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다른우주가 존재할까??

또 다른 현실은 존재할까?

평행 우주 이론은 말도 안 되는 추측으로 치부되어 왔습니다. 그러나 이제는 세계적으로 저명한 과학자들도, 이런 세계가 실제로 존재한다고 주장합니다. 우주의 탄생인 빅뱅에 관한 최신 이론에서부터 아원자 입자의 성질에 이르기까지 평행 우주 이론은 과학계에서 새롭게 주목 받기 시작했습니다. 평행 우주는 어떤 곳일까요? 우리가 가볼 수 있을까요? 만약 간다면, 누구를 만나게 될까요?

다중 우주라고 불리는 시공간 속에서, 빅뱅은 항상 일어나는 작고 무의미한 사건에 불과할지도 모른다.

다중우주론 – 브라이언 그린의 우주의 구조

우리가 살고 있는 우주 외에도 다른 우주들도 존재한다? 이 우주에는 지구와 유사한 행성이 있을 수도 있고, 우리가 알고 있는 자연의 기본적인 특성이 아예 다른 곳일 수도 있습니다. 바로 다중우주론입니다. 다소 생소한 이야기이지만, 점점 더 많은 과학자들이 우주에 대한 우리의 생각에 가장 극단적인 변화를 가져올 이론이 다중우주론일지도 모른다고 생각합니다. 그렇다면 이 개념은 어디에서 출발했고, 그 증거는 무엇일까요? 세계적인 물리학자이자 [우주의 구조] 저자인 브라이언 그린(Brian Greene, 1963~)이 직접 다중우주론에 대해 설명을 시작합니다.

우리 우주와 다른 수많은 우주가 존재한다? – 치즈 덩어리와 영구적인 급팽창

몇몇 놀라운 발견들에 따르면, 우리의 우주는 다중우주의 일부일지도 모릅니다. 우리 우주의 근원인 대폭발에 의한 급팽창은 강력한 반중력으로 인해 촉발된 것으로 이는 유일무이한 사건이 아닙니다. 우리 우주가 대폭발하기 전에도 여러 차례의 대폭발이 있었고, 앞으로도 수없이 많은 대폭발이 일어날 수 있습니다. 즉, 급팽창이 영원히 계속될 수도 있으며, 끊임없이 반복되는 이 팽창 과정 속에서 잇따라 새로운 우주가 탄생할 수도 있다는 것입니다. 영구적 급팽창으로 알려진 이 개념을 치즈 덩어리로 예를 든다면, 치즈 덩어리의 한 면을 항성과 은하계가 형성되기 전의 공간이라고 가정해봅니다. 급팽창 이론에 의하면 공간은 엄청난 양의 에너지로 균일하게 채워져 있고, 이 에너지가 공간의 급격한 팽창을 유발합니다. 이때 정전기 불꽃과 같은 형태로 사방에서 에너지를 방출, 에너지는 미세한 입자의 물질로 빠르게 변합니다. 이것이 새로운 우주의 탄생 과정이며 우리가 전통적으로 말해왔던 대폭발입니다.

치즈덩어리 안의 구멍과 같은 이 새로운 우주 속에서 공간은 끊임없이 팽창하지만 팽창 속도는 느려지고 어느 시점엔 우리의 우주처럼 은하계, 항성, 행성이 형성됩니다.

한편 새로운 우주들 외에 나머지 공간은 여전히 방출되지 않은 에너지로 가득하며 놀라운 속도로 팽창하고 있습니다. 팽창하는 공간이 많을수록 에너지를 방출할 수 있는 공간도 많아지고, 더 많은 대폭발로 더 많은 우주가 새롭게 탄생합니다. 이것은 이 과정이 영원히 지속될 수 있다는 뜻입니다. 즉, 영구적인 급팽창은 새로운 우주가 끊임없이 탄생하며 다중우주를 형성하는 것을 보여줍니다.

