우주가 여러 개다?! 현대 과학이 증명하지 못한 논쟁, 다중우주

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호수 같은 우주

어느 이름 모를 지역, 이 호수에 사는 물고기들에게 이 호수는 우주와 같습니다. 호수 바깥은 본 적도 상상도 해본 적 없습니다. 갑자기 누군가 이들에게 “아프리카엔 빅토리아 호수가 있고, 캐나다엔 에메랄드 호수가 있고, 잠실엔 석촌 호수가 있다”라고 말해준다면, 이 생선들은 이 사실을 어떻게 받아들일까요? 
 
지구를 세상의 모든 것이라고 생각했던 우리는 지구가 거대한 태양을 도는 8개의 행성 중 하나였다는 사실을 알게 되었습니다. 그리고 이 거대한 태양은 우리 은하에 있는 2000억 개의 태양 중 하나였다는 사실을 알게 되었고, 이 2000억 개의 태양을 담고 있는 우리 은하는, 1000억 개의 은하 중 하나라는 사실을 알게 되었습니다. 그리고 우리는 이것을 ‘우주’라고 부릅니다. 그렇다면 이 우주 바깥엔 뭐가 있을까요?

   

관측 가능한 우주

사실 우주라는 단어는 앞에 있는 단어 하나가 생략된 줄임말입니다. 우주, Universe는 Observable Universe 관측 가능한 우주를 말합니다. 처음 우주는 한 점의 빛에서 시작되었는데, 이 빛이 현재 닿은 거리까지가 우리의 우주라는 말입니다. 빛이 닿아 관측 가능해진 우리의 우주, 이 바깥엔 뭐가 있을까요?

1930년 하늘을 미친 듯이 쳐다보던 Edwin Hubble은 아주 놀라운 사실을 발견합니다. 하늘에 떠 있는 별을 자세히 보니 별들이 지구로부터 조금씩 멀어지고 있었습니다. 이 별도 저 별도 모두 지구에서 멀어지고 있었고, 심지어 별들 간의 거리도 서로 멀어지고 있었습니다. 저 검은 하늘이 엄청난 속도로 팽창하고 이었던 것입니다. 우주가 팽창을 한다니 지금도 믿기 힘들지만 그 당시에는 정말 상상을 초월한 발견이었습니다.  



 우주의 폭발, 빅뱅

이렇게 팽창하는 우주를 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 137억 년 정도 과거로 돌리면 아주 작은 점이 되고, 우리는 이것을 빅뱅이라고 부릅니다. 작은 점에서 우주가 크게 터졌다는 것입니다.
그러면 무엇이 빅뱅을 터지게 한 것일까요?

그로부터 50년이 지난 1980년 물리학자 앨런 거스와 헨리 타이는 아인슈타인의 상대성이론을 이용해 초기 우주의 입자 형성을 연구하던 도중, 놀라운 중력의 비밀을 발견하였습니다. 뉴턴 때부터 중력은 물질이 서로 끌어당기는 힘으로 여겨져 왔는데, 상대성 이론에 따르면 물질이 존재하지 않는 빈 공간에 에너지만 균일하게 가득 차 있는 상태에서는 중력이 반대로 밀어내는 힘을 가진다는 것입니다. 물질이 없었던 초기 우주, 강력하게 밀어내는 중력으로 인해 에너지가 순식간에 밖으로 터져버린 것입니다. 역사상 처음으로 우주의 시작을 설명해낸 대단한 발견이었습니다

엘런 거스는 이 우주의 폭발에 ‘인플레이션’이라는 이름을 붙였고, 우리가 살고 있는 우주는 이 짧은 인플레이션 기간이 끝난 후 천천히 팽창하는 우주를 말합니다. 쉽게 말해서 인플레이션을 자동차에 시동 버튼과 같다고 할 수 있는데, 이 자동차의 시동 버튼을 누르면 처음 엔진이 급격하게 떨린 후 자동차가 살아나는 것처럼 우주의 시동 버튼을 누르면 처음 에너지의 엄청난 폭발 후 우주가 살아나는 것입니다.

