우주의 역사
약 138억 년 전 빅뱅으로 시작되었습니다., 공간, 시간, 그리고 물리 법칙을 형성한 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 급속도로 팽창한 사건입니다. 시간이 흐르면서 우주는 식어 아원자 입자들이 양성자와 중성자를 형성했고, 약 38만 년 후에는 최초의 수소와 헬륨 원자가 형성되었습니다. 그 후 중력이 이 물질들을 끌어당겨 별과 은하를 형성했고, 우주는 계속해서 팽창하고 진화하여 오늘날 우리가 관찰하는 우주로 발전했습니다. 우주는 약 68%의 암흑 에너지, 27%의 암흑 물질, 그리고 5%의 일반 물질로 이루어져 있습니다.우주의 역사
- 빅뱅: 우주는 상상할 수 없을 만큼 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작되었으며, 인플레이션이라고 불리는 급격한 팽창 기간이 첫 번째 몇 분의 1초 동안 발생했습니다.
- 입자 형성: 우주가 처음 몇 분 안에 식어서 양성자와 중성자가 융합하여 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소의 원자핵을 형성할 수 있었습니다.
- 최초의 원자와 빛: 약 38만 년 후, 우주는 전자가 원자핵과 결합할 수 있을 만큼 충분히 식었고, 최초의 중성 원자를 형성하고 최초의 빛(우주 마이크로파 배경 복사)을 방출했습니다.
- 구조물의 형성: 그로부터 1억 년 동안 중력은 최초의 별, 은하, 블랙홀을 하나로 모았습니다.
- 계속된 진화: 은하계는 중력과 암흑 물질, 암흑 에너지의 신비한 힘에 의해 합쳐지고 확장되었으며, 별은 계속해서 태어나고 죽었습니다.
- 행성과 생명의 형성: 결국 행성은 별 주위에서 형성되었고, 적어도 그 중 하나(지구)에서는 약 45억 년 전에 생명이 출현했습니다.
우주의 현실
- 그 광대함: 관측 가능한 우주의 지름은 약 930억 광년이지만, 우주의 전체 크기는 알려져 있지 않습니다.
- 우주의 구성: 우주는 약 68.3%가 암흑 에너지, 26.8%가 암흑 물질, 4.9%가 일반 물질(우리가 볼 수 있는 모든 것)로 이루어져 있습니다.
- 계속되는 팽창: 우주는 여전히 팽창하고 있으며, 팽창 속도는 우주 내의 물질과 에너지의 종류에 영향을 받습니다.
- 기본 법칙: 우주는 중력, 전자기력, 강핵력, 약핵력 등 4가지 기본 힘과 쿼크, 렙톤과 같은 기본 입자의 속성과 같은 기본 물리 법칙에 의해 지배됩니다.
- 출현과 복잡성: 현실에는 열역학 법칙과 자연선택 법칙과 같이 복잡한 시스템을 지배하는 기본적이고 미시적인 법칙과 출현하는 법칙이 모두 포함됩니다.
빅뱅 이전에는 무엇이 존재했을까?
2022년 1월 6일공유하다구하다
알래스테어 윌슨특집기사
우리 우주가 무(無)에서 어떻게 탄생했는지, 또는 우주가 탄생하기 전에 무언가가 존재했는지는 여전히 미스터리이지만, 일부 물리학자들은 이를 알아내려고 노력하고 있습니다.
제가 이해하기로는 무(無)에서는 무(無)가 생겨나지 않습니다. 무언가가 존재하려면 물질이나 구성 요소가 있어야 하고, 그것들을 이용하려면 다른 무언가가 이용 가능해야 합니다. 빅뱅을 만들어낸 물질은 어디에서 왔으며, 그 물질을 만들기 위해 처음에 무슨 일이 일어났을까요? – 피터, 80세, 호주
“마지막 별은 천천히 식어 사라질 것입니다. 그 별이 사라지면 우주는 다시 빛도 생명도 의미도 없는 공허한 공간이 될 것입니다.” 물리학자 브라이언 콕스는 최근 BBC 시리즈 ‘ 유니버스’ 에서 이렇게 경고했습니다 .
