다중 우주론

다중 우주론(多重宇宙論)은, 우주가 여러 가지 일어나는 일들과 조건에 의해 통상적으로 갈래가 나뉘어, 서로 다른 일이 일어나는 우주가 사람들이 알지 못하는 곳에서 동시에 진행되고 있다는 이론이다.

다중 우주는 급팽창 이론, M이론, 양자역학 등을 설명하는 데 유용한 이론으로 생각되며, 과학계뿐만이 아니라 예술이나 철학과도 관련이 있다. 다중 우주론을 이용하면, 시간 여행에 의한 역설이 발생하지 않아, 타임 머신 같은 기기를 만들 수 있을 수도 있을 것이라는 견해가 있다. 과거로 돌아가 어떠한 영향을 주었다 하더라도 이에 영향받은 우주와 관계가 없는 우주가 평행으로 진행되기 때문이다.

이 다중우주에 대해서는 부정적인 견해도 존재한다. 대부분 우리 우주에 영향을 주지 않는, 평행하게 진행하고 있는 다른 우주를 관측하는 것이 불가능한 이상, ‘관측할 수 없는 것이 존재하고 있다’는 것은 합당하지 않다는 주장이다.

다중 우주와 평행 우주는 혼용되어 사용하기도 하나, 엄밀하게 구분하자면 둘은 다른 개념이다. 평행 우주는 다중우주의 하위 개념으로, 다중 우주에서 설명하는 수많은 막들은 우리 우주가 나아갈 수 있는 또 다른 경우의 수를 제시하고 있다는 이론이다. 다중 우주를 주장하지만 평행 우주를 반박하는 리사 랜들은 개개의 막(우주)가 현재 우리가 살고 있는 우주와 동일하다고 볼 수는 없다고 주장한다. 랜들의 설명에 의하면 5차원 이상의 공간 속, 4차원 시공간이 막처럼 존재할 수는 있지만 그 다른 우주가 우리 우주와는 전혀 다른 세계가 될 것이며 또 다른 우리는 있을 수 없다고 주장하고 있다. 따라서 다중 우주와 평행 우주는 차이점이 분명히 존재한다.

물리학의 다중 우주

우주 배경 복사와 다중 우주

2003년 WMAP 과학 위성이 우주 배경 복사를 매우 정밀하게 측정한 데이터를 살펴보면 우주에 있는 물질의 분포와 구성성분에 대해 알 수 있다. 관측결과에 따르면 양성자와 중성자로 이루어져 있는 보통의 물질은 전체 우주에서 4%밖에 안 되고, 우주의 22% 정도는 이와는 다른 암흑 물질로 이루어져 있다. 나머지 74% 정도는 암흑에너지로 이루어져 있다. 암흑 에너지는 다른 물질을 당기는 중력은 가지고 있지 않고 물질들을 서로 멀어지게 하는 작용을 가지고 있다. 암흑에너지의 구체적인 값과 관련된 문제를 단번에 해결하는 한 가지 방법은 우주가 하나가 아니고 여러 개 존재한다는 다중 우주라는 아이디어이다.

일반 상대성 이론과 다중 우주

일반 상대성 이론에 몇 가지 가정을 추가하면 휘어지는 빛과 대폭발을 포함한 우주의 일반적인 특성을 계산할 수 있으며, 이 모든 값들은 관측결과와 매우 정확하게 일치한다. 뿐만 아니라 우주 상수를 고려한 ΛCDM 모형은 현재까지 관측된 거의 모든 우주론적 데이터를 설명할 수 있다. 한마디로, 일반 상대성 이론은 우주의 탄생과 죽음을 설명해주는 가장 설득력 있는 이론이라 할 수 있다. 그러나 이 이론에서 블랙홀과 화이트홀, 웜홀, 타임머신 등 상식을 거부하는 비정상적인 개념들이 파생된다. 이 개념들은 지금까지도 그 정체를 시원하게 드러내지 않은 채 과학자들을 괴롭히고 있다. 아인슈타인 방정식이 낳은 비정상적인 해(블랙홀, 화이트홀, 웜홀 등)들은 평행우주와 그들 사이를 연결하는 통로의 존재를 암시하고 있다.

