<재생과 소멸>을 반복하는 사이클리크우주에서는 시간은 되돌아오는가?

<재생과 소멸>을 반복하는 사이클리크우주에서는 시간은 되돌아오는가?

 

 

 

양자역학과 중력이론을 통일하는 <양자중력이론>의 유력후보로서 전회에 루프양자중력이론을 자세히 소개했는데 보다 인기를 모으고 있는 후보가 초현이론이다. <현>은 다시 <막>을 낳고 거기서 기상천외한 우주상 <사이클리크우주>가 발상되었다. 영원히 반복되는 <팽창>과 <수축>이란 시간의 순행과 역행에 대응하고 있는 것일까? 그렇다면 사이클리크우주는 <시간의 거꾸로 되돌아옴>의 강한 동지가 되어 줄 것이다.

 

두 사람의 만남에서 시작한 사이클리크(cyclic)우주

 

1999년 8월 찬란한 햇빛 아래 아름다운 녹음에 싸이고 새소리 가득 찬 영국의 게임브리지의 여름이다. 게임브리지대학 아이작 뉴턴 수리과학연구소에서는 청중의 뜨거운 관심 속에 어느 초현이론연구자에 의한 <브레인 우주>를 주제로 한 강연이 행해졌다.

이 강연 종료 후 먼저 회장에서 2사람의 청강자가 연사에게로 다가가서 동시에 같은 말을 하였다. <빅뱅이란 2장 있는 브레인의 충돌에 지나지 않은 것이 아닌가?>

이 질문을 두 사람 중에 누가 먼저 했는지는 모르지만 서로 <같은 생각을 하고 있던 사람이 자기 외로 한 사람이 있다.>고 생각한 것 같다. 후에 공저자로서 사이클리크우주론을 제창하는 파울 스타인하드(Paul J. Steinhardt)와 닐 투록(Neil Turok)의 만남은 이렇게 시작한 듯하다.

실은 사이클리크우주론, 이 사고 여행의 주제 <시간의 거꾸로 되돌아오기>에 크게 관계하게 되는데 양자중력이론의 유력 후보로서 전회에도 조금 소개한 <초현이론>에서 날아들어 온 놀라운 아이디어이다.

=======*사이클리크우주론（cyclic universe theory）은 우주는 무한의 자율적인 순환에 따른다는 우주론이다. 예를 들면 1930년에 아인슈타인이 간결하게 생각을 나타낸 진동우주론(oscillatory universe theory)은 빅뱅에 의해서 시작하여 빅크런치(Big Crunch=예측되는 우주 종언의 일 형태.)에 의하여 끝나는 진동이 영원히 영속하는 우주를 이론화하였다.-위키페디아=====

 

현(弦)에서 태어난 막(膜) ‘브레인(brain)’

 

초현이론(超弦理論)에서는 양 끝에 아무 것도 없는 끈 모양의 <열린 현>과 양 끝이 이어져서 고리로 된 <닫힌 현>의 현이 2종류가 있다고 생각하는 것은 앞에서 소개한 바 있다. 중력을 전한다고 상정되는 또 발견되어 있지 않는 중력자만이 <닫힌 현>으로 표현되어 다른 물질이나 힘은 <열린 현>으로 표현된다.

다시 연구가 진행됨에 따라 <열린 현>은 그 끝을 <막(膜)> 같은 것에 붙어있음이 발견된 것이다. 발견이라 해도 현미경으로 무엇인가를 관찰하여 발견하는 것 같은 것은 아니므로 수학의 계산에서 안 것인데 이것이 초현이론으로서는 커다란 진보가 되었다.

초현이론은 9+1이라는 고차원의 시공을 생각하는데 일부 좁은 영역에 입자나 에너지가 집중하는 *<솔리톤(soliton)>이라 불리는 부분이 9+1차원공간으로 발생하여 평평한 막처럼 된 것이 우리들이 사는 3+1차원 시공이고 그 막을 브레인이라 한 것이다.

