양자 장의 진동으로 인한 우주 팽창(1)

 

양자 장의 진동으로 인한 우주 팽창

초기 우주의 급팽창이 양자 장의 불안정성에서 비롯되었을 가능성

 

 

우주가 한순간에 펑! – 급팽창이란 무엇일까요?

여러분, 우리 우주가 탄생하고 나서 찰나의 순간에 갑자기 엄청나게 커졌다는 이야기를 들어본 적 있나요?

마치 작고 조용했던 아기 우주가 “쑥” 하고 풍선처럼 부풀어 오른 것처럼요.

이 현상을 과학자들은 우주 급팽창(인플레이션)이라고 부릅니다.

빅뱅 직후 약 10^-36초 무렵부터 10^-33~10^-32초 사이에 일어난 일이라고 하지요​.

그 짧은 동안, 우주는 지수함수적으로 (계속 배로 배로) 팽창하여 순식간에 10^30배 이상 크기가 커졌다고 합니다.

10^30이라는 숫자는 1 뒤에 0이 30개나 붙는 어마어마한 배율이에요! 상상이 되나요?

눈 깜짝할 새, 티끌만 하던 공간이 태양계보다 커지고, 또 계속 커진 겁니다.

흥미롭게도, 이 급팽창 덕분에 오늘날 우리가 보는 우주의 여러 수수께끼가 풀렸습니다.

이를테면 우주가 왜 이렇게 매끄럽고 균일한지

(어느 방향을 봐도 배경온도가 거의 같고, 공간의 모양이 평평한지) 설명할 수 있었지요.

하지만 도대체 무엇이 이런 급팽창을 일으켰을까요?

과학자들은 그 범인으로 초기 우주에 존재했던 특별한 양자장(quantum field)을 지목하고 있습니다.

특히 그 양자장이 가지고 있던 불안정한 상태가 열쇠였습니다.

오늘은 바로 “양자장의 불안정성이 어떻게 아기 우주의 폭풍 성장을 불렀는가”에 대해 이야기해 보려고 합니다.

어렵게 느껴진다고요? 걱정 마세요. 천천히, 재밌는 비유와 함께 하나씩 풀어 갈 테니, 끝까지 함께해 주세요!

 

 

 

 

 

우주의 진화 시간표: 가장 왼쪽에 초기 우주의 급팽창(Inflation) 단계가 짧지만 강력하게 그려져 있습니다.

이 시기에 존재한 미세한 양자 요동(Quantum Fluctuations)이 우주 전역으로 확대되었어요.

이후 빛의 잔광(우주 마이크로파 배경) 단계가 지나고 별과 은하가 탄생하여, 우주는 현재에 이르게 됩니다.

 

 

 

보이지 않는 장(場), 그리고 양자 요동

 

먼저 양자장이 무엇인지 간단히 알아볼까요?

현대 물리학에서 우리가 아는 모든 입자들(전자, 광자 등)은

실은 공간을 가득 채운 보이지 않는 장(field)의 상태 변화로 이해됩니다.

쉽게 말해, 우주 공간에는 보이지 않는 에너지의 “바다” 혹은 “들판”이 펼쳐져 있고,

입자들은 그 바다 위에 이는 작은 물결이나 파동 같은 것이죠.

예를 들어 빛을 매개하는 전자기장, 물질을 이루는 전자장, 쿼크장 등이 있으며,

힉스 장처럼 입자에 질량을 주는 특별한 장도 있습니다.

이렇듯 양자장은 우주 전역에 존재하며, 그 자체로 에너지를 갖고 있기도 합니다.

완전히 빈 공간(진공)이라 해도 양자장에서는 작은 요동, 즉 양자 요동(quantum fluctuation)이 일어나는데,

이는 마치 잔잔해 보이는 호수 수면에 일순간 생겼다가 사라지는 잔물결처럼 아주 미세하고 무작위적인 에너지 출렁임입니다.

이런 양자 요동은 아무 것도 없는 완전한 정적 상태조차도 실제로는 들썩거리는 “양자 춤”을 추고 있다고 표현할 수 있을 정도로,

자연에 항상 존재하는 현상이에요.

 

그런데 이 보이지 않는 양자장의 세계에도 “상태”라는 것이 있습니다.

에너지가 낮고 안정된 상태가 있는가 하면, 겉보기엔 조용하지만 사실 오래 유지되지 못할 불안정한 상태도 있을 수 있어요.

물리학에서는 안정되지 않은 이러한 상태를 흔히 “준안정” 또는 “가짜 진공”(false vacuum) 상태라고 부릅니다.

‘진공’이지만 사실 에너지를 품고 있고, 더 안정적인 진짜 진공으로 변하려는 속성을 지닌 상태죠.

비유를 들어 볼까요?

0℃ 이하로 냉각됐는데도 얼지 않고 있는 물을 생각해봅시다​.

깨끗한 물을 살살 다루면 영하의 온도에서도 액체 상태를 유지할 수 있는데,

이 물은 겉보기엔 안정된 물처럼 보여도 사실 언제든 얼어버릴 준비가 된 매우 불안정한 상태입니다.

살짝만 건드리면 순식간에 “스르르릉” 얼음으로 바뀌며 열을 내놓지요.

마찬가지로, 양자장도 겉으론 조용해 보여도 내부에 큰 에너지를 가진 채 잠시 유지될 수 있습니다.

그리고 어느 순간 변화가 시작되면, 마치 언 순간 물이 부피가 약간 증가하듯이,

양자장의 에너지가 폭발적으로 방출되면서 공간 자체를 밀어내 크게 팽창시킬 수 있습니다​.

바로 이러한 양자장의 불안정한 상태(가짜 진공)가 초기 우주에서 발생했고,

그 결과 엄청난 팽창의 에너지가 분출되어 우주 급팽창을 일으켰다는 것이 많은 학자들이 생각하는 시나리오입니다​.