마지막 별의 희미해지는 모습은 무한히 길고 어두운 시대의 시작일 뿐입니다. 모든 물질은 결국 거대한 블랙홀에 삼켜지고, 블랙홀은 다시 희미한 빛으로 증발하여 사라질 것입니다. 공간은 끝없이 확장되어, 그 희미한 빛조차 서로 상호작용할 수 없을 만큼 퍼져 나갈 것입니다. 활동은 멈출 것입니다.
아니면 그럴까요? 이상하게도, 일부 우주론자들은 우리의 먼 미래에 존재하는 것과 같은 차갑고 어둡고 텅 빈 우주가 바로 우리 빅뱅의 근원이었을 수 있다고 믿습니다.
첫 번째 문제
하지만 그 전에 “물질”, 즉 물리적 물질이 어떻게 처음 생겨났는지 살펴보겠습니다. 원자나 분자로 이루어진 안정된 물질의 기원을 설명하려는 것이라면, 빅뱅 당시는 물론이고 그 이후 수십만 년 동안에도 그런 물질은 존재하지 않았습니다. 사실, 우리는 복잡한 물질이 안정될 만큼 조건이 충분히 식은 후, 최초의 원자가 어떻게 더 단순한 입자에서 형성되었는지, 그리고 이 원자들이 나중에 별 내부에서 어떻게 더 무거운 원소로 융합되었는지에 대해 상당히 자세히 이해하고 있습니다. 하지만 그러한 이해는 무(無)에서 유(有)가 생겨났는지에 대한 의문을 해결하지 못합니다.
더 거슬러 올라가 생각해 봅시다. 최초의 장수명 물질 입자는 양성자와 중성자였는데, 이들은 함께 원자핵을 구성했습니다. 이들은 빅뱅 후 약 1만 분의 1초 후에 존재했습니다. 그 이전에는 익숙한 의미의 물질이란 존재하지 않았습니다. 하지만 물리학은 우리가 안정적인 물질보다 앞서 존재했던 물리적 과정들까지 거슬러 올라가며 그 시간선을 추적할 수 있게 해 줍니다.
이는 우리를 소위 ” 대통일 시대 “로 이끕니다. 현재 우리는 실험에서 당시 진행 중이던 과정들을 탐구할 만큼 충분한 에너지를 생산할 수 없기 때문에 추측 물리학의 영역에 이미 들어와 있습니다. 하지만 그럴듯한 가설은 물리적 세계가 양성자와 중성자의 구성 요소인 쿼크를 포함한 수명이 짧은 기본 입자들의 집합체로 이루어져 있었다는 것입니다. 물질과 “반물질”이 거의 동일한 양 으로 존재했습니다 . 쿼크와 같은 각 유형의 물질 입자는 반물질 “거울상”을 가진 동반 입자를 가지고 있는데, 이 동반 입자는 자신과 거의 동일하며 한 가지 측면만 다릅니다. 그러나 물질과 반물질은 만나면 순간적인 에너지로 소멸되기 때문에 이 입자들은 끊임없이 생성되고 파괴되었습니다.
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하지만 이 입자들은 애초에 어떻게 존재하게 되었을까요? 양자장 이론은 빈 시공간과 상응한다고 여겨지는 진공 상태조차도 에너지 변동의 형태로 물리적 활동으로 가득 차 있다고 말합니다. 이러한 변동은 입자들을 솟아오르게 한 후 곧 사라지게 할 수 있습니다. 이는 실제 물리학보다는 수학적 기이처럼 들릴지 모르지만, 이러한 입자들은 수많은 실험에서 발견되었습니다.
