정보역학 제2법칙은 이 세계가 시뮬레이션이라는 것을 보여준다

정보역학 제2법칙은 이 세계가 시뮬레이션이라는 것을 보여준다

◆ 정보이론은 세계의 비밀을 파헤칠까요?

영국의 포츠머스대학(UOP)에서 행해진 연구에 의해서, 정보역학 제2법칙의 존재는, 우리가 존재하는 우주 전체가 시뮬레이션임을 나타낸다고 하는, 흥미로운 결과가 발표되었습니다.

정보역학은 정보는 우주의 기본적인 구성요소로서, 에너지와 질량을 모두 가진 물리적인 존재라고 정의하고 있으며, 기존의 정보열역학과는 엄밀하게 다릅니다.
또 정보역학 제2법칙에서는 모든 현상의 정보내용은 최소한으로 억제되는 경향이 있다고 되어 있습니다.

새로운 연구에서는 이 정보역학 제2법칙에 의한 정보압축이 생물의 유전정보나 원자의 정보량, 수학적 대상성, 나아가 우주 전체에 대해 보편적으로 적합할 수 있음을 나타내고 있습니다.

또 정보압축이 일어나도록 세계가 프로그램되어 있는 것은, 이 세계를 시뮬레이션 하는 연산기의 부하를 경감하기 위한 목적이 있기 때문이라고 기술되어 있습니다.

정보역학은 우리를 바깥 세계와 연결하는 열쇠가 되어 주는 것일까?

자세한 연구 내용은 2023년 10월 6일에 「AIP Advanced universis」에서 「정보역학의 제2법칙과 그것이 시뮬레이트된 우주 가설에 미치는 영향(The second law of infodynamics and itsimplications for the simulated univershypothesis)」이라는 제목으로 공개되어 있습니다.

◆ 현실은 환상에 지나지 않는가?
현실은 환상에 지나지 않는가?

현실이 환상이라는 개념은 고대 그리스 철학자 플라톤(기원전 427년)이 주장하였습니다.
플라톤은 이데아론에서 눈에 보이는 세계는 진정한 존재의 불완전한 가짜 모습이 투영된 것에 불과하다고 말합니다.

이 현실이 허상이라고 하는 생각은 플라톤 이후 다양한 철학에 계승되어 현대에는 우주의 모든 것이 시뮬레이션된 존재라고 하는 '시뮬레이션 가설'에도 도입되어 있습니다.

시뮬레이션 가설을 지지하는 사람들은 우리의 존재나 현실이 유일무이한 것보다 고도의 문명에 의해 시뮬레이션된 무수한 세계 중 하나인 것이 "확률이 높다"고 주장합니다.

하지만 우리 세계가 시뮬레이션된 것인지, 그렇지 않은지 알려면 어떻게 해야 할까?
세계 밖으로 통하는 문(혹은 로그아웃 화면)과 같은 물적 증거가 있으면 이야기는 간단합니다.

단지 리퀘스트(request)해도 출현하지 않는 것을 감안하면, (설령 존재했다고 해도) 내부로부터의 압력으로 발견하는 것은, 우선 불가능할 것입니다.
또한 시뮬레이션의 완성도가 높을수록 버그(bug)의 빈도도 낮아 관측이 어렵습니다.

그래서 이번에 포츠머스대학의 연구자들은 세계의 틈새를 찾는 것이 아니라 정황 증거를 모으는 방침을 채택했습니다.

이를 위한 방법으로 채택된 것이 '정보역학 제2법칙'입니다.

◆ 정보역학에서 정보는 물리적 존재로 취급됩니다
연구에서는 정보역학 제2법칙의 보편성을 조사했습니다.

정보역학은 정보의 정량화나 보존, 전달에 관한 수학적인 연구를 바탕으로 하고 있으며, 제2법칙에서는 '우주에서 일어나는 현상은 시간이 지남에 따라 정보 엔트로피(entropy. 밀도·온도·압력의 함수로서 표시되는 열역학적인 양. 물질의 무질서의 정도를 나타내는 척도로서 쓰임. 무질서의 정도)가 유지되거나 감소한다'고 되어 있습니다.

언뜻 보기에는 어려운 개념인 것 같지만 그렇지는 않습니다.

