우주, 또 하나의 컴퓨터 by 톰 지그프리트

[ 느낀 점/배운 점 ]

 

부제는 '앙자 컴퓨터에서 M이론까지, 정보물리학으로 본 우주'.

 

책의 핵심 주장은 앞 표지에 있는 것처럼

"우주는 정보로 가득 찬 거대한 컴퓨터이다!"

 

경영정보학을 배운 나라서는

정보란 데이터에서 의미 있는, 가치 있는 것을 뽑아낸 것으로 대충 배웠다.

데이터 -> 정보 -> 지식 -> 지혜로 가는 대충의......가치 사슬..

 

사회에 나와서 이 책처럼 튜링, 섀넌, 휠러, 란다우어의 정보 이론을 읽으면서

속칭 문과에서 (정확히는 경영학에서) 배운 정보라는 것이...

 

얼마난 난잡하고 수가 낮은 것인지 알게 되었다.

 

근본저긍로 이과 전공자가 아니라서 정확하게 그 차이를 분간할 수 없지만

내가 이런 유사한 주제로 읽은 책들 중에서 서가에 꽂혀 있는 것들이 대충....

 

오래전 정신세계에서 나온 이차크 벤토프의 '우주심과 정신물리학'를 시작으로

블라트코 베드럴의 '물리법칙의 발견',  한스 크리스천 폰 베이어의 '과학의 새로운 언어, 정보',  찰스 세이프의 '만물해독',  안톤 차일링거의 ' 아인슈타인의 베일' 등이다.

 

이 책도 전체의 50%도 이해 못하고 읽었고 다시 읽어도 잘 모르겠다.

책 중에 크러치필드가 쓴 '위기의 계산, The Calculis of Emergence'라는 논문이 있다.

"계에 대하여 내가 이해할 수 있는 것은 내게 달려 있다는 점이다."란 말인 나온다고 한다. 딱 내가 이 책을 이해하는 수준에 적합한 말이다.

 

다만 이해되는 수준에서 아래 글은 가슴에 담아 둔다.

역시 비유법의 힘을 할겠다. 정확하게 이 표현이 어느 정도 맞는지는 모르겠지만....

 

"양자역학은 돈과 같고, 물과 같으며, TV와 같다는 점만 기억하면 된다. (다시 말해서, 에너지는 페니처럼 단위체로 나타나고, 얼음은 곧 물이듯이 입자가 곧 파동이며, 실체는 TV채널처럼 다양한 가능성을 가진다.)"

 

[ 주요 내용 ]

 

ㅇ 통관(通觀)의 시각을 제공한다. 넓은 분야를 두루 섭렵하면서 그 전체를 꿰뚫는 흐름을 감지하고 그 의의를 발굴하여 우리에게 전해주는 것이다..

 

ㅇ '한 우물을 파는 사람'이라는 '깊이'뿐 아니라 '널리 두루 꿰뚫어 보는 사람'이라는 '넓이'쪽으로도 확장되어야 하며...

 

ㅇ '정보와 컴퓨터의 상관 관계'.....지은이는 기본적으로

1) 정보를 모든 실체의 근원으로 보며 <-- 휠러(J. Wheeler)의 "It from Bit"라는 경구적 표현

 

2) 컴퓨터는 그것을 구체화하는 수단으로 본다 <-- "정보의 삭제는 에너지의 소산이 필요하다."는 란다우어(R. Landauer)의 법칙을 토대로 전개

 

ㅇ "모든 실체는 비트(정보)를 토대로 계산(컴퓨터)에 의하여 그 존재를 드러낸다."

 

ㅇ 사측연산, 삼각함수, 지수함수, 로그함수, 제곱근, 누승 등 등.....계산기 안의 CPU는 오직 덧셈만으로 그 모든 연산을 처리한다. '덧셈은 모든 연산의 근본'이라 함은, 단순히 덧셈의 중요성을 강조하는 미사어구나 경구적 표현이 아니라, 실제로 그렇다"...

 

ㅇ 계산의 본질은 '비트 더하기"란 뜻.....

 

ㅇ 좋은 원격 전송기계라면 마땅히 모든 원자를 원래의 자리에 정확히 재현해야 한다. 그 정도에 해당하는 정보를 담으려면, 브라운슈타인의 계산에 의할 때, 1조의 1억 배 (10의 20제곱근으로 1경) 개의 하드 드라이브가 필요하고, CD롬에 담든다면 달 덩어리만한 공간을 차지한다. 게다가 그 정도의 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 전송하려면 100억 년의 세월이 걸린다.

