양자요동과 비대칭으로 탄생한 우주 이야기

[시냇물]

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양자요동과 비대칭으로 탄생한 우주 이야기: 2020년 비대칭현상을 입증한 연구

양자요동과 비대칭으로 탄생한 우주 이야기


2020년 비대칭현상을 입증한 연구결과를 포함하였습니다.

우주가 시작이 있었는지 없었는지는 과학적으로 논란이 지속되며 어려운 문제이다. 로저 펜로즈와 스티브 호킹은 기하학적 정리를 원용하여, 아인슈타인의 일반상대성이론과 몇 가지 조건이 맞는다면 우주는 시초가 있어야만 한다는 것을 입증하였다.

초기 그리스도교는 ‘신은 절대자이므로 우주 창조에 아무 것도 필요 없었을 것’이라고 생각하여 ‘creatio ex nihilo’, 즉 무로부터의 창조를 주창했다. 그러나 ‘존재는 왜 존재하는가? 왜 무가 아니고 유인가?’라는 질문에 대한 현대 물리학의 답은 다르다. 물질과 공간이 존재하지 않는 ‘무’는 양자역학적으로 안정적이지 못하기 때문에 ‘무’는 오래갈 수 없기 때문에 ‘유’가 될 수밖에 없다는 주장이다. 우리가 존재하는 이유는 아무것도 존재하지 않는 ‘무’는 불안정하며 어떻게든 존재로 되기 때문이다.『김대식의 빅퀘스천』(2014)을 쓴 김대식 교수의 주장이다. 우주는 양자요동으로 인하여 약 138억 년 전 일어난 빅뱅과 함께 촉발됐다. 양자요동은 빈공간의 진공이 실제로는 에너지가 가득한 공간이라는 가설의 이론이다. 물리학자들은 1㎤의 빈 공간마다 10억 개의 원자탄과 맞먹는 에너지가 담겨 있다고 주장한다. 물리학 이론에 따르면 물질을 구성하는 모든 입자들은 반입자와 쌍을 이룬다고 한다. 전자에는 양전자(양성자가 아니다.)라는 반입자가 있고 양성자는 반양성자, 중성자는 반중성자가 대립 쌍으로 존재한다. 이렇게 물질은 항상 대비되는 반물질이 있으며 그 전하는 반대이며 이 둘이 만나면 소멸된다. 양자세계에서는 총합 에너지 0인 입자와 반입자(물질과 반물질)들이 수없이 출현했다가 사라진다. 양자역학의 관점에서 보면 우주는 무에서 생겨났고, 결국 다시 무로 돌아간다. 하지만 그것이 끝은 아니다. 무는 또한 유를 ‘창조’한다. 양자세계에서는 무에서 유로의 창조가 끊임없이 일어나고 있는 것이다.


우주의 한 지점에서 짧은 순간 상반되는 전하를 가진 물질과 반물질이라는 가상입자가 출현하고 이들 간의 ‘약간의 비대칭’으로 남은 물질이 급팽창하며 우주를 만들었다는 것이 빅뱅이론이다. 즉 양자 요동을 거쳐 출현한 물질과 반물질이 극미한 양의 차이, ‘약간의 비대칭’ 때문에 남은 물질이 급팽창(인플레이션)을 거치면서 우주가 형성됐다. 우주의 탄생 초기에 물질과 반물질이 약간의 차이가 즉 비대칭이 있었고 사라지지 않은 물질이 우주를 탄생시켰다는 것이다. 그렇다면 우리 우주는 비어있는 진공에서, 우연한 양자 요동의 결과라는 것이다. 이러한 비대칭 현상은 실험으로도 증명되었다. 2020년 우주를 구성하는 기본입자 중 세 개를 차지하는 중성미자와, 이들과 전기적 성질이 반대인 입자(반입자)인 반중성미자 사이에 전하반전성(Charge-conjugation and Parity-reversal, CP)대칭이라고 부르는 물리학적 대칭이 깨져 있을 가능성이 있다는 연구결과 나왔다. 물질과 반물질, 입자와 반입자가 만나면 ‘쌍소멸’이라는 양자역학적 현상으로 입자가 사라지고 에너지로 변환된다. 만약 우주 탄생 초기에 입자와 반입자가 대칭성을 가져 같은 수로 만들어졌다면 물질로 된 천체와 은하는 만들어지지 못하고 텅 빈 우주가 됐을 가능성이 높다. 우주 초창기 어느 순간 입자와 반입자의 대칭성이 깨졌다는 뜻이다. 이번 연구는 이런 이론이 입자물리학 관측을 통해 입증될 가능성을 높였다.


