만약 우주에 처음부터 시작이 없었다면?

태초에, ... 글쎄요, 어쩌면 시작이 없었을지도 모릅니다. 어쩌면 우리 우주는 항상 존재했을지도 모릅니다. 그리고 양자 중력에 대한 새로운 이론은 그것이 어떻게 작동할 수 있는지 보여줍니다.

영국 리버풀 대학교에서 시간의 본질을 연구하는 물리학자 브루노 벤토는 "현실에는 대부분의 사람들이 공상과학이나 판타지와 연관시킬 수 있는 많은 것들이 있다"고 말했습니다.

그의 작업에서 그는 인과 집합 이론이라 불리는 양자 중력의 새로운 이론을 사용했는데, 여기서 공간과 시간은 공간-시간의 이산적인 덩어리로 나뉩니다. 이 이론에 따르면  어떤 수준에서는 공간-시간 의 기본 단위가 있습니다.

벤토와 그의 협력자들은 이 인과 집합적 접근 방식을 사용하여 우주의 시작을 탐구했습니다. 그들은 우주가 시작이 없었을 가능성이 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 우주는 항상 무한한 과거로 존재했으며 최근에야 우리가 빅뱅이라고 부르는 것으로 진화했습니다.

중력의 양자

양자 중력은 아마도 현대 물리학이 직면한 가장 좌절스러운 문제일 것입니다. 우리는 우주에 대한 두 가지 매우 효과적인 이론을 가지고 있습니다. 양자 물리학과 일반 상대성 이론입니다. 양자 물리학은 자연의 네 가지 근본적인 힘 (전자기력, 약력, 강력) 중 세 가지를 미시적 규모까지 성공적으로 설명했습니다. 반면 일반 상대성 이론은 지금까지 고안된 중력에 대한 가장 강력하고 완벽한 설명입니다.

그러나 모든 장점에도 불구하고 일반 상대성 이론은 불완전합니다. 우주의 적어도 두 곳에서 일반 상대성 이론의 수학은 단순히 무너져서 신뢰할 수 있는 결과를 산출하지 못합니다. 블랙홀의 중심과 우주의 시작입니다. 이러한 영역을 "특이점"이라고 하며, 이는 우리의 현재 물리 법칙이 무너지는 공간-시간의 지점이며, 일반 상대성 이론이 스스로를 넘어뜨리고 있다는 수학적 경고 신호입니다. 이 두 특이점 내에서 중력은 매우 작은 길이 척도에서 엄청나게 강해집니다.

따라서 특이점의 미스터리를 풀기 위해 물리학자들은 강한 중력에 대한 미시적 설명, 즉 중력의 양자 이론이 필요합니다. 현 이론 과 루프 양자 중력을 포함하여 많은 경쟁자가 있습니다.

그리고 공간과 시간에 대한 우리의 이해를 완전히 바꾸어 놓는 또 다른 접근법이 있습니다.

인과 집합 이론

모든 현대 물리학 이론에서 공간과 시간은 연속적입니다. 그들은 모든 현실의 기초가 되는 매끄러운 직물을 형성합니다. 그러한 연속적인 시공간에서 두 지점은 가능한 한 공간적으로 서로 가까이 있을 수 있고, 두 사건은 가능한 한 시간적으로 서로 가까이 발생할 수 있습니다.

"현실에는 대부분의 사람들이 공상과학이나 판타지와 연관시킬 만한 많은 요소가 있습니다."

하지만 인과 집합 이론이라고 불리는 또 다른 접근법은 공간-시간을 일련의 이산적인 덩어리, 즉 공간-시간 "원자"로 다시 상상합니다. 이 이론은 사건이 공간과 시간에서 얼마나 가까울 수 있는지에 엄격한 한계를 두는데, 그 이유는 사건이 "원자"의 크기보다 더 가까울 수 없기 때문입니다.

예를 들어, 이 글을 읽는 동안 화면을 보고 있다면 모든 것이 매끄럽고 연속적으로 보입니다. 하지만 돋보기로 같은 화면을 보면 공간을 나누는 픽셀이 보일 수 있고, 화면에 있는 두 이미지를 하나의 픽셀보다 더 가까이 가져오는 것이 불가능하다는 것을 알게 될 것입니다.

