@Chapter
01. Symmetry

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물리학과 신경과학은 대칭원리와 기억원리의 관계를 더 완전히 파악하는 데서 하나가 될 것이다.

신경과학과 마음의 세계 - Gerald Edelman.

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대칭원리가 생물학, 더 나아가서 의식의 출현에 어떻게 연계되는가를 살펴보자.

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생각의 출현과정을 공부하는데 있어서 필요한 관련학문 분야.
가장 넓고 기초적으로 연계되는 분야는 어쩌면 천문학이 될 것이다.

그리고 세포생물학, 동물 생리학, 척추동물 비교 신경학, 발생학, 그리고 직접적으로 관계되는 분야는 신경 해부학이 될 것이다.

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에델만의 언급으로부터,

대칭이 지배하는 세계 - 에델만,

대칭이 깨질 때만, 화학작용이 이루어 질때만, 커다란 안정된 분자들이 나타날 때만, 비가역적인 선택적 사건이 나타날
때만, 재인에 대한 과학이 기술한 수단들이 진화하는 것과 더불어서만, 기억은 마음이 출현하게 이끈다.

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에셔의 그림. 시간의 흐름에 있어서 계속 진화되어가는 방향, 그것이 우리 생명의 출현이다. 그리고 그러한 방향과 반대되는 방향, 천문학적으로 모든것이 분화되기 이전의 상태로 돌아가는 빅뱅 초기의 대칭이 회복되는 두가지 흐름이 있다고 얘기한다.

생물학의 방향은 대칭이 분화되서 4가지 우주를 지배하는 힘이 분화되고 그 중에서 전자기상호작용에 의해서 지구 표면상에서 생명현상, 나아가서 의식의 출현까지 이르게되는 진화상의 길이 있고, 그 반대로 시간을 거슬러 올라가면 대략 137억년전에 우주 초기의 완전한 대칭이 이루어진 상태로 보는 길이 있따.

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물리학관점에서 대칭 3가지.

그것이 바로 그것이다 1.
전기현상 <-맥스웰 방정식-> 자기현상.

맥스웰 방정식에 의해서 전기현상과 자기현상이 동일한 현상이라는 것이 규명되었다.

맥스웰 방정식이 전자공학 나아가서 전파, 통신, 이쪽에 기본이 되는 물리법칙이다.

그것이 바로 그것이다 2. 아인슈타인 1905년 특수상대성이론.
물질 <-특수 상대성 원리-> 에너지.

물질과 에너지의 등가관계가 성립했다. 물질이 곧 에너지. E = m*c^(2)

우리나라 전력 40% 가 원자력에너지. 위 공식에서 기원한다.

그것이 바로 그것이다 3. 1916 아인슈타인 일반 상대성 이론.

에너지 <-일반 상대성 원리-> 시공간의 곡률

우주에 있는 총 에너지와 우주의 시공구조가 등가이다. 아인슈타인의 일반 중력장 방정식의 의해 규명.
우주 전체에 있는 에너지와, 우주전체의 4차원 시공의 휘어짐이 같다.

에너지와 시공의 곡률 텐서 와의 관계가 규명됨.

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일반상대성이론에서 이야기한다. 우주의 에너지와 그 에너지에 의해서 생긴 시공의 곡률구조(수학적으로 4차원
시공에서의 곡률반경이 아인슈타인의 중력장 방정식으로 아름답게 설명된다.)

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아인슈타인의 중력장방정식이라는 것은 그동안 인류가 시간과 공간이 펼쳐진 무대에서 연기하는 현상으로서 물질 세계를 보았는데 중력장방정식이 이야기하는 중요한 요즘은 그러한 물질 에너지 시스템과 그것에 의해 규정되는 시공간이 서로 께 상호 규정한다는 의미를 갖고있다.

아인슈타인의 중력장 방정식.

$R_{\mu v} - \frac{1}{2}g_{\mu v}R = \frac{8\pi G}{c^{4}} T_{\mu v} $

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$E = m*C^{2}$ 이 도출되기 까지의 일련의 과정은 4차원 시공에서 공식을 유도하는 것이다. 4차원에서 위치벡터,
속도벡터, 운동량 벡터들의 관계를 계산하는 과정에서 위 공식이 나온다.

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요점은 지금까지 우리는 시간과 공간이 분리된것으로 봤는데, 특수상대성이론에 의하면 존재하는 유일한 것은 시공
이라는 것이다. 시간과 공간이 분리된 속성의 것이 아니고, 시공은 결합된 하나의 상태로 밖에 존재하지 않는다는
귀결에서 $E = m*C^{2}$ 을 유도할 수 있다.

