서평 『시간의 기원』: 빅뱅 인플레이션과 양자요동

인플레이션 전문가들은 우주 초기에 일어났던 엄청난 팽창이 미세한 양자요동을 증폭시켜서, 거시적 규모의 파동과 같은 효과를 낳을 수 있다는 놀라운 사실을 알아냈다. 인플레이션이 불확정성 원리에서 허용되는 최소한 요동에서 시작되었다 해도, 무지막지한 인플레이션이 시작되면 그 작은 요동이 눈에 보이는 거품만큼 커져서 공간 전체로 퍼져나가고, 그 결과 인플라톤 장에는 물결이 치는 듯 변화가 일어난다. 마치 잔잔한 호수(우주공간)에 돌멩이(인플레이션)을 던졌을 때 파동이 발생하는 현상과 비슷하다. 양자역학은 주로 미시세계의 현상을 설명하는 이론으로 알려졌지만, 인플레이션 이론은 거시적 규모의 우주에도 양자역학이 영향을 미칠 수 있음을 분명하게 보여주었다. 게다가 인플라톤 장은 팽창하는 공간에 에너지를 계속 공급하여 거의 동일한 밀도를 유지한다.

인플레이션 이론에 의하면 우주배경복사의 차가운 영역과 뜨거운 영역은 초기 우주에 존재했던 양자적 요동이 거대한 규모로 확대되면서 나타난 결과다. 인플레이션이 끝난 후 인플라톤의 에너지가 열에너지로 바뀌었을 때, 뜨거운 가스로 가득 찬 우주에 인플라톤 장의 요동이 발자국처럼 남는다는 것이다. 그러므로 우리 우주가 인플레이션에서 탄생했다면, 복사에너지의 온도와 물질의 분포에 작은 불규칙성이 존재할 수밖에 없다. 그 후 우주가 서서히 팽창함에 따라 초기에 생겼던 잔물결이 우주 지평선 안으로 들어오면서 인간이 만든 관측 장비에 포착되었다. 우주배경복사의 온도에 나타난 작은 변화가 인플레이션 이론의 예측과 거의 정확하게 일치하는 것은 정말로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 따라서 대부분의 우주론학자들은 인플레이션을 정설로 받아들이고 있다.

공간이 급속하게 팽창하면 공간뿐만 아니라 양자요동도 함께 증폭되기 때문에, 일정한 수준의 중력파가 발생한다. 그러나 인플레이션 이론이 내놓은 다양한 예측 중 원시 중력파(primordial gravitational waves)는 아직 확인되지 않았다. 원시 중력파는 인플레이션 이론의 타당성을 뒷받침할 뿐만 아니라, 시공간의 장이 모든 물질장과 마찬가지로 양자요동으로부터 탄생했음을 보여주는 최초의 증거이다. 원시 중력파는 우주가 탄생한 후 공간과 함께 꾸준히 확장되면서 파장이 엄청나게 길어졌을 것이므로 그 존재를 확인하기가 거의 불가능하다. 인플레이션 전문가들은 언젠가는 반드시 관측될 것으로 믿고 있다. 이를 찾는 위성 탐사계획도 추진하고 있다. 스티븐 호킹이 임종을 앞두고 마지막으로 수행했던 연구는 원시 중력파의 정확한 강도를 예측하기 위해 인플레이션 이론에서 예측된 내용을 정교하게 다듬는 것이었다.