공간은 엄청난 양의 에너지로 가득 차 있다
19세기 말, 두 가지를 제외하고 물리학의 거의 모든 것이 예증된 것 같았습니다. 하나의 예외는 이른바 에테르ether였습니다. 에테르는 진공 공간에 있는 신비로운 물질로 알려졌습니다. 즉 1800년대에 과학자들은 진공 혹은 진공 근처의 공간에 신비스런 것이 있다고 생각했습니다. 당시 과학자들은 원자와 물질에 대해 지금만큼 알지 못했으므로 우리는 그들의 그런 확신을 무시할 수 있습니다.
20세기 초 아인슈타인은 이론을 제기하며 에테르의 개념을 부정했습니다. 그의 이론 또한 오차를 추가하여 정지된 우주와 일치시키고 팽창하는 우주이론을 부정했습니다. 정지된 우주란 팽창도 수축도 하지 않고 늘 같은 상태로 있는 우주를 말합니다. 아인슈타인은 훗날 이 오차는 그의 가장 큰 실수임을 시인했는데, 그의 본래 이론이 움직이는 우주를 예언했기 때문입니다.
21세기에 일부 과학자들은 아인슈타인의 오차를 환기시키고 있습니다. 그들은 이 오차를 적절히 조절하여 반중력anti-gravity의 힘으로 암흑에너지를 설명하고자 합니다. 그러나 암흑에너지가 우리의 실재에서 어떤 역할을 할까? 암흑에너지는 우리 우주의 73%(23%는 암흑물질이고 나머지 4%는 감춰지지 않은 물질과 에너지.)에 해당한다고 알려졌으며, 과학자들은 암흑에너지가 점점 커져가는 우리 우주의 팽창 비율을 설명해줄 것으로 생각합니다. 그러나 놀랍게도 우주는 또 다른 종류의 에너지를 가지고 있는 것 같습니다.
21세기의 많은 과학자들은 공간을 생각하지 않고는 우주의 본질을 이해할 수 없다고 믿습니다. 우리는 공간을 거의 빈 것으로 생각하지만, 양자이론quantum theory에 의하면 실제로 공간은 영점 에너지장zero-point field[진공이 아니라 물질이 충만한 공간]이라는 엄청난 양의 에너지로 가득 차 있습니다. 과학자들은 이런 에너지를 관측하거나 측정할 수 있는 도구를 갖고 있지 않으므로 대부분의 물리학자들은 공간 에너지를 무시합니다.
공간에는 일시적인 소립자도 있습니다. 전자와 양성자 같은 소립자는 원자를 만드는 구성요소입니다. 이런 입자들을 우주의 가장 작은 구성요소로 여겨왔으므로 잘못된 명칭으로 불렀던 것입니다. 『신을 보여주는 21세기 과학』(도서출판 知와 사랑)의 저자 레오킴Leo Kim은 소립자 또한 유픽셀로 만들어진다고 말합니다. 유픽셀은 그가 창안해낸 명칭입니다. 그리고 소립자 자체는 반대 버전을 가지고 있습니다. 전자 등의 모든 소립자에는 반입자anti-particle가 존재합니다.
이유는 모르지만 우리 세계에서 반입자는 거의 발견되지 않았습니다. 그러나 작은 물질 조각을 거의 광속으로 분쇄하는 입자가속기를 이용하여 반입자를 만들 수 있습니다. 전자와 그 전자의 반전자anti-electron가 만나면, 서로를 소멸시키며 에너지를 산출합니다.
공간에 관한 이상한 사실은 그런 입자와 그것의 반입자들이 끊임없이 생성되고 있으며, 결합하면 즉시 소멸된다는 것입니다. 그러나 입자를 만드는 에너지와 그것들의 소멸로 인해 방출되는 에너지는 과학으로 측정되지 않습니다. 그것들의 일시적인 존재는 실험에 의해 확인됩니다.