 

ㅇ 불확정성의 원리.....어떤 입자의 '위치'와 '운동'을 '정확히' 측정하는 것은 불가능....

 

ㅇ 양자역학은 돈과 같고, 양자역학은 물과 같으며, 양자역학은 TV와 같다.

 

ㅇ 양자역학은 돈과 같다.

우주의 양자적 본질에 대한 최초의 실마리는 '에너지가 양자화되어 있다.'는 인식에서 나왔는데, 이는 곧 '에너지는 '묶음'으로 나온다.'는 뜻....예전처럼 에너지가 어떤 양이라도 될 수 있는 게 아니라 반드시 '어떤 최소 단위의 정수 배'만 될 수 있다......미국에서 어떤 금융 거래든지 거기에 드는 돈은 반드시 페니의 배수가 되어야 한다. 마찬가지로 자연계의 어떤 에너지 거래든지 거기에 관련된 양은 반드시 '양자라고 불리는 근본 단위의 묶음'으로 측정되어야 한다.....플랑크는 결론짓기를, 에너지가 오직 '어떤 최소 단위체의 묶음'으로 방출되거나 흡수되어야 그 작열체로부터 나오는 빛의 파장 분포가 설명된다고 했다.

 

ㅇ 양자역학은 물과 같다.

모든 물리적 존재는 본질적으로 파동성과 입자성을 공유 - 이중성 원리 - 하는데, 어떤 실험에서나 그 두 가지 성질이 함게 표출되는 경우는 없으며, 실험의 종류에 따라 둘 중 하나만 관측된다.

 

ㅇ 양자역학은 텔레비전과 같다.

TV신호는 보이지 않는 파동에 실려 있다....원자와 더 작은 입자들은 파동으로 펄럭이며, 통상적인 공간이 아니라 각기 다른 확률의 어스름 영역에서 진동하고 있다.....전자의 운동을 기술하는 수학은 전자가 어디에 있는지가 아니라 있을 만한 곳 모두를 말해준다. 다시 말해서 전자는 어느 한순간 여러 곳에 함께 존재하는데, 이는 최소한 양자역학의 수학의 묘사하는 바를 해석하는 한 방법이기도 하다....오직 관찰의 순간에만 전자는 가능한 여러 상태 가운데 하나를 취하며, 이는 리모컨을 눌러서 여러 가능한 TV 쇼 가운데 하나를 화면에 나타나게 하는 것과 흡사하다.

 

ㅇ 양자역학에 근거한 물리적 실체의 묘사에 의하면 물체는 흐릿한 파동이다...양자 수학은 하나의 미래를 예측하는 것이 아니라 여러 다른 미래들의 확률만을 예측한다.

 

ㅇ 그 형태가 무엇이든 정보는 비트로 측정될 수 있고, 따라서 컴퓨터 언어인 1과 0으로 쓰일 수 있다.

 

ㅇ 우주 전체가 하나의 거대한 엔진이고, 마침내 그 증기를 모두 소진하고 만다는 내용....자연에 대한 열역학적 묘사는 뉴턴의 핵심 개념인 힘을 새로운 왕자인 에너지로 대체했다. 그리하여 에너지와 그 변환을 다루는 열역학은 모든 현상에 적용되었다. 물리학, 화학, 생명 과정, 그리고 물리적 세계의 모든 결과가 에너지 관점에서 관찰되었다.

 

ㅇ 시계 -> 뉴턴 역학이라는 새 과학을 이끈 과학의 도구이자 은유. 힘에 근거한 과학적 세계관의 은유

 

    증기가관 -> 열역학이라는 새 과학을 이끈 과학적 연구의 대상. 에너지에 근거한 과학적 세계관의 은유

 

    컴퓨터 -> 정보물리학이라는 새로운 과학을 이끈 과학적 도구이자 과학적 연구의 대상. 정보에 근거한 과학적 세계와 은유

 

ㅇ 컴퓨팅(Computing)은 단순한 계산(Calculating)이상의 것이다. 범용 컴퓨터는 다양한 종류의 작업을 위한 다양한 종류의 지시를 읽을 수 있고, 그런 작업에 필요한 것들을 저장할 수도 있다. 범용 컴퓨팅의 개념을 이런 식으로 이해한 최초의 사람은 찰스 배비지였다..

