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주기적 다중우주 - 끈이론  

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] 시간에 따라 나타나는 다중우주

이 우주는 나머지 다중우주와 전혀 다르다. 다른 다중우주들이 모두 공간 속에 여러 개의 우주가 동시에 존재하는 형태인데 반해, 이 다중우주는 시간 속에 여럿 존재하는, 주기적으로 나타났다 사라지는 다중우주다.
빅뱅, 그리고 뒤이은 인플레이션을 떠올려보자. 이 이론은 우주가 어떻게 ‘태어나는지’를 설명해 준다. 하나의 특이점에서 우주가 시작됐고, 계속해서 팽창하고 있다. 우주에 시작점이 있다는 것은 이전으로 시간을 거슬러 올라갈 필요가 없다는 뜻이다. 이전에는 우주가 없었다. 영원한 인플레이션이론에서 아무리 인플레이션 다중우주를 이야기해도, 모두 ‘우주가 시작된 뒤’에 만들어졌다는 점은 동일하다.

하지만 만약 이 ‘시작’점이 사실은 시작이 아니라면 어떨까. 빅뱅으로 우주가 태어나는 순간 이전에도 우주가 존재했다. 우주는 무슨 이유에서인지 빅뱅과 인플레이션을 일으켰고, 새로운 우주가 탄생했다. 하지만 이 우주도 시간이 지나면 어떤 이유로 다시 대폭발을 일으킨다. 이 과정이 무한히 반복된다. 빅뱅과 인플레이션이 탄생시킨 하나하나의 우주는 각각 모두 다른 우주다. 시간에 따라 나타났다 사라지고를 반복하기 때문에 ‘다중’우주가 아닌 것처럼 보일 수 있다. 하지만 만약 시간을 하나의 긴 줄에 비유하고 주기적으로 나타나는 우주를 줄에 있는 매듭이라고 보면, 여러 개의 우주가 시간이라는 차원에 나란히 존재하고 있다는 사실을 알 수 있다. 시공간의 차원에서 보면 시간과 나머지 공간(3차원)을 구분할 이유가 없기 때문에 주기적 다중우주도 어엿한 다중우주다.

사실 ‘주기적 다중우주’ 아이디어는 옛날부터 있었다. 우주가 주기적으로 팽창했다 다시 쪼그라들어 점으로 작아졌다는 아이디어가 대표적인 예다. 하지만 이론물리학적으로 설명할 수 없는, 말 그대로 아이디어에 불과했다. 하지만 끈이론을 통해 정교한 세부 사항을 설명할 수 있게 됐다. 몇 가지 설명이 있는데, 이 가운데 하나가 2000년대 초반 큰 인기를 얻은 ‘브레인 충돌 빅뱅 이론’이다.

[아이디어] 새로운 끈이론이 낳은 우주들

오늘날 끈이론은 닫히고 열린 작은 끈만 다루는 이론이 아니다. 끈이 방향이 하나인 1차원 요소라면, CD나 종이 같은 2차원, 튜브 같은 3차원 요소까지 다양한 차원의 요소를 다룬다. 최신 끈이론인 M이론에서는 다양한 차원의 공간이 9차원까지 있으며, 이들이 11차원 시공간 속을 떠다닌다. 사람은 3차원 이상의 공간을 상상할 수 없으니 차원을 낮춰 비유하면, 3차원 허공에 2차원 마법의 양탄자가 떠다니는 것과 비슷한 상황이다. 이들 하나하나의 공간은 ‘브레인(Brane)’이라고 하며 우리가 사는 우주도 그 중 하나인 3차원 브레인이라고 본다(보기에 따라 브레인 하나하나를 다중우주로 여길 수도 있다).

