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    제 목 : 시간의 물리학에 대한 논쟁 / QuantaMagazine    
  글쓴이 : 미선 날 짜 : 17-06-28 21:42 조회(436)
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시간의 물리학에 대한 논쟁 / QuantaMagazine

Dan Falk

아인슈타인은 자신의 친구 마이클 베소를 가리켜 과학에 관한 아이디어를 나누기에 “유럽 최고의 대화상대”라고 말한 바 있습니다. 그들은 취리히에서 대학을 같이 다녔으며, 특허청에서도 같이 근무했습니다. 1955년 봄 베소가 세상을 떠났을 때, 자신의 시대가 끝나고 있음을 알았던 아인슈타인은 베소의 가족들에게, 오늘날에는 유명해진 편지를 보냈습니다.

“그는 이 이상한 세상을 나보다 조금 먼저 떠났을 뿐입니다. 여기에는 아무런 의미가 없습니다. 우리 신념을 가진 물리학자들에게 과거와 현재, 미래의 구분은 끈질기게 되풀이되는 환상에 불과합니다.”


아인슈타인의 말이 위로가 되지는 않았을 것입니다. 많은 물리학자들은 아인슈타인의 입장이 현대과학의 두 성과에 기인한다고 이야기합니다. 그것은 아인슈타인 본인의 일반상대론과 입자물리학의 표준모형(Standard Model)입니다. 이 두 이론의 바탕이 되는 법칙들은 시간에 대해 대칭입니다. 이는 ‘시간’이라 불리는 변수가 커지건, 작아지건 물리학 현상은 동일하다는 뜻입니다.

또한, 이 이론들은 우리가 “현재”라 부르는, 우리에게는 매우 특별한 순간(혹은 그렇게 보이는)에 대해 어떤 사실도 알려주지 않으며, 우주 전체를 볼 때에는 아예 정의되지 않는 것처럼 보이기도 합니다.

이렇게 시간과 무관한 우주는 때로 “블록 우주”라는 이름으로 불립니다. 이 개념은 우주를 정적인 시공간의 블록으로 가정하며 시간이 흐르는 듯한 느낌이나 시간의 경로를 따라 이동하는 느낌은 그저 정신이 만들어낸 것이거나 어떤 환상일 뿐이라고 주장합니다.


다수의 물리학자들은 물리학자의 역할이 관찰자의 시점에서 우주가 어떻게 보여지는가를 묘사하는 것일 뿐이라 주장하며 이 블록 우주 개념을 받아들입니다. 과거와 현재, 미래의 구분을 이해하기 위해서는 “블록 우주 속에서 ‘관찰자는 시간을 어떻게 인식하는가?’” 라 물어야 한다고 우주팽창이론을 처음 제창한 이 중의 한 명인 UC 데이비스의 물리학자 안드레아스 알브레흐트는 말합니다.

한편, 이 이론에 격렬히 반대하는 이들이 있습니다. 그들은 물리학이 해야할 일은 시간이 어떻게 지나가는 것처럼 보이는지 만이 아니며 왜 그렇게 보이는 지를 설명해야 한다고 주장합니다. 그들은 우주가 정적이라고 생각하지 않습니다. 오히려 시간의 흐름이 실제적인 것이라 생각합니다.

“블록우주 아이디어는 생각만 해도 지긋지긋합니다.” 바-이란 대학에서 일했던 물리학자이자 철학자인 압샬롬 엘리처의 말입니다. “다음 주 목요일이 이번 주 목요일과 같은 형식으로 존재한다고 생각하지 않습니다. 미래는 존재하지 않습니다. 그런게 아니에요! 존재론적으로, 미래는 미리 존재하고 있는것이 아닙니다.”



지난 달, 캐나다 워털루의 페리메터 이론물리 연구소에는 60여명의 물리학자와 소수의 철학자 및 다른 과학 분야의 연구자들이 ’우주론에서의 시간’ 이라는 이름의 학회로, 이 질문을 논의하기 위해 모였습니다.

