현대 우주론의 중요한 문제들

우리 우주의 첫 순간 - 빅뱅의 발견부터 암흑물질까지 현대 우주론의 중요한 문제들
댄 후퍼 지음, 배지은 옮김 / 해나무 / 2023년 10월

우주 역사를 구성하는 기본 요소들은 포괄적으로 빅뱅 이론이라고 부른다. 빅뱅 이론에 따르면, 우리 우주는 138억 년에 걸쳐 팽창하고 그 과정에서 원자핵, 원자, 은하, 별, 행성들이 형성되었다. 우주 탄생의 첫 순간은 거대한 미스터리다. 암흑물질과 암흑에너지의 비밀이 풀리면 우주 탄생의 신비가 그 모습을 완연히 드러낼까. 글쎄다. 난 이렇게 반문하고 싶다. DNA의 생체 암호가 완전히 풀어졌음에도 인간 탄생의 신비와 창조의 비밀은 왜 여전할까.

암흑물질과 암흑 에너지는 이 세상의 기원과 우주의 팽창을 이해하기 위한 과학적 개념이다. 빅뱅 후 첫 순간에 공간 전체를 채웠던 물질과 에너지의 형태를 이해하기 위한 시원 이론인 것이다. 암흑물질이 무엇인지 또는 무엇으로 만들어졌는지 아직 모르지만, 우주의 첫 순간, 아마도 빅뱅 후 첫 100만분의 1초 안에 만들어졌을 가능성이 높다. 그리고 암흑에너지는 우리 우주의 가속 팽창을 이끄는 힘이다.

입자물리학자 댄 후퍼는 빅뱅, 암흑물질, 암흑에너지, 다중우주, 우주의 근본적인 힘을 주제로 다루면서 우주의 기원에 관한 중요한 질문들을 두 가지 노선에서 살펴본다.

"시간과 공간의 본질에 대한 아인슈타인의 혁명적인 깨달음에서 출발해, 이 아이디어가 어떤 과정을 거쳐 우주가 탄생한 뜨겁고 조밀한 상태인 빅뱅의 발견으로 이어졌는지 살펴볼 것이다. 또한 망원경부터 입자가속기까지 다양한 장비를 사용해 우리 우주의 초기 역사를 탐구해 온 과정도 최선을 다해 설명할 것이다. 이를 바탕으로, 우리 우주의 첫 몇분의 1초를 어수선하게 만드는 퍼즐과 미스터리, 미해결된 문제들을 집중적으로 조명할 것이다."(24, 25쪽)

철학자 토마스 쿤은 과학이 점진적으로 단계적으로 발전하는 것이 아니라 '패러다임의 전환'이라고 하는 극적인 변화를 통해 발전한다는 유명한 주장을 제기했다. 아인슈타인의 상대성 이론은 완벽한 패러다임의 전환이었다. 덕분에 20세기의 물리학자들은 시간과 공간이 변화하고 진화할 수 있으며, 모양을 갖추고 늘어나고 변형될 수 있다고 이해한다. 시간과 공간은 팽창하고, 수축하고, 휘감기고, 꼬이고, 끊어지고, 휘고, 부풀고, 심지어 존재 자체를 시작하거나 멈출 수도 있다. 현대 우주론은 바로 이처럼 동적이고 살아 움직이는 시간과 공간의 특성 위에 세워졌다. 바꿔 말해서, 뉴턴 물리학의 체계 안에서 우주론은 설 자리가 없었다.