 

ㅇ 궁극적으로 컴퓨터가 계산하는 모든 수는 0과 1의 조합으로 표현된다....진공관이나 트랜지스터의 작동 원리와 같은 전자 기술이 주는 뉘앙스와는 전혀 무관하다. 논리 계산을 0과 1로 하는 방식은 전자식 컴퓨터가 나오기 1세기 전에 이미 발명되었기 때문이다. Bloole은 인간의 사고 법칙이 수식으로 표현될 수 있음을 보이고자 했다......배비자가 지루하고 무심한 계산을 기계적 운동으로 환원하려고 했던 것처럼 불은 인간의 풍부한 논리적 사고를 계산으로 환원시키려 했다.

 

ㅇ 에드워드 프레드킨 (Edward Fredkin)은 우주가 컴퓨터라고 생각한다....우주 자체가 컴퓨터 시뮬레이션이라고 주장한다. 우리가 보고, 알고, 행하는 모든 것은 단순히 어떤 가늠할 수 없을 만큼 강력한 컴퓨터에 내장된 SW의 그림자일 뿐이다....우리가 사는 세계는 우리 우주에 관한 프로그램을 돌리는 컴퓨터 안에서 돌아가는 정보 처리 과정입니다. 그 기계는 우리의 세계에는 없습니다.

 

ㅇ 프레드킨의 관점에서 보자면 운동량이란 것은 정보 외에 아무 것도 아니다. 그것은 시공간의 한 점에 있는 입자에게 다음 순간에는 어디에 있을지를 알려주는 정보이다.

 

ㅇ 프레드킨은 모든 자연 활동이 정보 처리 과정으로 묘사될 수 있다고 역설한다.....미래가 오는 것은, 계산이 현재의 정보를 다음 순간이 나타날 새 조건으로 변환하기 때문이다.....정보는 실체의 근본이다. "존재는 비트에서"이다.

 

ㅇ 롤프 란다우어는 "정보가 세계의 묘사에서 필수적 개념이라는, 피할 수 없는 결론으로 이어졌다. 컴퓨터는 우리로 하여금 정보가 물질적 실체임을 깨닫게 했습니다."...정보의 실체성은 컴퓨터의 기본적인 물리학을 이해하는 데 필수적이다...

 

 

ㅇ 1871년 맥스웰이 쓴 책 '열의 이론'...."어떤 초월적 존재가 모든 분자의 궤적을 일일이 추적할 수 있다면 제2법칙도 붕괴될 수 있다."라고 썼다.

 

ㅇ (특히 컴퓨터에 의한) 정보 처리를 다루는 물리학의 연구들은 이제 정보는 단순한 은유 이상의 것이라는 결론을 확고히 했다. 정보는 추상적이고 상상의 개념이 아니라 원자나 에너지나 바위와 같은 실체이다. 정보도 정량(定量)할 수있다. 종이 위의 잉크, 천공 카드의 구멍, 플로피 디스크의 자기 패턴, 심지어 DNA의 원자 배열에 이르기가지, 정보는 여러 가지 물리적 표현 상태에 널리 퍼져 있다. '정보는 물리적이다'는 사실은 이처럼 현대 과학에서 가장 깊고도 중요한 것이지만, 내가 보기에 그에 대한 숙고와 이해는 아직도 낮은 수준에 머물고 있다.

 

ㅇ 어쨌거나 실체가 그 근본에서 양자와 같다면, 또 실체를 정보 처리로 묘사하고자 한다면, 양자 정보 처리, 즉 양자 계산을 상상하는 것 외에 다른 도리가 없다.

 

ㅇ 세포의 생활 자체가 입력을 출력으로 바꾸는 것으로서 컴퓨터가 하는 일과 다를 바가 없다....이것은 300만 년 이상 존재해온 프로그래밍 시스템이다.

 

ㅇ 대략 지우개 2개 정도의 건조된 DNA는 아마 1조 개 이상의 CD롬에 들어 있는 정보와 맞먹는 양을 저장할 것이다..

 

ㅇ 세포가 계산을 한다면 왜 식물은 그토록 우둔할까? 식물도 역시 상당히 복잡한 정보 처리 화학을 수행하는 세포를 갖고 있다.....뇌가 없기 때문이다. 식물에 뇌가 없는 이유는 그 선조들이 스스로 먹이를 만들었기 때문이다.....반면에 먹이를 먹는 일은 더 복잡한 일이다.....원시적인 생명체가 먹을 때 사용했던 신경계는 아마도 뇌를 향한 진화 경로의 첫 걸음이 되었을 것이다...다른 말로 표현하면, 우리는 먹으며, 고로 생각한다.

