우주 너머에는 무엇이 있을까?

우리가 보는 우주 밖의 다른 우주

관측 가능한 우주와 다중우주론

현존하는 최첨단 기술로 우주를 관측하더라도 절대 그 너머의 경계를 찾을 수 없다. 우주 공간은 인간이 모두 관찰할 수 없을 만큼 거대하고, 우주의 어느 부분을 보든지 물질과 방사능이 존재한다. 또한 모든 방향에서 우주가 팽창하고 있다는 증거도 있다. 뜨겁고 밀집된 상태에서 남은 방사선과 크기, 질량, 수적으로 진화하는 은하, 별들이 살고 죽으면서 변화시키는 원소 등이다. 그런데 우리가 관찰할 수 있는 우주 너머에는 무엇이 있을까? 빅뱅 이후 우리에게 도달할 수 있는 빛 신호 너머에는 아무것도 없는 심연이 있을까? 우리 우주와 같은 우주가 관측 한계를 넘어서 더 있을까? 우리 우주 밖에 또 다른 우주가 존재한다는 이론이 다중우주론이다. 매우 논란이 많은 이론이지만, 그 핵심 개념은 매우 단순하다. 우리의 우주와 같은 우주들이 수없이 많이 존재한다는 것이다. 지구가 우주에서 특별한 위치를 차지하지 않는 것처럼, 태양이나 우리 은하 또는 다른 어떤 천체도 우주에서 특별한 위치에 있지 않다고 본다. 다중우주론은 사람이 관측 가능한 우주 전체에 대해 특별한 것이 없다고 주장한다. 우리의 우주와 그 안에 들어 있는 모든 것들이 거대한 구조의 작은 일부분일 뿐이며, 우리 우주가 마치 캡슐처럼 더 큰 우주의 작은 부분을 차지한다. 그 전체 구조, 즉 관측할 수 없는 우주 그 자체는 우리가 살고 있는 우주와 비슷하거나 우리 우주와 비슷한 우주들을 포함하는 더 큰 우주의 일부일 수 있다. 또 다른 우주가 더 있다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 사람의 눈으로 직접 확인하는 것은 불가능하다. 결국 측정 가능한 방법으로 관측적인 확인과 추론에 의존해야 한다. 우주에 대한 우리의 이해에 심각한 문제가 없다면, 다중우주는 존재한다는 간접적인 증거들이 있다. 바로 끈이론과 암흑에너지다. 원자 안에는 보다 작은 물질인 양자와 중성자가 있고, 이들은 다시 더 작은 입자인 쿼크로 이루어져 있다. 하지만 물리학자들은 여기서 끝나지 않고 세상에 존재하는 모든 만물이 끈이라는 하나의 요소로 구성되어 있다고 말한다. 끈이 어떻게 진동하느냐에 따라 다양한 특성을 나타내며 수많은 입자를 생성할 수 있다고 본다. 하지만 끈이론을 적용하는 데 있어 한가지 단점이 있다. 바로 끈이론에 사용한 계산식에는 상식을 깨는 요소가 필요하다는 것이다. 이 요소는 공간에 새롭게 추가된 차원이다. 3차원 공간은 높이, 길이, 너비로 이루어져 있지만, 끈이론에서는 더 많은 차원이 존재한다고 한다. 우리 눈에 보이는 3차원 공간이 아니라 차원 6개를 추가한 9차원 공간에서 끈이 움직이고 진동할 때에만 수학을 적용할 수 있다. 끈이론이 옳다면 나머지 차원들은 어디에 있고, 우리 눈에는 왜 보이지 않을까? 예를 들어서 신호등의 불을 켜는 전선이 있다고 생각해보자. 멀리서 보면 전선은 1차원의 선으로 보인다. 하지만 우리의 몸이 개미만한 크기로 줄어든다면 케이블 둘레에 감겨 있는 원형의 또 다른 차원을 발견하게 된다. 우리의 몸이 개미의 수십억 분의 1로 매우 작게 줄어들면 이처럼 공간의 곳곳을 감싸고 있는 작은 차원들을 추가로 발견할 수 있다. 끈이론에 따르면 공간의 모든 지점에 너무 작아서 보이지 않는 매듭처럼 또 다른 차원이 감겨져 있다고 한다. 이 추가적인 차원의 형태가 우리 우주의 기본적인 특성을 결정한다. 이 다양한 형태는 다양한 가능성을 뜻한다. 일부 끈이론가들은 끈이론의 복수 해법 하나하나가 실존하는 각각의 다른 우주를 대표할지도 모른다고 생각한다. 즉, 끈이론은 무수히 다양한 우주가 존재하는 다중우주를 설명하고 있다. 우선 우주가 공간적으로 어떤 모양을 하고 있는지 알아야 한다. 이는 우주 자체를 관찰하고 그 결과에 따라 알 수 있다. 만약 우주가 닫혀 있다면, 한 지점 너머에서 오는 빛은 굴곡이 지며 우리 눈에 도달한다. 