 

 우주의 미스테리

출처- 대학원신문

그런데 이 이론에는 한 가지 정말 이상한 미스테리가 있었습니다. 우주의 시작이 한 번이었다면, 에너지의 폭발도 한 번에 끝났어야 하는데 수학적으로 폭발이 끝나는 시점을 계산했더니 그 시점이 하나가 아니라 여러 개, 그것도 엄청나게 많이 나온 것입니다. 처음 이 사실을 발견한 러시아의 물리학자 알렉스 빌렌킨은 깊은 생각에 빠졌습니다. ‘인플레이션이 끝나는 시점이 하나가 아니라 여러 개라니…’ 아무리 생각해도 이 미스터리를 해결할 수 있는 방법은 하나밖에 없는 것 같았습니다

‘우주의 시동이 한 번이 아니라 여러 번 걸렸으면 된다. 인플레이션이 한 번이 아니라 여러 번이었으면 된다. 빅뱅이 한 번이 아니라 여러 번이었으면 된다. 누군가 우주의 시작 버튼을 계속해서 무한대로 누르고 있는 것이다.’ 그렇다면 우주는 하나가 아니라 여러 개일 수도 있습니다. 이게 바로 다중 우주, Multiverse의 시작입니다. 끝이 여러 개면 시작도 여러 개 일 수 있다는 단순하지만 천재적인 발상의 전환으로 다중 우주의 가능성을 제시한 것입니다. 그러나 1980년대에는 말이 되지 않아 보여 안타깝게도 Multiverse라는 괴기한 이론은 깊숙이 묻혀버렸습니다. 


끈이론

모든 것의 이론이란 행성의 움직임과 같은 거시 세계를 설명하는 아인슈타인의 상대성 이론과 전자의 움직임과 같은 미시 세계를 설명하는 양자 역학을 통합하는 궁극의 이론을 말합니다. 원래 이 두 이론은 통합하려 하면 자꾸 에러가 나고, 그 때문에 우주에 설명되지 않는 것이 많은데, 단 하나의 이론으로 거시 세계와 미시세계를 연결해 우주의 모든 것을 밝혀내겠다는 것이 바로 Theory of Everything, 모든 것의 이론입니다. 

그러던 어느 날, 현대 과학의 글로벌 스타의 등장으로 Multiverse라는 이론은 드디어 제대로 된 관심을 받기 시작합니다. 그 이름은 바로 모든 것의 이론, 끈이론입니다. 많은 물리학자를 포함해 얼마 전 별세한 스티븐 호킹과 아인슈타인이 죽기 전까지 꿈꿨던 이 모든 것의 이론, 그 꿈을 실현할 수 있는 가장 강력한 후보가 바로 이 끈이론이다. 끈이론에서 끈은 10차원 세계에서 진동하는 끈을 말합니다. 3차원 세계에 사는 우리가 2차원 세계에 모든 영향을 미치는 것처럼 10차원 세계에서 진동하는 끈의 움직임은 우리의 모든 것에 영향을 미치는데 10차원 세계에서 진동하는 끈의 움직임만 알아내면 우리 3차원 세계의 모든 것을 알아낼 수 있다는 것입니다. 

우주의 모든 것은 입자로 이루어져 있다.

그런데 이 멋진 이론에도 한 가지 커다란 문제가 있습니다. 끈이 존재하는 10차원 세계가 어떻게 생긴지만 알아내면 끈의 움직임을 알아낼 수가 있는데, 이 10차원 세계가 생긴 모양을 구해보니 모양의 답이 하나가 아니라 여러 개, 그것도 엄청나게 많이 나온 것입니다. 끈이론은 난관에 부딪혔습니다. 이 중에서 어떤 모양이 우리 우주의 모양이란 말일까요? 혹시…이게 모두 정답은 아닐까요? 
양자역학에선 미시세계를 설명할 때, 작은 입자가 동시에 여러 군데 존재할 수 있다고 합니다. 그리고 우주의 모든 것은 입자로 이루어져 있습니다. 그렇다면 우주 역시 여러 개일 수 있지 않을까요?

우주의 모든 것은
입자로 이루어져 있다.
그대도, 별도, 우주도
 

<참고문헌>
“The Inflationary Universe” – Alan Guth
“The Hidden Reality” Ch. 3, 4, 5, 8 – Brian Greene
“A Brief History of Multiverse” – Andrei Linde
“One Universe is Not Enough” – Ethan Siegel
“Inflation Meets Many Worlds” – Yasunori Nomura

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