양자 장의 진동으로 인한 우주 팽창(3)

 

양자 장의 진동으로 인한 우주 팽창

초기 우주의 급팽창이 양자 장의 불안정성에서 비롯되었을 가능성

 

 

 

 

 

 

가장 작은 것과 가장 큰 것의 만남

지금까지 살펴본 이야기는 아주 작은 세계(양자장)와 아주 큰 세계(우주 전체)가 만나는 지점입니다.

초기 우주는 상상이 안 될 정도로 작고 뜨거웠기 때문에,

거대한 우주를 연구하는 우주론과 미시세계의 양자물리가 한 무대에서 겹친 것이라고 할 수 있지요.

다시 말해, 우주의 탄생과 진화라는 거대한 이야기 속에 양자장이라는 극미한 존재가 결정적 역할을 한 것입니다.

이러한 아이디어를 통해 과학자들은 우리 우주의 과거를 보다 일관되게 설명할 수 있게 되었어요.

 

예를 들어, 급팽창 동안 발생한 양자 요동이 훗날 별과 은하의 씨앗이 되었다는 예측은 오늘날 상당한 지지를 받고 있습니다​.

실제로 인플레이션 이론에 따르면,

급팽창 시작 시점에 존재했던 작은 무작위 양자 흔들림들이 급팽창으로 엄청나게 확대되어

우주의 여기저기에 밀도 차이를 남겨 놓았다고 합니다​.

 

그리고 급팽창이 끝난 뒤 우주가 정상 팽창 단계로 접어들면서

이 조금씩 다른 밀도 영역들이 중력에 의해 뭉치고 커져서 은하와 별이 되었다는 시나리오죠​.

우주배경복사(CMB)라고 불리는 빅뱅의 잔빛을 정밀 관측해보니,

하늘 전체에 온도가 아주 살짝씩 다른 점들이 있었고,

그 패턴이 이러한 급팽창의 예측과 잘 들어맞았습니다.

다시 말해 초미세한 양자장 흔들림이 거대한 우주 구조의 씨앗이 되었다는 증거를 우리가 하늘에서 찾아낸 셈입니다​.

과학자들은 이 양자 씨앗들을 가리켜, 구름 속 먼지 알갱이가 빗방울이 맺히도록 돕는 것에 비유하기도 합니다​.

먼지 알갱이 하나 없이 구름 속 물방울이 크게 자랄 수 없듯이,

양자 요동이라는 먼지가 없었다면 우리 은하도 태어날 수 없었을 것이라는 이야기지요​.

 

한편, 급팽창 이론이 더욱 설득력을 얻기 위해서는 직접적인 증거를 포착하는 것도 중요합니다.

앞서 말한 우주배경복사의 온도 흔들림(밀도 씨앗)은 간접적인 증거라고 할 수 있는데요,

과학자들은 급팽창의 “확실한 족적”으로서 아주 초기 우주에 생성된 중력파를 찾으려 하고 있습니다.

급팽창의 급격한 공간 팽창은 시공간의 물결인 중력파(gravitational wave)를 만들어냈을 것으로 예측되는데,

이는 우주배경복사 속에 남은 특이한 패턴(B-모드 편광)으로 나타날 거라고 해요​.

이러한 패턴은 아직 직접 발견된 적이 없지만, 세계 여러 곳의 연구팀이 민감한 망원경으로 하늘을 관측하며

그 희미한 속삭임을 포착하려 애쓰고 있습니다.

2014년 한 연구팀이 중력파 신호를 발견했다고 발표했다가

이는 우리은하의 먼지 영향으로 인한 오신호로 밝혀진 일도 있었지요.

 

그만큼 쉽지 않은 탐사입니다.

 

그래도 만약 이 원시 중력파의 흔적을 찾아낸다면, 급팽창 이론은 더욱 확고한 증거를 얻게 될 것입니다.

반대로 아무리 찾아도 이런 신호가 없다면, 인플레이션 이론에 새로운 의문부호가 붙을 수도 있겠지요.

어쨌든 현재로서는 급팽창 이론이 우리의 우주를 설명하는 가장 유력하고도 매력적인 가설임에는 이견이 거의 없습니다.

한 과학 기사는 “우주 급팽창 이론은 그 어느 때보다 강력한 기반 위에 있다”고 평하기도 했습니다.

 

마지막으로 한 가지 흥미로운 생각을 남겨볼까요?

인플레이션 이론에는 사실 끝나지 않는 급팽창, 즉 영원한 인플레이션이라는 개념도 있습니다.

양자장의 붕괴가 일부 지역에서 일어나 우주를 탄생시켰지만,

다른 영역에서는 여전히 급팽창이 계속되어 무수히 많은 “우주의 거품”들이 생겨날 수 있다는 생각입니다.

이는 곧 멀티버스(다중우주) 가설로 이어지는데, 아직은 이렇다 할 증거도 없고 상당히 추상적인 이야기이므로

오늘은 상상력에 맡겨두기로 해요.

 

작은 요동 하나가 만든 거대한 우주

 

지금까지 초기 우주의 급팽창과 양자장의 불안정성에 대해 살펴보았습니다.

내용을 정리하면서, 새삼 놀랍지 않나요?

우리가 사는 이 거대한 우주의 운명이, 보이지도 않는 작은 양자장의 미묘한 흔들림에 달려 있었다니 말입니다.

아기 우주의 균형을 깨뜨린 그 작은 요동 하나가 없었다면, 우주는 지금과는 전혀 다른 모습이었을지도 모르죠.

어쩌면 별도, 은하도, 우리도 존재하지 않았을 가능성도 있습니다.

반대로 생각하면, 이 넓은 우주 한복판에 우리가 존재하게 된 데에는

138억 년 전 벌어진 양자 세계의 사건들도 한몫 했다는 뜻입니다.

가장 작은 것과 가장 큰 것이 연결되어 있다니 참 멋진 그림 아닐까요?

물론 인플레이션과 양자장에 관한 이야기에는 아직 모르는 부분도 많습니다.

인플라톤 장의 정체는 무엇인지, 그 때 정확히 무슨 일이 어떻게 일어났는지 등은

현재도 과학 탐구가 진행 중인 흥미진진한 미스터리입니다​.

 

앞으로 더 많은 관측과 이론 연구가 계속된다면,

언젠가 우리는 우주 탄생의 비밀을 지금보다 훨씬 깊이 이해하게 될 것입니다.

그날이 오면, 오늘 이 글에서 함께 상상했던 양자장의 요동과 아기 우주의 풍선이야기가 한층 생생한 현실로 다가오겠지요.

우주의 시작에 숨겨진 놀라운 아이디어들을 마음속에 품으며,

호기심 가득한 시선으로 밤하늘을 올려다봐요.

저 먼 별빛 속에, 138억 년 전 그 순간의 흔적이 담겨 있을 테니까요!