션 캐롤 : 장구한 시간 및 다중우주의 힌트

우주학자 션 캐롤은 TEDxCaltech에서 시간과 우주의 본성에 대해 진지한 생각을 하게 만드는 이야기를 재미있게 한다. 지극히 간단하게 들리는 질문일지 모르지만 시간이란 것은 도대체 왜 존재하는 것일가? 이 질문에 대한 답들은 우주와 우리들의 본성에 대한 놀라운 결론을 시사해 줄지 모른다.

우주는

정말로 거대합니다.

우리는 은하계 안에서 살고 있죠.

은하계에는 약 천억개의 별들이 있습니다.

여러분께서

허블우주망원경에

카메라를 달고

아무런 방향으로나 사진을 찍는다면 이와 비슷한

사진이 찍힐 것입니다.

여기에 보이는 작은 덩어리 하나 하나가

약 천억개의 별들로 구성된

우리 은하계와 비슷한 크기의 은하들입니다.

우리가 관측할 수 있는 우주의 구역만해도 약 천억개의

은하가 존재합니다.

여러분은 천억개라는 숫자만 기억하시면 됩니다.

빅뱅부터 지금까지 우주의 나이는 개의 나이로 치면

천억살이지요.

(웃음)

이런 사실은 우리와 우주와의 관계를 잘 말해줍니다.

우리는 이런 사진을 보면 경외심을 금할 수 없지요.

정말 너무나 아름답죠.

저는 이런 사진을 상상도 하지 못하며 남아프리카의

초원지대에서 살던 우리 조상들이 어떤 진화적 압력에 의해

이 사진의 아름다움을 정말로 즐길 수 있도록

진화했는지 종종 궁금해합니다.

우리는 이런 사진에 대한 지적 호기심도 가지고 있지요.

우주학자로서 제가 알고 싶은 것은 왜 우주가 이렇게 생겼냐는 것입니다.

이 질문에 대한 큰 단서는 시간이 흐르며 우주가 변한다는 것입니다.

여러분이 은하 하나를 골라서 그 속도를 측정하면 그 은하가

여러분으로 부터 멀리 움직이는데,

더 먼곳에 있는 은하는 더 빨리 멀어진다는 것을

알 수 있습니다.

그래서 우리는 우주가 팽창한다고 말합니다.

이말은 즉 과거에는 은하들이 현재보다 더 가까이

있었다는 것을 의미합니다.

즉, 과거에는 우주가 더 밀집했었고.

또 더 뜨거웠었지요.

어떤것이던지 압축을 하면 온도가 올라가는데

그건 쉽게 이해할 수 있지요.

그러나, 빅뱅 직후인 우주의 초창기에

만사가 엄청나게 스무스했다는 것은

쉽게 이해하기 힘듭니다.

여러분은 그게 그렇게 놀랍지 않다고 생각할지 모릅니다.

이 강의실 내의 공기는 매우 스무스합니다.

어떤 사람은 "시간이 흐르며 저절로 스무스하게 됐다"라고 말할지 모릅니다.

그러나 빅뱅 직후 얼마 동안의 모든 상황은 지금 이 강의실 내의

상황과는 완전히 달랐습니다.

특히, 모든것이 훨씬 더 압축된 상태였지요.

빅뱅 직후 얼마간은 모든 사물에

작용하는 중력의 힘이 훨씬 더 강했습니다.

우주에는 천억 개의 은하가 있고

또한, 각 은하에는 천억개의 별이 있다는

사실을 생각해 보지요.

초기 우주에는 이런 천억개의 은하들이

정말로 이정도의 크기로

압축된 상태에 있었습니다.

그야말로 원자 하나도 틀림없게,

아무런 결함도 없게,

문자그대로 완벽무결하게,

압축된 상황을 말합니다.

만약에 조금이라도 이 압축된 상태에 결함이 있었다면 중력에 의해 그것이

거대한 블랙홀로 붕괴되었을테니까요.

