빅뱅 이전에는 무엇이 존재했는가?

우리 우주가 어떻게 무에서 태어났는지 또는 그 이전에 무언가가 존재했는지는 미스터리로 남아 있지만 일부 물리학자들이 그것을 알아내려는 시도를 막지는 못합니다.

 

내가 이해하는 것은 아무것도 없는 것에서 오는 것이 없다는 것입니다. 무언가가 존재하려면 재료나 구성 요소가 있어야 사용할 수 있고, 사용할 수 있으려면 다른 무언가가 있어야 합니다. 빅뱅을 생성한 물질은 어디에서 왔으며, 그 물질을 생성하기 위해 처음에 무슨 일이 일어났습니까? – Peter, 80, 호주.

 

"마지막 별은 천천히 식어 사라질 것입니다. 별이 지나가면 우주는 빛도, 생명도, 의미도 없이 다시 한 번 공허가 될 것입니다." 그래서 최근 시리즈 Universe 에서 물리학자 브라이언 콕스(Brian Cox)가 경고했습니다 .

그 마지막 별의 퇴색은 끝없이 길고 어두운 시대의 시작일 뿐입니다. 모든 물질은 결국 무시무시한 블랙홀에 의해 소모될 것이며, 차례로 증발하여 가장 희미한 빛으로 변할 것입니다. 그 희미한 빛이 너무 퍼져 상호 작용할 수 없을 때까지 공간은 바깥쪽으로 확장됩니다. 활동이 중단됩니다.

아니면 그럴까요? 이상하게도 일부 우주론자들은 우리의 먼 미래에 있는 것과 같은 차갑고 텅 빈 우주가 우리 자신의 빅뱅의 근원일 수 있다고 믿습니다.

 

첫 번째 문제

그러나 그것에 도달하기 전에 "물질"(물리적 물질)이 처음 어떻게 생겨났는지 살펴보겠습니다. 원자나 분자로 이루어진 안정한 물질의 기원을 설명하고자 한다면, 빅뱅 당시에도, 그 이후 수십만 년 동안에도 확실히 그런 것은 없었습니다. 사실 우리는 복잡한 물질이 안정될 수 있을 만큼 조건이 충분히 냉각되면 최초의 원자가 더 단순한 입자에서 어떻게 형성되었는지, 그리고 이 원자가 나중에 어떻게 별 내부의 더 무거운 원소로 융합되었는지에 대해 꽤 자세하게 이해하고 있습니다. 그러나 그러한 이해는 무언가가 무에서 비롯되었는지에 대한 질문을 다루지 않습니다.

그럼 좀 더 뒤로 생각해보자. 모든 종류의 최초의 장수명 물질 입자는 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자였습니다. 이것들은 빅뱅 이후 1000분의 1초쯤에 존재하게 되었습니다. 그 이전에는 그 단어의 친숙한 의미의 자료가 실제로 없었습니다. 그러나 물리학을 통해 우리는 타임라인을 거꾸로 추적하여 안정적인 물질보다 앞선 물리적 과정으로 계속 추적할 수 있습니다.

이것은 우리를 소위 " 대통합의 시대 "로 이 끕니다.". 지금쯤이면 우리는 실험에서 당시에 진행되고 있던 종류의 과정을 조사하기에 충분한 에너지를 생산할 수 없기 때문에 추측 물리학의 영역에 들어섰습니다. 그러나 그럴듯한 가설은 물리적 세계가 양성자와 중성자의 구성 요소인 쿼크를 포함하여 수명이 짧은 기본 입자의 수프로 구성됩니다. 물질과 "반물질"이 거의 같은 양으로 존재했습니다 . 쿼크와 같은 각 유형의 물질 입자에는 반물질이 있습니다 거울상(mirror image) 동반자는 한 가지 면만 다를 뿐 거의 동일하지만 물질과 반물질이 만나면 에너지의 섬광으로 소멸되기 때문에 이러한 입자는 끊임없이 생성되고 소멸됩니다.

빅뱅 이후 첫 순간에 우주는 공간과 시간이 아직 적절하게 나타날 수 있는 뜨거운 입자 수프였습니다(Credit: Science History Images/Alamy)

그러나 이러한 입자는 처음에 어떻게 존재하게 되었습니까? 양자장 이론은 공허한 시공간에 해당하는 것으로 여겨지는 진공도 에너지 변동의 형태로 신체 활동으로 가득 차 있다고 알려줍니다. 이러한 변동으로 인해 입자가 튀어나오다가 곧 사라질 수 있습니다. 이것은 실제 물리학이라기보다는 수학적 기이함처럼 들릴 수 있지만, 그러한 입자는 수많은 실험에서 발견되었습니다.