학회를 개최한 이들 중에는 블록-우주 아이디어에 대한 대표적인 비판자인 물리학자 리 스몰린이 있습니다. 그는 대중서적인 “다시 태어난 시간(Time Reborn)”을 썼으며 보다 학문적인 저서인 “단일 우주와 시간의 실재성(The Singular Universe and the Reality of Time)”을 역시 이 학회를 같이 개최한 철학자 로베르토 망가베이라 웅거와 공저한 바 있습니다.

두 번째 책에서, 앞서 엘리처가 불만을 토한 고정된 미래라는 개념에 대해 스몰린은 이렇게 쓴 바 있습니다. “미래는 지금은 현실이 아니며, 따라서 미래의 사실에 대해 정해진 것은 없다.” 또한 그는 학회장에서 실재하는 것은 “미래의 사건이 현실의 사건에 의해 생성되는 과정” 뿐이라고 말했습니다.


참석자들은 몇 가지 질문을 두고 토론했습니다. 과거와 현재, 미래는 어떻게 구분되는지, 왜 시간은 한 방향으로만 흐르는 것처럼 보이는지, 시간은 근본적인 것인지 만들어지는 것인지 등의 질문입니다.

이 주제들은, 당연하게도, 아직 확실한 답을 우리는 모르고 있습니다. 그러나 나흘 동안 참석자들은 이 질문들에 대한 학계의 가장 최근 가설들을 주의깊게 들었습니다. 특히, 어쩌면 우주는 정적이고 시간이라는 개념이 존재하지 않으며 그저 우리가 시간이 흐르는 것으로 인식하는 것일 뿐이라는 주장과 관련해 많은 논의가 있었습니다.


카펫 밑으로 숨은 시간 문제


모두가 동의하는 몇 가지 사실들이 있습니다. 거시세계에서 우리가 관찰하는 방향성은 매우 현실적이라는 것입니다. 유리컵은 깨어질 뿐 절대로 스스로 재결합하지 않습니다. 계란을 풀었을 때 다시 원래 상태로 돌아가는 법은 없습니다. 한 시스템의 무질서를 측정하는 엔트로피는 항상 증가합니다. 이는 열역학 제 2법칙으로 불립니다.

오스트리아의 물리학자 루드비히 볼츠만이 19세기에 발견한 이 사실은 왜 어떤 사건이 한 방향으로만 일어나는지를 설명해 줍니다. 곧, 시간이 흐르는 방향을 설명합니다.


그러나 한 걸음 물러서, 왜 우리는 하필 엔트로피가 증가하는 우주에 살고있느냐고 질문하게 되면 문제는 간단하지 않습니다. “볼츠만은 왜 내일 우주의 엔트로피가 오늘 우주의 엔트로피보다 높을 것인지를 설명했습니다.”

칼텍의 물리학자 션 캐럴은 학회 이튿날, 호텔 바에 앉아서 내게 말했습니다. “그러나 그 사실이 내가 알고 있는 전부라면, 어쩌면 어제 우주의 엔트로피는 오늘의 그것보다 더 클 수도 있다고 말할 수 있습니다. 왜냐하면, 우주를 설명하는 법칙은 모두 시간에 대해 대칭이기 때문입니다.”

이 말은 엔트로피가 우주의 법칙에 의해 결정된다면, 그리고 그 법칙은 시간이 흐르는 방향에 동일하게 작용하기 때문에, 시간을 거슬러 올라가더라도 엔트로피는 증가할 수 있다는 것입니다. 하지만 엔트로피가 실제로 그렇게 작동하리라고 생각하는 사람은 없습니다. 계란말이는 날계란을 깨뜨린 후 만들어질 뿐, 계란말이로 날계란을 만들 수는 없습니다.


이 문제에 대한 답으로, 물리학자들이 내놓은 답 중 한 가지는 우주가 매우 특별한, 극히 낮은 엔트로피 상태에서 시작했다는 것입니다. 콜롬비아 대학의 물리철학자 데이비드 알버트가 “과거 가설(past hypothesis)”이라 명명한 이 가설은 빅뱅이 우연히 특별히 낮은 엔트로피 상태의 우주를 만들었기 때문에, 그 뒤로는 엔트로피가 증가할 수 밖에 없었다고 말합니다. 곧, 더 낮아질 수 없다면, 높아질 수 밖에 없다는 뜻입니다.