 

=====* 솔리톤(soliton）= 대강을 말하면 비선형방정식(非線形方程式)에 따른 고립파(孤立波)이다.=====

 

초현이론은 9+1이라는 고차원의 시공을 생각하지만 일부의 좁은 영역에 입자나 에너지가 집중하는 <솔리톤>이라 부르는 부분이 9+1차원 시공에서 발생하여 평탄한 막이 된 것이 우리들의 사는 3+1차원 시공이고 그 막을 브레인으로 한 것이다.

그리고 중력을 제외한 모든 물질의 기초인 <열린 현>은 브레인 상에 양끝 혹은 한 쪽 끝을 만들어 존재한다. 중력을 나타내는 <닫힌 현>은 브레인으로 잘려서 열린 <열린 현>이 되어서 브레인에 붙는데 그대로 시공에 떠있다. 다른 차원에도 갈 수 있는 것은 <닫힌 현>뿐이다.

곧 우리들은 9+1 차원의 시공에 뜬 평탄한 3+1차원의 브레인 위에 구속되어 있는 것이 된다.

그런 우리들로서 이 시공은 다른 장소에서 일어나는 고차원의 현상은 모두 이를테면 그림자처럼 평탄한 브레인 위에 투영된 3+1차원의 현상으로서 인식된다. 브레인의 발견에 따라 초현이론의 목덜미였던 여분의 6개의 치원은 아무튼 마음에 둘 필요가 없어진다. 이러한 현(弦)에서 막(膜)으로 주역이 이동한 것이다.

 

<새로운 우주상>의 탄생은 혁명이었다.

 

브레인의 발견은 초현이론으로서 <혁명>이라고 말하여지는 큰 기점이었다.

이론물리학자 리사 란달(Lisa Randall, 1962년 6월 18일 - =미국 이론물리학자. 전문은 소립자물리학, 우주론)은 이 브레인 모델이 착실히 5차원의 아인슈타인 방정식의 풀이가 되어있음을 나타내고 이 공적으로 그녀는 일약 유명해졌다. 세계의 물리학자들은(나를 포함해서) 빠짐없이 이 연구에 집중하고 그 결과 <브레인 우주>라고도 할 수 있는 새로운 우주상이 태어난 것이다.

고차원 공간에서는 솔리톤은 몇 개나 존재하고 있다. 거기서부터 브레인이 몇 개나 생겨난다. 브레인에서는 중력을 나타내는 <닫힌 현>만은 구속되지 않으므로 둥둥 시공에 떠서 막에서 떨어져 나갈 수도 있다. 이런 일로 전회에 문제가 되었던 힘 중에 <전자기력> <작은 힘> <큰 힘>의 3개의 힘에 비해서 <중력>이 매우 약하여 어떠한 중력의 특이성의 이유도 설명할 수 있는 가능성이 있다.

그리고 중력은 이러한 고차원 공간에도 이동할 수 있으므로 다른 브레인에 인력을 미치게 한다든지 한다. 그러면 브레인끼리가 중력으로 끌어 당겨 2장의 브레인이 접근하여 이웃하게 된다는 것도 생각된다. 서두에 등장한 파울 스타인하드(Paul J. Steinhardt)와 닐 투록(Neil Turok)은 이 브레인끼리의 접근에 주목한 것이다.

 

빅뱅은 브레인의 충돌?

 

파울 스타인하드(Paul J. Steinhardt)와 닐 투록(Neil Turok)은 우주의 시작인 <빅뱅>이란 이리하여 브레인끼리가 접근하고 충돌한 것이 아닌가 하고 생각한 것이다.

브레인끼리의 충돌에 의하여 거대한 에너지가 발생하고 불덩이 같은 상태가 된 것이 빅뱅이라고 하는 것이 두 사람이 생각한 우주창성의 시나리오이다. 그런 황당무계한 아이디어가 생기는 원동력이 된 것은 지금은 정설로 되어있는 우주창성 모델에 대하여 그들이 공통하여 품고 있던 강한 의문이다.

 

인플레이션 우주의 <창세기>

 

우주창성에 대하여 알기 위해서 참으로 중요한 것은 <빅뱅>이 아니라 <빅뱅 이전>이다.

