양자 장의 진동으로 인한 우주 팽창(2)

 

양자 장의 진동으로 인한 우주 팽창

초기 우주의 급팽창이 양자 장의 불안정성에서 비롯되었을 가능성

 

 

양자장의 불안정성, 우주를 밀어내다

초기 우주에는 우리가 아직 정체를 모르는 어떤 특별한 양자장이 있었던 것으로 추측됩니다.

과학자들은 이 가상의 장을 인플라톤 장(inflaton field)이라고 부르는데요,

말 그대로 우주를 “부풀린(inflate)” 장이라는 뜻입니다.

이 인플라톤 장이 빅뱅 직후 아주 높은 에너지 상태로 존재하면서

겉보기에는 안정된 듯 했지만 사실 불안정한 (준안정) 상태,

즉 에너지가 잔뜩 담긴 가짜 진공 상태에 놓여 있었다고 합니다.

마치 정상 꼭대기에 아슬아슬하게 균형을 이룬 공처럼,

또는 앞서 예를 든 영하의 물처럼, 인플라톤 장은 그 높은 에너지 “언덕” 위에 걸쳐 있었던 것이죠.

이 상태에서는 중력조차도 평소와 다르게 작용했습니다.

일반적으로 에너지는 중력을 끌어모으지만,

이런 진공 에너지는 오히려 반(反)중력적인 밀어내는 힘으로 작용해요.

쉽게 말해, 우주 공간 자체를 밀어내며 급속도로 부풀리는 일종의 “반발력”이 생기는 것입니다.

일반상대성이론에 따르면, 공간에 이러한 거대한 진공 에너지가 있으면 공간은 지수함수적으로 팽창할 수 있다고 하지요​.

인플라톤 장의 가짜 진공이 바로 그런 역할을 했다고 볼 수 있습니다.

 

하지만 언제까지나 균형 위에 머무를 순 없습니다.

결국 어느 한순간, 인플라톤 장은 양자 요동에 의해 그 불안정한 균형이 깨지기 시작했습니다.

말 그대로 “양자장의 흔들림”이 커다란 변화를 촉발한 것이죠.

균형을 잃은 장은 더 낮은 에너지 상태(진짜 진공)로 “슥” 하고 이동하게 됩니다.

이를 가리켜 가짜 진공의 붕괴라고 하는데,

이때 장에 담겨 있던 엄청난 에너지가 한꺼번에 풀려나 오로지 공간 팽창을 밀어붙이는 일에 쓰였습니다.

그 결과 우주는 폭발적 힘으로 부풀어 올랐고, 이것이 바로 우주 급팽창의 직접적인 원인이 되었다는 설명입니다.

 

상상을 해볼까요?

손바닥만 한 풍선에 갑자기 고압의 공기를 순식간에 넣어버리면 풍선이 빵! 하고 커지겠지요.

비슷하게, 눈에 보이지 않던 인플라톤 에너지가 공간 구석구석을 밀어내며

아기 우주를 순식간에 거대한 크기로 키워놓은 것입니다.

 

그런데 여기서 재미있는 점은,

우주가 처음부터 커져 있었던 게 아니라 오히려 급팽창 이전에는 매우 아주 작았다는 사실이에요.

급팽창 이론에 따르면 우리가 오늘날 관측하는 거대한 우주도 거슬러 거슬러 올라가 보면

결국 머리핀 끝보다도 작은 한 영역에서 시작되었다고 합니다​.

급팽창이 일어나기 전, 우리 우주의 모든 부분이 서로 아주 가까이 모여 있었다는 것이죠​.

 

이게 왜 중요할까요?

바로 이렇게 초기 우주가 한데 모여 있었기에 서로 “대화”를 할 수 있었고,

온도나 밀도 등을 고르게 나눈 뒤에 급팽창을 통해 멀리 떨어졌다는 설명이 가능합니다​.

덕분에 오늘날 우주의 저~멀리 떨어진 지역들까지도 마치 한 솥에서 끓인 국처럼 비슷한 온도와 밀도를 가지게 되었어요​.

이를 두고 지평선 문제(멀리 떨어진 영역들이 균일한 온도를 갖는 수수께끼)가 해결되었다고 합니다.

또 급팽창은 공간을 엄청나게 “펴” 주었기 때문에,

원래 휘어있을 수 있는 공간도 인간이 느끼기엔 평평하게 보이도록 만들어주었지요​.

이는 평탄성 문제(우주가 이상하게 평평한 이유)에 대한 해답을 제시합니다.

요컨대, 양자장의 에너지 붕괴로 인한 급팽창 덕분에 우리의 우주는 한결같이 균일하고 평탄한 모습으로 시작할 수 있었던 거예요​.

 

 

 

 

요약

• 우주 급팽창(인플레이션)은 빅뱅 직후 아주 짧은 순간에 우주가 폭발적으로 팽창한 현상입니다. 이때 우주는 순식간에 수십억배 이상 커졌다고 추정되지요. 급팽창 이론은 우주가 왜 이렇게 균일하고 평탄한지 설명해줍니다​.
• 급팽창의 원인으로 과학자들은 초기 우주의 특별한 양자장을 상정합니다. 이 인플라톤 양자장이 불안정한 높은 에너지 상태(가짜 진공)에 놓여 있다가 양자 요동으로 붕괴하면서 급팽창을 일으켰다고 보는 것이지요​.
• 가짜 진공이란 안정된 진공처럼 보이지만 실은 내부에 에너지를 지닌 불안정한 상태입니다. 이는 마치 영하의 온도에서도 언젠가 갑자기 얼어버릴 수 있는 과냉각 물에 비유할 수 있어요. 작은 자극에 갑작스럽게 상태가 변하며 에너지를 방출하지요​.
• 인플라톤 장의 붕괴로 풀려난 진공 에너지는 공간 자체를 밀어내는 힘으로 작용하여 우주를 순식간에 팽창시켰습니다​. 이를 통해 초기 우주의 모든 부분은 본격 팽창 전에 서로 긴밀히 연결되어 균일한 상태를 이루었고, 급팽창 후 멀어져도 여전히 비슷한 성질을 유지하게 되었습니다.
• 급팽창 동안에도 양자 요동은 계속 존재했습니다. 오히려 이 미세한 요동들이 급팽창으로 거대하게 확대되어 우주 구조 형성의 씨앗이 되었습니다​. 오늘날 별과 은하가 탄생할 수 있었던 데에는 이런 양자 흔들림의 씨앗 덕분이라는 점이 흥미롭습니다.