이 과거 가설은, 우리가 계란말이를 만들 때 마다 140억년 전에 일어난 사건의 덕을 보고 있는 것임을 의미합니다. “ 이 가설 하에서는 ’왜 아직 깨어지지 않은 계란이 존재하는 것일까?’라는 질문에 답하기 위해 빅뱅이 필요합니다.” 캐럴의 말입니다.


어떤 물리학자들은 과거 가설을 특히 불편해합니다. 그들은 오늘날 우주의 물리학에서 이해할 수 없는 점을 설명하기위해 빅뱅을 가져오는 것은 카페트 아래로 문제를 숨기는 것처럼 그저 한 문제를 다른 문제로 떠넘기는 일일 뿐이라고 생각합니다. 모든 질문을 초기 조건 때문이라고 돌린다면 “카페트 아래는 점점 더 지저분해질 겁니다”라고 학회를 개최한 이들 중 한 명이자 에딘버러 왕립 천문대의 우주론 학자인 마리나 코르테스는 말했습니다.


스몰린은 과거가설을 문제의 해법이라기 보다 실패의 인정이라고 생각합니다. 그는 “단일 우주~”에서 이렇게 쓴 바 있습니다. “우리가 설명해야 할 것은 왜 우주가 빅뱅 이후 138억년이나 지났음에도 아직 평형상태, 곧 가장 확률이 높은 상태에 이르지 못했는지이며, 우주가 지금 현재보다 확률이 더 낮은 상태에서 출발했다는 가정은 이에 대한 설명이라고는 전혀 말할 수 없다.”

그러나 다른 물리학자들은 어떤 특정한 초기조건을 가진 시스템을 설명하는 이론을 만드는 것이 일반적인 일이라는 사실을 지적합니다. 즉 하나의 이론이 그 시스템이 왜 그런 초기조건을 가졌는지를 설명해야 할 필요는 없다는 것입니다.

다른 물리학자들은 과거 가설이 비록 없는 것보다는 낫지만, 최종 답안 이전의 중간 단계 정도라고 생각합니다. 즉 우리가 운이 좋다면, 이 방향으로 어떤 더 의미있는 답을 구하게 될 것이라는 뜻입니다. “많은 이들이 과거 가설이 그저 사실에 불과하며, 이를 설명할 수 있는 다른 무언가가 있다고 생각하지 않습니다. 나도 그럴 가능성을 배제하지는 않고 있습니다.” 캐럴은 말을 잇습니다. “내게는 과거 가설은 우주를 보다 총체적으로 설명할 수 있는 이론의 단서 중 하나입니다.”


시간의 기원에 대한 또다른 학설


시간이 흐르는 방향을 ‘과거 가설’ 없이 설명할 수는 없을까요? 어떤 물리학자들은 열역학이 아니라 중력이 시간의 방향을 정한다고 말합니다. 멕시코 국립자치대의 물리학자 팀 코슬로프스키는 중력이 물질을 서로 뭉치도록 만듦으로써 복잡성을 증가시키는 방향으로 시간의 방향을 정한다고 말합니다. 그는 2014년 영국의 물리학자 줄리안 바버와 페리메터 연구소의 물리학자 플라비오 메르카티와 함게 이 아이디어를 논문으로 발표했습니다.

코슬로프스키와 그의 동료들은 뉴튼의 중력만이 존재하는, 1,000 개의 질점으로 이루어진 간단한 우주 모델을 만들었습니다. 그리고 이 우주에는 언제나 최대밀도와 최소 복잡성을 가지는 순간이 존재함을 발견했습니다. 그 시점부터는 어떤 움직임도 복잡성을 증가시키게 됩니다. 우리 인간은 – 이를 관찰할 수 있을 정도로 복잡한 생명체이므로 – 그 최소 복잡성에서 멀어진 상태에서 진화할 수 있었습니다.

또한 우리가 우주의 역사에서 어느 순간에 있든, 우리는 더 적은 복잡성을 가진 시점을 과거라고 부를 수 있다고 코슬로프스키는 말합니다. 이 모델은 전역적으로 볼 때 시간에 대해 대칭이면서 동시에 모든 관찰자는 국지적으로 시간의 흐름을 느끼게 됩니다. 특히 이 모델에서는 낮은 엔트로피를 가진 초기상태가 필요 하지 않다는 것이 중요합니다. 오히려, 모델 자체가 자연스럽게 초기 상태를 만듭니다. “중력을 이용할 경우 우리는 과거 가설을 굳이 필요로 하지 않게 됩니다.” 코슬로프스키의 말입니다.


시간이 한 방향 이상으로 흐를 수 있으며 우리는 그저 우연히 특정한 방향으로 시간이 흐르는 우주에 떨어졌다는 생각은 새로운 것이 아닙니다. 2004년 캐럴은 자신의 대학원생 제니퍼 텐과 함께 ‘영원한 급팽창’ 가설 – 우주의 초기 모델로 상대적으로 잘 알려진 – 에 기반해 이런 주장을 제시한 바 있습니다.

캐럴은 코슬로프스키의 이론이 자신들이 하지 못한 수학적 구조를 만들었기 때문에 의미있는 진전이라고 보고 있습니다. 그러나 그는 여전히 의문을 가지고 있습니다. 예를 들어, 캐럴은 중력이 정말로 그들의 주장처럼 중요한 역할을 하는지는 확실하지 않다고 말했습니다. “그냥 빈 공간에 입자들을 두기만 하면, 똑같은 질적 행동을 보게 될 것입니다.”


코슬로프스키는 복잡성의 증가가 매우 특별한 부가적인 효과를 준다고 말했습니다. 복잡성의 증가는 물질이 자신의 구조를 유지할 수 있는 특정한 배열을 형성하도록 만듭니다. 이 구조에는 정보가 저장됩니다. 코슬로프스키는 이를 “기록(records)”이라고 부릅니다. 중력이 먼저 기록을 형성하는 구조를 만들면 다른 기제에 의해 화석과 나이테, 그리고 문서에 이르는 수많은 기록들이 만들어집니다.

이들의 공통된 특징은 우주의 이전 상태에 대한 정보를 가진다는 것입니다. 나는 코슬로프스키에게 뇌에 저장되는 기억도 하나의 기록인지 물었습니다. 그는 그렇다고 말하며 이렇게 덧붙였습니다.

“이론적으로는, 내 휴대폰의 메모리와 뇌의 기억, 역사 책까지도 설명할 수 있는 보다 복잡한 모델을 만들 수 있습니다.” 더 복잡한 우주는 덜 복잡한 우주보다 더 많은 기록을 가지게 됩니다. 바로 이 점 때문에 우리는 과거는 기억할 수 있지만 미래는 기억하지 못합니다.


그러나 어쩌면 시간은 이보다도 더 근본적인 무엇일 수 있습니다. 남아공 케이프타운 대학의 천문학자 조지 엘리스는 시간을 더 근본적인 요소로 생각하며, 블록 우주 자체가 시간에 따라 변화하는 모델을 이야기합니다. 그의 “진화하는 블록 우주”모델에서 우주는 팽창하는 시공간 입체를 가집니다. 그리고 이 입체의 표면이 바로 현재, 곧 지금 이 순간이 됩니다.

표면은 “정해지지 않은 미래가, 확실하게 정해진 과거로 넘어가는” 바로 그 지점이라고 그는 설명합니다. “시공간 자체가 시간에 따라 커지게 됩니다.” 이때 시간이 흐르는 방향은 우주의 어떤 부분이 고정되어 있고(과거), 어떤 부분이 변화하고 있는지(미래)를 봄으로써 알 수 있습니다. 비록 몇몇 학자들은 이에 동의하지 않았지만, 엘리스는 이 모델이 완전히 새로운 모델이 아니며 기존 관점을 조금 수정한 것이라는 사실을 강조했습니다.

