우주론을 천체물리학이라고 말할 수 있을까?

암흑물질: 빅뱅이론의 트릭

촬영 NASA, wikipedia.org

John Hartnett
번역자: 한국창조과학회 (creation.kr)

물리학자들은 어떤 이론의 핵심요소가 정말로 틀렸을 경우, 즉 어떤 이론이 기초부터 한참 잘못되었을 때, 그 이론을 ‘틀릴 수가 없는 이론(틀렸다고 말할 수도 없는 이론)’이라고 말한다. 즉, 어떤 이론은 면밀한 검토과정을 거쳐 그 타당성을 입증 받고 계속 존속되는 반면, 다른 이론은 그렇지 못하고 결국 잘못된 이론으로 거부된다. 그러나 어떤 이론의 경우 그것이 너무나 잘못되고 우스꽝스러워서 처음부터 고려대상에서 제외되기도 하는데, 그때 물리학자들은 그 이론을 ‘틀렸다고 말할 수도 없는’ 이론이라고 표현하는 것이다.

이 말은 초기의 양자 물리학자인 울푸강 파울리(Wolfgang Pauli)에 의해 만들어졌다. 그는 부정확하고 적당히 얼버무리는 사고에 대해서 특히 반대가 심했던 사람으로 알려져 있다¹. 위키백과에 따르면, 만일 한 과학적 주장이 부정확한 것으로 알려진 가정들에 기초하거나, 대안적으로 어떤 것을 예측하곤 해서 잘못임이 입증될 수 없도록 하는 이론은 ‘틀릴 수가 없는 이론&rrquo;이라는 것이다.

이것이 바로 오늘날의 우주론(cosmology)이다. 우주론은 증명할 수 없는 잘못된 가정들에서 출발하고 있기 때문에 본질적으로 틀린 것이 아닐까? 몇몇 용감한 물리학자들은 현 우주론의 지배적인 패러다임인 ‘표준 빅뱅 LCDM 급팽창 우주론(standard big bang LCDM inflation cosmology)² 에 과감히 도전하고 있다.

이들 중의 한 사람이 바로 앨라바마 대학 물리학과 교수인 리처드 리우(Richard Lieu)이다. 리우 교수는, ‘우주론은 심지어 천체물리학도 아니다(Cosmology is not even astrophysics): 우주론의 가장 기본적인 가정들은 실험실에서 증명되지 않은(또는 증명할 수도 없는) 가정들이다’ 라고 말한다. 최근 한 논문에서³, 리우는 ‘우주를 실험하기 위해 우주를 제어하거나 독립적으로 점검하는 것이 불가능하기 때문에, 우주론은 매우 불분명하고 변질될 수밖에 없다’라고 그는 말했다. 그의 분석은 상당히 공정해 보인다. 왜냐하면, 오늘날 우주론자들은 그들의 이론과 결과들을 합리화 할 수 있는 모든 종류의 재료들을 발명해내는데, 그것들은 실험실에서 결코 관측될 수 없는 것들이기 때문이다. 그들은 모르는 것을 설명하기 위해서, 모르는 것을 발명해내곤 편안해 한다.

우주론자들은 보이지 않고 관측되지는 않는 74%의 암흑에너지(dark energy)와 22%의 암흑물질(dark matter)로 채워진 우주에 우리가 살고 있다고 말한다. 그러나 어떤 물질이기에 우리 주위를 둘러싸고 있는 그것을 관측할 수 없는 것일까? 과학자들은 연구실 환경에서 예를 들어 액시온(axion)과 같은 암흑물질의 한 형태, 또는 다른 여러 형태의 암흑물질들을 찾고자 지난 40여 년 동안이나 노력해 왔다.

