생명의 본질은 그것의 구성 요소가 아니라 DNA에 담긴 디지털 ‘정보’와 그 ‘계산’에 있다. 원자나 분자 수준의 미시 세계에서는 ‘정보’ 측정이 곧 물리적 속성을 결정한다. 블랙홀 안으로 들어간 물질에 담긴 ‘정보’의 양은 블랙홀 경계의 면적에 비례한다. ‘정보’의 양에 관한 수학적 정의는 시간의 방향을 나타내는 물리량과 다르지 않다. 단백질 기반의 지능은 실리콘 기반의 ‘계산’ 장치로도 구현할 수 있다. ‘물리학자들의 물리학자’로 불리는 존 아치볼드 휠러는 이처럼 여러 이론과 관측에서 보편적으로 나타나는 정보와 계산을 현대 과학의 근본적인 언어로 규정하고 다음과 같은 짧은 경구로 표현한다. “모든 것은 정보로부터 나온다(It from bit).”

『시뮬레이션 우주』에서 고등과학원 교수이자 세계적인 물리학자인 저자는 수많은 과학적 발견이 공통적으로 가리키는 자연 현상 혹은 자연 법칙과 정보 · 계산 · 알고리즘 사이의 밀접한 관계를 소개하며, 과연 정보란 무엇인지, 어떻게 모든 물리적 시스템이 임의의 계산을 수행하는 컴퓨터로 작동할 수 있는지, 왜 지능이 서로 다른 물질에서 똑같이 구현되는 것이 가능한지를 설명한다. 더 나아가, 현대 물리학의 관점에서 (우리 우주가 어느 거대한 컴퓨터 안에서 돌아가는 시뮬레이션이라는) 시뮬레이션 가설, (우주가 인간과 같은 지적 생명체가 등장하도록 미세 조정되었다는) 인류 원리 같은 철학적 주장을 검토하며, ‘우주’라고 불리는 일종의 컴퓨터 안에서 우주를 시뮬레이션함으로써 자기 자신을 이해하는 작은 컴퓨터, 즉 인간 존재의 의미에 관해 이야기한다.

정보·계산·컴퓨터 과학으로 본
원자, 생명, 지능, 그리고 시간

★ 하버드대학교 김필립 교수 추천 ★
★ 케임브리지대학교 장하석 교수 추천 ★

전자기학부터 정보 엔트로피, 뉴런
반도체, 인공지능, 양자컴퓨터까지

정보 · 계산 · 컴퓨터 과학으로 본
원자, 생명, 지능, 그리고 시간

“걸작이다.”

★ 하버드대학교 김필립 교수 추천 ★
★ 케임브리지대학교 장하석 교수 추천 ★

“우주는 원자로 만들어지지 않았다. 비트로 만들어졌다.”
─데이비드 도이치, 옥스퍼드대학교 물리학 교수 · 2017년 디랙 메달 수상자

생명의 본질은 그것의 구성 요소가 아니라 DNA에 담긴 디지털 '정보'와 그 '계산'에 있다. 원자나 분자 수준의 미시 세계에서는 '정보' 측정이 곧 물리적 속성을 결정한다. 블랙홀 안으로 들어간 물질에 담긴 '정보'의 양은 블랙홀 경계의 면적에 비례한다. '정보'의 양에 관한 수학적 정의는 시간의 방향을 나타내는 물리량과 다르지 않다. 단백질 기반의 지능은 실리콘 기반의 '계산' 장치로도 구현할 수 있다. '물리학자들의 물리학자'로 불리는 존 아치볼드 휠러는 이처럼 여러 이론과 관측에서 보편적으로 나타나는 정보와 계산을 현대 과학의 근본적인 언어로 규정하고 다음과 같은 짧은 경구로 표현한다. “모든 것은 정보로부터 나온다(It from bit).”
『시뮬레이션 우주』에서 고등과학원 교수이자 세계적인 물리학자인 저자는 수많은 과학적 발견이 공통적으로 가리키는 자연 현상 혹은 자연 법칙과 정보 · 계산 · 알고리즘 사이의 밀접한 관계를 소개하며, 과연 정보란 무엇인지, 어떻게 모든 물리적 시스템이 임의의 계산을 수행하는 컴퓨터로 작동할 수 있는지, 왜 지능이 서로 다른 물질에서 똑같이 구현되는 것이 가능한지를 설명한다. 더 나아가, 현대 물리학의 관점에서 (우리 우주가 어느 거대한 컴퓨터 안에서 돌아가는 시뮬레이션이라는) 시뮬레이션 가설, (우주가 인간과 같은 지적 생명체가 등장하도록 미세 조정되었다는) 인류 원리 같은 철학적 주장을 검토하며, '우주'라고 불리는 일종의 컴퓨터 안에서 우주를 시뮬레이션함으로써 자기 자신을 이해하는 작은 컴퓨터, 즉 인간 존재의 의미에 관해 이야기한다.