브레인 충돌 빅뱅 이론에 따르면 이들 브레인(몇 차원이든 상관없다)은 더 큰차원의 시공간 속에서 가까이 있을 수 있고, 충돌도 할 수 있다. 이 충돌이 바로 빅뱅이다. 거기에서 그치는 것이 아니다. 일단 충돌이 일어나고 나면(①), 두 브레인은 마치 심벌즈를 탕 치고 난 다음처럼 서로 튕겨나가며 멀어진다. 이 과정에서 팽창이 일어난다(②). 두 브레인 사이의 중력 때문에(중력은 중력자라는 닫힌 끈이 매개하는데, 브레인 사이를 떠돌아다닐 수 있는 유일한 끈이다) 멀어지는 속도는 점점 느려지다 어느 순간 멈추고는(③) 다시 가까워지기 시작한다. 멀어질 때는 브레인의 팽창 속도가 느려지고, 멈췄을 때 쯤에는 물질 농도가 희박해진다. 가까워질 때 브레인의 팽창 속도는 반대로 빨라진다(④). 그리고 다시 심벌즈가 부딪히듯이 충돌이 일어나며 우주는 진공에서 다시 시작한다.

이 이론은 빅뱅 이후 팽창속도가 느려지다가 약 70억 년 이후 다시 빨라져 현재에 이르렀다는 연구 결과와 일치한다. 이에 따르면, 우리 우주는 다시 브레인이 서로 충돌을 향해가고 있는 중이다.

[등장] 주기적 다중우주의 가능성

주기적 다중우주론은 표준 빅뱅이론과 인플레이션 우주론이 갖는 단점을 몇 가지 해결해 준다. 가장 큰 장점은 이전 이론이 갖던 골치 아픈 난제를 피해간다는점이다. 바로 우주의 시작이 언제인지를 물을 필요가 없어진다. 우주에는 시작도 끝도 없어진다. 우주상수(또는 암흑에너지)와 관련한 미스터리도 해결할 수 있다는 주장도 있다. 이 이론을 주장한 대표적인 학자인 폴 스타인하르트(Paul Steinhardt, 1952~) 미국 프린스턴대 수리과학센터 교수는 2006년 미국 뉴포트에서 열린 14회 ‘초대칭과 기본 상호작용력의 통일’ 학술대회에서 “우리 우주가 하필 ‘딱 좋은’ 우주상수를 지닌 이유를 굳이 랜드스케이프 다중우주를 통하지 않아도 설명할 수 있다”고 주장했다.
  

[비판과 한계] 관측을 통해 검증할 수 있을까

브라이언 그린(Brian Greene, 1963~) 교수는 [멀티 유니버스]에서 “현재 이 이론을 진지하게 믿는 학자는 많지 않다”고 말했다. 다른 다중우주가 그렇듯, 이 이론도 관측을 통한 검증이 이뤄지지 않았다. 만약 관측에 성공해서 브레인의 존재를 확인하게 된다면 브레인의 충돌을 전제로 한 주기적 우주의 존재 가능성도 높아진다. 하지만 브레인 관측은 아직은 요원하다.
관측 증거 후보로 유력한 것은 우주 초기의 중력파다. 빛을 이용해 관측이 가능한 시간적 한계는 빅뱅 이후 38만 년 이후부터다. 이 경계를 “최후산란면”이라고 하며, 그 이전은 오직 중력이 시공간에 미친 요동인 ‘중력파’를 통해서만 확인할 수 있다. 이형목 교수는 “주기적 다중우주설에서는 빅뱅 직후 중력파가 나오지 않는다고 본다”며 “반면 인플레이션 우주론에 따르면 중력파가 나와야 하기 때문에 중력파 검출 여부가 중요한 단서가 될 것”이라고 말했다. 중력파 검출은 현재 미국의 ‘라이고(LIGO)’ 등 몇 곳에서 이뤄지고 있는데, 아직은 직접 우주 초기 중력파를 검출할 해상도에 도달하지는 못했다. 이 문제는 검출기의 성능을 높이고 지구 밖에 검출기를 보내는 방법으로 해결할 계획이다.