따라서 그 지점이 실제보다 크게 보이게 된다. 만약 우주가 평평하다면, 한 지점에서의 빛은 굽어지지 않고 일직선으로 우리 눈에 도달한다. 따라서 그 지점이 실제 모습과 같게 보인다. 만약 우주가 열려 있다면, 한 지점에서 오는 빛은 바깥으로 휘며 우리 눈에 도달한다. 따라서 그 지점은 실제보다 작게 보여야 한다. 우주 극초단파 배경에서 나오는 빛과 그 배경에서 나오는 패턴은 우주의 곡면성을 측정하는 방법 중 하나이다. 우리가 측정한 값으로는 약 400분의 1에 해당하는 부분까지, 우주는 공간적으로 완벽하게 평평하다. 우리가 관측 가능한 우주의 가장자리를 내다볼 때, 우리는 우주 마이크로파 배경에서 가장 일찍부터 방출된 광선이 하늘에서 특정한 패턴을 만든다는 것을 발견한다. 이러한 패턴은 우주가 가지고 태어난 밀도와 온도 변동뿐만 아니라 우주의 물질과 에너지 구성뿐만 아니라 우주 자체의 기하학도 드러낸다. 여기서 우리는 우주가 구처럼 안쪽으로 구부러지거나 안장처럼 바깥으로 휘어져 있는 것이 아니라 공간적으로 평평하다는 결론을 내릴 수 있는데, 이는 관측할 수 없는 우주가 우리가 접근할 수 있는 부분보다 훨씬 더 멀리 뻗어 있다는 것을 나타낸다. 그것은 결코 스스로 구부러지지 않고, 반복되지 않으며, 공허한 틈도 없다. 만약 우주가 곡선이라면, 그것은 우리가 관찰할 수 있는 것보다 최소 수백 배 더 큰 곡률 반경을 가지고 있다. 관측 가능한 우주는 460억 광년 정도이다. 하지만 확실히 더 많고, 관측할 수 없는 우주가 있다. 어쩌면 그 너머의 우리 우주처럼 무한한 양일 수도 있다. 시간이 지나면, 우리는 더 많은 것을 볼 수 있게 될 것이고, 결국 현재 우리가 볼 수 있는 물질의 약 2.3배를 밝혀낼 수 있게 될 것이다. 하지만 이것만으로는 다중우주에 대한 증거가 되기에 부족하다. 다중 우주에 대한 합리적인 근거는 물리학의 두 가지 개념에 기초한다. 바로 우주 팽창과 양자역학이다. 우주 팽창은 뜨거운 빅뱅을 일으킨 이론이다. 특이점으로부터 시작하는 것보다, 우리의 팽창하는 우주의 초기 단계들이 얼마나 뜨겁고 얼마나 밀도가 높은지에 대한 물리적 한계가 있다. 인플레이션은 공간을 기하급수적으로 팽창시키고, 매우 빠르게 기존의 어떤 것을 야기시킬 수 있다. 단극과 다른 유물에 대한 제한은 믿을 수 없을 정도로 엄격하다. 이러한 사인이 존재하지 않는다는 사실은 그들에게 엄청난 영향을 끼친다. 우주가 임의로 높은 온도에 도달하지 않았다는 것이다. 뜨거운 빅뱅이 일어나기 전에 뭔가 다른 것이 있었다. 그것이 바로 우주의 인플레이션이 일어나는 곳이다. 이는 1980년대 초에 이론화되었고 빅뱅과 함께 우주의 신비를 푸는 데 많은 도움이 되었다. 또한 우리 우주에 나타날 수 있는 관측 가능한 서명에 대한 측정 가능하고 시험 가능한 예측을 가능하게 했다. 우리는 공간적 곡률의 부족이 예측되는 것을 볼 수 있다. 우리는 우주가 가지고 태어난 변동에 대한 관능적인 성질을 볼 수 있다. 우리는 인플레이션의 예측과 일치하는 초기 변동의 스펙트럼과 크기를 감지했다. 우리는 인플레이션이 예측해야 하는 초지평적 변동을 보았다. 인플레이션이 궁극적인 특이성에서 발생했는지는 알려지지 않았지만, 인플레이션 발생 여부에 대한 신호는 관측 가능한 우주에서 접근할 수 있다. 우리는 인플레이션에 대해 모든 것을 알지는 못하지만, 인플레가 발생한 초기 우주의 시기를 뒷받침하는 매우 강력한 증거를 가지고 있다. 그것은 빅뱅을 발생시켰고, 오늘날 우리가 관찰하는 우주의 거미줄로 자라난 구조의 씨앗을 발생시킨 일련의 변동과 스펙트럼을 예측한다. 우리가 알고 있는 바로는 오직 인플레이션만이 우리가 관찰하는 것과 일치하는 우리의 우주를 예측할 수 있다. 다중우주론의 두 번째 근거는 양자역학이다. 양자 우주에는 많은 반직관적인 규칙들이 있지만, 우리의 목적에 가장 적합한 규칙은 양자 불확실성을 지배하는 규칙이다. 