촬영 NASA, wikipedia.org

그보다 오래 전에, 과학자들은 태양계의 풀리지 않는 동력학 문제였던 수성 궤도의 불일치 문제를 설명하기 위해서, 태양 뒤에 숨어있는 행성 불칸(Vulcan)과 같은 암흑물질을 제안했었다. 그러나 아인슈타인은 그의 ‘일반 상대성 이론’으로 그 문제를 풀었다. 즉, 필요했던 것은 보이지 않는 암흑물질이 아닌 새로운 물리학이었던 것이다. 오늘날도 이와 같은 상황이 아닐까? 암흑물질은 정말로 입증되었는가?(Has dark matter really been proven?)를 보라.

그러나 오늘날도 과거보다 더 빠른 속도로 우주가 팽창되는 것을 추정하기 위해서 암흑에너지를 또한 추정하고 있다. 2004년 5월 30일 Physicsworld.com에 보고된 바에 의하면⁴

‘우주의 2/3를 구성하고 있는 중력으로 서로 반발하는 암흑에너지의 영향으로 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 새로운 증거가 확인되었다는 것이다.

‘우주의 가장 풍부한 에너지 형태가 가장 미스터리하다는 것은 이 세계의 아이러니이다. 우주의 팽창이 가속되고 있다는 새로운 발견 이“후로 암흑에너지”(중력적으로 반발 물질의 일종)가 우주의 2/3를 차지하고 있다는 일관된 관점이 나오기 시작했다.’

오늘날 암흑에너지는 확립된 하나의 사실이 되었다. 그러나 그 증거가 우주 팽창이 가속되고 있다는 것을 확증하는 것일까? 그 에너지는 전 우주에 걸쳐 존재하기 때문에, 특정 실험실 안의 국소적인 공간에서는 관측할 수 없다는 것은 참 아이러니 하다. 이것이 오늘날 우주의 진정한 상태인가? 아니면 이 황제(우주론)는 새로운 옷을 필요로 하는 것은 아닐까?

리우는 ‘천문학적 관측들은 합리적인 의심을 넘어 한 물리 이론을 증명하는 데에 사용될 수 없다&rdsquo;고 말한다. 왜냐하면, 우리는 한 우주 안에 살고 있기 때문에, 반드시 해야할 ‘대조 실험(control experiment)’을 할 수 없기 때문이다. 연구실 안에서 실험을 하듯 우주를 상대로 실험을 하고 그 반응을 통해 이론과 질문들을 테스트하는 것이 불가능하다는 것이다. 우주론자들은 많은 데이터들을 모아 통계 처리를 하고 자신의 주장이 일리 있음을 설명하기 위해 노력하고 있다. 그러나 리우는 ‘실험실 실험의 지지 없이 우주를 하나의 실험실로 사용하여 새롭게 확립된 불멸의 물리 법칙은 터무니없는 것이다’라고 말한다.

그의 논문 테이블 2에서 리우는 우주론자들이 ‘알지 못하는 것’을 설명하기 위해서 ‘알지 못하는 것을 사용하는 다섯 가지 증거를 열거하였다. 그러므로 그들은 진정한 우주물리학자들이 아니라고 그는 말한다. 그러나 여전히 이들 다섯 가지 증거들은 모두 LCDM(Lambda-Cold Dark Matter) 급팽창 모델에 의해서 설명된다고 (그리고 CMB⁵의 경우에서도 예측된다고⁶) 주장된다. 그것들 중 어떤 것도 실험실 실험에 근거하지 않았을 뿐만 아니라, 그러한 방법으로 설명될 수 없을 것으로 보인다. 그것들은 다음과 같다.

1. 우주의 팽창으로 설명하는, 은하들로부터 오는 빛의 적색편이
2. 빅뱅의 잔광으로 설명하는, 우주배경복사(CMB, Cosmic Microwave Background)
3. 암흑물질로 설명하는, 나선 은하들의 회전 곡선⁷
4. 암흑에너지로 설명하는, 가속화되는 우주에서 예상하는 것보다 희미한 원거리의 초신성
5. 급팽창(Inflation)으로 설명하는, 우주의 평탄성(flatness)과 등방성(isotropy)⁸

실험가로서 나는 소위 ‘우주론 실험’에서 사용되는 표준은 나의 실험실 검열을 결코 통과하지 못할 것이라고 단언할 수 있다. 그럼에도 불구하고 오늘날의 사람들은 우리가 ‘정밀 우주론(precision cosmology)’의 시대에 살고 있다고 말한다^9,10,11.