여러 가지의 물질에서 은하 등 커다란 구조까지 우주라는 <그릇>에 들어갈 모든 것들의 기원이 되는 <밀도의 종>이라고 해야 할 것도 <빅뱅 이전>에 생성되었다고 생각되고 있다. 그러면 빅뱅 이전의 우주는 어떤 것이었을까? 현재 많은 사람에게 지지되고 있는 우주창성의 시나리오를 간단히 소개하자.

 

우주창성의 시나리오

 

138억 년 전, 우주가 갑자기 발생하였을 때 그것은 극히 미소한 공간이었다. 거기에는 <인플라톤(inflaton)>이라고 불리는 입자만이 있었다고 한다. 팽창이 일어난다고 말하는 가상의 소립자이다.

인플라톤은 엄청난 에너지를 가지고 있어서 우주공간을 순간적으로 어림도 없는 크기로 확대시킨다. 10의 마이너스 36자승 초에서 10의 마이너스 34자승 초까지 극히 단시간에 공간을 10의 26승배까지 확대되었다고 말한다. 이것은 원자핵의 사이즈인 것이 한 순간에 태양계의 크기가 되었다는 데 상당한다. 엄청난 팽창이다.

양자역학은 소립자의 위치와 속도에 불확정성 관계가 있어서 어느 쪽이 흔들리고 있다는 법칙에서 인플라톤의 밀도도 평균치에 대하여 정부(正負)로 흔들려 총량은 영(0)이 되고 구조를 만들 수는 없다.

그런데 맹렬한 급팽창에 의하여 양자적인 밀도 흔들림은 한 순간에 끌려 늘어지는 때문에 고정화되어 우주에 포함되는 모든 것의 기원 <밀도의 종(種)>이 된다.

구조를 만드는 데는 물질들끼리 붙어서 크게 되어야 할 필요가 있는데 팽창을 계속하는 우주에서는 물질끼리 떨어져 가서 붙을 중력이 부족해진다. 그런데 다행히도 우주에 대량으로 있는 암흑물질이 서로의 중력에 의하여 여기 저기 모여서 굳어졌다. 그것을 말하자면 토대로 해서 수소나 헤리움 등이 굳어져서 별이나 은하가 형성된 것이다.

빅뱅 이전의 인플란토의 이상할 만큼 급격이 가속하는 팽창은 다크에너지에 의한 것이 아닌가 하고 생각되고 있다.

이 급격한 팽창을 <인플레>라고 약(略)되는 경제용어에서 취하여 <인플레이션>우주라고 불리고 있다. 1981년에 미국의 알란 H 구스(Alan Harvey Guth、1947년 2월 27일=미국의 우주물리학자. 인플레이션 이론의 제1인자)와 일본의 사토 가츠히코(佐藤勝彦)가 동시에 발견하여 제창하였다. 그 후 관측되고 있는 사실의 다수가 이 예언을 지지하고 있는 데서 현재로는 이 모델이 거의 정설이라고 생각하게 되고 있다.

 

신에 의지하지 않은 우주창성 모델

 

그런데 파울 스타인하드(Paul J. Steinhardt)와 닐 투록(Neil Turok)의 두 사람은 <인플레이션 이전에는 시간마저 없었다고 하면 우주는 어떻게 해서 시작했다고 하는 것인가> 하고 의문을 느끼고 있었다, 그것도 모른다고 하면 과학자가 도대체 무엇을 할 수 있다는 것인가. 그들의 생각은 심각했다.

또 양자역학에서는 <흔들리는 소립자는 관측자가 보는 데서 처음 상태가 하나로 정해져(고정화해서)>라고 되어있으나 별(星) 등의 구조물마저 없는 우주에서, 도대체 누가. 이 양자 흔들림을 <관측>하였는가? 아무도 관측하고 있지 않은데 어째서 양자 흔들림은 고정화한 것인가? 하는 의문이 생겨왔다.

그들이 신에게 의지하지 않은 우주창성 모델로서 주창한 것이 수축→충돌→빅뱅→팽창→수축→이라는 사이클을 몇 번이나 반복하였다는 기발한 모델 <사이클리크우주>이다.