물리학자이며 노벨상을 수상한 로버트 B. 로플린Robert B. Laughlin(1950-)은 대형 입자가속기 실험으로 공간이 빈 것이 아니라 물질로 가득 차 있음을 추론할 수 있다고 합니다. 그는 빈 공간과 물질은 거의 절대영도[-273.15C]로 냉각되는 것이 유사하며, 내부의 운동도 물리적으로 구별할 수 없다고 지적합니다. 말하자면 보통의 물질이 충분히 냉각될 때 그것은 공간처럼 행동한다는 것입니다. 혹은 공간이 물질처럼 행동합니다. 그래서 로플린은 진공은 아인슈타인이 부정한 에테르와 같다고 말합니다. “그것(에테르)은 대부분의 물리학자들이 실제로 진공에 대해 생각하는 대로 관심을 끈다.”
진공에너지의 절대가치에 대해서는 상이한 평가들이 있습니다. 한 추론에 따르면 빈 공간은 우주에 있는 모든 에너지나 부피보다 더 많은 에너지를 갖고 있으며, 신비의 암흑에너지를 능가하는 약 40종의 거대한 것들이 있다! 다른 과학자들은 공간에 얼마나 많은 에너지가 있는지 확실히 알지 못합니다. 그 외의 과학자들은 아직도 진공에너지가 암흑에너지라고 믿고 있습니다. MIT 물리학 교수이며 노벨상 수상자인 프랭크 윌첵Frank Wilczek(1951-)은 빈 공간 에너지는, “……모든 물리학에서 가장 신비한 사실이며, 근간을 흔들 만큼 엄청난 가능성을 가진 것”이라고 믿습니다.
알수록 놀라운 건 공간과 진공이 에너지로 가득 찼다는 것이며, 마찬가지로 당황하게 하는 것은 진공이 다른 무수한 상태들에서도 존재할 수 있다는 사실입니다.
진공 상태는 진공이 작용할 수 있는 다양한 방식입니다. 무수히 가능한 진공 상태 가운데 몇몇 상태들만이 우리 우주 안에서 우리가 아는 생명을 유지시킬 수 있습니다. 대부분 사람들이 무nothing라고 생각하는 것(진공 혹은 공간) 속에 에너지뿐만 아니라 수많은 무의 형태들이 또한 존재한단 말인가? 과학자들은 다른 우주들 속에는 자연의 상이한 특성 혹은 상이한 자연법칙이 있을 수 있다고 믿습니다. 과학자들은 왜 우리는 우리 세계에 있는 물질과 에너지의 특성을 갖고 있는지 깊이 생각합니다. 예를 들면 양성자는 고정되어 있지 않습니다. 원자는 고정될 수 없을 것입니다. 천문학자 마틴 리스 경은 정교하게 들어맞는 몇 가지 요인들이 우리 우주에서 생명을 위한 조건들을 야기했다고 지적합니다. 다음의 요인들은 우리가 매우 특별한 우주에 살고 있음을 말해줍니다.
첫째, 빅뱅으로 인해 헬륨으로 전환된 산소의 양이 너무 적었더라면 무거운 원자들이 형성되지 못했을 것이며, 너무 많았더라면 오늘날 별들이 있지 못했을 것입니다.
둘째, 중력이 약했더라면 별들이 형성될 수 없었을 것이며, 강했더라면 별들이 아주 빠르게 연소되어 생명이 진화될 시간이 없었을 것입니다.
셋째, 우주의 밀도가 너무 작았더라면 우주는 빠르게 식었을 것이며, 너무 컸더라면 생명이 시작되기 전에 우주가 붕괴되었을 것입니다.
넷째, 우주의 가속이 너무 작았더라면 우주는 붕괴되었을 것이며, 너무 컸더라면 우주가 너무 빠르게 팽창하여 생명이 시작되기도 전에 결빙되었을 것입니다.
다섯 째, 우주의 불규칙성이 조금만 더 작았더라도 우주는 별들을 형성하기에 지나치게 획일적이었을 것이며, 조금만 더 컸더라면 우주가 거대한 별들을 창조했을 것이고 그 결과 별들이 붕괴되어 블랙홀들이 되어 우리가 살고 있는 것과 같은 세계는 없었을 것입니다.