먼저 엔트로피(entropy)인데 엔트로피란 상태의 무질서를 수치화한 것으로 큰 값일수록 상태가 혼돈의 정도가 큰 것을 나타냅니다.
또 정보역학에 있어서의 정보 엔트로피는 취할 수 있는 상태수, 즉 정보량에 크게 관계됩니다.

즉 정보역학의 제2법칙을 틈이 깊이라고 바꾸어 말하면 「우주에서는 시간 경과와 함께 정보가 압축되어 가는 경향에 있다」가 됩니다.

(※연구에서는 종래의 엔트로피를 물리 엔트로피로 하여 정보 엔트로피와는 명확하게 구별되고 있습니다. 또한 정보역학 'infodynamics'는 정보를 다루는 점에서 정보열역학 'infomation the modynamics'와 비슷하지만 엄밀하게는 다른 이론입니다.)

만약 이 법칙이 보편적인 것이라면 시뮬레이션 가설을 지지하는 유력한 정황 증거가 될 것입니다.

그것도, 우리의 세계를 시뮬레이트 하는 연산기가 존재하는 경우, 어떠한 방법을 사용해 정보를 압축해, 연산 능력을 절약하고 있을 가능성이 있기 때문입니다.

그래서 연구자들은 생물 시스템, 원자 물리학, 수학적 대상성, 우주론 등 복수의 다른 레벨에서 정보역학 제2법칙이 나타내는 정보압축이 이루어지고 있는지를 검토했습니다.

정보역학 제2법칙에 따라 세계의 정보는 시간이 지남에 따라 압축되는 경향이 있었을까?

◆ 모든 물리 법칙은 정보 역학 제2법칙을 따릅니다
정보역학 제2법칙에 보편성은 있는가?

수수께끼에 부응하기 위해 연구에서는 계산식을 이용하여 다른 레벨에 있는 다양한 시스템의 정보량을 정의하고 시간 경과에 따른 변화가 검토하였습니다.

그 주요 결과를 요약하면 다음과 같습니다.
생물 시스템의 유전정보는 정보역학 제2법칙에 따른다. 바이러스 변이도 정보 엔트로피를 감소시킵니다

정보역학 제2법칙은 유전정보의 시간변화에도 기존과는 다른 관점에서 파고듭니다.
예를 들어 연구에서는 신종 코로나 바이러스의 변이, 즉 유전 정보량의 변화가 추적하였습니다.

코로나19에 일어나는 변이는 변이주를 낳는 원인이 됩니다.
연구자들이 다시 조사한 결과 코로나19 변이의 98.92%가 염기수 누락, 즉 정보량 상실로 인해 일어난 것으로 나타났습니다.

비슷한 염기수의 누락은 1972년에 행해진 74세대에 걸친 바이러스 진화 추적에 의해서도 일어났습니다.

최초 바이러스는 4500개 염기가 있었지만 세대가 갈수록 게놈 크기는 일관되게 감소해 74세대 후에는 218 염기까지 무려 95%의 정보를 상실했습니다.

코로나19나 실험실에서 양육되는 바이러스가 특수한 예인 것은 사실입니다.

(※기존 생물학에서는 실험실과 같은 이상적인 환경에서는 생존경쟁에 필요하지 않은 유전자는 손실되는 경향이 있는 것으로 알려져 있습니다. 유전 정보가 적은 편이 복사에 사용하는 에너지가 적기 때문입니다. 다만 이번에는 생명의 틀을 넘어선 보다 조감하는 입장에서 정보역학 제2법칙의 보편성이 검토되고 있습니다.)

또한 생명의 진화에서는 유전자가 줄어드는 곳이 반대로 큰 폭으로 증가할 수 있습니다.

그러나 적어도 감소 국면에서는 정보역학 제2법칙이 말하는 정보압축과 비슷한 현상이 일어나고 있는 것은 사실이라고 할 수 있을 것입니다.

◆  원자 시스템이 안정적일 때는 정보량도 낮아진다
원자 시스템도 정보역학 제2법칙에 따른다.

