스티븐 호킹 박사의 다중우주론

스티븐 호킹 박사의 다중우주론

다중우주론

영국의 저명한 우주 물리학자인 스티븐 호킹 박사가 숨진 10일 전의 2018년 3월 4일, 코넬대 등 명문 대학이 운영하는 논문 투고 사이트"arXiv(아카이브)"에 게재된 논문 그러나 조용하게 업데이트되고 있었다. '영구 인플레이션의 원활한 이탈'이란 제목의 논문은 우주 초기 일어난 지수 함수적인 급팽창(인플레이션)의 모습을 더 수학적으로 따진 것이었다. 그것은 호킹 박사가 인류에 남기다 준 마지막 이론이다. 다원적 우주의 프레임워크에서 유일하게 우리의 알"우주"의 시작에 초점을 맞춘 것이었다. 우주의 시작에 있는 하나의 "점" 우주 역사를 말할 때 우리는 그 이야기의 프롤로그에 생각을 할 필요가 있다. 이 우주가 탄생하고 138억 년. 현재 관측 가능한 우주는 별과 은하가 마치 거미줄처럼 드문드문 분포하고 있어 그들 전체가 등방적인 팽창을 계속하고 있는 것이 관측에 의해서 드러나고 있다. 중력은 물질들을 끌어들임으로써 우주 공간에 밀도가 높은 부분과 낮은 부분을 만드는 현재 볼 수 있는 얼룩덜룩한 모습을 형성했다. 시간의 화살을 거꾸로 더듬어 보면, 아마도 과거의 우주는 현재보다 작고 더 밀도와 온도가 높고 더 균일했다고 생각하는 것이 순리다. 좀 더 과거로 거슬러서 보면 우주에 은하나 별이 태어나기 이전 시대 및 원자나 원자핵이 존재하기 전까지 상상할지도 모른다. 그렇게 우주의 시작까지 시간을 되감아 축소하는 우주를 상상할 우주 전체의 물질, 에너지, 그리고 온갖 가능성이 응축한 하나의 '점'에 부딪치다. 1970년 특이점 정리 연구의 선구자인 물리학자 로저 펜로즈와 호킹은 만약 앨버트 아인슈타인의 '일반 상대성 이론'이 맞다면 우주의 시작에는 중력이나 밀도가 무한대로 되어 고전 물리학이 파탄 난다. 특이점이 존재할 수밖에 없음을 증명했다. 그런데 우주의 시작을 예측할 수 있다고 기대된 특이점 정리에는 우주가 '어떻게' 시작되냐는 해석이 떨어졌다. 이어 고전 물리학이 파탄 난 버린다면 바로 우주의 시작을 묘사할 수 있는 다른 이론이 필요로 되어 있는 것은 명백했다. 만일 특이점이 원자와 같이 매우 작은 점이라면, 마이크로의 세계를 설명할 수 있는 양자론이 여기서 가장 적합한 도구이다. 우주의 시작을 파탄 없는 묘사 하려면 일반 상대성 이론과 양자론을 어떻게든 통합하지 않으면 안 된다. "무당 경계 가설"과 "다원적 우주" 관계 호킹의 유명한, 그러면서 실증 불가능한 업적의 하나로, 1983년에 캘리포니아 대학 샌타 바버라 캘리포니아대 물리학자 제임스 하토 루와 공동으로 제창한 "하토 루 호킹의 무당 경계 가설"이라는 개념이 있다. 아무 경계 가설에 의하면, 만약 시간을 거슬러서 빅뱅 전에 인연을 맺었다면, 거기에는 공간과 시간의 개념 자체가 애매하게 되는 자리가 있다고 한다. 그곳은 '특이점' 같은 뚜렷한 점이 아니라 오히려 북극을 바라보면 어느 지점이 옳은 북극점인지 알 수 없게 경계 없는, 부드러운 것이라고 호킹은 형용하다. "시공의 과거에는 경계가 존재하지 않았다는 것이 우주 초기의 물리적인 컨디션에 있을 것입니다"라고 호킹 이론을 설명했다 동영 상로 말했다. 아무런 경계 가설의 요점이 되고 있는 콘셉트는 원자처럼 작은 특이점은 입자처럼 파도처럼 행동할 수 있다는 양자론적 개념이다. "무당 경계 가설은 양자 중력을 바탕으로 한 모델입니다" 그러나 양자론을 이용한 가설은 엄청난 가능성도 내포한다. 이번 논문 공저자로 벨기에의 루뱅 가톨릭 대학의 물리학 교수인 토머스 하 토그 박사는 다음과 같이 설명한다. "우리는 서서히, 무당 경계 가설의 모델은 하나의 우주뿐만 아니라 무한한 우주를 만들어 내는 것을 알기 시작했다. 그것들은 함께 존재하는 우주의 집합체로, 멀티 유니버스(다원우주)이라고 불립니다" "다중우주를 회유하고 본다"라고 호킹은 말했다 우리의 우주는 과거에 우주 전체가 지수 함수적으로 급팽창하는 장기간의 인플레이션을 경험함으로써 탄생했을 가능성이 높다. 그러나 양자 이론적인 측면의 자리한 경계 가설은 일단 우주의 인플레이션이 시작되자 우주 전체가 골고루 급팽창하거나 멈추거나 하는 것이 아니라 국소적으로 인플레이션을 계속 영역이 여럿 나타나기를 예측한다. 