자연 선택 대. 지적 설계: 물리학자의 관점

몇 가지 난수를 생각해 보세요. 8, 12, 876, 93과 같은 숫자는 생물학에서 무작위 숫자이며, 단순해 보이는 이 숫자는 우주의 가장 심오한 신비, 즉 우리 자신의 열쇠를 담고 있습니다. 좀 더 구체적으로(그리고 덜 극적으로) 숫자가 아니라 숫자가 생산되는 과정이 심각한 의미를 갖는다. 예를 들어 다음과 같은 흥미로운 질문을 할 수 있습니다.

1. 이 숫자는 정말 무작위인가요?
2. 나중에 임의의 숫자를 요청하면 동일한 숫자가 나올 가능성이 있습니까?
3. 우리의 뇌는 어떻게 이러한 난수를 생성합니까?
4. 뇌가 몇 개의 숫자에 무작위로 태그를 붙였을 가능성이 있습니까?
5. 뇌에서 무의식적으로 진행되는 주사위 굴리기와 같은 무작위 프로세스를 포함하는 알고리즘이 있습니까?
6. 우리의 사고 과정은 무료입니까?
7. 처음부터 자유 의지라는 것이 존재합니까?

여러분 모두는 이것이 현재로서는 만족스러운 답변을 얻을 수 없는 질문이라는 것을 올바르게 알아차렸을 것입니다. 여러분 중 일부는 과학이 궁극적으로 이러한 질문에 대한 정확한 답을 찾아낼 것이라고 믿을 것이며, 그때까지는 수풀을 이기고 과대 광고를 할 필요가 없습니다. 여러분 대부분은 과학에 몇 가지 답이 있고, 조금만 더 노력하면 몇 가지 심오한 질문에 답할 수 있는 몇 가지 단서가 있다는 사실을 깨닫지 못할 수도 있습니다.

이 게시물의 마지막 부분에서는 당신의 사고 과정을 조사하기 위해 집에서 수행할 수 있는 실험을 제안하겠습니다. 한편, 몇 가지 임의 프로세스에 대해 이야기해 보겠습니다.

인지된 무작위성은 무작위가 아니다

기계 세계에서 난수를 찾아봅시다. 이는 동전 던지기나 주사위 굴림과 같은 무작위 과정의 결과입니다. 하루에 인터체인지를 통과하는 빨간 자동차의 수, 대기권에 진입하는 운석의 수 등과 같은 다른 무작위 현상도 있습니다.

그런 다음 numpy.random.rand() (또는 선호하는 컴퓨터 언어의 다른 루틴)의 출력이 있습니다. 마지막 것은 알고리즘의 결과이기 때문에 확실히 무작위가 아닙니다. 알고리즘은 동일한 '시드' 번호에서 계산을 시작하면 동일한 번호를 생성합니다. 실제로 이는 의사 난수입니다. 모든 실용적인 목적에 적합하지만 완전히 예측 가능하므로 정확히 무작위는 아닙니다.

우리가 삶에서 경험하는 대부분의 무작위성은 사실 정보 부족으로 인해 발생하는 의사 무작위성입니다.

다른 예를 들어보겠습니다. 인터체인지를 건너는 빨간 자동차의 수입니다. 인터체인지에서 기다리는 사람은 무작위 과정으로 빨간 자동차의 출현을 발견할 수도 있지만 위성을 통해 해당 지역의 실시간 교통 뷰를 가진 사람은 인터체인지를 건너는 빨간 자동차가 몇 대인지 알 수 있습니다. 한 관찰자에게는 무작위로 보이는 이 과정은 더 많은 정보를 가진 다른 관찰자에게는 완전히 결정적입니다. 이것은 우리가 일상생활에서 경험하는 대부분의 무작위성에 대한 일반적인 특징입니다. 명백한 무작위성은 정보가 부족하기 때문입니다.

이제 동전 던지기를 생각해 보세요. 결과는 다시 분명히 무작위입니다. 하지만 정말로 우리가 우주에서 로켓을 발사하고 그것이 화성에 착륙할 시기와 장소를 정확하게 결정할 수 있지만 동전 던지기의 결과는 예측할 수 없다고 생각하십니까? 로켓의 움직임을 지배하는 법칙은 동전의 움직임을 결정하는 법칙과 그렇게 다른가요? 실제로는 그렇지 않습니다.

두 가지 경우에는 동일한 물리 법칙이 적용됩니다. 유일한 차이점은 동전을 던질 때 동전의 역학에 관한 정확한 정보가 부족하다는 것입니다. 정보가 없는 것은 아닙니다. 우리는 동전을 되찾으려는 노력에 신경 쓰지 않고, 동전을 던진 목적이 무엇이든 자연이 무작위 결정을 내린 것처럼 가장합니다. 실제로 빠른 영화 카메라를 통해 방금 던진 동전의 처음 몇 분의 1초를 담은 비디오 영상을 통해 동전의 역학을 해독하고 던지기 결과를 예측할 수 있습니다.

