빅뱅 직전의 우주 VOID 보이드
프랭크 클로우스
우주의 탄생이 빅뱅에서 시작한 거라면 빅뱅 이전에는 과연 무엇이 있었을까? 누구나 한 번쯤은 가져볼 만한 질문이다. 미치오 카쿠의 [평행우주]에 보면 우주가 무에서 생겨났을 가능성에 대한 언급이 있다. 우주의 총 스핀 에너지를 더하면 0과 가깝다고 한다. 정말 ‘무’에서 우주가 탄생했을까? 이 책은 이런 궁금증 속에서 도서관에서 발견한 책이다.
그렇다면 ‘무’란 무엇일까? 보통 우주공간을 진공상태라고 하는데 이 공간에도 평균 1cm3 공간에 1개 정도의 분자가 발견된다고 한다. 그렇다면 이 1개의 분자도 없애면, 아무것도 없는 텅 빈 공간이 될 것인가? 모든 것이 제거될 때 공간은 어떻게 정의되는 것인가? 공간은 사물과 무관하게 존재하는가? 아니면 모든 물질이 제거되면 공간도 제거되는가?
아리스토텔레스는 ‘자연은 진공을 혐오한다'라고 말했다. 엠페도클래스는 빈 공간을 부정했기에 모든 공간을 채우는 ‘에테르'라는 물질을 도입했다. 결론적으로 에테르라는 물질은 없는 것으로 밝혀졌다.
현대 과학에서 공간을 채우는 중요한 현상은 ‘장'이다. 중력장이라던지 전기장 같은 거 말이다. 원자와 전자 사이에는 전자기력장이 존재한다. 우리가 입자라고 생각하는 전자도 사실은 파동 같은 특성을 갖고 행동하는 ‘전자 장'의 양자 묶음이라고 한다.
변화하는 자기장은 전기장을 만들고, 변화하는 전기장은 자기장을 만든다. 자기장과 전기장의 완전한 혼합물이 파동으로서 전파되고 이 파동의 속도를 측정했더니 진동수와 상관없이 초속 30만 킬로 미터라는 것을 알게 됐다. 이것이 빛의 속력이고 빛이 전자기파라는 중요한 사실을 도출해 냈다.
얼마 전에 신의 입자라는 힉스 입자의 발견이 큰 이슈가 됐었는데 힉스 입자가 중요한 이유는 힉스 장이 기본입자들의 질량을 부여하기 때문이라고 한다. 만일 힉스 장이 없다면 입자들은 정지해 있을 수 없고 광속으로 움직일 것이다. 하지만 공간은 힉스 장으로 가득 차 있다.
양자역학 같은 입자물리학이 우주론에서 중요한 이유는 우주 탄생을 설명할 수 있는 이론이기 때문이다. 현대 물리학은 우주가 진공으로부터 생겨났다는 걸 암시한다. 정말 완전한 무에서 우주가 탄생했을까? 완전한 무에서 유가 창조된다는 게 말이 될까? 결론적으로 아직까지 현대 과학은 모른다가 정답이다. 하지만 열역학 제2법칙이 말해주듯이 우주도 엔트로피 무질서도가 증가하는 방향이라면 ‘무’에서 탄생했을 수도 있겠다. 그리고 ‘무'라는 것도 우리가 생각하듯이 아무것도 없는 걸 뜻하는 게 아니라 에너지가 0인 상태, 즉 대칭적인 상태를 의미하는 것일 수도 있겠다. 우주는 그 생애가 무척 긴 양자 요동일 수 있다.
p10
모든 것이 제거될 때 공간을 정의하는 것은 무엇인가?
공간은 사물과 무관하게 존재하는가? 아니면 물질의 제거는 공간 또한 없앨 것인가?
p58-59
장은 한 지점에서 다른 지점으로 변하는 수의 집합체이다.
장을 정의하는데 필요한 모든 것이 수의 집합체일 때, 그것을 스칼라 장(scalar field)이라고 부른다.
물론 장의 개념은 구체적 매질이 없을 때조차 적용된다. 이것은 중력장과 전기장의 배후에 있는 아이디어이다. 중력장과 전기장은 공간 도처에 각각의 힘의 크기와 방향을 부여한다.
p109
17세기에 로버트 훅은 소리가 진공을 통과하지 않는다는 사실을 발견했다.
p241
‘모든 것이 무로부터 나왔다'
현대 물리학은 우주가 진공으로부터 생겨났을 가능성이 있다는 것을 암시한다.
그 아이디어는 우리 우주가 전체 ‘가상' 에너지가 0에 매우 가까워서 그 생애가 엄청나게 긴 거대한 양자 요동일 수도 있다는 것이다.
p247
우리는 우주가 진공에서의 양자 요동으로서 분출된다고 서술하고 있는데, 이 요동은 어떻게든 극도로 뜨겁고 빠르게 팽창했다. 이 상황은 방대한 양의 물질과 반물질이 대칭적으로 만들어지는 것으로 이어졌을 것이지만, 반물질이 오늘날 대량으로 살아남아 있다는 증거는 없다. 일반적으로 양성자와 반양성자 사이의 어떤 비대칭성이 있어야만 한다고 믿어지고 있다. 이것의 기원은 아직도 찾고 있지만, 그것은 우주가 상변화를 겪었을 때 자발적 대칭성 깨짐의 또 하나의 예일지도 모른다.
