'팽창하는 거품 위의 우주'

우주는 5차원 공간들 사이에 생긴 팽창하는 거품 위에 존재한다는 연구가 나왔다.

과학전문매체 사이언스얼러트(Sciencealert) 보도에 따르면 스웨덴 웁살라대학교(Uppsala University) 물리학자들이 팽창하는 우리우주가 갖고 있는 묵은 수수께끼를 설명하기 위해 새롭고 대담한 아이디어를 내놨다. 우리는 실제로 다른 5차원의 공간들 사이에 있는 ‘거품(bubble)’ 위에 살고 있을지도 모른다는 것이다. 

이들의 연구는 물리학 저널  Physical Review Letters 최근호에 실렸다.

웁살라대학교 연구팀의 새로운 우주모델은 팽창을 일으키는 원인으로 알려진 암흑에너지가 없어도 된다. 대신 음의 에너지가 있다.

우리가 알고 있는 우리의 우주는 4개의 차원, 3개의 공간 차원(위-아래, 좌-우, 앞-뒤)과 우리 모두를 움직이게 하는 1개의 시간 차원으로 구성되어 있다.

그러나 연구팀은 5차원으로 된 새로운 종류의 공간을 제안했다. 그들 공간 두 개가 겹치는 접합부는 팽창하는 거품을 형성한다. 연구팀은 “전 우주가 이 팽창하는 거품 가장자리에 수용되어 있다”고 말했다.

이것은 정말로 말도 안 되는 것처럼 보인다. 하지만 여기엔 대단히 중요한 목표가 있는데, 그것은 우리 우주의 지속적인 팽창을 책임지는 이론상의 힘인 ‘암흑 에너지’를 설명한다는 것이다.

수십 년 동안 연구원들은 많은 행운 없이, 끈 이론을 이용하여 암흑에너지 문제를 풀기 위해 노력해 왔다. 끈 이론은 과학의 “아이디어는 훌륭하지만 실체를 설명하는 데에는 부끄러운' 과학의 개념 중 하나다. 그것은 우아하고, 양립할 수 없는 물리학을 조화시키고자 하는 희망을 지닌다.

그것은 일반상대성이론에 차원을 추가하려고 하는 초기의 노력에서부터 나타났는데, 전하(charge)와 각운동량(spin)과 같은 물질의 특성은 다차원을 움직이는 1차원 ‘끈들’의 결과라고 제안한다.

이러한 끈들은 얼마나 수많은 다양한 방식으로 움직일 수 있는데, 그 방법은 추가하거나 또는 다른 속박된 특성에 달렸다. 그 결과 10의 500승 개의 방법이 나타나는데, 우리 우주의 특징들의 혼합은 단지 한 가지일 뿐이다.

문제는 끈 이론이 틀렸고, 우리가 우주에서 관찰하는 것과 양립할 수 없다는 것이 점점 더 분명해지고 있다는 사실이다. 그리고 심지어 그것이 틀리지 않더라도, 테스트가 불가능하지 않다면 그것은 비현실적이다. 

과학에서 잘못될 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 끈 이론은 더는 달릴 수 없는 데다 폐품을 가득 남긴  낡은 자동차와 같은 신세다. 

팽창하는 우주공간을 보자. 한동안 우리는 이것이 암흑에너지라고 불리는 힘 탓이라고 했다. 이것은 물질을 찢어 내부에 떠다니게 하지 않고도 더 많은 공간이 추가되는 현상이다.

우리는 이것을 네덜란드 천체물리학자인 빌렘 드 시테르Willem de Sitter)의 이름을 따서 '드 시테르 우주 해'(de Sitter Universe solution)이라고 부른다. 우주상수가 포함된 아인슈타인 방정식의 풀이를 말하는데, 우주 팽창이 암흑에너지의 지배를 받는 경우를 말한다. 이것은 우리의 관측과 잘 들어맞아 대체로 받아들여지고 있다.