시공간 진공 상태는 마치 “무(無)”에서 끊임없이 생성되고 파괴되는 입자들로 가득 차 있습니다. 하지만 어쩌면 이 모든 것이 우리에게 시사하는 것은 양자 진공이 (이름과는 달리) 무(無)가 아니라 유(有)라는 사실일지도 모릅니다. 철학자 데이비드 앨버트는 이런 식으로 무(無)에서 유(有)를 만들어낼 것이라는 빅뱅 이론을 비판하며, 이를 명쾌하게 비판했습니다 .
시공간 자체는 어디에서 발생했을까?라고 묻는다고 가정해 봅시다. 그러면 우리는 시계를 더 거슬러 올라가, 진정으로 오래된 ” 플랑크 시대 “로 갈 수 있습니다. 이 시대는 우주 역사에서 너무나 초기라 우리의 최고의 물리학 이론들이 무너지는 시기입니다. 이 시대는 빅뱅 이후 불과 천만 분의 1조 분의 1조 분의 1조 분의 1초 후에 발생했습니다. 이 시점에서 공간과 시간 자체가 양자 요동의 지배를 받게 되었습니다. 물리학자들은 일반적으로 입자의 미시 세계를 지배하는 양자역학과 거대한 우주적 규모에 적용되는 일반 상대성 이론을 각각 따로 연구합니다. 하지만 플랑크 시대를 진정으로 이해하기 위해서는 두 이론을 통합하는 완전한 양자 중력 이론이 필요합니다 .
우리는 아직 양자 중력에 대한 완벽한 이론을 가지고 있지는 않지만, 끈 이론 이나 루프 양자 중력 과 같은 시도들이 있습니다 . 이러한 시도에서 일반적인 공간과 시간은 마치 심해 표면의 파도처럼 창발적으로 나타나는 것으로 여겨집니다. 우리가 공간과 시간으로 경험하는 것은 더 깊고 미시적인 차원에서 작동하는 양자 과정의 산물이며, 거시 세계에 뿌리를 둔 생명체인 우리에게는 그다지 의미가 없는 과정입니다.
이 단계에서 우리가 확신을 가지고 말할 수 있는 최대의 것은 물리학이 지금까지 무에서 유가 발생하는 확인된 사례를 발견하지 못했다는 것입니다.
플랑크 시대에는 공간과 시간에 대한 우리의 일반적인 이해가 무너져, 더 이상 일반적인 인과관계 이해에 의존할 수 없게 되었습니다. 그럼에도 불구하고, 양자 중력에 대한 모든 후보 이론은 플랑크 시대에 일어났던 물리적 현상, 즉 일반적인 공간과 시간의 양자적 선구 현상을 설명합니다. 그렇다면 그것은 어디 에서 유래했을까요?
인생의 큰 질문들
이 글은 BBC Future와 공동으로 출간하는 The Conversation 의 새로운 시리즈 “Life’s Big Questions”의 일부입니다 . 이 글은 독자들이 삶, 사랑, 죽음, 그리고 우주에 대해 끊임없이 궁금해하는 질문에 답하고자 합니다. 저희는 우리 삶을 형성하는 질문들에 대한 새로운 관점을 찾기 위해 헌신해 온 전문 연구자들과 협력합니다. 궁금한 점이 있으시면 페이스북 이나 트위터 로 메시지를 보내 시거나 bigquestions@theconversation.com 으로 이메일을 보내주세요.
인과관계가 더 이상 일반적인 방식으로 적용되지 않더라도, 플랑크 시대 우주의 한 구성 요소를 다른 구성 요소로 설명하는 것은 여전히 가능할지도 모릅니다. 안타깝게도, 지금까지 우리의 가장 뛰어난 물리학조차도 답을 제시하는 데 완전히 실패했습니다. “만물의 이론”을 향해 더 나아가기 전까지는 어떤 확실한 답도 제시할 수 없을 것입니다. 이 단계에서 우리가 자신 있게 말할 수 있는 기껏해야 물리학은 지금까지 무(無)에서 유(有)가 발생했다는 확증된 사례를 발견하지 못했다는 것입니다.
