우주가 10500개…새로운 우주관과 '초끈이론'



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지금의 21세기 초는 우주에 대한 인류의 이해를 근본적으로 바꾸어 놓은 분수령으로 기억될 것이다. 최근 물리학자들은 단지 한두 가지의 과학적 사실을 발견하거나 새로운 물리 법칙을 하나 찾는 정도에 그치지 않는다. 이들은 ‘세계’를 바라보는 시각 자체를 뒤흔들어 놓고 있다.
20세기 물리학은 우리의 우주를 일정한 물리법칙에 따라 만들어진 아름답고 필연적이며, 유일무이한 것으로 생각했다. 그러나 21세기의 물리학은 다르다. 최근 과학자들은 우리 우주가 100억광년이 넘는 크기와 100억년이 넘는 나이를 갖고 있음에도 불구하고, 실은 훨씬 더 크고 오래된 ‘전체 우주’ 속의 작은 하나에 불과하다는 견해를 내놓고 있다.


▲ 미국의 관측위성 WMAP이 촬영해낸 130억년 전 초기 우주공간의 사진. 온도의 차이에 따라 서로 다른 색깔이 표시돼 있다. 우리 우주는 100억살이 넘는 나이와 100억광년 이상의 크기를 갖고 있지만, 최근 연구 결과 우리 우주가 수많은 다른 우주로 이뤄진‘전체 우주’의 일부분일 뿐이라는 주장이 대두되고 있다. /미 항공우주국(NASA) 제공


이를 뒷받침하는 것이 현재 근원적인 물리학의 근본 법칙으로 여겨지고 있는 ‘초끈(superstring) 이론’이다. 최근 연구자들은 초끈이론을 통해 우주의 개념이 지금까지와는 전혀 다른 의미에서 믿을 수 없을 만큼 광대하다는 것을 밝혀내고 있다. 즉, 초끈이론은 10500개의 서로 다른 우주가 존재하며 각 우주마다 각각의 물리법칙을 가지고 있다는 가능성을 제시한다. 더구나 놀랍게도 이 수많은 수학적 가능성이 모두 실현된다는 예측이 검증돼 가고 있는 중이다.

이와 같은 새로운 세계관에는 절대적인 물리법칙이란 없다. 뉴턴의 만유인력의 법칙 등 ‘우리 우주’(지구가 속해 있는 우주)의 신성한 물리법칙은 여러 우주의 수많은 물리법칙 중 하나일 뿐이다. 우리와 다른 10500개의 우주에서는 전혀 다른 물리법칙을 따르는 또 다른 우주가 존재할 수 있다.

이 우주들은 ‘우리 우주’와 비슷할 수도, 아닐 수도 있을 것이다. 예를 들어 원자나 전자는 다 비슷하게 행동하는데, 중력만 1억배만큼 센 경우도 있을 것이다. 어느 경우에는 중력은 그대로이지만 원자나 전자 같은 기본적인 물질들이 없을 수도 있다는 말이다. 차원도 예외가 아니다. 5차원, 6차원, 11차원 등 여러가지 차원의 우주가 있을 수 있다. 20세기에 과학자들은 “우리가 우주에서 무엇을 찾을 수 있는가”라는 질문을 했지만, 21세기부터 이 질문은 “우리가 우주에서 찾아볼 수 없는 게 무엇인가”로 바뀌어야 한다.

때문에 우리는 과학은 물론 인류에 대해서도 새로운 시각을 적용해야 한다. ‘인간원리(Anthropic principle)’의 도입이 바로 그것이다. ‘인간원리’란 인간이 의문스러운 물리법칙을 밝히는 기존의 연구과정과 달리, 질문할 수 있는 인간이 우주에 존재한다는 사실로부터 거꾸로 물리법칙을 유추하는 것을 말한다.

예컨대 한 과학자가 ‘우리 우주’의 나이가 왜 100억년 정도인지 물어보았다고 하자. 인간원리에 의하면 이 질문에 대한 답은 이렇다.

‘대부분의 우주에는 생명체의 존재가 밝혀지지 않았다. 이는 전체 우주에 속한 헤아릴 수 없이 많은 우주 중에서, 나이가 100억년 정도인 우주에 생명체가 존재할 가능성이 높다는 것을 뜻한다. 즉 ‘우리 우주’의 나이와 생명체 존재 사이에 상관관계가 있다. 나이가 100억년보다 매우 크거나 매우 작은 나이의 우주의 경우, ‘우주의 나이’에 대해 질문을 던지는 생명체 자체가 존재하기 어렵다. 이런 가정에 따라, 질문을 던질 수 있는 생명체가 애초부터 대략 100억년짜리 우주에서만 존재 가능하기 때문에 ‘우리 우주’가 100억년의 나이를 가지고 있다고 대답하는 것이 맞다. ’

대부분의 물리학자들은 이런 식의 생각을 매우 싫어한다. 이는 미지 세계와의 과학적 싸움을 포기하는 것으로 비춰지기 때문이다. 그러나 최근에 인간원리를 재평가하려는 흐름이 강해졌다. 초끈이론을 통해 인간원리의 대전제인 ‘엄청나게 많은 우주가 존재한다’는 사실이 이론적으로 입증되고 있기 때문이다. 또 과학자들이 우주의 크기나 모양을 촬영한 최근의 천문 관측 결과 등 일부 실험적인 관측결과도 인간원리를 뒷받침하고 있다.

향후 1세기 동안에 우리의 우주관이 어떻게 변해갈지는 나로서도 알 수 없다. 그러나 훗날 후손들은 지금의 우리 시대가 20세기의 제한적인 우주론을 탈피해 이루 말할 수 없이 방대한 새 우주관을 갖게 된 ‘황금시대’로 회상되지 않을까?

◆ 서스킨트(Susskind) 교수는

·미국 스탠퍼드대 물리학과교수
·이스라엘 텔아비브대학 물리교수
·미국물리연구원(AIP) ‘물리·천문학 분야 과학저술상’수상
·미국 물리학회‘사쿠라이상’수상
·초끈이론 등 이론 물리학의 세계적 대가.

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