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아, 여러분, 안녕하세요. 양자 중력의 기초, 그리고 그걸로 만들어지는 세계의 그림에 대해서 지금까지 쭉 설명을 드렸잖아요. 이제 마지막 챕터들에서는, 이 이론에서 어떤 추론들을 할 수 있는지, 예를 들어 빅뱅이라든지, 블랙홀 같은 현상에 대해서 이론이 우리한테 뭘 얘기해주는지, 그런 걸 좀 이야기해볼까 해요. 그리고, 음, 이 이론을 검증하는 실험은 지금 어디까지 와 있는지, 자연이 우리한테 뭘 말해주고 있는지, 특히 우리가 그렇게 찾고 싶어 했던 초대칭 입자가 왜 아직도 안 보이는 건지, 그런 얘기도 좀 해보려고 해요.
우리가 세상을 이해하는 데 아직 빠진 부분이 많거든요. 그래서, 그런 부분들에 대한 제 생각을 마지막에 좀 정리해볼까 해요. 특히, 열역학적인 부분, 양자 중력처럼 시간하고 공간이 없는 이론에서 정보가 어떤 역할을 하는지, 그리고 시간이 어떻게 다시 나타나는지, 그런 거요.
이 모든 게, 음, 우리가 아는 것의 가장자리까지 우리를 데려다 놓을 거예요. 거기서부터 우리는 확실히 모르는 것들을 바라볼 수 있고, 우리 주변에 있는 엄청난 미스터리들을 다시 생각해볼 수 있겠죠.
자, 그럼 이제 빅뱅 너머에 대해서 한번 얘기해볼까요?
1927년에, 벨기에의 젊은 과학자이자, 예수회 교육을 받은 가톨릭 신부가 있었어요. 이 사람이 아인슈타인의 방정식을 연구하다가, 아인슈타인처럼, 그 방정식이 우주가 팽창하거나 수축할 수밖에 없다는 걸 알게 된 거예요. 근데 이 벨기에 신부는 아인슈타인처럼 그걸 부정하거나, 어떻게든 피해가려고 고집을 부리지 않았어요. 오히려, 그 결과를 믿고, 그걸 뒷받침할 천문 데이터를 찾기 시작했죠.
그때는 아직 '은하'라는 이름도 없었어요. 그냥 '성운'이라고 불렀죠. 왜냐하면, 망원경으로 보면, 천체 주변에 있는 옅은 구름처럼 보였거든요. 사람들은 그게 우리 은하처럼 멀리 떨어진 거대한 별들의 집단이라는 걸 몰랐어요. 근데 이 젊은 벨기에 신부는, 그때 당시 구할 수 있는 은하 데이터가 실제로 우주가 팽창하고 있다는 걸 뒷받침한다는 걸 깨달은 거예요. 가까운 은하들은 엄청난 속도로 멀어지고 있었고, 마치 하늘로 던져진 것처럼 보였죠. 멀리 있는 은하들은 더 빠른 속도로 멀어지고 있었고요. 우주가 마치 풍선처럼 팽창하고 있었던 거죠.
2년 뒤에, 미국의 천문학자 헨리에타 레빗하고 에드윈 허블이라는 두 사람이, 이 생각을 증명했어요. 레빗은 성운까지의 거리를 측정하는 좋은 방법을 찾아서, 그게 우리 은하 밖에 있는 아주 멀리 떨어진 천체라는 걸 확인했고요. 허블은 그 방법을 이용해서, 팔로마 산 천문대의 거대한 망원경으로 정확한 데이터를 모아서, 은하들이 거리에 비례하는 속도로 멀어지고 있다는 걸 증명했어요.
하지만, 이 젊은 벨기에 신부는 1927년에 이미 핵심적인 추론을 해냈어요. 만약 우리가 돌멩이가 위로 날아가는 걸 보면, 그 돌멩이가 원래 낮은 곳에 있었고, 뭔가가 그걸 위로 던졌다는 걸 알 수 있잖아요. 마찬가지로, 은하들이 멀어지고 있고, 우주가 팽창하고 있다는 걸 알게 되면, 은하들이 원래 서로 가까이 있었고, 우주가 더 작았으며, 뭔가가 그걸 팽창시키기 시작했다는 걸 알 수 있는 거죠. 그래서, 이 젊은 벨기에 신부는, 우주가 원래 엄청나게 작고 빽빽하게 압축되어 있었고, 거대한 폭발, 즉 빅뱅을 통해서 팽창하기 시작했다고 주장을 한 거예요. 그는 이 초기 상태를 '원시 원자'라고 불렀고, 지금은 '빅뱅'이라고 부르죠.
그의 이름은 조르주 르메트르였어요. 프랑스어로, 이 이름은 마치 '대사'처럼 들리는데, 빅뱅의 존재를 처음 깨달은 사람에게는 이보다 더 잘 어울리는 이름이 없을 거예요. 이름은 그렇지만, 르메트르는 성격이 아주 겸손했어요. 그는 논쟁을 피했고, 자신이 우주 빅뱅을 제일 먼저 발견했다고 주장하지 않았어요. 결국, 그 발견은 허블의 공으로 돌아가게 됐죠. 그가 얼마나 현명했는지 보여주는 두 가지 일화가 있는데, 하나는 아인슈타인에 관한 거고, 다른 하나는 교황에 관한 거예요.