일반 상대성 이론을 사용하게 되면, 균등하고 등방적인 우주는 프리드만 방정식을 따른다. 프리드만 방정식의 해는 세 가지 유형이 있는데, 닫힌 우주, 열린 우주, 그리고 평평한 우주다. 닫힌 우주란 우주의 초기 팽창 속도가 우주의 중력을 이기지 못할 정도여서 우주가 일정 기간 팽창한 후에는 다시 수축을 하게 되어 우주가 빅크런치(Big Crunch)로 종말을 맞이한다. 열린 우주는 초기 팽창 속도가 커서 우주가 영원히 팽창하게 되는 경우로, 우주는 절대 영도의 동결상태인 빅프리즈(Big Freeze)의 종말을 맞이한다. 평평한 우주는 이 두 가지 유형의 경계에 아슬아슬하게 있는 것으로서 계속 팽창을 하긴 하되 겨우 팽창을 유지하는 경우이다. 이 세 가지 유형은 우주에 들어 있는 물질(또는 에너지)의 양이 얼마나 많은 가에 달려 있다. 우주에 들어 있는 물질이 충분히 많으면(밀도가 충분히 높으면), 중력이 강해져서 우주는 닫힌 우주가 되고, 우주의 물질이 적으면(밀도가 너무 낮으면), 열린 우주가 된다. 초기 팽창 속도와 물질의 밀도가 조화를 이룰 경우에만 평평한 우주가 된다. 우리의 우주는 (거의) 평평한 우주처럼 보이는 것으로 관측되었다. 그렇다면 여러 가지 우주 밀도의 가능성 중에서 하필이면 왜 평평한 우주인가 하는 의문점을 낳게 된다. 우리가 사는 우주가 왜 하필 무한히 많은 가능성 중에서 단 한 경우뿐인 평평한 우주인지가 상당한 미스터리였다.

대통일 이론과 다중우주

1970년대 중반에 물리학자들은 자연에 존재하는 네 종류의 힘(중력, 전자기력, 약력, 핵력)들 중 중력을 제외한 세 개의 힘을 하나로 통일하는 이론을 거의 완성하였으며, 여기에는 표준 모형이라는 이름이 붙여졌다. 표준 모형은 물리학 역사상 가장 성공적인 이론이었지만, 임의의 상수가 별다른 개연성도 없이 무려 19개나 도입되었다는 점에서 전혀 깔끔하지 못했다. 그래서 물리학자들은 보다 통합적인 대통일 이론에 더 큰 매력을 느끼고 있었다. 이 이론에 의하면, 대폭발이 일어나던 순간에 네 종류의 힘들은 '초힘'(superforce)이라는 단 하나의 힘으로 통합된 상태였다. 즉, 네 종류의 힘들이 모두 같은 세기로 작용하면서 구별이 되지 않는 상태였다는 뜻이다. 탄생의 순간에 우주는 이와 같이 완벽한 대칭성을 갖고 있었다. 그러나 우주가 급속하게 팽창하면서 온도가 내려감에 따라 원래의 초힘은 몇 개의 서로 다른 힘으로 분리되기 시작했다. 현재의 우주는 완전히 얼어붙은 상태이며 우리 눈에 보이는 우주는 전혀 균일하지 않고 대칭적이지도 않으며 온갖 종류의 물체들이 불규칙적으로 배열되어 있다. 그리고 우주에 존재하는 네 종류의 힘들 사이에는 아무런 상관관계도 없다. 오랜 세월 동안 온도가 끔찍하게 하강하면서 원래 갖고 있던 대칭성이 붕괴되었기 때문에 지금과 같이 무질서한 우주가 되어버린 것이다. 평행우주를 논리적으로 이해하려면, 우주의 탄생과정, 특히 자발적인 붕괴(우주의 위상변화가 일어나는 과정, 우주가 한 상태에서 전혀 다른 상태로 전환되는 과정)을 이해해야 한다. 하나의 우주가 탄생하여 자발적인 붕괴가 일어나면 기존의 이론에 포함되어 있던 대칭성도 함께 붕괴된다. 대칭성의 자발적 붕괴가 일어나면 GUT 대칭은 여러 가지 방법으로 깨질 수 있다. 다른 우주들은 우리의 우주와 전혀 다른 여분대칭(대통일 대칭)이 깨지고 남은 대칭)을 갖고 있을 것이다. 이 평행우주들을 서술하는 데 필요한 19개의 매개변수들은 우리의 우주와 다른 값을 가질 것이다. 다시 말해, 개개의 우주마다 힘의 종류와 세기가 다르고, 따라서 우주의 기본적인 구조도 다르다는 뜻이다. 이론적으로 대통일 대칭은 무한히 많은 방식으로 깨질 수 있다. 이때 얻어지는 무수한 해들은 각 기 다른 우주를 나타낸다.