그러나 다중우주론의 한 가지 문제점은 다중우주를 탐지할 방법이 없다는 것입니다. 하지만 다중우주론은 전혀 무관한 연구 분야 두 곳에서 뜻밖의 지지를 받습니다. 바로 거시적인 수준과 미시적인 수준에서 우주의 원리를 설명하는 암흑에너지와 끈이론입니다.

1,000만 1호실 객실 번호?

공간 속에 존재하는 암흑에너지는 모든 은하계들을 서로 밀어내며 팽창 속도를 높이고 있습니다. 그러나 천문학자들이 실존하는 에너지의 양을 측정해보니 예상과 달리 매우 작은 값이 나왔습니다. 암흑 에너지의 이론적 예상 값과 천문학자들이 측정한 값의 불일치는 현재 과학계가 직면한 가장 큰 의문 중 하나입니다. 하지만 우리가 다중우주 속에 살고 있다고 가정하면 이 의문은 그렇게 불가사의하지 않을지도 모릅니다.

다중우주가 암흑에너지 문제를 어떻게 푸는지 보여드리기 위해 호텔에 투숙해 배정받은 객실의 번호 10,000,001호로 예를 들겠습니다. 1,000만 1호실 객실 번호는 과학자들이 암흑 에너지의 양을 발견했을 때 놀랐던 것처럼 우리가 생각하기에 있을 수 없는 객실 번호입니다. 하지만 이 호텔에 객실이 10의 18제곱 개 있다고 한다면 객실 번호가 1,000만 1호라도 그리 놀랍지 않습니다. 이렇게 큰 호텔에서는 이런 객실 번호가 당연하다고 생각할 것입니다.

마찬가지로 우리가 수많은 우주로 이루어진 다중우주의 일부이고, 암흑에너지의 양이 각각의 우주마다 다르다면 우리가 측정했던 값만큼 작은 값이 나와도 이상하지 않을 것입니다. 이제 각각의 객실이 하나의 우주이고 우주마다 암흑에너지의 양이 다르다고 가정하면, 이 우주들의 대부분은 우리가 아는 것처럼 생명체가 살 수 있는 곳은 아닐 것입니다. 우리 우주보다 암흑에너지가 적은 우주는 오므라들어 붕괴되고, 우리 우주보다 암흑에너지가큰 우주는 너무나 빨리 팽창해서 물질이 덩어리로 뭉쳐 항성과 행성을 형성할 수 있는 기회조차 얻지 못할 것입니다.

우리 우주가 대폭발하기 전에도 여러 차례의 대폭발이 있었고, 앞으로도 수없이 많은 대폭발이 일어날 수 있다. 급팽창이 영원히 계속될 수도 있으며, 끊임없이 반복되는 이 팽창 과정 속에서 잇따라 새로운 우주가 탄생할 수도 있다.

1,000만 1호는 상식적으로는 있을 수 없는 객실 번호이지만, 이 호텔에 객실이 10의 18제곱 개 있다고 한다면 있을 수 있는 객실 번호다.

 (**설명이 된다고 생각하며 말을 하는 것인가. 아니면 텅빈 말장난인가. 분명한 것은 진실은 쉽게 설명이 가능하다는 것과 지금 이 글 정도로는 쉽게 설명이 안되고 있다는 것과 그렇다면 진실이 아니라는 것이다.)

케이블과 개미, 그리고 끈 이론

우리는 원자 안에 보다 작은 물질인 양자와 중성자가 있고, 이들은 다시 더 작은 입자인 쿼크로 이루어져 있다는 것을 알고 있습니다. 하지만 물리학자들은 여기서 끝나지 않고 세상에 존재하는 모든 만물이 끈이라는 하나의 요소로 구성되어 있다고 말합니다. 끈이 어떻게 진동하느냐에 따라 다양한 특성을 나타내며 수많은 입자를 생성할 수 있다고 합니다. 하지만 끈이론을 적용하는 데 있어 한가지 단점이 있습니다. 바로 끈이론에 사용된 계산식에는 상식을 깨는 요소가 필요하다는 것입니다. 다중우주의 시대를 열게 될 이 요소는 공간에 새롭게 추가된 차원입니다. 3차원 공간은 높이, 길이, 너비로 이루어져 있습니다. 하지만 끈 이론의 수학은 더 많은 차원이 존재한다고 말합니다. 우리 눈에 보이는 3차원 공간이 아니라 차원 6개를 추가한 9차원 공간에서 끈이 움직이고 진동할 때에만 수학을 적용할 수 있습니다. 끈이론이 옳다면 이 나머지 차원들은 어디에 있고, 우리 눈에는 왜 보이지 않을까요?