이 우주에는 시작도 끝도 없다. 있는 것은 단지 영원히 반복되는 팽창과 수축이다. 무엇인지 절대적인 존재가 우주나 시간의 기점을 만들었다고 생각할 필요는 없다.

팽창은 어떻든 우주가 수축한다는 것은 참으로 그런 일이 일어나는지 이미지하기 어려울는지 모른다. 그러나 우주의 팽창을 나타내는 방정식에는 다른 방정식처럼 시간의 방향이 정인지 부인지가 적혀있지 않다. 방향이 정이라면 우주는 팽창하고 방향이 부라면 우주는 수축한다. 곧 우주가 수축한다는 것은 금지되어 있지는 않은 것이다.

 

우주의 수축이란 마치 <시간의 거꾸로 되돌아옴>!

 

사이클리크우주의 차례에서는 빅뱅 앞의 수축이다. 거기서 여기서부터는 상상을 씩씩하게 해서 지금 우리들이 사는 우주가 브레인 우주이고 이것이 수축으로 향한다고 하면 어떻게 되는지를 착실히 생각해보자.

우주의 팽창을 나타내는 방정식에는 수축이란 시간이 부(-)로 진행하는 데에 대응하는 풀이이므로 우주가 수축할 때는 마치 우리가 추구해왔던 <시간의 거꾸로 되돌아옴>이 일어난다는 것이 된다. 생각을 떠 올려보라. 거기서는 컵에 부은 커피가 컵에서 프레스에 돌아온다. 같은 모습으로 모든 낙하현상은 원래로 돌아온다. 비가 아래에서 위로 향하고, 야구의 홈런 공은 관객석에서 타자의 베스를 거쳐서 투수의 글로브에 들어간다. 거리를 걷는 사람이나 자동차의 흐름도 역방향을 향하여 출발점으로 돌아온다. 마치 비디오의 역재생과 같이 보일 것이다.

우주 전체의 역사도 거꾸로 돌아온다. 달은 산산이 흩어지면서 지구에 흡수된 직후 대폭발과 함께 지구에서 화성만큼 크기의 천체가 태어나 멀리 사라져간다.

혹성들은 거꾸로 자전 공전하면서 화성이나 지구는 차차 작은 암석으로 분열하고 목성이나 토성은 가스가 되고 천왕성이나 해왕성은 얼음 방울이 되어 모든 암흑물질의 묶음을 벗어나 산산이 흩어지고 사라진다. 이윽고 태양은 단순한 수소와 헤리움 덩이가 되고 가스성운 속으로 매몰한다.

그래서 마침내 암흑물질도 산산이 분해되고 만다. 뒤에 남은 것은 원시의 밀도 흔들림뿐이다. 이리하여 우주는 텅 빈 상태로 돌아온다. 그러면 다음에는 우리들의 우주는 고차원 공간에서 이웃한 브레인과 충돌한다. 빅뱅이다. 사이클리크우주에서는 그것은 수축에서 팽창으로 바뀌는 전환점이고 여기서 다시 바른 시간이 흐르는 우주의 역사가 시작한다.

 

발전 도상의 아이디어. 극복해야 할 과제도

 

과연 우주는 이런 역사를 몇 번이나 반복해 왔을까. 이 모델이 바른지 아닌지는 어떻든 재생과 소멸의 윤회를 반복하는 우주란 마치 불교적인 시계관이다. 생물의 항상성이나 시간의 정부의 균형이라는 관점에서도 어쩐지 알맞은 시나리오처럼 느껴지는 것은 나뿐일까. 브레인끼리 접근하는 것 부닥치는 것 떨어지는 것 다시 접근하는 것 이러한 동작의 반복 어쩐지 생물적인 움직임처럼 느껴진다.

<이 우주는 어떤 커다란 사람의 체내이다.>라고 생각하는 신앙이 있는데 브레인의 움직임은 마치 심장이 고동을 치고 있는 것처럼 생각해 진다.

