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▲ 다중우주의 상상도. 우리 우주는 다중우주 욕조 속의 한 개 거품인가?(출처: Shutterstock)
로켓을 타고 지구를 떠난다고 상상해보자. 먼저 태양계를 떠나고 우리 은하계를 벗어난다. 관측 가능한 우주의 지평선을 돌파하고 우리 우주를 뒤에 남겨두고 떠나는 것이다. 빛의 속도보다 더 빨리 가야 하므로 불가능한 일이지만 여기에서 대범하게 '나는 할 수 있다'고 우겨본다.
이제 당신은 영겁의 시간 동안 측량할 길 없는 공허 속을 순항하고 있지만, 그 안에는 또 다른 은하가 있고, 또 다른 태양계, 또 다른 지구가 있는 또 다른 우주, 그리고 또 다른 당신이 거기 앉아서 이 기사를 읽고 있다.
이것이 바로 다중우주이며, 우주의 시작을 정의하는 물리 이론이 자연스럽게 내놓는 예측일 수 있으며, 또는 그렇지 않을 수도 있다. 새로운 연구 결과에서 알 수 있듯이 이에 대해 딱 부러지게 말하기는 어렵다.
크고 오래된 우주
우주의 크기에 대한 개념은 매우 가설적이기 때문에 정확히 말하기는 어렵지만 '상상보다 훨씬 큰' 정도면 충분하다. '인플레이션'이라고 하는 이 사건의 대체적인 모델은 우주의 관측 가능한 크기보다 적어도 10^52배 더 큰 우주를 보여준다. 관측 가능한 구역의 너비는 이미 900억 광년 이상이므로, 이것은 너무나 큰 나머지 우리 우주의 진정한 크기는 인간의 모든 상상을 넘어선다. 따라서 우리는 거의 이해할 수가 없다.
인플레이션은 우주가 어떻게 시작되었는지를 설명하는 모델인 표준 빅뱅 우주론의 많은 문제를 해결해준다. 우주가 태어난 것은 138억 년 전으로, 빛보다 빠른 것이 없음에도 서로 수백억 광년 멀리 떨어져 있는 우주의 영역이 어떻게 소통하여 거의 같은 온도를 갖게 되었을까 하는 문제 등이 그렇다. 인플레이션 이론에 따르면, 그 지역들은 한때 훨씬 더 아늑했고 인플레이션이 그들을 갈라놓기 전에 서로를 꽤 잘 아는 '이웃'이다.
인플레이션의 또 다른 잠재적인 경우의 수가 있다. 사실 그것은 결코 이루어질 수 없다. 이것을 '영원한 인플레이션'이라고 하며, 이 아이디어는 가장 큰 규모의 우주가 항상 팽창할 수 있는 방법을 설명한다. 그중 한 작은 주머니만 선택되어 우리 우주와 같은 정상적이고 차분한 구역이 될 수 있다. 쪼개진 각각의 섬 우주는 광대한 무(無)의 바다를 사이에 두고 분리될 것이며, 섬들은 빛보다 빠르게 서로 멀어지게 될 것이다. 그것이 바로 인플레이션이 하는 일이기 때문이다.
더 큰 '다중우주'에 끼워넣어진 이 섬 우주들은 결코 서로 만나지 못하며 서로 소통할 수도 없다. 따라서 사실 그들의 존재에 대한 직접적인 증거를 찾는 것은 불가능할 것이다.
영원한 인플레이션이 가능한가?
그 직접적인 증거가 없다면 우리는 최소한 다중우주의 존재 가능성이 있는지 없는지에 대해 어떻게 합리적인 추측을 할 수 있을까? 우리가 빛보다 빠르게 팽창하는 거품으로 가득 찬 거대한 멀티 우주 욕조 속에 있는 하나의 거품일 경우 어떻게 이웃 거품들을 알 수 있을까?
