우자가 무한하다면? 빅뱅이론

오늘날 가장 널리 알려진, 또 과학자들이 믿고있는 우주론 중 하나는 빅뱅이론이에요. 137억년 전 무에서 알 수 없는 폭발로 인해 급속도록 

팽창을 하여 오늘날에 이르렀다는 이론이라는 것은 어느사람들도 알법한데, 이 이론을 잠시 생각해보면 우주가 마치 끝이 있는, 

즉 유한하다는 의미를 내포하고있음을 알 수 있어요. 하나의 점에서 폭발로 커진다면 우주가 농구공크기만할 때도 반드시 존재했을 것이고, 

이 농구공 크기라는 것은 크기를 잴 수 있는거기 때문에 그당시 사람이 살았다면 유한하다고 결론내릴 수 있겠죠?

그렇지만 현재 우리는 지금의 우주가 워낙 커서 유한한지, 무한한지 그것을 가늠할 수 없는 형편이에요.

과연 진실이 밝혀지는 날이 오기는 할까요? 둘중 어느쪽이 진실일까요?

 

 

 

만약 우주가 크기를 갖고있다면, 즉 우주가 유한하다면 별에서 나온 빛은 우주를 몇 바퀴 뱅 돈 후에 우리 망원경에 도달할 수도 있어요. 두 평행한 거울이 

반복되는 상을 만든 것처럼 공간을 주기적으로 가로지르는 빛도 은하와 별의 이미지를 반복적으로 만들어내겠죠. 하지만 현재까지 이러한 

다중영상을 발견한 사례는 없어요. 그렇다고해서 우주가 무한하다는 말은 아니에요. 우주가 너무 커서 그 빛이 아직 우리 망원경에 도달하지 않은

것이라고 말할 수도 있으니까요. 이말은, 유한한 우주는 규모가 클수록 자신의 몸집이 무한대인 척 위장하기가 쉽다는뜻이겠죠.

 

 

다중영상이 보여야하지만 그러한 사례가 현재까지 없다.

만약 공간이 유한이라고 한다면, 우리는 공간이 수축되는 상황을 머릿속에서 상상해볼 수 있어요. 위에서 언급한것처럼 시간이 0에 가까웠을 때,

즉 우주가 탄생하는 그 순간에 가까웠을 때, 우주가 아주 작은 점이었다는 가정은 수학적으로 아무런 하자가 없어요. 현재 우주가 팽창하고있기 때문에

시간을 거꾸로 돌리면 수축하게 되며, 그 시간이 0에 가까워졌을 때 아주 작은 점이었다는거죠. 하지만 공간이 무한이라고 하면 얘기가 달라지죠.

지금 우주의 크기가 무한대라면 과거에도 무한대였고 미래도 무한대가 되요. 즉 우주는 과거에도 존재해왔고 앞으로도 영원히 존재할 거에요.

무한대의 우주가 오그라들면 그 안에 있는 천체는 서로 가까워지면서 밀도가 한없이 커지겠지만 그래도 공간은 여전히 무한대에요. 

무한히 큰 우주가 반으로 줄어들었다고해서 유한해질까요? 아니죠 계속 무한이죠. 1억분의 1로 줄어든다면? 그래도 여전히 무한대에요. 마찬가지로

무한히 큰 우주의 시간을 거의 0으로 되돌린다고 해도 공간은 여전히 무한대인거죠.

자 지금부터 우주가 무한하다면 가능할 일에 대해 알아보죠!

 

 

여러분들이 지금 카드놀이를 하고있다고 하죠. 트럼프 카드의 한 세트는 52장이에요. 우리는 이 카드를 매우 열심히 섞고있어요. 그렇다면 나올 수 있는

배열의 가짓수는 몇개가 될까요? 경우의 수에 대해 조금 공부한 게이들이라면 금방 그 답을 52!이라고 자신있게 대답할 수 있을거에요.

(모르는 사람들을 위해 잠시 설명하면 제일 앞에 올 수 있는 카드의 경우가 52가지, 그 다음에 올 수 있는 카드의 경우가 51가지...  중략...  마지막에 올 수 

있는 경우가 1가지 해서 52*51*50*......*2*1이지. 이를 52!(팩토리얼)이라고 불러요)

이 값을 계산하면 8*10^68이라는 어마어마한 수가 나오지만 무한히 큰 수는 아니에요. 만약 사람들이 수없이 많이 카드를 섞어서 섞은 횟수가

8*10^68번이 넘었다고하면 8*10^68+1번째 섞은 카드 배열은 이전에 만든 모든 배열 중 어느하나와 반드시 겹치게 되요. 시행횟수를 무한히 늘린다면?

각각의 경우의 수 역시 무한히 나오겠죠.

이 개념이 바로 무한우주론의 기본이자 핵심개념이라고 볼 수 있는데,

 

 

이 경우를 우리 우주에 적용시켜보죠. 무한히 큰 우주의 대부분 영역은 우리 시야를 벗어나있어요. 우리가 눈으로 볼 수 있는 우주의 크기는

반지름 약 137억광년 정도의 구야. 우주가 137억년 전에 탄생했을 때 빛이 나왔다고 하면 제아무리 멀리가봤자 137억광년이기 때문이죠.

