📌 먼치 POINT

우주의 기원과 구조에 관한 궁금증은 과학자들의 오랜 숙제였습니다.
빅뱅 이론이 우주의 시작을 설명하지만, 그 시작 자체에 관한 질문은 여전히 해결되지 않았습니다.
이를 보완하는 급팽창 이론은 초기 우주의 급격한 팽창 과정을 제시하며, 우주가 어떻게 지금 모습에 이르렀는지 이해하는 데 도움을 줍니다.
한편, 우리 우주뿐 아니라 무수히 많은 우주가 존재할 수 있다는 다중우주론도 활발히 연구되고 있습니다. 입자 세계에서는 힉스 입자가 입자들에게 질량을 부여하는 비밀을 풀었고, 우주의 대칭성은 입자의 성질과 상호작용 방식을 결정짓는 중요한 원리입니다.

들어가기 전에

우주는 어디서 왔고, 어떻게 시작됐을까요?
이 질문에 답하기 위해 과학자들은 수십 년간 머리를 싸맸고, 그 결과 만들어진 것이 바로 현재의 표준 우주론입니다.
하지만 이 이론조차도 설명하지 못하는 것들이 여전히 많습니다. ‘빅뱅은 어떻게 시작됐을까?’라는 질문부터 ‘우리 우주 말고 다른 우주도 있을까?’라는 의문까지, 우주론은 여전히 수많은 미지와 가능성의 문 앞에 서 있습니다.
이 글에서는 빅뱅과 급팽창 이론, 다중우주론, 힉스 입자와 입자의 질량, 그리고 대칭성이라는 개념까지, 지금 우리가 우주에 대해 이해하고 있는 최신 이론들을 쉽고 자연스럽게 풀어보려 합니다.

우주(시공)의 기원

💥 표준 우주론: 빅뱅과 급팽창 이론

현재의 우주론은 표준 우주론으로 대표되고 있습니다.
표준 우주론은 빅뱅 이론과 빅뱅 이론이 어떻게 시작했는지를 설명하는 급팽창 이론이 합쳐진 것입니다.
빅뱅 이론에는 여러 가지 문제점들이 있었는데, 특히 ‘빅뱅은 도대체 어떻게 시작된 것인가’ 하는 초기 시작 조건에 대한 문제에서 급팽창 이론이 나왔습니다.
급팽창이 언제 어떻게 시작됐는가를 설명하기 위해 많은 이론들이 제시되고 있습니다. 대표적인 것이 초끈 이론에서 팽창의 시작을 설명하는 방식입니다.
그 이외에도 크게 물질 이론을 고쳐서 우주론이 어떻게 달라지는지 연구하는 접근법과, 중력 이론을 고쳐서 우주론이 어떻게 달라지는지 연구하는 접근법으로 나눌 수 있습니다.
정답은 아마도 중간쯤이 될 것으로, 결국 모든 이론을 수정해야 할 것으로 생각됩니다.

급팽창 이론은 아직 완전히 검증되지는 못했지만, 큰 틀에서 이런 방법으로 초기 조건이 만들어졌을 것이라는 점에는 대부분의 과학자들이 동의하고 있는 상태입니다.

🌟 다중우주론의 과학적 접근

과학자들이 다중우주론을 금기시하는 주된 이유는 이것이 검증 불가능하다고 생각하기 때문입니다.
그러나 이에 대해서도 다양한 의견이 존재합니다. 많은 사람들은 초끈이론이 가진 다양한 진공들을 구현하는 형태의 다중우주를 생각합니다.
급팽창 이론의 관점에서 볼 때, 초기에 양자 유동이 조금 더 큰 경우에 자연스럽게 주변 우주에서는 진공 에너지가 커서 더 급격한 팽창이 일어날 수 있습니다.
각각의 우주 부분마다 완전히 다른 진공 에너지를 가진 우주로 발전해 가게 되는데, 이런 관점에서는 다중 우주의 개념이 그렇게 이상하지 않습니다.
이는 현재 우리가 관측 가능한 우주의 크기보다 훨씬 더 큰 스케일의 문제이기 때문에, '우리 우주 바깥에 무엇이 있을까'라는 질문에 대해, 현재 급팽창 이론이 맞다면 굉장히 다양한 우주가 존재할 것으로 여겨집니다. 팽창이 일어나면서 다양한 우주들을 만들어낼 수 있는 가능성이 있으며 이에 대해 많은 연구가 진행되었습니다.
가장 그럴듯한 설명은 가장 단순하면서도 이러한 현상을 설명할 수 있는 이론인데, 이를 위해서는 양자 중력 이론이 필요합니다.
불행히도 아직 양자 중력 이론이 정확히 무엇인지 모르기 때문에 정확한 이론을 만들 수는 없지만, 양자 요동에 의해 우주가 만들어지고 표준 우주론이 만들어지는 우주가 여러 개 생길 것이라고 자연스럽게 생각할 수 있습니다.

