왜 암흑물질 단서 발견이 물리학계를 열광케했을까ㅡ2

앞의 글에서 이어 두 번째 의문에 대해서 얘기하겠습니다. 전파망원경으로 우주배경복사를 관찰하면 어느 방향에서도 균일하게 팽창 중임을 알 수 있습니다. 무한히 팽창하는 우주를 만유인력과 상대성이론으로 설명할 방법이 없게 되자 현대물리학자들은 모든 우주 행성들이 질량이 없는 무한히 길고 탄력이 어마어마한 끈 같은 것으로 이어져 있다는 이론을 들고 나왔습니다. 이른바 끈이론이 바로 그것인데 이것 때문에 우주의 팽창이 문제없이 일어나고 언젠가는 수축할 것이라고 합니다.

 

 

반대로 입자물리학에서는 우주의 팽창 문제를 밀도의 문제로 바라보고 있습니다. 현재의 우주의 나이는 137억 광년에 이르는데 이 기간 동안 우주는 팽창해왔지만 추측 가능한 우주의 크기로 볼 때 우주 전체가 일정 밀도 이상(임계밀도)이 되면 수축할 수밖에 없습니다. 풍선이 일정한 크기까지 부풀다가 터지는 것처럼 우주에 존재하는 중력의 범위 내에서 최대치까지 팽창하다 우주 전체의 크기가 임계점에 이르면 수축하게 된다는 것입니다.

 

 

그렇지 않으면 우주는 폭발해서 사라져버리기 때문에 질량불변(과 에너지보존)의 법칙처럼 나머지 법칙들마저 깨져버립니다. 기본입자들이 모두 사라지고 무한의 에너지만 남은 상태란 존재할 수 없습니다. 기본입자라 하는 것이 더 이상 나눠지지 않는 최후의 단계를 의미하기 때문에 이런 입자들이 사라져 순수한 에너지로 변하면 어떤 물질도 만들어지지 않는 절대 무의 상태가 됩니다. 이는 물리학의 모든 발견들이 의미가 없다는 뜻이기 때문에 우주라는 다차원적 시공간 자체가 물리학의 법칙 밖으로 사라져버립니다. 

         

 

 

따라서 우주 전체의 임계밀도가 우주의 팽창 에너지보다 작으면 우주는 영원히 팽창하고 반대의 경우에는 우주가 수축하기 시작합니다. 둘이 동일하면 팽창은 멈추지 않지만 속도는 갈수록 느려져 제로에 무한히 접근합니다. 팽창하는지 안 하는지 애매모한 지경에까지 이르는 것입니다. 이런 모순된 난제들을 풀기 위해 나온 것이 앞에서 언급한 질량 없는 끈으로 연결된 행성이라는 현대물리학이 꿈꾸는 최종 통일이론(만류인력+상대성이론+양자역학) 중 하나입니다.  

 

 

아무튼 우주의 팽창이 한계에 이르면 수축할 수밖에 없다는 이론은 차치하더라도, 아직도 우주가 팽창 중이라면 우주의 끝이라는 지평선까지의 공간의 온도가 일정한 것을 설명할 방법이 없습니다. 빛보다 빠른 어떤 것이 지평선까지의 공간에 자리 잡고 있어서, 우주 팽창에 따른 공간의 변화에 대비하지 않는 한 균일한 온도를 유지한다는 것이 설명 불가능해집니다.

 

 

이런 불가해한 상태를 타개하기 위해 나온 것이 빅뱅 이후 빛보다 빠른 아주 짧은 팽창 기간이 있었다는 가설입니다. 특이점에서 빅뱅이 일어났을 때 중력과 팽창이 믿을 수 없을 정도로 세밀하게 조정된 상태였기 때문에 10의 37승에서 10의 33승 분의 1초 동안에 양성자보다 작은 크기에서 10의 26승 배(골프공 크기 정도)만큼 크기가 커졌다고 합니다. 배수로만 따지면 어마어마한 팽창이지만 골프공 만큼 작은 공간이라 중력과 팽창이 거의 완벽한 균일성을 유지할 수 있었습니다. 

 

 

이때 정립된 팽창의 법칙(균일함을 유지하는 초대칭성을 가진)이 이후의 팽창 과정에 적용됐다는 것입니다. 측정 가능한 우주의 끝인 지평선까지 우주의 밀도가 10만분의 1 정도의 오차 내에서 균일한 것을 설명하려면 이런 가설 외에는 무엇으로도 설명이 불가능하기 때문에 인플레이션 팽창이 정설로 굳어졌습니다. 이 찰나 같은 시간 동안 힉스입자가 존재했을 것으로 보입니다. 왜냐하면 그때가 아니면 우주 전체를 채우고 있는 온갖 물질과 반물질, 에너지를 설명할 방법이 없으니까요.   