앞에서도 얘기했지만, 아인슈타인은 우주의 팽창에 대해서 회의적이었어요. 그는 항상 우주가 정지해 있다고 생각했고, 우주가 팽창한다는 생각을 받아들일 수 없었죠. 아무리 위대한 과학자라도 실수를 할 수 있고, 선입견에 사로잡힐 수 있다는 걸 보여주는 거죠. 르메트르는 아인슈타인을 만나서, 자신의 편견을 버리라고 설득하려고 했어요. 하지만, 아인슈타인은 거절하면서, 르메트르에게 "계산은 옳지만, 물리가 엉망이야"라고 대답했죠. 하지만, 나중에 아인슈타인은 르메트르가 옳았다는 걸 인정해야 했어요. 아인슈타인에게 반박할 수 있는 사람은 많지 않았을 거예요.
비슷한 일이 한 번 더 있었어요. 아인슈타인은 우주 상수를 도입했죠. 제가 3장에서 설명했듯이, 그건 그의 방정식에 아주 작지만 중요한 수정이었는데, 그는 그걸 이용해서 방정식이 정적인 우주와 양립할 수 있기를 바랐던 거예요. 하지만, 그가 우주가 정적이지 않다는 걸 인정해야 했을 때, 그는 다시 우주 상수를 공격했어요. 르메트르는 두 번째로 아인슈타인을 설득해서, 생각을 바꾸게 했어요. 우주 상수가 우주를 정적으로 만들지는 못했지만, 그 자체로는 옳고, 방정식에서 제거할 이유가 없다는 거였죠. 이번에도 르메트르가 옳았어요. 우주 상수는 우주 팽창의 가속도를 만들어냈고, 그 가속도는 이미 측정된 거였거든요. 또 한 번, 아인슈타인은 틀렸고, 르메트르가 옳았던 거죠.
우주가 빅뱅으로 시작됐다는 생각이 받아들여지기 시작했을 때, 교황 비오 12세는 공개 연설에서, 그 이론이 창세기의 창조 이야기를 증명한다고 선언했어요. 르메트르는 교황의 견해에 대해서 아주 걱정했어요. 그는 교황의 과학 자문관에게 연락해서, 신의 창조와 빅뱅의 연관성에 대해서 이야기하는 걸 피하도록 교황을 설득하려고 온 힘을 다했죠. 르메트르는 과학과 종교를 섞는 게 어리석다고 생각했어요. 성경은 물리학에 대해서 아무것도 모르고, 물리학도 마찬가지로 신에 대해서 아무것도 모른다는 거였죠. 비오 12세는 그의 충고를 받아들였고, 가톨릭 교회는 그 주제에 대해서 더 이상 공개적으로 언급하지 않았어요. 교황에게 반박할 수 있는 사람은 많지 않았을 거예요.
물론, 이번에도 르메트르가 옳았죠. 지금은 빅뱅이 진정한 기원이 아니고, 그 전에 다른 우주가 있었을 가능성에 대한 이야기가 많잖아요. 만약 르메트르가 교황을 설득하지 못했더라면, 빅뱅과 창조가 같은 것이 되어버렸을 거고, 가톨릭 교회는 지금 얼마나 당황스러웠을까요? "빛이 있으라"가 "다시 불을 켜라!"로 바뀌었어야 했을지도 몰라요!
아인슈타인하고 교황, 이 두 사람에게 질문을 던져서, 그들이 실수를 했다는 걸 확신시키고, 그것도 두 번이나 성공했다는 건 정말 대단한 업적이죠. 그는 정말 '대사'라는 이름에 걸맞은 사람이었어요.
지금은 증거가 거의 압도적이에요. 아주 먼 과거에, 우주는 엄청나게 뜨겁고 밀도가 높았고, 그때부터 팽창하기 시작했다는 거죠. 우리는 그 초기의 뜨겁고 빽빽한 상태부터 시작해서, 우주의 역사를 자세하게 재구성할 수 있어요. 우리는 원자, 원소, 은하, 천체들이 어떻게 형성되었고, 어떻게 발전해서 오늘날 우리가 보는 우주가 되었는지 알고 있죠. 플랑크 위성이 수행한 우주 배경 복사에 대한 수많은 관측은, 빅뱅 이론을 다시 한번 완벽하게 증명했어요. 우리는 지난 140억 년 동안, 우주가 불덩어리에서 시작해서, 거대한 규모로 어떻게 변해왔는지 상당히 정확하게 알고 있어요.
생각해보세요. 원래 '빅뱅 이론'이라는 말은, 그 이론의 반대자들이 그 아이디어가 너무 터무니없어 보인다고 조롱하기 위해서 만들어낸 거였는데... 결국, 우리는 모두 설득당한 거예요. 140억 년 전에, 우주는 정말 압축된 불덩어리였다는 거죠.
