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우주는 빅뱅으로 시작되지 않았다?
최전선에 선 이론물리학자들이 제시하는 새로운 우주의 역사

여러 번의 독립적인 측정을 통해 우주가 140억 년 전 매우 뜨겁고 조밀한 상태에서 생겨나 그 이후로 팽창되며 냉각되고 있다는 빅뱅 이론. 하지만 이 책에서는 우주의 기원과 종말에 대한 기존의 상식을 뒤엎는다. 이론물리학과 천체물리학 분야에서 수십 년간 주도적인 역할을 한 물리학자인 저자들이 우주에 대한 새로운 이론을 주장하고 있는 것이다.

이 이론에 따르면 우주적 역사는 반복되는 진화의 주기로 이루어진다. 매 순환 주기는 빅뱅으로 시작되지만 이 폭발은 공간이나 시간의 시작이 아니며, 매 순환 주기는 다음번 주기에 영향을 끼친다. 즉, 가장 최근의 폭발 이전의 사건들이 오늘날 관찰하는 우주의 거시적인 구조를 형성했으며 오늘날 벌어지는 사건들은 다음에 올 순환 주기의 우주의 구조를 결정하게 될 것이라 이야기한다.

가장 주목할 만한 것은 저자들인 주장하는 이 주기적 우주의 새로운 이론은 수정된 빅뱅 이론과 동일한 정확성으로 현재의 모든 천문학적 관측에 일치하며, 빅뱅 이론이 설명할 수 없는 우주의 어떤 측면들을 설명할 수 있다는 점이다. 물리학자들이 흔히 사용하는 수학의 언어 대신 이야기와 비형식적인 스케치, 일화를 통해 개념들을 보다 쉽게 전달한 점이 돋보인다.

21세기에 시작된 우주론의 혁명
([빅뱅과 인플레이션을 넘어 새롭게 펼쳐지는 최전선의 우주론

수십 년 간 부동의 지위를 차지해 온 표준 우주론을 폐기한다.
우주의 과거와 미래에 대한 놀랍고도 충격적인 이야기

빅뱅 이전에는 무엇이 존재했을까?
보이는 지평선 너머에 또 다른 우주가 펼쳐져 있을까?
1조 년이 지난 후 우주의 미래는 어떻게 될까?

우주 : 그 영원한 궁금증

우주의 광대함은 늘 인간을 압도하면서 매혹과 두려움의 원천이었다. 지오다노 브루노는 유한한 인간의 세계를 넘어 "저 무한을 즐기자"고 말했지만, 파스칼은 무한한 우주의 침묵이 자신을 전율케 한다고 고백했다. 시간과 공간, 우주는 끝없이 펼쳐져 있는 것일까? 그렇다면 지구는 이 무한한 우주에서 작은 먼지 한 점에 불과한 것일까? 현재는 우주의 영원한 과거와 영원한 미래 사이에 끼인 찰나인 것일까? 밤하늘을 바라보며 인간은 우주에 대해 무한한 상상의 나래를 펼쳐 왔다.
신화와 종교적 상상력의 시대가 지나가자 인류는 망원경을 통해 두 눈으로 직접 밤하늘에 펼쳐진 별들의 세계 너머에 또 다른 은하들이 무수히 펼쳐져 있는 것을 볼 수 있었다. 이 광활한 우주의 과거와 현재, 미래를 어떻게 과학적으로 설명할 수 있을까? 우주는 항상 우리가 보는 대로 존재했고 앞으로도 영원히 그러할까? 만일 그렇지 않다면, 우주의 탄생 이전에는 무엇이 있었던 것이고, 우주의 종말 이후에는 무슨 일이 벌어질까? 아니, 탄생 이전과 종말 이후를 묻는 것은 무의미한 일일까?
이러한 질문에 답하기 위한 학문이 우주론(cosmology)이다. 상상과 억측을 지나 과학적인 우주론이 본격적으로 발전하기 시작한 것은 20세기의 일로, 지난 세기에 우리는 우주의 역사에 대한 과학적 설명인 "표준 우주론"을 얻었다.

