다중우주론

[시냇물]

다중우주 총정리 - 일상과학 WiKi - 위키독

1. 개요
알려져 있는 우리 우주 외의 다른 우주를 통틀어서 다중우주, 혹은 평행우주라고 한다. 아직까지는 이것에 대한 직접적인 관측증거는 전무해서 이것은 과학이 아니라 철학의 영역이라고 비판하는 과학자들도 다수 존재한다. 어떠한 학문이 과학이라는 타이틀을 달려면 '반증가능함'이 증명되어야 하는데 다중우주론은 직접적 증거가 없으므로 맞는 것도 아니고 그렇다고 아주 틀렸다고 하기에도 애매하므로 반증가능하지 않기 때문이다. 하지만 우주론에 해당하는 학문들을 극한까지 끌고갈 경우, 필연적이라고 해도 좋을만큼 이들은 다중우주의 존재를 암시하고 있다.
과학사에서 이론적으로는 예견되었으나 실제로 관측하기까지 시간이 걸린 예들이 수두룩해서 다중우주론도 어떻게 될지는 아무도 모른다. 블랙홀이나 중력파, 힉스입자 등이 대표적인 예이다.
다중우주론에서 가장 중요한 것은 다중우주는 그 자체로 이론이 아니라 특정 이론들의 예측이라는 것이다. 다중우주론을 암시하는 학문은 대표적으로 우주론 분야에서 급팽창이론, 역시 같은 우주론 분야의 M이론, 양자역학분야에서 해석문제 등이 있다. 이러한 이론들은 하나같이 다중우주가 있다고 암시하고 있다.
일반적으로 많이 알려져 있는 다중우주는 주로 만화나 애니메이션, 영화, 소설 등의 문화콘텐츠를 통해 대중들에게 전파되어 단순히 우리와 다른 우주, 평행우주 등으로 알려져 있다. 하지만 우주론을 연구하는 과학자들이 이론적으로 내놓은 다중우주론은 여러개가 있다. 물론 이 역시 해당학문의 논리적 귀결일뿐 직접적인 증거는 하나도 없긴하다.

다중우주론의 창시자는 휴 에버렛 3세이다. 그가 주장한 최초의 다중우주는 양자적 다중우주와 관련이 있으며 유명한 '슈'뢰딩거의 고양이'와 관련 있다. 이밖에도 컬럼비아 대학의 이 다중우주론의 창시자는 휴 에버렛 3세이다. 그가 주장한 최초의 다중우주는 양자적 다중우주와 관련이 있으며 유명한 '슈뢰딩거의 고양이'와 관련 있다. 이밖에도 컬럼비아 대학의 이론물리학 교수 브라이언 그린, 하버드 대학의 입자물리학 및 우주론 교수 리사 랜들, MIT 물리학과 교수 맥스 테그마크, 뉴욕시립대 대학원 센터의 이론물리학 교수 미치오 카쿠 등이 대중서적을 통해서 다중우주론을 주장하고 있는 대표적인 인물들이다. 이 중 리사 랜들은 여성 최초로 하버드대학교 종신교수가 되어 한 때 유명세를 탔었다.
휴 에버렛 3세의 그것은 다중우주라기 보단 다세계해석에 대한 생각이지만 그 개념자체가 다중우주와 맞닿아있으므로 다중우주의 선구자라고 한다. 그가 최초로 이러한 아이디어를 낸 것은 슈뢰딩거의 고양이를 해석하기 위해서였다. 총 137페이지에 달하는 그 논문은 이곳에서 볼 수 있다.
물론 영어로.뒤이어 나올 맥스 테그마크의 1~4레벨 다중우주론은 그의 책 중 일부, 다중우주에 해당하는 것만을 따온 것으로 상세한 그의 주장을 알고 싶으면 책을 읽는 것을 추천한다. (맥스 테그 마크가 그 동안의 다중우주론을 레벨 1-4로 정리하였다)