 

ㅇ 컴퓨터와 뇌는 모두 상징을 사용하여 정보 처리를 한다. 컴퓨터의 경우 그 상징은 전기적 패턴이다. 뇌의 경우 그 상징은 분자이다....뇌는 환경으로부터 온 정보(감각 기관에서 들어온 입력)를, 메시지를 담은 분자적 상징(출력)으로 번역한다. 입력에 대응하여 생성된 분자는 뇌의 신경 세포 안에 있는 유전자에게 어떤 물질을 얼마만큼 만들 것인가라는 화학적 메시지를 전달할 수 있다. (다른 말로 하면 뉴런의 DNA 하드 드라이브에 저장된 프로그램을 활성화시킬 수 있다.)

 

ㅇ 만일 정보가 물질이나 에너지처럼 존재의 근본적인 측면의 하나라면, 정보의 수집은 관측의 본질 그 자체이므로, 관측자가 어떤 역할을 떠맡는다는 것은 이치에 닿는 말이 된다. 그래서 어쩌면 정보 처리 관점은 관측장와 실체를 연결하는 좀 더 새롭고 유익한 길을 제시할 수도 있다....

 

ㅇ 이상적 복잡성....주어진 계를 함께 있지 않은 상대방에게 완전히 설명할 수 있게 하는 메시지의 최소 길이...

 

ㅇ 이 우주에는 우리와 마찬가지로, 환경을 해석하고 데이터를 압축할 수 있는 존재가 분명 무수히 많을 것이다.

 

ㅇ 적응성 복잡계...환경에 적응하고 진화할 능력을 가진 복잡계.. 사람은 적응성 복잡계이다. 아메바도, 금붕어도.....생물은 대개 그렇다.. 생물이 만든 많은 것들도 또한 그 자체로 적응성 복잡계이다...인간의 언어, 세계 경제, 과학계 전체의 일등도 그렇다...

 

ㅇ 하지만 모든 복잡계가 적응성인 것은 아니다..번개...밀려오는 물결  속의 소용돌이 등은 복잡계이지만 적응성은 아니다. 이것들은 정보를 압축하지 않는다... 아메바는 또 다른 아메바를 만드는 데 필요한 모든 정보를 그 유전자 속에 압축한다.

 

ㅇ 적응성 복잡계의 공통되는 핵심적인 특성은, 정보를 처리하고 압축하여, 환경과의 상호작용에 관한 일종의 안내서로서, 겔만이 '스키마(schema'라고 부르는 것을 생성해내는 능력이다.

 

ㅇ 더 이상 압축될 수 없는 정보 string을 '임의적'이라고 말한다....매우 복잡한 메시지는 단순히 임의적이란 이유만으로 복잡하며, 그런 임의적 정보는 압축될 수 없다.

 

ㅇ 관측되는 규칙성은 관측자의 자원에 달려 있다. 다시 말해서 우주를 묘사하는 관측자의 능력에 달려 있다. 사람의 경우 그런 묘사를 과학이라고 부른다.

 

ㅇ 계에 대하여 내가 이해할 수 있는 것은 내게 달려 있다는 점이며, 문제는 바로 여기에 있다.

 

ㅇ 알고리즘적 정보량(또는 알고리즘적 복잡성, 또는 콜모고로프 복잡성) : 어떤 메시지를 만능 튜링 기계로 출력할 때 필요한 가장 작은 프로그램의 비트 수. 임의성에 의하여 좌우된다.

 

ㅇ 양자역학은 돈과 같고, 물과 같으며, TV와 같다는 점만 기억하면 된다. (다시 말해서, 에너지는 페니처럼 단위체로 나타나고, 얼음은 곧 물이듯이 입자가 곧 파동이며, 실체는 TV채널처럼 다양한 가능성을 가진다.)

 

ㅇ 양자 현실 중에 오직 하나만 실현된다....'측정'은 수많은 가능성 가운데 하나의 실체를 뽑아내는 것..

 

ㅇ 실체가 정보에 관련되어 있다는 아이디어는 단순한 은유에 그치지 않는다는 점이다. 정보는 실체이다. 정보는 물리적이다. 그리고 그것을 이해하는 일은 존재의 본질에 관한 이해에 있어서 완전히 새로운 길을 펼치는 것이다.

 

ㅇ 블랙홀은 일반상대성이론의 정수를 구현한다.

 

ㅇ 존 휠러의 표현에 의하면, 질량은 공간을 붙잡고서 어떻게 휠지 말해주며, 공간은 물체를 붙잡고서 어떻게 움직일지 말해준다.

