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김관석
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2021-05-12 15:51:48, 조회수 : 484 |
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현대 우주론의 최전선에서 리 스몰린과 2004년 공개적인 논쟁을 벌였던, 끈 이론의 대표자격인 스탠포드 대학 교수인 레오나드 서스킨드
(Leonard Susskind 1940~)의 <우주의 풍경> The Cosmic Landscape (Little, Brown ⓒ 2005; 김낙우 옮김, 사이언스북 ⓒ 2011)입니다.
저자는 이 책에서 그간 궁금했던 거의 모든 사항들에 대해 비교적 쉽게 이해할 수 있는 바탕을 제공하고, 차례로 체험적으로 설명합니다!
즉 일반 상대성과 양자 역학에 관한 이해와 개념적 통찰에서부터 입자물리학의 표준모형과 끈 이론의 상세한 전개 상황의 해설이 있으며
'인류 원리'와 호주머니 우주와 메가버스-다중 우주의 다양한 '풍경'들에 대한 심오한 고찰이 처음부터 끝까지의 일관된 주제입니다.
1960년대의 George Gamow의 대폭발-빅뱅 이론의 유일한 우주라는 20세기의 패러다임은, 최근에 우리 우주가 Alan Guth가 제안한
엄청난 수의 '호주머니 우주'로 가득찬 메가버스 개념으로 바뀌고 있습니다. 또한 우리는 보통 자연 법칙을 광대한 풍경의 작은 구석에만
적용하도록 제안하고 있습니다. 저자가 사용하는 용어 '풍경'이란 이론적으로 가능한 세계를 모두를 나타내는 수학적 공간을 의미합니다.
'인류 원리' (인간 원리)는 우리가 우주를 관찰하도록 세계가 미세 조정되었다는 가설로 순전히 과학적인 몇가지 근거가 있습니다. 동시에
'끈 이론'은 상상할 수 없이 큰 100500개의 다른 풍경을 추정하고 있습니다. 최근 천문학은 우리 우주가 150광년보다 훨씬 크게 '급팽창'
했음을 확증합니다. 또한 가장 대단한 뉴스는 '우주 상수'의 값이 0이 아니라는 사실이며, 21세기말이면 우주 개념이놀랍게 풍부한 풍경의
메가버스가 될 것을 확신하고 있습니다.
2000년경까지의 물리 법칙을 요약하면, 뉴턴과 이후의 극단적 결정론은 수학 언어로 표현하는 규칙이었는데 20세기 초 아인슈타인에
의해 물리 법칙이 상대론적이며 에너지 덩어리 입자로서의 양자 법칙이라는 것을 이해하게 되었습니다. 또한 전자기파 파장이 짧을 수록
에너지가 높다는 것도 아인슈타인의 중요한 업적입니다. 여기에 Heisenberg의 불확정성 원리가 적용되면 양자의 속도를 재려고 한다면
'양자 떨림(quantum jitter)'이 반드시 남게 되며 그 운동에너지는 '영점 에너지(zero-point energy)'입니다. 그리고 완전히 빈공간이 갖는
'진공에너지'는 현대 물리학과 우주론에서 가장 큰 역설을 낳습니다. 또한, 양자 세계의 간섭 현상은 언제 보아도 기묘할 뿐입니다.
이어서 입자물리학의 수학적 틀인 '양자 장이론(quantum field theory)'을 훌륭하게 시각화한 '파인만 도형'이 등장하는 전자와 광자의
'양자 전기역학(Quantum Electrodynamics QED)'를 소개합니다. 파인만은 거기서 양전자를 '시간을 거슬러 가는' 전자로서 이해합니다.
거기서 1/137 값을 갖는 특정 전자 하나가 광자를 하나 내놓는 확율인 미세 구조 상수 𝛼는 작동하지만 그 기반은 미스터리입니다. 다음은
질량, 스핀, 전하량 기타 성질들이 뒤죽박죽인 입자 물리학의 '표준 모형(standard model)'에서도 파인만 도형은 사용됩니다. '양자 색역학
(Quantm Chromodynamics QCD)'은 핵물리학의 해석으로 복잡한 쿼크와 글루온의 이론이라 '강력' 이론이라고 합니다. 끝으로 '약력'도
표준 모형의 일부 조각으로서, 이는 중성미자와 W보손 쿼크들과 Z보손의 관계인데 광자에 의한 전기력과 아주 밀접한 관계를 갖습니다.
이 표준 모형은 수년간 여러 입자 물리학 실험의 결과로 엄청난 정확도로 예측하나 약 30개의 '자연 상수'들을도입해야만 합니다. 이 물리
법칙들은 우주 내에서 모든 과학 분야를 지배하지만 그 규칙들은 자기 자신을 설명하지는 못합니다!
