우주에 가득 찬 거품 속 작은 우주들

빈 공간으로 여겨져 온 우주는 급속한 팽창을 관측, 엄청난 양의 반 에너지로 채워져야 했다.

그럼에도 불구하고, 우주팽창을 관찰한 결과, 에너지는 최근의 양자장이론(quantum field theory) 예측보다 60 ~ 120배 더 낮았다. 이는 우주 전체에서 모든 여분의 에너지가 빠져있다는 것이다. 우리가 알고 있는 에너지와 사실상 숨겨져 있거나 매우 다르다.

오늘날 이론 물리학자들은 놀라운 발견으로 우주에서 소위 ‘시공간(spacetime)’구조를 조사, 이러한 미스터리를 이해하려고 노력하고 있다. 그것은 우리 안에 살고 있는 죽어가는 미니 우주를 포함하는 부글거리는 거품 덩어리 일수도 있다고 말한다.

시공간 거품

1955년 물리학자 존 휠러(John Wheeler)는 양자 수준에서 시공간은 일정하지 않고 끊임없이 변화하는 작은 버블들(bubbles)로 구성된 ‘거품(foam)’이라고 제안했다. 이 기포들이 무엇인가. 최근 연구에 따르면 시공간 거품(Spacetime foam)은 본질적으로 우리 자신의 내부에 잠깐동안 형성되는 미니 우주들이라는 것을 시사했다. 시공간 거품 아이디어는 양자 세계의 본질적 불확실성과 결정론에 잘 맞았다. 시공간 거품은 입자위치 및 운동량의 양자 불확실성 우주 조성으로 확장, 그 기하학이 안정적이거나 일관되거나, 작은 규모로 고정되지 않도록 한다.

미국 온라인 메거진 바이스에 따르면 미국 데이비스(Davis)의 캘리포니아대(University of California) 스티븐 칼립(Steven Carlip) 교수는 9월 휠러의 양자거품이론을 바탕으로 시공간 거품이 우주상수(cosmological constant)를 큰 스케일로 가릴 수 있음을 보여주는 새로운 연구를 발표했다.

아이디어는 시공간 거품에서 시공간의 모든 지점이 양자이론에 의해 예측 된 빈 공간(empty space)과 같은 가장 낮은 에너지 상태인 엄청난 양의 진공 에너지를 가지지만 다른 지점과 다르게 행동한다는 것이다. 시공간의 한 지점이 작동하는 특정 방식의 경우, 정반대의 시공간의 다른 지점에서도 정확히 반대의 경우가 발생할 수 있다. 이것은 시공간 거품의 특징으로, 여분의 에너지와 팽창을 작은 규모로 제거해 전체 우주의 규모에서 관측되는 에너지를 줄인다.

이것이 작동하기 위해서는 양자 수준에서 시간에 본질적인 방향이 없다고 가정해야한다. 즉, 시간 화살표(arrow of time)가 없다는 지적으로 칼립에 따르면, 이는 지나친 제안이 아니다.

그는 “대부분의 물리학자들은 우리가 근본적인 수준에서 왜 시간의 화살표가 있는지 전혀 모른다는 데 동의할 것”이라며 “더 큰 스케일의 ‘이머전트(emergent)’ 아이디어는 오랫동안 존재해왔다”고 말했다.

칼립은 시공간 거품을 “복잡한 미세한 구조”라고 부른다. 시공간의 모든 지점에서 작은 팽창과 수축을 거듭하는 우주들에 의해 형성된 팽창중인 우주라고 생각할 수 있다. 그 자체는 복잡한 구조로 모든 지점에서 작은 우주로 가득 차 있다.

2019년 8월에 출판된 또 다른 논문은 이 시나리오를 보다 철저히 탐구한다. 캐나다 브리티시컬럼비아대(University of British Columbia) 칭디 왕(Qingdi Wang)과 윌리엄 언루(William G. Unruh)는 우주의 모든 지점이 우주의 작은 버전과 같이 팽창과 수축을 통해 순환한다고 제안한다. 시공간의 모든 지점은 끝없이 특이점에서 빅뱅으로 이동하고 결국 반복해서 붕괴되는’미시 순환 우주’라고 말한다.