빅뱅과 인플레이션 : 표준 우주론

우주에 대한 우리의 이해는 두 가지 동력에 의해서 발전했다. 하나는 아인슈타인의 상대성 이론과 같은 이론 물리학의 발달이고, 다른 하나는 허블 상수의 발견과 같은 관측 및 실험의 발달이다. 20세기 초 상대성 이론은 우주가 안정된 상태에 있는 것이 매우 어려우며 팽창하든지 수축하든지 어느 한 쪽을 택하게 될 것이라는 이론적 예측을 내놓았다(아인슈타인 자신은 그것을 인정하려 하지 않았지만). 허블은 별빛 스펙트럼의 적색 편이를 통해 먼 천체들은 모두 우리로부터 멀어지고 있다는 것, 즉 우주가 팽창한다는 사실을 발견했다. 이로 인해 아주 먼 과거에는 우주가 극히 작은 영역으로 축소되며 이 작은 우주가 급속도로 팽창하는 사건(빅뱅, Big Bang)을 통해 현재의 우주가 만들어졌다는 결론이 내려졌다. 이것이 20세기 중반 빅뱅 이론의 등장이다.
빅뱅 이론과 우주의 팽창이 정설이 된 후 양자 물리학 등 첨단의 이론 물리학은 새로운 관측, 상세한 실험과 결합해 이 빅뱅 이론의 커다란 그림을 수정해 왔다. 초기 고온의 상태에서 비균질적인 물질/에너지의 분포가 존재해야지만 현재와 같은 은하가 생겨날 수 있다는 예측은 초기 우주의 흔적을 찾기 위한 관측으로 이어졌고 COBE 위성 등에 의해 관측된 우주 복사 분포는 이러한 예측을 확증해줌으로써 빅뱅 이론의 타당성을 다시 확인해 주었다.
보이지 않지만 은하의 운동을 지배하는 암흑 물질, 우주의 팽창을 가속화하는 암흑 에너지 등 관측된 사실을 설명하기 위한 새로운 요소들이 도입되면서 빅뱅 이론은 많은 변화를 겪었고 그 절정은 초기 우주에서 폭발적인 우주의 팽창(인플레이션 inflation) 시기가 있었다는 인플레이션 가설의 등장이었다. 표준 우주론은 이 모든 요소들을 결합해 (1) 약 137억 년 전 우주가 빅뱅으로부터 시작되었고 (2) 급격한 팽창(인플레이션)의 시기를 거친 뒤, (3) 물질과 복사파가 지배하는 시기를 지나 (4) 약 50억 년 전부터 팽창이 가속화되고 있다고 말한다. (5) 그리고 아마도 이 팽창은 무한히 계속될 것이다.

표준 우주론에 대한 불만 : 그것으로 충분한가?

표준 우주론이 지금까지의 관측 결과와 잘 들어맞으며 꽤 성공적인 예측을 해왔다는 것은 사실이다. 21세기의 가장 중요한 우주 관측 위성인 WMAP의 관측 결과는 표준 우주론, 즉 인플레이션 이론이 내놓은 예측이 대부분 확증되었다는 것을 확인시켜 주었다. 아마도 우리는 표준 우주론의 성립이야말로 지난 세기에 인류가 이룩한 가장 위대한 과학적 업적 중 하나라고 말할 수 있을 것이다. 우주의 탄생 이후 137억 년이 지난 후에 등장한 생명체가 우주의 과거와 현재를 거의 완벽하게 설명해 낼 수 있었다는 의미이기 때문이다!
하지만 이것은 표준적인 교과서나 저널에서 보여주는 과학의 모습이다. 실제의 과학은 이렇게 깔끔하고 명확하게 진행되지 않는다. 실험과 예측이 잘 들어맞는 이유는 실험 결과에 맞추기 위해 이론을 땜질한 결과일 수도 있고, 미묘한 오차를 해결하기 위해 미세한 조정을 덧붙인 결과일 수도 있다. 좋은 과학이 되기 위해서는 새로운 결과가 나올 때마다 이론을 계속 수정해나가는 것 이상의 무엇이 필요하다.
이 책의 저자인 스타인하트와 투록은 그런 점에서 현재의 표준 우주론이 불만족스럽다고 보고 있다. 이들은 인플레이션 이론이 물리학의 근간을 이루고 있는 기본 물리학의 원리와 잘 통합되어 있지 않으며, 하나의 근본적인 원리에 의해 통합된 이론 체계가 아니라 이질적인 요소들을 (수치를 조정해) 적당히 결합한 것이라고 비판한다. 우리는 좀 더 나은 이론을 필요로 한다. 물론 여기서 멈춘다면 그건 단지 현재의 이론에 대한 비판에 지나지 않을 것이다. 이 저자들(과 이 책)을 주목하게 만드는 것은 그들이 표준 우주론을 대신할 수 있는, 새롭고도 놀라운, 그리고 매혹적인 우주론을 제시하고 있기 때문이다.

