빅뱅 연구와 발견이 ‘만물의 이론(Theory of Everything)’을 설명하는 단초가 될 수 있을까. 스페이스닷컴은 지난 21일「빅뱅에 대한 주요한 발견으로 만물의 이론의 실재에 더 다가가다(Major Big Bang Discovery Brings ‘Theory of Everything’a Bit Closer to Reality)」에서 이와 관련한 내용을 소개해 눈길을 끌었다.

2014년 3월 17일 월요일, 연구원들은 우주 배경 복사파(CMB, cosmic microwave background)에서 중력파의 신호를 탐지했다고 발표했다. 이 신호는 고대의 빛으로서 빅뱅이 일어나고 38만 년 된 우주에 퍼져 있었다. 만약 이것이 정말 감지된다면 우주의 팽창(인플레이션) 이론이 확인될 수 있다.

우주는 1의 소수점 아래로 0이 35개나 달리는 시간(초) 동안 팽창했다. 이는 빛보다 빠른 속도다. 팽창 이론은 우주라는 게 단순 양자 요동(quantum fluctuation)에서 거시적 형태의 무언가로 폭발했다는 가설이다. 애리조나대 천문학과 교수 크리스 임피는 이 이론이“관측에 의해 증명될 수도, 증명되지 않을 수도 있다”라고 적은 바 있다.

‘만물의 이론’은 무엇인가. 간단히 말해, 우주 만물에 대한 통합된 설명을 해보려는 가설이다. 이를 이해하기 위해 물리학의 역사를 살펴볼 필요가 있다. 물리학자들은 우주를 설명하기 위해 두 가지 다른 이론에 의지한다. 하나는 아인슈타인의 일반상대성이론이고, 다른 하나는 양자역학이다. 중력은 1600년대 뉴턴에 의해 발견됐다. 뉴턴은 달과 같은 천체 운동에서부터 사과를 떨어뜨리는 지구의 힘을 통틀어 중력이라고 명명했다. 하지만 약 250년 후 스위스 특허청에서 일하던 26살의 아인슈타인은 뉴턴의 중력이론을 반박했다. 10년 후 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표했다. 이는 시공간과 이에 따라 휘어지는 중력에 대한 것이었다.

우주의 기원 규명하려는 끈질긴 노력들

1870년대 맥스웰은 자기현상과 전기현상을 통일해 전자기장이론을 만들었다. 1920년대 닐스 보어가 이끄는 과학자들은 원자핵과 전자로 구성되는 원자의 미시세계를 발견했다. 이로 인해 예측불가능하며, 확률에 지배되는 세계인 양자역학이 탄생한다. 그런데 양자 역학은 거시적 세계를 설명하는 아인슈타인의 개념으로는 설명이 불가능한 이론이었다. 이를 혐오한 아인슈타인은‘신은 주사위를 던지지 않는다’며 비판하기에 이른다.

자연계의 또 다른 힘인 약력과 강력은 1930년대 미시적 크기인 원자핵과 소립자를 연구하던 중 발견된다. 강력은 양성자와 중성자를 결속시키는 힘이고, 약력은 방사선 원소에서 방사능 붕괴를 일으키는 힘이다 . 이후 대통일장이론(grand unification theory)을 통해 약력, 강력, 전자기력은 하나로 통일된다. 통일된 3가지 힘은 양자역학의 세계에서는 설명이 가능했다. 그러나 중력은 거시적 세계를 설명하는 아인슈타인의 일반상대성이론을 통해서만 이해됐다.

1980년대 캠브리지대의 그린 교수와과 캘리포니아 공대의 슈바르츠 교수는 기존 끈 이론의 수학적 변칙성을 제거하고, 중력자(양자의 세계에서 중력을 매개하는 입자)를 제시한다. 마침내 이 둘은 1984년 수학을 통해 자연계의 4가지 힘을 통합한 만물의 이론을 제시했다.

끈 이론(string theory)은 끈이라는 1차원적 물체가 만물의 근본 물질이라는 통일장이론이다. 끈들은 10차원(1차원의 시간, 3차원의 공간, 여분의 미세한 6차원의 공간)의 세계에서 진동 패턴에 따라 입자들에 고유의 질량과 전하를 발생시킨다. 또한 끈은 이동하며 미시세계의 찢어진 공간을 안정시킨다. 그러나 끈 이론은 5가지로 나뉘어 과학들을 혼란시키게 된다. 다행히 1995년 프린스턴 고등연구원의 위튼 박사가 이들을 통합해 M이론(M theory)을 제시했다. 또 다른 통일장 이론인 M이론은 여분의 미세한 공간이 하나 더 있는 11차원이다. 그는 이 여분의 차원이 끈을 막으로 확장되도록 도와준다고 보았다. 또한 에너지 양자인 중력자(Gravition)는 고리형 끈과 관계해 다른 곳으로 쉽게 이동될 수 있다고 보았다.