그러나 아인슈타인은 우주가 우연(chance)에 의해 결정된다는 생각에 반대했다. “신은 주사위를 던지지 않는다.”라는 그의 말에 잘 나타나 있다. 하지만 과학적인 증거를 보면 우주는 우연적인 주사위로 보이며, 만일 신이 우주를 관리한다면 신은 도박사인 셈이다.

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초기 우주의 양자요동

초기 우주의 양자 요동(또는 초기 우주의 밀도 요동, Primordial Density Perturbation)은, 빅뱅(재열화 또는 Reheating) 이전 인플레이션 시기에 양자역학적 효과에 의하여, 열들이 우주의 지평에서 빠져나가지 못하기 때문에 열적 평형을 이루고, 이것이 복사의 형태가 되고 그후 파동이된다. 이것을 초기 우주의 양자요동이라 한다.

초기 우주의 인플레이션은 우주의 지평을 무시하고 공간을 빠르게 팽창시킨다. 때문에 인플라톤들의 양자요동을 우주의 지평 밖으로 밀려나가게 한다. 이때, 양자요동들은 우주의 지평 밖에서 하나씩 합쳐지게 되고, 곡률이 미세하게 달라지게 된 물질섭동(물질요동)이 된다. 이것을 양자요동이 물질요동으로 가는 과정이라 본다. 이것은 물질분포의 비등방성(또는 중력의 비등방성)을 낳았다(흔히 양자요동을 '얼려'서 거시적인 차이를 만들어냈다고 표현하기도 한다). 물질분포의 비등방성은 우주에 은하와 항성, 행성, 그리고 생명체가 탄생할 수 있게 하였다. 따라서 '우주와 생명의 진정한 기원'을 논할 때, 과학자들은 빅뱅 그 자체보다 인플레이션을 더 중요한 사건으로 본다.

따라서 현재 우리우주의 모습은 인플레이션 시기의 양자 요동이 밀도 요동을 낳고, 이 우리우주 밖으로 밀러나간 밀도 요동이 감속팽창 시기에 다시 들어오게 되어 현재와 같은 모습을 띠게 되었다. 이것의 잔재를 우리는 우주배경복사의 형태로 보고있다.

위와 같은 내용은 호킹에 의해 예측된 블랙홀 사건의 지평선에서의 양자역학적 효과(호킹복사)를, 우주의 지평으로 확장하였을 때 발생하는 현상들을 풀어나가며 밝혀지게 되었다. 이 이론을 통하여 얻어낸 밀도 분포는 우리 우주의 밀도 분포와 정확하게 일치한다.

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서평 『시간의 기원』: 빅뱅 인플레이션과 양자요동

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인플레이션 전문가들은 우주 초기에 일어났던 엄청난 팽창이 미세한 양자요동을 증폭시켜서, 거시적 규모의 파동과 같은 효과를 낳을 수 있다는 놀라운 사실을 알아냈다. 인플레이션이 불확정성 원리에서 허용되는 최소한 요동에서 시작되었다 해도, 무지막지한 인플레이션이 시작되면 그 작은 요동이 눈에 보이는 거품만큼 커져서 공간 전체로 퍼져나가고, 그 결과 인플라톤 장에는 물결이 치는 듯 변화가 일어난다. 마치 잔잔한 호수(우주공간)에 돌멩이(인플레이션)을 던졌을 때 파동이 발생하는 현상과 비슷하다. 양자역학은 주로 미시세계의 현상을 설명하는 이론으로 알려졌지만, 인플레이션 이론은 거시적 규모의 우주에도 양자역학이 영향을 미칠 수 있음을 분명하게 보여주었다. 게다가 인플라톤 장은 팽창하는 공간에 에너지를 계속 공급하여 거의 동일한 밀도를 유지한다.


