우주의 구조

브라이언 그린, 2004(2005역, 박병철)

 

“진리는 일상적인 경험을 초월하는 곳에 있다.”

“우리의 눈에 보이는 세계는 진정한 실체가 아니라 실체의 일부분에 지나지 않는다.”

현대물리학이 말하는 세계 예를 들어 시간, 공간, 우주의 구조, 만물의 근원 등은 매우 흥미롭다. 그러나 그것은 우리의 상식과 경험을 초월한다.

1. 공간

공간이라고 말하면 나를 포함한 보통 사람들은 3차원으로 이루어져 있으며 모든 사물들이 존재하고 모든 사건들이 일어나는 무대와 같은 것을 상상한다. 이것은 정확하게 뉴튼식 사고방식이다. 아인슈타인은 공간이 시간과 분리될 수 없는 실체임을 깨달았다. 즉 시간과 유리된 공간, 공간과 상관없는 시간은 존재하지 않으며 항상 시간과 공간은 밀접하게 관련되어 오직 시공간으로만 존재할 뿐이다. 무슨 이야기인가 하면 예를 들면 이런 식이다. 내가 만약 공간상에서 움직이고 있다면 나의 ‘지금’은 정지해 있는 어떤 사람의 ‘지금’과 다르다. 구체적으로, 나의 시간은 정지해 있는 어떤 이에 비해 더 느리게 간다. 또 내가 등산을 하여 산 정상에 위치해 있다면 나의 시간은 산 아래에 있을 내 친구에 비해 더 느리게 간다. 공간과 시간은 절대적이지 않으며 서로 무관하지도 않은 것이다. 더 황당한 이야기는 공간 자체가 팽창하고 있다는 사실이다. 그리고 우리로부터 멀리 떨어져 있는 곳일수록 더 빠르게 팽창하고 있다고 한다. 심지어 아주 먼 곳은 빛보다 빠르게 팽창하고 있다. 인간이 다른 별로 우주여행을 하고 싶다면 빨리 서들러야 할 것이다. 너무 멀어져 가고 싶어도 못가기 전에...

2. 시간

우선 우리에게 친숙한 뉴튼식 시간 개념을 한번 살펴보자. 뉴튼이 생각한 시간은 무엇에 의존하거나 영향을 받지 않고 항상 일정한 속도로 흐르고 있는 그 무엇이다. 이와 같은 시간 개념과 관련하여 현대물리학자들은 다음과 같은 질문들을 던진다.

시간은 정말로 흐르고 있는가?

시간은 방향성을 갖고 있는가?

과거, 현재. 미래란 무엇인가?

아인슈타인이 생각한 시간은 과거로부터 미래로 흐르는 그 무엇이 아니다. 과거, 현재, 미래는 똑같이 동등하며 그들의 구분은 의미가 없다. 오직 존재하는 것은 불변의 시공간 뿐이며 과거와 현재는 물론 심지어 미래에 일어날 모든 사건들은 거대한 시공간 속의 한 점일 뿐이다. 시간의 흐름은 인간의 불완전한 감각이 느끼는 일종의 환상인 것이다.

아인슈타인이 생각한 시간 개념은 분명 우리의 경험과는 동떨어져 있다. 그러나 인간의 감각이란 것이 얼마나 불완전한가를 아는 우리는, 그리고 우리의 생각이란 것이 얼마나 우리의 언어에 밀착되어 있는가를 아는 우리는 아인슈타인의 말에도 귀를 기울여본다.

다른 한편으로 시간은 방향성이 있을까? 아인슈타인의 시간 개념을 따른다면 이 물음이 의미가 없을 수도 있다. 왜냐하면 과거든 현재든 그리고 미래든지 간에 모든 사건들은 시공간 상의 한 점으로 이미 존재하기 때문이다. 아인슈타인의 시공간 개념은 ‘사건의 동시성’과 ‘인과관계’ 마저도 혼란에 빠뜨린다. 나의 ‘지금’은 움

직이고 있는 당신의 ‘지금’과 같지 않으며 따라서 어떤 경우 인과관계마저 뒤집힐 수 있다.

“... 당신의 지금-단면에 들어 있는 만물들이 현재를 이룬다는 것과 다른 장소에서 임의의 속도로 움직이고 있는 관측자의 지금-단면도 당신의 단면과 똑같이 현실적이라는 것을 인정한다면, 결국 시공간의 모든 점들(사건들)이 당신의 현재가 된다. 빵(시공간 전체에 대한 은유)은 언제나 그곳에 있다...”