신호등을 지탱하는 케이블을 예로 들어본다면, 멀리서 보면 케이블은 1차원의 선으로 보입니다. 하지만 우리의 몸이 개미의 크기로 줄어들 수 있다면 케이블 둘레에 감겨 있는 원형의 또 다른 차원을 발견하게 됩니다. 끈 이론은 우리의 몸이 개미의 수십억 분의 1로 줄어들면 이처럼 공간의 곳곳을 감싸고 있는 작은 차원들을 추가로 발견할 수 있다고 말합니다. 공간의 모든 지점에 너무 작아서 보이지 않는 매듭처럼 또 다른 차원이 감겨져 있는 것입니다. 이 추가적인 차원의 형태가 우리 우주의 기본적인 특성을 결정합니다. 이 다양한 형태는 바로 다양한 가능성을 뜻합니다. 일부 끈이론가들은 끈이론의 복수 해법 하나하나가 실존하는 각각의 다른 우주를 대표할지도 모른다고 생각합니다. 즉, 끈이론은 무수히 다양한 우주가 존재하는 다중우주를 설명하고 있습니다.

(** 뜻 모를 말을 지껄이는 것으로 논리가 성립된다면 ‘껌이론’은 어떤가. 껌은 씹을 수 있고 단 맛이 나며 벽에다 붙일 수 있으며 나중에 다시 씹어도 된다. 물렁거리며 칼라풀할 수도 있고 기능성도 부여할 수 있다. 물 새는데 붙일 수도 있고 멋지게 뱉어 쓰레기통에 골인시킬 수도 있다. 이정도면 10차원은 쉽게 되겠다.)

우리가 다른 우주로 여행을 떠난다면?

그렇다면 다중우주는 어떤 모습일까요? 다른 우주로 여행을 떠날 수 있다면 어떤 광경이 눈앞에 펼쳐질까요? 어떤 우주는 우리 우주와 많이 다를지도 모르며 우리가 보지 못했던 특성들을 지녔을 것입니다. 빛, 물질 등 우리가 알 수 있는 것이 전혀 없을 수도 있고, 생명체의 형태도 완전히 달라서 우리에겐 기이해 보이는 방식으로 의사소통을 하는 우주도 있을 수 있습니다.

또한 수학적 계산에 의하면 우리가 이러한 우주들을 여행할 수 있을 경우, 우리 우주와 비슷한 우주도 발견할 수 있습니다. 조금은 다르지만 은하수와 태양계, 지구까지 닮은 우주로 여기서 인간은 다른 진화의 길을 걸었을 수도 있습니다. 또 다른 우주에 있는 지구에는 우리와 비슷한 사람들이 살 수도 있고, 사물에서 사람까지 모두 똑같은 우주도 있을 수 있습니다.

(**도대체 어떤 수학적 계산인가. 계산을 놓고 해석을 하는 것은 사람 마음이다. 그렇다면 수학적 계산은 아무것도 아니다.)

이처럼 이런 일이 가능할 수 있는 이유는 자연의 법칙에 따라 물질의 기본 요소 혹은 입자는 어떤 공간에서도 입자가 배열될 수 있는 경우의 수가 정해져 있기 때문입니다. 따라서 공간의 제약이 없고 우주가 무수히 많다고 해도 입자들의 배열은 반복될 수밖에 없습니다.