이는 "영구 인플레이션"으로 불리며 결과적으로 우주 안에 온갖 가능성을 갖는 독립된 우주 영역 또는 '거품'을 만들어 냈다. 즉 각각의 거품이 다른 물리 상수를 가진 무한한 다중우주를 낳는 것을 이론적으로 예측된다. 그것은 우리가 사는 누군가에게 세세히 조정된 것 같은 물리 상수를 가진다. 우주를 무한히 존재하는 다중우주의 하나로서 설명할 수 있을지 모르지만, 관측, 예측을 감안한 증명이 실질적으로 불가능하다. 이래서는 과학적 이론으로 성립되지 않고 그 해석에 뒷받침이 나올 것은 없다. "호킹은 이런 상황에 만족하지 않았어요"와 하 토그는 말한다. "1년 전 그는 내게 말했습니다. 거기서 우리는 다원적 우주의 아이디어를 검증 가능한 과학적 프레임워크로 변환할 수 있는 방법의 개발에 힘쓴 것입니다" 호킹과 하 토그은 우주 초기를 더 간결하게 묘사하기 위해서, "하토 루 호킹의 무당 경계 가설"을 더 수학적으로 연마했다. 이번 논문으로 발표된 가설은 이른바 묻는 경계 가설의 진화판이라고도 부를 것으로 영구 인플레 속에 무한 프랙털 이론적으로 발생하는 다중우주를 홀로 그래픽 이론을 도입함으로써 보다 다루기 쉬운 유한의 세트로 축소할 수 있도록 한다. 그들의 우주론은 다중우주가 존재하는 것을 전제로 한다. 그것은 지금까지의 역사를 생각하면 자연스러운 발상이다. 인류의 시야가 확산되면서 우리는 행성, 항성, 은하 은하단이 무수히 존재하는 것을 알고 우리의 자그만 세계가 하나뿐이 아니라는 걸 배우고 왔다. 우주의 시작을 추구하는 데 있어서 왜 우주가 하나밖에 없다고 가정할 수 있을까? 실증이 어려운 가설 그렇다고 호킹의 마지막 논문은 결코 다중우주의 존재를 증명하는 것도 그것들을 검출하기 위한 구상도 아니다. 어디까지나 우리의 우주의 존재가 다중우주의 체제에서도 예측하지 못하는지를 수식적으로 모색할 것이다. "무당 경계 가설은 초기의 물리적 컨디션의 모델이며 그것은 우리의 정든 공간이나 시간의 개념이 어떻게 양자 상태에 있던 우주에서 출현할 수 있는지를 묘사하는 것입니다"과 과거 호킹은 말했다. 새로 발표된 무당 경계 가설의 진화판은 양자 이론과 고전 물리학을 잘 통합시키기 위한 예비적인 수식이라고 부를 수 있을 것이다. 그것은 우주가 양자론이 지배하는 인플레이션에서 탄생한 다음 우주의 진화와 함께 고전 물리학이 출현할 것을 묘사한다. 다시 말하면 귀찮은 다중우주의 존재를 예측하는 인플레이션 시기를 거치면서 우주에는 고전 물리학의 결정론적"시간"이 생기는 것이다. 그러나 이 엄청난 가설은 어떻게든 실증 가능한 것일까? "우리의 우주 빅뱅의 중력파를 관측하면 이 우주는 매우 급속한 팽창(인플레이션)에 의해서 탄생했다는 증거가 됩니다. 아무 경계 모델은 인플레이션 이론의 완성형이며 그것은 다중우주의 존재를 묘사하는 것입니다. 빅뱅의 중력파는 우주의 양자 기원에 추종하게 되며, 그것은 우주의 역사에 큰 통합을 가져올까요 "와 하 토그는 설명한다. "현재의 우주의 팽창은 빅뱅의 중력파는 매우 긴 파장을 가지는 것을 의미하고 있습니다. 지구 상에서 관측에서는 검출할 수는 없겠지만, 장래적으로 우주 중력파 실험이 가능하면 이를 직접 검출 가능할지도 모르겠습니다. 그렇게 되면 정말 빅뱅에 촉각을 세우게 됩니다" "인류의 노력에는 경계가 없다" 호킹 박사는 약간 21살 때 근 위축성 측색 경화증(ALS)으로 진단되고부터, 실로 55년을 죽음과 나란히 살아왔다. 그래도 그는 긍정적으로, 가끔 '장애 덕에 교편을 잡거나 지루한 회의에 참석하는 의무에서 시간을 낭비하지 않고 연구에 몰두할 수 있다'는 농담을 하면서 우리에게 우주의 매력을 전하고 주었다. 사후의 세계는 존재하지 않는다는 생전의 박사의 주장이었지만 과연 생명의 특이점에 경계는 존재했을까. "마지막 논문은 20년 가까이 우주의 기원에 관한 우리들의 대화의 집대성이라고도 부를 것입니다. 저와 스티븐은 겨우 다중우주를 제어하기 시작했다고 느껴지는 이 논문이 정말 마음에 들어 있습니다"와 하토그는 말한다. 그들의 이론이 옳은지 아무도 모른다. 그렇다고 우리는 머지않아, 진실에 찾아갈 수 있을 것이다. 호킹도 이렇게 유언하고 있지 않은가. 인류의 노력에는 경계가 없으니까"라고.