우주는 이상하다. 우리가 보는 별과 은하, 행성과 인간은 우주의 전부가 아니다. 현대 우주론에 따르면, 우리가 직접 관측할 수 있는 것은 “우주의 약 5%”에 불과하다.
나머지 95%는 두 개의 이름으로 불린다.
은하를 붙잡는 암흑물질(Dark Matter)
우주 팽창을 가속하는 암흑에너지(Dark Energy)
이 두 존재는 수십 년 동안 별개의 문제로 다뤄져 왔다. 하나는 “보이지 않는 물질”, 다른 하나는 “정체불명의 에너지”.
그런데 여기서 한 가지 질문이 자연스럽게 떠오른다.
정말로 이 둘은 전혀 다른 기원에서 나온 것일까?
이번에 토트샘의 공개된 논문은 이 질문을 정면으로 다룬다. 그리고 그 출발점은 놀랍게도 “물질이나 에너지가 아니라 ‘정보’”다.
제목: “Information-Gauge RUEQFT with a Single Ultralight Stückelberg Vector: Real-Time RG, Cosmic Birefringence, and a Common Origin for Dark-Energy and Dark-Matter Scenarios”
zenodo 논문 링크: https://doi.org/10.5281/zenodo.18033257
물질보다 앞서는 것: 정보
우리는 보통 물리학을 이렇게 배운다.
입자가 있고
장이 있고
그 장이 힘을 만든다
하지만 이 논문은 질문을 거꾸로 던진다.
“그 입자와 장을 규정하는 것은 무엇인가?”
양자역학과 블랙홀 물리에서 점점 분명해진 사실이 있다. 정보는 사라지지 않는다는 것이다.
블랙홀조차 정보를 완전히 없앨 수 없다면, 정보는 단순한 데이터가 아니라 물리적 실체여야 한다.
이 논문은 이 생각을 한 단계 더 밀어붙인다.
정보가 보존된다면, 정보도 흐르고, 그 흐름에는 대칭과 장이 필요하지 않을까?
정보에도 ‘게이지 장’이 필요하다
전자기학에서 전하 보존을 요구하면 자연스럽게 전자기장이 등장한다. 이것이 게이지 이론의 핵심이다.
논문은 같은 논리를 정보에 적용한다.
정보가 보존된다
보존되는 양에는 흐름이 있다
흐름을 국소적으로 정의하려면 게이지 대칭이 필요하다
그 결과 등장하는 것이 “정보게이지장(Information-Gauge Field)”이다.
그리고 이 논문에서 핵심적인 선택이 하나 이루어진다.
정보게이지장은 스칼라가 아니라 초경량(Stückelberg) 벡터 장이라는 것.
이 선택 덕분에 이 이론은 양자장이론적으로 일관되며, 재규격화 가능한 구조를 유지한다.
하나의 장, 두 개의 우주적 역할
이 논문의 가장 중요한 결과는 다음과 같다.
암흑물질과 암흑에너지는 서로 다른 두 실체가 아니라, 같은 정보게이지장의 서로 다른 동역학적 상태다.
장이 거의 변하지 않고 “고정된 상태”로 있을 때 → 공간 전체에 압력처럼 작용 → 암흑에너지
장이 진동하며 국소적으로 응집할 수 있을 때 → 중력과 함께 구조 형성 → 암흑물질
즉, 우주의 팽창 속도와 시간 스케일에 따라 같은 장이 서로 다른 얼굴을 드러낸다.
이 설명의 강점은 명확하다.
암흑물질을 따로 가정하지 않는다
암흑에너지를 추가 항으로 억지로 넣지 않는다
하나의 장 방정식에서 두 현상이 동시에 나온다
관측으로 검증 가능한 예측: 우주 편광 회전
아무리 아름다운 이론도 검증되지 않으면 과학이 아니다.
이 논문은 명확한 관측 신호를 제시한다.
우주배경복사(CMB)의 편광 회전, 즉 Cosmic Birefringence다.
정보게이지장이 존재하면, 우주를 가로지르는 빛의 편광 방향이 아주 미세하게 회전해야 한다.
중요한 점은 이것이다.
이 회전은 주파수에 거의 의존하지 않고
암흑물질·암흑에너지와 같은 파라미터로 동시에 결정된다
즉, 이 이론은 하나의 관측으로 여러 가설을 동시에 시험당하는 구조를 갖는다.
이 점에서 이 이론은 “철학적 제안”이 아니라 엄격한 양자장이론이다.
철학적 의미: 우주는 무엇을 근본으로 삼는가
이 논문이 던지는 가장 깊은 질문은 수식 바깥에 있다.