한때 우리는 지구가 우주의 중심이며, 세상 만물이 지구를 중심으로 회전한다고 생각했습니다. 그 후 갈릴레오와 코페르니쿠스 같은 과학자들로 인해 우리는 태양계의 중심은 지구가 아니라 태양이라는 사실을 알게 되었습니다. 이런 개념들이 처음 등장했을 때는 황당무계한 소리로 받아들였지만 지금은 아닙니다.

관측이나 실험을 통한 입증 자료가 없기 때문에 논쟁은 계속될 것이나, 이처럼 다중우주론도 100년 안에 진위가 밝혀질 수도 있습니다. 또한 지난 수백 년 동안 우리가 보거나 관찰하거나 실험할 수 없는 자연 대상에 대해서도 수학을 이용해 확실한 원리를 깨달을 수 있었던 것처럼, 수학은 다른 우주가 있을지도 모른다고 추정하고 있습니다.(**수학이 추정하는 것이 아니라 수학을 하는 자가 추정하는 것) 무엇보다 확실한 것은, 우리가 다중우주에 살고 있다는 가설이 사실로 입증된다면 우주에 대한 우리의 이해가 획기적인 변화를 맞이하는 가장 놀라운 사건을 목격할 수 있다는 것입니다.

일부 끈이론가들은 끈이론의 복수 해법 하나하나가 실존하는 각각의 다른 우주를 대표할지도 모른다고 생각한다.

수학적 계산에 의하면 다중우주들을 여행할 경우, 우리는 우리 우주와 똑같은 우주도 발견할 수 있다.

인플레이션 다중우주 – 2단계 다중우주

(다중우주론, 윤신영, 과학동아)

영원한 인플레이션 다중우주는 두 가지 형태로 묘사된다.

첫 번째는 영원한 인플레이션 이론을 처음 제시한 안드레이 린데 미국 스탠퍼드대 물리학과 교수가 묘사한 포도송이 모양이다.

오늘날에는 테그마크 교수가 ‘빵 속 기포’라고 묘사한 형태로도 많이 표현된다.

[특징] 물리법칙이 다른 ‘딴세상’ 우주

2단계 다중우주1)는 우리 우주와 다른 물리법칙의 지배를 받는, 우리와 전혀 다른 다중우주가 존재한다고 본다. 끈이론과 관련 있는 다중우주 둘(주기적 다중우주, 랜드스케이프 다중우주)은 별도로 소개하고, 여기에서는 영원한 인플레이션 다중우주2)만 소개한다.

[아이디어] 인플레이션이 영원히 계속된다면?

인플레이션 이론은 우주가 밀도가 무한한 한 공간(우주의 평평도에 따라 하나의 점일 수도 있고, 끝없이 펼쳐진 무한 공간일 수도 있다)에서 시작됐으며, 초창기에 우주가 기하급수적으로 팽창하는 시기가 있었다고 설명하는 이론이다. 이 이론에서는 우주가 척력을 발생시키는 입자(Inflaton, 인플라톤)의 장(field, 인플라톤장)으로 가득 차 있었다고 본다. 인플라톤장의 에너지(일종의 위치에너지)가 높으면 인플레이션이 일어난다. 마치 높은 산 위의 공이 골짜기로 굴러 떨어지면 위치에너지를 방출하며 공의 속도를 높이듯(운동에너지로 바뀌었다), 인플라톤 에너지도 낮아지면서 뭔가 다른 일을 한다. 이때 인플라톤이 하는 일은 물질과 암흑물질을 만드는 것이다. 마치 수증기가 응결하듯 물질(입자)이 생기고, 물질이 양자역학적인 요동 때문에 지역적으로 조금씩 밀도를 달리하면 별과 은하가 생긴다.

인플레이션 우주론에서는 우리 우주가 탄생 뒤 10-30초만에 인플라톤이 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 뚝 떨어졌다고 본다. 하지만 그 짧은 사이에 인플라톤의 영향으로 공간은 1,025배로 팽창했다.

