우주의 시작? 빅뱅의 원인?

관측사실을 바탕으로 현재 우리와 인과적으로 연결된 부분우주(local patch)는
팽창하고 있으며 소위 빅뱅(big bang) 이론과 인플레이션(inflation)이론으로
현상을 설명할 수 있음을 알고 있다. 이것이 20세기에 이루어 놓은 우주론에
대한 성과의 핵심이다.

우리는 빅뱅의 시작에 대해 궁금해 할 수 있다. 빅뱅의 시작은 어떠했을까?
그 물리적 매커니즘은 무엇이었고 당시의 물질들은 어떤 것들 이었고, 에너지는
어떤 형태를 띠고 있었을까?

여기서 한가지 짚고 넘어가야할 문제가 있다. 그것은 '빅뱅의 시작'에 대한
논의가 '우주의 시작'에 대한 논의와 엄밀하게 말해 분리된다는 것이다.
빅뱅의 시작은 다른 말로하면 '우리가 속한 local patch의 팽창의 시작' 으로
바꾸어 생각할 수 있다. 우리가 속한 이 부분우주가 전체우주와 동일하지
않을 가능성은 얼마든지 있다. 물론 동일할 수도 있다. 여기서 중요한 것은
이것이 동일하든 동일하지 않든 부분우주의 물리학만이 우리에게 인과적으로
의미가 있다는 것이다. 이것이 현재 물리학이 우리에게 가르쳐주는 교훈이다.

빅뱅의 시작에 대해서 다양한 아이디어들이 제시되어왔다. 그 중 한가지인
소위 "Ekpyrotic 우주이론"이 Justin Khoury(1), Burt A. Ovrut(2), Paul J. Steinhardt(1),
Neil Turok(3)등 ( (1)프린스턴 (2)유펜 (3)캠프리지 )의 연구자들에 의해 2001년
제시가 되었다. (그들의 논문)



이 이론에 따르면 빅뱅은 고차원 공간속의 두개의 3차원 막우주의 충돌에서
시작한다. 두 막우주가 충돌할 당히 막의 운동에너지는 열 에너지로 환원되며
쿼크와 렙톤등 물질을 만들어 낸다.

이 이론의 주장은 일단 에너지가 가장 낮은 상태가 자연스럽게 flat metric을
주므로 우주의 밀도가 critical density가 된다는 것이 고전적으로 결정되며
빅뱅당시 온도가 magnetic monopole을 만들 정도로 높지 않기 때문에
애초에 inflation을 도입할 필요가 없어진다는 것이다. 물질 요동에 대해서는
두 막의 충돌당시 양자효과에 의해 자연스레 '먼저' 충돌하는 부분과 그렇지
않은 부분 사이의 밀도요동이 만들어 진다는 설명을 할 수 있게 된다.

그러나 만들어진 물질요동이 인플레이션 없이 균질한 현재의 우주 모습으로
진화하기 위해서는 상당한 "fine tuning"이 요구된다. (Linde의 비판에 대해서는
여기를 보라)
그리고 당연한 비판이 Ekpyrotic 우주모형이 끈이론으로 부터 정확하게
유도될 수 있는지 더 나아가서 끈이론 자체가 옳은지 등의 비판도 있을 수
있다.

아무튼 흥미로운 아이디어라는데는 이론이 없을 듯 하다. 물리적으로 옳은지
아닌지는 별개로.