근데, 그 초기의 뜨겁고 빽빽한 상태 이전에는 무슨 일이 있었을까요?
시간을 거슬러 올라가면, 온도는 올라가고, 물질의 밀도와 에너지도 증가해요. 140억 년 전의 어느 시점에, 플랑크 규모에 도달하게 되는 거죠. 그 시점에서는, 일반 상대성 이론의 방정식이 더 이상 적용되지 않아요. 왜냐하면, 양자 역학을 무시할 수 없게 되거든요. 그래서, 우리는 양자 중력의 영역으로 들어가게 되는 거예요.
140억 년 전에 무슨 일이 일어났는지 이해하려면, 양자 중력이 필요해요. 그럼, 끈 이론은 이 문제에 대해서 우리에게 뭘 알려줄까요?
비슷하지만 단순화된 상황을 한번 생각해봐요. 고전 역학에 따르면, 원자핵으로 직접 떨어지는 전자는 원자핵에 흡수돼서 사라져야 해요. 하지만, 실제로는 그렇지 않죠. 고전 역학이 완벽하지 않기 때문에, 양자 효과를 고려해야 하는 거예요. 실제 전자는 양자 물체라서, 정해진 궤적이 없고, 아주 작은 영역에 가둘 수가 없어요. 전자가 중심에 가까워질수록, 더 빨리 날아가 버리죠. 만약 우리가 전자를 원자핵 주변에 고정시키고 싶다면, 우리가 할 수 있는 건, 전자를 가장 작은 원자 궤도로 집어넣는 게 전부예요. 더 이상 원자핵에 가깝게 만들 수는 없죠. 양자 역학은 실제 전자가 원자핵에 빠지는 걸 막아줘요. 전자가 중심에 너무 가까워지면, 양자 척력이 전자를 밀어내거든요. 그래서, 양자 역학 덕분에 물질이 안정적인 거예요. 양자 역학이 없으면, 전자는 원자핵으로 떨어져 버릴 거고, 원자도 없을 거고, 우리도 존재할 수 없겠죠.
이 점은 우주에도 똑같이 적용될 수 있어요. 우리 우주가 너무 빽빽해서, 자신의 무게 때문에 엄청나게 작게 찌그러진다고 상상해봐요. 아인슈타인의 방정식에 따르면, 이 우주는 무한히 압축돼서, 어느 시점에는 완전히 사라져 버려야 해요. 마치 원자핵에 빠진 전자처럼요. 만약 우리가 양자 역학을 무시한다면, 그게 바로 아인슈타인의 방정식이 예측하는 빅뱅의 모습이 될 거예요.
하지만, 만약 우리가 양자 역학을 고려한다면, 우주는 무한히 압축되지 않고, 양자 척력이 우주를 튕겨낼 거예요. 수축하는 우주는 한 점으로 붕괴되지 않고, 마치 폭발로 형성된 것처럼 튕겨져 나가서 팽창하기 시작하는 거죠 (그림 8.3).
우리 우주의 과거는 아마도 그런 반등의 결과일 거예요. 이 거대한 반등은 '빅뱅'이 아니라 '빅 바운스'라고 불리죠. 끈 양자 중력 방정식을 우주의 팽창에 적용했을 때 얻을 수 있는 내용이 바로 이런 것 같아요.
반등의 그림을 글자 그대로 받아들여서는 안 돼요. 전자의 예로 다시 돌아가서, 만약 우리가 전자를 원자에 최대한 가깝게 두고 싶다면, 전자는 더 이상 입자가 아니게 된다는 걸 기억하세요. 우리는 전자가 확률 구름 속에서 흩어진다고 상상할 수 있죠. 전자에 대한 확실한 위치는 더 이상 의미가 없어요. 우주도 마찬가지예요. 빅뱅이 일어나는 중요한 단계에서는, 우주를 분리되어 있지만 단일한 시공간으로 상상할 수 없고, 시공간이 격렬하게 요동치는 흩어진 확률 구름으로 상상할 수 있을 뿐이죠. 빅뱅 속에서, 세상은 확률 구름으로 녹아내리지만, 이 구름은 방정식으로 여전히 설명할 수 있어요.
따라서, 우리 우주는 압축된 후 반등하면서 탄생했고, 시공간이 확률로 녹아내리는 양자 단계를 거쳤을 가능성이 아주 높아요.
'우주'라는 단어가 모호해졌어요. 만약 우리가 '우주'라는 단어를 '존재하는 모든 것'이라는 의미로 사용한다면, 정의상 두 번째 우주는 있을 수 없죠. 하지만, '우주'라는 단어는 우주론에서 다른 의미를 가지고 있어요. 그건 우리가 직접 볼 수 있는 주변의 시공간 연속체, 우리가 관측한 은하들의 기하학과 역사가 가득 찬 공간을 의미하죠. 이런 의미에서, 이 우주가 유일하게 존재하는 우주라고 단정할 이유는 없어요. 우리는 시공간 연속체가 바다 거품처럼 조각나서, 휠러가 제안한 그림처럼 양자 확률 구름이 될 때까지 과거를 재구성할 수 있죠. 그리고, 이 뜨거운 거품 밖에는 우리가 주변에서 감지하는 것과 비슷한 다른 시공간 연속체가 존재할 수 있다는 가능성을 포기할 이유도 없고요.