인플레이션 이론에 의하면 우주배경복사의 차가운 영역과 뜨거운 영역은 초기 우주에 존재했던 양자적 요동이 거대한 규모로 확대되면서 나타난 결과다. 인플레이션이 끝난 후 인플라톤의 에너지가 열에너지로 바뀌었을 때, 뜨거운 가스로 가득 찬 우주에 인플라톤 장의 요동이 발자국처럼 남는다는 것이다. 그러므로 우리 우주가 인플레이션에서 탄생했다면, 복사에너지의 온도와 물질의 분포에 작은 불규칙성이 존재할 수밖에 없다. 그 후 우주가 서서히 팽창함에 따라 초기에 생겼던 잔물결이 우주 지평선 안으로 들어오면서 인간이 만든 관측 장비에 포착되었다. 우주배경복사의 온도에 나타난 작은 변화가 인플레이션 이론의 예측과 거의 정확하게 일치하는 것은 정말로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 따라서 대부분의 우주론학자들은 인플레이션을 정설로 받아들이고 있다.

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공간이 급속하게 팽창하면 공간뿐만 아니라 양자요동도 함께 증폭되기 때문에, 일정한 수준의 중력파가 발생한다. 그러나 인플레이션 이론이 내놓은 다양한 예측 중 원시 중력파(primordial gravitational waves)는 아직 확인되지 않았다. 원시 중력파는 인플레이션 이론의 타당성을 뒷받침할 뿐만 아니라, 시공간의 장이 모든 물질장과 마찬가지로 양자요동으로부터 탄생했음을 보여주는 최초의 증거이다. 원시 중력파는 우주가 탄생한 후 공간과 함께 꾸준히 확장되면서 파장이 엄청나게 길어졌을 것이므로 그 존재를 확인하기가 거의 불가능하다. 인플레이션 전문가들은 언젠가는 반드시 관측될 것으로 믿고 있다. 이를 찾는 위성 탐사계획도 추진하고 있다. 스티븐 호킹이 임종을 앞두고 마지막으로 수행했던 연구는 원시 중력파의 정확한 강도를 예측하기 위해 인플레이션 이론에서 예측된 내용을 정교하게 다듬는 것이었다.

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양자요동

양자요동


1. 개요

진공상태의 공간에서 일어나는 창조와 소멸의 현상이다. 공간이 진공이 되면 가상의 (+)소립자와, 가상의 (-)반입자가 생성되고 그와 동시에 서로 만나 소멸한다. 소멸하기 전까지는 엄밀히 말해 무에서 유가 창조된 것이다.

그러나 다른 존재와 상호작용할 만큼 긴 시간도 아니고, 출현하자마자 바로 소멸하니 엔트로피 법칙에 영향을 전혀 미치지 않는다. 또한 양자 출현의 출처가 완전한 '무'에서 이루어졌는지 진공 상태의 공간에 있는 중력에서 이루어진 것인지 완벽하게 밝혀지지 않았다.

즉 창조도 소멸도 없이 무한히 무질서로 향한다는 엔트로피 법칙은 아직까지 절대적인 셈이다.

2. 상세

양자 요동(영어: Quantum fluctuation)은 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리로부터 일어나는 공간의 한 점에서의 에너지 양의 일시적 변화이다.

불확정성 원리의 공식에 따르면, 에너지와 시간의 불확정성에 대한 공식도 만들어져 있다. 불확정성 원리의 공식에 따르면, 에너지와 시간의 불확정성은 아래의 식과 같은 관계가 있다.

{\displaystyle \Delta E\Delta t\approx {\hbar \over 2}}ΔEΔt≈
2
ℏ
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양자요동 현상이 있다는 것은 에너지 보존의 법칙이 위배된다는 것을 보일 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 오직 작은 시간들 동안뿐이다. 이것은 가상 입자의 입자 반 입자 쌍의 창조를 허락한다. 이 입자들의 효과들은 측정할 수 있다. 예를 들면 전자의 효과적인 전하에서 그것의 “그대로의”전하와 다르다. 현대의 시각에서 에너지는 항상 보존된다. 하지만 해밀토니안(주목해야할 에너지)의 고유 상태는 입자번호의 작용으로서 같지 않다(예를 들어 해밀토니안은 대체하지 않았다).

양자파동은 예상한 대로 우주의 구조의 기원에서 매우 중요하다: 팽창의 모델에 따르면 팽창이 시작될 때 존재했던 것이 설명된다. 그리고 모든 현재에 관찰된 구조의 원인이 형성된다.