우주에 대해 우리가 정말로 알고있는 것은 무엇인가.

138억년 전 우주 폭발로 태어난 우주는 급격하게 팽창해 냉각되고 계속 증가하는 속도로 팽창하고 대부분은 알려지지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지로 구된다고 알려졌다.

이 유명한 이야기는 경험적 증거가 상대적으로 부족함에도 불구하고 일반적으로 자명한 과학적 사실로 받아 들여진다. 먼 우주에 대한 관찰로 인해 불일치가 꾸준히 발생함에도 불구하고.

최근 몇 달 동안, 허블상수의 새로운 측정, 보편적 팽창 비율은 두 가지 독립적 계산 방법 사이의 주요한 차이점을 제시했다. 팽창률의 불일치는 단지 계산을위한 것이 아니라 우주의 극단적 규모에서의 우주론의 현재 표준 모델의 타당성에 큰 영향을 미친다.

또 다른 최근 탐사선은 암흑 물질에 대한 이론과 일치하지 않는 은하를 발견했다. 그러나 최신 측정에 따르면, 이론을 재검토해야한다고 제안한다.

왜 천체 물리학자들은 암흑물질을 우주의 어디에나 있다고 가정하는가.이는 자주 언급되지 않는 우주 물리학의 독특한 특징에 있다. 빅뱅 패러다임을 이루는 암흑 물질, 암흑 에너지, 팽창과 같은 이론의 주요 구성요소는 경험적 현상을 잘 묘사하는 것이 아니라 계산 과정에서 불일치 관측을 설명하고 프레임 워크 자체의 수학적 일관성을 유지하는 것이 목적이다. 이들은 근본적으로 프레임 워크가 보편적으로 유효한 것으로 간주되는 한 존재해야만하는 것이다.

관측과 이론 간의 새로운 불일치는 마땅히 그자체로 진리에 대한 점진적인 개선을 위한 더 많은 연구를 촉발하는게 맞다. 그러나 그것이 합쳐지면 매개 변수를 조정하거나 새로운 변수를 추가해 해결할 수 없는 혼란스러운 문제를 제시 할 수도 있다.

문제의 맥락과 역사

수학적 과학으로서, 우주 물리학은 대개 매우 정확하다고 생각된다. 그러나 우주는 지구상 다른 과학 주제와도 다르다. 우리가 알고 있는 유일한 샘플인 (지구와 태양계 등) 우리 작은 이웃을 기반으로 한 전체 우주 이론은 많은 가정을 단순화 할 것을 요구한다. 이러한 가정이 광대한 거리로 늘어날 때 오류의 가능성이 증가하며 이는 매우 제한된 측정 수단에 의해 더욱 복잡해진다.

역사적으로, 뉴턴 물리법칙은 놀라운 정밀도로 우리 태양계에 작용하는 이론적 틀을 구성했다. 예를 들어, 천왕성과 해왕성은 모두 뉴턴의 모델에 기초한 예측을 통해 발견됐다. 그러나 스케일이 더 커질 때, 그것의 타당성은 제한적임이 증명했다. 아인슈타인의 일반상대성이론 틀은 우리 은하계의 가장 먼 곳을 넘어 확장된 범위를 제공했다. 그러나 얼마나 멀리 갈 수 있는가.

20세기 중반에 등장한 빅뱅 패러다임은 모델의 유효성을 우주의 반경(4600억 광년으로 계산 됨)의 경계 또는 다음과 같이 정의된 무한대의 종류로 효과적으로 확장된다. 우주가 확대되는 있는 것으로 본 이 거대한 팽창은 에드윈 허블(Edwin Hubble)의 관찰(1929년)과 극초단파 배경 복사(1964년) 탐지와 같은 몇 가지 구체적인 발견에 기초한다. 그러나 관련 규모를 고려할 때 이러한 제한된 관찰은 우주론에 큰 영향을 미쳤다.

물론 일반상대성이론의 타당성이 우주 가설적인 종말점보다 우리에게 훨씬 더 가깝다는 것은 전적으로 그럴듯하다. 빅뱅 패러다임의 오늘날 다층 이론적 구성 요소는 실험적으로 유효한 변수와 함께 모델을 유지하기 위해 고안된 가상, 가설들과 서로를 의지해 구별이 불가능하게 만든다. 과학과 소설은 구분해야 한다.

이 문제를 보완하는 우주에 대한 대부분의 관찰은 실험적으로나 간접적으로 발생한다. 오늘날 우주망원경은 이론적 예측과 유연한 매개변수의 상호작용을 통해 측정을 산출하며 모든 것을 직접적으로 관측하지 않는다. 프레임 워크는 말 그대로 문제의 틀이다. 모델은 매 단계마다 관찰 위치와 방법을 결정한다. 첨단기술과 방법에도 불구하고 관찰의 한계는 계산할 수 없는 부류의 가정에 의해 불순한 위험을 증가시킨다.

