인플레이션 다중우주

 

목차

 

 

 

 

영원한 인플레이션 다중우주는 두 가지 형태로 묘사된다. 첫 번째는 영원한 인플레이션 이론을 처음 제시한안드레이 린데 미국 스탠퍼드대 물리학과 교수가 묘사한 포도송이 모양이다. 오늘날에는 테그마크 교수가 ‘빵 속 기포’라고 묘사한 형태로도 많이 표현된다.

 

 

[특징] 물리법칙이 다른 ‘딴세상’ 우주 2단계 다중우주는 우리 우주와 다른 물리법칙의 지배를 받는, 우리와 전혀 다른 다중우주가 존재한다고 본다. 끈이론과 관련 있는 다중우주 둘(주기적 다중우주, 랜드스케이프 다중우주)은 별도로 소개하고, 여기에서는 영원한 인플레이션 다중우주만 소개한다.

 

 

[아이디어] 인플레이션이 영원히 계속된다면?

 

인플레이션 우주론은 우주가 밀도가 무한한 한 공간에서 시작됐으며 초창기에 우주가 기하급수적으로 팽창하는 시기가 있었다고 설명하는 인플레이션 이론을 바탕으로 한다.

인플레이션 이론은 우주가 밀도가 무한한 한 공간(우주의 평평도에 따라 하나의 점일 수도 있고, 끝없이 펼쳐진 무한 공간일 수도 있다)에서 시작됐으며, 초창기에 우주가 기하급 수적으로 팽창하는 시기가 있었다고 설명하는 이론이다. 이 이론에서는 우주가 척력을 발생시키는 입자(Inflaton, 인플 라톤)의 장(field, 인플라톤장)으로 가득 차 있었다고 본다. 인플라톤장의 에너지(일종의 위치에너지)가 높으면 인플레 이션이 일어난다. 마치 높은 산 위의 공이 골짜기로 굴러 떨어지면 위치에너지를 방출하며 공의 속도를 높이듯(운동에 너지로 바뀌었다), 인플라톤 에너지도 낮아지면서 뭔가 다른 일을 한다. 이때 인플라톤이 하는 일은 물질과 암흑물질을 만드는 것이다. 마치 수증기가 응결하듯 물질(입자)이 생기고, 물질이 양자역학적인 요동 때문에 지역적으로 조금씩 밀도 를 달리하면 별과 은하가 생긴다.   인플레이션 우주론에서는 우리 우주가 탄생 뒤 10-30초만에 인플라톤이 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 뚝 떨어졌다고 본다. 하지만 그 짧은 사이에 인플라톤의 영향으로 공간은  1025배로 팽창했다.

 

 

 

공간은 이후로도 지속적으로 팽창했고, 초기의 초고온 상태를 벗어나 차갑게 식어버렸다. 하지만 인플레이션 이론에 따르면, 우주가 아직 작을 때는 온도 등의 정보를 모든 곳과 서로 충분히 교환할 수 있었다. 그래서 전체적으로 온도 가 균질해졌고, 137억 년이 지난 지금까지도 우주 초창기에 최초로 방출한 빛이 남긴 온도 흔적(이것이 ‘우주배경복사’다)은 균질하다. 우주 전체에서 겨우 1000분의 1 정도의 차이밖에 없을 정도다. 인플레이션 없이 이렇게 될 확률은 대단히 낮기 때문에, 인플레이션 이론은 우주의 탄생을 잘 설명해 준다는 평을 듣고 있다.