거의 아무것도 없는 상태에서 순환
무(無)에서 유(有)가 어떻게 생겨날 수 있었는지에 대한 진정한 답을 얻으려면 플랑크 시대 초기의 우주 전체의 양자 상태를 설명해야 합니다. 이를 위한 모든 시도는 여전히 매우 추측적인 측면이 있습니다. 어떤 시도는 설계자 와 같은 초자연적 힘에 호소하기도 합니다 . 하지만 다른 후보 설명들은 물리학의 영역에 머물러 있습니다. 예를 들어, 무한한 수의 평행 우주를 포함하는 다중 우주나, 우주가 탄생하고 다시 태어나는 순환 모델 등이 있습니다.
2020년 노벨 물리학상 수상자인 로저 펜로즈는 순환 우주에 대한 흥미롭지만 논란의 여지가 있는 모델 하나를 제시했는데, 바로 “등각 순환 우주론”입니다. 펜로즈는 빅뱅 당시의 매우 뜨겁고 밀도가 높으며 작은 상태의 우주와 먼 미래에 존재할 극도로 차갑고 텅 빈 팽창된 상태 사이의 흥미로운 수학적 연결 고리에서 영감을 얻었습니다. 이러한 상응 관계를 설명하는 그의 급진적인 이론은 두 상태가 극한에 도달하면 수학적으로 동일해진다는 것입니다. 역설적으로 들릴지 모르지만, 물질이 전혀 존재하지 않았기 때문에 우리 우주에서 우리 주변에 보이는 모든 물질이 생겨났을지도 모릅니다.
이 관점에서 빅뱅은 거의 무(無)에서 발생합니다. 이는 우주의 모든 물질이 블랙홀로 빨려 들어가고, 블랙홀이 다시 광자로 증발하여 공허 속으로 사라진 후 남은 것입니다. 따라서 우주 전체는 – 다른 물리적 관점에서 보면 – 무(無)에 가장 가까운 무언가에서 발생합니다. 하지만 그 무(無)는 여전히 일종의 무언가입니다. 아무리 텅 비어 있다 하더라도 여전히 물리적 우주입니다.
어떻게 똑같은 상태가 한 관점에서는 차갑고 텅 빈 우주이고, 다른 관점에서는 뜨겁고 밀도가 높은 우주일 수 있을까요? 답은 “등각 재조정”이라는 복잡한 수학적 과정에 있습니다. 이는 물체의 크기는 사실상 바꾸지만 모양은 그대로 두는 기하학적 변환입니다.
펜로즈는 차갑고 밀도가 높은 상태와 뜨겁고 밀도가 높은 상태가 이러한 재조정을 통해 어떻게 시공간 형태에 대해 일치할 수 있는지를 보여주었습니다. 물론 크기가 다른 두 물체가 어떻게 이렇게 동일할 수 있는지 이해하기는 어렵지만, 펜로즈는 그러한 극한의 물리적 환경에서는 개념으로서의 크기가 더 이상 의미가 없다고 주장합니다.
등각 순환 우주론에서 설명의 방향은 낡고 차가운 것에서 젊고 뜨거운 것으로 향합니다. 뜨겁고 조밀한 상태는 차갑고 비어 있는 상태 때문에 존재합니다. 그러나 이 “때문에”는 익숙한 것, 즉 시간 속에서 원인이 나타나고 그 결과가 나타나는 것이 아닙니다. 이러한 극단적인 상태에서 더 이상 관련성을 갖지 않는 것은 크기뿐만 아니라 시간 또한 마찬가지입니다. 차갑고 조밀한 상태와 뜨겁고 조밀한 상태는 사실상 서로 다른 시간선에 위치합니다. 관찰자의 관점에서 차갑고 비어 있는 상태는 그 자체의 시간적 기하학 속에서 영원히 지속될 것이지만, 그로부터 발생하는 뜨겁고 조밀한 상태는 사실상 그 자체로 완전히 새로운 시간선을 형성합니다.
