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빅뱅의 특이점 - '암흑'의 시작

우주는 ‘무’에서부터 자연적으로 형성되었는가?

저자: John G. Hartnett
번역자: 한국창조과학회 (creation.kr)

”우주는 절대적인 무(nothing, zero, nada)에서부터 어떤 것이 폭발하면서 갑자기 시작되었고, 점점 커졌고, 아무 것도 없던 곳에서 많은 물질들로 가득 차게 되었다. 어떻게 그것이 가능할 수 있었을까? 앨런 구스(Alan Guth)에게 물어보라. 그의 급팽창 이론은 모든 것을 설명하는 데에 도움이 된다.” - Discover잡지 2002년 4월호의 표지 글.
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그림 1 : 빅뱅 이후 최초의 수억 년 동안은 우주의 암흑시대에 있었던 때이다. 이 기간 동안에 빛의 근원이 될 수 있었던 어떠한 이온화된 수소도 없었다는 것을 의미한다. (astro.caltech.edu/~george/reion).

”무로부터 우주의 자연발생적 탄생”1은 물리 이론을 다루는 미국에서 가장 권위 있는 저널 중 하나인, 미국 물리학회지 Physical Review D에 게재된 헤(He, Gao and Cai) 등이 저술한 2014년 논문의 제목이다. 그것은 우주가 무(nothing)로부터 어떤 것(something)으로 정말로 폭발했는지에 관한, 소위 수학적 증거의 윤곽을 그리는 것을 목적으로 하고 있었다.

또한 이 발견의 경이로움을 선전하고 있는 웹사이트가 있다. ”우주가 무에서부터 자연발생적으로 형성될 수 있었던 수학적 증거”라는 제목의 부제와 함께, ”우주론자들은 빅뱅(big bang, 대폭발)이 자연적인 양자요동(quantum fluctuations)으로 자발적으로 일어날 수 있다고 생각하고 있었다. 이제 그들은 수학적 증거를 얻었다”는 것이다.2

그 웹사이트는 빅뱅 우주생성론(big bang cosmogony)을 지지하는 증거들을 열거하고 있었다 :

  1. 대폭발로부터 종종 '빅뱅의 반향(echo of the big bang)' 또는 '화석 복사선(fossil radiation)'으로 알려져 있는 우주배경복사(CMB, cosmic microwave background radiation)가 존재한다.3

  2. 우주 또는 우주 자체의 팽창. 그것을 외삽하여 뒤쪽으로 상상해보면, 그것은 빅뱅 기원을 가리키며, 무차원 점(dimensionless point) 또는 특이점(a singularity)을 가리킨다.4

  3. 수소, 헬륨-4, 헬륨-3, 중수소, 몇몇 다른 원소들과 같은, 원초적 원소들의 풍부함은 빅뱅 이론을 사용하여 계산될 수 있다.5

진화론적 우주론은 상황(간접) 증거(circumstantial evidence)에 호소함으로써, 지난 38억 년 동안 모든 생물체의 기원을 밝혀내려 시도했던 진화생물학과 매우 흡사하다. 진화생물학과 가장 강력하게 유사한 것은, 수십억 년의 역사를 동일하게 가정하고 있다는 것이다. 그래서 최초의 생물체가 우연히 자연발생 했고, 수십억 년에 걸쳐 다른 수많은 생물들을 만들어냈듯이, 우주도 우연한 폭발 후에 장구한 시간에 걸쳐 다양한 은하들과 항성들과 행성들이 출현했다는 것이다.

우주배경복사(CMB)라는 '화석 복사선'은 '최후의 산란면(last scattering surface)'이라고도 불리는데, 빛이 고온 플라즈마에 갇히지 않고 자유롭게 우주를 여행하는, 빅뱅 불덩어리에서 남겨진 복사선을 의미한다는 것이다. 우주의 팽창과 원소들의 풍부함은 빅뱅에 대한 상황 증거들이다. 1948년 조지 가모프(George Gamow)는 빅뱅을 지지하는 것으로 CMB 복사선을 예측했지만(5K에서 후에 50K로 수정), 원소들의 풍부함은 빅뱅을 지지하는 증거로 주장되기는 어려웠다. 왜냐하면 우주에서 수소/헬륨 비율은 이미 측정되었기 때문이다. 가모프의 학생들이었던 알퍼(Ralph Asher Alpher)와 허만(Robert Herman)은 제2차 세계대전이 끝난 후에, 핵 매개변수를 제외시키는 지식을 사용하여, 얼마가 있을지를 계산했고, 이미 그 비율은 잘 알려져 있었다. 이것은 정확하게 말하면 사후추정(post-diction)이라고 불리는 것이다.