시공간 진공 상태는 "무에서"처럼 끊임없이 생성되고 파괴되는 입자로 부글부글 끓고 있습니다. 그러나 아마도 이 모든 것이 실제로 우리에게 말해주는 것은 양자 진공이 (그 이름에도 불구하고) 무라기보다는 무언가라는 것입니다. 철학자 데이비드 앨버트는 기억에 남을 정도로 비판했습니다.이런 식으로 무에서 무언가를 얻을 것을 약속하는 빅뱅에 대한 설명입니다. 

시공간 자체가 어디에서 발생했는지 묻는다고 가정해 보겠습니다. 그런 다음 시계를 훨씬 더 뒤로 돌려서 진정한 고대 " 플랑크 시대 " 로 진행할 수 있습니다 . 우주 역사의 가장 초기에 있어 최고의 물리학 이론이 무너지는 시기입니다. 이 시대는 빅뱅 이후 1000만분의 1조분의 1조분의 1초에 불과했습니다. 이 시점에서 공간과 시간 자체가 양자 변동의 대상이 되었습니다. 물리학자들은 일반적으로 입자의 미시 세계를 지배하는 양자 역학과 우주 규모에 적용되는 일반 상대성 이론과 별도로 작업합니다. 그러나 플랑크 시대를 진정으로 이해하려면 완전한 양자 중력 이론이 필요합니다., 둘을 병합합니다.

우리는 여전히 양자 중력에 대한 완벽한 이론을 가지고 있지 않지만 끈 이론 및 루프 양자 중력 과 같은 시도가 있습니다 . 이러한 시도에서 일상적인 공간과 시간은 일반적으로 깊은 바다 표면의 파도처럼 창발적인 것으로 간주됩니다. 우리가 공간과 시간으로 경험하는 것은 더 깊고 미시적인 수준에서 작동하는 양자 과정의 산물입니다. 이 과정은 거시적 세계에 뿌리를 둔 생물인 우리에게 별로 이해가 되지 않습니다.

이 단계에서 우리가 자신 있게 말할 수 있는 것은 물리학이 지금까지 무에서 발생하는 어떤 확인된 사례를 발견하지 못했다는 것입니다.

플랑크 시대에는 시간과 공간에 대한 일반적인 이해가 무너져 더 이상 인과 관계에 대한 일반적인 이해에 의존할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고, 양자 중력의 모든 후보 이론은 플랑크 시대에 일어나고 있던 물리적인 무언가를 기술합니다. 즉, 일반적인 공간과 시간의 일부 양자 선구자입니다. 그러나  그것은  어디에서 왔습니까?

인과 관계가 더 이상 일반적인 방식으로 적용되지 않더라도 플랑크 시대 우주의 한 구성 요소를 다른 구성 요소로 설명하는 것은 여전히 ​​가능할 수 있습니다. 불행히도 지금까지는 우리의 최고의 물리학조차도 답을 완전히 제공하지 못합니다. 우리가 "만물의 이론"을 향해 더 진전될 때까지 우리는 어떤 결정적인 대답도 할 수 없을 것입니다. 이 단계에서 우리가 자신 있게 말할 수 있는 것은 물리학이 지금까지 무에서 발생하는 어떤 확인된 사례를 찾지 못했다는 것입니다.

거의 무에서 순환

어떻게 무에서 무언가가 발생할 수 있는지에 대한 진정한 답을 얻으려면 플랑크 시대가 시작될 때 전체 우주의 양자 상태를 설명해야 합니다. 이를 수행하려는 모든 시도는 여전히 추측에 가깝습니다.. 그러나 무한한 수의 평행 우주를 포함하는 다중 우주 또는 우주의 순환 모델이 태어나고 다시 태어나는 것과 같은 다른 후보 설명은 물리학 영역 내에 남아 있습니다.

2020년 노벨상을 수상한 물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose) 는 순환 우주에 대한 흥미롭지만 논쟁의 여지가 있는 모델을 제안했습니다."등각 순환 우주론"이라고 불립니다. 펜로즈는 우주의 매우 뜨겁고 조밀하며 작은 상태(빅뱅 당시의 상태)와 우주의 극도로 차갑고 공허하며 팽창된 상태(먼 미래에도 마찬가지) 사이의 흥미로운 수학적 연결에서 영감을 받았습니다. . 이 대응을 설명하기 위한 그의 급진적 이론은 그러한 상태가 한계에 도달했을 때 수학적으로 동일해진다는 것입니다. 역설적으로 보일지 모르지만, 물질의 완전한 부재는 우리가 우주에서 우리 주변에서 볼 수 있는 모든 물질을 발생시킬 수 있었습니다.

이러한 관점에서 빅뱅은 거의 무에서 발생합니다. 그것이 우주의 모든 물질이 블랙홀로 소비되고 차례로 광자로 끓어 버려서 공허에서 길을 잃었을 때 남은 것입니다. 따라서 전체 우주는 다른 물리적 관점에서 볼 때 아무 것도 얻을 수 없을 만큼 가까운 어떤 것에서 발생합니다. 그러나 아무것도 아니라는 것은 여전히 ​​일종의 종류입니다. 그것은 여전히 ​​비어 있지만 물리적 우주입니다.