아인슈타인에 의하면 공간은 '3차원 구면(3-sphere)'이며 시간에 따라 변화하는 풍선과 같습니다. 여기에서 중력이란 요소는 고무의
장력과도 같으며 안쪽으로부터 공기압이 '척력'입니다. 척력은 거리가 멀어짐에 따라 강해지며 '우주 상수' 𝜆 로 나타내고 있는데, 이것은
'양자 떨림'을 갖는 '진공 에너지'와 동일합니다. 이는 플랑크 시간동안 존재하는 '가상 입자(virtual particle)'에 의해서 현실적으로 진공
에너지를 가지도록 만듭니다. 진공은 0이 아닌 '최소 에너지'를 가진 상태이며 𝐸 = 𝑚𝑐2에 의해 중력량의 근원이 됩니다. 빈 공간을 채우는
요동하는 양자 진공 에너지인우주 상수는 0이거나 아주 작아야 하는 근거를 알 수 없었는데 Steven Weinberg는 '인간 원리'에 의거해서
이 값이10-120 단위보다 작아야만 하는 이유를 초기 우주에서 수소와 헬륨의 밀도 차이가 측정값 만큼 필요한 것을 발견하였습니다. 여기
단위는 '자연 단위' 또는 '플랑크 단위'로 부르는 상수, 길이, 시간, 질량 등인데, 바로 이것이 상대성 이론과 양자 역학 두가지를 통합하는
'양자 중력(quantum gravity)'의 단위들이 됩니다.
'풍경'이란 물리 현상이 발생하는 일종의 배경으로서의 '진공'으로 모든 기본 입자들과 자연 상수의 목록을 의미합니다. '장(field)'이란
운동하는 물체에 영향을 미치는 공간의 비가시적 성질입니다. 아인슈타인이 주장한 '양자장(quantum field)'는 전자기장이 대단히 작은
'광자'들로 구성된 것인데, 이는 모든 입자들에 적용될 수 있습니다. 그리고 표준모형은 질량을 결정하는 힉스장이 없으면 무의미합니다.
만약 10개의 장이 있다면 그 공간은 10차원이 됩니다. 이 책에서 말하는 풍경 위를 굴러다니는 쇠구슬이란 '호주머니 우주' 전체입니다.
진공에서 대부분의 장들은 평균적으로 0인 값을 갖지만 힉스장은 0이 아닙니다. 힉스장은 각 입자의 운동에 저항하여 질량을 일으킵니다.
우리는 언덕과 계곡이 있는 풍경 속에서 에너지가 0에 가까운 낮은 계곡에 있습니다. 만일 힉스 풍경의 표면이 매끄럽다면 시간에 따라서
위의 쇠구슬이 능선을 따라 굴러다니다가 결국 보통의 진공을 나타내는 '국소적 최소값'인 계곡의 한점에서 멈춥니다.
입자물리학에서 무시되고 있는 중력과 미시적 양자 세계의 연관성을 더 깊이 다루어야 할 이유가 있습니다. 첫째는 플랑크 길이에서는
중력이 강력보다 강해지며, 둘째 우주의 대폭발 기저를 알기 위함이고 셋째는 양대 이론의 모순을 해결하려는 미학적인 이유에서 입니다.
'끈 이론'은 중력과 양자 역학을 일관성 있게 통합하는 수학 이론입니다. 끈 이론은 '양자 중력(quantum gravity)'의 이론으로서먼 의미가
있습니다. 그래서 1980년대 중반까지는 끈이론이 Edward Witten을 중심으로 성공하는 듯 했습니다. 하지만 그것은 신기루이였습니다.
첫 번째는 1990년대에는 그 수학적 가능성이 기하급수적으로 늘어났습니다. 두번 째는 루브 골드버그 기계-복잡하고 추한 구조를 만드는
나쁜 경향을 보였습니다. 마지막으로 우주 상수가 0이 아님이 밝혀져 결정적인 수학적 흠결이 생겼습니다. 하지만 저자는 이런 우아함과
유일성의 결여가 결국 끈 이론의 강점으로 바뀌리라 믿습니다. 그것은 소중한 표준 모형에 나타나는 복잡성은 우리 우주의 자연 법칙이
우리 자신의 존재를 위해 특별히 맞추어진 것으로서 수 많은 끈 이론의 해들 가운데 하나이기 때문입니다.
1922년 Alexander Friedmann은 우주는 시간에 따라서 커지는 균일하고 등방적인 우주원리를 반영하는 '3차원 구'라고생각했습니다.