급팽창 이론과 다중우주

급팽창 이론은 앨런 구스가 도입하였다. 구스는 우주가 태어나자마자 빠르게 팽창되었다고 가정하였다. 우주의 시공간은 인플레이션을 겪으면서 엄청난 규모로 팽창되어 현재는 거의 평탄한 상태이다. 당시의 표준 대폭발 이론으로는 우주 공간이 평평한 이유를 설명할 수 없었으나, 충분히 팽창되어 우주공간의 밀도가 1에 가깝다는 결론을 내릴 수 있었다. 이러한 급팽창 이론을 보완한 안드레이 린데는 시간과 공간 속의 임의의 지점에서 자발적으로 붕괴되는 우주를 구상하고, 붕괴가 일어날 때마다 팽창이 일어날 것으로 가정하였다. 이 때의 팽창 효과는 크지 않지만, 충분히 긴 시간 동안, 꾸준히 팽창한 것과 동일한 효과를 낳는다. 그렇다면, 팽창은 연속적으로 영원히 계속되며, 대폭발이 수시로 일어나면서 여러 개의 우주가 탄생하게 된다. 즉 다중우주의 모습을 띄게 된다. 하나의 우주는 영원하지 않지만, 다중우주의 원리는 계속 적용이 되며, 일부는 우주밀도 값이 너무 크기 때문에 소멸되거나, 혹은 너무 작아 계속 팽창하는 우주도 있다.

양자역학과 다중 우주

양자역학적 다중 우주

작은 금속판에 밝은 광선을 비추면서 전기가 생산되는 양을 측정하는 실험에서, 빛이 연속적인 파동으로 이루어지기 때문에, 밝기가 증가할수록 전류가 높아질 것으로 생각했으나 실험 결과는 가설과 맞지 않았다. 이에 대하여 알베르트 아인슈타인은 빛이 오로지 파동이라면 이해할 수 없지만 동시에 작은 알갱이(양자)이기도 하다면 가능하다는 이론을 세운다. 이는 곧 아무리 터무니없는 사건이라 해도, 발생확률이 0이 아닌 한 반드시 일어난다는 아이디어에 기초한다. 1925년에 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 전자에 동반된 파동의 운동을 서술하는 방정식을 제안했는데, 이것이 바로 그 유명한 ‘슈뢰딩거 방정식’이다. 파동 함수는 주어진 장소에서 전자가 발견될 확률을 나타낸다. 즉, 전자와 같은 소립자의 위치를 100% 정확하게 결정할 수 없으며, 단지 파동 함수를 통해 ‘그곳에 있을 확률’만을 계산할 수 뿐이었다. 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크의 가정에 따르면, “파동함수가 외부의 관찰자에 의해 관측되면 단 하나의 값으로 붕괴된다.” 이와 같은 원리로, 주체가 어떤 것을 결정하는 순간에(이는 곧 관측이 일어나는 순간과 같은 의미를 지닌다.) 우주는 ‘초래될 수 있는 모든 가능한 결과’의 개수만큼 갈라져나간다. 양자역학에 따르면 대폭발은 우주가 갑작스럽게 팽창하는 양자적 전이가 일어났기 때문이라고 할 수 있다. 양자역학적 다중 우주에서는 나와 똑같은 인간이 무수히 많은 우주에서 살아가고 있다. 모든 평행우주에 살고 있는 ‘나들’을 모두 ‘하나의 나’로 간주한다면, 특별한 행운이나 현명한 결정이란 있을 수 없다.

슈뢰딩거 고양이의 역설과 다중우주

양자역학은 여러 가능성을 부정하지 않기 때문에 슈뢰딩거 고양이 역설이 등장한다. 유진 위그너는 슈뢰딩거의 고양이 역설을 해결하기 위하여, 의식이 존재를 결정한다는 논리를 끌어왔다. 이에 따르면, 관측하기 전에는 존재한다고 말할 수 없기 때문에 무한히 많은 관측자가 필요하게 된다. 안드레이 린데는 이에 대해 ‘우리 모두는 의식을 가진 인간이므로, 이 우주가 관측자 없이도 존재할 수 있다고 주장할 만한 근거가 없다’고 주장했다. 양자역학이 불러일으킨 관측과 실재의 관계의 논란에 대해 독일의 물리학자 디터 체(독일어: Dieter Zeh)는 ‘결어긋남’의 개념을 도입하였다. 체는 현실세계에서는 고양이와 주변환경을 분리할 수 없다고 주장한다. 고양이와 주변환경의 상호작용은 그 강도가 아무리 작다 해도 파동함수에 근본적인 변형을 일으킨다. 이 영향으로 인해 파동함수는 산 고양이, 죽은 고양이로 갈라지며, 갈라진 파동함수는 서로에게 영향을 미치지 않는다. 따라서 슈뢰딩거의 고양이는 살거나 죽은 상태 모두를 가지고 있는 것이 아니라, 뚜껑을 열기 전에도 살거나, 죽은 단 하나의 상태로 존재한다고 주장한다. 슈뢰딩거 고양이가 존재하기 위해서는 두 개의 파동함수가 결맞음 상태로 존재해야하나, 이는 현실세계에서 거의 불가능하다.