2. 맥스 테그마크의 1~4레벨

1. 레벨1: 우리 우주의 지평선 너머의 영역

우리가 볼 수 있는 우주를 관측가능우주라고 하며 크기는 반지름 490억광년의 구형태이다. 그런데 우주의 크기가 이것보다 더 크므로 나머지의 우주는 우리에게 절대 관측될 수 없다. 테그마크는 이 관측불가능한 우주를 1레벨 다중우주라고 정의한다. 이것은 더이상의 논란의 여지가 없으며 비판하는 사람도 없다. 너무 당연한 이야기이기때문. 다중우주론에서 비판자가 없는 거의 유일한 다중우주라고 보면 된다.
그리고 여기에서 평행우주와 다중우주의 용어가 정리된다. 평행우주란 우리와 아주 멀리 떨어져 있는 영역의 우리 우주와 같은 크기의 영역을 의미하고 이러한 평행우주가 모여서 다중우주를 형성한다.
우리의 빅뱅(?)을 함께 겪은 우주이므로 역사의 대부분을 공유했으나 세부적으로 들어가면 다른 역사를 가지고 있다. 테그마크는 이를 "1레벨 평행우주의 학생들은 물리 시간에는 같은 내용을 배우겠지만 역사 시간에는 매우 다른 내용을 배울 것이다."라고 표현한다.
지평선 넘어의 무한한 영역은 그야말로 무한하므로 온갖것들이 다 있으며 벌써 여기서 "또 다른 나" 가설이 나올 수 있다.
우리 우주에는 10의 80승개의 양성자가 있는데 우주의 모든 양성자의 배열상태는 10의 118승개 정도이다. 그리고 이 배열상태가 가질 수 있는 경우의 수는 10의 10승의 118승 가지이다. 즉 이 가능성 어딘가에 우리가 존재한다는 것인데 테그마크의 계산에 따르면 지구에서 최소한 10의 10승의 29승 m떨어진 곳에서는 우리의 복제본이 있을 수 있다고 한다.
즉 관측가능한 우주의 유한한 크기와 무한한 우주사이의 배열 문제로 인한 다중우주라는 것이다.

2. 레벨2-급팽창이후의 다른 거품들

흔히 다중우주하면 딱 떠오르는 이미지가 바로 이것이다. 거품우주라고도 하며 대중매체 속에서 가장 많이 등장한 다중우주의 개념이다. 학문적으로는 급팽창이론에서 파생되었고, 각기 다른 빅뱅으로 인한 무한한 다른 우주를 말한다. 1레벨의 다중우주는 그나마 (아주 기술이 발전할 경우) 가볼수라도 있는데 이곳은 우주와 우주 사이의 공간이 우리가 이동할 수 있는 것보다 더 빠르게 만들어지므로 이곳을 방문할 수는 없다.

테그마크는 이를 "우리가 빛의 속도로 영원히 여행한다고 해도 절대 도달할 수 없다는 의미에서 그것들은 무한대보다도 더 멀리 있다."라고 표현한다.
가장 큰 특징은 물리학 법칙은 우리와 동일하나 관찰자에 의해 추론되는 유효한 물리 법칙은 위치에 따라 달라진다는 것이다. 테그마크는 이를 물고기를 이용해 설명하는데, 물고기에게는 물 자체가 공간으로 인식될 수 있다는 것이다. 그런데 이공간(물)이 다른 형태를 띨 수 있다는 것도 알 수 있을까? 우리는 액체인 물뿐만이 아니라 기체와 고체로 된 물도 가능하다는 것을 알고 있다. 즉, 물고기에게 액체인 물은 물을 기술하는 방정식의 3가지 '해' 중 하나일 뿐이다. 물을 기술하는 방정 식(물리학법칙)은 같으나 물의 상태(고체, 액체, 기체로 나타나는 방정식의 해: 유효한 물리법칙)는 달라질 수 있다는 것이다. 이를 뒤집어 보면 우리의 공간도 다른 상을 가질 수 있지 않을까하는 아이디어로 발전한다. 초끈이론에서 발전한 M이론은 유효한 공간의 형태가 10의 500승개라고 추론한다. 고작 3개밖에 없는 물의 상태와는 비교도 안 될 정도로 많은 양인 것이다. 급팽창이론에 따르면 가능한 모든 종류의 공간을 만들 수 있다고 추론한다.
우리 우주에는 공간의 상과 더불어 자연의 상수를 조절하는 손잡이가 있다고 상상해볼 수 있다. 즉, 중력의 크기, 양성자의 질량, 전자기력의 세기, 공간 차원 등의 수치를 조절하는 일종의 컨트롤러이다. 급팽창의 다양성은 이 컨트롤러를 잡고 마음대로 조절하는 것과 같다. 어떤 우주에서는 중력이 너무 커서 모든 것이 뭉쳐있을 것이며 어떤 우주에서는 강력이 너무 작아 양성자들이 서로 뭉치치 못해 원자구조 자체가 없을 수도 있을 것이다. 하지만 이 중 극히 적은 확률로 우리 우주에 해당하는 수치들이 만들어졌으며 그 결과 우리가 존재한다는 것이다.

