우주의 신비

[아하! 우주] “우주탄생 ‘빅뱅’은 없었다”

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▲ 빅뱅 이론에 따른 우주의 탄생 시간표
출처 NASA

▲ 암흑물질의 증거. 유럽우주국(ESA)의 XMM 뉴턴 우주선이 수집한 데이터에서 안드로메다 은하와 페르세우스 은하군에서 암흑물질 신호인 X선이 방출되는 것이 발견되었다.
출처 ESA



이 새로운 이론이 사실로 증명된다면 '우주가 빅뱅에서 출발했다'는 이른바 빅뱅 이론이 폐기처분될지도 모른다. '피지컬 레터 B' 2월호에 발표된 이 이론에 따르면, 우주는 결코 '특이점', 곧 물질이 무한대의 밀도로 응축된 한 점에서 탄생하지 않았다.

새 이론의 공동저자인 캐나다 리스브리지 대학 이론물리학자 소리야 다스 교수는 "우리의 이론은 우주의 나이가 '무한'할 수 있다는 것을 시사하고 있다"며 우주 구조의 대부분을 이루고 있는 암흑물질이 어떻게 생성되었는가 하는 것도 설명할 수 있다고 주장한다.

기존의 '빅뱅 이론'에 따르면, 우주는 약 138억 년 전에 탄생했다. 현재 우주를 이루고 있는 모든 물질은 '특이점'이라고 불리는 아주 작은 한 점에 응축돼 있었는데, 그 점은 무한대의 밀도와 온도를 가진 '원시의 알'이라 할 수 있는 것이다. 이 한 점이 폭발하여 원시 우주를 만들었고, 그 우주는 자체의 진화 과정을 거쳐 오늘의 우주가 되었다는 것이다.

이 특이점은 아인슈타인의 일반상대성 이론의 장방정식에서 도출된 것으로, 이 방정식은 우주의 시공간이 물질에 의해 휘어져 있음을 기술하고 있다. 그리고 레이쇼드후리 방정식이라고 불리는 또 하나의 방정식에서도 역시 특이점이 도출되는데, 이 방정식은 물질의 분산과 집중의 경로를 서술한 것이다.

이들 이론들에 따르면, 우주의 모든 물질이 한때 하나의 점에 응축돼 있었던 것으로 알려져왔다. 이것이 바로 빅뱅의 특이점이라 불리는 것이다. 그러나 새로운 연구결과는 이 이론이 맞지 않다는 것이다.

-빅뱅에서 우주가 출발했다는 증거는?

아인슈타인의 방정식은 특이점에 도달하기도 전에 물리법칙이 파탄나는 것을 보여준다. 하지만 과학자들은 여전히 방정식이 유효하다는 전제로 추론을 한다고 몬트리올 맥길 대학의 우주론자인 로버트 브랜든버거 교수가 주장한다. 그는 이 새 연구에 참여하지 않았지만 "우리가 빅뱅에서 우주가 출발했다고 말할 때 사실은 그에 대한 확고한 증거가 없다"고 강조한다.

물리학에는 또 다른 현안이 있다. 이른바 물리학을 떠받치고 있는 두 기둥, 즉 거시세계를 다루는 상대성 이론과 미시세계를 다루는 양자론을 하나의 양자중력 이론으로 통합하는 문제다.

양자역학은 아원자 수준의 소립자 운동은 근본적으로 불확정적이라고 본다. 이것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 볼 때는 수용할 수 없는 기묘한 이론이다.

상대성 이론은 한마디로 결정론으로, 자연의 법칙을 알아내기만 한다면 과거의 행적으로 미래를 예측할 수 있다고 주장한다. 따라서 두 이론의 모순 없는 통합이 이루어지지 못하고 있다고 다스는 설명한다. 이른바 대통일이론이라는 이 문제의 해결에 많은 물리학자들이 매달리고 있지만 현재까지 난항을 겪고 있는 중이다. 아인슈타인 역시 여생을 여기에 투입했지만 빈 손으로 가고 말았다.

-일반 상대성 이론에 양자역학을 접목

다스와 그의 동료 연구자들은 이 문제를 해결할 수 있는 방법을 모색하기 위해 '봄 역학'(Bohmian Mechanics)이라고 불리는 양자역학의 시각화라는 방법에 주목했다. 거기에는 숨은 변수가 아원자 입자들의 기묘한 움직임을 지배한다. 양자역학의 다른 방정식과는 달리 봄 역학은 입자의 궤적을 계산할 수 있는 방법을 제공해준다.

이 양자이론의 오랜 형식을 사용하여 연구자들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 포함된 한 항에 작은 보정 값을 계산해냈다. 그런 다음 아주 오랜 과거 시간에 무엇이 일어났는가를 알아냈다.

새로운 방정식이 보여준 결과는 어떠한 특이점도 없다는 것이다. 우주는 한때 훨씬 작았지만, 빅뱅 이론에서 주장하는 것처럼 결코 무한하게 밀도가 높지는 않았다고 기술한다. 따라서 우주는 영원 이전부터 존재했다는 데로 귀결된다.



이들의 방정식에서 양자적 보정을 가한 항은 암흑물질의 밀도에 관련된 것이라고 다스 교수는 밝힌다. 그들의 이론대로라면, 우주는 가상의 입자, 예컨대 중력을 전달하는 입자로 알려진 중력양자(graviton)나 악시온이라는 극저온의 유령 같은 초유동 입자들로 가득 채워져 있을지도 모른다는 얘기다.

이 이론이 맞는 것인가를 검증하는 방법은 우주에 암흑물질이 얼마나 분포돼 있으며, 이론에서 제시된 초유동체의 비율과 맞아떨어지느냐를 조사하는 것이라고 다스는 제안한다. 어쨌든 새로운 방정식은 양자역학과 일반 상대성 이론을 접목시키는 하나의 방식으로 보인다.

이번 연구결과는 2월 4일자 '피지컬 레터 B' 저널에 발표되었다. 그리고 또 다른 논문은 발표를 앞두고 검토 중에 있는 것으로 알려졌다.

이광식 통신원 joand999@naver.com

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