우주 초기에 우주를 매우 매우 스무스하게 유지하려면 모든것이

섬세하고 정확히 배열돼야 하니까 쉬운일이 아닙니다.

그것은 초기 우주가 임의로

선택된 것이 아니라는 말해주는 하나의 단서입니다.

즉, 무엇인가 그렇게 만들었다는 말이며

우리는 그것이 무었인지 알려고 합니다.

오스트리아의 19 세기 물리 학자인 루드비히 볼츠만은

우리에게 엔트로피라는 개념을 가르켜줌으로서

이 문제에 대한 답을 이해할 수 있도록 도와 주었지요.

여러분은 엔트로피라는 말을 들어보셨죠?

엔트로피는 어떤 시스템의 무질서, 불규칙성, 혼란성을 말합니다.

볼츠만의 묘비에는 엔트로피를

실제 숫자로 나타내 주는

공식이 새겨져 있습니다.

간단히 말해서, 엔트로피라는 것은

아무리 자세히 살펴보더라도

모든것이 동일하게 보이도록 어떤 한 시스템의 구성요소들을

몇번이나 재배열할 수 있는 가를 말하는 것입니다.

여러분은 이 강의실 안에 있는 공기의

원자 하나하나의 차이를 느끼지 못합니다.

엔트로피가 낮다는 말은

그렇게 보일 수 있게 정렬할 수 있는 수가 적다는 것을 말합니다.

엔트로피가 높다는 말은

그렇게 보일 수 있게 정렬할 수 있는 수가 많다는 것을 말하지요.

이것은 우주 또는 우주의 고립된

한 지역에서 엔트로피가

증가하고 있다는

열역학 제2법칙을 설명하는데 도움을 주는

결정적으로 중요한 식견입니다.

엔트로피가 증가하는 이유는

엔트로피가 높게 되는 방법이 낮게되는 방법보다

훨씬 더 많다는 단순한 이유 때문입니다.

이것은 엄청난 식견이지만

무언가가 빠진 것이 있지요.

참고로, 엔트로피가 증가한다는 식견은

과거와 미래의 차이를 말해주는 소위 '시간의 화살'이라는

아이디어를 뒷바침해 줍니다.

과거와 미래 간의 모든 차이점은

엔트로피가 증가했기

때문에 발생한 것입니다 --

그래서 우리는 과거는 기억하지만 미래는 모릅니다.

사람은 태어나고, 살고, 그리고 죽는데

항상 순서가 그런 이유는

엔트로피가 증가하기 때문입니다.

볼츠만은 엔트로피가 증가하는 것은 지극히

자연스러운 것인데 그 이유는 엔트로피가

증가하는 방법이 더 많기 때문이라고 설명했습니다.

그러나 그는 왜 애당초에 엔트로피가

낮았는가에 대해서는 설명하지 않았습니다.

우주의 엔트로피가 낮았다는 것은

초기 우주가 매우 매우

스무스했다는 것을 말하는 것인데

우리는 그 이유를 알고 싶습니다.

그것이 우리 우주학자들의 과제이지요.

불행히도 우리는 이 문제를 풀기 위해

지금까지 충분한 노력을 하지 않았지요.

"우리가 지금 해결하고자 하는 과제는 무엇입니까?"라고

우주학자들에게 물었을때

바로 이 문제라고 선뜻말하는 사람은 별로 없지요.

이것이 우리의 큰 과제라고 생각했던

사람의 하나는 리처드 파인만였습니다.

파인만은 50 년 전에 여러 분야에 대한 강의시리즈를 했지요.

그때 인기를 끌었던 강의시리즈 하나는

"The Character of Physical Law"라는 책으로 출판되었지요.

그가 칼텍 대학생에게 한 강의 시리즈는

"The Feynman Lectures on Physics"으로 출판되었고

그가 칼텍 대학원생에게 한 강의 시리즈는

"The Feynman Lectures on Gravitation"으로 출판되었지요.

