“우주에서 가장 큰 개념에 대한 명확하고 간결하면서도 포괄적인 탐구”

상대성 이론부터 다중우주까지
물리학자이자 퓰리처상 노미네이트 작가가 풀어낸 빅뱅 우주론의 정수

빅뱅은 우리가 살아가는 우주를 이해하는 데 가장 핵심적인 개념이다. 모든 원소의 기본 재료인 양성자？중성자？전자, 지구를 비롯한 천체와 은하 등의 기원을 따지고 들어가면 모두 빅뱅에 닿는다. 하지만 100여 년 동안 여러 학자가 빅뱅에 대해 밝혀낸 것들과 그들 간의 논쟁, 우리가 앞으로 알아내야 할 것들을 한눈에 조망하기는 쉽지 않다.
빅뱅-블랙홀 및 관련 주제를 연구해 논문 80여 편을 집필한 물리학자이자 대중 과학서 6권을 쓴 작가인 토니 로스먼은, 이를 위해 사람들이 빅뱅에 관해 자주 묻는 핵심 질문 15개를 던지고 자신만의 방식으로 답한다. “궁극적으로, 모든 과학은 질문을 하고 그 질문에 대한 답을 찾는 것”이기에 이 질문들을 살피는 일은 빅뱅의 전모를 이해하는 가장 좋은 방법이다.
저자는 “우주의 탄생과 진화에 관한 궁극의 물음 15”를 통해 단편적인 사실이나 지엽적인 논쟁에 매몰되지 않으면서 빅뱅 이론의 핵심 개념과 그 발전 과정을 큰 맥락에 따라 풀어낸다. 빅뱅에 관한 기초지식부터 최신 연구까지 모두 포괄하면서도 간결하게 쓰인 이 책을 읽으면, 빅뱅이 한눈에 보일 것이다.

‘뜨겁고 팽창하는 우주’가 거둔 대성공

이 책은 “우주의 운명을 결정하는 힘”, 중력에 관한 이야기로 시작한다. 강한핵력, 약한핵력, 전자기력 등과 더불어 자연에 존재하는 4가지 힘 중 하나인 중력은 넷 중에서 가장 약하지만, 두 핵력은 원자핵 안에서만 작용하고, 천체들은 전기적으로 중성이기 때문에 우주 전체에는 미치지 않는다. 따라서 가장 약한 중력이 우주 전체의 진화를 결정한다. 중력을 처음 제대로 설명한 이론이 아인슈타인의 일반상대성 이론이다. 일반상대성 이론에 따르면 물질은 시공간을 휘어지게 하고, 그 휘어진 정도가 중력으로 표현된다.
1929년 천문학자 에드윈 허블이 멀리 있는 은하들이 더 빠르게 멀어진다는 사실을 발견하면서 우주가 팽창하고 있다는 사실을 받아들이기 시작했다. 우주가 지금보다 작았던 과거로 계속 거슬러 올라가면 우주는 하나의 점이었을 것이고, 그 점이 빅뱅 이후 팽창하면서 지금의 우주가 됐으리라는 것이 빅뱅 이론이다.
그러나 이 이론이 즉시 학계의 주류는 되지 못했다. 우주가 언제나 지금과 비슷했고, 은하들이 서로 멀어지면 새로운 은하들이 아주 천천히 만들어져 빈 곳을 메운다는 “정상 상태 우주론”도 만만치 않았다. 이 논쟁을 끝낸 것이 1965년 우주배경복사의 발견이었다. 우주배경복사는 우주 전체에 퍼진 절대 0도보다 3도 높은 열인데, 정상 상태 우주론으로는 이 우주배경복사의 존재를 설명할 수 없었다.
우주 팽창, 우주배경복사에 이은 빅뱅 초기 이론의 세 번째 성공은 물리학자 조지 가모가 제기한 뜨거운 빅뱅 이론이다. 그에 따르면 빅뱅 직후의 우주는 매우 뜨거워서 핵융합 반응이 일어날 수 있었고, 따라서 수소가 헬륨을 비롯한 다른 가벼운 원소들로 합성됐다. 빅뱅 핵합성이라고 불리는 이 이론은 관측과 잘 맞을뿐더러 일반상대성 이론과 핵물리학을 성공적으로 결합해냈다.

빅뱅 이론의 표준 모형이 탄생하다

빅뱅 이론이 성공을 거둔 것 같았지만, 모든 것을 설명하지는 못했다. 대표적인 난제가 암흑물질과 암흑에너지였다.
암흑물질은 우리 눈에는 보이지 않지만 중력을 가지고 있으며, 우주 전체의 85퍼센트를 차지하는 것으로 추정되는 미지의 물질이다. 1930년대에 천문학자 프리츠 츠비키는 은하단(수백 개에서 수천 개의 은하가 모인 집단)에 있는 전체 은하들의 속도가 은하단 안에 있는 별의 중력으로 설명하기에는 너무 크다는 사실을 알아차리고, 그 부족한 부분을 메우기 위해 암흑물질의 존재를 제안했다. 암흑물질의 후보로는 블랙홀처럼 빛을 내지 않는 천체, 약하게 상호작용하는 무거운 입자(WIMP) 등이 거론됐다.
암흑에너지는 우주를 구성하는 에너지의 약 70퍼센트를 차지하는 에너지다. 이론상 우주에 존재하는 물질들의 중력 때문에 우주의 팽창이 갈수록 느려져야 함에도 실제로는 우주가 가속 팽창하고 있다면 “은하들을 서로 밀어내는 어떤 힘”이 존재해야 하는데, 과학자들은 여기에 암흑에너지라는 이름을 붙였다.
우주는 거의 완벽하게 균일하지만 너무 완벽하게 균일해서는 안 된다. 그러면 별과 은하들이 생겨날 수 없기 때문이다. 1992년 COBE 위성이 우주배경복사에 존재하는 아주 작은 밀도 차이를 발견한 뒤, 과학자들은 우주의 현재 나이에서 은하들이 만들어질 수 있게 해주는 재료들의 정확한 비율을 찾으려고 했다. 이 과정에서 우주상수(우주 진공의 에너지 밀도에 대한 상수)와 차가운 암흑물질을 통해 빅뱅을 설명하는 표준 모형인 ΛCDM 모형이 탄생했다.