“우주의 모든 지점이 우주의 작은 버전과 같이 팽창과 수축을 통해 순환한다. 시공간의 모든 지점은 끝없이 특이점에서 빅뱅으로 이동하고 결국 반복해서 붕괴되는’마이크로사이클 우주(microcyclic universe)’다.”

우주에서 가장 작은 컴퓨터와 모든 것의 이론

양자 거품(Quantum foam)은 우주상수 문제에 대한 해결책뿐만 아니라 블랙홀, 양자 컴퓨터 및 암흑 에너지와 같은 물리학의 다른 수수께끼를 해결하기 위해 순간의 무언가를 가지고 있다.

노스케롤라이나대(University of North Carolina, Chapel Hill)이론물리학자 젝 Ng(Y. Jack Ng)은 논문에서 시공간 거품이 양자와 우주적 스케일 양 측면에서 현상을 통합하고 설명하는 열쇠를 가지고 있으며, 만물이론(Theory of Everything)으로 이끌고 있다고 제안했다. 이러한 이론은 현재 독립적이고 때로는 충돌하는 물리 영역을 하나의 일관된 프레임 워크로 설명할 수 있다.

칼립 처럼 Ng는 시공간 거품 모델을 사용해 양의 우주상수에 대한 큰 가치를 도출한다. 그러나 그렇게 하기 위해, 그는 양자거품(quantum foam)의 ‘버블들’을 우주에서 가장 작은 컴퓨터, 정보 인코딩 및 처리로 취급한다.

양자 거품은 공간과 시간에 불확실한 거품을 포함한다. 버블로 들끓는 시공간이 얼마나되는지를 측정하기 위해 Ng는 논문에서 구형(spherical) 시공간에 가득 찬 시계을 포함하는 사고실험을 제안한다. 기하학 매핑 프로세스는 일종의 계산이며, 정보를 전송하고 처리해 거리를 측정한다.

Ng는 블랙홀 형성을 피하기 위해 에너지와 양자 계산 사이의 다른 알려진 관계와 구 내부의 질량 제한을 사용해 양자규모 유니버스에 불확실성이 내재해 얼마나 정확하게(또는 부정확하게) 형상을 측정 할 수 있는지 결정한다고 주장했다.

시공간의 크기는 버블 컴퓨터가 저장할 수있는 최대 정보량과 컴퓨팅 능력을 제한다. Ng는 시공간의 고립된 공간이 아닌 전체 우주에 대해 이 결과를 확장, 시공간의 거품은 암흑 에너지 및 암흑 물질과 동등하다는 것을 보여준다. 왜냐하면 일반적인 물질은 측정작업에서 얻은 최대 정보량을 저장하고 계산할 수 없기 때문이다.

Ng는 “열역학적 고려를 통해 시공간 거품의 존재는 암흑 섹터(암흑 물질과 암흑 에너지)의 공존을 암시하는 것으로 보인다” 며 “이 측면의 연구는 물리 커뮤니티에서 흔하지는 않지만 (물리적) 의미가 있다”고 온라인 매체 마더보드에서 말했다.

Ng의 연구에서 중요한 점은 시공간 거품을 측정하고 개념적으로 탐색할 수있을뿐만 아니라 양자 물리학, 일반 상대성 이론 및 암흑 에너지를 연결함으로써 우주의 가속도를 설명 할 수 있다는 것이다.

Ng는 만물이론이 도달 가능하다고 생각한다. “결국 내가 탐구하고 싶은 것이자 더 중요하게는, 다른 이들에게 탐구를 장려하고 싶은 것은 시공간 거품의 착안을 넘어서서 양자 역학과 중력이 등장하는 현상인지, 엔트로피 중심 열역학인지 아닌지를 보는 것이다. 사람은 자연의 법칙을 이해하는 열쇠를 가지고 있다”고 말했다.