그는 이 책들 그리고 그의 강의 시리즈에서

다음과 같은 질문을 계속했습니다:

왜 초기 우주의 엔트로피가 그렇게 작았을까요?

그는 말하기를 - 파인만의 액센트는 생략하지요 -

"우주는 한때 총 에너지의

엔트로피가 낮았던 시절이 있었는데

그 이후로 엔트로피가 증가했다.

우주 초기에 대한 수수께끼가

추측의 경지에서 이해의 경지로 넘어올때 까지

'시간의 화살'을 완전히

이해할 수 없다"고 말했지요.

그래서 우리는 이 과제를 풀어야 합니다.

50년 전에 그런말이 나왔으면 지금쯤은

그 대답을 찾아냈을만도 하지만

우리는 아직도 그 답을 찾지 못하고 있습니다.

그런데 1998년에 우리가 우주에 대한

중요한 사실을 발견하며

이 문제를 해결하기가

오히려 더 힘들어 졌습니다.

즉, 우주가 가속한다는 것을 발견한 것이죠.

우주가 단순히 팽창만 하는것이 아니라는 겁니다.

은하계를 바라보면 그것이 우리로 부터

멀리 날아가고 있는데 억년 후에는 지금보다도

더 빨리 우리로 부터 멀리 날라가고 있을 것입니다.

모든 은하는 우리로 부터 점점 더 빨리 멀리 날라가고 있습니다.

그래서 우리는 우주가 가속하고 있다고 말합니다.

초기 우주의 낮은 엔트로피와는 달리,

비록 우주의 가속에 대한 답은 모르지만,

최소한 그것을 설명할 수있는

좋은 설이 있는데 그것은 바로

암흑에너지설입니다.

이것은 빈 공간 자체가 에너지를 가지고 있다는 아이디어죠.

이것은 즉 매 입방 센티미터의 공간에

입자, 물체, 방사선 또는

그 어떤 것이 존재하건 안하건

그 공간 자체에 에너지가 존재한다는 것입니다.

아인슈타인은 이 에너지가 우주에

미는 힘을 가한다고 말합니다.

이것은 은하계들이 서로 멀리 떨어지게

밀어주는 영구적인 추진력을 제공해 줍니다.

그런데 암흑에너지는

물체나 방사선과는 달리 우주가 계속

확장되어도 매 입방 센티미터의

공간에 있는

에너지는 감소되지 않지요.

이것은 우주의 미래에 대해

신중한 의미를 가지고 있는데 이에 따르는

중요한 결론의 하나는 우주가 영원히 확장된다는 것입니다.

제가 여러분의 나이였을때 우리들은

우주의 장래가 어떻게 될지 몰랐지요.

어떤 사람들은 우주가 붕괴될 것이라고 믿었지요.

아인슈타인은 이 아이디어를 좋아했습니다.

그러나 만약에 암흑에너지가 존재하고 그것이 소멸되지 않는다면

우주는 영원히 영원히 계속 팽창할 것입니다.

우주는 지금까지 140억년 동안,

즉, 개의 연수로 치면 1000억년 동안 팽창해 왔고

앞으로도 무한한 시간을 통해 팽창하겠지요.

그러나 우리 인간에 관한 한 우주는

한정된 것으로 보입니다.

우주는 유한할 수도 있고 무한

할 수도 있지만 우주가 가속팽창하기

때문에 우리가 볼 수도 없고

보지도 못할 부분이 있습니다.

우주에서 우리가 갈 수 있는 곳은 우리를 중심으로 한

한정된 구역이지요.

그래서 시간이 영원히 계속되더라도

우리에 관한 한 우주는 한정돼 있습니다.

마지막으로, 우주의 빈 공간에는 온도가 있습니다.