표준 모형이 풀지 못한 문제들

이렇게 빅뱅 이론의 표준 모형이 확립됐지만, 논쟁이 모두 끝난 것은 아니다.
빅뱅 후 10-36초에서 10-32초 사이에 우주가 1027배 혹은 1028배로 급격하게 커졌다는 인플레이션 이론이 대표적이다. 인플레이션 이론은 우주가 완벽에 가깝게 평평하다는 평평성 문제, 우주배경복사의 온도가 놀라울 정도로 균일하다는 지평선 문제 등을 해결했다고 주장한다. 그러나 인플레이션 이론이 관측이나 이론적인 정당성이 없다는 주장도 만만치 않다.
우주가 팽창과 수축을 반복한다는 되튕김 우주론도 인플레이션 이론의 대안으로 연구되지만, 되튕김 우주론은 우주의 온도, 압력, 밀도, 팽창 비율이 모두 무한대가 되면서 계가 완전히 붕괴하는 순간, 일명 빅뱅 특이점이라는 문제에 부딪힌다. 우주가 10-33 센티미터로 수축하기 전에 팽창하면 빅뱅 특이점 문제를 피하면서 평평성 문제, 지평선 문제 등을 해결할 수 있다는 주장도 있지만, 이 또한 논쟁거리다.
되튕김 우주도 빅뱅 특이점을 피한다고 장담할 수 없기에 과학자들은 양자중력 이론에 매달리기 시작했다. 현대 우주 연구의 토대인 일반상대성 이론은 양자 현상을 고려하지 않은 것으로 우주 탄생 직후의 순간에는 적용할 수 없기에, 여러 물리학자가 일반상대성 이론과 양자이론의 통합을 시도했다. 그러나 미시세계를 다루는 양자 이론과 거시세계를 다루는 일반상대성 이론은 서로의 영역을 설명하는 데 한계가 있었고, 둘을 통합하는 일은 거의 한 세기에 걸친 수많은 노력에도 불구하고 실패했다.
게다가 그럴듯한 양자중력 이론을 만들었다 하더라도 검증은 거의 불가능하다. 양자중력 이론은 중력을 전달하는 중력자의 존재를 예측해야 하는데, 물질과 거의 상호작용하지 않는 중력자를 관측할 가능성은 희박하다. 이처럼 수학적인 정합성은 있지만 실험으로 검증할 수 없는 과학, “실험 너머의 과학”이 가능할까?
이런 딜레마를 잘 보여주는 것이 인류원리다. 인류원리의 약한 버전에 따르면 우리가 관측하는 우주는 생명체를 허용해야만 한다. 그렇지 않으면 관측자가 없을 것이기 때문이다. 우리는 인류원리를 통해 제한적으로나마 우주배경복사의 요동의 크기를 관측하고 우주상수를 계산할 수 있었지만, 이런 엄밀하지도 않고 관측할 수도 없는 이론에 기대는 한 “수학적 정합성과 확률과 아름다움이라는 모호한 개념에 의존할 수밖에 없게 될 수 있다.”
그래서 이런 이론들은 관측할 수 있는 것으로 전환되어야 한다. 우리가 앞으로도 알아내야 할 것들이 많이 남아 있다는 뜻이다.
우주론의 탄생과 발전을 이끈 궁극의 질문들

모든 과학이 그렇듯 우주의 탄생과 진화를 설명하는 학문인 우주론도 무수한 질문과 함께했다. “우주가 어떻게 시작되었을까?”라는 질문에서 우주론이 시작됐고, “우주의 팽창이 갈수록 느려져야 하는데 왜 우주가 가속 팽창할까?”라는 질문은 암흑에너지라는 개념을 낳았다. 이처럼 우주론은 질문에 대한 대답을 찾고, 거기서 파생된 또 다른 질문들에 응답하는 과정에서 생기고 발전했다.
이 책에 담긴 15개의 질문은 그중에서도 우주의 탄생과 진화를 이해하는 데 가장 핵심적인 질문들이다. “어떤 것이 상대적이고, 어떤 것이 상대적이지 않은가?”로 시작해서 “왜 아무것도 없지 않고 뭔가가 있을까?”로 끝나는 이 질문들과 함께라면 우주의 가장 깊은 비밀에 닿을 수 있을 것이다.

역자 서문―신화에서 과학으로, 우주론이 알아낸 것과 알아내야 할 것
들어가며―왜 아무것도 없지 않고 뭔가가 있을까?

1 중력, 호박, 그리고 우주론
2 특수상대성 이론
3 일반상대성 이론, 우주론의 기반
4 팽창하는 우주
5 우주론의 로제타석: 우주배경복사
6 태초의 가마솥
7 암흑 우주
8 더 어두운 우주
9 은하들은 존재하고 우리도 존재한다
10 우주의 파이프오르간
11 태초의 눈 깜짝할 사이: 우주의 인플레이션
12 인플레이션, 할 것인가 말 것인가
13 뭉침과 되튕김
14 왜 양자중력 이론인가?
15 다중우주와 메타 물리학

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