수축에서 팽창으로, 빅뱅 단계를 거쳐서 이동하는 우주의 확률은, 지난 챕터에서 설명했던 시공간 상자 방법을 이용해서 계산할 수 있어요. 수축하는 우주와 팽창하는 우주를 연결하는 스핀 거품을 사용해서, 계산을 완료할 수 있는 거죠.
이 모든 건 여전히 탐구 단계에 머물러 있지만, 이 이야기에서 주목할 만한 점은, 우리가 지금 이 사건들을 설명하려고 시도할 수 있는 방정식을 가지고 있다는 거예요. 아직까지는 이론에 불과하지만, 우리는 빅뱅 너머를 조심스럽게 바라보기 시작했어요.
자, 그럼 실험적인 증거는 뭘까요?
양자 우주론의 매혹적인 이론 탐구는, 빅뱅 너머에 무엇이 있는지에 대한 것뿐만이 아니에요. 이론을 우주론에 적용하는 걸 연구하는 데에는 또 다른 이유가 있어요. 그건 아마도 이론이 정말로 올바른지 검증할 기회를 제공해줄 수 있기 때문이죠.
과학은 가설과 추론, 직관과 통찰, 방정식과 계산 후에 우리가 얼마나 잘했는지 검증할 수 있기 때문에 효과가 있어요. 이론은 우리가 아직 관측하지 못한 것에 대한 예측을 할 수 있고, 우리는 그 예측이 맞는지 틀린지 검증할 수 있죠. 그게 바로 과학의 힘이고, 그 힘은 견고한 기반을 가지고 있어서, 우리가 충분히 신뢰할 수 있게 해줘요. 왜냐하면, 우리는 이론이 맞는지 틀린지 검증할 수 있으니까요. 그게 바로 과학이 다른 사고방식과 다른 점이고, 다른 사고방식에서는 누가 옳고 누가 틀린지 판단하기가 아주 어렵거나, 심지어 의미가 없을 때도 있죠.
르메트르가 우주가 팽창하고 있다는 생각을 옹호했을 때, 아인슈타인은 그 생각을 믿지 않았어요. 그 두 사람 중 한 명은 분명히 틀렸고, 다른 한 명은 옳았겠죠. 아인슈타인의 모든 업적, 그의 명성, 과학 세계에서의 영향력, 거대한 권위는 아무런 소용이 없었어요. 관측 데이터가 그가 틀렸다는 걸 증명했고, 게임은 거기서 끝났고, 무명의 벨기에 신부가 옳았던 거죠. 바로 그렇기 때문에 과학적 사고가 힘을 가지는 거예요.
과학 사회학은 과학적 인식 과정의 복잡성을 설명해주죠. 다른 인간의 노력과 마찬가지로, 이 과정도 비합리성에 시달리고, 권력 게임에 얽히고, 모든 종류의 사회적, 문화적 요인에 영향을 받을 수 있어요. 하지만, 그럼에도 불구하고, 이런 것들은 과학적 사고의 실천적, 이론적 효력을 약화시키지 못해요. 몇몇 포스트모더니스트나 문화 상대주의자들의 과장된 주장과는 정반대죠. 왜냐하면, 결국 대부분의 경우에, 우리는 누가 옳고 누가 틀린지 명확하게 판단할 수 있으니까요. 심지어 위대한 아인슈타인조차도 "아, 내가 실수를 했어!"라고 말할 수 있으니까요 (실제로 그렇게 말했죠!). 만약 우리가 신뢰성을 중요하게 생각한다면, 과학은 최고의 전략이 될 거예요.
그렇다고 해서 과학이 단순히 관측 가능한 예측을 하는 기술이라는 의미는 아니에요. 몇몇 과학 철학자들은 과학을 수치적인 예측으로 한정하는데, 그건 과학을 지나치게 좁게 보는 거예요. 그들은 요점을 놓치고 있는 거죠. 왜냐하면, 그들은 수단과 목표를 혼동하고 있거든요. 검증 가능한 정량적 예측은 가설을 검증하는 수단이지만, 과학 연구의 목표는 예측을 하는 것뿐만이 아니라, 세상이 어떻게 돌아가는지 이해하고, 세상의 그림을 만들고 발전시키고, 우리가 생각할 수 있는 개념적 구조를 제공하는 데에도 있어요. 기술적인 부분으로 들어가기 전에, 과학은 비전을 가지고 있는 거죠.
