다중 우주의 네가지 모형 (Level 1 ~ Level 4)

스웨덴 출신의 물리학자인 맥스 테그마크는 과학자들이 다중 우주라는 단어를 서로 다르게 사용한다는 사실을 알게 되었고,

 

이를 종합해서 레벨 1~4 까지의 네 가지 모형으로 정리했다.

 

 

Level 1

첫 번째 다중 우주론 모델은 우리 우주를 넘어선 영역을 또 다른 우주로 인정하는 것이다.

 

빅뱅 직후, 1초도 되지 않는 짧은 시간동안 우주는 매우 빠르게 급팽창 했다. 팽창의 속도 자체가 증가하면서 가속 팽창한 것인데,

 

우주 초기에 대한 이러한 설명을 인플레이션 이론이라고 한다.

 

오늘날의 과학자들은 일반적으로 빅뱅 다음에 인플레이션이 있었음을 의심하지 않는 편인데, 이 우주의 팽창 속도는 지금까지도 계속 증가하고 있다.

 

그리고 이 가속된 팽창 속도가 마침내 빛의 속도를 초월해서 커져나갔다, 우리 우주의 나이가 대략 138억 살 정도가 되었으니, 그 동안 빛의 퍼져나가 우리가 볼 수 있는 우주의 영역은 반지름이 대략 400억 광년인 거대한 구 모양이다.

 

이를 허블 부피 라고 부르며, 여기까지가 우리가 관측 가능한 영역이다.

 

빛은 모든 것중에 가장 빠르기 때문에 여기까지 도착했지만, 실제 우주의 크기는 이를 아득히 넘어선다. 

그렇다면 어느 시점부터 우주의 공간은 단 하나의 빛 알갱이나 전자도 없이 말 그대로 완벽히 텅 비어 있을 것이다.

 

이 비어 있는 공간, 빛과 물질은 아직 도달하지 못했지만 시공간의 영역으로 확장된 이 영역이 레벨1의 다중 우주의 모습이다.

 

Level 2

두 번째 다중 우주론 모델은 거품 우주라고도 한다. 비눗물에 빨대를 꽂고 숨을 불어넣으면 비눗방울이 보글보글 올라오는 것과 유사할 것이라고 상상해서 붙여진 이름이다.

 

각가의 비눗방울은 하나의 독립되어 있는 개별 우주로, 탄생과 소멸을 무한히 반복한다.

레벨 1에서의 우주가 여기서의 비눗방울 하나라고 생각하면 된다.

 

그렇다면 이러한 다수의 우주는 도대체 어디서 어떻게 생겨나는 것인가?

 

이에 대해서는 양자 요동 이라는 개념이 설명해준다.

 

인간이 유의미하게 말할 수 있는 최소한의 크기를 플랑크 길이 라고 말하는데, 이 말할 수 없이 작은 공간에서 흥미로운 일이 일어나고 있다.

아무것도 없는 공간의 표면 자체가 부글부글 끓는 것처럼 보이는 것이다.

이러한 에너지의 일시적인 변화를 양자 요동 혹은 양자 거품이라고 하는데, 이는 아무것도 없다고 믿어왔던 진공이 사실은 완벽하게 비어있는게 아님을 의미한다.

 

 

Level 3

세 번째 다중 우주론 모델은 양자역학의 유명한 사유 실험인 슈뢰딩거의 고양이에서 논리적으로 파생되는 모델이다.

 

다음은 슈뢰딩거의 고양이의 실험 내용이다.

 

슈뢰딩거의 고양이는 일종의 사고실험이다. 먼저 고양이 한 마리가 무쇠로 만든 상자 안에 갇혀 있다고 상상해보라. 상자 안에는 깨지기 쉬운 용기 안에 담긴 독가스(청산가리)와 방사성 원자들이 함께 들어 있다. 고양이가 독가스 용기와 직접 접촉하게 되어 있지는 않다. 다만, 용기 위에는 망치가 놓여 있다. 이 상자는 원자가 방사능을 방출하는 순간 망치가 용기를 내리쳐 치명적인 독가스가 발생하도록 고안했다.