이제 다시 현실 감각의 세계로 돌아와 보자. 아인슈타인은 시간의 흐름은 일종의 환상이라고 말했고 물리법칙들도 시간뒤집기에 대해 대칭적이다. 그러나 우리는 과거, 현재, 미래를 분명히 구분할 수 있고 실제 물리계에서도 깨진 달걀이 다시 온전한 달걀로 되는 일은 없으며 엎질러진 물이 저절로 컵 속으로 들어가는 일은 절대로 일어나지 않는다. 무엇이 잘못된 것일까? 시간의 방향성을 규정할 수 있는 물리법칙이 아직 발견되지 않은 것인가?

이에 대해서는 열역학 제2법칙이 어느 정도 답을 준다. 즉 우주의 엔트로피는 항상 증가하기 때문에 엔트로피 증가가 시간의 방향성에 대한 기준이 될 수 있는 것이다. 그렇지만 이때에는 다른 한 가지 의문이 생기는 것을 피할 수 없다. 왜 초기 우주의 엔트로피는 매우 낮았을까? 즉 왜 초기 우주는 그토록 질서정연 하였는가? 이것은 우주의 기원 그리고 구조와 관련된 문제이다.

3. 우주의 기원과 역사

현재의 팽창우주론을 시간을 거슬러 계속 밀고 올라간다면 시간, 공간, 물질, 에너지 등 모든 것이 하나의 점으로 집약되는 우주의 탄생시점에 이를 것이다. 그러나 그것이 무엇인지 누구도 아직 표현할 수 없다. 그리고 우주의 탄생시점 그 이전에는 무엇이 있었는가?

알 수 없다.

현재의 우주가 형성되기 위해서는 20파운드, 10^-26cm 짜리 아기우주면 충분하다고 한다(정말 상식을 초월하는 황당한 이야기가 아닌가?). 그러나 이러한 크기의 아기우주가 탄생하기까지의 과정은 아무도 모른다. 어찌어찌하여 탄생한 아기우주는 물이 과냉각되어 있는 상태와 유사한 상태에 있었다(엄청난 에너지를 품고 있는 과냉각된 힉스장 즉 인플라톤장). 미세한 자극 또는 불안정에서 오는 자발적 자극에 의해서도 큰 일을 벌일 수 있는 상태였던 것이다. 드디어 우주는 엄청난 위력으로 팽창(인플레이션, inflation)을 시작했고 10^-35초 후 인플라톤장은 최저에너지 상태로 떨어져 급격한 팽창은 진정되었다. 그리고 이때 방출된 에너지는 일상적인 물질과 복사로 전환되어 팽창하는 공간을 균일하게 채우게 되었다. 그 후로 수십억 년 동안 이 물질들은 우리에게 익숙한 끌어당기는 중력을 행사하여 공간의 팽창속도를 늦춰 왔다. 그러나 우주가 점차 커지고 물체들 사이의 거리가 멀어지면서 끌어당기는 중력도 점차 약해졌다. 그러다가 우주의 나이가 약 70억 살 되었을 때부터는 오히려 팽창하는 힘이 물체들에 의한 중력을 능가하여 다시 우주의 팽창속도는 서서히 빨라지기 시작했다. 앞으로 약 100억 년이 지난 후에는 아주 가까이 있는 은하를 제외한 대부분의 은하들이 빛보다 빠른 속도로 멀어져 가게 될 것이다.

한편 인플레이션을 일으킨 우주는 점차 식어가면서 앞서 말한 바와 같이 물질과 복사를 만들어내었고 다른 한편으로는 우주를 지배하는 4종류의 힘(강력, 약력, 전자기력, 중력)이 차례로 분리, 구분되었다. 먼저 중력, 그 다음엔 강력 그리고 마지막으로 약력과 전자기력이 분리되어 현재와 같이 우주는 4가지 기본적인 힘(SF에서 자주 등장하는 용어로 포스)이 지배하는 세상이 되었다.

4. 우주배경복사(cosmic microwave background radiation, CMB), 공간의 곡률

빅뱅 후 팽창하며 식어가던 우주는 물질과 빛(복사)이 아직 분리되지 않아 안개에 쌓인 듯 모호했다. 그러다가 빅뱅 38만년 후 온도가 3000K까지 떨어지자 드디어 물질들은 보다 큰 입자들(수소와 헬륨 원자)로 뭉쳐졌고 그 사이에 생겨난 빈 공간을 통해 빛은 우주 전체에 균일하게 충만하게 되었다. 여담으로 물질의 응축이 계속되어 최초의 항성(별)이 생겨나 핵융합을 통해 나온 빛이 우주를 비추기 시작한 것은 빅뱅 후 4억년이 지난 후였다. 한편 빅뱅 38만년 후 물질과 분리되어 우주를 가득 채웠던 빛은 우주가 식으면서 파장이 길어져 결국 복사열의 형태로 우주 전체를 채우게 되었다. 실제로 WMAP라고 하는 인공위성의 측정장치를 통해 분석해 보면 우주 전체는 그 방향에 상관없이 2.73K의 온도 분포(특정 파장의 전자파로 가득 찬)를 보이는 것이 확인되었다. 이것은 물리학자들이 예측한 값과 잘 일치하는 것이었으며 아울러 급팽창 우주 모형을 강력하게 지지하는 관찰 결과이기도 하다.