레벨2의 다중우주에서는 생명이 없는 우주가 대다수이다. 생명이 탄생하기 위한 자연상수들은 극히 제한적이기 때문이다.
이 논리는 약한 인류원리와도 맞닿아 있다. 약한 인류원리는 우주에는 수많은 다중우주가 있고 이중 일부의 자연상수가 극적으로 맞아 떨어져서 우리가 존재하게 되었다는 논리이다.
물론 급팽창은 거의 무한정 일어나므로 이중에 우리와 맞는우주가 있다고 해도 딱히 놀랄 일은 아니라는 것이다.

레벨3 - 양자물리학의 많은 세계들-평행우주론

3레벨의 다중우주도 대충매체에서 많이 접할 수 있다. 흔히 생각하는 평행우주가 바로 여기서 흘러나온 개념이다. 그리고 아는 사람은 다 아는 MCU(마블 시네마틱 유니버스)가 바로 이 3레벨 다중우주를 기반으로 하고 있다.
3레벨 다중우주의 핵심은 바로 분화라는 것으로 선택에 따라 다른 세계로 진입하는 것을 말한다. 위의 그림과 같이 슈뢰딩거의 고양이가 죽은 세계와 살아있는 세계로 나눠진다는 것. 그리고 이 두 세계는 서로 영원히 만나는 일 없이 각각의 다른 세계로 진행한다. 다른 다중우주들은 엄청난 거리로 인해 결코 갈 수 없는 곳이라면 이곳은 우리 바로 옆에 있는 세계이지만 인지할 수 없는 세계라는 것이다.
휴 에버렛 3세가 슈뢰딩거의 고양이의 해석 중 코펜하겐 해석에 반기를 들고 제안하여, 어찌보면 다중우주론의 효시라고 할 수 있다. 슈뢰딩거의 고양이에 코펜하겐 해석을 적용하면 고양이가 죽은 상태와 살아있는 상태가 중첩되어 있고, 누군가 상자를 열어 확인하면(이것을 파동함수가 붕괴되었다고 표현한다.) 살아있는 상태나 죽어있는 상태로 결정된다는 것이다. 하지만 에버렛3세는 그게 아니라 50% 확률이 진행될 때부터 살아있는 고양이가 있는 세계, 죽어있는 고양이가 있는 세계로 나눠지며 우리는 그 중 하나의 세계만을 인식한다는 것이다.
여기서도 "또 다른 나" 가설이 있을 수 있다. 1레벨의 또 다른 나는 단순히 원자의 배열상태가 같은 사람이지만 이곳에서는 파동함수가 붕괴되 세계의 분화가 일어나기 직전까지 하나의 나를 공유하다가 세계가 갈라지는 즉시 다른 사람이 탄생된다는 것이다. 이때 우리는 항상 하나의 세계만을 의식하므로 다른 세계의 나는 결코 알 수 없다.
이 분화가 계속 중첩되면 "나"는 많이 달라져서 다른 세계의나는 록스타일수도 있고 구걸을 하며 살아가는 거지일수도,아예 성별이 다를 수도 있다! "나"임에도 "나"와는 완전히 다른 삶을 사는 "또 다른 나" 가설은 상당히 매력적이므로 다양한 대중매체가 이것을 차용하여 흥미로운 이야기들을 만들어내고 있다.
이곳의 재미있는 특징은 3레벨 다중우주에서의 누군가는 반드시 불멸한다는 것이다. 원자 하나의 파동함수 붕괴가 세계의 분화를 만드는 개념이므로 원자 하나로 인해 생과 사가 계속해서 갈리며 노화도 일어나지 않는 그야말로 꿈과 같은 일들이 벌어질 수 있다는 것이다. 이런식이면 로또를 맞은 누군가는 영원히 죽지 않을 수 있다! 물론 그게 당신은 아니지만.

4레벨 - 다른 수학적 구조들

4레벨 다중우주를 말하려면 상당히 돌아가야 되는데 다 무시하고 간단하게 말하면 우리의 세계는 수학으로 작동하고 있으며 이것이 물리적 실체로 우리에게 인식된다는 것이다. 맥스 테그마크는 최종적으로 우주 자체가 거대한 수학적 존재라는 [수학적 우주 가설을 주장한다.
1,2,3레벨은 근본적인 물리학 법칙은 모두 같다고 했으나 여기서는 아예 근본적인 물리학이 다른 여러 우주가 존재한다는 가설을 내놓는다. 이는 우리의 수학적 상상력에만 제한이 있을뿐 모든 가능한 수학적 존재가 가능하며, 또 이는 물리적 존재로 나타난다는 것이다.
이는 플라톤의 이데아론과도 맞닿아 있다. 흔히 동굴속의 철학자로 비유되는 이데아론은 우리 인간은 동굴속에 ㅣ 묶여서 실체(이데아)를 비추는 그림자를 보면서 실체라고 믿고 있지만 진짜 실체는 따로 있다는 것이다. 수학적 우주 가설에서는 이데아를 수학 그 자체로, 그림자를 물리적 존재라고 해석하고 있다.
테그마크는 수학이 물리학의 언어라고 할 만큼 이 세상을 설명하는데 너무 잘 맞아떨어지는 것을 지적하며 물리학적 현상뒤에는 항상 수학이 있다고 한다. 자연의 근본상수 32개가 어떠한 단위도 없이 숫자로만 이루어져 있다는 사실이 이것을 뒷받침하고 있다. 테그마크는 단위나 물리적 존재를 '짐'이라고 표현하며 이 짐을 벗어내려놓을 때 우리는 우주의 실체를 알 수 있다고 한다. 그 실체는 물론 '수학'이다.