“우리가 던진 하나의 돌은 자연의 법칙대로 정해진 궤적을 따라 움직인다고 대개 생각하지만, 그 돌이 자신의 궤적을 계산하면서 간다고 볼 수도 있다. 『시뮬레이션 우주』는 이러한 관점의 전환을 우리에게 권유하면서, 소설과 영화 이야기를 바탕으로 과학혁명 시대의 물리학부터 현재의 인공 신경망과 양자컴퓨터까지 아주 생생하게 설명해 주며 어려운 수학과 물리학, 정보 이론에 담겨 있는 철학적, 문화적 함의까지 깊이 생각하게 해 준다.”
─장하석, 케임브리지대학교 과학사 및 과학철학 석좌교수 · 『온도계의 철학』 저자

도대체 정보란 무엇인가?
무엇이든 컴퓨터가 될 수 있는가?
진화론과 같은 물리 법칙은 알고리즘인가?
임의의 계산을 처리하는 보편 컴퓨터란 무엇인가?
지능은 왜 물, 진공관, 반도체로 구현하는 것도 가능한가?
원자, DNA, 신경세포, 블랙홀, … 정보와 계산은 왜 보편적인가?
우리 우주는 어떤 거대한 컴퓨터에서 돌아가는 시뮬레이션에 불과한가?

“양자역학에 대한 최고의 설명서”
『일어날 일은 일어난다』 저자,
'영화 평론하는 물리학자'

고등과학원 박권 교수가 전하는
현대 과학의 새로운 패러다임

“정보는 가장 근본적인 단위로서, 물질보다 근본적이다. 인간뿐 아니라 우주는 일종의 정보 시스템이다.”
─데미스 허사비스, 2024년 노벨 화학상 수상자 · 구글 딥마인드 창업자

2003년, 영국 옥스퍼드대학교 철학 교수인 닉 보스트롬은 눈에 띄는 제목의 논문 한 편을 발표한다. 「당신은 컴퓨터 시뮬레이션 안에 살고 있는가?」 여기서 보스트롬은 당연해 보이는 몇 가지 가정에 근거해 우리가 미래 인류가 돌리는 시뮬레이션 안에서 살아가는 가상 인류일 가능성이 매우 높다고 주장한다. 요컨대 우리 우주가 컴퓨터 시뮬레이션이라는 말이다. 하지만 저자는 원칙적으로 반증할 수 없는 이러한 비과학적 주장에 답하는 대신 “모든 것은 정보로부터 나온다”라는 존 아치볼드 휠러의 말을 '모든 물리적 대상의 바탕에는 정보가 있다'는 뜻으로 해석하고, 이를 지지하는 세 가지 과학적 사실을 폭넓게 다룬다.
첫째, 우주 자체가 정보 시스템이다. 1장 「지구라고 불리는 컴퓨터」와 2장 「놀라움의 부재, 놀라움의 정도」에서 자세히 다루듯이, 원자, 생명, 시간 등에 담긴 물리적 속성은 정보로, 그리고 물리적 속성의 변화는 논리부정, 논리합, 논리곱과 같은 기본적인 논리 연산자의 계산으로 표현할 수 있다. 이러한 관점에서 물리 법칙은 특정한 알고리즘으로서, 자연 현상은 알고리즘에 따른 정보의 계산 과정과 다르지 않다. 둘째, 무엇이든 컴퓨터로 만들 수 있다. 4장 「모든 곳에 있는 만능 기계」와 5장 「모래로 지은 골렘」에서 보이듯이, 진공관이나 반도체, 심지어 물이나 공기조차 무언가를 계산하는 컴퓨터로 쓰일 수 있을 뿐만 아니라, 컴퓨터가 수행할 수 있는 계산이라면 어떤 계산이든 가능한 보편 컴퓨터로서 작동할 수 있다. 셋째, 지능은 계산 과정이다. 어떤 물리계든 임의의 계산을 수행하는 컴퓨터로 작동할 수 있고 우리의 정신적 과정이 단지 뉴런과 시냅스의 상호작용에 따라 발현되는 속성이라면, 6장 「인공지능은 전기양의 꿈을 꾸는가」에서 소개하는 인공 신경망으로도 원칙적으로 지능을 비롯한 인간의 마음을 구현할 수 있다.