또한 우주 구면은 양의 곡률, 평면은 0, 쌍곡포물면(hyperbolic paraboloid)은 음의 곡률을 갖습니다. 우주는 가속 팽창하거나 수축하여
대함몰(big cruch)에 이르거나 일정한 팽창을 계속할 세가지의 운명으로 열린 우주, 닫힌 우주나 평평한 우주 중 하나입니다. 우주 질량의
밀도 10-25 kg/m3-양성자 50개 정도가 임계 밀도입니다. 그런데 관측 결과 일반 물질은 그중 약 1/10 정도의 값이 었는데 은하 외곽의
별들의 회전 속도를 측정해서 뉴톤의 법칙을 적용하면 약 10배가 무거워서 우주론자들은 나머지의 의문의 물질을 암흑믈질이라 부릅니다.
우주 공간에 거대한 삼각형을 그리고 내각의 합을 알면 우주의 기하학을 알 수 있는데 결과는 평평해 보입니다. 허블 상수를 메가파섹당
75km/s라 한다면 우주의 나이는 150억년이나, 거꾸로 돌려 볼 때, 중력은 은하를 점점 빠르게 가속하므로 정확히 계산하면 100억년이
됩니다. 이 값이 방사성 동위원소 측정법에 의한 오래된 별의 나이 130억년보다 작지만, 진공 에너지-우주 상수의 척력을 양성자 30개로
계산한다면 우주의 나이는 약 140억년이 됩니다. 지난 10년건 I형 초신성-별의 죽어서 중성자별이 되는 사건들의 일정한 광도를 이용해
관찰한 결과 우주가 가속 팽창함이 발견되었는데 이에 해당하는 우주 상수의 수치-120번째가 0인 아닌 값이 S. Weinberg의 인간 원리로
예측했던 것에 가깝다는 것입니다.
우주가 플라즈마-전자들의 일부가 원자핵으로부터 자유롭게 기체 속을 돌아다는 상태의 최후 산란면은태양의 표면과 같이 빛났는데
허블의 법칙에 의해 빛의 속도에 근접하여 방출된 빛이 도플러 효과로 인해 마이크로파 영역에까지 이동했습니다. 한편 에너지는 파장에
비례하므로 우주 배경 복사는 매우 차가우며 절대 온도 3도가 채 안됩니다. 이는 Ralph Alper와 Robert Herman이 예측하고 1964년에
Arno Penzias와 Robert Wilson에 의해 우연히 발견된 유명한 사건으로, 엄청나게 균질하고 등방적인 마이크로파를 검출해낸 것입니다.
이후 최신 WMAP 위성은 10-5의 덩어리 뿐 아니라 플라즈마 덩어리의 진동까지도 검출했습니다. 그 중에서 진동하는 가장 큰 덩어리의
20만 광년짜리 지름과 우리로부터 거리인 1000만 광년을 이용해서 WMAP에서 측정한 결과가 우주는 평평하다는 것입니다.
러시아의 Alxey Starobinsky는 1979년 우주 생성 초기에 지수 함수적인 팽창-급팽창이 있었다고 발표했는데, 1980년대 Alan Guth가
그 아이디어를 재발견하고, 25년 후에는 급팽창 이론은 우주론의 새로운 표준 모형이 되었습니다. 이것은 우주 상수가 우주의 풍경에서
앞서 말한 쇠구슬-우리 우주가 높은 고지대에 있다가 나중에 0에 가까운 지금의 곳으로 굴러가는 동안 일을 기술한 것이랍니다! 추가로,
Slava Mukhanov가 예측한 현재의 은하들과 거대 구조들이 원래의 아주아주 작은 양자 떨림이 중력의 확고한 효과를 통해서 확대 증폭된
결과라는 것이 거의 확실시 되고 있습니다. 즉, 우주가 풍경 속에서 한 점에 있을 때 힉스장 같은 양자장은 요동을 갖고 있었고 급팽창의
결과 그 양자 주름은 나중에 은하로 자랄 씨앗인 밀도 차이를 이룬다는 것입니다. 이 양자 주름은 최후 산란면 위에서 그 흔적을 남기고
있습니다. 이러한 발견은 현대 우주론의 가장 위대한 결과 중 하나라고 저자는 평가합니다!
대폭발-빅뱅 이후 몇분 동안 양성자, 중성자와 전자로 이루어진 뜨거운 플라즈마가 모든 공간을 채우다가, 우주가 식으면서 양성자와
중성자가 달라붙어 가장 간단한 원자핵들-수와 헬륨만이 만들어졌습니다. 이들은 별의 용광로 안에서 핵융합 과정-수소 폭탄의 원리를
통해 온갖 종류의 순서와 배합으로 결합된 결과들이 익숙한 탄소, 산소, 질소, 황 등의 원소들입니다. 처음부터 살펴보면 약력이 등장하는
파인만 도형에서 두 양성자가 충돌해서 양성자 중성자 양전자와 중성미자가 만들어집니다. 양전자는 별 내부에서 한 전자와 쌍소멸하여
빛으로 변하고 벼의 열에너지로 바뀌며 중성미자는 빛의 속도로 사라지고 남은 양성자와 중성자가 중수소를 만듭니다. 여기에 양성자가
충돌해 달라붙은 원자핵은 헬륨3이고, 2개의 헬륨3이 충돌하면, 양성자 2개는 날라가고 나머지가 헬륨4 원자핵이 됩니다. 이런 방식으로
점차 더 무거운 원소들로 바뀐 탄소와 산소 등은 별의 내부에 갇혀 있다가 별들은 그 연료가 바닥이 나면 중력에 의해 붕괴하게 됩니다.