3. 기타 다중우주론
주기적 다중우주

맥스 테그마크가 주장 또는 정리한 레벨1-레벨4는 2013년 그가 맥스 테그마크의 유니버스Our Mathematical Universe』를 출간하며 알려졌다. 국내에서는 2017년에 출간되었으므로 비교적 최 신이론이라고 할 수 있다. 하지만 다중우주론은 꾸준히 발전해왔으며 다양한 주장들이 있다. 여기서는 테그마크의 다중우주에 없는 이론들을 소개한다. 대부분이 브라이언 그린, 리사팬들, 미치오 카쿠의 대 실려있는 다중우주론이다.

1) 시뮬레이션 다중우주

우주의 탄생/멸망과 관련이 있다. 우주가 붕괴하며 하나의 점으로 수축한 뒤 또다른 빅뱅이 전혀 다른 우주를 탄생시킨다는 이론이다. 시작과 끝도 없는 우주를 나타내며 불교의 교리와도 맞닿아 있다.

매트릭스를 통해 우리에게 가장 친숙한 다중우주이다.
매트릭스는 인간의 뇌에 매트릭스를 주입해 시뮬레이션된 가상 세계를 만들었지만 여기서 주장하는 시뮬레이션 우주는 우주 전체가 시뮬레이션 되었다는 것이다. 즉 어떤 고등한 지적생명체가 우리 우주를 통째로 시뮬레이션하고 있다는 주장. 초딩외계인이 심즈를 플레이하듯이 우리 우주를 가지고 놀다가 재미없으면 꺼버릴 수도 있는 어찌
생각해보면 무시무시한 우주론 중 하나이다.
통속의 뇌 논증과 관련이 있다.

2)홀로그래픽 우주

홀로그램이란 2차원 물체를 3차원으로 투영시켜서 볼 수 있게 만든 영상을 말한다. 홀로그래픽 우주론에 따르면 우리 모두는 우주크기의 2차원 평면위의 존재이며 단지 우리가 3차원으로 느끼는 것은 홀로그램이라고 한다. 이 다중우주론은 블랙홀에 떨어지는 '정보'가 어디로 가는지 연구하다가 블랙홀로 떨어진 모든 정보는 블랙홀과 정확히 같은 크기의 2차원 평면위에 표시할 수 있다는 사실이 알려지면서 시작되었다. 그리고 이것이 확장되어 사실은 우리 우주도 이러한 원리로 인해 생겨난 것은 아닐까? 하고 만들어낸 주장이다. 참고로 블랙홀의 크기는 블랙홀 주변의 공간 중, 탈출속도가빛의 속도에 이르는 '슈바르츠실트 반지름까지로 정의한다.

3) 브레인 우주

초끈이론에서 발전한 M이론에서 말하는 브레인 우주 가설. 우주는 하나의 브레인(brane:막)에 불과하며 우리의 공간보다 더 큰 '벌크'라는 공간을 떠돌아다니고 있다. 그리고 브레인과 브레인이 충돌할 때 빅뱅이 일어나며 새로운 우주가 탄생한다는 것. 이것이 주기적으로 발생하며 그때마다 새로운 우주가 만들어진다는 것이다. 이것은 우주의 4기본 힘, 즉 중력, 전자기력, 강력, 약력 중에서 중력만이 유독 약하다는 사실을 잘 설명해준다.
M이론에서는 크리스토퍼 놀란 감독의 『인터스텔라』에서 도 나왔다시피 중력만은 벌크(차원)를 통과해 다른 막에 영향을 미치기 때문에 약하다고 설명하고 있다. 즉, 다른 힘은 3차원 공간에서만 영향을 미치지만 중력은 3차원공간에 벌크라는 공간 차원에도 영향을 미치기 때문에 3차원 공간에 살고 있는 우리는 중력을 약하게 느낄 수 밖에 없다는 것이다.