원자 시스템도 정보역학 제2법칙에 따른다

 

원자 내 전자는 일정한 규칙에 따라 안쪽에서 바깥쪽을 향해 배치됩니다.
예를 들어 여러 개의 전자를 가진 원자의 경우에는 훈트의 법칙이라고 하는 규칙에 따라 가장 안정된 상태로 정렬합니다.

고등학교나 대학에서 물리학을 배운 사람 중에는 위의 그림과 같이 전자의 상태를 화살표 위아래로 표현한 것을 본 적이 있는 사람도 있을 것입니다.

다만 훈트 법칙은 경험적 관찰을 바탕으로 도출된 것이며, 왜 전자가 이러한 상태로 존재하는지에 대해서는 명확한 설명이 없습니다.
(※지금까지의 설명은 주로 에너지 밸런스에 근거한 것으로 보고 있습니다.)

그래서 연구자들은 정보량이라는 관점에서 훈트의 법칙을 재해석해 보았습니다.
그러면 가장 안정된 상태에서는, 가장 전자의 상태수(정보량)가 적은 것으로 밝혀졌습니다.

경험적으로 판명된 전자의 배치에서도 정보역학 제2법칙 렌즈를 통해 보면 정보량이 적은 상태로의 변화라고 볼 수 있습니다.

◆ 대칭성이 높아지면 필요한 정보량이 압축된다
대칭은 우주의 모든 곳에서 형성됩니다

대칭은 우주의 모든 곳에서 형성됩니다

현재 지구상에 존재하는 많은 동물들의 몸은 어떤 대칭성을 가지고 있습니다.

또 많은 개체와 결정에는 대칭성이 있어 대상성은 디지털 정보로 구축된 세계(VR 세계)를 최적화하는 데도 중요한 개념이 되고 있습니다.
그래서 연구자들은 대상성에 대해서도 정보역학 제2법칙의 관점에서 재해석하고 대칭성의 높이와 정보량에 대해 조사했습니다.

대칭은 정보의 양을 감소시킵니다.

대칭은 정보의 양을 감소시킵니다

그러면 대칭성이 높을수록 상태수(정보량)가 하락하는 것으로 나타납니다.

지금까지의 관점에서는 대칭성을 가지는 것은 「생물의 생존에 유리했기 때문」혹은 「중력적으로 가장 안정되기 때문」이라고 추정하고 있습니다.
그러나 정보역학 제2법칙의 관점에서는 정보량의 압축이 진행되는 과정에서 자연스럽게 대칭성을 획득한 것으로 해석되는 것입니다.

우주에 존재하는 물체가 자연과 대칭성이 높은 구조를 취해 주는 설정을 포함시킴으로써 정보량의 압축을 자연스럽게 달성할 수 있게 됩니다.

◆ 우주론에서의 정보역학 제2법칙

정보역학과 우주론

지금까지의 연구에 의하면 우주가 가속도적으로 팽창하고 있다는 것을 보여주고 있습니다.
우주가 계속 팽창하면 더 많은 미립자가 난잡하게 움직이고 결과적으로 물리 엔트로피는 급격히 상승해 갑니다.

그러나 열역학 제1법칙을 따르려면 우주의 물리 엔트로피는 일정해야 합니다.
이것은 '엔트로피의 역설'이라고 불립니다.

그래서 연구자들은 팽창하는 우주에서는 전체 엔트로피가 유지되도록 물리 엔트로피가 증가하는 한편 정보 엔트로피가 감소할 것이라고 생각했습니다.

예를 들어 우주의 진화가 진행되어 우주 전체가 균일해질 경우 물리 엔트로피는 최대치에 도달하지만 균일한 공간은 구별할 수 없고 정보량은 최소치에 이르게 됩니다.
정보역학 제2법칙은 열역학 제2법칙의 뒤집힘이 되어 물리 엔트로피만으로는 해석할 수 없는 현상을 보완할 수 있는 것입니다.

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Physics Revelation Could Mean We’re All Living in a Simulation
https://www.sciencealert.com/physics-revelation-could-mean-were-all-living-in-a-simulation

The second law of infodynamics and its implications for the simulated universe hypothesis
https://pubs.aip.org/aip/adv/article/13/10/105308/2915332/The-second-law-of-infodynamics-and-its

The second law of infodynamics and its implications for the simulated universe hypothesis