“우주의 가장 근본적인 실체는 정말 물질과 에너지인가?”
정보게이지 RUEQFT는 우주를 이렇게 다시 해석한다.
물질은 정보의 응집된 표현
에너지는 정보 흐름의 한 형태
암흑은 미지가 아니라 구조적 결과
암흑물질과 암흑에너지는 우주가 정보를 조직하는 두 가지 방식일 뿐이라는 것이다.
이는 우주론뿐 아니라 양자정보, 중력, 시간의 방향성까지 새로운 연결고리를 제시한다.
끝이 아니라 질문의 시작
이 논문은 모든 것을 해결했다고 주장하지 않는다. 오히려 이렇게 말하는 것에 가깝다.
“우리는 이제 올바른 질문을 던질 준비가 되었을지도 모른다.”
암흑은 사라질 대상이 아니라, 우리가 우주를 더 깊이 이해하기 위해 반드시 지나야 할 단계일지도 모른다.
정보를 근본으로 보는 이 관점이 앞으로 어떤 실험과 관측에서 어떤 운명을 맞게 될지는 아직 모른다.
Intrinsic Josephson Dynamics in Bi-2212 as a Phenomenological Testbed for Information-Gauge Fields: Constraints on Λµ, Entropy Production, and Odd-in-B Asymmetry, (2025)
https://doi.org/10.5281/zenodo.17896209
우리는 보통 정보(information) 라는 단어를 컴퓨터, 인터넷, 혹은 스마트폰과 연결해서 떠올립니다. 하지만 놀랍게도, 현대 물리학은 정보가 에너지와 마찬가지로 물리적 실체일 수 있으며, 심지어 우주의 법칙을 결정짓는 기본 단위일지도 모른다는 이야기를 시작하고 있습니다.
이번 글에서는 이러한 새로운 관점을 실제 고체물질 실험과 연결한 흥미로운 연구를 소개합니다. 논문의 제목은 조금 길지만, 그 안에 담긴 질문은 매우 단순합니다.
“초전도체 속에서 흐르는 정보는 어떤 모습일까?” “그 정보는 우리가 알고 있는 전기·자기 현상처럼 물리적 법칙을 따를까?”
이 질문을 따라가다 보면, 우리가 알고 있던 ‘물리학’이라는 세계가 조금 다르게 보이기 시작합니다.
1. 초전도체가 왜 ‘정보’를 연구하는 실험실이 되는가?
연구의 주인공인 Bi-2212(비스무스계 고온 초전도체)는 원자층이 케이크처럼 층층이 쌓여 있는 독특한 구조입니다. 이 층 사이에는 자연스럽게 Josephson Junction(조셉슨 접합) 이 형성됩니다.
조셉슨 접합은 마치 전자들의 ‘터널’을 조절하는 문과 같습니다. 전류가 흐를 때, 그 양상은 전자들의 집단적 움직임(위상, 위상 차이, 진동 등)을 섬세하게 반영합니다.
그런데 이 연구는 여기에서 새로운 가정을 하나 더 얹습니다.
“만약 이러한 복잡한 움직임을 정보의 흐름으로 볼 수 있다면 어떨까?”
전류의 세기·진동, 열이 쌓이고 흩어지는 과정, 작은 소리 같은 잡음들까지 모두 정보가 생성되고 사라지고 이동하는 과정이라는 관점에서 다시 바라본 것입니다.
이것이 바로 토트샘이 제안하는 정보 게이지 이론(Information-Gauge Theory, IG-RUEQFT) 이라는 철학적·물리적 틀입니다.
2. 초전도체 속에서 발견한 ‘정보의 단서’들
실험 자체는 2000년에 측정된 자료입니다. 하지만 이번 논문은 이 자료를 ‘정보의 관점’으로 재해석하는 첫 시도라는 점에서 의미가 큽니다.
Bi-2212 Josephson 접합에서는 다양한 비선형 현상들이 관찰됩니다:
• Back-bending — 전압이 역으로 구부러지는 이상한 곡선
긴 펄스를 주면 전압이 ‘뒤로’ 꺾입니다. 열이 쌓이고 전자들이 비평형 상태로 몰리기 때문인데, 논문은 이것을 **‘정보가 더 이상 보존되지 못하는 상태’**로 해석합니다.
정보는 흐르다 막히거나 뒤틀리면 엔트로피를 남기는데, 이 구간에서 그 엔트로피 생산이 폭발적으로 늘어난다는 것이죠.
• Flux-flow resonance — 전류 속에서 들리는 ‘정보의 공명’
자기장을 가하면 Josephson vortex(초전도 소용돌이)가 움직이며 특정 전압에서 공명 현상이 나타납니다.