그러나 진정으로 거대한 수수께끼가 남아 있었다. 빅뱅이 정말로 있었다면, 그 빅뱅을 일으킨 원인은 무엇이었는가? 처음에 무엇으로부터 폭발이 시작됐던 것일까? 수십 년 동안 우주론자들은 우주가 단지 자연 발생하여 형성되었다고 믿어왔다. 빅뱅은 일부 양자 요동의 결과였고, 우주는 무에서부터 갑자기 튀어나오게 되었다는 것이었다. 나는 무(nothing)라는 것을, 공간이 없고, 시간이 없고, 에너지가 없고, 물질이 없는 상태를 의미한다고 생각한다.

그 논문에서 저자들은 다음과 같이 썼다 :

”… 우리는 휠러-디윗 방정식(Wheeler-DeWitt equation)의 분석적 해법에 기초한 증명을 제시한다… 한때 작은 진짜 진공 버블(a small true vacuum bubble)이 준안정적인 가짜 진공(metastable false vacuum)의 양자 요동에 의해서 만들어졌다. 그것은 버블이 닫혔거나, 평평하거나, 열렸거나 상관없이 지수함수적으로 팽창할 수 있었다.”6

그들이 제시하는 증거는 수학적 증거일 뿐이다. 한 가설을 만들고, 만들어진 모델의 예측을 통해서 테스트 된, 한 물리적 이론이 예측하는 것과 같은 유형의 증거가 아니다. 그러한 것이 전혀 아닌 것이다. 이 경우에서, 그 증거라는 것은 한 수학적 모델을 가지고, 빅뱅이 시작된 이후의 극도로 짧은 기간 동안에 우주를 어떻게든 기술하는 데에 사용될 수 있다고 생각하는, 증명되지 않은 가정(assumption)에 전적으로 의존하고 있는 증거인 것이다. 또한 우주가 그들이 추정하는 태초의 시기에도, 가정되는 수학 및 물리법칙들이 작동되었고, 그것에 의해서 기술될 수 있다는 가정에 의존하고 있는 것이다. 그러나 그러한 가정들은 어떠한 것도 입증이 불가능하다.

새로운 시도는 존 휠러(John Wheeler)와 브라이스 디윗(Bryce DeWitt)의 연구를 확장시킨 것이었다. 휠러와 디윗은 초기 우주를 위해 양자중력 이론(quantum gravity theory)을 개발하기 위한 노력으로, 일반상대성 이론과 양자역학을 결합하여 수학적 형식주의를 개발한, 유명한 휠러-디윗 방정식(Wheeler-DeWitt equation, WDWE)을 탄생시켰다.

Wheeler-DeWitt-equation

여기서 매개변수 a는 미니슈퍼우주 모델에서 우주의 스케일 인자(scale factor)이다. k는 공간 곡률(spatial curvature)로서, 1 (positive, closed and finite), 0 (flat, Euclidean and infinite), -1 (negative, open and infinite) 버블로서 각각 선택된다. ψ는 버블 우주의 파동함수(wave function)이다. 무한한 가능성의 해결책이 있으며, 특정 시스템에 대해 해결하기 위해서는 추가 정보가 필요하다.

이 모델은 우주의 총에너지 함량이 0이라고 가정한다. 즉 우주의 모든 물질과 모든 형태의 에너지를 합산하면, 합계는 0이 될 것이라는 것이다. 따라서 빅뱅은 ”궁극적으로 공짜 점심(ultimate free lunch)”이라는 유명한 말로 말해져왔다.

폴 데이비스(Paul Davies)는 다음과 같이 썼다 :

”과학은 어떤 특정한 순간에 버튼을 눌러 우주를 만들었던, 이전부터 영원히 계시던 창조주의 필요성을 없애버렸다.”7

이 새로운 논문은 1983년에 수학적으로 특정한 최초의 순간 없이 과거의 시간에서도 가능할 수 있음을 보여주었던, 하틀(Hartle)과 호킹스(Hawking)와 같은 사람들의 연구를8 이어받은 것이었다. 이것은 '하이젠베르크의 불확정성 원리(Heisenberg’s Uncertainty Principle)'에서 온 것이다. 그것은 시간과 공간의 시작에 일종의 모호함(fuzziness)이 있음을 가리킨다. 이런 식으로, 시간은 상상의 품질을 취하고, 공간 좌표가 된다. 그리고 우주는 많은 가능한 역사를 가지고 있다고 주장되며, 그것들 중 일부를 샘플링 한다. 그러나 아무것도 고유한 것은 없다.