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빅뱅 초기에 완벽한 대칭을 이루었던 우주에서 우주가 팽창하면서 우주가 서서히 식어가면서 4가지 힘으로 분화되는 과정을 겪게 되었다.

완벽한 대칭을 이루었던 우주에서 4가지 힘의 분화, 이것을 물리학에서 자발적 대칭 붕괴(spontaneous symmetry broken) 라고 한다.

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1970년대 Pakistan Salam 교수가 주장했고, 노벨상을 탔다.

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초기 우주의 4가지 힘이 맨 처음에 plank time(10^(-43) 초) 경과 후 중력이 분화되었다.
$10^{-35}$ 초 에 강한상호작용 (원자력)이 분화되어나왔다.

그 뒤 100만분의 1초쯤 지나면 약한 상호작용과, 전자기상호작용 이 분리되 나온다.

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빅뱅 T = 0 에서부터 100초가 지난 상태가 되면 수소의 원자핵인 양성자(proton)와 헬륨 알파 입자의 합성이 완료된다.

와인버그의 유명한 The first 3 minutes 이론이다.

3분후 우주의 구성요소인, 정확하게는 가장 중요한, 수소와 헬륨 원자핵이 합성될때까지의 시간을 말한다.

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지금도 우주 전체의 구성요소를 보면 수소가 대략 70%이상, 헬륨이 20%이상.

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더 중요한건 주기율표의 92가지 원소중에 수소와 헬륨이 빅뱅 초기에 생겼다는 것이다. 그리고 나머지 대부분의 원소들은 그 후에 우주의 진화과정에 있어서 갤럭시가 형성이 되고 그속 에서 별이 형성되고 별속에서 대부분의 원소들이 합성이 된다.

그 중에 특히 초신성(supernova)라는 현상을 통해서 대량의 원소들이 초신성이 폭발하는 그 시점에 합성이 되고 폭발시 흩뿌려진다.

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빅뱅 우주론에 의하면 우리가 우주에서 볼 수 있는 가장 많은 물질 혹은 에너지 요소는 뉴트리노와 포톤이다.

별이나 행성시스템이나 생명체를 구성하는 하드론(강입자) 들은 우주 전체를 봤을 떄는 극히 일부이다.

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지금까지 물리학에 있어서 많은 연구결과를 한장으로 요약한다면 스탠다드 모델이 될것이다.

Standard model of fundamental particles and interactions.

우주를 구성하는 기본입자와 그 기본 입자들 사이의 힘의 관계를 일목요연하게 표시한 것이다.

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지금 우주를 구성하고 있는 것은 우주의 기본 구성 빌딩 블럭인 페르미온과 페르미온들을 엮어서 별이든지 솔라시스템 같은 행성시스템이든지, 사람이든지, 모든것을 만들어내는 것은 아교역할을 해주는 보존이 있어야하는것이다.

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대표적으로 전자기상호작용을 매개해주는 보존은 광자이다.

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보존에 의해서 페르미온들이 결합하는 양상들, 그것이 우주의 4가지 힘으로 드러나는 것이다.

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지구표면에서 생명의 출현을 가져오고 궁극적으로 의식의 출현까지 가져오게한 힘은 전자기상호작용이다.

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최근의 우주론에 있어서 큰 도약적인 발전이 있었는데 2003년도에 WMAP 인공위성의 관측결과로 부터 우주의 나이가 137억년 이라는 걸 알게되었다. 허블상수를 측정하는 과정에서 허블상수를 얼마나 정확하게 측정하느냐에 따라서, 우주의 나이가 정확하게 산정이 되는데 2003년 이전에는 통상 우주의 나이를 150억년이렇게 얘기했다.

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빅뱅 터지고 대략 40만년 지났을때 갓난 우주의 모습을 찍을 수 있다.

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1965년 윌슨, 텐지아스 라는 두 전파 천문학자가 지상의 전파망원경으로 우주 전체에 있는 빅뱅잔류파를 측정했다. 그게 절대온도로는 3.7도 정도로 환산된다.

지상에서 찍어서 정밀도가 떨어진다. 대기의 감쇄등에 의해서.

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1992년도에 코비 라는 인공위성을 우주에 띄워서 더 정밀하게 우주의 여러방향의 온도를 측정했다.

그림.
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우주론 학자들이 알고싶었던 것은 초기에 빅뱅이 터지고 40만년정도 지났을때 우주 온도의 불균일 정도가 대략 10만분의 1도 정도 는 되야 지금 갤럭시나 지금 솔라시스템이나 모든것이 설명가능한데 더 높은 정밀도를 얻기위해 WMAP 인공위성을 사용했다.