 

 

또한 이 기간 동안에는 특수상대성이론에 의해 빛보다 빠른 팽창이 가능했기 때문에 지평선까지 먼저 도달한 어떤 것이 있었으며 그 사이에 완전 진공 상태의 암흑 공간(시공간이 휘어져 발생한 공간으로 초대칭성을 특성으로 한다)이 자리하게 됐습니다. 완전 진공 상태의 암흑 공간이라 해도 거기에는 극소수의 기본입자들이 있으며 그들의 양자요동에 의해 일정한 온도를 갖는 균일한 공간을 유지할 수 있습니다.

 

                       

                                       

 

모든 방향으로 완벽한 대칭성을 띠며 팽창하는 우주가 빛의 속도에서 한계밀도에 이르는 속도까지 느려지며 지평선에 다다르면 그때부터 우주는 수축을 시작합니다. 우주가 수축을 시작하면 모든 지평선에서 팽창이 시작된 특이점으로 다가가는 과정에서 그 안에 있는 행성들은 지평선에서 가까운 순서로 폭발해 물질과 반물질을 이루는 기본입자들과 우주 에너지로 분해됩니다. 우주 팽창 시에는 이런 것들이 모여 또 다른 행성과 온갖 은하를 구성합니다.

 

 

당연히 지구도 똑같은 운명에 처할 수밖에 없습니다. 물론 그 전에 지구의 생명이 다해 백색왜성으로 변해가다 지구 중심에 자리한 수소와 헬륨의 융합 반응에 의해 핵폭발이 일어나면 지구의 표면까지 거대한 균열이 생깁니다. 이럴 경우 핵폭발로 생긴 공간을 채우기 위해 지구의 핵 주변의 것들부터 무너져 내리고 마침내 지표면까지 이런 충격이 가해지면 초신성처럼 폭발해버립니다. 

 

 

이렇게 지구가 행성으로서의 생명이 다하게 되면 우리의 후손들이 우주의 수축에 때문에 태양계가 사라지는 것을 목격하진 못할 것입니다. 지구가 폭발하기 전에 혹시 여러 개의 은하가 사라지는 것은 볼 수도 있겠지요. 최소한 지구에서 벗어나지 못한 채 살고 있다면 말입니다.

 

 

아무튼 우주 팽창의 모든 법칙들이 적용될 수 있는 미세 조율의 시기가 있었고 그것이 인플레이션 기간이며 이때 조정된 비율에 의해 지평선까지의 공간이 균일한 분포와 온도를 유지할 수 있게 됐습니다. 비록 제가 이렇게 글로 우주의 역사를 설명하고 있지만 우리가 상상할 수 있는 차원이 4차원(3차원+시간=상대성이론)을 벗어나지 못하는 관계로 우주의 팽창 모습을 정확히 전달해드릴 방법은 없습니다.

 

 

초기 우주가 타원형의 달걀 같았을 것이라고 물리학자들은 주장하지만 그것이 중요한 것은 아닌 것 같습니다. 우주의 탄생 신비가 밝혀지면 지구라는 행성의 나이가 한계가 있기 때문에 그 전에 새로운 인류의 터전을 잡기 위한 전기를 마련할 수 있을 것입니다. 또한 빅뱅의 에너지에 의한 팽창을 어느 정도 재현할 수 있게 되면 무한 에너지 창출이 가능해집니다. 어쩌면 지구 같은 행성도 만들어낼 수 있거나 시공간을 굴절시켜 공간이동이나 시간여행을 할 수 있을지도 모릅니다.

 

 

이럴 경우 인류의 진보는 영원불멸할 수 있으며 비로소 인간이 신의 모습을 본 따 창조된 유일한 존재가 될 수 있지 않을까 상상해 봅니다. 물론 이것은 저만의 생각이니 물리학을 전공하는 분들은 딴지를 걸지 않기를 바랍니다. 상상은 개인의 자유이고 물리학의 본질이니 제게 주어진 만큼의 지식을 기반으로 한껏 상상의 나래를 펼쳐본 것에 불과합니다.

