지식보관소_ 우주배경 복사에 의하면 다중우주가 존재한다. 인플레이션 우주

 

 

1900년대의 물리학자들은

우주에 존재하는 모든 별빛들을 제거해도

우주 공간 전체가 균일한 빛으로 이루어져 있다는 걸 발견하게 되는데요.

뭐 당연히 빅뱅으로 우주가 탄생했다면

그 잔광으로 우주가 가득 차 있는 게 맞고

수많은 별빛들에 의해서

우주공간 전체가 빛으로 가득 차 있는 게 이상하지 않다고 느낄 수도 있겠지만

문제는 우주 공간에서 광자들이

너무나도 균일하게 퍼져 있었다는 것이었습니다.

 

 

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유니버스, 즉 우주라는 말은 무슨 뜻일까요?

과거에는 우주라고 하면

‘이 세상에 존재하는 모든 물질들이 존재하는 공간’이라는 의미를 가졌지만

현대의 우주는 그 개념이 전혀 다르게 변경되었습니다.

 

지금은 뭐 다중우주니, 평행우주니, 아니면 또 우주 밖에 있는 우주니

아니면 또 예쁜 우주소녀니 뭐 이런...

 

사실상 우리가 과거에 우주라고 사용하던 단어의 개념은

이제는 옵저버블 유니버스

즉 관측가능한 우주라는 단어로 바뀌어야 하는데요.

(Observable Universe-

상대성이론에 의해 빛보다 빠른 것은 없기 때문에

우주가 생겨난 이후

빛의 속도로 우리가 있는 곳까지 도달할 수 있는 범위)

 

이쯤 되면은

“아니 그러면

다중우주가 실제로 존재하는지부터 짚고 넘어가야 되는 거 아니야?” 라고

생각할지 모르겠지만

사실 현재로서는 다중우주가 존재하는지 여부를

정확하게 알 수 있는 방법이 없다는, 사소한 문제가 있으니까

이 부분은 가볍게 넘어가도록 하겠습니다.

 

하지만 진짜 신기한 건

최신 물리학을 발전시켜온 상대성이론이나 양자역학, 혹은 끈이론 같은 이론들이

모두 다 하나같이

다양한 다중우주를 예견하고 있다는 사실인데요.

 

심지어 양자역학의 파동함수는 매우 정확하지만

앞으로 일어날 모든 일들이

그저 확률로만 존재한다는 한계를 가지고 있는데

이 현상을 해석하는 가장 소름 돋는 해석은

확률로 존재하는 모든 사건이

동시에 일어나지 말라는 법이 없다는 것입니다.

 

한마디로 확률로 존재하는 모든 경우의 수가 동시에 발생한다는 것인데

이걸 ‘Many Worlds Interpretation’

즉 다중세계 해석이라고 부르고

이 해석 자체가 다중우주가 존재한다는 전제를 가지고

시작한다는 것입니다.

 

그래도 제가 여기까지만 얘기했을 때는

여러분들은 어차피 이 모든 내용들이

초등학생 꼬마아이가 상상 속에서 하는 재미난 이야기 정도의 상상으로

받아들일 수도 있을 텐데요.

 

정말로 소름 돋는 얘기를 하자면

현대의 다중우주 이론은

그냥 재미있는 상상, 그 이상이라는 것입니다.

 

왜냐하면 다중우주라고 해서

단순히 우주가 여러 개 있다는 내용에서 그치는 게 아니라

정말 다양한 형태의 다중우주를

이론적으로 예측하고 있기 때문인데요.

 

그리고 현대의 물리학으로 그 다중우주들의 모양과

이론적으로 불가능한 다중우주 이론들은 폐지가 되면서

가장 그럴듯한 다중우주의 형태들만 남고 있다는 점에서

사실상 다중우주이론은

이론 물리학의 영역으로 진입한 상황입니다.

 

1900년대의 물리학자들은

우주에 존재하는 모든 별빛들을 제거해도

우주 공간 전체가 균일한 빛으로 이루어져 있다는 걸 발견하게 되는데요.

 

당연히 빅뱅으로 우주가 탄생했다면

그 잔광으로 우주가 가득 차 있는 게 맞고

수많은 별빛들에 의해서

우주공간 전체가 빛으로 가득 차 있는 게

이상하지 않다고 느낄 수도 있겠지만

문제는 우주공간에서 광자들이

너무나도 균일하게 퍼져 있었다는 것이었습니다.

 

이렇게 얘기해도 이게 별로 안 이상하게 느껴지는 분들도 있을 텐데

사실 이건 엄청나게 이상한 일입니다.

왜냐하면 물리학에서 에너지가 전도되는 현상을 깊게 생각해 보면 되는데요.

산소 미포함이라는 게임을 해보면

2개의 타일을 건설해 놨을 때

2개 타일의 온도가 서로 다르면

서서히 두 타일의 중간 온도로 맞춰져 가는 걸 볼 수가 있습니다.

이것을 우리는 열전도라고 부르고

이 열전도는

사실 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질에 의해서 생깁니다.

 

사실 물도 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르고

전기도 고압에서 저압으로 흐르고

공기도 고기압에서 저기압으로 이동하는 등

에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르면서

결국 높낮이가 없는 평평한 상태로 계속 이동하려는 특성을 지닙니다.

 

따라서 만약 산소미포함이라는 게임을

무한히 긴 시간 동안 플레이를 한다면

결국 게임에 있는 모든 타일들은 동일한 온도로 변하게 되어서

플레이어가 아무것도 하지 않는다면

게임은 더 이상 아무런 연산이 필요 없는

에너지 평형 상태에 도달하게 된다는 건데요.

