우주의 진화(3): 빅뱅의 시작, 특이점
인공지능이 들려주는 과학 이야기 Ep8
8.2. 특이점(Singularity)
빅뱅은 특이점이라는 아주 작은 점에서 시작되었다. 특이점의 크기는 바늘끝의 수억분의 일의 수억분의 일의 수억분의 일의 수억분의 일보다 더 작은 점이었다. 알기 쉽게 설명해보자. 바늘 끝의 크기를 현재의 관측가능한 우주(지름 약 천억 광년)의 크기라고 가정한다면, 특이점의 크기는 바늘끝보다 훨씬 작다는 의미이다. 그 작은 점 속에 지금 우주에 존재하는 모든 것이 들어가 있었다. 특이점은 모든 물질과 에너지가 무한히 작고, 무한히 뜨겁고, 무한히 밀도가 높은 한 점이다.
이 특이점에서 빅뱅이 일어나 공간이 팽창하면서 지금의 우주가 형성된 것이다. 사람들은 흔히 빅뱅이라 하면 마치 폭탄이 터지듯이 대규모 폭발이 있었던 것으로 상상한다. 그러나 그것은 아니다. 마치 풍선을 불어 부풀게 하듯이 공간이 그냥 갑자기 빠른 속도로 확대되어 버린 것이다.
특이점에서는 우리가 알고 있는 “물리 법칙”이 작용하지 않는다. 예를 들면 빛의 속도가 절대속도이며 변하지 않는다거나, 아인슈타인의 방정식(E=mc**2)으로 표현되는 질량-에너지 등가원리(E=mc**2), 양자역학, 에너지 보전 법칙 등은 우리가 알고 있는 모든 법칙이 작용하지 않는다. 우리는 앞에서 물질의 기본과 자연계의 네가지 힘에 대해 알아보았다. 특이점에서는 이런 것은 물론 시간 조차도 존재하지 않았다.
그런데 우리는 특이점이 존재하였다는 사실을 어떻게 증명할 수 있는가? 특이점의 존재를 설명하는 데에는 다음과 같은 두가지 이론이 있다.
8.2. 특이점을 설명하는 두 가지 이론
8.2.1. 역외삽(Extrapolation)의 결과
역외삽이란 통계학, 수학, 과학 등에서 사용되는 예측 기법 가운데 하나로사, 관측된 데이터를 통해 과거나 미래의 값을 추정하는 방법이다. 예를 들면 KTX 열차의 속도를 관측하여 한 시간 전에 그 열차가 어느 곳을 통과하였는가를 예측하는 것과 같은 방법이다. 이러한 방법을 우주에 적용하여 우주가 현재 팽창하고 있다는 관측 사실을 바탕으로 시간을 거꾸로 되돌려가면, 우주는 점점 더 작고 밀도가 아주 높았다는 것을 예측할 수 있다. 일반 상대성 이론의 방정식을 계속 과거로 역추적하면, 결국 모든 것이 한 점에 수렴하는 '특이점'에 도달하게 된다.
역외삽을 이용한 특이점 추정8.2.2. 펜로즈-호킹 특이점 정리
1960년대 로저 펜로즈와 스티븐 호킹은 일반 상대성 이론의 틀 안에서, 특정 조건이 주어지면 중력 붕괴가 필연적으로 특이점으로 이어진다는 '특이점 정리'를 증명했다. 이는 블랙홀의 중심뿐만 아니라 우주의 시작에도 특이점이 있었을 것이라는 이론적 근거를 제공하였다. 이에 대해 비유적으로 설명하면 다음과 같다.
우주 시공간을 울퉁불퉁한 평지라고 가정해 보자. 이 평지에는 여러 개의 거대한 언덕(질량)과 계곡(중력)이 존재한다. 이 언덕의 무게 때문에 주변 평지(시공간)가 휘어져 있다. 작은 공(행성)들이 평지의 굴곡을 따라 움직인다고 하자. 만약 이 평지의 한 곳에 매우 무거운 물체(블랙홀 등)가 생겨서 깊은 구덩이를 만들었다고 가정해 보자. 구덩이 근처에서 움직이는 모든 공과 빛은 결국 이 구덩이의 가장 깊은 곳으로 빨려 들어갈 수밖에 없다. 이것은 “오르막이 없는 울퉁불퉁한 평지(중력만 작용하는 우주)에서는 어떤 공이든 결국 가장 깊은 구덩이(특이점)로 떨어질 수밖에 없다”는 사실을 수학적으로 증명한 것이다.
이를 빅뱅 이론에 적용하면, 현재 팽창하는 우주(울퉁불퉁한 평지가 펴지는 것)는 과거에 반드시 모든 것이 한 점에 모여 있었던 특이점(가장 깊은 구덩이)에서 시작되었을 것이라는 것을 의미한다.
펜로즈-호킹 특이점 정리8.2.3. 남은 과제
이상과 같이 ‘특이점’은 빅뱅 이론에서 결정적인 중요성을 갖지만, 여전히 현대 물리학에서는 이에 대해 완전한 설명을 하고 있지 못하고 있는 것이 현실이다. 특이점이라는 것이 정말 실제로 존재하였는가에 대한 의문에서부터 특이점이 실제로 존재했다고 하더라도 아직까지는 그것을 충분히 설명할 수 있는 이론이 정립되지는 못하고 있는 상황이다. 과학자들은 양자 중력 이론 등 다양한 이론을 통해 이 특이점의 미스터리를 풀기 위해 계속 연구하고 있다고 한다.