주사위 굴림, 좋아하는 복권 또는 생각할 수 있는 대부분의 무작위 프로세스(말장난 의도)에서도 마찬가지입니다. 우리가 일상에서 경험하는 자연의 법칙(간단히 말하면 고등학교 때 배우는 뉴턴의 법칙)은 결정론적이기 때문이다. 관심 객체의 초기 조건(위치, 속도)과 이러한 객체에 작용하는 힘을 알면 객체의 미래 역학을 정확하게 결정할 수 있습니다. 이 도메인에서 무작위로 나타나는 것은 정보에 대한 접근 권한이 부족하기 때문입니다. 정보는 거기에 있습니다. 그 정보를 기록하고 처리하려면 더 나은 기술이 필요할 뿐입니다.

우리의 스마트폰이 주사위가 계속 굴러가는 동안 결과를 예측하기 시작하면 가까운 미래에 카지노가 폐업할 수도 있습니다.

이는 앞으로 수십 년 후에는 동전 던지기와 주사위 굴림이 오늘날 주판보다 더 이상 도움이 되지 않을 수도 있음을 의미합니다. 우리는 1초도 안 되는 시간 안에 코인의 역학을 분석하고 결과를 예측할 수 있는 스마트폰에 필요한 기술을 갖게 될 것입니다.

주사위 굴림과 휴대폰의 몇 가지 빠른 스냅샷을 통해 던진 결과를 예측할 수 있습니다. 어쩌면 지금 그런 앱을 만드는 사람들이 있을지도 모르겠습니다. 어쩌면 지금 이런 식으로 돈을 버는 사람들이 있을지도 모르겠습니다. 그러나 우리와 같은 좀 더 겸손한 사람들에게는 미래에 카지노를 어떻게 플레이할 것인지에 대한 자연스러운 질문이 있습니다. 아니면 경기를 시작할까요? 아니면 복권에 당첨되나요? 그리고 그런 분들을 위해 순수하고 원시적인 무작위성, 즉 양자역학을 제시합니다.

진정한 무작위성을 만나보세요

양자역학은 가장 근본적인 수준에서 자연의 설명을 다루는 이론이다. 이것은 물질과 에너지, 원자, 분자, 전자, 광자 등의 구성 요소를 다루는 수준입니다. 이 수준에서 자연은 곧 살펴보겠지만 일상 생활에서 나타나는 방식과 매우 다르게 행동합니다.

양자 코인

동전 던지기를 다시 생각해 보세요. 그런데 이번엔 전자의 스핀 같은 양자코인이다. 전자는 물질의 구성 요소의 일부입니다. 세 가지 이상의 소원을 빌 수 있다는 차이점이 있는 마법의 주전자에서 출시한 지니입니다. 아기가 아닌 주변의 모든 움직임은 소리를 내며 전자로 작동합니다. 전자는 스핀이라는 성질을 가지고 있습니다. 전자의 스핀을 측정하는 것은 매우 쉽습니다. 당신이 해야 할 일은 쐐기 모양의 자석 근처에 전자를 통과시키는 것뿐입니다. 이러한 자석의 자기장은 전자에 힘을 가하고 전자는 스핀에 따라 한 방향 또는 다른 방향으로 편향됩니다.

전자의 스핀을 측정하는 실험을 수행하면 가능한 값은 두 가지뿐이라는 것을 알 수 있습니다. 우리는 그것들을 머리(스핀업)와 꼬리(스핀다운)로 표시하고 양자 코인을 얻었습니다.

이제 양자 동전을 던지면 다시 앞면이나 뒷면 중 무작위 출력을 얻게 됩니다. 그러나 고전적인 방법(앞서 논의한 것)과의 차이점은 불확정성이 정보 부족으로 인한 것이 아니라는 것입니다. 우리는 전자에 대해 알아야 할 모든 것을 알고 있지만 스핀 측정으로 인해 스핀 업(머리) 또는 스핀 다운(테일)이 발생하는지 예측할 수 있는 방법이 없습니다.

양자 세계의 모든 사건은 주사위 굴림입니다.

이는 정보 부족으로 인해 무작위성이 발생했던 고전 동전과 대조됩니다. 이것이 양자 수준에서 자연의 첫 번째 신비입니다. 자연은 물질과 에너지의 구성 요소 사이에 언제, 어떤 근본적인 상호 작용이 일어날지 알 수 없도록 합니다. 이 수준에서 일어나는 모든 이벤트는 주사위 굴림입니다.