그러나 이 논리 역시 결함을 가지고 있다. 이 논리에 따르면 파동함수가 의식에 의해 붕괴되는 것이 아니라 외부 세계와 상호작용하면서 붕괴되나, 아인슈타인의 제시했던 근본적인 질문, 고양이가 살았는지 죽었는지는 여전히 미지수의 상태로 남게 되기 때문이다. 이 문제에 대해 다시 휴 에버렛 3세는 죽은 고양이와 살아 있는 고양이가 서로 다른 우주에 동시에 존재한다는 가설을 도입하여, 결어긋남의 개념을 확장시켜 이 문제를 해결하려고 하였다. 휴 에버렛은 이 다중 우주 이론을 1957년 박사 논문으로 제출하였다.

에버렛의 다중우주해석에 의하면, 상자의 뚜껑을 여는 순간에 우주는 두 갈래로 갈라진다. 그는 임의의 관측이 진행될 때마다, 양자적 분기점이 형성되면서 우주가 갈라진다고 주장한다. 따라서 조금이라도 가능성이 있으면 그 사건이 발생하는 우주가 반드시 존재한다. 이 다중 세계 해석은 양자역학의 가정인 파동함수의 붕괴를 도입할 필요가 없다. 다시 말해서, 파동함수는 붕괴되는 것이 아니라 여러 개의 파동함수가 분리되는 것이다. 우주들은 항상 공존하고 있으나, 서로 다른 우주들은 서로를 인식할 수 없는데, 이 때 결어긋남 개념을 이용하였다. 한 우주의 파동함수는 다른 우주의 파동함수와 결어긋남상태에 있기 때문에, 다른 우주와 접촉하는 것은 불가능하다. 이 이론에 따르면, 서로 다른 우주는 각각 에너지의 양이 다르다. 파동의 에너지는 파동의 진동수에 비례하기 때문에, 서로의 진동수가 달라 상호작용을 할 수 없다.

끈 이론과 M이론으로 설명되는 다중우주

끈 이론에 대한 설명

끈 이론은 만물의 이론의 강력한 후보로 떠오르는 이론이다. 끈 이론에 따르면, 매우 작지만 0이 아닌 길이를 가진 끈이 만물을 구성한다. 끈은 지금까지 알려진 모든 과학적 대상들 중 가장 높은 대칭성을 갖고 있다. 끈 이론은 우리가 사는 4차원에서는 수학적인 모순을 가지고 있기 때문에 반드시 10차원에서 정의해야 한다. 6개의 추가 차원을 축소화하는 방법에 따라 끈이론의 해는 4차원뿐만 아니라 다양한 차원에서 얻어질 수 있으며, 각각의 해는 나름대로 타당한 우주를 서술한다. 따라서 여섯 개의 차원은 작게 만들어 거의 보이지 않게 만들어야만 하는데, 이러한 작은 여섯 개의 차원을 ‘여분의 차원(extra dimension)'이라 부른다. 작게 말린 여분의 차원은 관측이 불가능해서 보이지 않는다. 이 보이지 않는 차원에 존재하는 우주는 생각하는 것보다 가까이에 있을 수 있다. 필립 칸델라스, 개리 호로위츠, 앤드루 스트로민저, 에드워드 위튼이 6차원의 여분의 차원을 칼라비-야우 다양체를 이용하여 처리하는 방법을 제안했다. 칼라비-야우 공간은 수학적으로도 매우 복잡하게 정의되는 6차원 공간이다. 끈 이론의 조건을 만족하는 칼라비-야우의 공간의 모습이 여러 가지가 될 수 있는데, 살펴야 할 칼라비-야우 공간이 수백만 가지나 되어 도대체 이들 중에서 어떤 것이 우리의 자연을 기술하는지 정하는 것 자체가 매우 큰일처럼 다가왔다. 그리고 설령 우리의 자연과 가장 가까운 칼라비-야우 공간을 찾더라도 모두 초대칭적인 세상을 주기 때문에 사실상 자연을 완벽하게 기술하는 것이라 볼 수 없다.