여러분은 블랙홀이 흑체라고 생각할 지 몰라도

1970 년대에 스티븐 호킹은

양자역학을 감안하면

실지로 방사선을 방출한다고 말했습니다.

블랙홀 주위의 시공간 곡률은

양자역학적 요동을 일으키며 그 결과

블랙홀을 방사하게 됩니다.

호킹과 게리 기븐스의 정확하게 유사한 계산 결과들은

빈 공간에 암흑에너지가 있다면 우주 전체가

방사한다는 것을 보여줬습니다.

빈 공간의 에너지는

양자적 요동을 하게 합니다.

따라서, 우주가 영원히 지속되고,

우주팽창에 의해 일반 물질과 방사선이 희석되더라도

우주의 빈 공간에는

언제나 약간의 방사선과

열요동이 있을것입니다.

이는 즉, 우주는 마치

끊임없이 가스가 나오는

무슨 상자 같다는 거죠.

그럼 이것은 무엇을 의미할까요?

19 세기에 볼츠만은 이것이 무엇을 의미하는 가에 대해 연구했지요.

그는 우주의 엔트로피가

높게 되는 방법이 낮게 되는 것보다

훨씬 더 많기 때문에 엔트로피가 증가한다고 말했습니다.

하지만 그것은 확률적인 기술이었지요.

즉, 엔트로피는 아마도 증가할 것이고

또한 그럴 확률은 엄청나게 크다는 것이었지요.

이 강의실 안에 있는 공기가 모두 한곳으로 몰려서

우리가 질식하게 될 확율은 매우 매우 낮으므로 그런 걱정을 할 필요는

전혀 없지요.

그러나, 우리가 이 강의실 안에

갇혀진 상태에서 영원히 기다린다면

그런일이 생기지요.

이 강의실 안에 있는

모든 분자들이 만들 수 있는 모든 분자 구성들이 언젠가는

그렇게 만들테니까요.

즉, 볼츠만은 열평형 상태로 부터 우주가

시작됐다고 가정하자고 말했지요.

그는 빅뱅에 대해서도 몰랐고 우주의 팽창에 대해서도 몰랐지요.

그는 공간과 시간은 아이작 뉴턴이 설명한 바와같이

절대적이며 변하지 않는다고 생각했지요.

그래서 그는 우주의 모든 곳에는

모든 물질의 분자인 공기분자들이 골고루

퍼져있다고 생각했지요.

볼츠만의 아이디어는 우리들이 충분히 오랜 시간 동안을 기다린다면

이들 분자들의 임의적인 요동에 의해

가끔 엔트로피가 낮은

구성이 된다는 것입니다.

그런 다음에는 물론 시간이 흐름에 따라 자연적으로

그것이 다시 확장된다는 것이죠.

즉, 엔트로피는 반드시 항상 증가해야 하는 것이 아니고

보다 더 정돈되고 낮은 엔트로피의 상태로

요동할 수도 있다는 것입니다.

그것이 사실이라면 볼츠만은

다중우주와 인류지향 원칙이라는

2가지의 매우 현대적으로

들리는 아이디어를 발명한 것이지요.

그는 열평형 아이디어의 문제점은 우리는 그러한

상황에서는 살 수 없다는 것이라고 말합니다.

생명 자체는 '시간의 화살'에 의존한다는 것을 기억해야죠.

우리가 열평형 상태에 있다면 우리는

정보 처리, 신진대사, 걷는것 또는

대화를 하지 못할 것입니다.

상상도 할 수 없게, 무한으로 큰 우주안에서

입자들이 임의로 서로 충돌한다면

가끔가다 어떤곳이 낮은 엔트로피 상태로

약간 요동하다가는 다시 릴랙스한 상태로

되돌아오게 되겠지요.

그러나 큰 요동도 있을 수 있겠지요.

그러면 간혹 행성이나, 별이나, 은하

또는 1000억개의 은하를

만들 수 있겠지요.