Cern의 과학자들은 초기 우주에 대해 더 많이 이해하기 위해 반물질을 연구하려고 노력해 왔습니다(Credit: Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images)

어떻게 똑같은 상태가 한 관점에서는 차갑고 텅 빈 우주이고 다른 관점에서는 뜨겁고 조밀한 우주가 있을 수 있습니까? 답은 "등각 재조정"이라고 하는 복잡한 수학적 절차에 있습니다. 기하학적 변형은 사실상 물체의 크기를 변경하지만 모양은 변경하지 않습니다.

Penrose는 크기는 아니지만 시공간의 모양과 관련하여 일치하도록 크기 조정을 통해 저온 밀도 상태와 고온 밀도 상태를 어떻게 연관시킬 수 있는지 보여주었습니다. 두 물체가 크기가 다를 때 어떻게 이러한 방식으로 동일할 수 있는지 파악하는 것은 물론 어려운 일입니다. 그러나 Penrose는 개념으로서의 크기는 그러한 극단적인 물리적 환경에서 더 이상 의미가 없다고 주장합니다.  

등각 순환 우주론에서 설명의 방향은 늙음과 차가움에서 젊음과 뜨거움으로 진행됩니다. 차갑고 공허한 상태 때문에 뜨겁고 밀도가 높은 상태가 존재합니다. 그러나 이 "때문에"는 친숙한 것이 아닙니다. 원인 뒤에 그 결과가 뒤따르는 것입니다. 이러한 극단적인 상태에서 더 이상 관련이 없는 것은 크기뿐만 아니라 시간도 마찬가지입니다. 콜드 덴스 상태와 핫 덴스 상태는 사실상 서로 다른 타임라인에 위치합니다. 차갑고 공허한 상태는 관찰자의 관점에서 자체 시간 기하학에서 영원히 계속될 것이지만, 그것이 발생시키는 뜨겁고 조밀한 상태는 효과적으로 새로운 타임라인에 서식합니다.

 

비인과적인 방식으로 차가운 비어 있는 상태에서 생성되는 뜨거운 조밀한 상태를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 아마도 우리는 뜨거운 조밀 한 상태라고한다 에서 나온다 , 또는 에서 접지 , 또는 에 의해 실현 추위, 빈 상태입니다. 이것들은 과학 철학자들이 광범위하게 탐구한 독특한 형이상학적 아이디어입니다 . 특히 일반적인 원인과 결과가 무너지는 것처럼 보이는 양자 중력 의 맥락 에서 그렇습니다 . 우리 지식의 한계에서 물리학과 철학은 분리하기 어려워집니다.

실험적 증거?

등각 순환 우주론은 우리의 빅뱅이 어디에서 왔는지에 대한 질문에 대한 몇 가지 세부적이지만 추측적인 답변을 제공합니다. 그러나 Penrose의 비전이 우주론의 미래 발전에 의해 입증된다 하더라도 우리는 여전히 더 깊은 철학적 질문, 즉 물리적 현실 자체가 어디에서 왔는지에 대한 질문에 대답하지 못했을 것이라고 생각할 수 있습니다. 전체 순환 시스템은 어떻게 생겼습니까? 

그런 다음 우리는 마침내 형이상학의 가장 큰 질문 중 하나인 아무것도 없는 것이 아니라 무엇인가가 있는 순수한 질문으로 끝납니다.

일부 이론은 우리 자신의 우주가 존재하기 전에 주기에 따라 존재하거나 존재하지 않는 다른 우주가 존재했다고 제안합니다(제공: Alamy)

그러나 여기에서 우리의 초점은 물리학의 영역에 남아 있는 설명에 있습니다. 주기가 어떻게 시작되었는지에 대한 더 깊은 질문에 대한 세 가지 광범위한 옵션이 있습니다. 물리적인 설명이 전혀 없을 수 있습니다. 또는 끝없이 반복되는 주기가 있을 수 있습니다. 각 우주는 고유한 권리를 가지고 있으며 각 우주의 초기 양자 상태는 이전에 우주의 어떤 특징으로 설명되었습니다. 또는 하나의 단일 주기와 하나의 반복되는 우주가 있을 수 있으며, 해당 주기의 시작은 자체 끝의 어떤 특징으로 설명됩니다. 후자의 두 가지 접근 방식은 원인이 없는 사건의 필요성을 피하고 이것이 그들에게 독특한 매력을 줍니다. 물리학으로 설명되지 않는 것은 아무것도 없을 것입니다. 

