무한한 가능성의 우주들 - 다중우주의 비밀을 양자역학으로 파헤치다

영화 〈스파이더맨: 노 웨이 홈〉에서 스파이더맨 ‘피터 파커’는 ‘멀티버스(평행우주)’에서 온 또 다른 자기 자신들과 마주한다. 멀티버스를 전제로 한 또 다른 영화 〈에브리씽 에브리웨어 올 앳 원스〉에서는 주인공과 가까운 수많은 인물들이 다른 우주에서는 완전히 다른 관계로 살아가고 있기도 하다. 우리가 존재하는 우주와 다르게 분기해 독자적으로 존재하는 다른 우주들, 일명 ‘멀티 유니버스’는 여러 미디어에서 폭발적인 인기를 얻고 있다. 이 우주가 유일무이하지 않으며 다양한 우주마다 완전히 다른 환경이 펼쳐지고 있을 수도 있다는 상상은 많은 사람들의 흥미를 불러일으켰다.



하지만 ‘멀티 유니버스’는 단순한 SF적 공상이 아니다. 세계적인 우주론자이자 이론물리학자인 이 책의 저자 로라 머시니-호턴에 의하면 다중우주는 존재하며 과학적으로 증명이 가능하다. 지금까지 물리학계에서 다중우주론은 절대로 검증할 수 없는 사변적인 이론으로 받아들여졌다. 하지만 머시니-호턴은 빅뱅 이전 우주의 탄생 과정을 탐구하면서 우리우주가 탄생하려면 양자 다중우주의 존재가 필연적이라는 계산을 도출해냈다. 또한 우리우주의 하늘에서 관측된 양자얽힘의 흔적을 다중우주론의 결정적인 증거로 제시한다. 이 책은 인플레이션 우주론부터 양자역학, 끈이론까지 아우르며 지금껏 발전해온 다양한 천체물리학·양자역학·양자우주론 등의 개념들을 풀어내 다중우주라는 결론으로 독자를 안내한다.



★★ 노벨물리학상 수상자 로저 펜로즈 추천! ★★

★★ 〈포브스〉, 〈워싱턴포스트〉 강력 추천! ★★



지식의 자유를 갈망했던 알바니아계 여성 과학자,

학계 최초로 다중우주의 근거를 찾아내다!

물리학계를 뒤흔든 ‘양자 다중우주론’을 통해

무한한 가능성의 우주로 떠나는 모험



영화 〈스파이더맨: 노 웨이 홈〉에서 스파이더맨 ‘피터 파커’는 ‘멀티버스(평행우주)’에서 온 또 다른 자기 자신들과 마주한다. 멀티버스를 전제로 한 또 다른 영화 〈에브리씽 에브리웨어 올 앳 원스〉에서는 주인공과 가까운 수많은 인물들이 다른 우주에서는 완전히 다른 관계로 살아가고 있기도 하다. 우리가 존재하는 우주와 다르게 분기해 독자적으로 존재하는 다른 우주들, 일명 ‘멀티 유니버스’는 여러 미디어에서 폭발적인 인기를 얻고 있다. 이 우주가 유일무이하지 않으며 다양한 우주마다 완전히 다른 환경이 펼쳐지고 있을 수도 있다는 상상은 많은 사람들의 흥미를 불러일으켰다.

하지만 ‘멀티 유니버스’는 단순한 SF적 공상이 아니다. 세계적인 우주론자이자 이론물리학자인 이 책의 저자 로라 머시니-호턴에 의하면 다중우주는 존재하며 과학적으로 증명이 가능하다. 지금까지 물리학계에서 다중우주론은 절대로 검증할 수 없는 사변적인 이론으로 받아들여졌다. 하지만 머시니-호턴은 빅뱅 이전 우주의 탄생 과정을 탐구하면서 우리우주가 탄생하려면 양자 다중우주의 존재가 필연적이라는 계산을 도출해냈다. 또한 우리우주의 하늘에서 관측된 양자얽힘의 흔적을 다중우주론의 결정적인 증거로 제시한다. 이 책은 인플레이션 우주론부터 양자역학, 끈이론까지 아우르며 지금껏 발전해온 다양한 천체물리학·양자역학·양자우주론 등의 개념들을 풀어내 다중우주라는 결론으로 독자를 안내한다.

