티스토리 뷰
영구 급팽창 결론은 필연적
일반 상대성 이론. 양자 역학. 그리고 태초의 고밀도 우주에 관한 이론을 끈 이론의 풍경이라는 특징과 조합하면 영구 급팽창하는 준안정 한 우주라는 결론은 필연적인 것으로 생각됩니다.
영구 급팽창
우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 궁극적 해답을 얻으리라는 희망 에서 이 책을 샀다면 당신은 실망할지도 모르겠습니다. 그 답은 저는 물론이 고 그 누구도 모릅니다. 어떤 사람은 우주가 특이점, 즉 무한의 에너지 밀도를 가지는 엄청나게 격렬한 상태에서 출발했다고 생각합니다. 다른 사 람들 특히 스티븐 호킹과 그의 제자들은, 무（無）에서 양자 역학적 터널 링 현상이 일어났다고 믿습니다. 그러나 우주가 어떻게 시작되었든, 우리 는 한 가지를 알고 있습니다. 언젠가 과거의 한 시점에 우주가 매우 큰 에너 지 밀도를 가진 상태로. 급격한 팽창의 한가운데 존재했다는 사실입니다.
거의 모든 우주론 학자들은 신속하게 일어난 지수 함수적 급팽창이 우 주론의 많은 수수께끼들을 설명할 수 있다는 데에 동의합니다. 우리는 이런 믿음을 지지하는 관측 결과들에 대해서 살펴보았습니다. 우리 우주의 관측 가능한 역사가 약 140억 년 전에 풍경의 한 지점, 즉 우리 가 속한 우주의 영역을 적어도 1O20배만큼이나 급팽창시키는데 충분한 에너지를 가진 상태에서 출발했다는 것에는 의심의 여지가 거의 없습니다. 그것도 사실은 과소 평가한 것이라고 여겨집니다. 이 기간 동안의 에너지 밀도는 아주 높아서, 어느 정도인지 짐작하기도 어렵지만 우리가 실험 실에서 만들 수 있는 그 어떤 것, 즉 가장 큰 입자 가속기에서 가장 격렬 한 충돌 시에 일어나는 현상과 비교해도 엄청난 차이가 있을 만큼 거대합니다.
그 순간에 우주는 사실은 풍경의 한 계곡에 갇혀 있었던 것이 아니라, 약간의 경사가 있는 평원에 서 있던 것으로 생각됩니다. 우주가 급팽 창하면서 우리의 호주머니 우주(우주에서 우리가관측 가능한부분의 우주)는 천천히 얕은 경사를 굴러 내려와, 마침내 갑자기 급격한 경사의 바위턱에 도달했습니다. 그리고 바로 그 순간 갑자기 낙하해 위치 에너지를 열과 입자 들로 변환시켰습니다. 우주에 물질을 만들어 낸 이 사건을 재가열(reheating) 이라고 부릅니다. 마침내 우주는 인간 원리에 맞는 아주 작은 우주 상수 를 가진 우리의 현재 계곡으로 굴러 내려왔습니다. 이것이 전부입니다.
우리가 알고 있는 우주론이란 진공 에너지가 한 값에서 다른 값으로 단시간에 변화한 사건입니다. 모든 홍미로운 사건은 이 전환의 시기에 일어났습니다. 우리의 호주머니 우주가 어떻게 그 바위턱에 올라가게 되었을까? 그 것은 알 수 없습니다. 하지만 우주가 그 지점에서 시작되었다는 것은 정말로 편리한 일입니다. 바위턱에서의 에너지 밀도로 인해서 발생한 급팽창이 아니었다면 우주는 우리가 보는 것처럼 거대하고 물질로 차 있는 우주, 충분히 크고, 충분히 매끄러우며, 우리의 존재에 딱 알맞은 밀도를 가진 우주로 진화하지 못했을 것입니다.
우리가 태초에 바위턱에 있었다고 생각하는 이론의 문제는 이것이 잠재적으로 가능했던 막대한 수의 출발점 중 하나에 불과한다는 것입니다. 그 지점이 가진 특징이라면 생물이 진화할 가능성이 있는 우주로의 좋은 출발을 제공할 수 있었다는 것뿐입니다. 풍경에서 임의로 우주를 찍 어 운 좋게도 그런 지점을 선택한다면 지적인 설계자를 상정하지 않고 는 우리의 세계를 설명합니다는 목적을 절대 달성할 수 없습니다. 그러나 앞으로 설명하겠지만. 거대한 풍경을 가진 이론에서 선택의 여지란 없습니다. 우주의 어떤 부분들이 진화해 운 좋은 지점으로 나아간다는 것은 완전히 불가피한 것이며 수학적으로 확실한다. 하지만 모든 사람이 동의하지는 않았습니다.
프린스턴 대학교의 우주론 학자인 폴 스타인하트(PaulSteinhardt)는 인 간 원리에 대해서 비판적이며, 다음과 같이 이야기합니다. “인간 원리는 다중 우주(multiverse. 멀티버스)의 존재에 관한 많은 수의 가정을 도입합니다. 우리가 우리 우주라는 단 하나의 대상을 설명하기 위해서 도대체 왜 각 각 다른 성질을 가진 무한히 많은 수의 우주들을 가정해야 한단 말인가?" 그 답은 우리는 그 우주들을 가정할 필요가 없다는 것입니다. 그것들은 많은 검증을 거친 일반 상대성 이론과 양자 역학의 전동적인 원리에 근거한 필연적인 결과이기 때문입니다.
