우주의 진화(1): 빅뱅 이전

인공지능이 들려주는 과학 이야기 Ep 6

6.1. 빅뱅 이전에는 무엇이 있었나?

빅뱅(Big Bang) 이론에서는 우리의 우주는 138억년 전 하나의 점에서 시작된 우주가 팽창하여 만들어졌다고 한다. 이는 현대 물리학에서 주류 이론으로서 확고히 자리잡고 있다. 빅뱅으로 탄생된 것은 물질만이 아니다. 공간은 물론 빛과 시간까지 함께 탄생하였다고 한다. 이 말을 뒤집으면 빅뱅 탄생이전에는 물질은 물론 공간과 빛, 시간까지도 존재하지 않았다는 말이된다.

그렇다면 하나의 의문이 자연스럽게 떠오른다. 과연 빅뱅이 있기 전에는 무엇이 존재했는가? 빅뱅이 있기 전에는 어떤 상황이었나? 이에 대해서는 수많은 학자들이 관심을 갖고 많은 연구를 통해 여러 이론들을 주장하였다. 그렇지만 압도적 다수의 학자들이 동의하는 어떤 수렴된 견해는 없는 것 같다.

빅뱅 이론은 현재 우주가 팽창하며 진화해왔음을 설명하는 가장 널리 받아들여지는 우주론이다. 하지만 “빅뱅 이전에는 무엇이 있었나?"라는 질문은 현대 과학, 특히 물리학이 마주하고 있는 가장 깊고 어려운 질문 중 하나이다. 현재의 물리학 이론과 우주론 모델은 빅뱅 시점, 즉 ”특이점“(Singularity)을 설명하는 데 한계가 있기 때문이다.

빅뱅 이론에 따르면, 우주는 약 138억 년 전 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 하나의 점에서 시작되어 팽창해 지금에 이르렀다고 한다. 그 시작점이 바로 “특이점”이다. 특이점은 현재 알려진 물리 법칙(일반 상대성 이론 등)이 더 이상 유효하지 않은 지점이다. 우리는 이 특이점 이후의 우주 진화 과정에 대해서는 비교적 잘 설명할 수 있지만, 특이점 그 자체나 그 이전의 상황에 대해서는 직접적으로 관측하거나 실험할 수 없다. 마치 지도에 "여기서부터는 미지의 영역"이라고 표시된 것과 같다고 할 수 있다.

지금 우리가 알고 있는 시간과 공간, 그리고 물리 법칙 자체가 빅뱅과 함께 시작되었을 가능성도 있다. 그렇기 때문에 "빅뱅 이전"이라는 개념 자체가 무의미할 수도 있다.

6.2. 빅뱅 이전 상황에 관한 다양한 이론

빅뱅 이전에 대해서는 다음과 같는 다양한 이론적 모델이 제시되고 있으나, 이들은 대부분 가설의 단계이며, 아직 검증되지는 않았다. 주요 이론들을 소개하면 다음과 같다.

6.2.1. 무(Nothingness) 또는 무의미 (Meaninglessness)

가장 단순한 답변 중 하나는 "아무것도 없었다"거나, "질문 자체가 의미가 없다"는 것이다. 시간과 공간 자체가 빅뱅과 함께 생겨났다면, "이전"이라는 개념 자체가 존재하지 않는다는 것이다.

6.2.1. 다중 우주론 (Multiverse Theory)

우리 우주가 더 큰 "다중 우주(Multiverse)"의 일부에 불과하다는 모델이다. 다중 우주론으로는 여러 형태가 제시되고 있는데 몇가지를 소개하면 다음과 같다.

▪ 영원한 인플레이션 (Eternal Inflation)

우주가 끝없이 팽창하며 새로운 "거품 우주(Bubble Universes)"를 계속해서 생성한다는 이론이다. 우리의 우주는 그 수많은 거품 중의 하나이고 다른 곳에는 또 여러개의 우주가 존재하며, 빅뱅이란 우리 우주의 시작에 불과하다는 것이다.

막우주론

“영원한 인플레이션 가설” 가운데 유력한 이론 가운데 하나가 “막 우주론”(Brane Cosmology)이다. 이 이론은 우주가 더 높은 차원의 공간(벌크, bulk)에 떠다니는 "막(brane)"이라는 개념이다. 두 개의 막이 충돌하거나, 하나의 막이 흔들리면서 빅뱅과 같은 현상이 발생했다는 것이다. 이를 비유적으로 쉽게 설명하면 우리가 사는 우주는 거대한 책 속에 있는 “얇은 한 페이지(막)”와 같다. 우리는 한 장의 페이지 위에서만 앞뒤, 좌우, 위아래로 움직일 수 있고, 페이지의 두께(추가 차원)는 감지하지 못한다. 우리 페이지 말고도 책에는 수많은 다른 페이지들이 존재할 수 있다. 이 페이지들이 바로 다른 평행 우주나 추가적인 막들이다.

▪ 순환 우주론 (Cyclic Universe / Oscillating Universe)

이 이론은 우주가 ‘빅뱅;과 ’대수축‘(Big Crunch)을 반복하는 순환적인 과정을 겪는다고 주장이다. 현재의 우주가 팽창하다가 언젠가는 다시 수축하여 하나의 특이점으로 돌아가고, 그 특이점이 다시 새로운 빅뱅을 일으켜 다음 우주를 탄생시킨다는 것이다. 이 경우, 빅뱅 이전에도 무한히 많은 우주가 존재했을 수 있다.

순환우주론

▪ 양자 중력 이론 (Quantum Gravity Theories)

일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 시도로서, ‘끈 이론’, ‘루프 양자 중력’ 등이 여기에 해당한다. 이 관점에서는 빅뱅은 특이점이 아니라, 이전 우주가 수축하다가 다시 팽창하기 시작한 '빅 바운스(Big Bounce)' 현상이었을 수 있다는 것이다. 이는 우리 우주 이전에 다른 우주가 존재했을 가능성을 시사한다.

양자중력이론

6.3 검증된 해답의 부재

"빅뱅 이전에는 무엇이 있었나?"라는 질문에 대해서는 이상과 같은 여러 가지 이론이 있지만, 명확하고 검증된 과학적 해답은 아직 없다. 이 문제는 앞으로도 두고두고 물리학과 천문학이 해결해야 할 중요한 과제로 남을 것으로 예상된다.