아기 우주실험실에서 우주를 만들 수 있을까?

실험실에서 새 우주를 만들 수 있을까요? 에드워드 파르히와 앨런 구스는 1987년 이 문제를 진지하게 연구했고, 1990년에는 파르히, 구스, 제말 귀벤이 한 걸음 더 나아갔습니다. 결론은 이렇습니다. 일반 상대성이론은 작은 거짓 진공 덩어리가 우리와 인과적으로 끊어진 "아기 우주"로 팽창하는 것을 허용하지만, 고전 물리학에서는 출발점이 반드시 특이점이어야 하고, 양자 터널링이 이를 우회할 수도 있다는 것입니다. 실제로 아기 우주를 만들고 그 물리 상수를 빚는 것은 허구입니다.

이 글은 먼저 엔딩 해금 방법을 설명하고, 「우주 공장」 뒤에 있는 실제 연구를 다룬 다음, 팽창과 인플레이션 이론의 발전을 따라가며 물리학자들이 "우주를 만든다"는 것을 왜 고려하게 되었는지 보여 줍니다.

해금 방법

• 힌트: 먼저 이 우주가 죽는 모습을 지켜보고, 새 우주를 만들지 결정하세요.
• 조건: 먼저 엔딩 「양성자 붕괴」를 목격합니다. 그다음 「우주 공장」을 해금하고 우주의 끝을 목격합니다.
• 보상: 다음 우주의 첫 문장을 쓰고 물리 상수 하나를 무료로 다시 쓸 수 있습니다(다음 우주에만 적용).

「우주 공장」 노드는 새 우주가 차례를 얻으려면 먼저 우주 하나가 죽어야 한다고 말합니다.

실제 연구: 우주를 만들기 위한 조건

• 1987년: 파르히와 구스는 실험실에서 새 우주를 만들 수 있는지 연구했습니다. 일반 상대성이론은 작은 거짓 진공 덩어리가 우리와 인과적으로 끊어진 "아기 우주"로 팽창하는 것을 허용하지만, 고전 물리학에서는 출발점이 반드시 특이점이어야 합니다.
• 1990년: 귀벤과 함께, 양자 터널링이 이를 우회할 수도 있다고 제안했습니다.

물리학자들이 이런 생각을 하는 이유

우주 팽창 이론은 "우주를 만든다"는 발상에 필요한 개념들을 한 단계씩 공급해 왔습니다.

• 프리드만은 일반 상대성이론에서 우주가 팽창하거나 수축할 수 있음을 유도했습니다. 관측 증거가 나오기 7년 전이었습니다(Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922).
• 르메트르는 우주가 팽창하고 있다고 독자적으로 제안했고, 이후 우주가 "원시 원자"에서 시작했다고 상상했습니다. 빅뱅 이론의 초기 형태입니다(Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927).
• 은하는 우리에게서 멀수록 더 빨리 멀어집니다. 우주는 정지해 있지 않습니다(Hubble, PNAS, 1929).
• 구스는 초기 우주가 지수적 팽창을 겪었다고 제안해, 우주가 왜 그렇게 평평하고 온도가 어디서나 거의 같은지를 한꺼번에 설명했습니다(Guth, Physical Review D, 1981).
• 안드레이 린데는 인플레이션이 어떻게 매끄럽게 끝날 수 있는가 하는 문제를 해결해 인플레이션 이론을 실제로 쓸 만하게 만들었습니다(Linde, Physics Letters B, 1982).

아기 우주를 연구한 구스가 인플레이션을 제안한 바로 그 구스라는 점은 눈여겨볼 만합니다.

우주는 무엇으로 이루어졌나

천문학자들은 먼 초신성을 "표준 촛불"로 삼아 우주의 팽창이 가속되고 있음을 발견했고, 암흑 에너지가 무대에 올랐습니다. 이 연구는 2011년 노벨상을 받았습니다(Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). 다른 팀도 독자적으로 같은 결론에 이르렀습니다(Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). 플랑크 위성은 지금까지 가장 정밀한 우주론 매개변수를 내놓았습니다. 나이는 약 138억 년이고, 보통 물질은 약 5%뿐입니다(Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

힉스는 입자에 질량을 주는, 온 공간을 채우는 장을 제안했고(Higgs, Physical Review Letters, 1964), 대형 강입자 충돌기는 약 125 GeV의 새 입자를 찾아내 48년을 기다린 예측을 확인했습니다(ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012). 물리 상수 하나를 다시 쓰게 해 주는 게임의 보상은 허구입니다.

우주의 끝

수조 년 뒤와 그 너머 우주의 운명입니다. 별은 다 타서 꺼지고, 양성자는 붕괴할 수도 있으며, 블랙홀은 결국 증발합니다(Adams and Laughlin, Reviews of Modern Physics, 1997). 힌트의 "먼저 이 우주가 죽는 모습을 지켜보라"와 맞닿아 있습니다.

게임 설정이며 실제가 아님

실제로 아기 우주를 만들고 그 물리 상수를 빚는 것은 허구입니다. 아시모프의 마지막 질문(1956)은 사람들이 세대를 거듭하며 점점 더 강력해지는 컴퓨터에게 엔트로피의 증가를 되돌릴 수 있는지 묻는 이야기입니다. 컴퓨터는 매번 "의미 있는 답을 내기에는 자료가 부족합니다"라고 답하다가, 우주의 바로 그 마지막 순간에 이릅니다. 과학적 배경은 이렇습니다. 열역학 제2법칙에는 알려진 예외가 없고, 우주의 열적 죽음은 주류 예측 중 하나입니다.

원문이 궁금하다면? 아래 제목으로 검색하세요

• Friedmann (1922): "Über die Krümmung des Raumes", 대략 "공간의 곡률에 대하여"
• Guth (1981): "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"
• Linde (1982): "A new inflationary universe scenario"
• Higgs (1964): "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
• Adams and Laughlin (1997): "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"