저밀도 보이드(상단 중앙의 진한 파란색 영역)이 수많은 은하(오렌지 / 흰색)가 포함 된 밀도높은 구조로 둘러싸인 우주 영역의 컴퓨터 시뮬레이션. credit: TNG Collaboration.

과학철학에서 우주물리학 기초를 연구하는 데 오랜 세월을 보낸 후, 일부 과학자들이 우주론의 위기에 대해 공개적으로 이야기하는 것을 듣고도 놀라지 않았다. 몇 년 전 사이언스아메리카(Scientific American)의 ‘팽창 논쟁’에서 과학이론으로서 불가결한 빅뱅 패러다임의 기원을 이루는 주요 구성요소중 하나가 비판받았다.

팽창 이론은 거의 모든 데이터를 수용 할 수 있는 임시방편에 의존하고 있다. 제안된 물리적 영역은 실험적 정당화 근거가 없다. 이것은 아마도 팽창의 주요 기능은 알 수없는 빅뱅(big bang)과 우리가 인식할 수 있는 물리학을 연결하기 때문일 것이다. 과학일까 편리한 발명품 일까?

마이클 J. 디즈니 (Michael J. Disney)와 같은 몇몇 천체 물리학자들은 증명 된 확실성이 결여된 빅뱅 패러다임을 비판했다.

‘형이상학적 실험(Metaphysical Experiments)’에서 논의한 바와 같이, 현재의 문제들에 대한 더 깊은 역사가 있다. 빅뱅 가설 그 자체는 일반상대성이론의 간접적 결과로 나타났다. 아인슈타인은 우주에 대한 기본적 가정으로, 시공간에 정적이며, 물리적 정당성이 없다고 인정한 “우주 상수(cosmological constant)”를 방정식에 덧붙였다.

그러나 허블이 우주가 팽창하고 있고 아인슈타인 해법의 한계를 관찰했을 때, 일부 수리물리학자는 우주의 모든 공간 방향은 동일하지만 시간은 다르다는 모델의 근본적인 가정을 바꾸려했다. 중요하지는 않지만 이 이론은 우주론과 핵물리학의 합병 가능성에 대해 매우 유망해 보였다. 원자 새 모델이 우주를 설명 할 수 있을까.

처음부터 이론은 분명 가정적 사건의 즉각적인 여파에 대해서만 이야기했는데, 그 주된 기능은 한계 조건으로, 이론의 한계 지점이었다. 빅뱅이론은 빅뱅에 대해서는 아무 말도하지 않는다. 그것은 일반상대성이론을 해결하기 위한 가설적인 전제가 될 수 있다.

논증할 수는 없지만 생산적인 가설에 더해 접근 불가한 기반들이 더해지고, 확장된 스케일과 새로운 불일치가 있었다.

일반상대성이론과 일치하지 않는 은하계의 관측을 설명하기 위한 암흑물질의 존재는 우주의 모든 질량-에너지 함량의 4분의 1이상을 차지하도록 계산된 보이지 않는 형태로 가정됐다.

물론 프레임워크는 보편적으로 유효하다. 1998년, 일련의 은하 가속에 대한 초신성 측정이 이 틀과 확연히 다른 것처럼 보였을 때, 우주의 질량-에너지 약 70퍼센트를 매우기 위해 계산된 암흑 에너지라고 불리는 새로운 이론이 나타났다.

오늘날의 우주론적 패러다임의 핵심은 전체 우주에 대해 수학적 통일이론을 유효하게 유지하기 위해서는 우주의 95%가 전혀 알려지지 않은 요소와 에너지를 포함한다는 사실을 받아 들여야한다.

과학자가 이 그림을 확신하기 위해서는 수학적 통일이론에 대한 믿음이 필요하다. 결국, 우주론에 대한 수수께끼는 연구를 수행하는 데 필요한 전제로 프레임 워크에 의존한다는 것이다. 명확한 대안이 없다. 기반을 다시 생각하는 것보다 새로운 이론적 층을 추가하는 것이 더 실용적인 것처럼 보인다.

이는 진리에 가까워진다는 과학적 이상과는 달리, 과거 발견에 의해 지나치게 결정되는 경로의존성에 가깝다.

Metaphysical Experiments

*보른 에켈버그(Bjørn Ekeberg)

PhD, 과학철학자, 형이상학적 실험들(Metaphysical Experiments) 저자.

Bjørn Ekeberg, PhD, is a philosopher of science and author of Metaphysical Experiments, published by University of Minnesota Press.

*원문 : Cosmology Has Some Big Problems