우주론에서 가장 화제가 되는 것이 양자중력론이다. 우주론은 시간과 공간이라는 개념과 우주 전체의 행성 등을 포괄적으로 연구하는 학문이다. 이것은 우주의 탄생과 같은 것에서부터 인간의 위치에 이르기까지 그 연구를 정의하는데 넓은 의미로서의 론(論)을 의미한다.
우주론은 복잡하며 단일 연구가 아니어서 무수한 문제들이 산재한다. 그런데 이 양자중력론이 완성된다면 그 문제 중 상당수가 단번에 해결될 것으로 기대되고 있는 것이다.
*양자중력론
중력을 양자역학에 대입해 보자는 연구가 수십 년 전부터 행해지고 있지만 아직까지 완성되지 못하고 있다. 이것은 수학적으로 가능성이 희박하다고 보아야 하지만 제로가 아니기 때문에 도전의 가치는 있다.
양자론에서는 난문(難問)을 해결하기 위해 계산결과가 무한대로 확대되어 버리는 것을 방지하는 수학적 기법이 쓰인다. 그런대 문제는 중력에는 이 기법이 적용되지 않는다는 것이다.
그래서 접근하기 위한 다른 방법이 필요한 것인데 현재까지는 그 누구도 성공하지 못했다.
원자는 원자핵 주위를 전자가 돌고 있다. 이것을 양자역학을 사용하지 않고 전자기학 만으로 생각해 보면, 전자는 원자의 주위를 도는 사이 전자파를 방출하고 에너지를 잃게 되어 결과적으로 원자핵까지 에너지가 줄어들게 된다. 이 말은 원자가 존재할 수 없게 된다는 것이다. 하지만 원자는 존재한다. 그러므로 전자기학이 아닌 별도의 다른 수식, 별도의 사고에 기반한 차별화된 수식을 필요로 하게 된 것이다.
그리고 새롭게 등장한 물리인 양자역학을 적용함으로서 문제는 해결된 것처럼 보였다. 그리고 이와 같은 일이 요번에는 우주론에서 벌어지고 있다.
그 중 한가지는 블랙홀을 들 수 있다. 블랙홀의 중심에서 벌어지는 일들은 기존의 상대성이론으로는 설명이 불가능하다. 블랙홀의 중심에서는 시간과 공간의 왜곡이 무한대가 되며 물리법칙이 통용되지 않는다. 그래서 특이점(特異點)이라 불린다.
태초 우주의 시작도 특이점이었기 때문에 블랙홀 내부에서 발생되는 현상을 알 수 없으면 우주의 시작도 알 수 없는 것이 된다. 다시 말해 우주론은 블랙홀을 파악하지 못한 현재로서는 미완성 이론에 그치고 마는 것이다.
왜 빅뱅이 발생했는가도 사실 누구도 설명하지 못한다. 그런데 이것을 설명 할 수 있게 되는 것이 바로 양자중력론인 것이다.
*변화하기 시작한 우주의 모습
지금까지의 물리 이론으로 해명 할 수 없었던 우주의 현상들을 설명하는 이론을 양자중력론이라 이름 붙인 것이고, 당연히 모르는 것을 통틀어 이름을 붙인 것 뿐이니 양자중력론이 완성 되면 모든 의문이 풀리는 꼴이 될 것이지만 뭔가 멍청하단 생각도 지울 수 없다.
양자중력론이 아직까지 완성되지 못한 이유 중 하나는 실험하는 것이 매우 힘들기 때문이다.
블랙홀을 연구하는 데에는 직접 탐사선을 보내는 것이 확실하겠지만 이것은 꿈과 같은 이야기 이다. 또한 CERN 등으로 미니 블랙홀을 만들어 내는 데에도 큰 위험이 따른다.
100년 전 까지만 하더라도 사람들은 원자에 둘러 쌓여 있음에도 원자라는 것 자체를 이해하지 못했었다. 이처럼 우리들은 중력을 깊이 이해하지 못하고 있다.
상황이 변화하기 시작한 것은 중력파 망원경이 완성되고, 중력파의 관측에 성공했기 때문이다. 그렇다. 2015년에 중력파가 검출되었는데, 예상 외로 블랙홀에서 방출되는 중력파가 사방으로 퍼지고 있었던 것이다.
블랙홀은 중력 실험장치와 같은 것으로, 연구진들은 중력에 대한 실험 데이터를 갑자기 다량으로 건지게 된 꼴이 되었다. 앞으로 이 데이터가 방대하게 모여 중력의 성질을 알게 된다면 양자중력론이 완성될지도 모른다. 하지만 아직은 요원하다.
*미래를 예측하는 신의 한 수
미래를 예측하는 방법이라 알려진 것에는 여러 가지가 있다. 그 중에서 재미있는 것이 프린스톤대학교 우주물리학 교수 J. Richard Gott이 고안한 갓의 추정이라는 것이다.
이것은 이를 테면 인류의 수명이 앞으로 얼마나 남았나? 와 같은 알 턱이 없는 것들을 추측하는 방법이다.