헤 등이 수행한 연구는, 한때 작은 진짜 진공 버블이 만들어지면, 그것은 기하급수적으로 팽창될 ‘기회(chance)’를 가져서, 관측되는 우주가 만들어질 수도 있다는 것을 수학적으로 보여준 것뿐이었다. '기회'란 단어의 사용을 주의해서 봐야한다. 그들은 그들의 모델에서 유래할 가능성이 있는 우주의 앙상블(ensemble)을 이야기하고 있음을 우리는 이해해야한다. 양자 이론은 가능한 결과를 실현시킬 확률만을 단지 다루고 있으며, 이러한 의미에서 우리의 우주와 같은 우주가 존재할 확률은 실제로 매우 작을 수 있다.

분명한 사실은 이것은 수학(mathematics)이며, 실제 우주에서는(우주 다양성의 문제) 입증될 수 없다는 사실은 다루지 않고 있었다. 다양한 별들과 은하들이 있는 우주가 어떻게 있게 되었는지, 많은 것들의 창조 과정이 어떻게 되는지는 다루지 않고 있었다.

휠러-디윗 방정식(WDWE)에 의해서 기술된, 무로부터의 자연발생적 창조라는 이 새로운 주장은 a > 0에 대해서만 유효한 것이다. 스케일 인자가 양수이며 0이 아니라는 사실은, 이 접근법이 준안정적 양자 진공에서만 유효하다는 것을 의미한다. 즉, 그러한 진공은 이미 존재하고 있었어야만 하는 것이다. 그리고 이 공식은 최초 사례에서 유도된 방정식을 사용하는, 물리법칙의 존재를 전제로 하고 있는 것이다.

따라서 꽤 우아한 것처럼 보이지만, 헤 등의 접근 방식은 최초 원인을 해결하지 못하고 있는 것이다. 버블 우주에 대한 사실 꽤 노골적인 해밀토니안(Hamiltonian)의 어떤 형태를 단지 가정하고 있을 뿐인 것이다.

Hamiltonian

해밀토니안은 시스템의 전체(운동 및 잠재) 에너지에 해당하는 연산자(operator)이다. 그들의 우주에서 해밀토니안은 0과 같다고 가정한다. 즉 태초에는 아무런 에너지도 없다고 가정한다. 그들의 접근법은 물리학의 현재 법칙을 사용하도록 가정한다. 또한 분석은 존재하는 '기존' 상태에서만 적용되며, 스케일 인자는 시간에 따라 다르며, 항상 0이 아니라고 가정한다.

기존 물리학에 대한 호소는 거기에서 끝나지 않는다. 버블 우주가 실제 우주로 어떻게 폭발했는지를 이해하기 위한 안내가 추가로 필요하다. 이것은 비상대론적 입자물리학(nonrelativistic particle physics)과 평평한 시공간(flat space-time)에서의 양자장론(quantum field theory)과 유사한, 데이비드 봄의 양자이론(Bohmian quantum theory)에서 유래한 것이다. 궁극적으로 이것은 버블이 기하급수적으로 팽창함에 따라, 양자 전위가 어떻게 변하는지를 알려준다.

그러나 우리와 같은 우주가 창조주 없이, 자연적 과정으로, 스스로 존재하게 되기 위해서는, 이미 존재하고 있던 양자 진공이나 준안정 진공에서부터가 아니라, 무에서부터 공간과 시간과 물질과 에너지를 만들어내야 할뿐만 아니라, 물리법칙도 스스로 만들어내야 한다. 그들의 접근에도 불구하고, 우주의 출현은 여전히 미리 있었던, 지적인 존재나 힘을 요구하는 것이다.

의심할 여지없이 이 문제에 대한 해결책은, 무한한 수의 우주들이 있는데(다중우주), 우리의 우주는 우연히 진공으로부터 출발할 수 있었던, 그리고 물리법칙이 적용될 수 있었던, 운 좋은 하나의 유일한 우주였다고, 확률론적으로 설명하는 것이다. 그러나 이것은 그 문제를 해결하지 못한다. 왜냐하면, 이 우주를 설명하기 위해서 사용된 모든 법칙들이, 또한 존재하는 다른 우주들의 물리법칙을 설명할 수 있다고 주장할 수 없기 때문이다. 우리의 물리법칙을 사용하여, 그곳의 물리법칙을 전혀 알지 못하는 다른 우주를 설명하는 것이 정당할 수 있을까? 그리고 다른 물리법칙을 가진 다른 모든 우주들을 만들어내는 데에, 우리의 현행 물리법칙을 사용할 수 없다. 그것은 물리학의 선택에 있어서 일종의 말름퀴스트 편향(Malmquist bias) 이다.9

다른 사람들은 이 우주의 최초 원인에 대한 문제의 해결책은 다음과 같이 제안하고 있다.10 :

”우주는 4차원의 '벌크 우주(bulk universe)'를 통해 떠다니는 3차원 '막'이다.”