스타인하트의 연구에 내가 불가피한다는 주장들을 포함해 영구 급 팽창 아이디어의 싹이 포함되어 있다는 것은 아이러니입니다. 그의 아이디어에는 필연적인 결론이라고 한 논의들이 포함되어 있기 때문입니다. 무한히 많은 호주머니 우주가 부글거리며 생겨나는 것은 샴페인 병 을 열었을 때 기포가 생기는 것만큼이나 확실한 사실입니다. 여기에는 단지 두 가지 가정만이 필요합니다. 풍경의 존재와 우주가 매우 높은 에너지 밀도를 가지고, 즉 매우 높은 고도에서 출발했다는 사실입니다. 첫 번째는 우리가 가정해야 하는 것이 아닐지도 모릅니다. 끈 이론의 수학에 따르면 풍경의 존재는 필연적인 것으로 보입니다. 그리고 두 번째 즉 높은 에너지 밀도는 대쪽발로부터 시작하는 모든 과학적 우주론이 공유하는 특성입니다.
이 세 내가 왜 다른 대부분의 우주론 학자들과 마찬가지로 영구 급 팽창이 매력적인 아이디어라고 생각하는지 설명하려고 합니다. 이제부터 내가 이야기하려는 아이디어는 나의 것은 아닐거예요. 그것들은 앨런 구스. 안드레이 린데, 폴 스타인하트, 알렉산더 빌렌킨이 개척했 으며. 우리 세대의 가장 위대한 물리학자 중 한사람인 시드니 콜먼의 독 창적인 업적에 빚지고 있습니다. 이제 풍경에서 에너지 밀도가 좀 높을 뿐 특 별하지 않은 임의의 한 점에 있는 우주 또는 공간의 한 부분을 고려하 는 것에서부터 시작해 봅시다.
모든 역학계가 그렇듯이 그것은 곧 낮은 위 치 에너지를 가지는 영역으로 나아갈 것입니다. 에베레스트 산 정상에서 볼링공을 하나 굴린다고 상상해 봅시다. 중간에 어디선가 걸리는 일 없이 해수면에 도달하기까지 모든 길을 한 번에 굴러갈 확률이 얼마나 될까? 별로 높지 않을 것입니다. 산에서 별로 멀지 않은 어떤 조그만 계곡에서 멈출 확률이 훨씬 높습니다. 정확히 어디에서 어떤 속도로 시작했는지는 별로 상관이 없습니다.
우리가 그 운명을 따라가려는 우주의 부분도 볼링공과 마찬가지입니다. 그것도 어떤 계곡으로 떨어져서 급팽창을 시작할 것입니다. 엄청나게 큰 부피를 가진 공간이 복제될 것이며 모두 같은 계곡에 위치할 것입니다. 물론 더 낮은 계곡도 있지만. 그곳에 닿기 위해서 우주는 출발점이었던 계곡보다 더 높은 산을 먼저 넘어가야 하는데 에너지가 충분하지 않기 때문에 그렇게는 할 수 없습니다. 따라서 우주는 그 지점에서 멈추고는 영원 히 팽창합니다. 하지만 한 가지 잊은 것이 있습니다. 진공은 양자 떨림을 가지고 있 다. 과 냉각된 물과 흡사하게. 양자 떨림으로 조그만 거품이 생겼습니다.
이러한 거품들의 내부는 더 낮은 고도에 있는 인접한 계곡에 존재한 수 있습니다. 이런 방식으로 거품들은 계속 생겨나지만 대부분은 너무 작아 서 자라지 못합니다. 거품을 다른 부분과 분리하는 영역의 벽에 있는 표면 장력이 이런 거품들을 짜부라트립니다. 그러나 과포화된 상태와 마찬가지로 가끔은 자랄 수 있을 만큼 큰 거품이 생깁니다.
급팽창하는 우주에서 일어나는 이러한 거품 형성을 표현하는 수학 은 오래전부터 알려져 있습니다. 1977년에 시드니 콜먼과 프랭크 드 루치 아(FrankDeLuccia)는 이제는 잘 알려져 고전이 된 논문을 발표했습니다. 그 논문에서 그들은 팽창하는 우주에서 그런 거품이 출현하는 비율을 계산 하고, 그것이 매우 작은 값이지만 분명히 0이 아니라는 점을 밝혔습니다.
그 계산은 가장 신뢰한 만하고 잘 검증된 양자장 이론의 방법만을 사용했습니다. 현대 물리학자들은 양자장 이론을 절대 혼들리지 않는 반석처럼 여 깁니다. 그리하여 무엇인가 엄청나게 잘못된 것이 없는 한 급팽창하는 진 공은 성장하는 거품들을 뿜어내게 되고 그 거품은 주위 계곡에 자리 잡을 것입니다.