중력과 빛으로 보는 차원과 다중우주

중력이 전파되는 시공간의 차원과 빛이 전파되는 시공간의 차원이 다를 수 있다. 즉 4차원의 막 위에 모든 물질과 힘이 갇혀 있고, 단지 중력만이 10차원 전 공간을 자유로이 퍼져나갈 수 있다. 현재 우리가 살고 있는 우주가 4차원처럼 보이는 이유는 빛이 4차원 막 위로만 전파되고 있기 때문에 빛을 이용해서 우주를 볼 때 4차원 세계만이 보이기 때문이다. 우리의 4차원 공간과 평행한 다른 차원의 공간에 들어 있는 물질은 우리에게는 중력으로만 영향을 미치기 때문에 우리는 그 효과를 암흑물질로 착각할 수 있다. 그리고 이러한 평행한 우주에서의 물리학은 우리와 다를 수도 있다. 심지어 평행한 우주가 하나만 있는 것이 아니라 여러 개의 숨은 다중 우주들이 있을 수 있으며, 이들 사이의 배열 방식이 격자 모습을 이루는 가능성도 있다. 우주들이 서로 평행하게 얽혀 있는 네트워크를 이루고 있고 우리 우주와는 평행하게 매우 가까이 있는 우주의 물질에서는 빛이 오지 못하는 반면 중력은 올 수 있기 때문에 우리 우주에서 볼 때는 암흑물질로 보인다.

끈 이론의 가능성

끈 이론을 통하면 태초의 모습을 볼 수 있다. 대폭발 이론에 따르면 대폭발로부터 우주가 시작되었고, 인플레이션이론에 의하면 현재의 우주는 팽창하고 있으며 그것도 점점 빠르게 팽창하고 있다. 그리고 그러한 뜨거운 상태에서부터 시작한 흔적은 우주에서 오는 마이크로파에 남아 있다. 그렇지만 대폭발 이전은 결코 알 수 없는 영역이었다. 우리의 우주가 4차원 막에 있다면, 막들 사이의 충돌이 대폭발과 같은 고온 고압의 상태를 만들었다고 하는 매우 흥미로운 아이디어도 제안된 바 있다. 끈 이론가들은 차원이 10차원이라는 것 이상의 혁명적인 아이디어를 제안했다. 끈 이론에서는 공간을 찢고 이어 붙여서, 우주의 다른 공간을 연결시킬 수 있다. 이것이 이른바 웜홀인데 아인슈타인의 이론에서는 웜홀을 만들기 위해 구멍을 내는 것이 사실은 불가능하다. 그전까지는 우주 초기의 알 수 없는 격렬함으로 시공간에 구멍을 만든다고 해왔는데, 끈 이론에서는 부드럽게 시공간에 구멍을 낼 수 있다. 시공간에 웜홀이 있으면 수십 광년 떨어져 있는 다른 별로의 여행도 가능하다.

M이론

M이론은 10차원의 끈 이론이 11차원으로 확장된 이론으로써 가장 큰 특징은 끈뿐만 아니라 다양한 차원의 막이 등장한다는 점이다. M이론이란 프린스턴의 에드워드 위튼과 케임브리지 대학의 폴 타운젠드가 제안한 것으로 M은 'membrane(막)', 'magic(마술)', 'mystery(신비)', 'matrix(행렬)'의 첫 자 M을 따서 만든 것이라고 한다. 그들에 의하면, 지금까지 발견된 다섯 개의 끈이론들은 아직 기본적인 방정식이 알려지지 않은 11차원 M-이론의 근사적인 이론이다. 즉, 11차원 M-이론을 10차원으로 줄이는 데에 다섯 가지 방법이 있다. 11차원의 관점에서 10차원을 내려다보면 다섯 개의 끈이론들은 한 이론(M-이론)의 다섯 가지 단면에 불과했음을 알 수 있다. 이 이론에 따르면 점입자는 기하학적으로 아무런 차원도 갖고 있지 않기 때문에 '0-브레인'이고, 길이를 갖고 있는 1차원 끈은 '1-브레인'이고, 농구공의 '표면'처럼 길이와 폭으로 정의되는 물체는 '2-브레인'이며, 우리가 살고 있는 우주는 길이와 폭, 그리고 너비를 갖고 있는 일종의 '3-브레인'이라 할 수 있다. 고전적인 사고방식에 따르면 시공간의 차원은 고정되어 있지만, 끈 이론에 의하면 시공간의 차원은 바뀔 수 있다. 끈 이론에서는 1차원적인 작은 끈들로 만물이 이루어져 있고, 그 끈들의 진동에 따라 다양한 물질 및 에너지가 된다. 이 끈들이 점점 강하게 상호작용을 하게 되면, 숨겨져 있던 11번째의 차원이 점점 커지고, 이 커지는 차원의 방향을 따라, 끈의 차원도 한 차원이 높은 2차원적 막으로 바뀌게 된다. 이렇듯 끈이 약하게 상호작용을 할 때는 10차원이던 시공간이 강하게 상호작용하면 끈들의 숨겨진 차원이 하나 더 나타나게 되고, 저절로 시공간의 차원도 하나가 더 늘어나게 되는 것이다. 다시 말해 근원적 끈들이 서로 강하게 상호작용하게 될 때는 이들이 더 이상 끈이 아니고 막이 된다는 것이며, 우리가 끈으로 보아온 것들은 상호작용이 작은 경우의 근사적인 모습이라는 것이다.