검증 가능한 예측은, 우리가 뭔가를 잘못 이해하고 있을 때 문제를 제때 발견할 수 있게 해주는 강력한 도구예요. 실험적인 증거가 부족한 이론은 아직 검증을 거치지 않은 이론이죠. 검증은 결코 끝나지 않아요. 하나의 이론이 한두 개, 혹은 세 개의 실험으로 완전히 증명될 수는 없지만, 그 이론의 예측이 진실로 밝혀질수록, 이론의 신뢰도는 점차 증가하죠. 일반 상대성 이론이나 양자 역학처럼, 처음에는 많은 사람들을 혼란스럽게 했던 이론들도, 그 이론의 모든 예측, 심지어 가장 믿을 수 없는 예측들까지 점차 실험과 관측으로 증명되면서, 사람들의 신뢰를 얻게 된 거죠.
반면에, 실험적인 증거의 중요성이 실험 데이터가 없으면 진보할 수 없다는 걸 의미하는 건 아니에요. 사람들은 우리가 새로운 실험 데이터를 얻어야만 과학이 진보한다고 말하곤 하죠. 만약 그게 사실이라면, 우리는 새로운 걸 관측하기 전에는 양자 중력을 발견할 희망이 거의 없을 거예요. 하지만, 분명히 그건 아니죠. 코페르니쿠스에게 어떤 새로운 데이터가 있었나요? 아무것도 없었어요. 그의 데이터는 톨레미의 데이터와 똑같았죠. 뉴턴에게 어떤 새로운 데이터가 있었나요? 거의 없었어요. 그가 진짜로 가지고 있었던 자료는 케플러 법칙과 갈릴레오의 업적이었죠. 아인슈타인에게 일반 상대성 이론을 발견할 만한 새로운 데이터가 있었나요? 역시 없었어요. 그의 자료는 특수 상대성 이론과 뉴턴 이론이었죠. 새로운 데이터가 나타나야만 물리학이 진보한다는 말은 분명히 틀린 말이죠.
코페르니쿠스, 뉴턴, 아인슈타인과 다른 많은 과학자들이 한 일은, 자연의 여러 분야의 경험적 지식을 통합한 기존의 이론을 기반으로, 그 이론들을 통합하고 다시 생각하는 방법을 찾아서, 보편적인 개념을 개선하는 거였죠.
그게 바로 양자 중력의 최고의 연구 운영의 기초가 되는 거예요. 과학에서, 지식의 근원은 결국 실험이죠. 하지만, 양자 중력을 구축하는 데 사용되는 데이터는 새로운 실험에서 오는 게 아니라, 이미 우리 세계의 그림을 구성하고 있는 이론의 대저택에서 오는 거예요. 물론 부분적으로만 일관성이 있는 형태죠. 양자 중력의 "실험 데이터"는 일반 상대성 이론과 양자 역학인 거죠. 우리는 그걸 기반으로, 양자 공간과 휘어진 공간이 공존하는 세계가 어떻게 스스로 일관성을 유지하는지 이해하려고 노력하고, 미지의 것을 탐험하려고 시도하는 거예요.
우리 이전에 비슷한 상황에 처했던 거인들, 예를 들어 뉴턴, 아인슈타인, 디랙 같은 사람들이 이룬 엄청난 성공은 우리에게 큰 격려가 되죠. 감히 그들의 수준에 도달할 거라고 생각하지는 않지만, 우리가 그들의 어깨 위에 올라타 있다는 건, 우리가 그들보다 더 멀리 볼 수 있다는 걸 의미하니까요. 어쨌든, 우리는 노력해야겠죠.
우리는 단서와 강력한 증거를 구분해야 해요. 단서는 셜록 홈즈가 미스터리한 사건을 해결할 수 있게 해주고, 판사는 범죄자를 심판하기 위해서 강력한 증거가 필요하죠. 단서는 우리를 올바른 이론을 향해 가는 길로 인도해주고, 강력한 증거는 우리가 구축한 이론이 좋은지 나쁜지 믿게 해주죠. 단서가 없으면, 우리는 잘못된 방향으로 찾게 되고, 증거가 없으면, 이론은 신뢰할 수 없게 되죠.
양자 중력도 마찬가지예요. 이 이론은 아직 걸음마 단계에 있고, 이론적인 구성 요소들이 점점 더 견고해지고 있고, 기본적인 아이디어가 설명되고 있죠. 단서는 좋고, 아주 구체적이지만, 아직까지는 검증된 예측이 부족해요. 이 이론은 아직 검사를 통과하지 못한 거죠.
이 책에서 이야기하는 연구 방향에서, 또 다른 가장 많이 연구되는 이론은 끈 이론이에요. 끈 이론이나 관련 이론을 연구하는 대부분의 물리학자들은, 제네바 유럽 입자 물리 연구소 (CERN)의 새로운 입자 가속기 (LHC, 또는 대형 강입자 충돌기라고도 함)가 가동을 시작하면, 이론적으로 예측은 했지만 전에 관측된 적은 없었던 입자, 즉 초대칭 입자가 즉시 나타날 거라고 기대를 했어요. 끈 이론은 이론적인 일관성을 위해서 그 입자들이 필요했기 때문에, 끈 이론가들은 그 입자를 발견하기를 간절히 바랐던 거죠. 반면에, 끈 양자 중력 이론은 초대칭 입자가 없더라도 완벽하게 정의될 수 있어요. 끈 이론가들은 그 입자들이 아마도 존재하지 않을 거라고 생각하는 경향이 있죠.