 

 

우주의 팽창을 이해하려면 초대칭성에 대한 이해가 필요한데 이는 레너드 서스킨드의 《우주의 풍경》을 보시면 도움이 될 것입니다. 스티븐 와인버그의 《최종 이론의 꿈》도 괜찮을 것 같습니다. 물론 앞글에서 인용한 브라이언 그린의 《우주의 구조》도 상당한 도움이 될 명저 중의 하나입니다. 우주의 역사를 이해하려면 ‘인류 원리’도 반드시 습지해야 합니다. 스티븐 호킹의 《시간의 역사》를 보면 도움이 되실 것입니다. 이강영의 《LHC, 현대물리학의 최전선》도 대단히 유익합니다. 그밖에도 매우 많은 책들이 있지만 이것으로 줄일까 합니다.

 

 

이 정도 되면 물리학 서적을 출판하는 회사에서 광고 하나쯤 들어와도 되는데 아무 소식이 없네요. 저의 글 거의 대부분에 각종 분야의 책들이 언급되는데 깜깜 무소식이네요. 아무튼 독서 자체가 너무 즐거운 일이고 그것을 통해 얻은 지식들을 풀어놓는 것에 재미가 있으니 스스로 사서하는 고생이지만 힘닿는 데까지 아이를 나볼랍니다... 아, 아니 가볼랍니다.

 

 

 

P.S. 행성이 형성됐다 사라지듯이 은하의 차원에서 생성과 소멸이 일어나며 마찬가지로 우주의 차원에서도 탄생과 죽음이 있습니다. 즉 허용된 나이가 있다는 것입니다. 현대물리학자들의 계산에 따르면 350~400억 광년 정도(제 기억이 정확하지 않아 나중에 확인해 보겠습니다)로 알려지고 있는데 우주에 존재하는 물질과 암흑물질, 우주에너지의 총합에 따른 계산에서 나온 것이라고 합니다.

 

 

우주가 팽창을 계속하려면 거대한 에너지가 필요한데 우주 전역에 퍼져 있는 각종 물질과 반물질로 해서 마찰이 발생하고 그에 따라 에너지가 소모되기 때문에 팽창의 속도는 느려집니다. 이런 식으로 속도가 제로에 이르면 팽창이 멈춥니다. 그 다음에 수축하는 것은 중력의 법칙 때문에 피할 수 없는 과정인데 만약 팽창과 중력이 동일하다면 팽창은 멈추지 않게 되는데 이럴 때는 우주가 완벽한 진공상태여서 아주 극미한 저항도 일어나지 말아야 합니다. 

 

 

헌데 확률적으로 완전진공 상태란 존재하지 않을 가능성이 높습니다. 왜냐하면 지금까지 우주를 관찰하고 분석하고 계산한 결과 완전진공이란 존재할 수 없다는 결론이 나왔기 때문입니다. 완전진공이라 해도 그것은 일정한 시공간을 의미하는데 그런 시공간을 어떠한 에너지원도 없이 유지한다는 것 자체가 모순이 됩니다. 바로 이 점 때문에 양자요동(전자의 물리량인 스핀과는 다르다)에 의한 에너지와 끈이론이 나올 수 있는 배경이 되었습니다.

 

 

현대물리학은 이처럼 퍼즐을 맞추는 것처럼 각종 발견과 원리들 사이에 비어 있는 공간을 채워나가는 과정에 다름 아닙니다. 그렇다보니 온갖 물리학들이 새롭게 탄생하는 것은 자연스러운 일이기도 합니다. 다만 그렇게 탄생한 물리학들을 계속해서 끌고 나가려면 어마어마한 돈이 투입돼야 하는데, 이것이 NASA나 CERN으로 하여금 해프닝(때로는 데이터 조작)으로 끝나는 발견과 연구결과를 발표하는 경우를 만들어냅니다. 투입된 자금 대비 결과물이 나와야 계속해서 지원을 할 명목이 생기기 때문입니다. 이때 행정관료들의 못된 행태들이 개입하게 됩니다. 

 

 

인문계열의 논문표절이 타인의 논문에서 문장을 베끼는 것이 대부분이지만 이과계열에서는 데이터 조작이 논문표절의 대부분을 차지하고 있습니다. 둘 다 용납될 수 없는 부정행위이지만 후자보다 전자가 더욱 비열한 행위입니다. 며칠 내로 논문표절을 다룬 글을 올릴 생각입니다. 반 정도 써놓은 상태인데 우리나라에서 얼마나 표절이 만연해 있고 그것을 관례적으로 묵인하고 있는지 밝히겠습니다. 한스 그라스만의 책들을 보면 CERN이나 물리학계의 부정에 대해서도 일부의 예들을 확인할 수 있습니다.    

                                                                                                  사진 출처 : 구글이미지