태양처럼 비교적 가벼운 별들은 붕괴해 '백색 왜성'이 되고 여러 배 무거운 별들은 블랙홀의 형성으로 끝나는데, 특정 질량의 별들에서는
전자가 극도로 압착되어 양성자를 중성자로 바뀌면서 엄청난 밀도의 '중성자별'이 됩니다. 그때 양전자가 내부의 전자과 즉시 결합하면서
결합해서 사라지면서 은하보다도 밝게 빛나는 사건이 초신성 폭발입니다. 그때 함께 나온 엄청난 양의 중성미자들이 그 별의 바깥층을
파괴하고 내부의 복잡한 원자핵들을 우주 공간에 흩뿌립니다. 20세기의 가장 중요한 발견 중의 하나는 Fred Hoyle이 우리가 존재한다는
사실만으로 이런 과정들을 예측한 것입니다. 호일이 예측한 대로 발견된 탄소의 원자핵 공명 상태의 성질은 미세 구조 상수-약 1/137를
포함한 여러 자연 상수 값에 따라서 절묘하게 탄소가 있게 되고 생명이 탄생한 것입니다.
그러나 별들이 없었다면 생명은 없었을 것이고 이는 우주 탄생 직후 밀도의 10-5 정도의 불균질함에서 비롯한 것입니다. 여기에 입자
물리학의 기본 법칙에 따라 모든 물질에는 입자와 반입자가 있었는데 1억개의 반양성자에 대한 1개 더 많은 양성자의 불균형이 남아있는
세제곱미터당 2억개의 광자와 단 1개의 양성자가 있게 되었습니다. 거기에 전기력의 1041분의 1로 약한 중력과 119번째까지 0인 미세한
우주 상수가 '인간 원리'를 가능케 하고 있습니다. 예로써 앞의 리 스몰린은 '인간 원리' '다중 우주론' 등을 증명할 수 없기 때문에 과학이
될 수 없다고 하지만, 쿼크 이론, 급팽창 이론과 다윈의 진화론 등의 사례들의 경우에는 확증에는 꽤 오랜 시간(각각 수년, 20년, 100년)이
필요할 수 있으므로, 우리는 우주에서 발견되는 규칙성을 찾기 위해 최선을 다할 뿐입니다.
지금의 끈 이론은 모두 양자 역학과 중력의 통합-플랑크 규모에서의 우주론을 꿈꾸지만, 그 시작은 중입자, 메손과 글루볼로 이루어진
'강입자(hardron)'의 이론에서 시작되었습니다. 모든 중입자들은 가운데에서 탄성이 있는 강한 끈으로 연결된 3개의 쿼크로 이루어집니다.
메손은 쿼크와 반쿼크가 매달린 끈 하나로 이루어져 있는데. 이들은 두개가 접근해 쌍소멸하면서 쿼크와 반쿼크의 더 길어진 끈이 되거나
세번째 글루볼은 쿼크와 반쿼크가 소면하면서 붙은 끈의 닫힌 고리입니다. 이제 파인만 도형에서의 점 입자의 궤적은 그 고리들의 궤적인
관-2차원 원통이라 민코프스키의 시공간 경로인 세계관(world tube)이라 부릅니다, 쿼크와 반쿼크가 연결된 메손의 경우 궤적이 면이 되어
리본같은 세계면이 됩니다. 그러한 리본들이나 관들은 Y-결합에 의해 하나가 둘로 나뉠 수 있고, 복합적으로 결합되면 배관 네트워크를
형성한다는 아이디어입니다. 끈 이론은 중성자와 양성자의 결합하는 핵력을 설명하지는 못했지만, 강입자의 끈 같은 성질은 확고부동한
실험적 사실이 되었습니다.