사실, 양자역학의 이러한 측면은 이론이 시작된 이래 활발한 논쟁의 일부였습니다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)을 포함한 많은 사람들은 양자 수준에서 사건에 대한 비결정론적 설명에 만족하지 않았습니다. 당신은 그의 유명한 인용문인 “ 신은 주사위 놀이를 하지 않는다 ”를 들어봤을 것입니다. 그는 이론이 불완전하며 설명에 추가될 때 양자 세계의 결정론과 같은 고전 세계를 복원할 일부 숨겨진 변수가 누락되었을 가능성이 있다고 믿었습니다.

그러나 지난 100년 동안의 수많은 실험에서는 이러한 숨은 변수 이론의 가능성이 배제되었습니다. 그리고 양자 수준에서 자연에 대한 우리의 가장 좋은 이해는 양자 역학에 의해 제공되는 것인데, 원칙적으로 양자 동전 던지기 결과를 예측할 수는 없습니다.

지금까지의 핵심 점은 고전적인 무작위 프로세스의 경우 정보가 존재하지만 접근할 수 없을 수도 있지만 양자 프로세스는 본질적으로 무작위라는 것입니다. 누락된 정보가 없습니다.

고전 세계와 양자 세계의 무작위 과정에 대한 이해를 바탕으로 우리는 생물학적 세계에서 정말 중요한 질문을 탐구할 준비가 되었습니다. 첫째, 고전법칙의 결정론적 세계에는 결여되어 있던 자유의지가 양자세계의 비결정론 덕분에 회복될 수 있음을 감상할 수 있다. 우리가 탐구해야 할 유일한 것은 뇌 기능에서 양자 신호를 찾는 것입니다. 많은 사람들이 이전에 이것을 제안했지만 현재의 기술은 실험적인 검증을 약속합니다. 우리는 곧 양자 생물학을 연구하는 사람들로부터 환상적인 소식을 듣게 될 것입니다.

변장한 디자인?

그렇다면 제가 이야기하고 싶은 또 다른 질문이 있습니다. 인생을 고려하십시오. 이 행성에 생명체가 출현하는 데에는 두 가지 지배적인 이론이 있습니다. 우리는 어떤 지적 설계의 일부이거나, 생명체가 우연히 지구에 출현하여 무작위 돌연변이를 통해 오늘날 우리가 목격하는 모든 생명체로 진화했습니다(슬프게도 우리가 지구에서 멸종한 생명체). 과학은 당연히 두 번째 견해를 선호합니다. 그러나 과학적 관점을 선호하는 대부분의 사람들은 자신의 세계관에 여전히 디자인의 가능성이 있다는 사실을 깨닫지 못하고 있습니다. 이는 게놈에서 돌연변이를 일으키는 과정이 고전 법칙이나 양자 법칙에 의해 지배되는지를 결정해야 하기 때문입니다.

고전 법칙이 이러한 돌연변이를 만족스럽게 모델링할 수 있다면 이는 무작위가 아닙니다. 이는 설계라고 불리는 정보가 이미 존재하는 결정론적 프로세스입니다.

누군가가 그 정보(전능하신 하나님?)를 가지고 있는지 없는지는 별개의 문제이고 주관적으로 대답할 수 있습니다. 객관적으로 확인할 수 있는 것은 디자인이 가능했다는 점이다. 이것은 물리학자가 제시하는 자연 선택과 지적 설계 논쟁에 대한 독특한 관점입니다. 양자 생물학에 대한 더 많은 연구와 유전적 돌연변이의 양자 서명 탐색을 통해 우리가 설계의 일부인지 아니면 실제로 무작위 사고의 결과인지 알 수 있습니다.

양자 생물학은 우리가 설계되었는지 밝혀줄 것입니다.

마지막으로 약속드린 대로 사고 과정을 탐색하는 실험을 제안하고 싶습니다. 약간의 인내심과 용기만 있다면 집에서 쉽게 이 실험을 할 수 있습니다. 종이 한 장을 가져다가 그 위에 임의의 숫자 몇 개를 쓰세요. 종이를 접어서 상자에 넣으세요. 상자를 옆으로 치워두세요. 이제 몇 주만 기다리세요. 그동안 당신이 쓴 숫자를 기억하려고 하지 마세요. 당연히 상자를 열지 마세요. 몇 주 후에 또 다른 종이에 임의의 숫자 몇 개를 다시 써서 같은 상자에 넣으세요. 다시 몇 주 동안 기다렸다가 반복하십시오. 장기간(예: 1년 또는 6개월)이 지나면 상자에 접힌 종이가 많이 있게 됩니다.

이제 상자를 열고 시간에 따라 적어 놓은 모든 난수를 살펴보세요. 다 무작위인가요? 좋아하는 임의의 숫자가 있나요? 패턴이 있나요? 디자인이 있나요?