새로운 우주론의 영감 : 여분 차원과 n-차원 막(membrane)

이 새로운 우주론의 출발점은 최첨단의 이론 물리학인 초끈 이론이다. 초끈 이론은 소립자의 표준 모델이 가정하고 있는 것처럼 소립자들을 점으로 보는 대신 1차원의 끈으로 이루어졌다고 가정한다(이 끈은 나중에는 2차원의 막과 그 이상의 구조로 확장된다). 그렇게 볼 때 입자 물리학과 양자 역학이 곤란을 겪었던 특이점의 문제가 해소된다. 특이점이란 물리적 현상을 기술하는 방정식의 해가 무한대로 발산하는 상태를 말하는데, 한 점에 많은 에너지가 응축될 때 이런 결과가 나온다. 하지만 소립자를 입체적인 구조로 봄으로써 초끈 이론은 특이점이라는 이론적 난제를 피할 수가 있다.
초끈 이론은 여기서 더 나아가 우리의 시공간이 통상적인 이해처럼 4개의 차원(3개의 공간 차원과 1개의 시간 차원)이 아니라 더 많은 차원으로 구성되어 있다고 주장한다. 물론 수학적인 기술을 위해 끌어들인 가정이긴 하지만 이 여분의 차원(extra dimension)은 아주 작은 공간에 응축됨으로써 일상적으로는 그 효과를 볼 수 없는 대신 이론 물리학의 근본적인 문제들(중력과 다른 힘의 통합 등)이 해결될 수 있다는 장점이 있다. 우주의 근본적인 네 가지 힘(중력, 약력과 강력, 전자기력)을 통합할 수 있는 새로운 후보로 제시된 초끈 이론은 지난 수십 년 간 이론적 논의를 통해 1차원의 끈 대신 n차원의 브레인(brane : 막membrane을 일반화한 개념)을 사용하는 M 이론으로 통합되었다(에드워드 위튼의 끈 이론 혁명).
물질을 구성하는 물질 입자(렙톤과 바리온), 그리고 힘을 매개하는 힘 입자(보존) 사이에 존재하는 대칭성(초대칭), 중력과 다른 힘들을 통합하는 만물의 이론, 연속적인 역장(force field)과 불연속적인 양자 이론을 통합하는 양자장 이론 등, 근본적인 이론 물리학을 새롭게 통합하는 이론 물리학의 혁명이 벌어지고 있는데 왜 우주론에는 근본적인 변화가 일어나지 않는가. 폴 스타인하트와 닐 투록은 이 새로운 초끈 이론인 M 이론에 대한 강연을 들으며 우주론의 혁명이 가능하다는 것을 알아차린다. 그것은 서로 평행한 두 개의 브레인(막) 우주가 여분 차원을 통해 충돌하는 모형이었다. 그리고 이 최초의 아이디어는 계산과 논쟁, 수정을 통해 표준 우주론을 대신할 수 있는 완벽한 대안이 될 수 있는 가능성을 보여주었고, 이 두 저자들은 직접 대중들에게 이 새 우주론의 세계를 설명할 때가 왔음을 알아차렸다.

