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=== 양자역학의 다 세계 해석 === | === 양자역학의 다 세계 해석 === | ||
| − | 다 세계 해석은 미국의 물리학자 [[휠러]](John Wheeler)의 제자로서 미국의 플링톤 대학의 대학원생이었던 [[에버렛]](Hugh Everett Ⅲ)이 박사학위 논문으로 쓴 '평행우주(parallel worlds)'가 원점이다. 이 해석은 양자역학적인 상태가 항상 완벽한 기술이며, 측정에 의해서 그 상태로부터 손실되는 것은 아무것도 없다고 전제한다. 코펜하겐 해석에 의하면 양자계의 가능한 모든 상태를 중첩하고 있는 확률 파동은 관측에 의해 단 한 가지 가능성만 남고 나머지는 즉각 붕괴된다. 이에 비해 다 세계 해석은 비록 관측을 하더라도 확률 파동은 각각의 상태를 지닌 채 그대로 진행된다. 그래서 많은 세계가 생기는 것이다. 에버렛은 양자론이 자연계의 기본원칙이라면 그 원리는 [[미시세계]]에만 한정되지 않고, 미시세계의 물질로 구성되는 [[거시세계]]의 모든 것에, 나아가 우주 전체에까지 적용될 것이라고 생각했다. 그 우주는 지금부터 약 137억 년 전에 한 점(특이점)이 [[빅뱅]]이라는 대폭발을 일으켜 현재에 이르렀다. 그로부터 무수한 미립자가 탄생하고, 별들이나 우리의 신체를 구성하는 물질이 만들어져 왔다. 아무것도 없는 상태인 진공으로부터 빛 등의 미립자가 생기면 어떻게 되는지는 양자론으로는 확률적인 문제가 된다. 이때 우주는 '미립자가 생긴 우주'와 '미립자가 생기지 않는 우주'로 나뉜다고 에버렛은 생각했다. 그리고 가능성의 정도만큼(코펜하겐 해석으로 말하면 서로 겹침이 되어 있는 상태의 수만큼) 계속 반복되어 우주 속의 하나가 우리들이 있는 현재의 우주이고, 동시에 '다른 내가 있는 우주'와 '내가 없는 우주(평행 우주)'도 어딘가에 존재하고 있다는 것이다. 다 세계 해석의 최대 장점은 슈뢰딩거방정식으로 설명할 수 없는 '확률 파동의 붕괴'라는 가정을 사용하지 않는다는 점에 있다. 인간이 관측하는 순간 특정 파동으로 수렴해 입자가 발견되고 동시에 나머지 파동은 모조리 붕괴된다는, 즉 '파동으로서 운동을 하는 전자'와 '입자로서 발견되는 전자'라는 불가피한 괴리를 갖는 코펜하겐 해석의 난점을 해결하게 된다. 코펜하겐 해석에서는 관측되기 전 전자의 위치에 대해 '여러 장소에 있는 상태가 겹쳐 있다.'고 가정했다. 이것에 비해 다 세계 해석에서는 관측하기 전 전자는 어딘가 하나의 장소에만 있다고 가정한다. 그 대신에 우리들이 알지 못하는 사이에 세계가 복수로, 예를 들어 '전자가 A점에 있는 세계', 'B점에 있는 세계' 등으로 나뉘어져 있다고 해석한다. 즉 하나의 전자가 '각각의 장소에 있는 상태'가 겹쳐 있는 것이 아니라, '전자가 각자의 장소에 있는 세계'가 겹쳐져 있고 동시 진행하고 있는 것이다. 게다가 관측자도 각각의 세계에 나뉘어져 존재하고 있다. 하지만 나뉜 각각의 관측자는 자신이 어느 세계에 와 있는지를 전자를 관측하기까지 단정할 수 없다. 실제로 전자를 관측하고 난 다음 비로소 여기는 전자가 A점에 있는 세계라고 아는 것이다. 단지 사전에 확률적으로 예측하는 것은 가능한데, 이는 코펜하겐 해석에서와 마찬가지로 [[파동함수]]의 확률해석을 그대로 사용한다. 다 세계 해석으로 '[[슈뢰딩거 고양이]]'를 생각하며 코펜하겐 해석에 따르면, 상자를 열기 전에는 산 고양이와 죽은 고양이의 세계가 겹친 상태로 존재한다. 이에 반해 다 세계 해석에서는 관측자가 알아차리지 못하는 사이에 상자 안과 밖이라는 두 개의 세계로 나뉜다. 그 하나는 '상자 안에서 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키고 그 때문에 독가스가 발생돼 고양이가 죽고, 그 상자 밖에 관측자가 있는 세계'이고, 또 하나는 '상자 안의 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키지 않고 따라서 독가스는 발생하지 않아 고양이는 살아 있고, 그 상자 밖의 관측자가 있는 세계'이다. 