초대칭 입자가 관측되지 않았다는 건, 많은 사람들을 실망시켰어요. 2013년에 힉스 보손의 발견을 축하했던 사람들도 똑같은 실망감을 감추지 못했죠. 초대칭 입자가 많은 끈 이론가들이 예측했던 에너지 수준에서 나타나지 않았다는 건, 어떤 것도 확실하게 증명해주지는 못해요. 하지만, 자연은 끈 이론보다 끈 이론에 유리한 작은 단서를 줬다고 할 수 있죠.
최근 몇 년 동안, 기초 물리학에는 세 가지 중요한 실험 결과가 있었어요. 첫 번째는 제네바 유럽 입자 물리 연구소에서 힉스 보손을 발견한 거였죠 (그림 9.1). 두 번째는 플랑크 위성 (그림 9.2)이 관측한 데이터였는데, 2013년에 공개되면서 표준 우주 모델을 증명해줬죠. 세 번째는 2016년 초에 발표된 중력파의 첫 번째 탐지였어요. 이게 바로 자연이 우리에게 준 최근 세 가지 신호였죠.
이 세 가지 결과에는 공통점이 하나 있어요. 그건 완전히 놀랍지 않았다는 거죠. 그렇다고 해서 그 중요성이 줄어든 건 아니에요. 오히려, 그 반대로, 그게 더 의미가 있었죠. 힉스 보손의 발견은 양자 역학에 기반한 기본 입자 표준 모델이 옳다는 강력한 증거였고, 30년 전에 했던 예측을 검증해준 거였죠. 일반 상대성 이론과 우주 상수에 기반한 표준 우주 모델에 대해서, 플랑크 위성의 관측 결과는 견고한 증거가 되어줬죠. 이미 100년 전에 탄생한 일반 상대성 이론에 대해서, 중력파를 탐지했다는 건 놀라운 증거가 되어줬고요. 기술적으로 힘든 노력과 수백 명의 과학자들의 광범위한 협력으로 얻어낸 이 세 가지 성과는, 우리가 이미 가지고 있던 우주의 구조에 대한 이해를 강화해줬을 뿐이었어요. 진짜 놀라운 건 없었죠.
하지만, 이런 놀라움의 부재는, 어떤 의미에서는 놀라움이었어요. 왜냐하면, 많은 사람들이 큰 놀라움을 기대했거든요. 다시 말해서, 이미 확립된 이론으로는 설명할 수 없는 "새로운 물리학"을 발견하기를 바랐던 거죠. 그들은 유럽 입자 물리 연구소에서 힉스 보손이 아니라 초대칭 입자를 기대하고 있었어요. 많은 사람들은 플랑크 위성이 표준 우주 모델과의 편차를 관측할 수 있기를 바랐고, 그 편차는 일반 상대성 이론 이외의 다른 우주 이론을 지지해줄 거라고 생각했죠.
하지만, 그런 일은 없었어요. 자연이 준 긍정은 아주 간단했죠. 일반 상대성 이론, 양자 역학, 그리고 양자 역학 내부의 표준 모델은 모두 옳다는 거였어요.
지금은 많은 이론 물리학자들이 아주 가벼운 가정을 하면서 새로운 이론을 찾고 있어요. "이걸 상상해봅시다..." 저는 그런 식으로 과학을 연구하는 방식은 좋은 결과를 가져오지 않을 거라고 생각해요. 우리가 통제할 수 있는 범위 안에 있는 흔적에서 영감을 얻지 않는 한, 우리의 환상은 "상상"하는 세계가 어떤 모습일지에 너무 제한적일 거예요. 우리가 가지고 있는 흔적, 즉 우리의 단서는 성공적인 이론이나 새로운 실험 데이터, 그 외에는 없어요. 우리는 그 데이터와 그 이론에서 우리가 아직 상상할 수 없는 것을 발견해야 하는 거죠. 그게 바로 코페르니쿠스, 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인이 나아갔던 방식이었어요. 그들은 결코 새로운 이론을 "추측"하지 않았어요. 마치 오늘날 너무 많은 이론 물리학자들이 시도하고 있는 것처럼요.
지금까지 제가 언급한 세 가지 실험 결과는 이미 자연이 발언을 한 거라고 할 수 있어요. "새로운 장이나 이상한 입자, 추가적인 차원, 다른 대칭성, 평행 우주, 끈, 혹은 다른 어떤 것에 대해서 더 이상 환상을 갖지 마세요. 퍼즐은 아주 간단하고, 그건 바로 일반 상대성 이론, 양자 역학, 그리고 표준 모델이에요. 다음 단계는 아마도 '단지' 그것들을 올바른 방식으로 통합하는 문제일 거예요." 이건 양자 중력 공동체에게는 위로가 되는 제안일 거예요. 왜냐하면, 그게 바로 이론의 가정이거든요. 일반 상대성 이론, 양자 역학, 그리고 그것과 양립할 수 있는 표준 모델, 그 외에는 아무것도 없다는 거죠. 공간의 양자화, 시간의 소멸 같은 근본적인 개념적 추론은 대담한 가설이 아니에요. 그것들은 우리가 가진 가장 훌륭한 이론의 기본적인 통찰력을 진지하게 받아들인 후에 얻을 수 있는 합리적인 추론인 거죠.
