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[이광식의 천문학+] 평행우주는 존재할까?…천체물리학 ‘빅 미스터리 3’

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▲ 사진=123rf

1. 평행우주는 정말 존재할까?

평행우주(parallel world)란 어떤 시공간의 우주에서 분기하여 병행해서 존재하는 다른 우주를 가리킨다. 천체 물리학적 데이터는 시공간이 구부러지지 않고 ‘평탄’(flat)하며, 그 상태로 무한히 펼쳐져 있을 것임을 암시한다. 그렇다면 우리가 볼 수 있는 영역(우리가 ‘우주’라고 생각하는 영역)은 무한히 큰 ‘패치 다중우주’의 한 패치일 뿐이다.

동시에, 양자역학의 법칙은 각 우주 패치(10^10^122개의 가능성) 내에서 가능한 입자 구성의 경우수가 유한개로 존재한다고 규정한다. 그러나 우주 패치 수가 무한하므로 입자 배열들은 무한히 반복될 수밖에 없다. 이것은 곧 무한히 많은 평행우주가 있다는 것을 뜻한다.

그렇다면 우리와 완전히 다른 패치들 외에도 우리와 정확히 같은 우주의 패치들(당신과 정확히 똑같은 사람을 포함한)뿐만 아니라, 한 입자의 위치만 다른 패치들, 두 입자의 위치에 따라 다른 패치들도 존재가 가능하다는 얘기다. 이 논리에 문제가 있는가? 아니면 그 기괴한 결과가 사실일까? 만약 그것이 사실이라면 우리는 평행우주 존재를 어떻게 감지할 수 있을까? 그 점에 있어서는 평행우주는 우리 우주와 어떤 연결도 소통도 없다는 전제가 있기 때문에 공상의 산물이라는 비판을 받기도 하며, 다세계 해석에서는 평행우주를 우리가 관측하는 것은 불가능하며, 그 존재를 부정도 긍정도 할 수 없다는 점에서 회의적인 의견도 존재한다.

이 같은 평행우주론은 그동안 수많은 논란을 불러일으켰으며, 아직까지 순전한 가설의 영역을 벗어나지 못하고 있다. 이것을 부정적인 시각으로 보는 사람들은 대부분 우리 우주에 어떤 영향도 주지 않으며, 평행하게 진행하고 있는 다른 우주를 관측하는 것이 불가능한 이상, ‘관측할 수 없는 것이 존재하고 있다’는 것은 합당하지 않다고 주장한다.

다만 평행우주론자들은 우리 우주의 어딘가에 다른 우주와 충돌의 흔적이 있을 수 있다는 가정하에 우주배경복사에서 우주 충돌의 단서를 열심히 찾고 있지만 아직껏 어떤 흔적도 발견하지 못한 상태다. 신의 존재 증명처럼 영원히 증명할 수 없는 가설로 끝날지, 아니면 어떤 단서가 밝혀질지 현재로선 아무도 장담할 수 없다.

2. 시간은 왜 미래로만 흐를까?

▲ 사진=123rf

시간은 앞으로만 흐른다. 왜냐하면 무질서도를 나타내는 ‘엔트로피’(entropy)는 비가역적으로 증가하는 방향으로만 움직이기 때문이다. 증가한 엔트로피를 되돌릴 수 있는 방법은 없다. 이것을 정식화한 것이 바로 엔트로피 증가의 법칙으로, 열역학 제2법칙이라 한다. 열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 우주에 존재하는 에너지 총량은 일정하며 절대 변하지 않는다는 것이다. 독립된 한 계에서도 마찬가지다.

이로써 보면 엔트로피는 열(heat)에 관련된 법칙임을 알 수 있다. 그런데 이 열이 가진 가장 중요하고도 흥미로운 특성은 언제나 높은 온도에서 낮은 온도 쪽으로만 흐른다는 것이다. 저절로 그 반대쪽으로 흐르는 일은 결코 없다. 이 비가역성이 바로 시간이 뒤로 흐를 수 없고, 우주가 종말을 맞을 수밖에 없는 이유다.

이 법칙은 실제로는 통계적인 것으로, 통계역학에서는 어떤 체계를 구성하는 원자의 무질서한 정도를 결정하는 양으로서 주어진다. 엔트로피는 물질계의 열적 상태로부터 정해진 양으로서, 통계역학의 입장에서 보면 열역학적인 확률을 나타내는 양이다. 다시 말하면, 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 낮은 확률의 질서있는 상태로부터 높은 확률의 무질서한 상태로 이동해가는 자연현상이라는 것이다.

자연은 늘 확률이 높은 쪽으로 움직인다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적 운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은 무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 결코 자발적으로 일어나지 않는다. 시간의 화살이 왜 앞으로만 흐르냐는 오랜 질문에 대한 답은 바로 엔트로피의 법칙이 말해주고 있다. 열역학 제2법칙은 그래서 모든 자연의 자발적 방향성을 나타내는 자연계 최고의 법칙이라 할 수 있다.

근본적인 질문은 엔트로피가 과거에 왜 그렇게 낮았는가 하는 것이다. 다르게 말하자면, 우주의 초창기에 작은 공간 속에 엄청나게 거대한 에너지가 뭉쳐 있었을 때 우주는 왜 그렇게 높은 질서를 갖고 있었는가 하는 문제이다.

3. 우주는 어떤 종말을 맞을까?



우주의 형태를 결정짓는 것은 우주에 담겨 있는 물질-에너지에 기반한 중력과 우주를 팽창시키는 척력과의 줄다리기다. 우주의 물질 밀도의 임계치(Ω)를 1이라 할 때, Ω가 1보다 큰 경우 우주의 시공간은 닫혀서 공 표면처럼 된다. 이를 닫힌 우주라 한다. 이 우주는 경계는 있지만 끝은 없는 우주다. 개미가 구면을 한없이 기어가더라도 끝에 다다를 수 없는 것이나 같다. 이 우주는 그러면 어떻게 되는가? 결국 팽창을 멈추고 수축되기 시작하여 종국에는 한 점으로 붕괴될 것이다. 이를 대파열(Big Crunch)이라 한다.

반대로 밀도가 임계치 이하이면 무한 팽창을 영원히 계속하는 열린 우주가 된다. 그 형태는 말안장과 같은 꼴이다. 그 끝에는 물질의 밀도가 극도로 낮아져 온 우주가 자체로 거대한 무덤이 되는 열사망이 기다리고 있다. 만약 우주의 물질 밀도가 Ω=1로 임계치에 딱 들어맞는다면, 우주의 기하학적 모양은 종잇장처럼 ‘편평’한 꼴이 된다. 암흑 에너지가 없다면 우주는 영원히 팽창은 하겠지만 결국 팽창률은 영(0)에 수렴된다.

최근의 관측결과는 2% 오차 범위 내에서 우주는 편평한 것으로 나타났다. 우리는 다소 지루하겠지만 당분간 팽창하는 우주를 하염없이 바라다볼 운명인 셈이다. 하지만 크게 걱정할 일은 아니다. 앞으로 수백조 년 뒤의 일이니까.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com 

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