(물리학자들은 정말 대단하다 어떻게 이러한 거대한 스케일의 문제를 그토록 정확하게 예측할 수 있단 말인가? 나같은 범인은 그저 경의를 표할 따름이다)

또한 관측 가능한 우주 전체에 대해 그려진 CMB 분포곡선(두 지점간의 각도가 1°일 때, 가장 큰 피크를 나타냄)은 우주 공간의 생김새(곡률 즉 구의 표면, 말안장, 또는 무한한 평면?)에 대해서도 답을 내놓았다. 그 결과에 따르면 우주 공간은 무한히 큰 평면과 같이 그 곡률이 0에 가깝다.

5. 물질의 양자적 특성

중학교 시절이었던가 고등학교 시절이었던가 확실히 기억나지는 않지만 물질과 에너지가 본질적으로는 같은 것이라는 내용의 책을 본 적이 있다. 그것을 바탕으로 원자력발전의 원리를 이해하게 되었고 왜 그토록 과학자들이 실용적 핵융합반응 구현을 갈망하는지도 이해하게 되었다. 그런데 좀 더 나아가보니 에너지는 연속적인 것이 아니라 띄엄띄엄 구분되는 것이라고 하지 않는가? 어린시절 에너지하면 나는 로봇이나 만화주인공의 총에서 나가는 레이저 광선을 연상했다(사실 지금도 그렇지만). 레이저 광선은 나갈 때보면 분명 연속적으로 보이지 않는가 어디가 끊어졌다는 말인가? 그러나 우리가 눈으로 직접 확인할 수는 없지만 빛과 에너지는 양자화되어 있다. 즉 더 이상 쪼갤 수 없는 어떤 양의 정수배밖에는 가질 수 없는 것이다.

고등학교를 다니던 80년대는 내 기억에 세계적으로 입자물리학 연구가 활발하게 이루어지던 시절이었던 것 같다. 왜냐하면 신문을 통해 CERN이나 미국의 과학자들이 입자가속기를 사용하여 무슨 무슨 입자를 발견했다는 뉴스를 심심치 않게 접할 수 있었기 때문이다. 그래서 만물을 구성하는 궁극적 입자가 곧 밝혀질 것 같았다.

이런 배경속에서 살짝 들려다 본 양자역학의 세계는 정말 기묘하기 짝이 없었다. 

우선 이 책에도 나오는 양자역학의 세계 즉 소립자 세계의 당혹스러운 사실들을 들어보자

“입자의 위치와 속도는 동시에 정확하게 결정할 수 없다. 다시 말해 위치를 정확하게 측정하려 한다면 속도의 불확실해짐을 감수해야 한다. 물론 그 반대로 마찬가지이다.”

“한 장소에서 실행한 행위가 아무런 신호전달과정 없이 멀리 떨어져 있는 다른 장소에서 이루어지는 행위에 즉각적으로 영향을 줄 수 있다. 즉 우주 공간은 국소적이지 않다.(양자적 얽힘quantum entanglement이라고도 함)”

“전자와 광자와 같은 소립자는 입자이기도 하면서 파장이기도 하다. 더 정확하게 말하자면 소립자는 여러 가지 가능한 지점들 중 한 지점에 존재하는 것이 아니라 가능한 모든 지점에 확률적으로 분포하고 있다. 그러다가 우리가 그 입자를 관찰하는 순간 이와 같은 확률적 존재 형태는 붕괴되고 특정 지점에 위치하는 것으로 확인된다.”

특히 세 번째 사실은 당혹스럽다. 왜냐하면 입자의 양자적 특성이 인간의 관찰행위에 의해 사라지고 입자는 고전역학의 법칙을 따르게 되기 때문이다. 우주에서 우리 인간이 이토록 특별한 존재란 말인가? 또한 소립자들이 양자적 특성을 지니고 있다면 그 소립자들로 이루어진 일상의 물체들이 어떻게 고전역학으로 그토록 잘 설명되는가? 그 해괴한 양자적 특성들은 다 어디로 가버렸다는 말인가? 물리학자들(Zeh 등)은 이 문제를 결어긋남(decoherence)이란 개념으로 해결하고 있다. 즉 어느 입자도 고립되어 존재하는 경우는 없으므로 입자들의 상식을 벗어난 양자적 특성은 주변환경(인간의 관찰행위도 포함)과의 상호작용을 통해 희석 또는 상실된다는 것이다.