M이론이 적용된 우주론

로버트 브란덴버거

이들은 시공간이 4차원인 이유를 끈의 기하학적 특성에서 유추하려고 노력했다. 그들의 주장에 의하면 우주는 높은 차원들이 플랑크길이의 영역 안에 감긴 채 완벽한 대칭성을 갖고 출발했다. 우주의 초창기에는 끈과 반끈antistring(끈과 반대방향으로 차원을 감고 있는 끈)이 차원을 감고 있었기 때문에 팽창이 일어나지 않았다. 그러다가 끈과 반끈이 충돌하여 무無로 사라지며 속박된 차원이 풀려나면서 차원의 규모가 커지기 시작했다. 규모가 큰 차원은 빈 공간이 많았으므로 끈의 충돌이 거의 일어나지 않아서 풀려나지 못했다. 그들은 3차원, 또는 그 이하의 차원에서 끈과 반끈의 충돌이 더욱 빈번하게 일어난다는 것을 증명했다. 그들은 이것이 대폭발의 근원이라고 주장했다. 이 이론에 의하면 더 높은 차원의 우주도 가능하긴 하지만, 이들은 아직도 끈과 반끈으로 묶여 있을 가능성이 높기 때문에 지금과 같은 4차원 시공간 우주가 탄생했다는 것이다.

브레인 충돌가설

이들의 논리에 따르면 대폭발은 한 우주에서 다른 우주가 발화하면서 발생한 것이 아니라, 두 개의 평행한 브레인 우주가 충돌하면서 발생한 사건으로 해석할 수 있다. 그들은 막이론과의 조화로운 결합을 위해 '여분차원의 규모는 무한대까지 커질 수도 있다'는 에크피로틱 우주모형을 제안하였다. 이 모형은 평평하고 균질한 최저에너지상태의 평행 3-브레인에서 출발한다. 원래 이 브레인들은 차갑고 텅 빈 우주였지만 중력에 의해 서서히 끌리다가 결국 충돌하여 방대한 양의 운동에너지가 물질과 복사로 전환되면서 지금과 같은 우주가 탄생하였다. 여기에는 기본적으로 '두 브레인의 충돌'이라는 가정이 깔려 있기 때문에, 일부 물리학자들은 이 이론을 대폭발이라는 이름 대신 '빅 스플랙'으로 부르고 있다. 두 우주가 충돌한 후에는 서로 상대방을 밀쳐내고, 각각의 우주는 급격하게 식으면서 지금과 같은 우주로 진화한다. 온도의 하강과 부피의 팽창은 우주의 온도가 절대온도 0K에 이르고 밀도가 1000조광년 세제곱당 전자 하나가 존재할 정도로 낮아질 때까지 수조년에 걸쳐 계속된다. 이 정도가 되면 우주는 사실상 완전히 비어 있는 거나 다름없다. 그러나 중력은 두 우주를 다시 끌어당길 것이므로 수조 년이 지나면 다시 충돌을 겪으면서 동일한 주기를 반복하게 된다. 이 새로운 이론은 여러 면에서 기존의 인플레이션이론을 보완해주고 있다(평평성 및 균질성 문제). 우주가 평평한 이유는 두 개의 브레인이 원래 평평했기 때문이며, 우주가 모든 방향으로 균질한 이유는 평형상태에 도달할 만큼 충분한 시간이 흘렀기 때문이다. 인플레이션이론은 우주의 팽창이 갑작스럽게 일어났다는 논리로 지평선문제를 해결하고 있지만, 브레인 충돌가설은 우주가 평형상태를 찾아 서서히 변해간다는 가정으로 이 문제를 해결했다. 이 가설에 의하면 초공간에 떠다니는 다른 우주도 존재할 수 있다. 그리고 이 우주들은 먼 훗날 우리의 우주와 충돌하여 또 하나의 빅 스플랫을 야기시킬 수도 있다. 우리의 우주는 팽창이 가속되고 있으므로 다른 충돌이 일어날 가능성은 얼마든지 있다. 스타인하르트는 '우주팽창의 가속현상(중력에 의한 가속현상)은 충돌의 전조라고 할 수 있다. 우리에게 다가올 미래치곤 그다지 반가운 사건이 아니다'라고 했다.