빛이 자기 속도를 넘는 일종의 타키온같은 물질이라면 모르겠지만 일반적으로 그어떠한 물질도 빛보다 빠르게 이동할 수 없기 때문에 

우리가 볼 수 있는 영역의 한계는 반지름 137억광년의 구 정도이죠.

그래서 이 시야를 벗어나는 천체는 지구로부터 137억광년 이상 떨어진 모든 천체들이에요. 하지만 우주는 팽창하고있기 때문에 결과는 약간 달라져요.

아득히 먼 과거에 어떤 별에서 빛이 방출되어 지구를 향해 머나먼 항해를 시작하는 동안 우주는 가만히있지 않고 계속 팽창을해왔어요.

 

 

 

그렇기때문에 그 빛이 이제 막 지구에 도달했다면 그동안 우주가 팽창해서 현재 눈에 보이는것보다 훨씬 더 멀리 달아나게 되요.

이를 전문용어로 comoving distance라고하는데, 아무튼 이런식으로 계산을하게되면 우리가 볼 수 있는 우주의 크기는 자그마치 반지름이 470억광년이나 되요.

하지만 지구로부터 얼마이상 떨어진 곳은 관측할 수 없는 점은 변함없는 사실이에요. 그렇기때문에 이렇게 먼 천체들을 두고 천문학자들은

"우주지평선(cosmic horizon) 너머에 있다"고 말하죠.

 

 

하지만 이러한 점은 그 멀리있는 천체에서도 마찬가지로 일어나요. 지구에서 방출된 빛은 아직 이 우주지평선 너머로 도달하지 못했기 때문에

거기에 고등생물이 살아서 아주 멀리 떨어진 별의 행성까지 볼 수 있는 망원경을 가지고 있더라도 지구라는 것의 존재는 아예 모르겠죠. 

하지만 이 우주지평선은 단순히 눈에 보이고 안보이는 여부만 결정하는게 아니에요.

우주에 그 어떤물체도 빛보다 빠르게 진행할 수 없어. 이는 대상의 정보도 마찬가지지. 그렇기때문에 두 지점이 너무 멀리떨어져있다면

이들 사이에서는 그 어떠한 영향도 오갈 수 없어요. 즉 이 두지점에 사는 생명체는 서로에 대해 완전히 고립된 채 살아가야하죠.

 

cosmic horizon을 넘어가게 되면 상호간 정보교환이 불가능하다

우주가 매우 크지만 유한하다면 우리는 이 공간을 이러한 유한개의 버블로 나눌 수 있어요. 하지만 우주가 무한하다면?

이렇게 고립된 버블은 무한히 많게 되죠. (여기서 버블은 우리가 관측가능한 우주의 크기를 생각하면 돼.)

이러한 버블 자체는 유한한 공간을 가지고있어요. 그렇기 때문에 이 유한한 공간에서 생길 수 있는 물질 배열의 조합 역시 엄청나게 크지만 그 값은

유한한 값이죠.(엄밀하게 따지기 위해서는 양자역학까지 들어가야하지만 그러면 너무 머리가 아플거에요.)

위에서 살펴본 트럼프카드의 배열과 같이 나올수 있는 경우의 수는 유한한데, 시행 횟수가 무한히 많아지게 되면 각각의 경우는

무한히 나오게 되지요. 즉 무한개의 버블들이 서로 충분한 거리를 두고 반복적으로 배치가 되면 그 개수는 무한하기 때문에 입자배열이 완전히

동일한 버블이 반드시 나오게 되요. 바로 이것이 우주가 무한하다고 했을 때 우리가 내릴 수 있는 결론이에요. 이 버블을 가리켜 평행우주라고합니다.

 

 

우주가 무한하다면 이러한 버블은 무수히 많게된다.

우리가 살고 있는 이 버블에 배열될 수 있는 입자의 가짓수는 약 10^(10^120)개 정도라고 해요. 1 다음에 0이 10^120개 붙어있는 어마어마하게 큰 수죠.

따라서 이 무한한 우주에 지금 시간에 잉여롭게 코를 후비면서 낄낄대는 자신은 대략 10^(10^120)*940억광년 떨어진 저 먼 우주에 동일하게 존재하는거에요.
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하지만 이는 이 버블의 크기가 현재 관측가능한 우주의 크기와 완전히 동일했을 때의 경우이고, 이 버블의 크기를 우리 태양계 만하게 축소시키면

더 가까운 곳에서 우리를 볼 수 있어요. 이러한 우주는 10^(10^100)*940억광년마다 있어요.

 

 

어떤 우주의 지구에서는 고리가 달려있을지도 모른다.

시간이 흐르게 되면 관측가능한 우주의 크기는 점차 커지게 되요. 그만큼 빛이 멀리 나아갔기 때문이죠. 그렇게되면 인접한 두 버블은 겹쳐질 수도 있는데,

이렇게 되면 두 버블은 더이상 고립된 세계가 아니에요. 평행우주가 평행관계를 유지하지 못하고 하나로 합쳐지는거지. 하지만 이런 경우에도

우리는 동일한 결론을 내릴 수 있어요.

이 버블의 간격을 조금 더 넓히면 그만이죠. 그렇게된다 쳐도 우주는 무한히 크기 때문에 이들을 수용하는 데에는 문제가 없을 거에요. 다만 우리와

완전히 동일한 우주는 우리로부터 더 멀리 떨어지겠죠.

이밖에도 다중우주론, 홀로그램우주론, 등등 많은 우주론들이 존재합니다.