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- 아인슈타인은 이미 우주의 순환 모델인 "빅 바운스"를 가능성으로 고려
- 물리학자들은 엔트로피 문제를 해결할 수 있는 모델을 개발하고 있다
- 한 가지 가능한 이론은 루프 양자 중력이다.시공간은 양자화되어 작은 루프 구성.
- 우리 우주가 실제로 어떻게 끝날지는 여전히 미지수다.
- 한 가지 확실한 것은 우리 스스로가 그것을 볼 때까지 살아남지 못할 것

빅 바운스(Big Bounce)
우리 우주는 다시 태어날까?

알베르트 아인슈타인은 이미 우주의 순환 모델인 "빅 바운스"를 가능성으로 고려했다. 그는 "시공간의 반지름이 주기적으로 변하는 경우도 가능하다. 우주는 특정 지점까지 수축한 후, 다시 특정 지점까지 반지름이 증가하고, 다시 수축하는 식으로 반복될 것이다"고 썼다.

본질적으로 이 시나리오는 우주가 장기적으로 수축하다가 결국 붕괴하는 빅 크런치와 유사하다. 하지만 빅 바운스 시나리오는 최종적인 종말이 아니라, 붕괴 후 새로운 빅뱅으로 귀결된다. 물리학자들에게 이 시나리오는 우주의 기원에 대한 의문을 해소해 주기 때문에 특히 만족스러울 것이다. 빅뱅 이전에 이미 이전 우주가 존재했기 때문에 "무(無)"에서 생겨난 것이 아니었다. 

▲ 붕괴 후 새로운 빅뱅이 찾아온다. © MMCD

커피 한 잔 속의 우주

열역학 제2법칙이 없었다면 불가능했을 것이다. 이 법칙은 무질서의 척도인 엔트로피가 폐쇄된 계에서 결코 감소하지 않고 일정하게 유지되거나 증가할 수만 있다고 말한다. 존스 홉킨스 대학교의 물리학자 션 캐럴(Sean Carroll)은 커피 한 잔을 예로 들어 이를 설명한다. 블랙커피에 우유를 부으면 두 액체가 섞이기 시작한다. 처음에는 여전히 선명한 소용돌이와 갈색과 흰색의 대비가 보이지만, 곧 균일하고 밝은 갈색 혼합물이 형성된다. 우유와 커피는 다시는 저절로 분리되지 않는다. 혼합 과정, 즉 엔트로피의 증가는 비가역적이다.

▲ 커피와 우유를 섞으면 시스템의 엔트로피가 증가한다. © PJjaruwan/iStock

순환 우주도 이와 유사하게 작동한다. 새로운 붕괴와 빅뱅이 일어날 때마다 엔트로피는 계속 증가한다. 이는 물질과 복사의 비율을 변화시킨다. "새로운 시작"이 일어날 때마다 이전보다 약간 더 많은 복사가 생성된다. 여러 번의 순환을 거치면서 점점 더 많은 무질서가 축적되어 우주는 마침내 최대 혼합 상태에 도달한다. 그 결과는 다시 한번 우주의 고전적인 열사(heat death), 즉 별이 없는 죽은 우주가 될 것이다.

엔트로피 해결?

그러나 물리학자들은 엔트로피 문제를 해결할 수 있는 모델을 개발하고 있다. 한 가지 가능한 이론은 루프 양자 중력이다. 이 이론에서 시공간은 양자화되어 있으며 작은 "루프"로 구성돤다. 이 루프는 플랑크 길이라고 하는 가능한 가장 작은 단위만큼 크다. 이 루프는 우주 전체에 분포된 양자 네트워크를 형성한다.

핵심은 다음과 같다. 무한한 밀도를 가진 특이점을 가정하는 고전적인 빅뱅 모델과 달리, 루프 양자 중력은 유한한 값만 허용하므로 진정한 특이점을 배제한다. 이 시나리오에서 빅뱅 동안 엔트로피는 물질과 에너지 밀도의 변동에 의해 재설정되어 매번 새로운 초기값을 갖게 된다. 이것이 문제를 해결할 것이다.

이 이론은 빅 바운스(Big Bounce)가 가능하다고 시사한다. 즉, 우주가 스스로 붕괴한 후 중력이 갑자기 반발력을 갖게 되어 새로운 우주가 형성되는 것이다. 하지만 그러한 시나리오는 아직 증명되지 않았다.

따라서 우리 우주가 실제로 어떻게 끝날지는 여전히 미지수다. 하지만 한 가지 확실한 것은 우리 스스로가 그것을 볼 때까지 살아남지 못할 것이라는 것이다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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