로라 머시니-호턴은 다중우주론의 주요한 갈래인 ‘양자 경관 다중우주 이론’의 창시자이자, 오늘날 다중우주와 우주의 기원에 대해 가장 선도적인 이론을 연구하고 있는 이론물리학자다. 양자 경관 다중우주 이론을 통해 거대 거시공동을 비롯한 다양한 관측 증거를 예측했고, 그 사실은 플랑크 위성의 데이터로 확인되어 다중우주의 강력한 근거로 자리매김했다. 이런 머시니-호턴의 급진적인 연구의 배경에는 그가 나고 자란 환경이 있다. 그는 공산주의 독재 정권 치하의 알바니아에서 태어났다. 물리학과 수학에 뛰어난 재능이 있었지만, 당시 알바니아에서는 자연과학 분야를 연구할 수 있는 방법이 없었다. 그래서 그는 홀로 미국으로 향해 거대하고 광막한 우주에 관한 탐구를 시작했다. 이 책은 ‘양자 경관 다중우주’라는 중요한 발견에 대한 기록이자, 자신을 속박하는 작은 우주에서 벗어나 지식에 대한 갈망을 연료로 드넓은 우주로 도약한 한 여성 과학자의 일대기다.



양자역학을 통해 다중우주의 필연성을 증명하고,

우리우주와 얽혀 있는 수많은 우주를 발견하다



우주가 어떻게 시작되었고, 우주 너머에 무엇이 존재하는지는 고대부터 인간이 품어온 질문이다. 현재 우리우주 탄생에 관한 가장 유력한 이론은 ‘인플레이션 우주론’이다. 고에너지로 가득했던 작은 원시우주가 엄청난 폭발을 거치며 순식간에 팽창했다는 이론이다. 하지만 2020년 노벨물리학상을 수상한 물리학자 로저 펜로즈의 계산에 의하면, 인플레이션 우주론에 따라 고에너지이면서도 엔트로피가 매우 낮은 상태에서 우리우주가 형성될 확률은 0에 가깝다. 머시니-호턴은 이 모순에 천착했다. 우리우주가 존재할 가능성이 희박해 보인다는 것은 일반적으로 받아들여지는 우리우주의 기원 이론에 문제가 있다는 뜻이었다.

스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 만일 우리우주가 탄생한 이래 팽창했다면 무한한 에너지 밀도를 가진 공간상의 한 지점, 즉 ‘특이점(Singularity)’에서 시작된 게 분명하다는 정리를 도출해냈다. 이 정리는 누구도 우리우주가 탄생하는 순간을 결코 탐구하지 못하리라는 점을 시사했다. 탄생 이전에는 아무것도 없었고, 우주 탄생의 원인이 되는 조건들을 재현하거나 확인할 길이 없기 때문이다. 우리우주의 탄생은 인간이 연구할 수 있는 능력 밖의 일이나 다름없었다.

그러나 머시니-호턴은 우리우주의 탄생 과정을 밝힐 수 있다고 믿었고, 우리우주가 유일무이한 우주라는 가정이 우주 탄생 가능성 문제의 원인이라고 생각했다. 그는 물리학계에 새로운 길을 열어준 양자역학으로 눈을 돌렸다. 머시니-호턴은 양자입자의 파동-입자 이중성을 기반으로 하는 ‘불확정성 원리’와 ‘확률파동(Probability wave)’을 해로 갖는 ‘슈뢰딩거 방정식’을 우주에 적용했다. 또한 ‘평행우주’로 잘 알려져 있는 ‘양자역학의 다세계 해석’의 창시자, 휴 에버렛의 ‘보편적 우주 파동함수’ 이론에서 답을 찾았다. 양자입자가 미리 결정된 하나의 경로가 아니라 다양한 경로 중에서 하나를 선택할 가능성을 가지는 것처럼, 우주 파동함수도 미리 결정된 하나의 경로를 따르지 않는다. 우리우주가 유일한 우주가 아니라 수많은 우주 파동함수의 한 갈래라면, 비로소 다중우주론을 토대로 다양한 우주들의 탄생 확률을 비교하고 우리우주의 존재 확률을 계산할 수 있는 것이다!