그래서 볼츠만은

생명이 가능하며, 요동하는 입자들이 있는 무한한

세트가 있는 다중우주의 일부에서만

우리가 살 수 있다고 말합니다.

이러한 곳은 엔트로피가 낮은 곳이지요.

어쩌면 우리의 우주라는 것은 그냥 때떄로

생기는것들 중의 하나일지 모릅니다.

이제 제가 여러분에게 숙제를 하나 드리겠는데

그것은 이 말의 의미를 정말로 깊이 생각하고 숙고하라는 것입니다.

칼 세이건은 사과 파이를 만들려면

우주를 먼저 발명해야 한다는

유명한 말을 한적이 있습니다.

하지만 그의 말은 틀린 말이지요.

볼츠만의 시나리오에 의하면, 사과 파이를 만들려면 원자들의

임의 운동이 사과 파이를 만들때 까지

기다리기만 하면 되니까요.

왜냐하면, 원자들의 임의 운동으로

사과 과수원과 설탕 그리고 오븐이

만들어지고 또 그안에서 파이가 만들어지는 것

보다는 사과파이가 직접 우연히 만들어질

확률이 훨씬 더 높을테니까요.

즉, 이 시나리오가 예측하는 것은

엔트오피가 조금만 요동하면

우리가 만들어 질수 있다는 것입니다.

지금 우리가 있는 이 강의실이 존재하고 있고,

이 강의실 밖에는 칼텍이라는 대학, 미국이라는 나라,

그리고 은하수가 있다는 기억과 인상을

우리가 가지고 있더라도, 엔트로피의

요동에 의해 실제로 칼텍대학, 미국, 그리고 은하계가

만들어지는 것에 비교하면, 엔트로피의 요동에 의해

우리의 두뇌가 그러한 여러가지 인상을 받게

만드는 것이 훨씬 더 쉽다는 것입니다.

그런데 다행히도

이 시나리오는 틀렸지요.

이 시나리오는 우리는 최소한의 엔트로피 요동의 결과여야 한다고 예측했지요.

우리 은하계를 무시하더라도,

1000억개나 되는 다른 은하계들을 무시할 수는 없다는 것이죠.

그리고 파인만도 이것을 이해하고 있었죠.

파인만은 "세계가 물질이 요동한 결과라는 가설로 부터

충분히 예측할 수 있는 것은

우리가 전에 본적이 없는 세계의 일부를 처음으로 본다면

그곳은 우리가 그 방금전에 봤던 곳과는 달리 혼돈된, 즉 엔트로피가

높은 상태에 있을 것이다.

우리의 정돈된 상태가 요동에 의한 것이라면 우리가 방금

그것을 관찰한 곳 이외에는 정돈을 기대하지 않겠으며

따라서 우리는 우주가 요동하지 않는다는 결론을 내린다. "라고 말했지요.

그건 좋습니다. 그런데 그렇다면 과연 정답은 무엇인가요?

만약에 우주가 요동이 아니라면

왜 초기 우주의 엔트로피가 낮았을까요?

여러분에게 답을 말해 주고 싶지만 그럴 시간이 없군요.

(웃음)

이것은 우리가 지금 말하는 우주와

실제로 존재하는 우주를 보여주는

그림입니다.

우주는 약 지난 100 억년간 확장되고 있고

지금 냉각되고 있지요.

하지만 오늘의 과학은 우주의 미래에 대해

더 많은 예측을 할 수 있습니다.

만약에 암흑에너지가 남아있으면

우리 주위에 있는 별들은 핵 연료를 다 소진하고 핵반응이 중단되겠지요.

그러고는 블랙홀로 떨어질 것입니다.

그러면 우리는 블랙홀 밖에 없는

우주에서 살게 되겠지요.

그런 우주는 10의 100승 년 정도 지속될 것입니다 -

즉, 지금까지의 우주의 역사보다 훨씬 더 긴 시간이지요.