원자물리학은 원자의 절반이 언제 방사능 에너지를 방출하는지 통계적 방법을 이용해 정확히 설명할 수 있다. 하지만 상자 안에서 방출되는 방사능이 정확히 어느 시점에서 고양이를 죽음에 이르게 하는지는 아무도 예측하지 못한다. 물리학은 오직 통계적 수치만을 제시할 수 있을 뿐이다. 원자의 방사능이 한 시간 안에 붕괴되어 용기를 깨뜨리게 될 확률이 50퍼센트라고 하자. 한 시간이 지난 다음 상자 내부를 들여다보지 않은 상태에서 상자 속의 고양이에 대해 우리는 과연 무엇을 알 수 있을까?


상자 속의 고양이가 살아 있을 확률도, 죽어 있을 확률도 50퍼센트다. 그런데 이것을 아는 게 대체 무슨 의미가 있는 것일까? 슈뢰딩거가 고양이를 매개로 이해하고자 했던 물리학은 고등생명체에 관한 것이 아니라 원자와 그에 딸린 전자 등 입자에 관한 것이다. 원자는 물론 죽거나 사는 게 아니다. '위'와 '아래'의 서로 다른 방향으로 향할 수 있을 뿐이다. 이제 고양이 대신 원자 하나가 상자 안에 들어 있다고 가정해보자.


물론 그 안에는 독가스가 든 용기 대신 자기장이 있다. 우리는 이 원자가 50퍼센트의 확률로 '위'로 향하거나 아니면 '아래'쪽을 향하도록 할 수 있다. 이렇게 만든 뒤 상자 안을 들여다보았을 때 과연 무슨 일이 벌어질까? 물리학은 이미 그 결과를 알고 있다. 물리학은 (물리학 교재에서 찾아보면) 우리가 관찰(측정)을 통해 원자를 고정시킨다고 답한다. 우리의 관찰이 원자가 '위'로 향하는지 '아래'로 향하는지를 결정한다는 말이다.


하지만 슈뢰딩거는 이 같은 설명이 터무니없다고 생각했다. 다시 밀폐된 상자 안에 든 고양이를 상상해보자. 물리학은 마치 이 기분 나쁜 동물이 몹시 기이한 삶을 사는 듯 절반은 살아 있고 절반은 죽어 있는 상태라고 말하는 것과 무엇이 다른가? 설명의 부조리함은 여기서 그치지 않는다. 고양이가 실제로 어떤 상태인지는 그 내부의 상황에 의해서가 아니라 외부에서 들여다보았을 때 결정난다.


관찰자가 상자 안을 들여다보았을 때 고양이가 죽어 있다면 그는 고양이를 죽인 것이다. (반대로 고양이가 잘 돌아다니고 있다면 그는 고양이를 살아 있게 만든 것이다.) 누군가 상자 근처를 어슬렁거리다가 아무 생각 없이 상자뚜껑에 손을 대는 순간 슈뢰딩거의 고양이는 죽느냐 사느냐의 기로에 서게 되는 셈이다.

[네이버 지식백과] 슈뢰딩거의 고양이 [Schrödinger's Cat] (슈뢰딩거의 고양이, 2009. 1. 20., 에른스트 페터 피셔, 박규호)

 

다중 우주론의 창시자 휴 에버렛 3세는 코펜하겐 해석을 거부하고, 다른 방식으로 슈뢰딩거의 고양이를 해석한다.

 

그는 알파 입자가 50% 의 확률로 결정되는 그 순간 우주가 갈라진다고 말했다. 즉, 고양이가 살아 있는 세계와 고양이가 죽은 세계로 우주 자체가 나눠진다는 것이다.

 

다만, 여기서 우리의 의식은 이 갈라진 우주 중에서 하나의 세계만을 따라가기 때문에 다른 세계는 우리에게 드러나지 않는다. 갈라진 두 우주는 이후 독립해서 나름의 역사적 흐름을 따라 나아가고, 결코 서로 영향을 미치지 않는다.

 

이러한 레벨3의 다중 우주를 특히 평행 우주라고 부른다.

 

Level 4

레벨4는 이 모형을 정리한 맥스 테그마크의 견해이다. 그는 우주가 거대한 수학적 존재라는 수학적 우주 가설을 주장한다.

 

우주의 실체가 궁극적으로 수학이며, 이것이 물리적 실체로서 우리에게 인식된다는 것이다.

 

참조

지적대화를 위한 넓과 얕은 지식 - 0