수학아카데미

2014.07.04 22:23

엔트로피와 차원론2

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앞의 글에서, 구대칭 차원론에 의한 수의 구조에 의하여 물리적인 작용으로 자기조직화하는 창발에 의해서 엔트로피가 억제 또는 감소되는 시스템을 예상해 볼 수 있다는 것을 보였습니다.



그런데  앞에서 본 것은 엔트로피의 갈래 중에 위치 엔트로피의 관점이 주로 작용했다고 볼 것입니다.
여기에 대하여 다른 엔트로피 형태인 열 엔트로피는 앞에서 본 위치엔트로피와는 반대로 위치 엔트로피가 정렬되어 만들어진 상태를 흩어 놓고, 다시 분할하는 방향으로 작용하는 것으로 보입니다.
위 그림에서, 아래로  순서로 보는 것이 위치 엔트로피가 정렬되어 구대칭으로 엔트로피를 감소억제시키는 구조화 과정이라면,  아래에서 위 방향으로 엔트로피를 들뜨게하고, 흩트리는 방향은 엘엔트로피의 과정이라고 할 수 있을 것입니다.
즉, 입자와 생명의 분자가 정렬로 구조를 만드는 방향과는 반대로 엔트로피를 느슨하게  벌려놓는 것입니다. 두 과정이 서로 반복적으로 일어나는 패턴의 요동상태의 연속이 생명의 보이는 특성인 되먹임,  순환,  상보적인 관계 등으로 나타난다고 생각됩니다.
이로서 생명과 물질, 입자는 두 엔트로피에 의해서 위태로운 균형상태에 있고,  끊임없는 요동상태라고 볼 것입니다.
예를 들어 물의 운동을 보면, 엔트로피 감소 방향으로 보면, 수증기에서 물로 유동적인 구조가 만들어지고, 물에서 얼음으로 부동적인 결정의 형태로 만들어 집니다. 이렇게 구조가 만들어지는 과정은 위치 엔트로피의 관점인 것으로 보이고, 열엔트로피의 관점은 얼음에서 물로 구조를 느슨하게 만들고, 물에서 증기로 자유롭게 만듭니다.

이러한 열엔트로피에 의한  분할되는 상태와 구대칭 차원론과의 연관성은  물이 가열될 때,  대류가 등분할 상태로 되어지는 모습에서 볼 수 있고,  가열되어 지면서 패턴이 더 잘게 분할되어 혼돈상태로 됨을 보게 되고,   별의 표면에 나타나는 쌀알 구조를 보면,  다차원으로 차원상승을 표시한 구대칭 차원론의 설명도와 같은 패턴임을 알 수 있습니다.  


(천체가 구대칭으로 엔트로피가 정렬되는 모습의 중간과정이 열 엔트로피에 의해 들뜬 모습을 태양의 표면의 쌀알 구조로 볼 수 있는 것으로 생각됩니다.
만약 이것이 태양이 아니고,  슈퍼노바라면, 슈퍼노바 대폭발시에는 어떻게 될까요?  표면층은 수류탄의 파면처럼, 덩어리 단위로 날아가면서 식으면서, 덩어리가 되는데, 소행성 같은 것이 될 것입니다. 안에 있는 복사층은 먼지 까스덩어리를 만들고, 복사에너지가 아래 그림같은 빛덩어리가 될 것입니다. 안에 있는 핵은 블랙홀을 형성해서 내파의 과정을 가게 될 것입니다.)





(아래 그림은 우주에서 '빛메아리'라는 현상으로  이미 사라진 초신성 폭발로 방출된 빛이 우주먼지에 비쳐서 메아리처럼 잠시 보이는 현상이랍니다.  그런데 이 빛덩어리는 슈퍼노바 폭발로 부터 400년 이상을 우주를 떠돌다가 가스덩어리를 만나서 잠시 모습을 보여준 것이라고 합니다. 그러니까 이 모습은 빛의 모습이라기 보다는 우주를 떠도는 빛덩어리에 잠시 모습이 노출된 우주 공간에서 용틀임하는 가스층의 모습을 보여준다고 보는 것이 맞을 것 같습니다. 만약 별처럼 반짝이는 것이 갤럭시라면 이 가스층의 크기는 얼마나 클까요?  상상이 한참 어렵습니다. 
이 모습에 볼 수 있는 것은  다수의 구대칭 패턴이 만들어지고,  다시 이 패턴이 하위차원으로서, 상위 차원으로 상승하여 상위 구대칭의 패턴을 만듭니다.  이때 상위하원에 대하여 하위차원인 불완전한 구대칭을 우리는 기이한 끌개라고 부르게 되는 것입니다.)