현실적으로 사이클리크우주는 아직 발전 도상의 아이디어이고 깨끗이 해야 할 문제가 얼마든지 남겨져있는 듯하다. 관측적인 사실에서도 사이클리크우주의 가능성은 현상으로는 꽤나 부정적이라는 것도 말해두지 않으면 안 된다.

원시의 밀도 흔들림 등의 연구로 노벨물리학상을 수상한 제임스 피블스(Phillip James "Jim" Edwin Peebles、1935년 4월 25일 =캐나다계 미국이론물리학자. 프린스톤대학 알바이트 아인슈타인 명예교수를 하는 우주연구론자.)에 따르면 <우주 최고(最古)의 빛>이라 말해지는 우주배경반사를 관측한바 팽창은 확인되었지만 수축을 확인하지는 못하였다는 것이다.

이 문제에 대하여 팬톰(Fantome/망령 /유령/ 물리학에서 방사성의 인체영향을 견적하기 위한 인체모형)이라고 하는 부적 방향으로 강한 에너지를 가진 물질을 도입한 다른 버전의 사이클리크우주론이 제창되고도 있다.

솔직히 말해서 현재는 사이클리크우주론이 활발히 논의되고 있다고는 말하기 어려운 상황이다. 그러나 그래도 나로서는 이미 <시간의 거꾸로 되돌아오기>에 대하여 충분히 가능성이 있는 이야기로서 의론할 수 있게 된 것에 감동마저 느낀다.

 

실제로 일어나고 있는가? 미크로의 시간의 거꾸로 되돌아오기

 

이리하여 <시간은 거꾸로 되돌아오는가?>라는 주제를 쫓아서 우리들은 우주의 탄생에까지 이르렀다. 지금까지의 여행을 뒤돌아보고 생각해보면 시간의 거꾸로 되돌아오기가 참말로 일어난다면 거기에는 2개의 시나리오가 생각하게 될 것이다.

1은 미크로의 양자세계에서 일어나는 시간의 거꾸로 되돌아오기이다. 양자 컴퓨터에 의한 실험으로 엔트로피의 감소가 관측되어 <막스웰의 악마가 부활했다.>고 말해진 예를 보았다. 혹시 양자세계에서 이러한 시간의 거꾸로 되돌아오기가 일어난다면 그 이유는 근본적으로는 시간과 에너지의 어느 쪽이 확정한다면 어느 쪽은 확정하지 않게 되는 기묘한 불확정성 관계에 있다고 생각된다.

<소립자를 개개로 보면 시간이 거꾸로 되돌아오는 것도 있다. 그러나 마크로의 계(系)가 되면 개개의 거꾸로 되돌아오기의 효과는 통계적으로 무시당하여 결과로서 시간은 일 방향으로밖에 나타나지 않는다.> 시간의 거꾸로 되돌아오기에 대해서는 그런 이면성이 있는 그림(描像)이 딱 어울리게 올 것으로 나는 생각된다. 그리고 그런 모양으로의 거꾸로 돌아옴은 실제로 일어나고 있다고 나는 생각하고 있다. 자연계에서 <시간의 화살>만이 한 방향으로만 나아간다는 것은 부자연이고 도저히 생각하기 어렵기 때문이다.

다시 로베리의 <시간은 존재하지 않는다.>라는 생각을 소개한 것처럼 이제부터 양자중력이론의 연구가 나감으로써 <시간>이라는 것의 개념 그 것이 미크로의 세계에서 고쳐보게 될 가능성이 있다.

 

사이클리크우주는, 시간의 거꾸로 되돌아오기를 실현할까?

 

사이클리크우주는 마크로의 거시적 스케일에서 일어나는 시간의 거꾸로 되돌아오기이다.

지면에서 떠올라 하늘을 쳐다보는 사과는 결코 관측되지 않은 것처럼 어느 하나의 거시적인 물체만이 시간을 역방향으로 나간다는 일은 있을 수 없다고 생각된다. 혹시 마크로로 시간이 거꾸로 되돌아올 가능성이 있다고 하면 그것은 <모든 거시적 물체가 역방향의 시간을 나가고 있는데 그것을 인식하지 못하고 있다.>라는 SF같은 상황일 것이라고 나는 생각한다.

