우주는 단순한 1차원 선으로 시작되었는가

최근 고에너지 물리학의 복잡한 세계에서는 신선하고 단순한 새 아이디어가 제안됐습니다. 그것은 초기 우주가 1차원 선이었다는 주장입니다. 이것을 주장하는 사람들은 "초기 우주는 폭발하는 구체도 아니고, 혼란스러운 불덩어리도 아니었다. 단지 순수한 에너지의 단순한 선일 뿐"이라고 말합니다. 시간이 지남에 따라 그 선은 점점 더 십자형으로 교차를 거듭해 점차 촘촘하게 짜인 직물을 형성, 먼 거리에서는 2차원 평면처럼 보였습니다. 시간이 더 흐른 뒤 2차원 세계는 확장되고 뒤틀려 오늘날 우리가 보는 3차원 세계와 같은 거미줄이 탄생했습니다. 이 개념은 시간을 거슬러 올라갈수록 어떤 일이 일어나는지 설명하기 위해 소실 차원이라 불립니다. 고에너지 물리학 커뮤니티 내에서는 이 개념을 특별히 주목하고 있습니다. 만일 이 개념이 맞다면, 그것은 양자 역학과 매우 작은 상대성 이론의 물리학, 그리고 시공간 물리학 사이의 격차를 해소할 것입니다.

 

또한 이것은 힉스 보손이라 불리는 기본 가상 입자의 특성을 이해하는 데 도움이 되며, 무엇보다도 우아하고 단순하게 작업을 수행할 수 있습니다. 버팔로 대학에서 소실 차원을 연구하는 물리학자 데얀 스토코비치는 "지난 30년 동안 물리학자들은 더 많은 입자와 더 많은 차원을 도입해 이론을 더욱 복잡하게 만들었다"라고 지적했습니다. 스토코비치는 "우리는 다른 방향으로 나아가 고에너지 영역에서 이론을 덜 복잡하게 만들기로 결정했다. 고에너지, 즉 초기 우주에서는 입자 물리학의 표준 모델이 공식화되는 배경을 바꾸고 있다. 1-D에서는 문제가 크게 단순화된다"라고 전했습니다. 해당 이론에 따르면 빅뱅 직후 처음으로 평균 온도 100테라전자볼트로 냉각되는 순간까지의 1,000조 분의 1초 동안, 우주는 1차원의 선이었습니다.

 

선 위의 삶

스토코비치는 "1-D에는 새로운 통합 감각이 있다"라며 입을 열었습니다. 이어 그는 "지금은 3차원이기 때문에 다양한 세계가 보이지만, 1차원으로 내려오면 훨씬 단순해진다. 모든 입자를 구별하는 성질은 더 이상 존재하지 않으므로 모두 비슷해질 것"이라 설명했습니다. 스토코비치는 "회전은 없다. 그저 앞뒤로 움직이고 에너지가 어느 방향으로든 움직이는 것뿐"이라 부연했습니다. 시간이 지남에 따라 1차원 끈 우주는 진화하고, 직물을 만들기 위해 여러 번 교차합니다. 마치 종이를 접어서 팝업북을 만드는 것과 같은 방식으로 2차원이 만들어지고 나중에는 3차원이 만들어집니다. 그러나 이 이론을 주장하는 사람들은 시간이 지남에 따라 우주가 진화하는 메커니즘에 대해서는 아직 밝혀내지 못했습니다. 스토코비치는 "우리는 서로 다른 에너지로부터 진화가 일어나게 된 원인을 설명해야 한다"라고 말했습니다. 스토코비치는 "끈으로 시작하여 오늘날 우리가 보는 시공간을 만들기 위해서는 시간이 지남에 따라 더 높은 차원을 만드는 정확한 모델이 필요하다. 골격 형태에서 사라지는 차원은 이론이라기보다는 틀"이라고 주장했습니다. 그러면서 "프레임워크로서 아름답지만, 세부적인 부분을 해결해야 한다"라고 강조했습니다.

 

실험 돌입

우주의 구조를 설명하는 아름다운 개념인 끈 이론과 달리 비슷한 소멸 차원 체계는 실험을 통해 검증될 수 있습니다. 스토코비치와 로스앤젤레스 로욜라 메리마운트 대학의 물리학자인 조나스 무레이카는 공동 논문을 발표했습니다. 권위 있는 과학 학술지에 실린 주제에 대한 기사를 검토한 두 사람은 그 안에서 실험을 계획했습니다. 이 실험은 초기 우주가 실제로 1차원인지 테스트하기 위해 고안됐습니다. 실험에는 거대한 물체에서 방출돼 시공간을 여행하는 중력파의 희미한 진동이 포함됩니다. 중력파는 지금까지 감지된 적이 없지만, 입자 물리학의 표준 모델에 의해 그 존재를 예측할 수 있습니다. 물리학자들은 우주 위성 네트워크를 사용해 향후 10년 이내에 중력파를 관찰할 수 있기를 희망하고 있습니다.