“신경계의 논리적 구조는 디지털 계산 장치의 구조와 근본적으로 동일하다.”
─존 폰 노이만, 수학자 · 수리경제학자 · 컴퓨터과학자

“우주는 스무고개를 한다.”
스스로를 이해하는 과정에서
자기 자신을 만들어 가는 우주,
끊임없이 질문하는 인간의 역할

“우주는 양자컴퓨터다. 무엇을 계산하는가? 바로 자기 자신이다.”
─세스 로이드, MIT 이론물리학자 · 컴퓨터과학자

잘 알려지지 않았지만, “모든 것은 정보로부터 나온다”라는 말에는 휠러 자신이 제안한 더욱 급진적인 해석이 있다. 바로 우주가 '음의 스무고개(negative twenty questions)'를 한다는 것이다. 보통의 스무고개와 달리, 음의 스무고개에서는 20개의 질문에 답하는 답변자조차 정답이 무엇인지 모른다. 답변자는 단지 질문자의 물음에 '예/아니요'로 답하며 이전의 모든 대답과 일관된 어떤 것의 정체를 그때그때 생각해 낼 뿐인데, 이렇게 질문자와 답변자가 서로 질문과 답을 주고받다 보면 처음에는 정해지지 않은 어떤 답이 점차 그 모습을 드러낸다. 그렇다면 휠러는 왜 우주가 거대한 음의 스무고개를 한다고 생각했을까?
우리 우주는 양자역학을 따른다. 그런데 양자역학에서는 물질의 상태가 어느 하나로 고정되어 있지 않다. 우주가 어떤 상태를 가질지는 오직 측정을 통해 결정된다. (심지어 무엇을 측정하는지에 따라, 다시 말해 우주에 어떤 질문을 던지는지에 따라 그 상태가 달라진다.) 측정은 파동 함수의 붕괴를 낳는데, 파동 함수의 붕괴로 어떤 측정값이 얻어질지는 미리 알 수 없다. 이는 오로지 확률에 따라 결정된다. 음의 스무고개에서 답변자에게 사전에 주어진 답이 없는 것과 마찬가지다. 파동 함수가 붕괴하고 어떤 측정값이 주어지면, 우주는 그 측정값과 일관된 상태로 진화한다. 무수히 반복되는 이러한 과정을 통해 우주는 서서히 자기 자신을 만들어 간다.
7장 「시뮬레이션 우주, 우주 시뮬레이션」과 8장 「마지막 질문」에서 저자는 양자역학과 양자컴퓨터에 관한 기초 지식을 정리하고, 측정을 매개로 인간과 상호작용하며 서서히 자기 자신을 만들어 가는 '참여 우주(participatory universe)', 참여 우주의 논리적 귀결인 '강한 인류 원리(strong anthropic principle)', 그리고 음의 스무고개의 질문자로서 자기 자신과 우주에 관해 끊임없이 물음을 던지는 인간의 역할에 관해 이야기한다.

“『시뮬레이션 우주』는 우주가 거대한 컴퓨터라는 도전적 명제에서 출발해 정보물리학, 양자정보, 인공지능, 인간 존재에 관한 철학적 질문까지 촘촘히 엮는다. 영화와 과학소설의 인상적인 장면을 곁들여 자칫 난해한 논의를, 기본적인 수식과 저자가 그린 삽화와 함께 흥미롭게 풀어낸 탁월한 정보물리 입문서다.”
─김필립, 하버드대학교 물리학과 교수

 

들어가며

1장　지구라고 불리는 컴퓨터
삼체 문제 | 존재를 위한 계산, 계산을 위한 존재 | 모든 것은 비트로부터

2장　놀라움의 부재, 놀라움의 정도
라플라스의 악마 | 블랙홀 밖으로 정보 보내기 | 정보의 양을 재는 법 | 과학의 이상향

3장　파이 이야기
원주율에 담긴 메시지 | 원주율 계산하기 | 무질서에 담긴 질서 | 브라운 운동 | 컴퓨터라는 선물

4장　모든 곳에 있는 만능 기계
미로 찾기 | 아날로그 유체 컴퓨터: 물 적분기 | 아날로그 유체 컴퓨터: 모니악 | 디지털 유체 컴퓨터 | 논리곱과 배타적 논리합 | 물 덧셈 기계 | 보편 컴퓨터 | 초기 컴퓨터: 차분 기관, 조석 예보기

5장　모래로 지은 골렘
매끄러운 검은 돌, 모놀리스 | 세 번째로 위대한 물리학자 | 백열전구 계산기: 3극 진공관 | 백열전구 계산기: 논리 연산 | 반도체, 계산 혁명의 시작 | 파울리의 배타 원리 | 다이오드 | 트랜지스터 | 확장된 표현형

6장　인공지능은 전기양의 꿈을 꾸는가
자유의지 | 뉴런과 커넥톰 | 퍼셉트론 | 인공지능의 두 겨울 | 다층 퍼셉트론 | 황제의 새 마음

7장　시뮬레이션 우주, 우주 시뮬레이션
시뮬레이션 가설 | 중첩, 파동 함수, 그리고 붕괴 | 국소파와 평면파 | 불확정성 원리 | 양자컴퓨터 | 쇼어 알고리즘 | 우주 시뮬레이션 | 양자 시스템 바꾸기 | 바닥 상태 | 마지막 질문

8장　마지막 질문
참여 우주 | 인류 원리

나가며