공간은 이후로도 지속적으로 팽창했고, 초기의 초고온 상태를 벗어나 차갑게 식어버렸다. 하지만 인플레이션 이론에 따르면, 우주가 아직 작을 때는 온도 등의 정보를 모든 곳과 서로 충분히 교환할 수 있었다. 그래서 전체적으로 온도가 균질해졌고, 137억 년이 지난 지금까지도 우주 초창기에 최초로 방출한 빛이 남긴 온도 흔적(이것이 ‘우주배경복사’다)은 균질하다. 우주 전체에서 겨우 1000분의 1 정도의 차이밖에 없을 정도다. 인플레이션 없이 이렇게 될 확률은 대단히 낮기 때문에, 인플레이션 이론은 우주의 탄생을 잘 설명해 준다는 평을 듣고 있다.

[등장] 끊임없이 ‘새끼 우주’가 태어난다

인플레이션 다중우주론에 따르면, 우주 안팎에서 인플레이션이 발생하며 새끼 우주가 태어나는데, 이 우주들은 서로 물리법칙이 완전히 다를 수 있다.

이런 인플레이션 우주론에서 다중우주의 아이디어가 나온다. 인플레이션 우주론 중에는 인플레이션이 한번으로 끝나는 게 아니라, 우주 여기저기에서 계속해서 일어난다는 ‘영원한 인플레이션(Eternal Inflation)’ 이론이 있다. 이것은 인플라톤 입자가 ‘모든 상태가 가능한’ 양자역학의 불확정성 때문에 에너지 상태가 낮은 상태로 고정되지 않고 변덕스럽게 변해서다.

이런 인플라톤 장의 요동 때문에 우주에는 인플라톤 에너지의 크기가 미세하게 다른 지역이 여기저기 마구 섞여 있게 된다. 이 중 에너지가 상대적으로 큰 지역에서는 팽창이 일어날 것이고, 그렇지 않은 지역에서는 뻥 뚫린 공백이 생기고 안에 물질과 은하가 생길 것이다. 이 과정이 우주 대부분의 지역에서 영원히 계속된다. 그 결과, 우주 안팎에 우주가 새끼처럼 계속 생겨난다. 이 우주는 입자에 질량을 주는 힉스 등 입자의 특성이 다르다. 그래서 제1우주와 달리 물리법칙이 완전히 다른 우주가 태어날 가능성이 있다.

[비판과 한계] 반드시 ‘딴 세상 물리학’을 낳는 것은 아니다

이 이론이 증명되려면 먼저 인플레이션 이론의 타당성이 증명돼야 한다. 인플레이션 이론 자체는 우주배경복사 관측으로 설득력을 지니게 됐지만, 1980년대에 로저 펜로즈(Roger Penrose, 1931~)영국 옥스퍼드대 물리학과 교수가 주장했던 ‘초기조건 문제(인플레이션이 다른 형태로 일어나거나 심지어 일어나지 않고 지금과 같은 ‘평평한 우주’가 나타날 확률이 훨씬(1,010,100배) 높다는 주장)이 완전히 해결된 것은 아니다. 또 핵심인 인플라톤장은 측정을 통해 증명되지 않은 가설적인 장이다.

영원한 인플레이션이 만든 다중우주의 흔적을 검출하려는 시도도 있다. 매튜 클레번 미국 뉴욕대 물리학과 교수는 2011년 한 논문에서 “팽창하는 거품 다중우주가 서로 충돌할 수 있으며, 이 경우 우주배경복사에 특정한 무늬(온도 차이)를 남긴다”고 주장했다. 하지만 개별 우주가 팽창하는 속도보다 우주끼리 서로 멀어지는 속도가 더 빨라 만나지 않는다는 주장도 있다.

우주마다 물리법칙이 다르다는 가정도 확실한 근거가 있는 것은 아니다. 조지 엘리스 남아프리카공화국 케이프타운대 수학과 석좌교수는 2011년 8월 미국 과학잡지 [사이언티픽 아메리칸] 기고문을 통해 “영원한 인플레이션 자체만으로 다중우주마다 다른 물리법칙이 있다는 결론을 낼 수 없다”고 지적했다.

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