새로운 우주론 : 무한히 반복되는 우주의 순환

다시 표준 우주론을 생각해 보자. 표준 우주론, 즉 빅뱅과 인플레이션 이론은 빅뱅 이전을 생각하지 않는다. 시간과 공간은 말 그대로 빅뱅을 통해 "생겨났다." 예전에는 어느 정도 시간이 흐르면 우주가 수축하기 시작할 가능성도 예측되었지만(스티븐 호킹의 [시간의 역사]에서처럼), 현재 우주는 수축을 하기에 충분한 질량을 갖고 있지 않으며 50억 년 전부터 가속화된 팽창이 시작되었다는 것이 알려져 있다. 즉 앞으로 우주는 무한히 팽창을 계속해, 아무 것도 존재하지 않는 거대한 진공의 상태로 영원히 계속될 것이다. 빅뱅에서 무한하고 영원한 진공으로, 이것이 표준 우주론의 결론이다.
대중적으로는 잘 알려져 있지 않지만 더 받아들이기 힘든 예측들도 존재한다. 초기의 급속한 팽창인 인플레이션은 너무나 빠르게 진행되어 고립된 우주들을 만들어낼 수 있다. 만일 그렇다고 한다면 서로 고립된 많은 영역들은 서로 다른 물리 법칙의 지배를 받는, 완전히 다른 세계일 수도 있다. 우리는 그 엄청난 규모의 간격을 넘어서 다른 우주를 볼 수 없지만, 이 우주들은 아마도 우리의 우주와는 전혀 다른 우주로, 그곳에는 어쩌면 별이나 은하가 존재할 수 없을지도 모른다. 우리가 살고 있는 우주는 거의 무한히 많은 이런 고립된 우주(주머니 우주) 중에서 가장 특이하고 예외적인 사례일 수도 있다.
현재의 우주론이 이런 예측을 내놓는 것은, 통합되지 않은 요소들의 땜질로 근본적인 물리학의 법칙들에 기반하고 있지 않기 때문이다. 하지만 아직 미완의 프로젝트이나 현재 진행 중인 이론 물리학의 혁명을 기반으로 시간과 공간의 구조, 우주의 역사에 대해 대담한 가설을 내놓는 것이 불가능하지 않다. 만일 초끈 이론(M 이론)이 옳다면, 그래서 여분 차원과 막 구조가 존재한다면, 우주가 진동하는 막이라고 한다면… 그 결과는 우주론의 혁명이다.
새로운 주기적 우주론(cyclic universe)은 우주의 알려진 역사에 대해서는 거의 동일한 설명을 제시하지만 더 먼 과거와 미래에 대해서는 극적으로 다른 예측을 제시한다. 즉 빅뱅 이전에도 우주는 존재했으며, 앞으로 먼 미래에도 새로운 빅뱅이 일어날 것이다. 우주는 끝없이 반복되는 빅뱅(대폭발)/빅크런치(대수축, Big Crunch)의 순환으로 이어지며 말 그대로 영원히, 무한하게, 끝없이 존재한다. 우주의 모든 영역에서, 그리고 모든 주기마다, 물리학의 법칙은 근본적으로 동일하며, 따라서 매 주기마다 우주는 새로운 생명을 탄생시킬 것이다. 그래서 1조 년이 지난 후 텅 빈 진공을 향해 달려가는 인플레이션 우주와는 달리 이 주기적 우주는 여분 차원 건너편의 브레인 세계와 새로운 충돌을 통해 다음번의 창조를 준비할 것이다.

우주론의 경쟁 : 실험적인 증거를 찾아서

이미 두 우주론 사이의 경쟁은 시작되었다. 비록 인플레이션 이론이 더 잘 알려져 있긴 하지만 말이다. 지금까지의 모든 관찰이나 실험은 두 우주론을 모두 만족시킨다. 저자들이 밝히고 있듯이 아마 중력파의 검출, 우주의 역사 초기에 방출된 편광의 검출을 통해서 향후 수십 년 안에 결정적인 실험이 가능하다. 그 후 교과서가 새롭게 다시 쓰일 것인지 아니면 새로운 우주론이 폐기될 것인지가 결정될 것이다.
저자들은 이 경쟁의 역사를 지켜보라고 독자들을 초대한다. 역사가 새롭게 쓰이고 있는 시대에 살고 있으면서 무엇이 벌어지고 있는지 모르고 지나가는 것처럼 안타까운 일은 없을 것이다. 흥미와 관심을 가지고 이 우주론의 혁명을 진지하게 바라보도록 하자. 아마 수십 년 뒤에 우리는 우주에 대해 전혀 다른 이야기를 우리 아이들에게 들려주고 있을지도 모르잖는가. 빅뱅과 인플레이션 대신 여분 차원과 n-차원 브레인, 그리고 무한한 주기로 반복되는 우주의 이야기를.