이것들도 아직 확실한 증거가 아닐 수도 있어요. 초대칭 입자가 결국 나타날 수도 있겠죠. 아마도 우리가 아직 도달하지 못한 규모에서 나타날 수도 있고, 끈 양자 중력이 옳다고 하더라도 나타날 수 있을 거예요. 초대칭 입자가 예상했던 곳에 나타나지 않아서, 끈 이론가들은 조금 실망했고, 끈 이론가들은 조금 신이 났겠지만, 그건 여전히 단서의 문제일 뿐이고, 아직 강력한 증거는 전혀 없어요.
더 많은 확실한 증거를 찾으려면, 우리는 다른 곳을 봐야 할 거예요. 원시 우주는 우리에게 이론이 옳다는 걸 증명할 수 있는 몇 가지 예측을 할 수 있게 해주는 창문을 열어줬어요. 저는 그게 그리 멀지 않은 미래에 일어날 수 있기를 바라요. 아니면, 그들은 이론이 틀렸다는 걸 증명해줄 수도 있겠죠.
만약 우리가 양자 단계에서 우주의 진화를 설명하는 방정식을 가지고 있다면, 우리는 양자 현상이 오늘날 관측되는 우주에 미치는 영향을 계산할 수 있을 거예요. 우주는 우주 복사로 가득 차 있어요. 초기 뜨거운 단계에서 남은 수많은 광자와 초기 고온의 잔광이죠.
은하 사이의 거대한 공간에 있는 전자기장은 폭풍이 지나간 후의 해면처럼 진동하고 있어요. 우주에 널리 퍼져 있는 이런 진동을 우주 배경 복사라고 부르고, 과거 몇 년 동안 우주 배경 탐사기 (COBE), 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기 (WMAP), 그리고 최근에는 플랑크 위성 같은 탐사기로 연구가 진행되었죠. 이 복사의 미세한 요동 이미지가 그림 9.3에 나와 있어요. 이 복사 구조의 세부 사항은 우리에게 우주의 역사를 알려줄 수 있고, 우주의 양자 기원에 대한 단서가 그 속에 숨겨져 있을지도 몰라요.
양자 중력 연구에서 가장 활발한 분야 중 하나는, 원시 우주의 양자 역학이 이 데이터에 어떻게 반영되는지 연구하는 데 전념하고 있어요. 아직 초기 단계에 불과하지만, 여전히 고무적이죠. 더 많은 계산과 더 정확한 측정을 통해서, 이론에 대한 검증을 할 수 있을 거예요.
2013년에, 아베 아쉬테카 (Abhay Ashtekar), 이반 아굴로 (Ivan Agullo), 윌리엄 넬슨 (William Nelson)은 특정 가정하에서, 그 우주 복사에서 나오는 요동의 통계적 분포가 초기 반등의 영향을 드러내야 한다는 걸 계산해냈어요. 광범위한 요동은 양자를 고려하지 않은 이론으로 하는 예측과는 달라야 한다는 거죠. 현재 측정 상태는 그림 9.4에 나와 있는데, 여기서 검은 선은 아쉬테카, 아굴로, 넬슨의 예측을 나타내고, 회색 점은 측정 데이터를 나타내요. 현재 이 데이터는 세 명의 저자가 예측한 검은 선의 위로 굽은 부분이 올바른지 판단하기에는 충분하지 않지만, 측정은 점점 더 정확해지고 있고, 상황은 여전히 변하고 있어요. 하지만, 저처럼 양자 공간의 비밀을 이해하기 위해서 평생을 바쳐온 사람들은, 우리가 관찰하고, 측정하고, 계산하는 능력의 끊임없는 발전을 희망과 불안이 뒤섞인 감정으로 계속해서 주시하고 있어요. 자연이 우리에게 옳고 그름을 말해주는 순간을 기대하면서요.
초기 뜨거운 열의 흔적은 중력장 안에도 분명히 남아 있을 거예요. 중력장, 즉 공간 자체는 분명히 해면처럼 진동하고 있을 테니까요. 따라서, 우주 중력 배경 복사도 분명히 존재해야 해요. 심지어 우주 마이크로파 배경 복사보다 더 오래된 복사여야 하죠. 왜냐하면, 전자기장에 비해서 중력파는 물질의 영향을 덜 받기 때문이에요. 심지어 우주가 너무 빽빽해서 전자기파가 통과할 수 없을 때에도, 중력파는 영향을 받지 않고 통과할 수 있으니까요.