 

주장이 확실하다면

중력파는 이를 생성한 물체의 에너지 특성을 전달합니다. 스토코비치의 주장이 옳다면 우주가 3차원이 되기 이전에는 중력파가 존재해서는 안 됩니다. 스토코비치는 "중력파는 3차원 이하로 이동하지 않는다. 2차원으로 내려가면 중력파는 존재하지 않으며, 1차원에도 존재하지 않는다"라고 설명했습니다. 이들의 제안이 맞다면, 우주 에너지가 1 TeV로 냉각되었을 때 2차원에서 3차원으로의 교차가 일어났을 것입니다. 이것은 빅뱅 이후 1조분의 1초에 일어난 일입니다. 스토코비치는 "초기 우주가 1 TeV 뜨거웠을 때에는 2차원에서 3차원으로 전환되었고, 그 시점에서 중력파는 교차 이전이 아닌 교차 이후에만 생성되기 시작했다"라고 전했습니다. 1 TeV보다 큰 관련 에너지를 갖는 중력파가 없으면 이 이론에 가중치가 부여됩니다.

 

비판의 등장

이들 연구팀은 미래의 위성이 중력파의 주파수 및 해당 에너지를 측정할 때 주파수 차단이 나타나기를 바라고 있습니다. 연구진들은 "2차원에서 3차원으로의 전환에 따라 중력파를 측정할 수 없는 주파수의 차단이 있을 것"이라고 예상했습니다. 도구가 이들이 예측한 컷오프를 식별한다면 소멸 차원은 크게 향상됩니다. 다만 일부 물리학자들은 "중력파는 특정 주파수 이상에서 차단된다"라며 실험의 전제에 반대합니다. 케임브리지 대학의 고에너지 물리학자 토마스 소티류와 이탈리아 SISSA 연구소의 실케 웨인퍼트너는 "모든 주파수에 중력 복사가 있다"라고 지적했습니다. 두 사람은 "스토코비치와 무레이카가 제안한 것처럼 특정 주파수 이상의 방사선이 일반적으로 없는 것은 아니다"라고 반박했습니다. 소티류와 웨인퍼트너는 또한 우주의 진화와 차원의 출현을 설명하는 기본 메커니즘이 부족하다는 점에 반대를 표했습니다. 해당 이론이 모호하다고 판단한 이들은 "이 연구에 참여한 사람들은 높은 에너지와 중력의 맥락에서 차원이 사라지는 것을 언급하지만, 실제로 이것이 달성되는 메커니즘에 대해서는 구체적으로 언급하지 않는다"라고 짚었습니다. 이어 "그것이 무엇을 의미하는지 정확히 밝힌다면 차원 소멸이라는 개념은 매우 흥미롭고 잠재적으로 유익할 수 있다"라면서도 "그러나 차원이 어떻게 사라지는지에 대한 구체적이고 수학적으로 잘 정의된 모델이 없다면 많은 것을 말할 수 없다"라고 덧붙였습니다.

 

단서를 찾아라

개념이 모호하더라도 차원이 사라지고 있다는 증거는 이미 하나 정도 존재할 수 있습니다. 스토코비치는 "우주선이 대기의 입자와 충돌하면 다른 입자가 쏟아져 나온다. 그 샤워기는 원뿔처럼 보이는데, 상상할 수 있듯이 원뿔의 단면은 원처럼 보인다"라고 말했습니다. 스토코비치는 "대신 가장 높은 에너지의 우주선 충돌은 평면일 것"이라며 "즉, 3차원이 아닌 2차원에서 발생한다는 의미"라고 첨언했습니다. 이들의 이론에 따르면 초기 우주만큼 에너지가 넘치는 입자 충돌로 인해 차원은 사라지는 것처럼 보일 것입니다. 이와 관련해 스토코비치는 "우주선은 입자에 부딪힌 원을 그리며 이동하는 입자의 소나기를 생성한다. 대기권 매우 높은 곳에 있는 탐지기가 볼 때 원의 한 조각은 선처럼 보인다"라고 설명을 더했습니다. 대형 강입자 충돌기(LHC)에서의 실험은 동일한 2D 영역을 볼 수 있을 만큼 충분히 높은 에너지를 조사할 수 있어야 합니다. 스토코비치는 "LHC는 동일한 정렬을 확인해야 하며, 입자 이벤트는 평면에 정렬되어야 한다. 그렇게 되면 새로운 소멸 차원 체계가 더 많은 관심을 받게 될 것이며, 초기 우주의 아름답고 단순한 그림이 더 큰 초점을 받게 될 것"이라 전했습니다.