우리들이 미지의 것이라고 생각하고 있는 <미래>를 우리들은 이미 경험하고 있어서 현재로부터 그 방향으로 가는 것은 경험을 끝낸 세계로 돌아가는 것임에 다르지 않다고 사이클리크우주에서의 우주의 수축과 같은 상황이다. 우리들이 그렇게 느껴지지 않은 것은 우리들의 뇌는 <과거>를 베스로만밖에 사실을 인식할 수 없기 때문이라고 생각하는 것이다.

미지의 것이라고 생각하고 있는 <미래>를 우리들은 이미 경험하고 있는지 모른다. 그런 감각을 실제로 체험할 수 있는 것 같은 것이 일본에서도 공개가 시작된 영화 테네트>이다. 저 SF 초대작 <인터스테라>의 그리스토파 노란 감독(Christopher Nolan, 1970년 7월 30일 -=영국 출신 영화감독 영화프로듀서. 각본가)이 노벨물리학상을 수상한 키프 스테판 손 박사（Kip Stephen Thorne、1940년 6월 1일=미국 이론물리학자. 2017년 노벨상 수상)를 이번도 감수자로 맞아서 과학적인 영상 표현에 구애받은 신작이다.

나는 아직 보지 못하였는데 과거로 이동할 수 있는 장치가 개발된 미래에서 찾아온 적(敵)이 핵전쟁보다 비참한 위기를 세계에 가져오는 것을 저지하기 위하여 주인공이 싸운다는 스토리이다.

사이클리크우주에 댄다면 혹시 전 사이클에서의 기억을 남겨서 다음 사이클의 주우에 생존할 수 있다면 미래에서 온 것이 되는지 등 우주의 수축후의 빅뱅을 인류가 살아있는 대로 경험한다면 그것이야말로 핵전쟁 이상의 비참한 위기일 것이라든지 상상을 두루 하고 있는 중이다.

어쩌면 그런 적(敵)의 출현도 우리들로서 처음은 아니라 전번의 우주에서 경험하고 있는 것인지도— 망상은 멈추지 않는다. 혹시 시간이 거꾸로 되돌아온다면 이미 어느 쪽이 과거인지 어느 쪽이 미래인지 구별도 존재하지 않는다. 지금 이 기사를 읽는 당신은 미래에 있는지도 모른다.

인간으로서 특별한 해가 되어버린 2020년이 당신으로서 현재인지 과거인지 아니면 미래인지는 모른다. 그러나 지금 당신이 살고 있는 세계가 어떻게 되든지 <시간의 화살>과는 별도로 이 세계의 일을 어떻게 해서든지 알고 싶다고 하는 <지(知)의 화살>은 계속 가지고 있어 주기를 바란다.

실제로 이 우주를 관측할 수 있는 존재는 또 우리들밖에 알려지지 않았다. 그 사실이 가지는 의미는 크다고 생각한다. 우리들은 어째서 이 우주에서 태어난 것일까. 그것은 단지 우연이라고 해버릴 수 있는 것일까. 최후로 나의 스승 호킹 박사가 남긴 말을 소개하여 붓을 두고자 한다.

<혹시 우주에 사랑하는 사람이 없다면, 그것은 대단한 우주가 아니다.>*

 

출처=news.yahoo.co.jp › articles

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필자=다카미스 유이치(高水裕一)

1980년 도쿄 생, 츠쿠바대학(筑波大學) 계산과학연구센터연구원. 2003년. 와세다대학(早稲田大學) 이공학부물리학과 졸업. 2007년, 와세다대학에서 이학박사. 2009년, 도쿄대학(東京大學) 대학원이학계연구과 빅뱅센터 특임연구원. 2012년, 교토대학(京都大學) 기초물리학연구소PD학진특별연구원. 2013년 영국게임브리치대학 응용수학. 이론물리학과이론우주론센터에 소속하여 그 소장인 스티븐 호킹박사에 사사. 2016년부터 현직. 전문은 우주론. 근년에는 기계학습을 사용한 의학물리학 연구에 정진하고 있음.