와 무관하게 존재함

  • 근본적으로 엔트로피는 시스템을 완전히 알지 못하는 '무지'를 수치로 담는 것임
    그럼에도 실험실에서 실제로 '엔트로피 힘(entropic force)' 현상을 측정 가능
    엔트로피 힘 위키 설명와 이상사슬(ideal chain) 예시 참고 추천
    이런 관점에서 엔트로피는 단순히 인간이 만든 계산법이 아니라 관찰되는 현상을 효과적으로 설명하므로, 물리학의 실용적이지만 근본적인 법칙은 아님
    엔트로피 중력을 믿는다면 중력의 '출현현상'설을 지지하게 되고, 결국 더 근본적인 중력 이론이 필요하단 결론
    기존 연구들은 중력을 곧장 양자화하려는 경향이 있지만, 엔트로피 중력은 마치 기체방정식을 무리하게 양자화하려 하지 말라는 것과 비슷한 생각임
    덧붙여, '확률 분포 없는 엔트로피'란 있을 수 없음. 무작정 엔트로피를 '실재량'이라고 주장하는 건 19세기적 시각임

  • 컴퓨터 과학에서 쓰는 엔트로피와 물리학 용어의 엔트로피는 다름
    이 차이를 잘 설명한 강연 추천함

  • 나도 예전엔 엔트로피가 단순히 우리의 인식 한계 문제라고 생각했지만, 이제는 하이젠베르크 불확정성 원리로 인해 근본적으로 미시 상태를 완벽하게 알 수 없는 것이 현실임을 믿게 됨
    모든 사건은 기본적으로 비가역적이고, 엔트로피는 언제나 증가
    완벽함은 오직 이론 안에서만 가능한 것임

• 정보가 어떻게 작동하는지에 따라 중력이 출현된다는 개념은 매력적임
  다만 이 모델이 일반상대성이론과 다른 현상을 예측하는 명확한 증거는 아직 못 봄
  지금으로선 재미있게 논의할 수 있는 이론이긴 하지만 완전히 수용하긴 어려움

• Wolfram의 하이퍼그래프 기반 물리 모델과 이런 관점이 호환되는지 궁금
  그 틀에선 중력이 하이퍼그래프 진화의 통계적 거동에서 출현하는 현상으로, 중력을 시스템의 계산 복잡성 최소화 경향에서 나오는 '엔트로피 힘'으로 해석 가능성 있음

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  요약하자면, 보물이 있는 지역이 여우의 무작위 이동 경로에서 더 높은 '엔트로피'를 보이기 때문에, 여우가 본의 아니게 보물 쪽으로 더 쉽게 가는 현상임

• 엔트로피 중력이라면 부력(buoyancy)과 비슷하지 않냐는 질문