빅뱅 폭발 이전에 우주가 겪은 사건들 (빅뱅 이전의 우주, 무한한 빅뱅)

일반적으로 빅뱅은 모든 것의 시작으로 여겨집니다. 오늘날 관측 가능한 우주는 약 138억 년 전, 폭발적으로 팽창하며 존재하게 되었습니다. 우리는 빅뱅 이전의 우주에 대해서는 잘 알지 못하지만, 확실한 건 각각의 방식으로 많은 일이 있었으리라는 것입니다. 이러한 질문을 풀어내기 위해 우리는 가장 먼저 빅뱅이 실제로 무엇인지 이해해야 합니다. 캘리포니아 공과대학 이론물리학자이자 '빅 픽쳐'의 저자인 숀 캐럴은 "빅뱅은 공간의 한 점이 아니라 시간의 한순간"이라고 말했습니다. 캐럴은 "오늘날 우리가 볼 수 없는 것들은 시간을 거슬러도 볼 수 있는 방법이 없기 때문에 빅뱅 당시 우주는 아주 작았거나 무한히 컸을 가능성이 있다"라고 주장했습니다. 우리가 실제로 아는 것은 그것의 밀도가 굉장히 높았으며 매우 빨리 밀도가 낮아졌다는 것입니다.

 

캐럴은 "정의에 따르면 우주는 모든 것이기 때문에 결과적으로 우주 밖에는 실제로 아무것도 없다"라고 말했습니다. 빅뱅에서는 모든 것이 지금보다 더 조밀하고 뜨거웠지만, 빅뱅의 외부는 그 이상 없었습니다. 캐럴은 "빅뱅이 있기 직전, 신과 같은 관점에서 쪼그라든 아기 우주를 볼 수 있다고 상상하는 것은 유혹적이지만, 그것은 불가능할 것"이라며 "우주는 우주로 확장되지 않았으며 공간 자체가 확장됐다"라고 덧붙였습니다. 이어 그는 "당신이 우주 어디에 있든 140억 년 전으로 거슬러 올라가면 극도로 뜨겁고 밀도가 높으며 빠르게 팽창하는 지점에 이르게 된다"라고 이야기했습니다. 양성자와 중성자가 충돌해 서로 붙을 수 있을 만큼 우주가 냉각된 빅뱅 이후 1초가 되기 전까지 우주에서 무슨 일이 일어났을지 아는 사람은 아무도 없습니다. 많은 과학자들은 우주가 처음 1초 동안 인플레이션이라는 기하급수적 팽창 과정을 거쳤다고 생각합니다. 이는 시공간 구조를 매끄럽게 만들었을 것이며, 오늘날 우주에 물질이 왜 그렇게 고르게 분포되어 있는지 설명할 수 있을 것입니다.

 

캐럴은 "빅뱅이 일어날 때까지 우주는 무한한 뻗기였을 가능성이 있다"라고 추정했습니다. 캐럴은 "이것은 어떠한 이유로 정상 상태를 유지하는 초고온의 밀도가 높은 물질로 이루어졌을 것"이라며, "이 초밀도 우주는 극도로 작은 규모의 물리학인 양자역학에 의해 지배되었을 수도 있다"라고 설명했습니다. 캐럴의 설명에 따르면 빅뱅은 고전 물리학이 우주 진화의 주요 원동력이 된 순간을 대표했을 것입니다. 스티븐 호킹에게는 이 순간이 가장 중요했습니다. "빅뱅 이전에는 사건을 측정할 수도 정의할 수도 없다"라고 말했던 호킹은 이것을 경계 없는 제안이라고 불렀습니다. 시간과 공간은 유한하지만 경계나 시작점, 끝점이 없으며, 이것은 마치 지구가 유한하지만 가장자리가 없는 것과 같습니다. 과거 호킹은 "빅뱅 이전의 사건은 관측 결과가 없기 때문에 이론에서 제외하고 시간은 빅뱅에서 시작되었다고 말하는 것이 좋을 것"이라고 발언했습니다.

 

또 다른 과학자들은 "빅뱅 이전에 생각해 볼 만한 다른 일이 있었을 수도 있다"라고 주장, 이 중 한 가지는 빅뱅이 시간의 시작이 아니라 오히려 대칭의 순간이었다는 가설입니다. 이 가설에 따르면 빅뱅 이전에는 이 우주와 동일하지만 미래가 아닌, 과거를 향해 엔트로피가 증가하는 또 다른 우주가 있었습니다. 엔트로피, 즉 시스템의 무질서는 본질적으로 시간의 화살입니다. 이 거울 우주에서 시간은 현대 우주의 시간과 반대 방향으로 흐릅니다. 이때 우리 우주는 과거에 있을 것입니다. 아울러 이 이론의 지지자들은 "우주의 다른 속성들이 이 거울 우주에서 뒤집힐 것"이라고 주장합니다. 물리학자 데이빗 슬로안은 과학 학술지를 통해 "분자와 이온의 비대칭성, 즉 키랄성은 우리 우주에 있는 것과 반대 방향에 있을 것"이라는 주장을 펼쳤습니다.

 

과학자들은 "빅뱅은 모든 것의 시작이 아니라 우주가 수축기에서 팽창기로 전환되는 순간"이라며 관련 이론을 제시했습니다. '빅 바운스'라고 일컫는 이 개념은 우주가 팽창하고 수축하고 다시 팽창함에 따라 무한한 빅뱅이 존재할 수 있음을 시사합니다. 캐럴은 "이러한 아이디어의 문제점은 팽창하는 우주가 수축하여 낮은 엔트로피 상태로 돌아가는 이유와 방법에 대한 설명이 없다는 것"이라고 지적했습니다. 캐럴과 그의 동료 제니퍼 첸은 빅뱅 이전의 시점을 가졌습니다. 2004년 물리학자들은 "우리가 알고 있는 우주는 약간의 시공간이 떨어져 나온 모우주의 자손일 것"이라고 주장했습니다. 캐럴은 "이는 방사성 핵이 붕괴하는 것과 같다. 핵이 붕괴하면 알파 또는 베타 입자를 뱉어낸다"라고 말했습니다. 부모 우주 역시 같은 일을 할 수 있지만, 입자 대신 아기 우주를 무한히 뱉어낸다는 점만 다릅니다. 캐럴은 "그것은 단지 양자 변동일 뿐"이라며 "이러한 아기 우주는 문자 그대로 평행 우주이며 서로 상호 작용하거나 영향을 미치지 않는다"라고 부연했습니다.

 

이 모든 것이 다소 이상하게 들린다면 그것은 사실일 것입니다. 과학자들은 아직 빅뱅의 순간은 물론 그 이전의 순간까지 되돌아볼 방법이 없기 때문입니다. 하지만 캐럴은 "탐구할 여지가 있다"라고 강조했습니다. 지난 2015년 강력한 은하 충돌로 인한 중력파가 감지되면서 결정적인 순간 파동이 우주 팽창에 대한 근본적인 미스터리를 해결하는 데 사용될 수 있는 가능성이 열렸습니다. 캐럴은 "이론 물리학자들은 양자 중력과 같은 양자 힘이 어떻게 작용하는지에 대해 보다 정확한 예측을 하는 등 해야 할 일이 많다"라면서 "이론이 나올 때까지는 우리가 무엇을 찾고 있는지조차 모른다"라고 덧붙였습니다.