이 공명은 원래 전자기적 현상으로 설명됩니다. 하지만 연구자는 “이것이 정보 모드의 공명처럼 보일 수도 있다”고 말합니다. 왜냐하면 각 공명값이 얼마나 일정한지를 통해 정보 게이지장 Λµ가 얼마나 작은지(즉, 자연에 거의 ‘흔적을 남기지 않는지’) 정량적으로 측정할 수 있기 때문입니다.
• Annular junction(고리형 접합) — 정보 홀로노미(holonomy)의 실험 무대
고리처럼 생긴 조셉슨 접합에서는 한 바퀴를 돌며 위상이 누적되는 효과가 나타나는데, 이는 고에너지 물리학의 윌슨 루프(Wilson Loop) 개념과 닮았습니다.
연구자는 여기서 “정보 게이지장이 한 바퀴를 돌며 남기는 흔적(χ)”을 실제로 측정하고 상한값을 제시합니다.
이는 ‘정보의 기하학적 위상(geometric phase)’을 실험적으로 제한한 아주 이례적인 결과입니다.
• Field inversion asymmetry — 자기장을 뒤집으면 왜 반응이 다를까?
+3000 G와 −3000 G에서 전류가 완벽히 반대가 되지 않습니다. 기존에는 구조적 비대칭이나 trapped flux 때문이라고 설명했지만, 연구자는 여기에 CP-odd 정보 결합(g_odd) 이란 파라미터를 도입합니다.
즉, “정보가 자기장 방향에 민감할지도 모른다”는 가설을 세운 것입니다. 그리고 실험 데이터를 이용해 그 크기의 상한을 정합니다.
3. 이 연구가 갖는 진짜 의미
이 연구의 특별함은 실험을 바꾸지 않았다는 데 있습니다.
새로운 장비도, 새로운 물리 모델도 아닌, 이미 존재하던 초전도체 실험 데이터를 ‘정보의 물리학’이라는 새로운 언어로 번역한 것입니다.
그 결과 놀랍게도:
정보 게이지장 Λµ
정보 홀로노미 χ
정보 비보존 시간 τ_info
CP-odd 정보 결합 g_odd
같은 ‘정보 세계의 물리량들’에 대해 실험적 상한(upper bounds) 이 도출되었습니다.
이것은 마치 다음과 같은 말과도 같습니다.
“정보가 정말 자연의 근본적인 물리량이라면, 초전도체는 그것을 측정할 수 있는 작은 우주가 될 수 있다.”
4. 철학적 메시지 — 물리학과 정보의 경계가 흐려지는 시대
이 연구는 한 가지 중요한 철학적 메시지를 던집니다.
“정보는 단순한 데이터가 아니라, 물리적 세계의 또 다른 얼굴일 수 있다.”
물리학은 항상 ‘힘’, ‘에너지’, ‘전하’ 같은 개념으로 자연을 설명해 왔습니다. 하지만 양자정보이론, 블랙홀 엔트로피 연구, 홀로그래피, 그리고 최근의 AI·컴퓨팅 패러다임이 발전하면서 새로운 가능성이 제기됩니다.
자연은 정보를 다루는 존재이며, 정보의 흐름이 곧 자연의 법칙일지도 모른다.
이 논문은 이 큰 흐름 속에서 “그렇다면 실험으로 그것을 검증할 수 있을까?”라는 매우 실용적인 질문을 제기합니다.
Bi-2212 같은 초전도체가 정보 게이지 이론의 작은 실험실이 될 수 있다면, 우리는 고에너지 물리학에서만 다루던 개념을 실제 재료 속에서 관측하고 제약할 수 있게 됩니다.
5. 마무리 — 정보의 시대, 정보의 물리학
우리가 사용하는 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능은 결국 정보를 어떻게 처리하고 전달하는가의 문제를 해결한 기기들입니다.
하지만 이 논문은 한 걸음 더 나아가 “정보는 자연 그 자체의 일부이다.” 라는 관점을 초전도체 실험을 통해 보여 줍니다.
초전도체 안에서 일어나는 수많은 미세한 현상들이 전류·전자·소용돌이의 움직임뿐 아니라 정보의 생성·흐름·축적·소멸이라는 관점으로도 설명될 수 있다는 사실은 물리학이 새로운 시대를 맞이하고 있다는 신호일지도 모릅니다.
앞으로 더 정교한 실험이 이뤄진다면, 우리는 정보가 물리적으로 어떻게 존재하고, 어디까지가 자연이 허용하는지에 대해 더 깊은 이해를 얻을 수 있을 것입니다.