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뜨겁고 밀도가 높은 상태가 차갑고 비어 있는 상태에서 비인과적인 방식으로 생성된다는 것을 이해하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 아마도 뜨겁고 밀도가 높은 상태 는 에서 발생하거나 , 에 기반을 두거나 , 차갑고 비어 있는 상태 에 의해 실현된다고 말해야 할 것입니다. 이러한 개념들은 과학철학자들이 , 특히 일반적인 인과관계가 무너지는 것처럼 보이는 양자 중력의 맥락 에서, 광범위하게 탐구해 온 독특한 형이상학적 개념입니다 . 우리 지식의 한계에 다다르면 물리학과 철학을 구분하기 어려워집니다.
실험적 증거?
등각 순환 우주론은 빅뱅이 어디에서 왔는지에 대한 질문에 대해 비록 추측에 불과하지만, 세부적인 답을 제공합니다. 하지만 펜로즈의 비전이 우주론의 미래 발전으로 입증된다 하더라도, 우리는 여전히 더 깊은 철학적 질문, 즉 물리적 실체 자체가 어디에서 왔는지에 대한 질문에 대한 답을 찾지 못했을 것이라고 생각할지도 모릅니다. 순환 체계 전체는 어떻게 생겨났을까요?
그러면 결국 우리는 왜 아무것도 없는 것이 아니라 무언가가 존재하는지에 대한 순수한 질문에 도달하게 됩니다. 이는 형이상학의 가장 큰 질문 중 하나입니다.
하지만 여기서 우리는 물리학의 영역 내에 있는 설명에 초점을 맞춥니다. 순환이 어떻게 시작되었는지에 대한 더 심오한 질문에는 세 가지 광범위한 선택지가 있습니다. 첫째, 물리적 설명이 전혀 없을 수도 있습니다. 둘째, 끝없이 반복되는 순환이 있을 수 있는데, 각 순환은 그 자체로 고유한 우주이며, 각 우주의 초기 양자 상태는 이전 우주의 어떤 특징으로 설명될 수 있습니다. 셋째, 단 하나의 순환과 단 하나의 반복되는 우주가 있을 수 있으며, 그 순환의 시작은 그 자체의 종말점의 어떤 특징으로 설명될 수 있습니다. 마지막 두 가지 접근법은 원인 없는 사건의 필요성을 없애주며, 바로 이 점이 독특한 매력을 더합니다. 물리학으로는 설명되지 않는 것이 하나도 없을 것입니다.
펜로즈는 자신이 선호하는 양자 이론 해석과 부분적으로 관련된 이유로 무한한 새로운 순환의 연속을 구상합니다. 양자역학에서 물리적 시스템은 동시에 여러 다른 상태의 중첩 상태로 존재하며, 우리가 측정할 때 무작위로 “하나만” 선택합니다. 펜로즈에게 각 순환은 서로 다른 방식으로 전개되는 무작위 양자 사건을 수반합니다. 즉, 각 순환은 그 전후의 순환과 다릅니다. 이는 실험 물리학자들에게는 실제로 희소식입니다. 플랑크 위성이 관측한 빅뱅의 잔여 복사선에서 희미한 흔적이나 이상 현상을 통해 우리 우주를 탄생시킨 옛 우주를 엿볼 수 있게 해 줄지도 모르기 때문입니다.
펜로즈와 그의 동료들은 이러한 흔적을 이미 발견했을 가능성이 있다고 생각하며, 플랑크 데이터의 패턴을 이전 우주의 초대질량 블랙홀에서 발생한 복사 로 추정합니다 . 그러나 그들이 주장하는 관측 결과는 다른 물리학자들에 의해 반박 되어 아직 확실한 결론은 나오지 않았습니다.