지금 우리는 레이저 간섭 중력파 관측소 (LIGO) 탐지기를 이용해서 중력파를 직접 관측하고 있어요. 그 탐지기는 몇 킬로미터 길이의 기기 팔 두 개로 구성되어 있는데, 서로 적절한 각도를 이루고 있고, 레이저 광선은 세 개의 고정된 지점 사이의 거리를 측정할 수 있어요. 중력파가 지나갈 때, 공간은 감지하기 어려울 정도로 늘어나고 줄어들고, 레이저는 이 아주 작은 변화를 보여주죠.
중력파는 블랙홀 충돌이라는 천체 물리학적 사건으로 발생하고, 이런 현상들은 일반 상대성 이론으로 설명할 수 있고, 양자 중력과는 관련이 없어요. 하지만, LISA라는 더 야심 찬 실험이 평가 단계에 있는데, 훨씬 더 큰 규모에서 똑같은 작업을 수행할 수 있을 거예요. 궤도에 위성 세 개를 놓고, 지구를 도는 게 아니라 태양을 도는 거죠. 그 위성들은 궤도에서 지구를 추적하는 작은 소행성처럼 움직일 거예요. 세 개의 위성은 레이저 광선으로 연결되어서, 그 사이의 거리를 측정하고, 더 좋게는 중력파가 지나갈 때 거리의 변화를 측정하는 거죠. 만약 LISA가 시작될 수 있다면, 항성과 블랙홀에서 발생하는 중력파뿐만이 아니라, 빅뱅에 가까워질 때 발생하는 원시 중력파의 배경 복사도 관측할 수 있을 거예요. 그 파동은 우리에게 양자 반등에 대한 정보를 알려줄 수 있을 거예요.
공간의 미세한 불규칙한 모습 속에서, 우리는 140억 년 전에 우주가 기원했을 때 일어났던 사건의 흔적을 발견할 수 있고, 공간과 시간의 본성에 대한 우리의 추론을 확인할 수 있을 거예요.
우리 우주에는 많은 블랙홀이 존재하고, 블랙홀의 영역에서는 공간이 극도로 휘어져서, 결국 자신 내부로 붕괴되고, 시간이 멈추게 되죠. 앞에서도 얘기했지만, 항성이 사용할 수 있는 모든 수소를 태우고 나면, 붕괴해서 블랙홀을 형성하게 돼요.
붕괴하는 항성은 종종 이웃 항성과 짝을 이루는 경우가 많은데, 이런 경우, 블랙홀은 아직 살아있는 "짝"을 서로 빙빙 돌면서, 다른 항성으로부터 끊임없이 물질을 흡수하죠 (그림 10.1 참조).
천문학자들은 이미 우리 태양만큼 큰 (실제로는 약간 더 크지만, 여기서 크기는 질량을 의미해요) 블랙홀을 많이 발견했지만, 거대한 블랙홀도 존재하죠. 거의 모든 은하의 중심에는 거대한 블랙홀이 있는데, 우리 은하도 마찬가지예요.
우리 은하 중심에 있는 블랙홀은 현재 자세하게 연구되고 있는데, 그 질량은 우리 태양보다 백만 배나 더 크죠. 때로는 항성이 이 거대한 블랙홀에 너무 가까이 다가가면, 중력 때문에 뒤틀려서 산산조각이 나고, 거대한 블랙홀에 삼켜지게 되죠. 마치 작은 물고기가 고래에게 삼켜지는 것처럼요. 태양 백 개만큼 큰 거대한 블랙홀이, 우리 태양과 그 작은 행성들을 순식간에 삼켜버린다고 상상해보세요...
진행 중인 아주 멋진 계획이 있는데, 그건 세계 곳곳에 전파 안테나 네트워크를 건설해서, 천문학자들이 충분히 큰 해상도를 얻어서 거대한 블랙홀을 "볼" 수 있게 하는 거죠. 우리가 예상하는 건, 작은 검은 원반이 있고, 그 속에 빠져들고 있는 물질의 복사로 만들어진 빛으로 둘러싸여 있는 모습이죠.
블랙홀 안으로 들어간 것은 다시 나올 수 없어요. 적어도 양자 이론을 무시한다면 그렇게 되죠. 블랙홀의 표면은 지금과 똑같아요. 한 방향으로만 통과할 수 있고, 미래에서 돌아올 수는 없죠. 블랙홀에게 과거는 바깥에 있고, 미래는 안에 있는 거예요. 바깥에서 보면, 블랙홀은 공처럼 보이고, 들어갈 수는 있지만, 안에서 나올 수 있는 건 아무것도 없죠. 로켓은 그 구체에서 일정한 거리를 유지하면서 머물 수 있는데, 이 거리를 블랙홀의 "지평선"이라고 불러요. 그렇게 하려면 로켓 엔진을 계속해서 격렬하게 태워서, 블랙홀의 만유인력을 상쇄해야 하죠. 블랙홀의 엄청난 중력 때문에 로켓에게는 시간이 느리게 흘러가요. 만약 로켓이 지평선에 아주 가까운 곳에 한 시간 동안 머물렀다가 떠난다면, 바깥에서는 그 동안 수 세기가 흘