그러므로 앞의 세계의 관측자가 상자를 열면 고양이는 죽어 있고, 뒤의 관측자라면 고양이의 생존을 확인하게 된다. 다 세계 해석은 반생반사 상태의 고양이나 파동의 붕괴라는 이상한 개념도 필요 없고, 논리적인 모순도 없이 '슈뢰딩거 고양이'를 설명할 수 있다. 단, '고양이가 살아 있는 세계와 죽어 있는 세계가 정말로 평행하게 존재하는가'라는 질문을 확인해주지 못하였다. 다 세계 해석을 양자역학의 본질을 내포한' 전자의 2중 슬릿 실험'에 적용해서 보면, 먼저 코펜하겐 해석에 의하여 전자총에서 발사된 하나의 전자는 '왼쪽 슬릿을 통과한 상태'와 '오른쪽 슬릿을 통과한 상태'가 겹쳐져서 간섭을 일으키게 된다. 그것이 스크린에서 관측될 때는 파동의 수축에 의해 어느 한 점에 발견되지만, 이것을 몇 번 반복하면 전자가 발견된 위치의 흔적은 간섭무늬 모양이 된다. 다 세계 해석으로 설명하면 이렇게 된다. 한 개의 전자가 2중 슬릿을 통과할 때, 세계는 둘로 나뉜다. 이들은 '전자가 왼쪽 슬릿을 통과할 때의 세계'와 '오른쪽 슬릿을 통과할 때의 세계'이다. 그러나 전자는 두 개의 세계로 나뉜 뒤 다시 만나고, 서로 겹쳐진다. 따라서 이 전자는 두 개의 다른 과거를 지니게 된다. 하나의 전자 안에 두 개의 역사가 서로 겹쳐 있는 것이다. 그 결과 전자는 좌우 양쪽의 슬릿을 통과하는 것을 의미하는 간섭무늬를 스크린에 그리게 된다. 다 세계 해석은 발표 당시에는 외면받았지만 에버렛의 사망(1982년) 후 많은 물리학자와 우주론 학자들의 영감의 원천이 되었고, 요즘 물리학계에서도 진지하게 논의되고 있는 평행우주론과 다중우주론은 에버렛의 다 세계 해석에 힘입은 바 크다고 할 수 있다. 특히 MIT 물리학과 교수인 [[맥스 테그마크]](Max Tegmark)는 최근 발간한 '맥스 테그마크의 우주'를 통해 "빅뱅의 난점을 해결해주는 인플레이션 이론에서 평행우주가 수학적으로 도출된다"며 "많은 물리학자들이 이를 진지하게 받아들이기 시작했다."고 소개했었다. 그러나 다 세계 해석은 비록 코펜하겐 해석의 난점을 이론적으로 설명해주긴 하지만, '평행우주'의 존재를 확인할 수 없는 데다 상식과 너무나 괴리가 큰 무수한 우주, 무수한 나를 필연적으로 만들어낸다는 한계를 지니게 된다. 다 세계 해석은 논리적인 모순은 없지만, 일반적인 과학이론의 요건 가운데 자주 인용되는 두 가지를 만족시키지 못한다. 과학철학자 [[칼 포퍼]](Karl Popper)는 반증 가능하지 않은 이론은 과학이 아니라고 주장했는데, 다 세계 해석이 이에 해당한다. 물리적으로 우리 우주 안에서 다른 우주와 소통할 수 없고, 따라서 다 세계 해석에서 말하는 지금 내가 속한 우주 외의 다른 우주의 '나'를 확인할 방법이 없게 된다. 수많은 우주가 존재하고 또 그 우주마다 나 아닌 또 다른 내가 존재한다는 사실을 어떻게 증명할 수 없기 때문이다. 두 번째는 어떤 현상을 설명할 때 불필요한 가정을 해서는 안 된다는 '오컴의 면도날' 원리를 거스른다는 것이다. 오컴은 "조금이면 족할 것을 가지고 많이 사용하는 것은 낭비다" | + | 다 세계 해석은 미국의 물리학자 [[휠러]](John Wheeler)의 제자로서 미국의 플링톤 대학의 대학원생이었던 [[에버렛]](Hugh Everett Ⅲ)이 박사학위 논문으로 쓴 '평행우주(parallel worlds)'가 원점이다. 이 해석은 양자역학적인 상태가 항상 완벽한 기술이며, 측정에 의해서 그 상태로부터 손실되는 것은 아무것도 없다고 전제한다. 코펜하겐 해석에 의하면 양자계의 가능한 모든 상태를 중첩하고 있는 확률 파동은 관측에 의해 단 한 가지 가능성만 남고 나머지는 즉각 붕괴된다. 이에 비해 다 세계 해석은 비록 관측을 하더라도 확률 파동은 각각의 상태를 지닌 채 그대로 진행된다. 그래서 많은 세계가 생기는 것이다. 에버렛은 양자론이 자연계의 기본원칙이라면 그 원리는 [[미시세계]]에만 한정되지 않고, 미시세계의 물질로 구성되는 [[거시세계]]의 모든 것에, 나아가 우주 전체에까지 적용될 것이라고 생각했다. 그 우주는 지금부터 약 137억 년 전에 한 점(특이점)이 [[빅뱅]]이라는 대폭발을 일으켜 현재에 이르렀다. 