6. 초끈이론(Superstring theory)

물리학자들의 기묘한 이야기는 계속된다.

우주 만물의 본질은 쿼크도 아니고 아주 작은(10^-33 cm) 1차원 끈이란다.

쿼크, 뮤, 뉴트리노, 글루온, 광자, 전자 등이 구별되는 것은 그들을 구성하고 있는 끈의 진동패턴이 다르기 때문이다. 한 입자가 다른 입자보다 무겁다면 그것은 무거운 입자를 이루는 끈이 보다 강하고 격렬하게 진동하고 있기 때문이다. 격렬한 진동은 에너지가 큰 것이고 아인슈타인은 에너지는 물질(질량)과 동일하다고 하지 않았던가?

또 초끈이론에 따르면 공간은 3차원도 4차원도 아니고 9차원(10차원 시공간)이라고 한다. 3차원 공간의 모든 지점에는 미세한 여분의 6차원이 특별한 형태로 존재하는데 다만 그 규모가 너무 작아 우리가 잘 인식하지 못할 뿐이라는 것이다. 그리고 이 숨어있는 차원의 형태까지 제시한다. 이것은 바로 ‘칼라비-야우 형태’ 또는 ‘칼라비-야우 공간’이라 불리는 것이다. 그렇다면 왜 끈이론은 이렇게 많은 차원을 제시하는 것일까? 끈이론은 앞서 언급한 바와 같이 입자의 종류를 진동패턴의 차이로 설명한다. 그런데 3차원으로는 현재까지 알려진 수많은 입자들의 존재를 설명할 만큼 다양한 진동패턴을 만들어낼 수 없기 때문에 여분의 차원을 가정할 수 밖에 없는 것이다.

끈이라, 9차원 공간이라!!! 좀 이상하긴 하지만 현재 물리학계에서는 초끈이론이 물리학자들의 염원인 ‘모든 것의 법칙’, 상대성이론과 양자역학의 통합을 완성할 수 있는 가장 강력한 이론으로 여겨지고 있다고 한다.    

7. M-이론

M-이론에 이르면 이야기는 더욱 복잡, 기묘해진다. 이 이론에 따르면 우선 공간은 9차원도 아니고 무려 10차원(11차원 시공간)이다. 또 만물의 근원은 1차원 끈일 수도 있지만 2, 3, 4 ....p-차원의 끈(2차원 이상인데 끈이라고 하면 좀 이상하니까 브레인이라는 용어를 사용한다)으로 이루어져 있을 수도 있다. 만약 추가된 차원의 크기가 매우 크고 브레인의 질량이 매우 작으면 끈이론은 큰 타격을 받게 된다. 끈이론도 근사적인 이론에 불과하며 ‘모든 것’이 아니라 ‘일부’가 되는 것이다. 반대로 브레인이 엄청나게 커서 우주 자체가 하나의 거대한 브레인(3-브레인)일 수도 있다. 이 브레인세계 가설(braneworld scenario)은 또한 매우 놀라운 우주론을 펼친다. 주기적 우주론이 그것이며 그 내용을 요약하면 이런 것이다.

“우리가 살고 있는 3-브레인은 수조 년마다 한 번씩 인근에 있는 다른 브레인과 격렬한 충돌을 겪는다. 그리고 이 거대한 충돌이 일어날 때마다 우주의 새로운 주기가 시작된다.” 

끈이론과 M이론의 일부 가설들은 완성을 눈 앞에 두고 있는 CERN의 거대한 가속기(LHC)가 가동되면 확인될 수 있다고 하니 숨죽여 기다려 볼 뿐이다. 그때쯤이면 우리의 가치관과 인생관에 어떤 엄청난 변화와 충격이 올지...

시공간, 양자, 인플레이션, 끈, 브레인, 11차원...

모두 우리의 상식과 경험을 초월하는 어찌보면 황당한 이야기들이고 이해하기도 어렵다. 그러나 우리의 감각이라는 것은 얼마나 빈약하고 왜곡되기 쉬운가? 그리고 물리학에서 이야기하는 사실들이 이해하기 어려운 것도 어찌보면 당연한 것인지도 모를 일이다. 왜냐하면 우리의 뇌는 상대성이론, 양자역학, 끈이론 그리고 M-이론을 이해하기 위해 진화되어 온 것이 아니기 때문이다. 오히려 우리의 뇌는 날카로운 이빨을 드러낸 포식자를 피해 어떻게 하면 조금이라도 더 먹이를 먹을 수 있을까에 대한 해답을 찾는데 적합하도록 진화되었다.

그러나 과정이야 어떻든 우리는 이제 형이하학적인 문제를 떠나 수십억 광년을 가로지르며  만물의 근원, 우주의 기원과 미래 등 존재의 이유를 묻고 있다. 이 얼마나 놀라운 일인가?