펜로즈의 비전에는 끝없는 새로운 순환이 핵심입니다. 하지만 등각 순환 우주론을 다중 순환에서 단일 순환 형태로 전환하는 자연스러운 방법이 있습니다. 그러면 물리적 현실은 빅뱅을 거쳐 먼 미래의 최대한 텅 빈 상태까지 단 한 바퀴 도는 것으로 구성됩니다. 그리고 다시 같은 빅뱅으로 돌아가면서 완전히 똑같은 우주가 다시 탄생합니다.
후자의 가능성은 양자역학의 또 다른 해석인 다세계 해석과 일치합니다.다세계 해석은 중첩 상태의 시스템을 측정할 때마다 이 측정이 무작위로 상태를 선택하지 않는다고 말합니다.대신, 우리가 보는 측정 결과는 단지 하나의 가능성, 즉 우리 우주에서 일어나는 가능성일 뿐입니다.다른 측정 결과는 모두 다중 우주의 다른 우주에서 일어나며, 사실상 우리 우주와 단절됩니다.따라서 무언가가 발생할 확률이 아무리 작더라도 0이 아닌 확률이 있다면 그것은 어떤 양자 평행 세계에서 발생합니다.다른 세계에는 복권에 당첨되었거나, 기이한 태풍에 구름 속으로 휩쓸렸거나, 자연적으로 발화했거나, 또는 이 세 가지를 동시에 한 당신과 똑같은 사람들이 있습니다.
우리의 빅뱅은 무한히 많은 다른 우주가 함께 발생하는 단일 양자 다중 우주의 재탄생일 수 있습니다.
일부 사람들은 그러한 평행 우주가 우주론적 데이터에서도 관찰될 수 있다고 믿습니다 . 다른 우주가 우리 우주와 충돌하면서 생긴 흔적이죠.
다중세계 양자 이론은 등각 순환 우주론에 새로운 해석을 제시하지만, 펜로즈는 이에 동의하지 않습니다. 우리의 빅뱅은 무한히 많은 서로 다른 우주들이 함께 발생하는 단일 양자 다중우주의 재탄생일지도 모릅니다. 가능한 모든 일이 일어나고, 그 일은 계속해서 반복됩니다.
고대 신화
과학철학자에게 펜로즈의 비전은 매우 매력적입니다. 그의 비전은 빅뱅을 설명하는 새로운 가능성을 열어주며, 우리의 설명을 일반적인 원인과 결과의 틀에서 벗어나게 합니다. 따라서 물리학이 우리 세계를 설명하는 다양한 방식을 탐구하는 훌륭한 시험대입니다. 철학자들의 더 많은 관심을 받을 만합니다.
신화를 사랑하는 사람에게 펜로즈의 비전은 아름답습니다. 펜로즈가 선호하는 다주기 형태는 조상의 재에서 탄생하는 끝없는 새로운 세계를 약속합니다. 단주기 형태는 고대의 우로보로스 , 즉 세계뱀이라는 개념을 현대적으로 재해석한 인상적인 작품입니다. 북유럽 신화에서 뱀 요르문간드는 영리한 사기꾼 로키와 거인 앙그르보다의 자식입니다. 요르문간드는 자신의 꼬리를 먹고, 그 안에서 생성된 원이 세계의 균형을 유지합니다. 하지만 우로보로스 신화는 고대 이집트를 포함하여 전 세계에 기록되어 왔습니다.
단일 순환 우주의 우로보로스 는 참으로 장엄합니다. 그 안에는 우리 우주뿐 아니라 양자 물리학이 허용하는 모든 기묘하고 경이로운 대안적 우주들이 담겨 있습니다. 머리와 꼬리가 만나는 지점에서는 완전히 비어 있지만, 섭씨 100조 도의 엄청난 에너지로 가득 차 있습니다.
변신하는 로키조차도 감명받을 것이다.