다중우주는 직접적인 검증은 불가능하지만, 검증 가능한 이론의 결과로서는 충분히 생각해 볼 가치가 있습니다.

🧿 양자역학과 다중우주 해석

양자역학에서 말하는 다중 우주는 '매니월드 인터프리테이션'이라고 해서, 양자역학의 측정을 하게 되면 파동 함수가 붕괴해서 하나로 변하는 과정에 대한 설명입니다.
이 과정을 아무도 완벽히 이해하지 못하는 상황에서, 다중 우주론이 그나마 가장 그럴듯한 설명을 제시하고 있습니다.
그러나 이 결과를 받아들이기에는 너무 큰 개념적 도약을 요구하기 때문에 여전히 많은 과학자들이 의아해하고 있는 상황입니다.

이처럼 우주론적 다중우주와 양자역학적 다중우주라는 두 가지 매우 다른 관점에서의 다중 우주 개념이 존재합니다.

질량(존재)의 기원

🧬 입자의 질량은 어떻게 생겨나는가: 힉스 입자의 역할

20세기 중후반에 가장 중요한 문제 중 하나는 전자를 비롯한 기본 입자의 질량이 어떻게 생겨날 수 있는가를 이해하는 것이었습니다.
표준 모형에서는 힉스 입자를 도입해서 이 질량을 설명합니다. 진공의 힉스장이 우주 전체에 깔려 있어서 그곳을 지나는 입자들이 질량을 얻게 되어 지금과 같은 모습을 보인다는 것입니다.
이는 우주 전체가 금속에서 초전도체 같은 상전이가 일어나서, 그 안에서는 전자들이 마음대로 돌아다니지 못하고 질량을 가지는 상황으로 이해할 수 있습니다.
이 이론이 맞는지 검증하는 데 거의 40~50년이 걸렸으며, 스위스 제네바의 입자가속기를 건설해 2012년에 비로소 힉스 입자가 존재하고 실제로 이론에서 예측한 입자라는 것을 확인했습니다.
그러나 여기에는 숨겨진 측면이 있습니다. 우리 몸이 가진 질량의 대부분은 힉스 입자가 만드는 것이 아닙니다. 그것은 강한 상호작용이 만들어내는 질량입니다.
우리가 생각하는 대부분의 질량은 강한 상호작용이 만든 양성자 질량 속에 들어 있으며, 힉스장은 기본적으로 양성자가가 돌아다닐 때 질량을 만듭니다.

소립자(물질)의 기원

⚛️ 우주의 대칭성과 입자의 특성

입자의 생성이나 입자들이 어떻게 상호작용하는지는 우주가 갖고 있는 대칭성과 관련이 있습니다.
현대물리학에서는 시공간이 갖고 있는 대칭성이 존재하는데, 이 대칭성에 따르면 입자들이 가질 수 있는 자석의 세기 혹은 스핀이라고 부르는 물리량이 특정한 값만 가질 수 있습니다.
스핀은 0, 1/2, 1 등 특정한 값만 가능한데, 힉스 입자는 스핀이 0인 입자입니다. 전자는 스핀이 1/2인 입자이고, 빛은 스핀이 1인 입자입니다. 이 중에서 스핀이 1/2인 입자들을 페르미 입자라고 부르며, 이 입자들이 물질의 근원이 됩니다. 스핀 1인 입자들, 빛 입자를 비롯한 다른 입자들은 힘을 매개하는 입자들이 됩니다.
시공간의 대칭성뿐만 아니라 내부 대칭성 또는 게이지 대칭성이라고 부르는 또 다른 종류의 대칭성이 있는데, 이 대칭성에 따라 빛 입자가 어떻게 물질 입자들과 서로 상호작용하는지가 결정됩니다.

결국 현대 입자물리학에서 입자들의 근원을 묻는다면, 그것은 우주가 갖고 있는 대칭성 때문이라고 말할 수 있습니다.

마무리하며

지금까지 우주의 시작부터 질량의 기원, 소립자의 특성까지 현대 우주론과 입자물리학의 핵심 이론들을 살펴보았습니다.
그럼 다음 릴레이 인터뷰에서 다시 뵙겠습니다.

Created by 카오스 사이언스 @KAOSscience
CC BY 라이선스 / 교정 by SENTENCIFY / 편집자 최선화