머시니-호턴은 끈이론으로 발상을 뻗어나가, 빅뱅을 일으킬 수 있는 방대한 퍼텐셜에너지 집합 ‘끈이론 경관(String theory landscape)’ 개념을 가져온다. 그리고 우주가 시작됐던 과거에 빅뱅-인플레이션을 일으켜 단일우주를 낳는 초기 에너지가 딱 하나만 존재했던 것이 아니었다는 추론을 이끌어냈다. 우리우주와 같은 다양한 4차원 우주를 탄생시키는 수많은 빅뱅을 일으킬 만한 에너지가 엄청나게 많이 존재했으며, 우리우주는 거시적인 우주로 전환된 수많은 가능성의 양자우주 중 하나라는 것이다.

머시니-호턴은 여기서 한 발 더 나아가 우리우주에서 관측 가능한 다중우주의 증거를 찾아냈다. 우주가 탄생할 때, 우주 파동함수의 갈래들은 ‘결어긋남(Decoherence)’을 통해 양자적 대상에서 거시적인 우주로 바뀐다. 머시니-호턴은 우리우주에 결어긋남의 흔적이 분명 남아 있을 거라고 예상했다. 하늘에서 다른 곳에 비해 물질이 매우 희박한 거대 거시공동이 존재한다거나 우주배경복사의 온도가 예상보다 낮으리라는 등 다양한 관측 증거를 제시했던 것이다. 그리고 2013년 플랑크 위성이 관측한 우주배경복사에서 머시니-호턴과 그의 동료들이 예측한 변칙이 발견되었다. 학계 최초로 다중우주에 대한 실질적 증거가 등장한 것이다.



21세기 코페르니쿠스적 전환, ‘멀티버스’ 패러다임!

다중우주론으로 우주의 새 역사를 쓰다



우리우주가 유일무이한 우주라는 생각은 아인슈타인을 비롯한 물리학의 거장들이 오랫동안 굳건히 지켜온 믿음이다. 또한 많은 물리학자들이 인간의 존재 자체로 물리계의 특성을 설명하는 ‘인류원리’에 입각해 우리우주가 특별하다고 가정한다. 하지만 우리우주가 유일한 우주라고 가정할 때, 우주가 탄생할 가능성은 거의 불가능에 가깝게 줄어든다. 심지어 우리우주가 탄생하려면 마치 신과 같은 존재가 세밀하게 조정한 듯한 ‘미세조정’을 거쳐야 한다는 결론에 도달하게 된다. 로라 머시니-호턴은 이러한 모순을 거부하고 기존 이론에 반하는 새로운 이론을 제시했다. 코페르니쿠스와 갈릴레오가 태양과 행성들이 지구를 돌고 있다는 믿음을 뒤집었고 하이젠베르크가 결정된 세계가 아닌 불확정성의 세계를 제시했던 것처럼, 우주론의 새로운 지평을 열었다고 할 수 있을 것이다.

머시니-호턴은 자신의 끈질긴 연구 동력을 어린 시절에서 찾았다. 알바니아의 독재 정권은 권력을 이용해 지식인들을 탄압했고, 경제학자였던 그의 아버지는 뛰어난 실력을 가지고도 동료들에게 외면당했다. 과학적 성취보다 정부의 비위를 맞추는 것이 중요했던 사회 속에서 머시니-호턴은 더 넓은 세계를 갈망했다. 알바니아의 억압적인 환경은 끊임없이 사실을 의심하고 경계의 바깥을 상상하게 만들었다. 고국을 떠나 우주를 연구하면서 그는 기존의 공고한 이론에 의문을 품었고, 포기하지 않고 탐구를 계속해 모순을 해결해냈다.

독일의 철학자 아르투어 쇼펜하우어는 이렇게 말했다. “진리는 세 단계를 거친다. 처음에는 조롱을 받고, 다음에는 격렬한 반대에 직면하다가, 결국 자명한 것으로 받아들여진다.” 다중우주론은 오랜 시간 동안 실험적이고 공상적인 이론으로 여겨졌지만, 오늘날 수많은 과학자가 다중우주의 가능성을 받아들이고 있다. 이 책은 새 시대의 패러다임으로 작동할 다중우주론을 저자의 삶과 교차시키며 흡입력 있게 풀어나간다. 21세기 코페르니쿠스적 전환인 다중우주론을 마주하고 싶은 독자라면 이 책과 함께 무한한 가능성의 우주로 떠날 수 있을 것이다.