그들은 우주가 어떻게 시작되었고, 왜 시작했는지 설명하기 위해서, 고차원 이론과 끈 이론(string theory)을 호출한다. 이것은 우리가 현재 알고 있는 것과, 실험적으로 실험할 수 있는 것을 넘어서는, 새로운 물리학에 호소하고 있는 것이다. 그것은 더 높은 차원과, 가상의 과거와 공간에서 발생하는 것을 이야기하기 때문이다.

이러한 시도는 11차원(어떤 것은 심지어 28개 차원)과 같이 많은 차원의 (끈 이론의 한 형태인) M 이론(M-theory)으로 제안되어 왔다. 유명한 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)는 M 이론에서 'M'은 '괴물(monstrous)'을 의미한다고 말했다. M 이론과 그 사촌인 끈 이론은 물리학이 아니라, 수학이다. 그리고 이것들은 실제 세계에서 예측력도 부족하고, 시험해볼 수도 없다. 이것은 빅뱅(비성경적인 사건 순서를 갖는) 이론이 최초 원인을 필요로 하기 때문에, 원인이 없는 원인을 찾기 위한, 지푸라기라도 잡기 위한 시도처럼 보인다.

끈 이론은 지난 40년 동안 단 한 번의 실험적 테스트도 없이, 또는 그 예측을 입증할 어떠한 천문학적 관측도 없이, 주장되어 왔다. 나는 한때 제임스 게이트(James Gates, 메릴랜드 대학의 물리학 교수이자 소립자/끈 이론 센터의 책임자) 교수에게, 끈 이론에 대한 검증 가능한 테스트가 전혀 이루어지지 않았던 것에 대해 물어봤었다. 그는 그렇다고 말하면서, 지난 40년간의 삶을 낭비한 것 같다고 대답했다.

그러면, 우주가 폭발한 원인은 무엇인가? 앨런 구스는 말한다11 :

”우리가 그것을 빅뱅 이론이라고 부르고 있는 사실에도 불구하고, 아… 빅뱅에 대해서는 절대적으로 아무것도 말할 수 없다. 아… 무엇이 폭발했는지, 왜 폭발했는지, 폭발을 일으킨 원인이 무엇인지, 우리에게 알려주지 않는다. 아… 그것은 설명조차 되지 않는다. 빅뱅 직후에 즉각적으로 어떤 상황이 왔는지 예측할 수도 없다.”

폴 데이비스(Paul Davies)는 다음과 같이 덧붙였다12 :

”우주를 만들 수 있는 물리법칙이 스스로 만들어졌다는 것은, 우주가 마술사에 의해서 만들어졌다는 것보다 훨씬 더 인상적인 것이다. 물리적 존재의 기초에 의미나 목적이 있다면, 우리가 주의를 기울여야하는 것은 빅뱅보다는 오히려 그 물리법칙들이다.”

과학계의 엘리트들에게 새로운 종교가 유행하고 있는 것이다. ”피조물을 숭배하라”

유신진화론자들과 같은 어떤 크리스천들은 성경의 창조주 하나님이 빅뱅(big bang)을 일으키신 분이라고 주장한다. 하나님이 빅뱅으로 이 세계의 창조를 시작하셨다는 것이다. 그러한 생각은 하나님을 빅뱅 후에는 많은 일들을 하지 않으시는, 매우 무능한 신으로 전락시키는 것이다. 그들은 하나님을 일종의 ‘간격의 신(god of the gaps)’으로 제안하고 있는 것처럼 보인다. 현대의 빅뱅 우주론은 창조주 없이 이 우주를 설명해보려는 시도이다. 거기에 신은 없다. 그러므로 우주는 물리적 암흑(암흑물질의 도움으로, 은하들이 만들어지기 이전 재이온화 시대 이전의 암흑시대. 그림 1 참조)에서 시작했을 뿐만 아니라, 어떠한 창조주도 없는 영적 암흑에서 시작했다고 추정하는 것이다.

