빅뱅이 일어난 이유

 

01. 우주는 어떻게 만들어졌을까?

 

오늘날, 우리들은 '빅뱅(대폭발)'으로부터 우주가 탄생했다고 알고 있습니다. 137억 년 전 무한히 작은 한 점에 물질들이 모여 무한한 밀도와 온도를 나타내게 되었는데, 이 점을 특이점(singularity)이라고 정의합니다. 이러한 특이점에서 빅뱅(대폭발)을 거쳐 지금의 우주가 팽창했다는 것이 빅뱅 우주론입니다. 우주론자들은 빅뱅이 시작된 시점을 '태초'라고 부르는데, 이러한 빅뱅이론은 태초 이후 지금까지 우주가 어떻게 형성되어 왔는지, 앞으로 어떻게 변화될지에 대해 예측해줍니다. 그러나, 빅뱅 우주론은 빅뱅 이전에 대한 설명은 해주고 있지 못하는데요, 그 이유는 무엇일까요?

 

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02. 특이점 문제를 해결하기 위한 과학자들의 노력

 

이 특이점은 현재 우주를 지배하는 물리학 법칙에 전혀 맞지 않아 특이점이라고 불립니다. 우주론자들은 이러한 특이점의 의문을 설명할 수가 없어 이를 제거하는 쪽으로 노력해왔습니다. 이 문제가 해결되지 않는 이상 우주를 논하기에는 힘들다는 것이 우주론자들의 생각이었던 것이죠. 이러한 문제를 해결하기 위해 물리학자들은 호킹-허틀 모델, 루프 양자 중력 이론 등 다양한 시도를 해왔습니다.

 

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03. '무경계 우주론'을 통한 우주의 해석

 

물리학자들의 다양한 시도에도 불구하고 빅뱅 이전의 우주에 대해선 현재 알 수 없다는 것이 결론입니다. 그 이유를 스티븐 호킹이 1983년 제임스 하틀과 함께 '무경계 우주론'을 통해 놀라운 해석을 내놓았습니다. 호킹은 빅뱅이 일어나기 10분 전의 시간을 묻는다는 것은 지구의 북극에서 북쪽으로 1km간 지점이 어디냐고 묻는 것과 같다고 말했습니다. 즉, 지구의 북극에 도달하면 더 이상 북쪽으로 갈 수 없게 되는 끝 지점이라는 것인데요, 빅뱅이란 마찬가지로 공간의 시작일 뿐만 아니라 시간의 시작이기도 하기에 태초에 도달하게 되면 태초 이전의 시간은 존재하지 않으며 미래만 존재할 뿐이라는 훌륭한 설명을 합니다.

 

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04. 우주 탄생 시 4가지 힘이 통합된 시간, 플랑크 시간

 

빅뱅에 의해 우주가 탄생하고 나서부터 10-43초가 되는 순간 이 시기를 물리학자 막스 플랑크의 이름을 따 플랑크 시간이라고 부릅니다. 이 시간에는 전자기력, 강력, 약력, 중력이 하나의 힘으로 합쳐지는 말도 안 되는 일이 있었는데, 이를 가능하게 한 것이 바로 빅뱅이었죠. 빅뱅에 의해 우주는 순식간에 팽창되며 플랑크 시간 이후, 4가지 힘 중 중력이 홀로 분리되고 말았습니다. 이 중력이 분리되는 시점부터 우리 우주는 상대성 이론의 적용을 받기 시작했습니다. 전자기력, 강력, 약력, 중력이 하나의 힘으로 합쳐진 플랑크 시간에는 상대성 이론에 위배되는 시간이었던 것이죠. 그렇다면 이러한 해답을 얻기 위해 네 가지의 힘을 하나로 통합시키는 일이 필요했는데, 아인슈타인은 이 일에 생애 마지막 30년을 올인합니다. 결국 그 뜻을 이루지 못하고 숨을 거두게 되었지만 학자들의 그의 의지를 이으려 노력해왔습니다.

 

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05. 우주를 설명할 마지막 이론

 

이 네 가지의 힘이 합쳐졌던 일을 설명하기 위해 나왔던 이론은 초끈 이론(Super String theory)입니다. 이 이론은 만물을 구성하는 우주의 가장 기본적인 단위는 점(입자)이 아니라, 1차원의 끈(String)이며 우주의 차원은 10차원으로 구성되어 있다는 것입니다. 그런데 틀리지 않다고 받아들여지는 끈 이론만 해도 5개나 되며, 하나뿐인 우주를 설명할 이론이 5개나 된다며 초끈 이론에 대해 회의적인 시각을 보내는 사람들이 많았습니다. 그래서 제안된 것이 제2의 아인슈타인이라 불리는 위튼 박사가 1995년 제안한 우주를 설명할 마지막 이론, M 이론입니다. 이 이론으로 5개로 나뉘어져 있던 초끈 이론을 통합할 수 있었으며 이 이론에 의하면 우주는 10차원이 아니라 11차원으로 구성되어 있다고 했습니다. 호킹은 "M 이론은 아인슈타인이 발견하고자 했던 통일 이론"이라며 우리가 인식하고 있는 우주는 수많은 우주 중 하나일 뿐이라고 말합니다. 우리가 인식할 수 없는 저 우주 너머로 무수한 우주가 존재한다는 다우주(Multiverse) 개념을 주장한 것이죠. 호킹 박사는 또한 앞으로 M이론을 수학적으로 발전시켜 증명해낼 수 있다면 인류 역사상 가장 큰 과학적 업적을 이룰 수 있을 것이라고 말합니다.

 

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