끈 이론으로 중력을 기술하려는 시도에서 6개의 여분 차원은 '조밀화(compactification)'에 의해 가능해 집니다. 아인슈타인과 동시대인
Theordor Klaulza와 Oscar Klein의 칼루자-클라인(KK) 이론에 의하면 여분 차원이 아주 작은 조밀한 공간에 말려 있을 수 있으며 여분의
차원으로 움직이는 입자는 전하를 띠게 된다는 것입니다. 끈 이론에서 이 KK 이론을 받아들여서, 그 끈이 2차원의 원통 위에서 움직일 때
원통 둘레를 몇번이고 감는데 그 회수를 '감김수'라고 하여 해석하며, 6차원을 마는 수학적 방식은 '칼라비-야우 공간(Calabi-Yau Space)'
라는 지극히 복잡한 존재로 표현합니다. 칼라비-야우 공간은 다양한 조밀화 규모-둘레 길이와 수백개의 '모듈라이(moduli)'를 가져서 아주
다양한 풍경으로 이끕니다.
끈 이론에서는 동일 상태에 존재 가능한 입자인 보손(광자, Z 보손, W 보손, 글루온, 힉스 입자)과 파울리의 배타원리에 따르는 페르미온
(전자, 중성미자, 쿼크)이 정확히 같은 짝-쌍이라는 '초대칭성'이라는 강력한 단순화 도구인 수학적 가설이 있습니다. 자연에서는 거울처럼
깨졌거나 근사적인 대칭성이라도 발견되기를 기대하고 있기도 합니다. 하지만 페르미온과 보손이 정확히 짝을 이루면 진공에너지 요동이
상쇄되므로 인간원리에 의해 우리 우주는 초대칭적이지 않다고 생각됩니다. 진공안에서의 양자 떨림이 입자에 에너지를 주고 이것이 힉스
입자에 질량을 추가하여, 모든 입자들이 무거워져 중력이 강해지면 생명이 존재 불가능한 '힉스 질량 문제'도 초대칭성과 연관됩니다.
1995년에 이르러 끈이론은 Edward Witten에 의해 획기적인 진보를 이루게 되는데 그것은 'M 이론'이라 불립니다. M 이론은 10개 공간
차원을 갖고 탄성적인 2차원 막을 다루는 11차원의 이론으로서, 1970년대 이후의 5가지 끈이론들은 단일한 이론의 해들이라는 것입니다.
이는 앞의 원통의 가운데를 잘라 천장과 바닥을 이루도록 하여 한차원이 늘어나는 방식의 개념으로 1차원의 끈을 2차원 막으로 바꾼어서
그 조밀화의 단면을 고려할 때, 원 조밀화 공간을 작게하면 새 조밀화된 방향이 커진다는 혁신적인 아이디어에 근거하고 있습니다.
저자는 1995년 어떤 연회에서 실험의 안내 없이도 20세기 물리학의 두 기둥은 상대성 이론과 양자 역학인데, 전자는 처음부터도 실험이
없이 유도되었고, 후자도 양전하의 원자를 중심으로 전자들이 양자화된 궤도를 따라 도는 사실이 분광학 데이터로부터 발견될 수도 있다고
있다고 추측합니다. 파울리는 19세기의 분광학과 화학의 아이디어로 각각 위와 아래로 향하는 스핀을 갖는 전자 2개를 각 원자 궤도에 집어
넣을 수 있어서 헬륨의 경우 2개의 전자가 가장 낮은 보어 궤도를 채움을 밝혔습니다. 디랙의 상대론적 전자이론은 스핀의 성질을 정확히
설명했으며, 파울리의 배타 원리를 적용하여 음수 에너지의 전자의 경우는 주위의 광자를 흡수해 들뜰 경우에 전자 하나가 없어져 양전하를
띤 입자로 보이는 양전자로서 진공-디랙 바다의 구멍으로서, 나중에 파인만은 이것을 시간을 거슬러 가는 전자로 설명했습니다. 반물질에
대한 디랙의 예측은 곧 양자장 이론으로 발전하고 표준 모형으로 이어집니다. 하지만 표준 모형에서의 쿼크. 중성미자, 뮤온, 기타 입자들은
실험없이 발견할 수 없었으나, 이론적 토대인 양-밀스이론은 파울리가 칼루자의 여분 차원 이론을 5+1차원으로 만들어 2개의 여분 차원의
작은 구면에서 3종류 광자를 포함한다는 '비가환 게이지 이론(non-Abelian gauge theory)'에 기초합니다. 글루온, 광자, Z 보손 W 보손은
그 3종류 광자와 흡사한 입자들을 일반화한 것입니다. 한편 끈 이론은 실험적 기반이 없는 기념비적인 수학적 구조물입니다.
Joseph Polchinski의 새 아이디어는 끈의 끝에 점(0-막), 선(1-막), 탄성 면(2-막) 내에 묶인 채로 움직이는 'D-막(brane)'입니다. 3차원의
막인 3-D은 자체가 공간이라 움직일 수 없으며, M 이론은 초대칭적 일반 상대성으로 인해 실제는 중력자, 막, 그리고 5-막들의 이론입니다.