감사의 글
서문

1장. 2001
2장. 제2막
3장. 하나의 우주, 두 개의 이야기
4장. 입자로부터 우주로
5장. 인플레이션과 두 우주학자 이야기
6장. 끈으로부터 대충돌로
7장. 주기적 우주 모델
8장. 최후의 질문
9장. 보는 것이 믿는 것
10장. 인플레이션 다중우주 혹은 주기적 우주
11장. 미래로의 귀환

용어설명
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역자후기
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이 책은 우주에 대한 새로운 이론의 출현을 다룬다. 이 이론에 따르면 우리의 우주적 역사는 반복되는 진화의 주기로 이루어진다. 매 순환 주기는 빅뱅으로 시작되지만, 이 폭발은 공간이나 시간의 시작이 아니다. 오히려 빅뱅은 그 "이전"과 "이후"가 존재하는 사건으로 물리적 법칙을 통해 기술될 수 있다... 아마도 공간과 시간은... 문자 그대로 "끝없는" 것일 가능성이 있다.
([서문]/ p.8)

역사는 대담하게 생각하도록 우리를 부추긴다. 지난 세기에 우주학자들은 여러 번 올바른 우주 모델이라고 믿은 것에 합의했으나 새로운 관찰과 이론 물리학의 발전에 의해 그것을 포기하고 근본적으로 새로운 아이디어를 받아들여야만 했다.
([제1장]/ p.26)

우주의 역사는 물질과 복사파, 별과 은하들이라는 배우들이 물리학의 법칙에 의해서 정해진 대본에 따라 우주라는 무대에서 춤추는 연극에 비유될 수 있다. 우주학자들에게 던져진 과제는 중요한 개막 장면으로부터 140억 년이나 지난 뒤에 공연에 도착해서 줄거리를 파악해야 한다는 것이다.
([제2장]/ p.35)

그 모든 설득력에도 불구하고 인플레이션 모델은 입증되지 않은 적지 않은 가정에 기대고 있다. 먼저 빅뱅이 시간의 시작이라는 가정은 곧 두 번째로 이어진다. 우주가 최초의 1초 동안 어떻게 그토록 매끄럽고 평평해졌는가를 설명하기 위해 강력한 새로운 요소인 인플레이션 에너지가 가정되어야만 한다... 그리고 우주 팽창 가속화의 현 시대를 설명하기 위해 전혀 새로운 요소가 가정되는데, 그것이 암흑 에너지로 이것은 인플레이션 에너지와 아무 관련이 없다.
([제3장]/ p.76)

이론 물리학은 어떤 면에서 동양 철학과 유사한데 많은 고통과 개인적인 고행을 통해서만 깨달음을 얻을 수 있다는 점에서 그렇다. 이론 물리학에서 이 고행은 대부분 이론을 발전시키고 검증하기 위해 필요한 계산의 엄청난 복잡성 때문에 생겨난다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 이 때문에 이미 악명이 높았다. 개념적으로 이 이론은 매우 우아하고 경제적인 모델이다. 주된 방정식은 쉽게 외울 수 있는 몇 개의 기호로 간단하게 쓸 수 있다. 하지만 예측을 하기 위해서는 실제로 방정식을 풀어야 한다. 일반적으로 이것은 악몽과도 같이 끔찍하게 어렵다.
([제6장]/ p.165)

기록된 역사를 보면 실질적으로 모든 우주론 모델은 세 범주 중 하나에 속한다. 첫 번째는 "창조된 우주"로, 우주가 유한한 시간 전에 생겨나서 그 뒤로 지금까지 진화를 하고 있다고 가정한다. 두 번째 범주는 "불변하는 우주"로, 우주가 영원히 동일하게 존재하는 모델이다. 그리고 세 번째가 "에피소드 우주"로 창조, 진화, 소멸의 반복되는 시기를 가진 우주론을 포함하는데 이 반복은 규칙적일 수도 있고 불규칙할 수도 있다... 사실 1964년 우주 배경 복사의 발견 이후의 시기는 그런 점에서 예외적이다. "창조된 우주" 범주에 속하는, 오직 한 가지 시각만이 존재했던 것이다.
([제8장]/ p.192)

우리 모두는 새로운 이론이 성숙하게 개화하며 이 성숙한 이론이 도전에 의해 다시 활기를 찾는 모습을 보고 있다. 우리는 아직 문제가 여전히 풀리지 않았을지라도 우주에 대한 두 개의 비전에 대해 논쟁하며 우리의 개인적 확신을 제시하는 것을 즐길 수 있다. 그리고 우리는 이 논쟁에 끝이 있을 거라는 확신을 갖고 이 모든 것을 행하고 있다.
([제8장]/ p.288)