미래는 과거보다 훨씬 더 길겠지요.

그러나 블랙홀들도 영원히 지속되지는 않습니다.

블랙홀은 증발할 것이며

그리고 아무것도 없고 빈 공간만 남아있을 것입니다.

그 빈 공간은 근본적으로 영원히 지속됩니다.

그러나 빈 공간은 방사선을 방출하기 때문에

사실은 열요동이 있고

빈공간에서

허용되는 모든 배합을

계속해서 하겠지요.

그래서 우주가 영원히 지속하더라도

우주에 존재할 수 있는 것들은

한정돼 있습니다.

이런일들은 모두 10의 10승의 120승년

이라는 시간에 걸쳐 발생합니다.

이제 여러분께 2가지 질문을 드리지요.

첫째로 : 우주가 10의 10승의 120승 년 동안 지속된다면

왜 우리는 빅뱅이 있은 직후라서

따스한 잔광이 아직도 남아있는

첫 140억년 이라는 짧은 시간 동안에 태어났을까요?

우리는 왜 빈 공간에 있지 않을까요?

어떤 사람은 "빈공간에는 살고 어쩌고 할 아무것도 없다 "라고

말할 지 모르지만 그건 틀린 말이죠.

왜냐면 임의의 요동으로 무에서 당신이 생길 수 있으니까요.

왜 당신은 빈공간에 살지 않죠?

이것도 여러분께 드리는 숙제입니다.

제가 말했듯이 저도 사실은 그 대답을 모릅니다.

그 대신 제가 좋아하는 시나리오를 말해드리지요.

첫번째는, 아무런 설명도 할 필요가 없이 그냥 그렇다는 것입니다.

이것이 우주에 대한 냉정한 사실이니까

그냥 그렇다고 믿고 더 이상 묻지 말라는 것입니다.

두번째는, 빅뱅이 우주의

시작이 아니라는 것입니다.

깨지지 않은 달걀은 엔트로피가 낮은 구성이지만

우리는 냉장고 문을 열면서 "우리 냉장고

안에 낮은 엔트로피가 있다니 참 놀랍구나"라고

말하지 않지요.

그 이유는 달걀은 닫힌 시스템이 아니고

닭에서 나왔기 때문이죠.

어쩌면 우주는 우주닭에서 나왔을지도 모릅니다.

어쩌면 물리법칙의 성장을 통해

낮은 엔트로피 구성에서 자연스럽게 우리의

우주 같은 것이 태어나게 되는

무엇인가가 있을지도 모릅니다.

그게 사실이라면 그런일은 한번 이상 일어날 것이며

우리는 훨씬 더 광대한 다중우주의 일부라는 결론이 내리겠지요.

이게 제가 제일 좋아하는 시나리오입니다.

주최자가 이 강의을 끝낼때 대담한 추측을 해달라고 부탁했지요.

저의 대담한 추측은

제가 옳다는 것은 앞으로 역사적으로 증명될 것이라는 것입니다.

앞으로 50 년후에는 지금 제가 가지고 있는

뚱딴지 같은 모든 아이디어들을

과학계와 대중이 믿게될 것입니다.

모든 사람들이 우리의 작은 우주가 훨씬 더 큰

다중우주의 작은 한 부분이라고 믿게 되겠지요.

그러나 그것보다도 더 좋은 것은 빅뱅에서 무슨 일이

일어 났는지를 이론적으로 이해하고 그것을

관측결과와 비교할 수 있게 되는 것이겠지요.

제 예측은 틀릴 수도 있습니다.

우리 인류는 고대 시절부터

우주의 역사는 어떠했으며 또한 왜 그렇게

우주가 생겼었는가를 생각해 왔지요.

우리가 언젠가 이에 대한 답을 알게 될지 모른다는 것은 흥미진진합니다.

감사합니다.

(박수)