D-막은 현실 기본 입자들을 포함한 모형으로, 끈점이 없는 끈인 증력을 제외한, 원자, 분자 및 은하의 실제 세계가 거기서 실현 가능합니다.
무한한 2차원으로 굽은 D2-막은 기본 입자를 가진 '플랫랜드'과 비슷한 우리 우주로서 중력은 막위의 물체들간의 중력자에 있지만 여분의
차원으로 여행했다가 돌아옴으로써 가능해 집니다. 플랫앤드의 생물에게는 그 에너지가 사라진 것처럼 보일 것입니다. 이것을 공간이 있는
D3-막으로 바꾸고 6개 차원이 말려있다고 하면 우리의 세계-'막 우주'와 흡사합니다. 우리의 가까이에 다른 막들이 있지만 보이지는 않으며
중력이 그 사이를 메워 주는데 이것이 바로 암흑물질의 성질입니다! 막들이 조밀화한 공간에 떠 있는 것만이 아니라 이를 감을 수도 있어서
구면이나 토러스를 D1-막이 감고 있을 수 있습니다. 먼거리에서 보면 막의 위치는 풍경을 정의하는 스칼라장처럼 보일 것입니다.
선속(fluxes)은 풍경의 가장 중요한 성분 중 하나로 떠올랐습니다. 현대 기하학과 위상수학에 의하는 칼라비-야우 공간의 선속은 기본적
선속 단위의 정수 배인 '선속 정수'(flux integer)로서 포함됩니다. 기계의 추가적인 부품-성분으로 '코니폳드 특이점(singularity)'이 있는데
그것은 칼라비-야우 공간 위에 존재할 수 있는 '원뿔 특이점'입니다. 여러개의 특이점들은 선속들에 의해 성게처럼 가늘고 길게 늘려집니다.
이제 'KKLT(Kaxhru-Kalosh-Linde-Trovedi) 구성'이라는 불리는 기계는 약 500개의 모듈라이와 선속들과 막이 만나면 에너지를 내며
쌍소멸하는 '반막(anti-brane)'만을 포함하는데, 반막은 코니폴드 특이점의 끝을 당기는 힘이 됩니다. 이렇게 여분의 반막의 질량은 고도가
양수가 되기에 적당한 에너지를 추가해서 KKLT는 작은 양의 우주 상수를 가진 계곡을 처음으로 발견합니다. 이 풍경의 KKLT 지점에 몇개
막을 추가하면 표준 모형을 짜맞출 수 있을 것 같습니다.
Polchinski와 Raphael Bousso는 500개의 도넛 구멍이 있는 칼라비-야우 공간 1개의 기하 구조를 선속으로 채우기 위해서 구멍당 0부터
9까지의 임의 정수-10가지 가능성의 진공 에너지를 정의합니다. 그러한 100500개의 다른 상태를 '불연속적 연속체(discretuum)'라 부르고
그중에는 Weinberg의 우리 우주 상수를 포함하는 '생명의 창' 범위를 찾을 수 있습니다.
저자는 끈 이론의 100500개의 해-풍경들 중에서 독특한 한 점을 골라 줄 '진공 선택 원리'를 찾기 보다는 메가버스의 수학적 가능성에서
물리적 실재로 변화시킬 자연스러운 메커니즘인 '서식하는 풍경(populated ~)'을 발견하고자 합니다. 풍경의 실현에는 '진공의 준안정성'과
'공간의 자기 복제'라는 물리 개념이 바탕이 됩니다. 준안정성은 장시간 안정적이다가 갑작스럽고 예측하기 힘든 변화를 일으키는 성질로서
1차원의 풍경 위의 쇠구슬이 언덕위에 장시간 있다가 갑자기 장애물을 넘어서 낮은 곳으로 굴러 떨어지는 '양자 터널링 현상'을 가르킵니다.
얼음과 물의 경계를 '영역의 벽(domain wall)'이라 부르는 데 이는 두 상(phase) 사이의 막과 유사하고 0보다 큰 우주 상수를 가진 진공은
준안정하며 양자 떨림에 의한 작은 거품들을 계속 만들고 있는 데 그 거품이 바로 Polchinski의 D2-막들입니다.
Willem de Sitter는 양의 우주 상수이고 후퇴 속도가 거리에 비레하먀 급팽창하는 우주를 연구했는데, 그 우주은 지수함수적으로 퍙창하는
풍선에 비유되며 내부의 공간은 자기 복제를 통해 틈새를 채우게 됩니다. 드 지터 공간의 관찰자는 주위 공간이 허블의 법칙에 따라 멀어지는
우주를 보게 됩니다. 그래서 후퇴 속도가 광속과 같아 지는 지점을 '사건 지평선'이라고 하며 이곳은 지구의 지평선 처럼 공간의 종점이 아닌
관측 가능한 한계일 뿐입니다. 이런 지평선 너머의 우주을 원리적으로 이해하는 것이 중요할 것입니다.