최근 막스 테그마크(Max Tegmark)는 말했다… ‘30년 전쯤에 우주론은 철학과 형이상학의 중간 어디쯤에 있는 학문으로 널리 취급되었습니다. 당신은 여러 캔의 맥주를 놓고 우주에서 무슨 일이 있어났는지 생각해 보다가 그냥 집에 돌아가야 할 것입니다. 왜냐하면 실제적으로 할 수 있는 일이 아무 것도 없기 때문입니다.’ 그러나 오늘날 우주의 초기부터 현재까지 우주가 어떻게 진화되어 왔는지에 관한 큰 그림이 거의 정립되었다는 것이다.¹⁰

만약 리우가 제시한 다섯 가지 중 어떤 것도 ‘알려진 것’으로 설명되는 것이 아니라면, 어떻게 그것이 사실이 될 수 있는 것일까? ‘모르는 것’을 ‘진실에 거의 근접했다’고 말함으로서, 사람들은 그것을 교묘하게 설명해 왔다. 나는 노벨상 수상자인 스티븐 추(Steven Chu)가 2005년 캔버라에서 열렸던 호주 물리학회(Australian Institute of Physics National Congress at ANU) 중 수많은 고등학생들에게 했던 연설을 기억한다. 그는 몇 가지 세부 사항을 제외하고 우주에 관한 거의 대부분이 밝혀졌다고 말했다. 그 세부 사항들 중에 하나는 암흑에너지와 암흑물질인데, (주장되는 바에 따르면) 그것은 우주를 이루고 있는 물질의 96%를 차지한다. 호머 심슨(Homer Simpson)은 말했던 것처럼, 그것은 ‘Duh’ (어리석거나 바보스러운 행동에 사용하는 말) 이다!

그 다음에 리우는 LCDM 급팽창 우주론의 몇 가지 반대 증거들을 나열했다. 그것들은 모두 가장 수준 높은 천문학 저널들에 게재되었거나 게재되고 있는 중이다. 그것들은 다음과 같다.

1. 은하 성단(이 안에도 또한 거대한 암흑물질 문제가 있다)의 수 밀도 변화 곡선(number density evolution curve)은 LCDM 예측과 통계적으로 7σ 정도 일치하지 않는다. (σ = 표준편차).
2. LCDM 모델로 예측되는 바리온(baryons)의 단지 50% 정도만¹² 낮은 적색편이에 존재하는 것처럼 보인다. 이는 잃어버린 바리온(missing baryon) 문제로 불린다.
3. 성단에서 나오는 부드러운 X-선의 과다 방출을 설명하지 못한다. 예를 들어 Abell 3112가 있다.
4. HST 데이터를 이용하여 서로 독립적인 분석을 한 허블상수 값은 불일치한다. 즉 샌디지(Sandage) 등이 결정한 허블상수 값은 H0 ≈ 62 km/s/Mpc 이고, 프리드만(Freedman) 등이 결정한 허블상수 값은 H0 ≈ 70 km/s/Mpc 였다.
5. 우리 은하와 같은 국소적 은하 그룹이 너무 많은 물질을 지니고 있는 것처럼 보인다.
6. WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)에 의해 탐지된 매우 희미한 SZE(Sunyaev-Zeldovich effect).¹³ 배경 근원(background source)으로부터 예측되는 전경(foreground)에 어떤 그림자 배역(shadow cast)이 없다. 이는 여러 사람들에 의해 각각 31, 100개의 두 세트의 성단에서 검증되었다.¹⁴
7. CMB 8극자와 4극자 팽창에서 ‘악의 축(Axis of Evil)’이라는 용어는¹⁵ 은하의 HI 구름(HI clouds)과 연관되어 있는데, 여기서 리우는 주요한 음향 최대점(acoustic peak)¹⁶ 에서 WMAP 비등방성의 상당한 단편(fraction)은 우주론적이지 않다고 결론짓고 있다.
8. 왜소 은하(dwarf galaxy)의 회전 곡선. 자료들은 일정한 밀도를 갖는 중심을 가리키는 반면, LCDM 할로(halo) 분석은 최대 밀도를 갖는 중심(central cusps)을 가리킨다.