유감스럽게도 끈 이론의 과거 변형들 중 어느 것도 현재 일어나는 상황을 설명해주지 못한다. 끈 이론은 진공 에너지가 떨어지거나 적어도 꾸준히 음일 때만 유효하다. 그래서 우리는 모든 끈 이론 아이디어를 버리거나 아니면 우리 모두가 알고 사랑하는 '드 시테르 해'를 던져버려야 할 처지에 놓였다.

이런 상황에서 웁살라대학교 물리학자들이 마침내 끈 이론과 '드 시테르 해' 둘 모두를 유지할 수 있는 새로운 해법을  내놓았다.

그것은 약 20년 전에 등장한 또 다른 아이디어에 바탕을 두고 있다. 당시 미국의 이론물리학자인 리사 랜들(Lisa Randall)과 라만 선드럼(Raman Sundrum)은 왜 중력이 다른 힘보다 훨씬 약한지에 관한 문제를 풀기 위해 막(branes)이라고 불리는 지점에서 만나는 서로 다른 종류의 5D 공간에 바탕을 둔 대안 우주모델을 제안했다.

시간이 똑딱거리는 공간을 생각해보자. 이 공간은 위-아래, 좌-우, 앞-뒤가 있고, 그 밖의 다른 것들도 있고... 아니, 나도 그것이 어떻게 생겼는지 모르겠다. 중요하게도, 그것 역시 우리가 '반-드 시테르 공간'이라고 부르는 우주다. 우리의 우주와 달리 이 우주는 암흑에너지에 의해 지배되지 않고, 적절한 종류의 음의 에너지를 갖는다.

이 5차원의 반-드 시테르 공간 중 2개를 서로 붙여보자. 랜들과 선드럼은 다른 힘들에 관한 설명을 도와주는 다른 막들을 제안했다. 이 경우, 연구원들은 적절한 양의 중력을 전달하는 입자들로 완비된 우리의 팽창하는 4차원 우주를 설명하기 위해 동일한 종류의 공간을 사용했다.

끈 이론은 어디에서 작동하는가? 여분의 차원에서 우주로 확장하는 ‘끈’(페이지 상단에 있는 이미지에서 나오는 빛)은 특별한 '맛(flavour)'이 있다. 연구팀은 "우주의 모든 존재하는 물질은 여분의 차원으로 확장되는 끈의 끝에 해당된다”고 보도자료를 통해 설명했다.

더 중요한 것은 기존 끈 이론 모델과는 달리 이것은 여전히 반-드 시테르 공간에서도 작동한다는 것이다. 사실, 그것은 내부와 외부에 5차원 공간을 가진 팽창하는 거품과 같은 어떤 것을 묘사한다.

다른 모든 끈이론 모델들과 마찬가지로 그들은 단번에 해결책을 찾지 못했을 것이다. 차원 사이 거품의 표면에서 산다는 것은 시적인 생각이지만, 여전히 매우 관념적이다.

물리학은 우리가 종이에서 작동하는 흥미로운 아이디어를 뿌리치고 현실과 일치하는 것을 볼 필요가 있는 지점에 도달하고 있다.

진동하는 끈과 거품 우주의 이상한 개념 어딘가에 입자가속기에 등장하는 이상한 통계나 천문학적인 관측에서 추가되기를 거부하는 숫자처럼 희한하게 생긴 결론들이 있을 것이다. 그리고 어쩌면 – 어쩌면 – 끈이론의 조각들 속에 차세대 물리학의 가장 위대한 아이디어가 포함돼 있을지 모를 일이다.

# 기사출처 : ♠Sciencealert, Mind-Melting Study Says Our Universe Is an Expanding Bubble in Another Dimension
♠Physical Review Letters, Emergent de Sitter Cosmology from Decaying Anti–de Sitter Space

<'우주관 오디세이' 저자·동아대 겸임교수>(번역도움 : 신창민·부산대 물리학과3)

인저리타임 조송현 pinepines@daum.net 조송현의 기사 더보기

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