빅뱅과 수축에서 비롯된 우주의 시작은 모두 거짓일 수 있다

최근 과학자들은 빅뱅과 수축을 거론하면서 "우주에는 시작이 없었을 수도 있다"라는 주장을 내놨습니다. 이러한 새 이론이 사실로 밝혀진다면 우주는 굉장한 시작을 하지 않았을 수도 있습니다. 새로운 공식에 따르면 우주는 결코 특이점이나 무한히 작고 밀도가 높은 물질의 지점이 아니며, 심지어는 시작이 전혀 없을 수도 있습니다. 캐나다 앨버타에 있는 레스브리지 대학의 이론 물리학자인 연구 공동저자 사우리아 다스는 "우리의 이론은 우주의 나이가 무한할 수 있다고 제안한다"라며 입을 열었습니다. 다스는 "새로 제기된 개념은 우주의 물질 대부분을 구성하는 불가사의하고 보이지 않는 물질인 암흑 물질이 실제로 무엇으로 구성되어 있는지 설명할 수 있다"라고 말했습니다.

 

불타오르는 빅뱅

빅뱅 이론에 따르면 우주는 약 138억 년 전 탄생했습니다. 오늘날 존재하는 모든 물질은 한때 특이점이라고 불리는 무한히 조밀하고, 무한히 작은 초고온 점으로 뭉쳐졌으며, 이 작은 불덩이가 폭발하면서 초기 우주를 탄생시켰습니다. 특이점은 질량이 시공간을 휘게 하는 방법을 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론 수학과 시간이 지남에 따라 무언가의 궤적이 수렴할지 발산할지 예측하는 또 다른 방정식에서 비롯됩니다. 이 방정식에 따르면 시간을 거슬러 올라갈 때 우주의 모든 물질은 한때 한 지점, 즉 빅뱅 특이점에 있었습니다. 그러나 그것은 사실이 아닙니다. 아인슈타인의 공식은 "특이점에 도달하기 전에 물리학 법칙이 실제로 깨진다"라고 말합니다.

 

몬트리올 맥길 대학교의 이론 우주론자 로버트 브랜든버거는 "과학자들은 마치 물리학 방정식이 여전히 유효한 것처럼 거꾸로 추정한다"라고 말을 얹었습니다. 브랜든버거는 "그래서 우주가 빅뱅으로 시작한다고 말할 때 우리는 그렇게 말할 권리가 없다"라고 단언했습니다. 물리학에는 또 다른 문제도 발생, 가장 지배적인 두 이론인 양자 역학과 일반 상대성이론이 조화될 수 없다는 것입니다. 작은 아원자 입자의 거동이 근본적으로 불확실하다고 말하는 양자 역학은 결정론적인 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 상충합니다. 다스는 "일단 모든 자연법칙이 알려지면 미래는 과거에 의해 완전히 미리 결정된다는 의미"라고 봤습니다. 이 두 이론은 모두 암흑 물질이 무엇으로 구성되어 있는지 설명하지 않습니다. 암흑 물질은 일반 물질에 중력을 가해도 대부분의 망원경으로는 감지할 수 없는, 보이지 않는 형태의 물질입니다.

 

양자 보정

다스와 그의 동료들은 이러한 문제 중 적어도 일부를 해결할 수 있는 방법을 탐색했습니다. 이를 위해 그들은 보미안 역학이라 불리는 양자 역학을 시각화하는 오래된 방법을 살펴봤습니다. 이 안에는 숨겨진 변수가 아원자 입자의 기이한 행동을 지배하고, 다른 양자역학 공식과 달리 입자의 궤적을 계산하는 방법을 제공합니다. 연구자들은 이러한 구식 양자 이론을 이용해 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 포함될 수 있는 작은 수정항을 계산했습니다. 그런 다음 그들은 이 시간에 무슨 일이 일어날지 알아냈습니다. 결과적으로 새로운 공식에서는 특이점이 없었고, 우주는 무한히 오래된 것으로 나타났습니다. 다스는 "방정식에서 양자 보정 항을 해석하는 한 가지 방법은 암흑 물질의 밀도와 관련이 있다는 것"이라고 짚었습니다. 이어 그는 "만약 그렇다면 우주는 중력자로 알려진 중력을 운반하는 입자 또는 액시온으로 알려진 초저온 유령 입자와 같은 가상의 입자로 만들어진 초유체로 채워질 수 있다"라고 설명했습니다.

 

이론을 테스트하는 한 가지 방법은 암흑 물질이 우주에 어떻게 분포되어 있는지 살펴보고 그것이 제안된 초유체의 특성과 일치하는지 확인하는 것이었습니다. 다스는 "우리의 연구 결과가 대략적으로 일치한다면 매우 좋다"라고 전했습니다. 그러나 새로운 방정식은 양자 역학과 일반 상대성 이론을 조화시키는 한 가지 방법에 불과합니다. 끈 가스 우주론이라 알려진 끈 이론의 일부는 우주가 한때 오랫동안 지속되는 정지 상태를 가졌다고 예측하는 반면, 다른 이론에서는 한때 우주가 아주 작은 크기에 도달할 때까지 수축했던 우주 반동이 있었다고 주장합니다. 어느 쪽이든, 우주는 한때 매우 작고 뜨거웠습니다. 브랜든버거는 "아주 초기에 뜨거운 불덩이가 있다는 사실이 확인됐으며, 특이점까지 되돌아가려고 하면 그때부터 문제가 발생한다. 규모가 커지기 시작했다"라고 덧붙였습니다.