이러한 증거들은 LCDM 보다 다른 우주론 모델과 더 잘 들어맞는다. 그러나 어떤 모델도 이러한 증거들을 모두 만족시키지는 않는다. (리우의 그림 3에서 제시하는 다른 두 모델과의 비교와 논문의 세부 내용을 보라).

또한 WMAP 분석 자료들 사이의 불일치 문제가 남아 있다. WMAP를 연구하는 NASA 연구진들은 왜 1년 동안의 관측 자료들로부터 비등방성 데이터(anisotropy data)¹⁷ 지도를 계속 보여주지 않는 것일까? 그것은 분명히 비등방성이 우주적인지 아닌지를 판가름하는 좋은 자료가 되기 때문일 것이다. 만약 우주론적이라면, 노이즈 레벨(noise levels)은 시대에 걸쳐 고정되었고, 1년 동안 국소적 효과에 의해서 영향받지 않을 것이다 (그 차이는 전 우주에 걸쳐서 평균 제로가 되어야 한다.). 나는 2006년 9월 25-29일, 캘리포니아 Lake Tahoe에서 열린 COSMO 06, ‘The International Workshop on Particle Physics and the Early Universe’에서 WMAP2와 WMAP3의 ‘차이 분포도(difference map)’가 발표된 것을 듣게 되었다. 분명히 그것은 상당한 혼란을 가져왔다. 대부분의 차이 분포도 영역에서는 매우 작은 정도의 온도변화를 가지는 반면, 5%에 달하는 직사각형 영역에서 매우 큰 온도변화가 보이고, 중심에서는 가장 큰 온도 변화를 갖는 것이 발표되었다. 이것은 은하에서 나오는 효과를 분석하는 과정의 오류이거나(높은 주파수 영역에서는 최소가 된다), 또는 그 효과가 우주론적이지 않고 단지 지구 가까이서 나오는 어떤 효과일 수 있다. 그 학회의 한 참가자는 말했다. &lsquo…중들은 암흑물질을 방어하기 위한 변명과 임시방편의 대처에 대해 비난하기 시작했고, 발표자는 그것이 그의 준비된 발표의 일부분이 아니었다고 주장했다. 그 분위기란 마치 이랬다. 이제 그만 하라. 모든 데이터들을 그럴듯하게 보이도록 만들어서 원하는 결과를 얻을 수 있도록 하는 것을 우리는 알고 있다.’¹⁸

우주론자들은 잘못된 그리고 증명할 수 없는 가정들에 근거한 모델에 기초하여 그들의 믿음을 고수하며, 그들이 계획한 목적을 이루었는지 모른다. 그러나 그것은 그들의 이론에 반하는 증거들은 채택될 수 없는, 물이 새는 양동이와 같은 것이다.

독립적으로 시험될 수 없는 모델에 의해서 우주의 역사가 결정될 수는 없다. 빅뱅 우주론(Big Bang cosmology)은 140억 년 전에 무로부터 스스로 우연히 생겨났다는 믿음을 가진 사람들의 마음속에서 증명된 것이다. 나는 성경적 큰 그림이 더욱 믿을만하다고 생각한다. 오직 우리에게 남겨진 것은 세부 내용을 채우는 일이다.