급팽창 이론이 예측하는 거품 우주

급팽창 이론은 빅뱅 직후 아주 짧은 순간에 우주 공간이 상상하기 어려울 만큼 빠르게 부풀었다는 이론이다. 이 이론은 우주가 왜 이렇게 평평하고 고른지를 잘 설명한다. 그런데 많은 급팽창 모형에서는 팽창이 한 번 시작되면 우주 전체에서 동시에 멈추지 않는다. 어떤 곳에서는 팽창이 멈춰 우리 같은 우주가 되고, 다른 곳에서는 계속 부풀며 또 다른 우주들이 거품처럼 생겨난다. 이것이 영원한 급팽창이 그리는 거품 다중우주다.

급팽창 이론은 무엇을 설명하려고 나왔나

우주를 관측하면 몇 가지 이상한 점이 있다. 하나는 우주가 놀라울 만큼 고르다는 것이다. 하늘의 정반대 방향에서 오는 우주 배경 복사의 온도가 거의 똑같다. 그런데 빅뱅 이후 빛이 오갈 시간을 계산해 보면, 이 두 영역은 서로 정보를 주고받은 적이 없어야 한다. 서로 연락한 적 없는 두 곳의 온도가 어떻게 이렇게 똑같을까.

또 하나는 우주가 거의 완벽하게 평평하다는 것이다. 우주의 공간이 휘어 있는 정도는 초기 조건에 매우 민감해서, 처음에 아주 조금만 어긋났어도 지금쯤 크게 휘어 있어야 한다. 급팽창 이론은 1980년대 초 이런 문제들을 한꺼번에 풀기 위해 제안되었다. 아주 작은 영역이 순식간에 거대하게 부풀었다면, 처음에 서로 연결되어 있던 영역이 지금은 멀리 떨어져 보이는 것이고, 어떤 휘어짐도 펴져서 평평해 보인다는 것이다.

팽창은 왜 한꺼번에 멈추지 않나

급팽창은 공간을 채운 특별한 장의 에너지가 원동력이라고 여겨진다. 이 장의 에너지가 다른 형태로 바뀌면 팽창이 멈추고, 그 에너지가 뜨거운 물질과 빛이 되어 우리가 아는 빅뱅 우주가 시작된다.

그런데 양자역학 때문에 이 장의 값은 장소마다 무작위로 조금씩 흔들린다. 어떤 영역에서는 에너지가 빨리 떨어져 팽창이 멈추지만, 다른 영역에서는 흔들림 때문에 오히려 에너지가 높게 유지되어 계속 부푼다. 계속 부푸는 영역은 팽창 속도가 매우 빨라서 멈춘 영역보다 훨씬 빠르게 커진다. 그 결과 전체적으로는 팽창이 영원히 이어지고, 그 안에서 팽창이 멈춘 영역들이 거품처럼 하나씩 생겨난다. 우리 우주는 그런 거품 가운데 하나라는 것이다.

구분	내용
급팽창이 설명하는 것	우주의 고른 온도, 평평함, 은하의 씨앗
관측 증거	우주 배경 복사의 미세한 온도 무늬
영원한 급팽창의 예측	팽창이 곳곳에서 멈추며 거품 우주가 생김
거품 우주를 관측할 수 있나	현재로서는 매우 어려움

급팽창은 은하의 씨앗도 설명한다. 팽창하던 장의 양자적 흔들림이 공간과 함께 거대하게 늘어나, 물질이 조금 더 많고 적은 영역의 차이를 남겼다. 이 미세한 차이가 중력으로 자라 오늘날의 은하와 은하단이 되었다는 것이다. 우주 배경 복사의 얼룩무늬는 그 흔적으로 여겨진다.

다른 거품에서는 물리 법칙도 다를까

일부 이론에서는 거품마다 팽창이 멈추는 방식이 달라, 각 우주의 물리 상수가 다를 수 있다고 본다. 어떤 거품에서는 원자가 생길 수 없고, 어떤 거품에서는 별이 타오르지 못할 수 있다. 이 생각은 왜 우리 우주의 물리 상수가 생명이 존재하기에 알맞은지에 대한 하나의 답으로 쓰이기도 한다. 수많은 거품 가운데 생명이 생길 수 있는 곳에서만 그 질문을 던지는 존재가 있다는 것이다.

다른 거품을 볼 수 있을까

다른 거품 우주는 우리와 너무 멀리 떨어져 있고 그 사이의 공간이 계속 부풀기 때문에 직접 볼 수는 없다. 다만 일부 연구자들은 먼 과거에 이웃한 거품과 우리 거품이 부딪쳤다면, 우주 배경 복사에 원형의 흔적이 남았을 수 있다고 제안했다. 이런 흔적을 찾는 시도가 있었지만 뚜렷한 신호는 발견되지 않았다.

아직 결론 나지 않은 것

급팽창 자체는 우주 배경 복사의 관측과 잘 맞아 많은 우주론자가 받아들인다. 그러나 급팽창을 일으킨 장이 무엇인지는 모르고, 영원한 급팽창과 거품 우주가 실제로 일어나는지는 더욱 불확실하다. 관측으로 확인하기 어려운 예측을 과학 이론의 일부로 볼 수 있느냐는 질문도 함께 남아 있다.