우주 ≫ 다중우주

인플레이션 다중우주 : 2단계 다중우주

다중우주
- 누벼 이은 다중우주 (Quilted Multiverse) : 무한히 큰 우주공간에 걸쳐 평행우주가 반복되고 있다.
- 인플레이션 다중우주 : 영원히 지속되는 우주적 인플레이션은 무수히 많은 거품우주를 낳는다
- 양자적 다중우주 : 양자역학의 확률파동에 존재하는 다양한 가능성들은 수많은 평행우주에서 모두 실현된다.
- 시뮬레이션 다중우주 : 기술이 발전하면 컴퓨터 시뮬레이션으로 실제로 똑같은 우주를 만들어낼 수 있다.
- 주기적 다중우주 : 브레인세계들이 충돌이 반복되면 공간이 아닌 시간을 따라 다중우주가 존재하게 된다.
- 경관 다중우주(Landscape) : 인플레이션 우주론과 끈이론을 결합하면 다양한 여분차원들이 다양한 거품우주를 양산한다.



[특징] 물리법칙이 다른 ‘딴세상’ 우주
2단계 다중우주는 우리 우주와 다른 물리법칙의 지배를 받는, 우리와 전혀 다른 다중우주가 존재한다고 본다. 끈이론과 관련 있는 다중우주 둘(주기적 다중우주, 랜드스케이프 다중우주)은 별도로 소개하고, 여기에서는 영원한 인플레이션 다중우주만 소개한다.

[아이디어] 인플레이션이 영원히 계속된다면?

인플레이션 이론은 우주가 밀도가 무한한 한 공간(우주의 평평도에 따라 하나의 점일 수도 있고, 끝없이 펼쳐진 무한 공간일 수도 있다)에서 시작됐으며, 초창기에 우주가 기하급수적으로 팽창하는 시기가 있었다고 설명하는 이론이다. 이 이론에서는 우주가 척력을 발생시키는 입자(Inflaton, 인플라톤)의 장(field, 인플라톤장)으로 가득 차 있었다고 본다. 인플라톤장의 에너지(일종의 위치에너지)가 높으면 인플레이션이 일어난다. 마치 높은 산 위의 공이 골짜기로 굴러 떨어지면 위치에너지를 방출하며 공의 속도를 높이듯(운동에너지로 바뀌었다), 인플라톤 에너지도 낮아지면서 뭔가 다른 일을 한다. 이때 인플라톤이 하는 일은 물질과 암흑물질을 만드는 것이다. 마치 수증기가 응결하듯 물질(입자)이 생기고, 물질이 양자역학적인 요동 때문에 지역적으로 조금씩 밀도를 달리하면 별과 은하가 생긴다.
인플레이션 우주론에서는 우리 우주가 탄생 뒤 10-30초만에 인플라톤이 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 뚝 떨어졌다고 본다. 하지만 그 짧은 사이에 인플라톤의 영향으로 공간은 1025배로 팽창했다.
공간은 이후로도 지속적으로 팽창했고, 초기의 초고온 상태를 벗어나 차갑게 식어버렸다. 하지만 인플레이션 이론에 따르면, 우주가 아직 작을 때는 온도 등의 정보를 모든 곳과 서로 충분히 교환할 수 있었다. 그래서 전체적으로 온도가 균질해졌고, 137억 년이 지난 지금까지도 우주 초창기에 최초로 방출한 빛이 남긴 온도 흔적(이것이 ‘우주배경복사’다)은 균질하다. 우주 전체에서 겨우 1000분의 1 정도의 차이밖에 없을 정도다. 인플레이션 없이 이렇게 될 확률은 대단히 낮기 때문에, 인플레이션 이론은 우주의 탄생을 잘 설명해 준다는 평을 듣고 있다.

[등장] 끊임없이 ‘새끼 우주’가 태어난다

이런 인플레이션 우주론에서 다중우주의 아이디어가 나온다. 인플레이션 우주론 중에는 인플레이션이 한번으로 끝나는 게 아니라, 우주 여기저기에서 계속해서 일어난다는 ‘영원한 인플레이션(Eternal Inflation)’ 이론이 있다. 이것은 인플라톤 입자가 ‘모든 상태가 가능한’ 양자역학의 불확정성 때문에 에너지 상태가 낮은 상태로 고정되지 않고 변덕스럽게 변해서다.이런 인플라톤 장의 요동 때문에 우주에는 인플라톤 에너지의 크기가 미세하게 다른 지역이 여기저기 마구 섞여 있게 된다. 이 중 에너지가 상대적으로 큰 지역에서는 팽창이 일어날 것이고, 그렇지 않은 지역에서는 뻥 뚫린 공백이 생기고 안에 물질과 은하가 생길 것이다. 이 과정이 우주 대부분의 지역에서 영원히 계속된다. 그 결과, 우주 안팎에 우주가 새끼처럼 계속 생겨난다. 이 우주는 입자에 질량을 주는 힉스 등 입자의 특성이 다르다. 그래서 제1우주와 달리 물리법칙이 완전히 다른 우주가 태어날 가능성이 있다.

[비판과 한계] 반드시 ‘딴 세상 물리학’을 낳는 것은 아니다

이 이론이 증명되려면 먼저 인플레이션 이론의 타당성이 증명돼야 한다. 인플레이션 이론 자체는 우주배경복사 관측으로 설득력을 지니게 됐지만, 1980년대에 로저 펜로즈(Roger Penrose, 1931~) 영국 옥스퍼드대 물리학과 교수가 주장했던 ‘초기조건 문제(인플레이션이 다른 형태로 일어나거나 심지어 일어나지 않고 지금과 같은 ‘평평한 우주’가 나타날 확률이 훨씬(1010100배) 높다는 주장)이 완전히 해결된 것은 아니다. 또 핵심인 인플라톤장은 측정을 통해 증명되지 않은 가설적인 장이다.
영원한 인플레이션이 만든 다중우주의 흔적을 검출하려는 시도도 있다. 매튜 클레번 미국 뉴욕대 물리학과 교수는 2011년 한 논문에서 “팽창하는 거품 다중우주가 서로 충돌할 수 있으며, 이 경우 우주배경복사에 특정한 무늬(온도 차이)를 남긴다”고 주장했다. 하지만 개별 우주가 팽창하는 속도보다 우주끼리 서로 멀어지는 속도가 더 빨라 만나지 않는다는 주장도 있다.
우주마다 물리법칙이 다르다는 가정도 확실한 근거가 있는 것은 아니다. 조지 엘리스 남아프리카공화국 케이프타운대 수학과 석좌교수는 2011년 8월 미국 과학잡지 [사이언티픽 아메리칸] 기고문을 통해 “영원한 인플레이션 자체만으로 다중우주마다 다른 물리법칙이 있다는 결론을 낼 수 없다”고 지적했다.