이 물리학 이론은 벤토를 흥분시켰습니다. "저는 이 이론을 발견하게 되어 기뻤습니다. 이 이론은 가능한 한 근본을 추구하려고 할 뿐만 아니라 양자 중력에 대한 접근 방식이고 실제로 공간-시간 개념 자체를 재고하는 것일 뿐만 아니라 시간에 중심적인 역할을 하며 시간이 지나가는 것이 물리적으로 무엇을 의미하는지, 과거가 실제로 얼마나 물리적인지, 미래가 이미 존재하는지 여부를 나타냅니다." 벤토가 Live Science에 말했습니다.

시간의 시작

인과 집합 이론은 시간의 본질에 관해 중요한 의미를 갖습니다.

"인과 집합 철학의 큰 부분은 시간의 흐름이 물리적인 것이며, 어떤 새로운 종류의 환상이나 우리 뇌 내부에서 일어나는 일로 인해 시간이 흐른다고 생각하게 되어서는 안 된다는 것입니다. 이러한 흐름은 그 자체로 물리적 이론의 표현입니다." 벤토가 말했습니다. "따라서 인과 집합 이론에서 인과 집합은 한 번에 하나의 '원자'씩 성장하고 점점 더 커질 것입니다."

인과 집합 접근법은 빅뱅 특이점의 문제를 깔끔하게 제거합니다. 왜냐하면 이론상 특이점은 존재할 수 없기 때문입니다. 물질이 무한히 작은 점으로 압축되는 것은 불가능합니다. 즉, 공간-시간 원자의 크기보다 작을 수 없습니다.

그렇다면 빅뱅 특이점이 없다면, 우리 우주의 시작은 어떤 모습일까요? 벤토와 그의 협력자인 임페리얼 칼리지 런던의 대학원생인 스타브 잘렐은 우주의 초기 순간에 대해 인과 집합 이론이 무엇을 말하는지 탐구하면서 주제를 이어갔습니다. 그들의 연구는 9월 24일에 사전 인쇄 데이터베이스 arXiv 에 게재된 논문에 실렸습니다.(이 논문은 아직 심사평가를 거친 과학 저널에 게재되지 않았습니다.) 

벤토는 논문에서 "인과 집합 접근 방식에 시작이 존재해야 하는지"를 조사했다고 말했습니다. "고전적으로 말해서 원래의 인과 집합 공식화와 역학에서 인과 집합은 무에서 시작하여 오늘날 우리가 보는 우주로 성장합니다. 대신 우리의 작업에서는 시작으로서 빅뱅이 없을 것입니다. 인과 집합은 과거에 무한할 것이고, 따라서 항상 그 전에 무언가가 있기 때문입니다."

그들의 연구는 우주가 시작이 없었을 수도 있다는 것을 암시합니다. 즉, 우주는 단순히 항상 존재해 왔다는 것입니다. 우리가 빅뱅이라고 인식하는 것은 이 항상 존재하는 인과 집합의 진화에서 단지 특정 순간일 뿐일 수 있으며, 진정한 시작은 아닐 수 있습니다.

하지만 아직 해야 할 일이 많이 있습니다. 이 시작없는 인과적 접근 방식이 빅뱅 동안 우주의 복잡한 진화를 설명하는 데 사용할 수 있는 물리적 이론을 허용할 수 있는지는 아직 명확하지 않습니다.

"이 [인과적 집합 접근 방식]이 '합리적인' 방식으로 해석될 수 있는지, 또는 그러한 역학이 더 넓은 의미에서 물리적으로 무엇을 의미하는지 여전히 의문을 제기할 수 있지만, 우리는 프레임워크가 실제로 가능하다는 것을 보여주었습니다."라고 벤토는 말했습니다. "적어도 수학적으로는 이것이 가능합니다."

다시 말해, 그것은 … 시작이에요.

원래는 Live Science에 게재되었습니다.

출처: https://www.livescience.com/universe-had-no-beginning-time?fbclid=IwY2xjawGD6hBleHRuA2FlbQIxMAABHWyzx45x8D6snXRXX5CvSArsS-hXVrijVCioGpyOG5VFocNi_4oeHJHV-A_aem_M4u3olOyNcHWms2vDNWAsg