 

이렇게 결국 열평형이 되는 방향으로 에너지가 흐르는 것

이것을 열역학 제2법칙, 엔트로피 증가법칙이라고 부릅니다.

 

근데 하지만 소름 돋는 문제는

우주가 끝에서 끝까지 완전한 열평형이 될 정도로

시간이 흐르지도 않았음은 물론이고

끝에서 끝까지 열전도가 되기에도 시간이 매우 부족했기 때문인데요.

 

물론 이해하기 쉽게 열에너지로 설명했지만

실제로는 우주배경복사라는 전자기파 에너지지만

어차피 내용은 동일합니다.

 

아무튼 그럼에도 불구하고 우주는

끝에서 끝까지 동일한 에너지로 전도된 것과 같은

우주배경복사를 방출하고 있었으며

심지어 이게 대충 비슷한 정도가 아니라

퍼센트로 따지자면

소수점 셋째 자리까지 동일할 정도로

에너지의 상태가 매우 동일한 상태였다는 것이죠.

 

이게 얼마나 말이 안 되는 얘기냐 하면

예를 들어서

북극성 방향으로 우주 끝까지 존재하는 별의 개수가

10^16개라면

남극성 방향으로 우wn 끝까지 존재하는 별의 개수도

마찬가지로 10^16개라는 얘기고

이 수량의 오차가 0.001% 미만이라는 겁니다.

 

우리가 일상생활에서 이 정도로 말도 안 되는 균일성을 접하는 건 매우 힘든데요.

이는 마치 지구 북반구에 사는 인구가 40억 명이면

남반구에 사는 인구 역시 40억 명이고

그 오차가 수백 수천 명 정도밖에 안 될 정도로

엄청난 균일성을 가지고 있다는 얘기입니다.

 

지금까지 온라인이나 책에서

이런 우주배경복사의 균일성이 얼마나 이상한 것인지에 대해서

제대로 설명한 내용이 없다 보니

유난히 길게 설명하게 되었는데요.

 

아무튼 물리학자들은 이러한 문제를

[지평선 문제]라고 불렀고

이런 우주배경복사가 밝혀진 이후

이 [지평선 문제]는 엄청난 수수께끼 중 하나였습니다.

 

그러다가 1979년 드디어

이 우주배경복사의 수수께끼를 풀게 해줄

엄청난 아이디어가 등장하는데요.

우주가 빅뱅 초기에 한동안 끝에서 끝까지 에너지를 교환하고

모두 에너지가 평행한 상황에서

갑자기 빛보다도 빠른 엄청난 속도로

우주가 팽창했다는 우주론이 제시가 된 겁니다.

 

이게 바로 여러분들도 잘 알고 있는 [인플레이션 우주론]인데요.

이렇게 해석하면

에너지가 평형을 이룬 이후에

빛의 속도보다 빠르게 우주가 팽창했기 때문에

에너지 교환이 일어나지 않고

우주가 전체적으로 균일한 상태로 이루어졌다는 것이고

이게 바로 지평선문제를 해결한

인플레이션 이론의 핵심입니다.

 

그런데 이제 진짜로 소름 돋는 얘기를 시작하자면

이번 영상의 주제가 다중우주라는 걸 기억하고 계실 텐데요.

문제는 이 인플레이션 우주론에 의하면

결국 우주는 수많은 다중우주로 이뤄져 있다는 결론에 도달하게 됩니다.

 

일단 우주라고 하는 것 자체가

옵저버블 유니버스

즉 관측가능한우주라는 것을 생각해 볼 때

빛보다 빠르게 우주가 팽창했다는 건

혹은 아직도 빛보다 빠르게 팽창하고 있다는 것은

영원히 관측이 불가능한 우주가 존재할 수밖에 없다는 의미인데요.

 

상대성이론에 의하면

빛보다 빠른 건 존재할 수가 없기 때문입니다.

결국 이렇게 되면

인류의 과학기술이 아무리 발전하건 그것과 무관하게

우리가 관측할 수 있는 범위는 한정적이고

그 범위 밖의 우주는 영원히 관측할 수가 없다고 할 수가 있습니다.

 

결국 여기 보이는 이 원의 크기가

우리가 관측가능한 우주라고 한다면

실제로는 관측이 불가능한 범위까지 포함한 우주는

이렇게 관측가능한 범위의 우주를

여러 개 포함한 우주로 되어 있다고 볼 수도 있는 겁니다.

 

그리고 실제로 우주배경복사가

우주의 에너지가 굉장히 평형한 상태로 되어 있고

그 이유가

우주가 빛보다 훨씬 빠른 속도로 팽창해야지만 가능하다고 생각할 수 있는 만큼

이런 관점으로 봤을 때

실제로 우주는 다중우주로 이루어진 게 맞다고 볼 수도 있는 것이죠.

 

이거 정말 소름 돋지 않나요?

우주가 정말로 다중우주로 이루어졌다니.

 

근데 더 소름 돋는 건 다중우주 이론은

인플레이션 우주에서 그치지 않는다는 겁니다.

 

실제 현재까지 이론적으로 가능한 다중우주는

굉장히 많이 있는데요.

예를 들어서

도플갱어 다중우주, 양자 다중우주, 홀로그램 다중우주

시뮬레이션 우주, 에미론 그러니까 브레인 다중우주

랜드스케이프 다중우주 등

이렇게 엄청나게 다양한데요.

 

이 다중 우주들에 대한 이야기는

다음번에 이어서 하겠습니다.

그럼 이만.