이렇게 엔트로피에 의한 변화 과정에 상태의 변화에 대한  자유도의 문제가 엔트로피의 중심에 있는 것으로 보이고, 에너지는  엔트로피 상태의 변화로 나타나는 자유도의 값의 변화를 미분값로 얻어서,  적분한 것으로 기존의 에너지 중심의 물리의 최상위 개념인 '작용'이라고 할 수 있을 것입니다.  결국 '작용'은 엔트로피가 만드는 구조의 겉보기 상태로 나타나는 것이고,  근본적인 물리 상태의 구조와 변화를 실체적으로 만드는 것은 엔트로피라고 할 것입니다.
유클리드 차원론 바탕의 에너지 중심의 물리학에서는 엔트로피는 표현하기 어려운 "도깨비같다"고 말하는 것을 흔히 보아 왔습니다. 유클리드 차원론 바탕의 기하학은 자연을 바탕으로 하지 않고,  순수수학이라는 형이상학적 수리를 바탕으로 하기 때문에,  자연의 구조와 상태인 엔트로피를 나타내는 것에는 매우 곤란을 겪는 것입니다.


이것에 대한 역사적인 예를 보면, 슈레딩거가 슈레딩거 방정식으로 수소원자에서 잔자의 상태를 나타내기는 하였다고 하지만, 입자에서 더 이상의 고차원 구조를 이야기할 수는 없었습니다. 슈레딩거는 당시의 물리학의 성과를 바탕으로 입자 중에 가장 단순한 구조인 수소원자를 나타내는 슈레딩거방정식을 만들었지만, 그 이상의 구조를 나타내는 것이 불가능하였고, 오히려 확률이라는 어리바리 수학으로 가는 코펜하겐 해석이라는 양자역학의 방향에 회의를 느껴서 유명한 '슈레딩거의 고양이'라는 역설을 내놓고, 양자역학계를 떠나 생물학의 세계를 들여다보며, 엔트로피를 얘기합니다.
슈레딩거가 제시한 엔트로피라는 생물학 속의 엔트로피를  바탕으로 생물학은 DNA 구조를 발견이라는 성과를 만들어내고, 생물학에서도 물리학 바탕의 구조해석이라는 새로운 장이 열립니다.
다시 정리하면, 슈레딩거는 자신의 입맛에 안 맞는 확률론을 얘기하는 양자역학계를 떠나서 생물학의 영역에서 결정론적인 구조를 드러내서 자신의 신념의 증거를 보이고 싶었던 것일까요?
내가 볼 때, 슈레딩거가 지향한 방향은 맞았지만, 슈레딩거에게 없었던 것은 양자역학을 수소라는 가장 단순한 구조의 원소를 나타내는 수식을 전자가 여러 개인 원소를 다룰 수 있는, 고차원으로 이끌어주는 통찰, 구대칭차원론같은 바탕이 없었습니다. 그래서 그 이상의 물리학의 성과로 이끌고 가지 못하였습니다.
유클리드 차원론 바탕의 수리만으로는 슈레딩거나 아인슈타인은 확률론바탕의 양자역학에 대항하여 더 이상 원하는 자연의 구조를 만드는 그림을 그릴 수 없었습니다.  아인슈타인도 통일장 이론이라는 더 큰 이상을 펼쳐 보려고 하였지만,  결국 실패하고 맙니다.
로저 펜로즈는 유클리드차원론 바탕으로 보는 슈레딩거 방정식의 결정론적 방향을 "U"로 표현하고, 확률론적인 양자역학적인 해석 방향은 '양자상태'로서 "R"로 표현합니다.
양자사이를 연결해줄 '알고리즘'을 찾고 싶어 합니다. 

자연은 선형적인 알고리즘이 아니고, 덩어리로 계산하는 것을 봅니다. 이런 차이를 재닌 M. 베니어스의 "생체모방'에서 보았습니다. 생체모방을 지향하는 과학자들은 DNA뭉치, 미세소관 뭉치라는 덩어리 구조의 연산을 생각합니다. 자연의 연산 구조는 이런 덩어리들이 결맞음으로 서로 연동하는 더 거대한 뭉치들의 동조 시스템으로 보입니다.
이런 구조가 실체적으로 파악되지 않고는 우리가 자연을 이해하는데 한계가 있을 수 밖에 없을 것입니다.

이와 같이 볼 때,  구대칭 차원론의 특징은  기존의 물리학이 에너지 중심으로 물리 상태의 겉보기 값의 변화를 에너지와 작용으로 표시하여 현상을 묘사하는 데 반하여, 엔트로피를 중심으로  자연의 구조가 생성되고 변화하는 모습을 실체적으로 분석하고 표시하는데, 장점이 있다고 할 것 입니다.    

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    이기두 2014.07.04 22:23
    오늘 송파구 도서관에서, 말(馬)을 주제로한 도예 전시를 보았습니다.
    왜 말을 주제로 하였는가 물었더니, 20대, 젊은 작가는 말을 말(言)로 은유해서, 소통을 얘기하고 싶었다고 합니다. 무수히 많은 말의 형상을 볼수 있었는데, 가슴 속에, 입속에, 머리에, 말들이 있는 도예들을 볼 수 있었습니다.
    무언가 써주고 가라기에,

    말로서 말 많으니,
    말로써 도리어 고요하다.

    라고 쓰고 왔습니다 ^ ^
    쓸데없이 너무 길게 쓰는 것 같은데, 읽으시는 분들이
    도리어, 고요한 울림으로 만들어 주시기 바랍니다.

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