그로부터 무수한 미립자가 탄생하고, 별들이나 우리의 신체를 구성하는 물질이 만들어져 왔다. 아무것도 없는 상태인 진공으로부터 빛 등의 미립자가 생기면 어떻게 되는지는 양자론으로는 확률적인 문제가 된다. 이때 우주는 '미립자가 생긴 우주'와 '미립자가 생기지 않는 우주'로 나뉜다고 에버렛은 생각했다. 그리고 가능성의 정도만큼(코펜하겐 해석으로 말하면 서로 겹침이 되어 있는 상태의 수만큼) 계속 반복되어 우주 속의 하나가 우리들이 있는 현재의 우주이고, 동시에 '다른 내가 있는 우주'와 '내가 없는 우주(평행 우주)'도 어딘가에 존재하고 있다는 것이다. 다 세계 해석의 최대 장점은 슈뢰딩거방정식으로 설명할 수 없는 '확률 파동의 붕괴'라는 가정을 사용하지 않는다는 점에 있다. 인간이 관측하는 순간 특정 파동으로 수렴해 입자가 발견되고 동시에 나머지 파동은 모조리 붕괴된다는, 즉 '파동으로서 운동을 하는 전자'와 '입자로서 발견되는 전자'라는 불가피한 괴리를 갖는 코펜하겐 해석의 난점을 해결하게 된다. 코펜하겐 해석에서는 관측되기 전 전자의 위치에 대해 '여러 장소에 있는 상태가 겹쳐 있다.'고 가정했다. 이것에 비해 다 세계 해석에서는 관측하기 전 전자는 어딘가 하나의 장소에만 있다고 가정한다. 그 대신에 우리들이 알지 못하는 사이에 세계가 복수로, 예를 들어 '전자가 A점에 있는 세계', 'B점에 있는 세계' 등으로 나뉘어져 있다고 해석한다. 즉 하나의 전자가 '각각의 장소에 있는 상태'가 겹쳐 있는 것이 아니라, '전자가 각자의 장소에 있는 세계'가 겹쳐져 있고 동시 진행하고 있는 것이다. 게다가 관측자도 각각의 세계에 나뉘어져 존재하고 있다. 하지만 나뉜 각각의 관측자는 자신이 어느 세계에 와 있는지를 전자를 관측하기까지 단정할 수 없다. 실제로 전자를 관측하고 난 다음 비로소 여기는 전자가 A점에 있는 세계라고 아는 것이다. 단지 사전에 확률적으로 예측하는 것은 가능한데, 이는 코펜하겐 해석에서와 마찬가지로 [[파동함수]]의 확률해석을 그대로 사용한다. 다 세계 해석으로 '[[슈뢰딩거 고양이]]'를 생각하며 코펜하겐 해석에 따르면, 상자를 열기 전에는 산 고양이와 죽은 고양이의 세계가 겹친 상태로 존재한다. 이에 반해 다 세계 해석에서는 관측자가 알아차리지 못하는 사이에 상자 안과 밖이라는 두 개의 세계로 나뉜다. 그 하나는 '상자 안에서 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키고 그 때문에 독가스가 발생돼 고양이가 죽고, 그 상자 밖에 관측자가 있는 세계'이고, 또 하나는 '상자 안의 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키지 않고 따라서 독가스는 발생하지 않아 고양이는 살아 있고, 그 상자 밖의 관측자가 있는 세계'이다. 그러므로 앞의 세계의 관측자가 상자를 열면 고양이는 죽어 있고, 뒤의 관측자라면 고양이의 생존을 확인하게 된다. 다 세계 해석은 반생반사 상태의 고양이나 파동의 붕괴라는 이상한 개념도 필요 없고, 논리적인 모순도 없이 '슈뢰딩거 고양이'를 설명할 수 있다. 단, '고양이가 살아 있는 세계와 죽어 있는 세계가 정말로 평행하게 존재하는가'라는 질문을 확인해주지 못하였다. 다 세계 해석을 양자역학의 본질을 내포한' 전자의 2중 슬릿 실험'에 적용해서 보면, 먼저 코펜하겐 해석에 의하여 전자총에서 발사된 하나의 전자는 '왼쪽 슬릿을 통과한 상태'와 '오른쪽 슬릿을 통과한 상태'가 겹쳐져서 간섭을 일으키게 된다. 그것이 스크린에서 관측될 때는 파동의 수축에 의해 어느 한 점에 발견되지만, 이것을 몇 번 반복하면 전자가 발견된 위치의 흔적은 간섭무늬 모양이 된다. 다 세계 해석으로 설명하면 이렇게 된다. 한 개의 전자가 2중 슬릿을 통과할 때, 세계는 둘로 나뉜다. 이들은 '전자가 왼쪽 슬릿을 통과할 때의 세계'와 '오른쪽 슬릿을 통과할 때의 세계'이다. 그러나 전자는 두 개의 세계로 나뉜 뒤 다시 만나고, 서로 겹쳐진다. 따라서 이 전자는 두 개의 다른 과거를 지니게 된다. 하나의 전자 안에 두 개의 역사가 서로 겹쳐 있는 것이다. 