펜로즈는 양자 이론에 대한 자신의 선호하는 해석과 부분적으로 연결된 이유로 끝없는 새로운 순환의 연속을 상상합니다. 양자 역학에서 물리적 시스템은 동시에 여러 상태가 중첩되어 존재하며 측정할 때 무작위로 "하나를 선택"합니다. Penrose의 경우 각 주기에는 다른 방식으로 나타나는 임의의 양자 이벤트가 포함됩니다. 즉, 각 주기는 전후의 주기와 다릅니다. 이것은 실제로 실험 물리학자들에게 좋은 소식입니다. 플랑크 위성이 본 빅뱅의 남은 복사에서 희미한 흔적이나 이상 현상을 통해 우리를 탄생시킨 오래된 우주를 엿볼 수 있기 때문입니다. 

펜로즈와 그의 동료들은 플랑크 데이터의 패턴을이전 우주의 초대질량 블랙홀에서 방출되는 복사 . 그러나 그들의 주장된 관찰은 다른 물리학자들에 의해 도전을 받았고 배심원단은 남아 있습니다.

끝없는 새로운 주기는 Penrose 자신의 비전의 핵심입니다. 그러나 등각 순환 우주론을 다중 주기에서 한 주기 형태로 변환하는 자연스러운 방법이 있습니다. 그런 다음 물리적 현실은 빅뱅을 통해 먼 미래에 최대로 비어 있는 상태로 한 번 순환하는 것으로 구성됩니다.

이 후자의 가능성은 다세계 해석이라고 불리는 양자 역학의 또 다른 해석과 일치합니다. 다세계 해석은 중첩된 시스템을 측정할 때마다 이 측정이 상태를 무작위로 선택하지 않는다는 것을 알려줍니다. 대신, 우리가 보는 측정 결과는 하나의 가능성, 즉 우리 자신의 우주에서 실행되는 것입니다. 다른 측정 결과는 모두 우리 우주와 효과적으로 단절된 다중 우주의 다른 우주에서 재생됩니다. 따라서 어떤 일이 발생할 가능성이 아무리 적더라도 0이 아닌 기회가 있으면 어떤 양자 평행 세계에서 발생합니다. 다른 세계에는 복권에 당첨된 사람, 기이한 태풍에 휩쓸린 사람, 자연적으로 발화한 사람, 세 가지를 동시에 한 사람이 있습니다.

우리의 빅뱅은 함께 발생하는 무한히 많은 다른 우주를 포함하는 하나의 단일 양자 다중우주의 재탄생일 수 있습니다.

어떤 사람들은 그러한 평행 우주 가 우리 우주와 충돌하는 다른 우주로 인한 흔적으로서 우주론적 데이터 에서도 관찰될 수 있다고 믿습니다 .

다세계 양자 이론은 등각 순환 우주론에 대한 새로운 비틀기를 제공하지만 펜로즈가 동의하는 이론은 아닙니다. 우리의 빅뱅은 함께 발생하는 무한히 많은 다른 우주를 포함하는 하나의 단일 양자 다중우주의 재탄생일 수 있습니다. 가능한 모든 일이 발생합니다. 그런 다음 반복해서 발생합니다.

고대 신화

과학 철학자에게 펜로즈의 비전은 매혹적입니다. 그것은 우리의 설명을 일반적인 원인과 결과를 넘어 빅뱅을 설명하는 새로운 가능성을 열어줍니다. 따라서 물리학이 우리 세계를 설명할 수 있는 다양한 방법을 탐구하기 위한 훌륭한 테스트 사례입니다. 철학자들의 더 많은 관심을 받을 가치가 있습니다.

신화를 사랑하는 사람에게 펜로즈의 비전은 아름답습니다. 펜로즈가 선호하는 멀티 사이클 형태로, 조상의 잿더미에서 탄생한 끝없는 새로운 세계를 약속합니다. 한 주기의 형태로, 그것은 우로보로스 또는 세계 뱀 에 대한 고대 아이디어를 놀랍도록 현대적으로 재해석한 것입니다 . 북유럽 신화에서 뱀 요르문간드는 영리한 사기꾼 로키와 거인 앙그르보다 사이에서 태어난 아이입니다. Jörmungandr는 자신의 꼬리를 소모하고 생성된 원은 세계의 균형을 유지합니다. 그러나 우로보로스 신화는 고대 이집트까지 거슬러 올라가는 것을 포함하여 전 세계에 기록되어 있습니다. 우로 보로스

순환하는 하나의 우주는 참으로 장엄합니다. 그것은 그 배 안에 우리 자신의 우주와 양자 물리학이 허용하는 이상하고 놀라운 대안 가능한 모든 우주를 포함하고 있습니다. 그리고 머리가 꼬리를 만나는 지점에서는 완전히 비어 있지만 온도는 섭씨 10억 1000만 억 도.

변신술사인 로키도 감명을 받았을 것입니다.