현대물리학, 시간과 우주의 비밀에 답하다

 

책이름 : 현대물리학, 시간과 우주의 비밀에 답하다

지은이 : 숀 캐럴

옮긴이 : 김영태

펴낸곳 : 다른세상

 

미국 이론물리학자 숀 캐럴 (Sean Carroll, 1966- )의 책 세권을 대여했고, 첫 번째로 펴든 책이었다. 내가 알고 있는 우주 탄생의 가설은 138억년 전 빅뱅이었다. 숀 캐럴은 시간이 방향성을 가진다는 ‘시간의 화살’을 연구하면서 현대물리학의 이론을 총동원했다. 그는 현대우주론에 의문을 제기했고 낮은 엔트로피의 빅뱅에서 출발하지 않은, 훨씬 더 큰 다중우주의 한 부분일지 모른다는 가설을 제기했다. 책은 4부로 구성되었다.

1부 ‘시간, 경험과 우주’는 엔트로피와 시간의 화살, 우주의 진화, ‘시간’ 자체에 대해 가지고 있는 개념들을 살폈다. 우주는 공간과 시간을 포함해 존재하는 모든 것의 집합체. 시간은 전체 우주를 구성하는 상관 사건들이 순서에 따라 배열된 것, 시간은 이들 사건 사이의 상관관계로부터 재구성할 수 있는 어떤 것. 사건이 특정 순서대로 일어나지 반대 순서로는 일어날 수 없는 우리 우주의 강압성. 빅뱅이라고 부르는 엄청난 고온과 높은 밀도를 가진 상태는 매우 낮은 엔트로피를 가지고 있었고 지구의 존재가 공간의 방향을 정하는 것처럼 이 사건의 영향이 시간의 방향을 정했다. 가장 가까운 별 켄타우로스 별자리 프록시마별은 대략 40조㎞ 떨어져 있으며 빛의 속도로 대략 4년이 걸리는 거리. ‘허블의 법칙’은 은하가 멀면 멀수록 더 빠른 속도로 멀어지고 있는 것. 대략 140억년이 지나면 우리가 관찰할 수 있는 모든 은하의 거리가 지금의 2배. 정상적인 물질이 우주 에너지의 4%, 암흑 물질이 22%, 암흑 에너지가 74% 정도를 차지.

2부 ‘아인슈타인 우주에서의 시간’은 시간에 역행하는 시간여행 가능성, 시공간과 상대성이론을 담았다. 빛 속도는 불변량, 실험하는 사람의 운동과는 무관하게 누구나 동일한 속도로 움직이는 별을 측정. 에너지는 한 형태로부터 또다른 형대로 바뀌었다가 다시 원래 형태로 돌아올 수 있으며 이런 일이 항상 발생. 특수상대성이론은 뉴턴역학과 맥스웰의 전기역학 사이의 불일치 때문에 나온 것. 일반상대성이론은 특수상대성이론과 뉴턴의 중력이론 사이의 불일치 때문에 탄생. 현재 물리학은 일반상대성이론과 양자역학의 불일치가 마주하고 있다. 블랙홀을 정의해주는 경계를 ‘사건의 지평선’이라고 부른다. 사건의 지평선은 한번 빠져나오면 다시는 화이트홀 영역으로 돌아올 수 없는 이미 지나간 장소를 의미. 스티븐 호킹이 제안한 ‘연대기 보호 가설’은 물리학 법칙이 닫힌 시간꼴 곡선의 탄생을 금지하고 있다는 것. 닫힌 시간꼴 곡선이 존재하지 않기 때문에 관측가능한 우주에서는 일관성을 가진 시간의 화살이 존재.

3부 ‘엔트로피와 시간의 화살’은 생명의 진화로부터 양자역학의 신비까지 엔트로피가 담당하는 역할을 이야기했다. 라플라스의 전기를 쓴 후세 작가들은 지성이란 표현이 매력적이지 않다고 생각해 이 가상적인 지성에 이름붙인 ‘라플라스의 악마’. 시간 역행시킨 결과가 전과 ‘동일한 것처럼 보이면’ 즉 현대물리학 법칙을 따르는 것처럼 보이면, 이 규칙은 ‘시간 반전 불변성’을 가지고 있다. 물체에 담겨 있는 열은 물체 안에서 빠르게 움직이고 있는 분자들이 가진 에너지의 잣대. 엔트로피는 거시적으로 구별불가능한 상태들의 수를 재는 것이고 관측가능한 우주의 전 공간에서 엔트로피가 균일하게 증가하기 때문에 시간의 화살이 나타난다. 열역학 제2법칙은 외부 세계와 눈에 띨 만한 상호작용을 하지 않는 닫힌계에서만 엔트로피가 항상 증가한다(또는 일정하게 유지된다). 인간원리는 기본적으로 우리를 둘러싼 우주에 관해 합리적인 설명을 하려면 우리가 존재한다는 점을 고려해야 한다. 물리학 이론은 명확하게 정의되어야 하는데 양자역학은 아직 여기까지 도달하지 못한 상태. 오늘날 양자역학은 다양한 경험적 검증을 통과했고 대부분의 연구자들은 궁극적인 물리학 법칙이 본질상 양자역학이라고 믿는다. 하이젠베르크의 ‘불확정성의 원리’는 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 아는 것은 절대불가능.

4부 ‘부엌으로부터 다중우주까지’는 엔트로피가 현대우주론에 제시한 불가사의한 문제들을 다루었다. 퀘이사는 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 거대 발광체. 은하 중심의 초거대 블랙홀의 질량은 태양 질량의 100만배. 양자 중력은 일반상대성이론을 양자역학의 교리와 절충시킨 궁극적인 이론. 제이콥 베켄슈타인은 ‘블랙홀의 엔트로피가 사건의 지평선 면적에 비례한다’. 관측가능한 우주의 크기는 대략 400억 광년. 암흑에너지는 우주에 퍼져있는 매끈한 장이며 중력이 주는 충격은 사물을 밀어내는 것. 오늘날 우주의 전체 엔트로피의 대부분을 초거대 블랙홀이 가지고 있다. 우주에는 천억개 정도의 은하가 있으므로 천억개의 초거대 블랙홀이 있다고 가정. 앨런 구즈의 ‘급팽창inflation' 시나리오는 초기우주가 초고밀도를 가진 일시적인 형태의 암흑에너지로 채워져 있었으며 그 결과 공간이 엄청 빠르게 가속되었다. 빅뱅은 공간상의 점이 아니고, 시간의 한순간. 고전적인 일반상대성이론에서 빅뱅은 특이점이며 시공간 안에 포함되지 않아야 한다는 것. 다중우주는 우리가 관측하는 우주는 더 큰 구조를 가진 우주의 작은 한 부분. 암흑 에너지가 절대적으로 크기가 일정한 진공에너지라면 가속팽창이 영원히 지속될 것. 현대 우주론자들은 우리의 관측가능한 우주가 거대한 다중우주 집단내에 위치한 무한대의 우주들 가운데 하나라고 생각.