선대폭발이론

이 이론은 우주가 블랙홀에서 시작되었다는 가정으로부터 출발한다. 선대폭발이론에 의하면 우주는 거의 무한대에 가까운 나이며, 아득한 옛날에 차갑고 텅 빈 상태에서 시작되었다. 우주의 초창기에 중력이 작용하면서 물질들이 한 곳에 집중되기 시작했고, 일부 지역의 밀도가 서서히 높아지면서 블랙홀이 되었다. 그리고 블랙홀의 주변에 형성된 사건지평선은 내부와 외부를 영원히 차단하게 되었다. 각 사건지평선 안에서는 물질들이 중력에 의해 더욱 압축되어, 결국 블랙홀은 플랑크길이(끈 이론이 허용하는 최소 길이)까지 축소되었다. 이렇게 작은 규모까지 압축된 블랙홀은 엄청난 규모의 폭발을 일으켰다. 이것이 바로 대폭발이다. 이 과정은 블랙홀이 생성된 곳이라면 어디서나 일어날 수 있으므로, 지금도 우주 저편에는 다른 블랙홀이나 다른 우주가 존재할 수도 있다.

인간 중심 원리와 다중우주

인간 중심 원리란 인간을 출현시키고 살게 하는 물리적 성질들은 우연만으로는 설명할 수 없고, 인간의 존재 자체가 이런 법칙들을 설명하고 있다는 주장이다. 최근 논의되고 있는 인간 중심 원리는 우주의 성질 중 최대의 미스터리인 우주 상수에 대해 설명하고 있다. 우주 상수는 암흑 에너지의 밀도에 해당한다. 1990년대 말의 천문 관측 결과 이 우주 상수가 우주 전체 밀도의 70% 가량을 차지함을 알게 되었다. 이러한 값은 끈 이론에서 자연스럽게 나타나는 추정치와는 달랐다. 이를 설명하기 위해 인간원리가 동원된 것이다. 우주상수와 관련하여 인간원리를 처음으로 제기한 사람은 스티븐 와인버그이다. 와인버그는 우주 상수는 우주의 팽창을 가속하는 경향이 있는데, 만일 현재 관측 값보다 10배 이상 컸다면 우주상수가 주는 밀치는 힘 때문에 우주의 먼지들이 한데 모이기 어려워져 은하가 만들어질 기회가 없었고 따라서 태양계나 행성도, 생태계도 불가능하다고 생각했다. 그래서 이론적으로 설명하기 힘든 우주 상수의 값은 인간 중심 원리로 설명할 수 있다는 것이다. 그런데 이 설명이 설득력이 있으려면 마치 지구가 우리 우주 안의 수많은 행성 중 하나인 것처럼 우리의 우주 역시 다양한 성질을 가지는 수많은 소우주 중 하나에 불과해야 할 것이다. 오직 우리 우주만 존재하고, 기막힌 우연으로 인류가 탄생했다는 것은 전혀 과학적이지 않다. 그렇기에 이 세상은 현재 우리가 살고 있는 우주와 그 외 다른 모든 우주를 포함한 어떤 ‘대우주’ 안에 있어야 한다. 그리고 끈 이론에서는 이러한 대우주를 만들어낼 수 있는 구조를 찾아냈다.

다중 우주와 철학

자유 의지와 다중 우주

고전 물리학에서 물리법칙은 결정론적인 특성을 가지고 있다. 고전역학에 따르면, 우주의 현재 상태를 완벽하게 알고 있다면 법칙들을 이용하여 우주의 모든 과거와 미래를 알아낼 수 있다. 그러나 인간의 자유의지는 물리 법칙과 별다른 관계가 없다. 고전역학에 따르면 모든 입자들의 과거와 미래를 결정하므로, 인간의 자유의지는 의미가 없어진다. 그러나 양자역학은 관측이라는 문제가 개입하면, 확률에서 결과로 넘어가는 중간단계에 자유의지가 개입할 여지가 있을 수 있다. 따라서 일부 물리학자들은 인간의 자유의지가 파동함수라는 양자적 안개를 명확한 관측결과로 바꿔주는 촉매의 역할을 할 수 있다고 주장한다. 다중우주 해석은 양자적 파동함수에 포함되어 있는 여러 가지 가능성들이 관측을 통해 하나의 값으로 정해질 때마다 이 우주가 여러 갈래로 나뉘어 진행된다. 자유의지는 이 여러 갈래의 우주들 중 어떤 우주로 나아갈지 결정하게 된다.

가능 세계와 다중 우주

가능 세계란 사물이 현실에 그렇게 있는 방법(현실세계) 외에 사물이 그렇게 있을 수 있는 많은 방법이 있다고 생각할 때 이 ‘그렇게 있을 수 있는’ 세계들을 이르는 말이다. D. 루이스는 양상실재론과 관련하여, 상대역이론과 양상양화논리에 대해서 논문을 쓴 루이스는 독립된 우주들이 무한이 존재하며, 그것은 우리의 우주만큼이나 현실적이나, 그들의 작동 방식은 다를 수 있다. 그에 따르면 실재란 단순히 문맥적 의미의 수준이다. 이러한 가능 세계의 역사는 라이프니츠로 거슬러 올라가며, 다중우주와 맥락을 같이 한다.

다중 우주와 종교

다중 우주와 불교

다중 우주의 우주론은 11차원 초공간으로 서술되는 세계에서 우주들이 끊임없이 생성되어가는 우주이다. 불교의 일체유심조는 일체의 제법은 그것을 인식하는 마음의 나타남이고, 존재의 본체는 오직 마음이 지어내는 것일 뿐이라는 뜻이다. 다중우주를 만들어 내는 원인이 사고와 선택에 기인하는 것이라면, 일체유심조의 뜻과 유사하다. 또한 일방무량방, 즉 티끌 속에 우주가 있다는 구절은 무한한 가지의 우주, 다시 말해서 다중우주와 뜻을 같이 하기 때문에 불교와 유사한 면이 있다. 불교의 우주는 태어나지도 파멸되지도 않으면서 시간을 초월한 존재이다. 이러한 불교의 세계관은 다중우주와 유사한 것으로 여겨지고 있다.

다중 우주와 종교 사이의 논쟁

다중 우주론의 해석에 있어서 스티븐 호킹은 초자연적인 존재, 혹은 신의 개입은 우주의 창조에 아무런 영향을 끼칠 수 없다고 주장한다. 그는 M-이론에 따른 다중우주는 물리법칙에서 자연적으로 발생하고, 그것들의 존재는 과학의 예측에 의한 존재라고 주장했다. 이 글은 스티븐 호킹과 레오나르드 믈로디노프의 ‘위대한 설계’의 일부이다. “우주 각각은 많은 가능한 역사들을 지녔고 많은 가능한 미래 상태들을 지녔다. 그 상태들의 대부분은 우리가 관찰하는 우주와 사뭇 다르고 어떤 형태의 생명도 존재하기에 전혀 부적합할 것이다. 우리와 같은 생물의 존재를 허용하는 미래 상태는 극소수일 것이다. 요컨대 우리의 존재는 그 방대한 미래 상태들 가운데 우리의 존재와 양립 가능한 상태들만 선택하는 것을 정당화한다. 그러므로 우리는 우주의 규모에서 하찮고 미미하지만 어떤 의미에서 창조자라고 할 수 있다.” 그는 만약 신이 물리법칙을 만들었다고 한다면, 신은 그 법칙들 말고 다른 법칙들을 선택할 수 있는가에 대해 부정적인 견해를 피력하며, 종교와 과학의 논쟁을 불러 일으켰다.

다중우주를 주제로 다룬 영화와 소설

다중우주를 다룬 영화로는 황금나침판과, 미스터 노바디, 소스 코드, 큐브, 콘택트, 데자뷰 등이 있다. 대체로 무한한 가능성 속에서 과거와 현재, 미래 사이의 미세한 변화와 그에 따른 결과값의 변화에 대해 다루고 있으며, 여러 가지 방향으로 현실화된 세계를 그리고 있다. 영화 콘택트에서는 웜홀을 통한 시공간 여행이 소재로 다뤄지고 있다. 다중우주는 다층적이고, 복잡한 구조를 형성할 수 있기 때문에 상상과 결합하여 많은 영화의 주제로 사용되고 있다. 혹은 그레그 베어의 소설 ‘누대’에는 평행우주로 탈출하는 이야기가 나와 다중우주는 우주 탈출과 지구 멸망과 같은 소재로서 쓰이기도 한다.

같이 보기

참조

카쿠, 미치오 (2006). 평행우주. 김영사. ISBN 89-349-2107-2
남, 순건 (2007). 스트링 코스모스. 지호출판사. ISBN 978-89-5909-025-9
호킹, 스티븐&믈로디노프, 레오나르드 (2010). 위대한 설계. 까치글방. ISBN 978-89-7291-492-1
그린, 브라이언 (2005). 우주의 구조. 승산. ISBN 89-88907-73-6
가쿠, 미치오&트레이너, 제니퍼(1993). 아인슈타인을 넘어서. 전파과학사. ISBN 89-7044-522-6
『디스커버Discover』2004년 2월호

바깥 고리

(영어) Physics in the multiverse, CERN
스티븐 호킹 "결국 과학이 이길 것"[1]