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그 결과 놀랍게도 우주 전역(137억년전의 초기우주)에 걸친 온도 분포를 획득했다. 그 온도 차이가 가장 클때도 10만분의 1도도 차이가 나지 않는다. 초기우주의 온도가 얼마나 균일한가 이게 놀랍다. 지구만 보더라도 북극과 적도를
비교하면 온도가 6 70 도 정도 차이 날수 있다. 그렇지만 그 10만분의 1정도의 온도 불균일에 의해서 물질들의 응집들이 달라진다. 결과적으로 물질이 많이 모인곳, 성긴곳, 이런것들이 생기고, 많이 모인곳은 중력수축에 의해서 나중에 갤럭시를 형성하고 지금 우리가 보는 우주의 모습을 갖게되는것이다.

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우주론이 2003년도 이후로 정밀 사이언스 영역으로 들어왔다. 실험데이터가 없고 이런 분야가 아니고 정밀 과학의 영역에 들어왔다는게 획기적이다.

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WMAP 인공위성의 관측결과를 시뮬레이션 하면 지금 현재의 갤럭시들의 분포 양상이나 형태들을 연구할 수 있다.

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WMAP 인공위성이 인류에게 가져다준 거 2가지 .

1. 우주의 나이. 137억년.

2. 우주전체를 구성하는 에너지가 73%가 다크에너지고 23%가 다크매터이다. (물질=에너지). 우주 전체 에너지에서
96%가 인류가 모르는 에너지 라는 것이다.

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인류가 알은것은 4퍼센트이다. 그 4% 속에 수천년동안 인류가 보아왔던 우주에서 그 많은 갤럭시들, 별들, 지구, 모든것들, 4% 밖에 차지 하지 않는다.

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다크에너지, 다크매터를 아는것도 없는데 어떻게 아느냐? 지금 우주를 구성하고 있는 92가지 주기율표에서 나온 원소로만 이루어져있지 않다는 사실은 천문학자나 과학자들이 오래전부터 추측하고 있었다. 왜냐하면 다크에너지와 다크매터가 지금 우주를 구성하고 있는 주기율표의 원소들로 구성되었다면 분명히 전자기 상호작용을 하게 될 것이고, 인류의 과학기술에 의해서 충분히 검출이 되었을 것이다. 지금까지 검출이 안된것은 다크에너지와 다크매터들이 전자기 상호작용을 하지 않았고, 오직 중력과 상호작용해서 중력과 상호작용한것을 계산해본결과 다크에너지와 다크매터의 윤곽들이 드러났다.

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빅뱅바로전, 완벽한 대칭, 특히 온도에 있어서.

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천문학자들은 갤럭시의 분포를 측정해 왔다. 최근에 그러한 결과들이 집대성되었는데, 여기서 밝은 점들 하나하나가
갤럭시(대략1000억개의 별로된 집단)이다.

그림.
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200만개의 가시광선으로 측정한 갤럭시를 좌표 공간상으로 분포시킨것이다.

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중요한 귀결은 200만개의 갤럭시를 봐도 우주는 균일하다는 것이다.

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입자물리학에서 말하는 대칭이라는 개념과 조금 다를 수 있지만 대칭이라는 개념은 의식의 출현까지 가는데 본질적인
키워드이다.

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지구 표면에서 온도 분포가 균일했다면 기후학이나 기상학이 존재하기 어려웠을 것이다.
지구 표면상에서 인구 분포가 균일했다면 인구지리학 같은 학문은 없겠지.

불균일이 생기면서 농도의 차에 따른 에너지의 흐름들이 생긴다.

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110개의 메시아 오브젝트.
다양한 형태.
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물리학에서 3개의 대칭관계가 있다면 생물학에는, 사고와 운동의 대칭관계가 있다.

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지금까지 우리는 세계를 물질 중심 세계로 보았다.
세계는 물질과 이벤트 두가지 관점에서 볼 수있는데, 지금까지는 물질 중심적 사로를 해왔다.
그런데 상대성이론은 그것이 잘못된 견해라는 것을 밝혔다.
우주에 존재하는 어쩌면 유일한 것은 이벤트 밖에 없다.
4차원 시공속에서 끊임 없이 전개 되 가는 이벤트 밖에 없다.

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물체란, 4차원 시공속에서 이벤트의 명멸이다. 이벤트의 생겼다 사라짐이다. 그러한 이벤트가 연속적으로 보이는 것을
우리는 물체라고 인식을 하는 것이다.

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리처드 파인만의 QED.
우주에 존재하는 대부분, 중력이나 원자핵력을 제외한 것은 다음 세가지 현상으로 설명 가능하다.

3가지 현상으로 우주에서 일어나는 거의 모든 현상을 설명할수있다.