빅뱅 이론 지지자들의 기술적 논문과 전문적 지식으로 믿음이 흔들리거나, 유혹되지 마라. 반복적인 실험을 할 수 없다는 측면에서, 그것은 과학이 아니며, 모델들도 실제 현실을 확실히 설명하는 것이 결코 아니기 때문에, 매우 취약한 것이다. 그들의 주장은 그냥 그럴듯한 소설에 불과한 것이다. 그림 1은 빅뱅 우주론이 말하고 있는 이야기를 보여주고 있지만, 그것은 우주가 시작된 이후의 이야기만을 말하고 있을 뿐이다. 우주는 어떻게 시작되었는가?

성경 창세기 1장은 우주의 창조주는 하나님이시라고 설명하고 있다.(시편 19:1 참조). 그 분은 천지만물의 모든 것들을 창조하셨다. 하나님은 빛과 어둠을 나누셨는데, 이것은 물리적 의미와 영적 의미를 모두 갖고 있다. 창조 이후에의 암흑은 사악한 천사들과 하나님의 말씀에 불순종한 인간들을 상징한다. 창조주는 우리 각 개인을 찾아오시고 만나주시는 하나님이시다. 그분은 스스로 계셨던 분이시고, 영원부터 항상 계셨던 분이시고, 우주 창조의 제1 원인이시다. 우리는 그 분의 말씀을 신뢰할 수 있다. 왜냐하면 그분은 결코 거짓말을 하지 않으시는 분이기 때문이다.(민 23:19, 딛 1:2). 하나님은 특별한 역사적 순서를 가지고서 이 우주를 창조하셨다. 그 순서는 빅뱅 우주론과 다르다. 그리고 그 설명과 모순되는 우주에서의 관측은 아무것도 없다. 하나님은 거짓말을 하지 않으시는 분이기 때문에, 나는 그 분을 믿는다.

참고 문헌및 메모

  1. D. He, D. Gao, and Q-yu Cai, Spontaneous creation of the universe from nothing, Physical Review D, 89, 083510 (2014); arxiv.org/pdf/1404.1207v1.pdf. 텍스트로돌아 가기.
  2. See medium.com/the-physics-arxiv-blog/ed7ed0f304a3. 텍스트로돌아 가기.
  3. The expansion is not considered amongst cosmologists to be an explosion; more on that is planned in a later article. The CMB radiation is claimed as a prediction of the big bang model, though it is now acknowledged that McKellar measured it in 1941 before Gamow made his prediction (at a temperature of 5 K) in 1948 and before Penzias and Wilson discovered it again in 1964/1965 (at 3 K). Robert Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll, and D. T. Wilkinson interpret this radiation as a signature of the big bang. In 1952 Gamow predicted a temperature of 50 K (See A. McKellar, J. Kan-Mitchell, P.S. Conti, (1941). 'Molecular Lines from the Lowest States of Diatomic Molecules Composed of Atoms Probably Present in Interstellar Space”, Publication of the Dominion Astrophysical Observatory (Victoria, BC) 7(6): 251–272. Gamow, G. (2004) [1961], The Creation of the Universe, Courier Dover Publications, New York, p. 40, 1961, 2004. 텍스트로돌아 가기.
  4. A later article is planned to deal with the issue of the expansion of space. 텍스트로돌아 가기.
  5. This is often claimed as a prediction of the big bang nucleosynthesis theory. 텍스트로돌아 가기.
  6. Ref. 1. 텍스트로돌아 가기.
  7. Davies, P., Is the Universe a free lunch?, 3 March 1996; independent.co.uk. 텍스트로돌아 가기.
  8. The Hartle and Hawking No-Boundary Proposal, web.uvic.ca. 텍스트로돌아 가기.
  9. Malmquist bias is an effect in observational astronomy which leads to the preferential detection of intrinsically bright objects. The parallel is that if humans are able to describe the laws in another universe they are naturally biased to use our current laws to describe them. But if there is no God and those universes were randomly created with arbitrary laws why would our laws work in any sort of a description? The theorist has no choice and can only see those universes through our current laws of physics. 텍스트로돌아 가기.
  10. Has the Big Bang theory been busted?, 18 September 2013, news.com.au. 텍스트로돌아 가기.
  11. Alan Guth, Victor F. Weisskopf Professor of Physics at MIT, 'Before, Meanwhile and After the BIG BANG—(M-Theory)”, youtube.com/watch?v=HOkAagw6iug, 11 September 2007. 텍스트로돌아 가기.
  12. Ref. 7. 텍스트로돌아 가기.