 

 

[등장] 끊임없이 ‘새끼 우주’가 태어난다

 

 

이런 인플레이션 우주론에서 다중우주의 아이디어가 나온다. 인플레이션 우주론 중에는 인플레이션이 한번으로 끝나는 게 아니라, 우주 여기저기에서 계속해서 일어난다는 ‘영원한 인플레이션(Eternal Inflation)’ 이론이 있다. 이것은 인플라톤 입자가 ‘모든 상태가 가능한’ 양자역학의 불확정성 때문에 에너지 상태가 낮은 상태로 고정되지 않고 변덕스럽게 변해서다.   이런 인플라톤 장의 요동 때문에 우주에는 인플라톤 에너지의 크기가 미세하게 다른 지역이 여기저기 마구 섞여 있게 된다. 이 중 에너지가 상대적으로 큰 지역에서는 팽창이 일어날 것이고, 그렇지 않은 지역에서는 뻥 뚫린 공백이 생기고 안에 물질과 은하가 생길 것이다. 이 과정이 우주 대부분의 지역에서 영원히 계속된다. 그 결과, 우주 안팎에 우주가 새끼처럼 계속 생겨난다. 이 우주는 입자에 질량을 주는 힉스 등 입자의 특성이 다르다. 그래서 제1우주와 달리 물리법칙이 완전히 다른 우주가 태어날 가능성이 있다.

인플레이션 다중우주론에 따르면, 우주 안팎에서 인플레이션이 발생하며 새끼 우주가 태어나는데, 이 우주들은 서로 물리법칙이 완전히 다를 수 있다.

 

 

 

 

[비판과 한계] 반드시 ‘딴 세상 물리학’을 낳는 것은 아니다 이 이론이 증명되려면 먼저 인플레이션 이론의 타당성이 증명돼야 한다. 인플레이션 이론 자체는 우주배경복사 관측 으로 설득력을 지니게 됐지만, 1980년대에 로저 펜로즈(Roger Penrose, 1931~) 영국 옥스퍼드대 물리학과 교수 가 주장했던 ‘초기조건 문제(인플레이션이 다른 형태로 일어나거나 심지어 일어나지 않고 지금과 같은 ‘평평한 우주’ 가 나타날 확률이 훨씬(1010100배) 높다는 주장)이 완전히 해결된 것은 아니다. 또 핵심인 인플라톤장은 측정을 통해 증명되지 않은 가설적인 장이다.   영원한 인플레이션이 만든 다중우주의 흔적을 검출하려는 시도도 있다. 매튜 클레번 미국 뉴욕대 물리학과 교수는 2011년 한 논문에서 “팽창하는 거품 다중우주가 서로 충돌할 수 있으며, 이 경우 우주배경복사에 특정한 무늬(온도 차이)를 남긴다”고 주장했다. 하지만 개별 우주가 팽창하는 속도보다 우주끼리 서로 멀어지는 속도가 더 빨라 만나지 않는다는 주장도 있다.   우주마다 물리법칙이 다르다는 가정도 확실한 근거가 있는 것은 아니다. 조지 엘리스 남아프리카공화국 케이프타 운대 수학과 석좌교수는 2011년 8월 미국 과학잡지 [사이언티픽 아메리칸] 기고문을 통해 “영원한 인플레이션 자체 만으로 다중우주마다 다른 물리법칙이 있다는 결론을 낼 수 없다”고 지적했다.

 

 2단계 다중우주
미국 MIT 물리학과의 막스 테그마크 교수는 2003년 1월 [평행우주]라는 논문에서 다중우주의 4단계 분류

법을 제안했다. 다중우주의 4단계 분류법 중 1단계는 관측범위 밖에 우주가 여전히 존재하며, 하나하나가

관측범위 내에서 독립된 우주를 구성한다는 주장이다. 2단계는 인플레이션 우주론과 관계가 있으며, 우리

우주와 물리법칙이 전혀 다른 새로운 우주다. 3단계는 양자역학에 나오는 다세계 해석이다. 4단계는

시뮬레이션 우주다. 단, 테그마크 교수의 분류법에 모든 학자들이 동의하는 것은 아니다.

 

2) 인플레이션 다중우주
'인플레이션 다중우주'는 '버블우주', '주머니우주', 또는 모양을 빗대어 '스위스 치즈 우주'라고도 부른다.