[SOH] 미국 천체물리학자 폴 서터(Paul Sutter) 박사는 최근 스페이스닷컴에 발표한 칼럼에서 우주는 ‘진공 붕괴(vaccum decay)’의 방식으로 붕괴하며, 우주는 이미 붕괴와 갱신 과정을 시작했을 수 있다고 밝혔다.
예전에도 빅립, 중력 붕괴 등 몇 가지 우주 붕괴 시나리오가 있었지만, 현재 일부 과학자들은 ‘진공 붕괴’ 방식에 더 집중하고 있다. 과학자들은 진공 붕괴가 두려운 현상은 아니라고 말한다. 진공 붕괴 과정은 우주의 특정 지점에서 시작해 빛의 속도로 퍼져 나가며, 도달하는 곳마다 모든 물질이 붕괴하고 시간마저 붕괴한다.
하지만 지구에서 인간은 붕괴되는 감각을 전혀 느끼지 못한다. 과학자들은 붕괴로 모든 게 사라지는 것이 아니라 이와 동시에 새로운 입자, 새로운 우주가 재창조되기 때문에, 정확히 말하면 우주가 상전이(phase transition)되는 과정, 혹은 갱신, 대체되는 과정이라고 설명한다.
서터 박사는 최근 몇 년 동안 활발히 활동 중인 과학 칼럼니스트 겸 강연자이다. 어렵고 복잡한 물리 지식을 일반 대중에게 쉬운 언어로 잘 설명해 대중들에게 인기가 높다. 그는 새로 발표한 칼럼에서 ‘진공 붕괴’의 과정을 설명했다.
서터 박사는 우주의 안정성을 이해하려면 우선 ‘상전이’의 개념부터 시작해야 한다고 말했다. 주방에서 물을 끓이면 수증기가 되고 물을 식히면 얼음이 되는데, 이것이 바로 물체의 ‘상변이’이다. 양자장 분야에서 상변이의 개념은 그렇게 쉬운 편은 아니다.
그는 현재 양자장이 이 우주를 구성하는 기본 단위라고 생각한다. 광자, 전자 같은 모든 입자는 양자장에서 더욱 기본적으로 구현된 형식이다. 모든 공간과 시간은 올리브유에 담근 빵처럼 이 장 안에 담겨 있다. 이런 양자장이 상호 작용하고 소통하는 방식을 통해 우리가 잘 아는 입자 사이의 네 가지 기본 힘과 전체 물질 공간의 존재 형태를 포함해 이 공간의 물질성을 구성한다.
인력, 약한 핵력, 강한 핵력, 전자기력은 인간이 잘 알고 있는 네 가지 기본 힘이지만, 우주 초창기에는 하나로 합쳐진 개념이었다. 우주가 냉각되고 팽창하면서 양자장은 ‘상전이’를 겪었고, 힘이 네 종류로 나뉘었다. 서터 박사는 이 과정이 빅뱅 후 1초도 안 돼 완료됐으며, 이후 우주는 ‘안정된’ 상태로 들어갔다고 설명했다. 이 힘이 발전해 우주의 각종 물질이 생성됐고, 1백여억 년을 거쳐 우리가 지금 보는 우주가 형성됐다.
이 우주는 영원히 이런 ‘안정’ 상태를 유지할까? 물론 아니다. 서터 박사는 양자장의 세계에서는 어떤 일도 일어날 수 있다고 말했다.
최근 과학자들은 힉스 입자(Higgs boson)의 질량을 통해 양자장의 안정성을 조사할 수 있다는 걸 발견했다. 힉스 입자의 존재로 전자기력과 약한 핵력이 두 가지 힘으로 분리되며, 힉스 입자가 없다면 이 두 가지 힘은 다시 하나로 합쳐진다는 것이다.
양자 물리학에서 입자의 질량이 클수록 더 불안정하며, 무거운 입자는 가벼운 입자로 빠르게 붕괴된다. 따라서 힉스 입자가 거대하다면 불안정해 언젠가 다른 물질로 붕괴될 수 있다. 힉스 입자가 충분히 가벼우면 오랫동안 존재할 수 있다.
현재 과학자들은 힉스 입자의 질량은 ‘매우 안정’과 ‘조금 불안정해 보이는’ 사이에 있다고 측정했다. 과학자들은 이를 ‘준안정(metastable)’이라고 부른다. 즉 현재로서는 안정적이지만, 상황이 바뀌면 빠르게 붕괴될 수 있다는 것이다.
이런 측정 결과로 서터 박사가 본문에서 제시한 관점을 해석할 수 있다. 현재 우주의 양자장은 수백억 년 동안 안정될 수 있지만, 이미 상전이를 겪기 시작했을 수도 있다. 어떤 모습의 상전이일까?
서터 박사는 “우주 어느 곳에 약간의 진동만 있으면 힉스 입자는 붕괴되고, 기본 양자장은 자동으로 새롭고 더욱 안정적인 구성을 형성할 것이다. 이 갱신된 공간은 빛의 속도로 우주 중에 확산되고, 가는 곳마다 모든 구 우주의 공간을 대체할 것이다”라고 말했다.
과학자들은 이 과정을 ‘가짜 진공 붕괴(false vacuum decay)’라고 부른다. ‘가짜’의 의미는 이 우주가 ‘진짜’ 진공이 아니라는 것이다. 진짜 진공은 매우 안정적이지만, 가짜 진공은 언젠가 갑자기 붕괴해 갱신될 수 있다.
서터 박사는 과학자들이 ‘상전이’가 시작됐다는 확실한 증거를 관측할 때쯤이면, 우주는 이미 갱신되기 시작할 것이라고 말했다.
‘새로운 우주’는 어떤 모습일까? 현재 과학자들도 알 수 없다. 지금의 모습과 비슷할 수도 있고, 내부의 ‘암흑에너지’나 ‘중성미자’의 속성이 바뀌었을 수도 있다. 심지어 구 우주와는 완전히 다를 수도 있고, 새로운 힘과 물질장, 물질 입자가 있을 수 있다. 누구도 그 결과를 예측할 수 없다. / 正見網
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