우주는 왜 지금의 모습이 되었을까?

우주의 통찰 - 위대한 석학 21인이 말하는 우주의 기원과 미래, 그리고 남겨진 난제들 ㅣ 베스트 오브 엣지 시리즈 4
앨런 구스 외 지음, 존 브록만 엮음, 이명현 감수, 김성훈 옮김 / 와이즈베리 / 2016년 2월

冊 이야기 2016-037

【 우주의 통찰 】   앨런 구스 외 / 와이즈베리

『우주는 왜 지금의 모습이 되었을까?』

우주는 어쩌다 지금 이 모습으로 남아있을까? 이 질문이 우주에 대한 궁금함을 따져보는 원초적인 질문이 될 것이다. 처음 우주의 모습은 어땠을까? 그리고 앞으로 어떻게 변모하게 될까? 요즘 들어 부쩍 우주에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 ‘우주의 가속 팽창’과 ‘암흑에너지’를 빼놓을 수 없다. 1998년 천문학자들은 우주에서 아주 멀리 떨어져 있는 물체인 초신성을 관측하면서 우주에 얼마나 많은 재료가 들어있는지 계산하려고 했다. 느리게 팽창하고 있을 것이라는 추측과 달리, 천문학자들은 놀라운 사실을 발견했다. 천문학자들이 멀리 떨어진 밝은 물체인 IA형 초신성들을 관찰했더니 우주는 팽창하고 있을 뿐만 아니라 그 속도가 가속되고 있었다. 이 글의 저자인 이론물리학자 션 캐럴은 이 상태를 ‘암흑에너지’라고 부른다. 암흑에너지는 원자도, 암흑물질도, 눈에 보이는 물질도 아예 존재하지 않게 완전히 비워내더라도 1세제곱센티미터의 공간마다, 모든 작은 공간마다 그 안에는 여전히 에너지가 남아 있다는 개념이다. 이 진공에너지는 우주를 밀쳐낸다. 이것은 추진력을 제공해서 우주를 계속 가속 팽창하게 만든다.

입자물리학(particle Physics)은 양성자 내부에 숨어 있는 원리부터 관측된 우주의 진화에 이르기까지 수많은 현상을 이해하는데 크게 기여했다. 그럼에도 불구하고 여전히 해결되지 않고 남아 있는 근본적인 질문들이 우리로 하여금 이미 알려진 것 너머의 것들에 대해 성찰하도록 자극하고 있다. 이런 미스터리 중에는 당혹스러운 소립자의 질량문제, 우주의 대부분을 구성하는 암흑물질과 암흑에너지의 본질에 관한 문제, 양자역학과 일반상대성이론을 통합할 가장 유력한 후보로 각광받고 있는 끈이론이 우리가 관찰하는 세상에 대해 어떤 예측을 내놓느냐 하는 문제 등이 포함되어 있다. 이론물리학자인 리사 랜들은 공간의 덧차원 물리학에 관심을 기울이고 있다.

지난 2~3년 동안 인기를 끈 개념이 있다. 덧차원이 전부 다 말려 있는 것이 아니라 큰 규모로 존재하는 덧차원이 적어도 하나는 있을지도 모른다는 개념이다. 리사 랜들은 동료 과학자인 라만 선드럼과 브레인(brane, 膜)에 대한 연구에서 이런 개념을 발전시켰다. 이 이론은 다른 우주들이 존재할 수 있으며, 이 우주들과 우리 우주의 거리가 지극히 미세한 거리에 불과할 수도 있다고 말한다. 하지만 이 거리는 우리가 인식하지 못하는 4차원 공간에서 측정한 거리다. 영속적으로 순환하는 우주라고 표현할 수도 있다. 리사 랜들은 최근에 덧차원이 우주론에 미치는 함축적인 의미를 탐구했다고 한다. 그랬더니 덧차원이 있는 경우, 없는 경우보다 급팽창이 훨씬 더 잘 작동하는 것으로 보였다고 한다. 이 이론의 정말 좋은 점은 덧차원의 효과를 누구든 신뢰성 있게 계산할 수 있다는 것이다. “나는 내내 우리 눈에 실제로 보이는 것이 무엇인지 강조해왔다. 시간과 실험이 그런 수많은 가능성들 중에서 진짜를 가려내주기를 바란다.”

『마음의 과학』, 『컬쳐 쇼크』, 『생각의 해부』 에 이어 베스트 오브 엣지 시리즈의 4번째 작품으로 나온 이 책은 우주에 관한 개념들에 초점을 맞추었다. ‘엣지’의 필진은 본질적으로 오늘날 지적, 기술적, 과학적 풍경의 중심 무대에 서 있는 과학자, 예술가, 철학자, 최신 기술 전문가, 사업가들로 구성되어 있다. 이들은 우리의 글로벌 문화를 새롭게 써나가고 있는 사람들이다.

최근 남극에 설치된 바이셉2(BICEP2) 전파망원경으로 중력파가 발견돼 세상이 깜짝 놀랐다. 이것은 우주 이론 중 중요한 위치를 차지하는 급팽창이론(Theory of inflation)의 정당성을 확인해주는 쾌거로 여겨지고 있다. 이 책에는 엣지 최고의 지성들로부터 모은 온라인 자료들이 한데 모여 있다. 이들은 대부분 선구적인 이론물리학자 겸 우주론학자들이다. 이들은 지난 30년 동안 발전을 거듭해온 우주론의 그림을 보여준다. 이 30년은 이 분야의 선두주자 중 한 명인 메사추세츠 공과대학의 앨런 구스의 말처럼 우주론의 ‘황금시대’라 할 수 있다.