냉전시대에 갓교수는 베를린 장벽을 보았다고 한다. 당시는 이미 베를린 장벽이 생기고 8년이 지나있었고 그 누구도 언제 이 벽이 무너질지 알 수 없었다. 여기서 갓교수는 이런 생각을 해 보았다고 한다.
-베를린 장벽을 본 사람의 4분의 1은 장벽이 세워진 직후, 다시 처음 4분의 1의 기간 동안에 관측했을 것이다.
-베를린 장벽을 본 4분의 1의 사람은 베를린 장벽이 없어지지 직전, 마지막 4분의 1의 기간 동안에 관측할 것이다.
-남은 4분의 2의 사람들은 그 사이 기간 동안에 관측할 것이다.
갓교수는 중앙의 반 수의 집단, 즉 베를린 장벽이 세워지고 없어질 때 까지의 가운데 2분의 1의 집단에서 2분의 1의 확률에 자신이 포함 될 것이라 상정했다.
만들어 진지 8년된 벽이, 만일 사라지기 직전이라면 남은 기간은 4분의 1이고, 벽이 존재하는 기간은 3분의 32년이므로 11년이 된다. 만약 금방 세워진 것이라면 이미 4분의 1이 지났으므로 벽이 존재하는 기간은 32년이란 말이다.
다시 말하면 2분의 1의 확률로 베를린 장벽은 생겨난 후 11년에서 32년 사이에 붕괴한다.
그리고 실제로 28년되던 해에 베를린 장벽은 허물어 졌다.
이것을 근거로 갓교수는 자신의 이론을 발표했는데 만일 이 기간이 틀렸었다면 어차피 발표하지 않았을 것이다.
하여튼 어차피 재미있는 에피소드에 지나지 않지만 갓교수의 추정 방식을 따른다면 앞으로 남은 인류의 수명은 지금부터 300억명에서 3000억명이 태어나게 되는 시점에 끝나게 된다는….. 그런데 아무리 생각해도 오차가 너무 크다는 게 많이 거슬린다.
*외계생명체는 끝없이 많다.
끝없는 우주에 지구에만 생명이 있다고 하면 너무도 큰 공간의 낭비다라는 대사를 옛날 콘택트라는 영화에서 아마도 조지 포스터가 했을 것이다. 그리고 생명은 실제로 무수히 있을 것이다.
현재는 오히려 외계생명체의 존재를 부정하는 사람이 더 적을 지도 모를 일이다. 그리고 태양계 이외의 지역도 점차 발견되기 시작하고 있다. 예전에는 달에 토끼가 사느니 하는 우스겟 소리에 그쳤지만 현재는 구체적인 생태조건을 갖춘 행성을 찾기 시작했다.
우주가 빅뱅으로 시작해 지금도 계속 팽창하고 있다는 우주 팽창론도 모든 물리학자가 인정하는 것은 아니다. 우주의 팽창에 의해 점차 멀어져 가는 별빛의 파장이 길어지는 토플러시프트로 우주팽창론의 근거를 삼고는 있지만 토플러시프트는 우주의 팽창 때문이 아니라 다른 이유가 있을 것이라 주장하는 학자도 있다.
어떤 이는 은하 세 개가 서로 연결되어 서로 상호작용을 하고 있다는 주장을 펼치기도 한다.
이 세 개의 은하는 서로 다른 속도로 움직이며 서로에게 다가가거나 멀어지거나 하고 있다는 것이다. 하지만 이것은 이론적으로 설명이 되지 않는다.
또는 우주가 팽창하고 있는 것은 맞지만 물질은 진공 상태에서 저절로 만들어 진다고 하는 설도 있다. 이런 것들은 극단적인 우주론이라 할 수 있다.
극단의 끝판 왕은 바로 다음의 설이다. 바로 물질을 만드는 것은 소립자들이 서로 사랑을 해서 이루어 낸 결과라는 것이다.
*우주는 자아를 지닌다.
한때 물리학계는 초끈이론의 등장에 큰 꿈을 품었었다. 마치 모든 의문이 풀릴 것 같은 기대를 품고 있었지만 결국은 아무런 실증도 실험도 행해지지 못하고 많은 이론적 가능성만 남기고 말았다. 지금에 와서는 이것이 인간의 한계가 아닌가 하는 생각마저 들게 한다.
이제는 중력파의 발견으로 다른 가능성을 탐구하는 듯 하지만 앞으로 어느 정도의 시간이 걸릴지는 미지수이다. 양자역학의 한 논문에서는 매우 흥미로운 내용을 찾아 볼 수 있다.
그것은 양자역학을 수학적으로 다루는 내용 중 파동함수의 한 부분에서 등장하는데 바로 변수는 ‘자아’라고 표기된 부분이다.
인류가 연구하는 우주라는 것은 어쩌면 이 ‘자아’에 관한 연구일지도 모르며, 우주의 자아의 모임이 사람 또는 생명이라는 구조를 지니는 것일지도 모른다. 양자역학에서 관찰로 인해 결과가 바뀌는 것은 각 자아끼리의 소통이 될 지도 모르며, 인류는 수많은 양자, 원자의 자아의 모임과 조합으로 이루어지고 있는 것일지도 모를 일이다.
하지만 지금까지 한 말들에 대한 확신은 단 1%도 없음을 밝힌다.