저자는 15년 전쯤의 동료 교수 Andrei Linde의 영원히 팽창하며 많은 거품을 쏟아내는 우주와 Alexander Vilenkin의 엄청난 다양성으로
급팽창하는 메가버스라는 학설들과 부합하는 '영구 급팽창'의 준안정한 우주가 바로 끈 이론의 풍경의 필연적인 귀결이라고 주장합니다.
우주의 시작은 무한한 에너지 밀도를 가지는 격렬한 상태에서 시작되다고들 하는데, Steven Hawking과 그 제자들은 無에서 양자 터널링
현상이 일어난 것이라고 주장합니다. 여하튼 우주는 극초기에는 에너지 밀도가 대단히 컸고 급격한 지수 함수적 팽창에 의해 1020 이상으로
커졌습니다. 이는 호주머니 우주가 풍경의 약간 경사진 언덕에 서 있다가 천천히 얕은 경사를 굴러 내려와 급격한 경사의 바위턱에 섰다가
갑자기 낙하해 위치 에너지를 열과 입자시켰으며 이사건을 '재가열(reheating)'이라 부르며 마침내 인간 원리에 맞는 우주 상수를 갖는 현재
계곡에 굴러온 것이 전부입니다. Sideny Coleman과 Frank De Lucchia는 진공은 양자 떨림을 갖고 있고 팽창하는 우주의 성장하는 거품이
출현하는 0이 아닌 비율을 오래전에 양자장이론으로써 계산했습니다. 그 거품의 형성은 양자 터널링 현상에 의해 드물게 일어나고, 반면에
공간은 지수 함수적으로 자기 복제를 계속합니다. 비유컨대 메가버스는 이런 복제를 통해 번식하는 거품 유기제의 군락인 것입니다. 여기서
거품 막들은 조성과 선속들이 달라지면서 기본 입자와 자연 상수 시공간의 차원들이 다르게 진화합니다. 끈 이론은 이렇게 엄청나게 다양한
환경의 계곡들을 다른 여러 값의 선속, 막과 조밀화의 모듈라이를 통해서 지수 함수적으로 만들어 냅니다.
이러한 팽창하는 거품 내부의 거주자는 팽창하는 영역만을 보고 거품 외부의 관찰자와 다르게 무한히 팽창하는 열린 우주를 보게 됩니다.
저자는 거주하는 풍경의 지평선 너머 영역은 원리적으로 관측 불가능하다는 주장에 대해서 이는 우주의 역사를 내부에서 연구하는 관점일
뿐으로 우주 밖으로 나가서 메가버스를 본다면 수많은 호주머니 우주들이 '평행적'으로 진화하고 있는 것이라고 주장합니다. .
메가버스란 서로의 지평선 너머로 서로 소통이 불가능한 호주머니 우주들로 구성된 평행 우주들입니다. 1950년대에 Hugh Everett 3세는
양자 역학을 '다세계 해석'이라 해석했고 Feynman, Gell-Mann, Weinberg, Wheeler와 Hawking 등이 동조하며, Bndon Carter가 1974년
인간 원리를 주장하는데 영감을 주었습니다. 양자 역학은 관측 가능한 여러가지 예측 결과에 대한 파동 함수로 요약되는 확률을 결정하는데,
Niels Bohers의 코펜하겐 학파는 실용적인 이유로 '파동 함수의 붕괴'라하여 관측이 이루어지면 파동 함수의 관측되지 않은 가지를 버립니다.
하지만 우주론의 경우는 반복적인 실험으로 통계를 낼 수 없으므로 다세계 해석과 인간 원리를 받아들여 결합하면, 메가버스의 파동 함수는
곳곳마다 서로 다른 상수 값들을 갖을 수 있으며 우리는 생명에 적절한 상수 값인 하나의 작은 가지에 살고 있는 것입니다. 즉, 우리 으주의
지평선 내부에서 관찰하고 관측되지 않은 짐을 제거하는 것이 Bohr의 양자 역학이라면, 더 확장적인 평행적인-메가버스적 관점이 Everett의
다세계 해석이고, 끈이론의 무한히 큰 풍경이라 결합하면 인간 원리가 강력한 자기 조직화 원리가 됩니다. 하지만 광대한 우주를 아는 데에는
지평선이 궁극적인 장벽이 아닐까를 살펴보기로 합니다.