우리는 전통적으로 불확실성을 운동량과 위치, 에너지와 시간, 상호 수직 방향의 각운동량 등 두 변수 사이에서 상호 발생한다고 보지만, 양자장 값에는 내재된 불확실성도 있다. 시간이 경과함에 따라, 이전에 결정적이었던 필드 값은 이제 더 적은 특정 값을 가지며, 이 값은 확률만 지정할 수 있다. 즉, 모든 양자장의 값은 시간이 지남에 따라 퍼져나간다. 시간이 흐를수록, 단순한 단일 입자일지라도, 시간이 지남에 따라 자연스럽게 확산된다. 이는 필드 값과 같이 위치를 벗어나는 수많은 속성에 대한 모든 양자 입자에 대해 발생한다. 우주 팽창 및 양자역학이 다중우주론의 근거가 되는 까닭을 살펴보자. 우리는 팽창하는 우주를 가지고 있고, 다른 한편으로는 양자물리학을 가지고 있다. 우리는 평평한 언덕 위에서 매우 천천히 굴러가는 공으로 인플레이션을 상상할 수 있다. 공이 언덕 꼭대기에 머무르는 한, 인플레이션은 계속된다. 그러나 공이 평평한 부분의 끝에 도달하면 아래 계곡으로 굴러 내려가며, 이는 인플레이션 분야의 에너지를 물질과 에너지로 변환한다. 이 변환은 재가열이라고 알려진 과정을 통해 우주 팽창의 종말을 의미하며, 우리 모두가 잘 알고 있는 뜨거운 빅뱅을 만들어낸다. 하지만 여기서 중요한 것은, 우주가 팽창할 때 그 구역의 가치는 천천히 변한다는 것이다. 서로 다른 팽창 영역에서 구역 값은 랜덤하게 서로 다른 양으로 분산된다. 어떤 지역에서는 인플레이션이 빨리 끝나기도 하고 어떤 지역에서는 더 느리게 끝나기도 한다. 인플레이션의 양자성은 그것이 우주의 어떤 '주머니'로 끝나고 계속된다는 것을 의미한다. 다른 말로 하면 언덕을 굴러 계곡으로 들어가야 하지만 양자장일 경우 확산은 다른 지역에서 계속되면서 일부 지역에서 끝난다는 뜻이다. 이것이 왜 다중우주가 필연적인지 말해주는 핵심 포인트이다. 인플레이션이 끝나는 곳에서, 뜨거운 빅뱅이 발생하며 큰 우주가 생기는데, 그 중 작은 부분이 우리가 사는 우주와 비슷할 수도 있다. 그러나 다른 지역들도 있습니다. 그 지역 밖에는 인플레이션이 더 오래 지속되는 지역들이다. 양자 확산이 올바른 방식으로 일어나는 곳이라면, 인플레이션 또한 거기서 끝나서 뜨거운 빅뱅을 일으키고 심지어 더 큰 우주를 만들 수 있는데, 작은 부분이 관측 가능한 우주와 비슷할 수도 있다. 하지만 다른 지역들도 여전히 부풀어 오르는 것이 아니라 성장하고 있다. 팽창 영역이 커지는 속도를 계산하여 새로운 우주 형성 및 빅뱅 발생 속도와 비교할 수 있다. 인플레이션이 관측된 우주와 일치하는 예측을 제공하는 모든 경우에, 우리는 새로운 우주를 성장시키고 인플레이션보다 더 빨리 새로운 팽창 지역을 성장시킨다. 거대한 우주는 우리가 관찰할 수 있는 것보다 훨씬 더 크다. 이 공간은 기하급수적으로 팽창하며 끊임없이 만들어지고 있다. 이것이 바로 다중우주다. 이것은 새로운 과학적 예측이 아니라, 물리 법칙에 기초한 이론적인 결과다. 물리 법칙이 다른 우주에서도 지구와 같은지는 알려지지 않았다. 많은 독립적인 우주들이 팽창하는 시공간에서 생성될 것으로 예측되지만, 인플레이션은 모든 곳에서 동시에 끝나지 않고, 오히려 팽창을 계속하는 공간으로 분리된 독립적 영역에서만 끝난다. 이것이 바로 다중우주에 대한 과학적 동기부여가 나오는 이유이며, 왜 두 우주가 충돌하지 않는가 하는 점이다. 만약 여러분이 양자역학에 의해 지배되는 인플레이션을 가진 우주를 가지고 있다면, 다중우주는 피할 수 없다. 언제나 그렇듯이, 우리는 우주 전체를 더 잘 이해하기 위해 지속적으로 가능한 많은 새롭고 설득력 있는 증거를 수집하고 있다. 인플레이션이 잘못됐거나, 양자역학이 잘못됐거나, 우리가 하는 방식으로 이 규칙들을 적용하는 것은 몇 가지 근본적인 결함이 있다는 것이 밝혀질 수도 있다. 하지만 지금까지는 모든 것이 논리적으로 들어맞는다. 과학 이론에 중대한 결점이 있는 것이 아닌 한, 다중우주는 피할 수 없는 것이고, 우리가 살고 있는 우주는 그것의 아주 작은 일부분일 뿐이다.