그 결과 전자는 좌우 양쪽의 슬릿을 통과하는 것을 의미하는 간섭무늬를 스크린에 그리게 된다. 다 세계 해석은 발표 당시에는 외면받았지만 에버렛의 사망(1982년) 후 많은 물리학자와 우주론 학자들의 영감의 원천이 되었고, 요즘 물리학계에서도 진지하게 논의되고 있는 평행우주론과 다중우주론은 에버렛의 다 세계 해석에 힘입은 바 크다고 할 수 있다. 특히 MIT 물리학과 교수인 [[맥스 테그마크]](Max Tegmark)는 최근 발간한 '맥스 테그마크의 우주'를 통해 "빅뱅의 난점을 해결해주는 인플레이션 이론에서 평행우주가 수학적으로 도출된다"며 "많은 물리학자들이 이를 진지하게 받아들이기 시작했다."고 소개했었다. 그러나 다 세계 해석은 비록 코펜하겐 해석의 난점을 이론적으로 설명해주긴 하지만, '평행우주'의 존재를 확인할 수 없는 데다 상식과 너무나 괴리가 큰 무수한 우주, 무수한 나를 필연적으로 만들어낸다는 한계를 지니게 된다. 다 세계 해석은 논리적인 모순은 없지만, 일반적인 과학이론의 요건 가운데 자주 인용되는 두 가지를 만족시키지 못한다. 과학철학자 [[칼 포퍼]](Karl Popper)는 반증 가능하지 않은 이론은 과학이 아니라고 주장했는데, 다 세계 해석이 이에 해당한다. 물리적으로 우리 우주 안에서 다른 우주와 소통할 수 없고, 따라서 다 세계 해석에서 말하는 지금 내가 속한 우주 외의 다른 우주의 '나'를 확인할 방법이 없게 된다. 수많은 우주가 존재하고 또 그 우주마다 나 아닌 또 다른 내가 존재한다는 사실을 어떻게 증명할 수 없기 때문이다. 두 번째는 어떤 현상을 설명할 때 불필요한 가정을 해서는 안 된다는 '오컴의 면도날' 원리를 거스른다는 것이다. 오컴은 "조금이면 족할 것을 가지고 많이 사용하는 것은 낭비다."라고 했다.<ref> 조송현, 〈[https://www.injurytime.kr/news/articleView.html?idxno=4724 코펜하겐 해석의 비판과 대안]〉, 《인저리타임》,2019-01-10 </ref> |
=== 팽창이론 === | === 팽창이론 === | ||
2021년 7월 21일 (수) 11:46 판
평행우주(平行宇宙, Parallel Universe)는 자기 자신이 살고 있는 우주가 아닌 평행 선상에 위치한 또 다른 세계를 가리킨다. 다른 말로는 '서로 고립된 채 무한히 존재하는 미지의 세계들'이라 한다.[1]
목차
개요
평행우주(平行宇宙) 또는 패럴렐 월드(Parallel World)는 평행 우주설에 의한 가상의 우주 모형으로, 같은 모습을 가지고 같은 시간을 공유하는 수없이 많은 우주다. 어떤 우주에서 분기하여 그에 병행해 존재하는 또 다른 우주를 의미하며, 자신이 살고 있는 세계가 아닌 평행 선상에 위치한 다른 세계이다. 넓은 의미로 평행 우주는 다중 우주를 의미하기도 한다. 일반적으로 다중 우주는 여러 개의 우주가 있다는 이론이고, 평행 우주는 동일한 차원의 우주만을 의미한다. 차원은 다르지만 같은 세계이다.[2] 동시에, 양자역학의 법칙은 각 우주 패치(10^10^122개의 가능성) 내에서 가능한 입자 구성의 경우수가 유한개로 존재한다고 규정한다. 그러나 우주 패치 수가 무한하므로 입자 배열들은 무한히 반복될 수밖에 없다. 이것은 곧 무한히 많은 평행우주가 있다는 것을 뜻한다. 그렇다면 우리와 완전히 다른 패치들 외에도 우리와 정확히 같은 우주의 패치들 뿐만 아니라, 한 입자의 위치만 다른 패치들, 두 입자의 위치에 따라 다른 패치들도 존재가 가능하다는 얘기다. 그 결과가 사실이라면 우리는 평행우주 존재를 어떻게 감지할 수 있을까? 그 점에 있어서는 평행우주는 우리 우주와 어떤 연결도 소통도 없다는 전제가 있기 때문에 공상의 산물이라는 비판을 받기도 하며, 다세계 해석에서는 평행우주를 우리가 관측하는 것은 불가능하며, 그 존재를 부정도 긍정도 할 수 없다는 점에서 회의적인 의견도 존재한다. 이 같은 평행우주론은 그동안 수많은 논란을 불러일으켰으며, 아직까지 순전한 가설의 영역을 벗어나지 못하고 있다. 이것을 부정적인 시각으로 보는 사람들은 대부분 우리 우주에 어떤 영향도 주지 않으며, 평행하게 진행하고 있는 다른 우주를 관측하는 것이 불가능한 이상, '관측할 수 없는 것이 존재하고 있다.'는 것은 합당하지 않다고 주장한다. 다만 평행우주론자들은 우리 우주의 어딘가에 다른 우주와 충돌의 흔적이 있을 수 있다는 가정하에 우주배경복사에서 우주 충돌의 단서를 열심히 찾고 있지만 아직도 어떤 흔적도 발견하지 못한 상태다. 신의 존재 증명처럼 영원히 증명할 수 없는 가설로 끝날지, 아니면 어떤 단서가 밝혀질지 현재로선 아무도 장담할 수 없다.[3]
가설
거품우주
거품 우주는 5차원 공간들 사이에 생긴 팽창하는 거품 위에 존재한다는 가설이다. 과학전문 매체인 사이언스얼러트(Sciencealert) 보도에 따르면 스웨덴 웁살라대학교(Uppsala University) 물리학자들이 팽창하는 우리 우주가 갖고 있는 묵은 수수께끼를 설명하기 위해 새롭고 대담한 아이디어를 내놨다. 우리는 실제로 다른 5차원의 공간들 사이에 있는 거품 위에 살고 있을지도 모른다는 것이다. 이들의 연구는 물리학 저널의 최근호에 실렸다. 웁살라대학교 연구팀의 새로운 우주 모델은 팽창을 일으키는 원인으로 알려진 암흑 에너지가 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."라고 말했다. 우리 우주의 지속적인 팽창을 책임지는 이론상의 힘인 암흑 에너지를 설명한다는 것이다. 수십 년 동안 연구원들은 끈 이론을 이용하여 암흑 에너지 문제를 풀기 위해 노력해 왔다. 끈 이론은 과학의 아이디어는 훌륭했지만, 실체를 설명하는 데에는 부끄러운 과학의 개념 중 하나라고 한다. 그것은 양립할 수 없는 물리학을 조화시키고자 하는 희망을 지녔다. 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 우주 공간을 보고, 이것이 암흑에너지라고 불리는 힘 탓이라고 했다. 이것은 물질을 찢어 내부에 떠다니게 하지 않고도 더 많은 공간이 추가되는 현상이다. 우리는 이것을 네덜란드 천체물리학자인 빌렘 드 시테르(Willem 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 우주 모델을 제안했다.[4]
M이론과 추가차원
다섯 개의 이론이 M-이론이라는 원본의 '번역판'임이 알려진 후에 끈 이론은 다양한 방면에서 많은 발전을 이루었다. 그중 가장 중요한 것은 1970~1980년대의 끈 이론이 근사적인 방정식을 사용해 왔고, 그로 인해 차원 하나가 누락되었다는 점이다. 위튼(Edward Witten)의 분석에 의하면 M-이론이 예견하는 공간은 9차원이 아니라 10차원이며, 따라서 끈은 11차원의 시공간에서 살고 있다. 그 옛날 칼루자는 시공간을 5차원으로 확장하여 중력과 전자기력을 하나로 통일시켰고 끈 이론학자들이 10차원 시공간을 도입하여 양자역학과 일반상대성이론을 통합하는 기틀을 마련했듯이, 위튼은 11차원의 시공간을 도입하여 다섯 개의 끈 이론을 하나로 통합하였다. 땅바닥에 서서 다섯 개의 마을을 바라보면 완전히 격리되어 있는 것처럼 보이지만 산꼭대기에 올라서 내려다보면 오솔길이나 도로 등으로 연결되어 있는 광경이 보인다. 이와 마찬가지로 끈 이론에도 하나의 차원이 추가되면서 그들 사이의 연관성이 분명하게 드러났던 것이다. 위튼은 이전까지 사용해 왔던 끈 이론 방정식이 열 번째 공간 차원을 생략하는 근사식이었음을 입증하였다. 열 번째 차원은 기존의 아홉 개 차원보다 훨씬 작았기 때문에 근사적인 방정식에서 누락되었던 것이다. 끈 이론학자들은 수학적인 힌트가 이미 있었음에도 불구하고 근사적인 방정식의 '해상도'가 너무 낮아서 미세한 차원을 발견하지 못한 것이다. 그러나 위튼은 M-이론에 대한 깊은 통찰로 근사적인 한계를 뛰어넘어 누락되었던 하나의 차원을 찾아냄으로써, 지난 10여 년 동안 독립적으로 존재해 왔던 다섯 개의 10차원(9차원 공간+1차원 시간) 끈 이론들이 사실은 11차원 끈 이론의 근사적인 서술에 불과했다는 놀라운 사실을 알아냈다. 우리는 차원이 하나 늘어났다면 이론의 근간이 완전히 바뀐 것 아닌가? 그렇다면 기존의 끈 이론은 폐기되어야 하지 않을까? 라고 생각할지도 모른다. 그러나 다행히도 전반적으로는 그렇지 않다. 새롭게 발견된 열 번째 공간 차원은 끈 이론에 예상치 않은 변화를 가져오긴 했지만, 만일 끈 이론/M-이론이 맞는다면, 그리고 열 번째 차원이 다른 차원들보다 훨씬 작다면 1995년 이전의 끈 이론은 그 명맥을 유지할 수 있다. 그러나 지금의 방정식으로는 열 번째 차원의 크기와 형태를 예측할 수 없으므로 지금 당장 확실한 결론을 내릴 수는 없다. 지금도 끈 이론학자들은 작지 않은 열 번째 차원이 존재할 가능성을 확인하기 위해 부단히 노력하고 있다. 이 모든 것은 기존의 끈 이론들이 M-이론으로 통합되면서 얻어진 결과이다. 그러나 위튼은 M-이론이 1차원 끈뿐만 아니라 2차원 이상의 요소들도 포함하고 있다는 또 하나의 충격적인 사실을 발표하여 끈 이론학자들을 경악케 했다. M-이론의 가장 큰 특징은 끈뿐만 아니라 다양한 차원의 막이 등장한다는 점이다. 지금까지 끈 이론에서는 10 차원의 단일한 우주를 생각해 왔다. 그러나 여기서 차원이 하나 늘어나면 우주는 막이 되고 하나가 아니라 여러 개의 다중우주가 된다. 우주가 하나의 막처럼 생겼다는 우주론이 등장하고 평행우주가 등장한다. 쉽게 예를 들어 우리가 식빵을 자른다 생각하고 식빵 위에 잼을 바른다고 하고 그 잼이 우리가 사는 공간이며 인간과 행성, 항성, 모든 천체들이 존재한다고 친다. 그런 빵을 여러 개 만든 다음 도미노처럼 세워 보면 여러 개의 빵들이 평행으로 서 있을 것이다. 이것이 우주 막 이론이다. 우리가 사는 우주는 여러 개의 막으로 구성된 우주 중 하나이고 옆에는 결코 갈 수 없는 여러 개의 평행우주가 존재한다는 것이 M이론이다. 하지만, 이러한 막은 식빵처럼 가만히 있는 것이 아니라 바람 부는 커튼처럼 요동하고 있다. 그래서 옆에 있던 우주막과 접촉하면 엄청난 충돌이 생겨 빅뱅이 일어난다. 그러므로 우리는 이렇게 말할 수 있다. 태초에 커다란 막이 있었다. 이 막 옆에는 또 다른 막이 있었다. 이 막들은 바람에 흔들리는 것처럼 이리저리 흔들리다 옆에 있는 막과 충돌하여 빅뱅이 일어나면서 우리가 살고 있는 우주가 생겨났다. 물론 옆에 있는 막도 똑같은 현상이 벌어졌다. 평행우주들은 직접 우리가 갈 수는 없다. 하지만, 중력자라고 하는 가상의 입자는 갈 수가 있다. 따라서 이 우주막 이론에 의해 그동안 과학자들이 풀기 위해 노력했던 중력과 전자기력의 힘의 세기의 차이가 설명이 된다. 중력은 우주를 벗어날 수 있기 때문에 다른 우주로 방출이 된다. 하지만, 전자기력은 방출될 수 없다. 따라서 전자기력은 우리 우주를 벗어날 수 없기 때문에 중력보다 10^39배나 강하다. 이러한 성질을 이용하여 나중에 기술이 발달하면 우리는 중력자를 가지고 다른 평행우주에 있는 외계인과 통신할 수도 있다. 하지만, 아직 이론일 뿐 정확하게 밝혀진 것은 없다. 이 우주론은 끈 이론에 기초한 것이기 때문에 그 끈을 관찰해야 한다. 그러나 그 끈은 너무나도 작아서 결코 볼 수 없다. 만약 태양계만 한 크기의 현미경이 있어서 끈을 보기만 한다면 M이론의 실체는 밝혀질 것이다.[5]
양자역학의 다 세계 해석
다 세계 해석은 미국의 물리학자 휠러(John Wheeler)의 제자로서 미국의 플링톤 대학의 대학원생이었던 에버렛(Hugh Everett Ⅲ)이 박사학위 논문으로 쓴 '평행우주(parallel worlds)'가 원점이다. 이 해석은 양자역학적인 상태가 항상 완벽한 기술이며, 측정에 의해서 그 상태로부터 손실되는 것은 아무것도 없다고 전제한다. 코펜하겐 해석에 의하면 양자계의 가능한 모든 상태를 중첩하고 있는 확률 파동은 관측에 의해 단 한 가지 가능성만 남고 나머지는 즉각 붕괴된다. 이에 비해 다 세계 해석은 비록 관측을 하더라도 확률 파동은 각각의 상태를 지닌 채 그대로 진행된다. 그래서 많은 세계가 생기는 것이다. 에버렛은 양자론이 자연계의 기본원칙이라면 그 원리는 미시세계에만 한정되지 않고, 미시세계의 물질로 구성되는 거시세계의 모든 것에, 나아가 우주 전체에까지 적용될 것이라고 생각했다. 그 우주는 지금부터 약 137억 년 전에 한 점(특이점)이 빅뱅이라는 대폭발을 일으켜 현재에 이르렀다. 그로부터 무수한 미립자가 탄생하고, 별들이나 우리의 신체를 구성하는 물질이 만들어져 왔다. 아무것도 없는 상태인 진공으로부터 빛 등의 미립자가 생기면 어떻게 되는지는 양자론으로는 확률적인 문제가 된다. 이때 우주는 '미립자가 생긴 우주'와 '미립자가 생기지 않는 우주'로 나뉜다고 에버렛은 생각했다. 그리고 가능성의 정도만큼(코펜하겐 해석으로 말하면 서로 겹침이 되어 있는 상태의 수만큼) 계속 반복되어 우주 속의 하나가 우리들이 있는 현재의 우주이고, 동시에 '다른 내가 있는 우주'와 '내가 없는 우주(평행 우주)'도 어딘가에 존재하고 있다는 것이다. 다 세계 해석의 최대 장점은 슈뢰딩거방정식으로 설명할 수 없는 '확률 파동의 붕괴'라는 가정을 사용하지 않는다는 점에 있다. 인간이 관측하는 순간 특정 파동으로 수렴해 입자가 발견되고 동시에 나머지 파동은 모조리 붕괴된다는, 즉 '파동으로서 운동을 하는 전자'와 '입자로서 발견되는 전자'라는 불가피한 괴리를 갖는 코펜하겐 해석의 난점을 해결하게 된다. 코펜하겐 해석에서는 관측되기 전 전자의 위치에 대해 '여러 장소에 있는 상태가 겹쳐 있다.'고 가정했다. 이것에 비해 다 세계 해석에서는 관측하기 전 전자는 어딘가 하나의 장소에만 있다고 가정한다. 그 대신에 우리들이 알지 못하는 사이에 세계가 복수로, 예를 들어 '전자가 A점에 있는 세계', 'B점에 있는 세계' 등으로 나뉘어져 있다고 해석한다. 즉 하나의 전자가 '각각의 장소에 있는 상태'가 겹쳐 있는 것이 아니라, '전자가 각자의 장소에 있는 세계'가 겹쳐져 있고 동시 진행하고 있는 것이다. 게다가 관측자도 각각의 세계에 나뉘어져 존재하고 있다. 하지만 나뉜 각각의 관측자는 자신이 어느 세계에 와 있는지를 전자를 관측하기까지 단정할 수 없다. 실제로 전자를 관측하고 난 다음 비로소 여기는 전자가 A점에 있는 세계라고 아는 것이다. 단지 사전에 확률적으로 예측하는 것은 가능한데, 이는 코펜하겐 해석에서와 마찬가지로 파동함수의 확률해석을 그대로 사용한다. 다 세계 해석으로 '슈뢰딩거 고양이'를 생각하며 코펜하겐 해석에 따르면, 상자를 열기 전에는 산 고양이와 죽은 고양이의 세계가 겹친 상태로 존재한다. 이에 반해 다 세계 해석에서는 관측자가 알아차리지 못하는 사이에 상자 안과 밖이라는 두 개의 세계로 나뉜다. 그 하나는 '상자 안에서 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키고 그 때문에 독가스가 발생돼 고양이가 죽고, 그 상자 밖에 관측자가 있는 세계'이고, 또 하나는 '상자 안의 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키지 않고 따라서 독가스는 발생하지 않아 고양이는 살아 있고, 그 상자 밖의 관측자가 있는 세계'이다. 그러므로 앞의 세계의 관측자가 상자를 열면 고양이는 죽어 있고, 뒤의 관측자라면 고양이의 생존을 확인하게 된다. 다 세계 해석은 반생반사 상태의 고양이나 파동의 붕괴라는 이상한 개념도 필요 없고, 논리적인 모순도 없이 '슈뢰딩거 고양이'를 설명할 수 있다. 단, '고양이가 살아 있는 세계와 죽어 있는 세계가 정말로 평행하게 존재하는가'라는 질문을 확인해주지 못하였다. 다 세계 해석을 양자역학의 본질을 내포한' 전자의 2중 슬릿 실험'에 적용해서 보면, 먼저 코펜하겐 해석에 의하여 전자총에서 발사된 하나의 전자는 '왼쪽 슬릿을 통과한 상태'와 '오른쪽 슬릿을 통과한 상태'가 겹쳐져서 간섭을 일으키게 된다. 그것이 스크린에서 관측될 때는 파동의 수축에 의해 어느 한 점에 발견되지만, 이것을 몇 번 반복하면 전자가 발견된 위치의 흔적은 간섭무늬 모양이 된다. 다 세계 해석으로 설명하면 이렇게 된다. 한 개의 전자가 2중 슬릿을 통과할 때, 세계는 둘로 나뉜다. 이들은 '전자가 왼쪽 슬릿을 통과할 때의 세계'와 '오른쪽 슬릿을 통과할 때의 세계'이다. 그러나 전자는 두 개의 세계로 나뉜 뒤 다시 만나고, 서로 겹쳐진다. 따라서 이 전자는 두 개의 다른 과거를 지니게 된다. 하나의 전자 안에 두 개의 역사가 서로 겹쳐 있는 것이다. 그 결과 전자는 좌우 양쪽의 슬릿을 통과하는 것을 의미하는 간섭무늬를 스크린에 그리게 된다. 