일반상대성이론과 양자역학이론은 본질적으로 공존할 수 없다. 특히 이 둘은 블랙홀 내부의 극한 영역이나 빅뱅 바로 직후에 세분된다. 빅뱅 38만년 후에 중수소의 형성과 같은 특별한 사건들이 발생한다 . 그 후 우 주 배 경 복 사 (CMB, cosmic microwave background)라 불리는 광자들이 자유롭게 흐르게 된다. 즉 CMB는 빅뱅이 일어난 후 38만년 된 방사선으로 멀리 있거나 초기의 우주를 볼 수 있게 한다.

하버드대 천문학과 교수 아비 로브(Avi Loeb)는 “끈 이론학자들은 계획을 다시 세워 데이터에 적합한 새로운 모델을 만들어야 한다”라고 지적했다. 이전의 많은 끈 이론 학자들은 팽창의‘낮은 에너지’는 중력파가 생산되지 못하게 할 것이라고 예측했다. 그러나 팽창하는 동안의 에너지 수준은 100~160억 전자볼트이거나, 지구의 가장 강력한 입자가속기인 강입자충돌기(Large Hadron Collider)보다 약 1조 배 크다. 이 에너지 수준은 강력, 약력, 전자기력의 통합을 가능하게 한다.

과학자들은 태고의 중력파를 통해 그들이 존재하기 훨씬 전의 시간을 보게 됐다. 이는 빅뱅 직후의 아주 작은 시간이다. 그러나 이 새로운 발견은 우리 우주를 이해하게 하는 분수령이 됐다. 더 나아가 만물의 이론을 연구하는 물리학자들은 플랑크 시대(Planck epoch, 대폭발 순간부터 10∼43초까지로 4가지 힘인 강력, 전자기력, 약력, 중력이 하나로 존재했으리라 추정)를 보길 원했다.

끈 이론은 물리학인가 철학인가

미국 하버드-스미소니언 천체물리센터에서 2014년 팽창의 첫 번째 위치를 발표했다. CMB 방사선 지도를 연구한 과학자들은 희미하지만 분명하게 굽은 패턴을 찾아냈다. 이는 B-모드 편광(B-mode polarization. 일정한 물결 패턴)으로 팽창동안 중력파에 의해 발생된 것으로 보았다.

끈 이론학자들은 빅뱅이 우주의 시작이 아니며 그 이전부터 우주는 존재해 왔었다고 생각했다. 그들은 평행우주가 속한 각각의 막이 움직이다가 충돌로 발생한 에너지가 빅뱅을 발생시켰다고 판단한다. 덧붙여 충돌은 미래에도 일어날 것이라고 생각했다. 아직까지는 끈 이론이 실험을 통해 밝혀지지 않았다. 보스턴대 셀던 글래쇼 교수는“끈 이론이 단지 이론으로 남는다면 이는 물리학이 아닌 철학이 될 것이다”라고 말했다.

과학자들은 지금도 발달된 기술로 정밀한 우주 사진과 우주 역사의 조각을 모으고 있다. 하지만 여전히 알아야 할 것들이 많다. 우리는 아직도 우주 팽창을 추진하는 물질인 ‘인플라톤(inflaton)’이 무엇인지 정확히 모른다. 또한 우주의 96%를 구성하는 신비한 암흑물질과 암흑에너지에 대한 기본 정보도 부족하다. 로브는 우리의 상태가 “몇몇 지식의 섬들 주위를 무지의 바다가 감싸고 있는 격이다”라고 비유했다. 아울러 그는“그러나 초기 중력파의 탐지와 같이 하나씩 실험으로 알아간다면 언젠가는 만물의 이론에 다다를 것이다”라고 긍정적 생각을 표출했다.

우주의 비밀을 밝히려는 모든 과학자들과 더불어 페르미 연구소와 유럽원자핵공동연구소도 중력자와 S파티클(S particle)을 밝히기 위해 연구 중이다. 만물의 이론을 밝히기 위해 느리지만 정확한 길을 걸어가면 언젠가는 정점에 도달할 것으로 믿는다. 그것이 인류에게 선이 될지 악이 될지는 그때 가서 다시 생각해 볼 문제다.

김재호 학술객원기자