1980년 샌프라시스코의 작은 학회에서 Hawking이 블랙홀로 들어간 정보가 소실한다 했을 때 저자와 Gerardus 't Hoof는 정보 보존이란
물리학의 기본 원리에 위배된다고 직감했습니다. 그리고 그들은 정보가 지평선을 넘을 수 있음을 주장했으며 이를 입증해 20년간의 '블랙홀
전쟁'에서 승리하였습니다. 그들은 블랙홀로 들어가는 여행자가 지평선을 넘을 때 여행자 메시지가 호킹 복사로 전송되어 되돌아 오는 것을
'블랙홀의 상보성(complementarity)'와 '홀로그래피 원리'에 의해서 입증하였습니다. 첫번째 원리는 블랙홀 외부의 관찰자가 지평선 앞에서
방출되는 정보와 블랙홀 내부로 들어가는 관찰자의 정보가 광자의 입자성과 파동성이나, 불확정성 원리에서 입자의 위치와 속도나, 상대성
원리와 양자 역학의 결합하는 경우 같이 상호 보완적이라는 것입니다. 외부 관찰자에게는 물질이 블랙홀 지평선으로 떨어지면서 느려지며
그 위에서 높은 온도로 입자가 분해되어 결국 복사로 방출되어 돌아오는 것을 보게 돠며, 블랙홀로 들어가는 사람는 중심부에 이를 때까지
아무 불편없이 그냥 여행을 계속할 것입니다.
홀로그래피 원리는 블랙홀을 연구하는 중 발견된 관점으로 정보의 위치가 관찰자에 따라 다른 위치에 존재하다는 것으로, 컴퓨터 화면의
2차원 정보는 공간 속의 3차원의 정보이듯이 우리에게 다른 물건들이란 경계면 위에 있는 '양자 홀로그램'위에 데이터 이미지라는 것입니다.
1990년대 초에 그들이 주장한 이 원리는 몇년 후에 Juan Maldacena와 Witten에 의해 인정을 받고 현대 물리학의 주춧돌 중 하나가 됩니다.
블랙홀 지평선과 급팽창하는 공간의 우주론적 지평선의 차이는 전자에서 우리가 밖에 있고, 후자에서는 안에 있다는 것입니다. 우주론적
지평선 밖에서는 수 많은 호주머니 우주에서 발송된 '엽서'들이 우주 배경 복사라는 무수한 우주들이 뒤 엉켜있는 홀로그램입니다.
150년전 Charles Darwin이 제시한 무작위 돌연변위와 경쟁이라는 생명과학에 대한 해답보다 물리학, 천문학과 우주론은 뒤쳐 있습니다.
저자의 물리학 메커니즘은 다윈 이론과 두가지 요소를 공유하여 첫째는 가능한 설계가 아주 풍부한 풍경이고 둘째는 설계도를 엄청난 수의
실제로 전환하는 메커니즘이 풍부하다는 것입니다. 동시에 차이 첫번째는 거품핵 형성이 일어나 여러가지 풍경이 만들어질 때 진공 에너지,
입자 질량과 물리 법칙들이 크게 변화한다는 것이며 두번째는 호주머니 우주들 사이에 자원에 대한 경쟁이 없다는 것입니다. 결과로 우리는
그전 운이 좋았을 뿐으로 이것이 인간 원리의 의미로서 초자연적인 설계자 기설이 필요하지 않습니다. 따라서 생물학 우주론 양자의 거대한
조직화 원리는 이렇게 요약됩니다. "실재의 메가버스로 채워진 가능성의 풍경 A Landscape of possibilities populated by a megaverse of
actualities" (채워짐이란 서식이나 거주를 내포함) 이는 다윈 이론처럼 방정식이 아닌 슬로건으로 표현되는 우아하고 단순한 원리입니다.
급팽창이 관측으로 입증되는데 20년 걸렸고, 실험적 검증이 불가능해 보였던 다윈 이론이 검증되는 되는데 약 100년이 걸렸듯이, 때때로
이론은 길을 밝히기 위해서 전진해야 하는 법입니다.
p.s. 유튜브 일반 상대성 강의로도 유명한 서스킨드 교수는 아마도 현재 입자물리학자들 중 가장 존경받는 과학자
앞에서 나온 Andrei Linde의 급팽창 우주론(Inflationary Cosmology)의 멀티버스-다중 우주론을 적극적으로 지지하며
'홀로그래피 원리'를 주창하는 헤라르뒤스 토프트('t Hooft: 엇호프트가 바른 표기)와 함께 스티븐 호킹과 벌였던,
20년간의 '블랙홀 전쟁'에서 승리해 더 유명해짐. The Hawking Paradox (2005), The Black Hole War (2008) 등 참조 ...
일반인과 진지한 탐구자들에게도 아주 유용할 현대 입자물리학, 끈 이론과 다중 우주론에 관한 탁월한 개념서!
(이 책이 저를 포함한 천체물리학도들에게 대단히 교육적일 수 있어서 주요 내용들을 요약해 놓기로 ...) |
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