첫 번째 단계는 인플레이션을 테스트하는 것이다. 배심원단은 아직 이에 대해 밝히지 않았지만, 초기 우주에서 인플레이션과 같은 사건이 발생했다는 증거가 있다. 마이크로파 우주배경복사의 변동, 곧 우리 우주가 태어난 지 38만 년이 지나 냉각되기 시작했을 때 방출된 빛은 인플레이션이 발생했을 때 볼 수 있는 패턴과 일치한다. 초기 우주에 대한 다른 이론은 그 빛의 패턴과 일치하지 않는다.
그것으로 좋다. 그러나 '인플레이션'은 단일 이론이 아니다. 그것은 이론의 한 종류이거나 범주에 가깝다. 다른 모델은 이 이벤트의 다른 물리학, 다른 동인, 다른 원인 및 다른 결과를 가정한다. 이 모든 이론은 초기 우주의 극한 물리학에 대한 가상 모델을 기반으로 하기 때문에 어느 이론이 올바른지 말하기에는 너무 이르다.
물리학자들은 영원한 인플레이션이 전부는 아니지만 대부분의 인플레이션 모델의 결과를 의미하는 일반적인 것이라고 생각한다. 따라서 이러한 의심에 따라 인플레이션이 맞다면 영원한 인플레이션도 맞을 가능성이 있으며, 다중우주는 실제일 수도 있는 것이다.
우리 우주는 다중우주 거품 욕조 속의 한 개 거품인가?
말할 필요도 없이, 다중우주의 존재는 삼키기에는 꽤 큰 알약이다. 영원한 인플레이션이 맞다면, 우주는 단 하나, 또는 많은 우주가 아니라 무한한 수의 주머니 우주가 있을 수 있다. 각각은 잠재적으로 자체 물리 법칙과 입자 배열을 지원할 것이다. 따라서 물질과 에너지를 배열하는 방법의 수가 유한하다면(우주를 구성할 수 있는 방법은 매우 다양하다), 무한 다중우주는 물리적 구성의 특정 조합이 믿을 수 없을 정도로 드물더라도 동일한 물리적 상황의 반복적인 형태가 나타날 수 있다.
이는 유한한(그러나 매우 먼) 거리에 당신의 복제본이 있다는 것을 의미한다. 그리고 그 너머로 또 다른 복제가 무한 반복된다.
그러나 우리는 영원한 인플레이션이 실제로 일반적일 때만 다중우주의 가능성이 있다고 말할 수 있다(즉, 인플레이션 모델의 전부는 아니지만 대부분 모델의 공통적인 특징). 이것은 한 물리학자 팀이 인쇄 전 데이터베이스 아카이브와 '우주론과 입자물리학 저널'에 제출된 최근 논문에서 주장한 것과 정확히 일치한다. 그들은 그라인더를 통해 많은 수의 인플레이션 모델을 넣고 모델의 유형과 모델 매개 변수를 변경하여 어떤 것이 일회성 문제이고 어떤 것이 영원한 인플레이션과 다중우주로 이어지는지를 계산했다.
그들의 대답은 복잡하다.
첫째, 그들은 영원한 인플레이션이 원래 생각했던 것만큼 흔하지 않다는 것을 발견했다. 우주론자들이 왜 영원한 인플레이션이 일반적이라고 생각했는지에 대한 설명은 초기 우주론자들이 제한된 모델 세트만을 연구했기 때문이다. 그들은 많은 실행 가능한 인플레이션 모델(여기서 '실행 가능'은 관찰과 명백히 모순되지 않았음을 의미함)이 영원히 팽창하는 시나리오로 이어지지 않는다는 것을 발견했다.
그러나 연구원들은 인플레이션 모델과 작동 방식을 잘 이해하지 못하기 때문에 영원한 인플레이션과 같은 것의 '공통성'을 측정하는 것조차 어렵다는 것을 발견했다. 그들은 인플레이션 물리학에 대해 아직 모르는 것이 너무 많기 때문에 일반성에 대한 질문에 단일 대답으로 답하는 것은 불가능하다고 주장했다.
이 똑같은 기사를 읽고 있는 또 다른 당신이 있을까? 과학은 말한다. '대답하기 어렵다'고 말이다.
송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr
