빅뱅: 무엇이 폭발했나?

지금부터는 빅뱅 때 과연 무엇이 폭발했는지에 대한 질문을 다루고자 한다. 우주가 탄생한 바로 직후에 우주에는 뭔가 주목할 만한 일이 벌어졌다. 우주 전체에는 인플라톤장(Inflatonfield)이라는 것이 존재하는데, 우주 태초에 이 인플라톤장이 어마어마한 에너지를 방출했다. 이 에너지는 빛보다 빠른 속도로 우주 공간 전체를 급속도로 팽창시켰다. 하지만 이렇게 빛보다 빠른 속도로 팽창했다고 해서 그 것이 아인슈타인의 특수상대성이론에 위배되는 것은 아니다. 특수상대성이론에 따르면 공간의 어떤 물체도 빛의 속도보다 빠르게 운동할 수 없다. 하지만 특수상대성이론은 빛보다 빠른 공간의 팽창에는적용되지 않는다. 초기의 이러한 팽창 순간에 공간은 무려 10의 50제곱에 해당하는 비율로 팽창했다. 10의 50제곱이면 1 다음에 0이무려 50개나 되는 어마어마한 숫자다. 100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000. 두 점이 팽창하기 전에 서로 가까이 있었다면 팽창 후에는 서로의 거리가 거의 무한대로 멀어진 셈이다.

우주 탄생 초기에 급속도로 팽창했던 이 시기를 우주팽창' 혹은'인플레이션'이라고 한다. 이 현상을 설명하는 모델이 인플레이션이론(inflation theory)이다. 여기서 '인플레이션(inflation)'이라는 단어는부풀다' 혹은 불어나다'라는 뜻을 가진 라틴어에서 유래했는데 우주의 이러한 과정을 아주 적절하게 표현하고 있다. 우주는 태초의 빅뱅 때 극도로 짧은 순간에 어마어마한 속도로 팽창한 반면 그 이후오늘날까지 우주의 팽창은 빅뱅 때와는 대조적으로 서서히 진행되었다. 우리는 인플레이션을 직접 관찰할 수는 없지만 인플레이션의 흔적은 관측할 수 있다. 이 인플레이션이론을 통해서 우주의 근본적인특성을 나타내는 여러 관찰 내용들이 설명될 수 있으며, 또한 몇몇천문학적인 문제들이 단번에 해결될 수 있게 되었다.

인플레이션 가설을 통해서 우선 우주가 큰 공간으로 볼 때 균일하다는 사실을 설명할 수 있게 되었다. 물론 행성, 별, 은하, 은하단 등이 있다는 사실만 보더라도 우주는 작은 공간에서 보면 균일하기않다는 것을 알 수 있다. 하지만 만약 수십억 광년에 해당하는 공간을 평균해서 보게 되면 우주는 그림 22에서 보듯이 극도로 균일하며, 동일한 구조들이 우주 전체 곳곳에서 나타난다는 것을 알 수 있다. 이런 엄청난 인플레이션은 마치 빵이 부풀면서 반죽의 주름이 펴지듯이 우주를 펴지게 했다.

양자이론에 따르면 물리량에는 항상 미세한 편차와 요동이 있다.인플레이션 이후에 이 우주에는 서로 다른 밀도를 갖는 영역들이 생겨났다. 다시 말하면 우주의 여러 곳에서 그 주위보다 상대적으로 밀도가 높은 곳이 생겨났다. 그다음 이어지는 우주의 팽창 과정에서는이 밀도의 편차가 점점 커져서 수억 년이 지난 후에는 결국 은하나은하단과 같은 거대한 구조가 형성될 수 있었다. 우리가 하늘에서 볼수 있는 은하나 은하단은 빅뱅 때 밀도가 그 주변보다 높았던 아주작은 영역의 모사에 불과하다고 볼 수 있다.

인플레이션은 전혀 다른 것도 설명할 수가 있다. 인플레이션은 바로 빅뱅이 일어날 수 있었던 원인이다. 여기서 '폭발'이란 빅뱅 때 있었던 에너지의 방출을 의미한다. 우주가 초기에 급팽창하던 아주 짧은 시간이 지난 후에 인플라톤장이 축적한 에너지는 물질과 복사로변했다. 그리고 이러한 인플레이션은 그 이후 오늘날까지도 우주가팽창하는 원인이기도 하다. 우주는 이 인플레이션을 시점으로 계속팽창하고 있는 것이다.

인플레이션 이전에 있었던 혼돈 상황과 같은 무질서는 팽창을 통해서 보다 더 큰 질서로 바뀌었다. 다음과 같은 상황을 한번 상상해보자. 아직 정리되지 않은 당신의 책상이 어느 날 갑자기 유럽 대륙만 한 크기로 팽창된 것이다. 팽창되기 이전에 당신 책상에 놓였던물건들, 이를테면 볼펜, 연필, 종이쪽지, 책, 메모지 등은 팽창하면서갑자기 서로 몇백 킬로미터나 멀어지게 된다. 그렇게 되면 당신의 거대해진 책상은 거대해지기 이전보다 더 정돈된 형태를 보일 것이다.이와 마찬가지로 팽창한 우주는 보다 더 큰 질서를 보여준다. 인플레이션을 통해서 생겨난 질서는 은하단, 은하, 별, 행성, 그리고 생명과같은 우주의 질서정연한 구조들을 만들어냈다. 그리고 이런 질서 상태가 생명이 탄생하는 데 필수불가결한 조건이 된다. 요약하자면 인플레이션이론은 우주를 설명할 수 있는 가장 설득력 있는 이론 중하나다.

인플레이션이론에서 놀라운 발전이 안드레이 린데(AndreiDmitrijewitsch Linde, 1948~ )라는 과학자에 의해서 이루어졌다. 그는 인플레이션이론의 창시자 중 한 사람이고 이른바 '혼돈인플레이션이론(chaotic inflation'의 창시자이기도 하다. 많은 물리학자들은 이이론을 우주의 급팽창을 설명하는 모델 중에서 가장 설득력 있는 모델로 꼽고 있다. 안드레이 린데는 1990년 미국 명문 스탠포드 대학교에 부임하기 이전에 러시아 레베데프 물리학 연구소에서 근무하기도했다. 나는 2001년 영국 케임브리지 대학교의 한 학회에서 린데를 처음으로 만났다. 이 학회에는 과연 우리 우주가 어느 정도로 생명 탄생의 조건을 지니고 있는가 하는 문제와 이 모든 것이 과연 우연인가 하는 주제를 놓고 토의하기 위해 30명의 저명한 우주학자, 천체물리학자, 천문학자, 핵물리학자, 입자물리학자, 그리고 철학자와 신학자를이 대거 참가했다.

이 모임에서 나는 린데를 통해 그가 제창한 혼돈인플레이션이론을 더 많이 배울 수 있었다. 그렇다면 이 이론은 무엇을 설명하고 있는가? 우주의 급팽창을 일으킨 인플레이션이 태초의 혼돈 상황에서오직 한 번만 일어날 이유가 없다는 것이다. 안드레이 린데는 인플라톤장이 태초 혼돈의 여러 영역에서 나타남으로써 우주의 팽창들이시작되었다고 주장한다. 이렇게 되면 무수히 많은 우주를 탄생시키는빅뱅이 여러 번 있었다는 이야기가 된다. 그러면 우리의 우주는 태초의 혼돈에서 마치 거품처럼 생겨나서 이후로도 계속 생겨나는 무수히 많은 우주들 중 하나에 불과하다.(그림 23). 이 모든 상황은 마치급속도로 팽창하는 비눗물로 이루어진 바다와 같다. 이 비눗물에서는 언제든지 새로운 거품을 만들 수 있다. 매 거품마다 하나의 우주가 만들어진다는 모델이 다중우주의 가설이다.

다른 우주들이 우리의 우주와 영원히 분리되어 있기 때문에 우리가 어떻게 이 다중우주의 존재를 직접 증명할 수 있을지는 상상하기가 쉽지 않다. 하지만 이 다중우주 가설은 이론적 측면에서 매우매력적이다. 인플레이션이론은 우리 우주의 가장 중요한 특징을 설명하며 여타 우주이론보다 우수하다. 따라서 이 다중우주 가설도 아직은 추측 단계에 머물러 있지만 앞으로 진지하게 받아들여져야 하며,많은 학자들은 다중우주가 실제로 존재한다는 점을 확신하고 있다. 자연과학은 오직 관찰 가능한 결과와 실험만을 다루어야 하는 학문이기 때문에 다중우주 가설은 이제 더 이상 자연과학과 전혀 관련이 없다는 주장도 종종 나온다. 따라서 자연과학자들은 아직 검증되지 않은 이 다중우주 가설을 거부하는 것까지는 아니더라도 무척회의적으로 보고 있다. 하지만 내가 보기에는 다른 우주도 이미 자연과학의 고유 영역에 속해 있다. 다른 우주의 존재에 대한 문제는 아직 확실한 대답을 기대하기 힘들더라도 결코 무의미한 논쟁이 아니다. 다중우주라는 아이디어는 어떠한 근거도 없이 무작정 생겨난 것이 아니다. 인플레이션이라는 현상이 이 다중우주의 등장배경이 된다. 그리고 만약 린데의 인플레이션이론에 맞지 않는 관찰 결과가 나온다면 다중이론을 반박하면 되는 것이다. 예를 들어, 우주배경복사의 분석을 통해 과연 이 관찰 내용들이 우주팽창이론과 맞지 않는지에 대해서도 조사가 실시된 바 있다. 결과는 팽창이론에서 주장된 가설들이 실제 관찰 내용과도 일치했다.

오늘날 이 다중우주 가설을 둘러싼 상황은 마치 중세시대에 지구가 둥글지 않다는 의견이 사람들 사이에서 팽배했던 상황과 비교될 수 있다. 지구는 구부러져 있어서 수평선 너머로 돛이 먼저 보이고 나중에 배의 몸통이 보인다는 사실을 통해서 지구는 구의 형태일 것이라고 가정한 현명한 사람들이 이전에도 있었다. 이와 마찬가지로 우리는 우리의 우주에 대한 관찰을 통해서, 수많은 인플레이션 과정을 통해 무수히 많은 다양한 다중우주가 존재한다는 결론도 내릴 수 있을 것이다.