 

ㅇ 상대성이론을 개발할 때 가장 염두해 둔 것은 관측자가 어떤 식으로 움직이든 상관없이 자연의 법칙이 변치 않고 항상 성립할 수 있는 길을 찾는 것이었다....물리학의 법칙들은 서로 다른 관점에서 보더라도 변치 말아야 하며, 다른 말로는, 자연의 법칙은 대칭적이다.

 

ㅇ 대칭성의 핵심 아이디어는 어떤 것이 변화할 때 다른 어떤 것은 변치 않고 그대로 있다는 점이다.....예를 들어 시간 또는 공간 상의 위치를 변화시켜도 자연의 법칙들은 변하지 않는다.

 

ㅇ 상대성이론이 제기하는 대칭성은 더욱 웅대하다. 운동과 중력 법칙은 가속 운동에서도 보존되며, 가속은 중력과 완전히 동등하다. 우리가 움직이든 정지하든, 또는 시공간의 어느 위치에 있든, 이 법칙들은 항상 그대로이다.

다시 말해서 상대성이론들은 전 우주에 퍼져 있는 공간의 대칭성을 묘사한다.

 

ㅇ  물체와 에너지는 공간의 본질적 구성 요소들이다. 실제로 물질 입자들은 공간상에 형성된 매듭으로 간주된다...

 

ㅇ 현대적 관점에서 보면 힘은 입자들의 교환으로부터 나온다. 힘은 상호작용과 같은 것이며, 상호작용은 입자들이 서로 간에 어떤 입자를 주고받는 일이다.

 

ㅇ 현대 물리학에 의하면 공간은 여러 가지 '장'들로 가득 차 있다. 입자는 장 안에서의 매듭이다. 그리하여 입자들의 종류는 어떤 장 안에서의 매듭인가에 달려 있다.

 

ㅇ 우리가 자연의 그 무엇을 현실이라고 보는가에 상관없이 과학은 결코 현실과 동의어가 아니라는 사실이다. 과학은 현실의 묘사이다.

 

 

 

ㅇ 우주는 시계가 아니다. 증기기관도 아니다. 우리는 이제 컴퓨터라고 생각한다.

 

ㅇ 모델은 은유로 시작하지만....점차 더 현실적으로 되어가며, 결국 쓰이는 그대로의 의미에 접근하게 된다.....그래서 세상을 컴퓨터로 보는 것, 즉 자연현상을 정보 처리로 분석하는 것은 과거의 시계와 증기기관이 그랬던 것처럼 세상의 운행 원리에 대한 새로운 틀을 제공할 수 있다.....기계 시계에 의하여 우주는 결정론적 매커니즘이 되었다. 그 후 증기기관에 의하여 우주는 에너지를 탕진해가는 하나의 거대한 열기관으로 해석되었다.

 

ㅇ란다우어의 원리...정보의 삭제에는 에너지의 소산이 필요하다.....거기에 대한 암시는 엄청나다. 이 원리는 물질적 실체와 비트로 측정된 정보 개념 사이의 연결 관계에 대한 구체적인 예이다. 그리고 정보가 물질적이며 실체적이란 점을 보임에 있어서, 정보 처리를 하는 컴퓨터에 부과된 유일하고도 진정한 한계를 정해준다.

 

ㅇ 과학자들은 법칙을 이용하여 자연이 실제로 행하기 전에 그 결과를 미리 알아낸다. 만일 계산이 불가능하더라도 그런 법칙들이 어떤 의미를 가질 수 있을 것인가?

 

ㅇ 란다우어는 물리적 법칙의 본질 자체가 그동안 우리가 품어왔던 표준적인 관점과 다르다는 결론에 도달했다....물리 법칙은 존재 자체에 선행한다.

 

ㅇ 휠러는 "존재는 비트에서란 구호는, 물리적 세계의 모든 존재는 그 저변, 대부분의 경우 아주 깊은 저변에서는 비물질적인 원천과 설명에 닿아 있다는 아이디어, 그리고 우리가 실체라고 부르는 것들은 '예/아니오'를 묻는 질문이나 기계장치적으로 야기된 반응의 기록에 대한 최종적인 분석으로 부터 나온다는 아이디어를 상징하며, 요약컨대, 물리적 대상은 정보이론적 근원을 가진다는 점을 상징한다. "

 

ㅇ 양자 정보 이론은 분명 그 방향으로의 발걸음이다. 양자 원격 전송, 양자 암호, 그리고 양자 컴퓨터의 현실성은, 정보가 존재의 근본적 측면이란 점을 물리학이 새겨듣도록 요구하고 있다.