다 세계 해석은 발표 당시에는 외면받았지만 에버렛의 사망(1982년) 후 많은 물리학자와 우주론 학자들의 영감의 원천이 되었고, 요즘 물리학계에서도 진지하게 논의되고 있는 평행우주론과 다중우주론은 에버렛의 다 세계 해석에 힘입은 바 크다고 할 수 있다. 특히 MIT 물리학과 교수인 맥스 테그마크(Max Tegmark)는 최근 발간한 '맥스 테그마크의 우주'를 통해 "빅뱅의 난점을 해결해주는 인플레이션 이론에서 평행우주가 수학적으로 도출된다"며 "많은 물리학자들이 이를 진지하게 받아들이기 시작했다."고 소개했었다. 그러나 다 세계 해석은 비록 코펜하겐 해석의 난점을 이론적으로 설명해주긴 하지만, '평행우주'의 존재를 확인할 수 없는 데다 상식과 너무나 괴리가 큰 무수한 우주, 무수한 나를 필연적으로 만들어낸다는 한계를 지니게 된다. 다 세계 해석은 논리적인 모순은 없지만, 일반적인 과학이론의 요건 가운데 자주 인용되는 두 가지를 만족시키지 못한다. 과학철학자 칼 포퍼(Karl Popper)는 반증 가능하지 않은 이론은 과학이 아니라고 주장했는데, 다 세계 해석이 이에 해당한다. 물리적으로 우리 우주 안에서 다른 우주와 소통할 수 없고, 따라서 다 세계 해석에서 말하는 지금 내가 속한 우주 외의 다른 우주의 '나'를 확인할 방법이 없게 된다. 수많은 우주가 존재하고 또 그 우주마다 나 아닌 또 다른 내가 존재한다는 사실을 어떻게 증명할 수 없기 때문이다. 두 번째는 어떤 현상을 설명할 때 불필요한 가정을 해서는 안 된다는 '오컴의 면도날' 원리를 거스른다는 것이다. 오컴은 "조금이면 족할 것을 가지고 많이 사용하는 것은 낭비다."라고 했다.[6]
팽창이론
앨런 구스(Alan Guth, 1947~)는 오랫동안 가장 크고, 가장 격렬했던 변동에 대해 묵묵하게 연구를 계속해 왔다. 바로 빅뱅으로, 우리가 사는 우주가 태어나던 순간, 온도는 믿을 수 없을 정도로 높이 치솟았고, 엄청난 에너지가 단 한 번의 폭발로 이 우주를 탄생시켰다. 앨런은 이 빅뱅에 대한 가장 설득력 있고 자세한 설명을 내놓았는데 여기에는 거품의 도움이 있었다. 앨런은 빅뱅이 일어난 직후, 아주 짧은 순간 동안에 최초의 우주가 엄청나게 빠른 속도로 팽창했다고 말하였다. 이 짧은 팽창의 순간에 우리가 사는 우주의 기초가 형성되었고, 이때 팽창한 거품이 지금 우리를 둘러싼 우주를 형성했다. 우리가 보는 것은 진짜 우주의 아주 작은 부분에 불과할 가능성이 있고, 우리의 우주가 정말 무한히 크다면 한 가지 이상한 논리가 성립된다. 무한한 크기의 우주에서 원자와 분자의 한정적인 배열은 어쩔 수 없이 반복되면서 우리와 비슷한 이들을 만들어 내고 결국에는 똑같은 존재도 만들어낼 수 있다는 것이다. 모든 경우의 수가 바닥나면 똑같은 가능성이 반복될 것이다. 우주가 무한히 넓다면 어딘가에는 지구와 똑같이 원자가 배열되어 만들어진 행성이 있고 우리가 보는 모든 것이 복제되어 있을 것이다.[7]
만델라 효과
대중매체
부작용
각주
- ↑ 〈평행우주〉, 《나무위키》
- ↑ 〈평행우주〉, 《위키백과》
- ↑ 이광식, 〈평행우주는 존재할까?…천체물리학 ‘빅 미스터리 3’〉, 《나우뉴스》,2019-07-19
- ↑ 조송현, 〈우리우주는 5차원 공간 경계의 팽창하는 거품 위에 존재〉, 《인저리타임》,2019-01-21
- ↑ kaistq, 〈M-이론의 차원과 우주막 이론〉, 《네이버 블로그》,2016-10-26
- ↑ 조송현, 〈코펜하겐 해석의 비판과 대안〉, 《인저리타임》,2019-01-10
- ↑ 〈평행 우주 이론〉, 《네이버 지식백과》
참고자료
- 〈평행우주〉, 《나무위키》
- 〈평행우주〉, 《위키백과》
- 이광식, 〈평행우주는 존재할까?…천체물리학 ‘빅 미스터리 3’〉, 《나우뉴스》,2019-07-19
- 조송현, 〈우리우주는 5차원 공간 경계의 팽창하는 거품 위에 존재〉, 《인저리타임》,2019-01-21
- kaistq, 〈M-이론의 차원과 우주막 이론〉, 《네이버 블로그》,2016-10-26
- 조송현, 〈코펜하겐 해석의 비판과 대안〉, 《인저리타임》,2019-01-10
- 〈평행 우주 이론〉, 《네이버 지식백과》
같이 보기