“이 모델은 블록 우주 모델에, 잘 알려진 일반상대론 장 방정식으로 동적인 요소를 가미해 미래와의 경계인 현재가 끊임없이 변화하도록 만든 것입니다.” 이 관점에서는 과거는 고정되어 있으며 변화하지 않지만 미래는 열려있게 됩니다. 그는 이 모델이 “시간의 흐름을 기존의 블록 우주보다 훨씬 잘 설명”한다고 말했습니다.


고전적인 블록 관점과 달리 엘리스의 모델은 우주가 열린 미래를 가지고 있다고 말하고 있으며 이는 과거의 물리적 상태가 미래의 상태를 결정한다는 ‘법칙이 지배하는 우주(law-governed universe)’ 모델과 충돌하는 것으로 보입니다. (물론 엘리스는 양자 불확정성만으로도 그런 결정론적 관점을 기각시킬 수 있다고 지적했습니다.)

학회에서 누군가 엘리스에게 영국 중부지방을 중심으로 어느 정도 반경의 모든 물리적 정보가 주어진다면, 브렉시트 투표 결과를 예측할 수 있었을지 물었습니다. “그건 물리 문제가 아니구요.” 그는 그 문제에 답하기 위해서는 마음이 어떻게 작동하는지에 대한 더 깊은 이해가 필요할 것이라고 답했습니다.


블록 우주 관점과 시간의 흐름이라는 모순을 해결하는 또다른 접근법은 “인과적 집합 이론(causal set theory)”입니다. 1980년대 물리학자 라파엘 소킨 – 그도 이 학회에 참석했습니다 – 은 양자중력 문제를 고민하던 중 이 이론을 만들었습니다.

이 이론은 시공간이 연속이 아니라 불연속이라는 가정에서 출발합니다. 곧, 우리 우주는 거시적으로는 연속인 시공간을 가진 것으로 보이지만 소위 플랑크 스케일(10^-35 미터)로 내려갈 경우 시공간의 “원자”라는 근본 요소로 이루어졌다는 것입니다. 이 원자들은 수학자들이 “부분 순서 집합(partially ordered set)”이라 부르는, 각각의 요소가 특정한 순서로 늘어서 있는 배열을 이루고 있습니다. 이 원자들의 수(우리의 가시 우주(visible universe)에만 대략 10^240 에 달하는)가 시공간의 입체를 만들며 이들의 순서가 시간을 만듭니다.

이 이론은 새로운 시공간 원자가 계속해서 만들어진다고 말합니다. 런던 임페리얼 칼리지의 물리학자 페이 도우커는 이를 “증대 시간(accretive time)”이라 불렀습니다. 그녀는 새로운 시공간 원자가 기존의 시공간에 쌓이는 것을 바닷속 깊은 곳에 새로운 침전물이 쌓이는 것에 비유했습니다.

일반 상대론은 블록 우주만을 허용하지만, 인과적 집합 이론은 “변화(becoming)”를 허용하는 것처럼 보인다고 그녀는 말했습니다. “블록 우주는 정적입니다. 이 세상을 정적으로 묘사하지요. 반면, 인과적 집합 이론은 동적입니다.”

이 관점에서는 시간의 흐름은 우리 우주가 가진 특성이라기 보다는 더 근본적인 무엇입니다. (도우커는 인과적 집합 이론이 우주의 시공간 입체 만으로도 우주 상수의 예측값을 구하는 데 사용되었다고 말하며 적어도 하나의 성공적인 예측을 해 냈다고 강조했습니다.)


미래가 가진 문제


이런 여러 모델들을 볼 때 이제 블록 우주라는 개념을 많은 이들이 부정하지 않게 되었거나 오히려 호감을 가지게 (적어도 참을 수 있게) 된 것으로도 보입니다.

이번 학회에서 블록 우주라는 정적인 모델과 우리가 매일 느끼는 시간의 흐름 사이의 간극을 가장 호의적으로 나타낸 발표는 아리조나 대학의 철학자 제난 이스마엘의 것입니다. 이스마엘은 블록 우주를 제대로 이해한다면, 블록 우주 안에서 시간의 흐름을 느끼는 우리의 경험을 설명할 수 있다고 말했습니다.