1. 광자가 여기에서 저기로 움직인다.
2. 전자가 여기에서 저기로 움직인다.
3. 전자가 광자를 흡수하거나 방출한다.

우리가 보는 대부분의 자연현상은 위 세가지의 무한 중첩에서 생긴 이벤트 다발이다.

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빅뱅후 5억후만 해도 우주가 상당히 균일하다. 22억년지나면 점점 우주가 필라멘트 구조로 해서 갤럭시들이 중력수축하는게 보인다.

지금 137억년 지난 시점에서는 갤럭시가 형성되고 그속에서 태양계같은 행성계가 생기고 그속에서 지구, 인간까지 이야기 하게 된다. 최근 밝혀진 연구의 중요한 귀결은 이러한 모델에서 중요한 역할을 하는 것이 다크에너지와 다크매터 라는 것이다.

다크 매터가 이러한 물질 덩어리들을 서로 끌어당긴다. 그래서 물질의 불균일도가 더 심해진다.

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다시한번 리뷰. 우주를 구성하고 있는 96%는 인류가 아직 모른다. 우리가 아는 4퍼센트 중에 지구를 만들고 암석을 만들고 광물을 만드는 heavy element는 0.03퍼센트이다. 뉴트리노가 0.3퍼센트, 별은 0.5퍼센트, 그중에 그나마 많은 것이 수소와 헬륨이다. 4퍼센트.

다크매터 25퍼센트, 다크에너지 70퍼센트.

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우리가 아는 4%중에 수소 헬륨을 제외하면 사실상 수소가 타고 남은 재에 불과한것이다. 수소가 타고 남은찌꺼기에서 생긴 그 무엇 들이다.

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로컬 수퍼 클러스터: 로컬 수퍼 클러스터 안에 로컬 그룹(우리은하계, 안드로이드은하계 등이 속해있는)이 있다.
로컬그룹에는 20여개의 갤럭시들이 모여있다. 로컬 그룹안 에 the Milky way galaxy 가 있다. 2000억 여개의 별들로
구성되어있다. 그 많은 별들중에 태양이 있다.

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별의 일생은 세가지로 요약된다.

별의 일생을 좌우하는 가장 중요한 요소는 별이 형성될때 초기 질량이다. 초기 질량이 지금 태양 질량의 1.4배보다
무거워서 3배 4배 까지 되면 이런별들은 마지막에 초신성 상태를 거치고 초신성 상태에서 폭발을 하고 중심이 nuitron
star 가 된다.

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초기질량이 지금 태양 질량의 10배 이상에서 수십배가 되면 그런 별들은 마지막에 블루 수퍼자이언트 거치면서
폭발하고 핵심 코어 부분이 블랙홀이 된다.

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태양질량같은 별. 태양질량의 1.4배라는 상수(Chandrasekhar) 이하가 되는별(태양도 속함.) white dwarf 백색왜성이
된다.

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세가지는 다음과 같이 요약된다.

태양부근질량:백색왜성.
태양보다 3-4배 질량:수퍼노바 후 코어가 neutron star.
태양보다 10배이상 질량:수퍼노바 후 코어가 블랙홀.

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대부분의 별들이 거치는 단계.
적색거성. red giant.
초거성. super giant

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예를 들어 태양도 언젠가는 red giant 를 거치는데 그때는 목성도 그 속에 들어간다.

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수퍼노바 터질때 융합된 원자들이 우주에 흩뿌려진다. as supernova remnant

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위의 것이 성간 물질이 된다. 성간 물질들이 중력수축해서 우리 태양계 같은 행성시스템을 만든다.

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성간물질들이 고농도로 농축된 지역들을 우리가 볼수있다.

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오리온 네뷸라에 있는 Orion Giant Molecular Cloud
우리가 흔히 아는 오리온 성운.

오리온 성운에서 태양계 같은 행성시스템이 생성되고 있는 과정들이 연구되고 이다.

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성간 가스들이 응축을 해서 솔라 시스템같은 태양계를 형성한다.

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생명현상과 연계되는 천문학 현상은 수퍼노바이다. 수퍼노바가 폭발하면서 거기서 나온 강력한 x선이 태양계 지구에서
생명체가 진화하는데 dna돌연변이를 일으키는 강력한 소스이며 수퍼노바가 터졌을때 형성되는 많은 중금속들 많은
엘리먼트들이 모여서 지구를 만들고 지구상에 생명의 출현을 이끌었다.

사실상 수퍼노바가 다 했다. 태양계를 만들었고, 지구를 만들었고, 생명체를 만들었고, 수퍼노바가 무엇이냐를 규명하게끔 의식의 출현까지 가져왔다.