「무(無)」에서 우주가 탄생했다는 말, 도대체 무슨 뜻일까…(1)

「무(無)」에서 우주가 탄생했다는 말, 도대체 무슨 뜻일까…(1)

==일류 물리학자가 쉽게 설명하다==

 

 

 

1, 우주는 어떻게 시작되었는가

 

 지금까지 수많은 물리학자들이 도전해온 난제이다.

‘화염의 덩어리’에서 시작되었다는 빅뱅 이론이 널리 알려져 있지만, 아직도 잘 밝혀지지 않은 점이 많다.

그런 가운데 등장한 것이 바로 인플레이션 이론이다.

이 연재에서는 인플레이션 이론의 세계적 권위자인 필자가, 그 핵심을 알기 쉽게 설명한다.

우주 창조의 비밀에 다가가는, 물리학의 지혜를 소개한다.

※ 이 글은 사토 가츠히코(佐藤 勝彦) 저서 『인플레이션 우주론 – 빅뱅 이전에 무슨 일이 있었는가』(블루백스)에서 발췌 및 재편집한 것이다.

 

2, 「무」에서 어떻게 에너지가 생겨나는가

 

인플레이션 이론은, 소립자처럼 작았던 우주가 거대한 화염 우주로 팽창할 수 있다는 이론이다.

극도로 작았던 초기 우주에는, 진공 에너지라는 형태로 에너지가 존재하긴 했지만, 전체적인 에너지량은 거의 0에 가까웠다.

하지만 인플레이션이 끝난 직후 우주는 상전이를 통해 진공 에너지가 열에너지로 바뀌면서, 화염 상태가 된다.

열에너지가 있다는 것은, 엄청난 양의 소립자가 생성되어 매우 빠른 속도로 운동하고 있다는 뜻이기도 하다.

이 이야기를 듣고 의문을 갖는 분도 적지 않을 것이다.

겉보기엔 인플레이션이, 마치 아무것도 없는 곳에서 우주의 물질이나 에너지를 ‘공짜로’ 만들어낸 것처럼 보이기 때문이다.

“에너지 보존 법칙은 어떻게 되는 거지?” 하고 생각하는 건 당연한 일이다.

하지만 사실, 인플레이션은 정말로 물질이나 에너지를 공짜로 만들어냈다고 말할 수 있다.

 

물론 지금까지 설명에 사용한 아인슈타인의 상대성 이론은 에너지 보존 법칙을 만족하는 방정식을 기반으로 한다.

아인슈타인 방정식과 함께 사용한 힘의 통일 이론의 방정식도 마찬가지이다.

그런데도 이러한 방정식에서 ‘공짜’로 물질을 만들 수 있다는 것이 가능한 이유는 언뜻 보면 정말 마술처럼 느껴지기도 한다.

그 이유는 무엇일까요?

그 비밀은 진공 에너지의 특수성에 있다.

진공 에너지는 놀랍게도, 우주가 아무리 팽창해도 그 밀도가 작아지지 않는 특성을 가진다.

일반적인 물질을 생각해봅시다.

상자 안에 물질을 넣고, 그 상자의 크기를 2배, 3배로 키우면 물질의 밀도는 1/2, 1/3로 줄어든다.

이는 너무나 당연한 일이다.

하지만 진공 에너지는 다르다.

밀도가 절대 줄어들지 않는다.

우주의 부피가 100자리 숫자만큼 커져도, 그 안에 있는 진공 에너지의 밀도는 변하지 않는다.

따라서, 부피가 100자리 증가한 만큼 진공 에너지의 총량은 커지는 것이다.

이렇게 커진 진공 에너지는 상전이를 통해 열에너지로 변환되며, 우주는 ‘화염’ 상태가 되는 것이다.

이렇게 말하면 다소 낯설게 들릴 수도 있지만, 진공 에너지는 공간 자체에 대해 확장시키는 힘을 가진다.

반면, 공간 내부의 물질에 대해서는 음의 압력을 가지며, 수축하려는 힘을 발휘한다.

이런 에너지는 다른 데서는 좀처럼 볼 수 없는 매우 특수한 에너지인 셈이다.

 

* 출처=https://gendai.media ›