기존의 물리학과 지난 수십 년 간의 인지과학 및 심리학의 결과에서 우리가 배운 것을 잘 활용한다면 “시간의 흐름, 앗 하고 지나가는 느낌”의 의미를 알 수 있을 것이라고 그녀는 말했습니다. 이 관점에서는 시간은 환상이 아니며 실제로 우리가 직접 이를 느끼는 것입니다. 그녀는 우리가 경험하는 각 순간이 곧 일정한 시간 간격을 의미한다는 연구를 언급했습니다. 이는 우리가 시간의 흐름을 실제로 느끼는 것이 아니라 우리의 경험의 일부로써 느낀다는 뜻입니다.

그녀는 블록우주의 시공간내에서 곡선으로 묘사되는 과거를 가진 “내부 관찰자가 자신의 변화하는 기준에서 세상이 어떻게 보이는지”를 확인하는 문제, 곧 물리학이 말하는 정적인 블록우주 내에서 관찰자가 느끼는 1인칭 경험을 어떻게 설명할 것인지가 어려운 점이라고 말했습니다.


이스마엘의 발표는 다양한 반응을 이끌어 냈습니다. 캐럴은 그녀의 말에 모두 동의한다고 말했습니다. 엘리처는 그녀의 발표 중 “고함을 치고 싶었다”고 말했습니다. (그는 후에 이렇게 정정했습니다. “내가 벽에 머리를 박게 된다면, 바로 그 미래가 싫어서일 것입니다.”) 블록 우주를 반대하는 목소리들이 학회 내내 종종 나왔던 것은, 이 모델이 어떤 면에서는 미래가 이미 존재한다고 말하면서도, 동시에 다음 주 목요일의 날씨를 말하는 명제는 참도 거짓도 아니라고 말하기 때문입니다.

어떤 이는 이를 블록 우주 관점이 가진 극복할 수 없는 문제점으로 여깁니다. 이스마엘은 이런 불만을 과거에도 여러 번 들었습니다. 그녀는 미래의 사건은 존재하지만, 단지 지금 존재하는 것은 아니라고 말했습니다.

“블록 우주는 변화하는 모델(changing picture)은 아닙니다. 변화의 모델(picture of change)이지요.” 사건은 그 사건이 일어날 때 일어나는 겁니다. “바로 이 지점에서 – 여기 있는 모두가 이를 싫어한다는 것을 알고 있지만 – 물리학은 어떤 철학을 필요로 합니다.” 그녀는 말을 이었습니다.

“미래 시점 우연 명제(future contingent)의 참-거짓에 대한 논의는 오랜 역사를 가지고 있습니다. 그리고 이 논의는 시간의 경험과는 전혀 무관한 것이지요.” 그 문제를 더 알고 싶은 사람은요? “아리스토텔레스를 읽으세요.” 그녀의 답입니다. (페퍼민트 번역)


원문 https://www.quantamagazine.org/20160719-time-and-cosmology/



미선 (17-06-28 21:53)
 
위의 기사는 현대 이론 물리학자들의 최전선에 있는 소개 내용이긴 한데, 한 가지 옥의 티라고 해야할까 싶은 아쉬운 점 하나는, 맨 마지막 아리스토텔레스 언급입니다. 아리스토텔레스의 철학 역시 현재로선 낡은 패러다임이라는 점은 잘 모르고 있는 것 같습니다. 아마도 저자나 과학자들도 철학에 대해서는 잘 모를 수도 있을테죠.

참고로 위에 언급된 스몰린의 견해나 시간의 새로운 학설들 혹은 인과 집합 이론 얘기도 화이트헤드 철학의 시간관과 견주어본다면 상당히 놀라지 않을까 싶기도 합니다. 물론 철학과 과학은 다르지만 동시에 늘 함께 결부되어 있기에 완전히 동떨어져 생각할 수만은 없기 때문입니다. ^^;



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