주요 내용

우주의 종말을 통해서 바라본 우주와 우리
우리는 우주가 빅뱅으로 탄생했다는 사실을 알고 있고 우주가 현재의 모습에 이르게 된 과정도 어느 정도 이해하기 시작했다. 그러나 우주가 언젠가는 종말을 맞이할 거라는 생각은 해본 적이 많지는 않을 것이다. 소셜미디어와 강연을 통해서 적극적으로 대중과 소통해온 천체물리학자 케이티 맥은 우주가 언제라도 종말을 맞을 수 있다는 천문학 교수의 이야기를 듣고 천체물리학계에 발을 들였다. 그는 스티븐 호킹의 이론에 매료되어 그의 이론을 깊이 연구했고, CERN의 연구 시설을 직접 방문하여 우주를 연구하는 수많은 학자들을 만나 의견을 나누면서 우리 우주가 맞이할 종말이 과연 어떤 모습일지를 파고들었다. 그는 이 책에서 가장 가능성이 높은 다섯 가지 우주 종말 시나리오―빅 크런치, 열 죽음, 빅 립, 진공 붕괴, 바운스―를 소개하고, 각 시나리오가 토대로 하고 있는 우주론의 개념들도 상세하고, 재치 있게 설명한다. 최신의 과학적 연구를 바탕으로 우주의 종말을 논하는 이 책은 우리의 현재를 알려줄 뿐만 아니라, 과학이 앞으로 나아갈 미래에 관한 전망도 제시한다.

우리의 우주를 소개합니다
빅뱅에서부터 지금까지의 우주의 여정
우주는 광활하고 아름답다. 우리는 밤하늘을 올려다보는 것만으로도 우주를 관찰할 수 있다. 다만 밤하늘에 가득한 별들은 모두 과거의 모습이다. 빛은 엄청나게 빠른 속도로 이동하지만, 빛이 아주 먼 거리를 이동하는 데에는 그만큼 시간이 걸리기 때문이다. 밝은 달은 1.3초 전의 과거이고, 우리가 보는 태양은 8.3분 전의 과거이다. 이렇듯 우리는 먼 거리의 별들을 관찰하여 과거를 볼 수 있다. 그렇다면 빅뱅이 일어났던 처음의 우주는 어떨까? 다시 말해서 빅뱅을 볼 수 있을까? 정답을 말하자면 우리는 빅뱅을 볼 수 있다. 빅뱅을 처음으로 본 사람은 아노 펜지어스와 로버트 윌슨이다. 이들은 벨 연구소에서 전파 망원경을 이용하여 연구를 하던 중에 망원경에서 감지되는 희미한 잡음을 들었다. 이 잡음을 없애기 위해서 망원경의 전선을 모조리 점검하고 비둘기들도 내쫓았지만, 그래도 잡음은 계속되었다. 그리고 그들은 이 잡음이 우주에서 오는, 우주가 빅뱅 이후에 아직은 뜨거웠던 시기의 흔적, 즉 우주 배경 복사라는 사실을 알게 되었다.
우리는 빅뱅이 폭발이라고 생각하곤 하지만, 사실 빅뱅은 폭발이 아니라 급격한 팽창이다. 그것도 플랑크 시간이라는 아주 짧은 시간에 일어난 사건이다. 몹시 밀도가 높고 불타오르던 우주는 한순간에 팽창하는 인플레이션 시기를 거쳐, 오늘날 우리가 알고 있는 물리학에 가까운 법칙들의 지배를 받는 쿼크 시대를 맞았다. 이후 양성자와 중성자가 만들어졌고, 빅뱅 핵합성이라고 불리는 과정을 통해서 원소들이 만들어졌다. 시간이 흐르고 우주가 팽창을 계속하자 모든 복사와 물질들이 멀어지면서 공간이 생겼다. 이 공간에 생긴 미세한 밀도의 차이가 물질을 서로 뭉치게 하여 지금 우리가 알고 있는 은하, 항성, 행성, 그리고 우리를 만들었다. 우주에 시작이 있듯이, 언젠가 우주도 끝을 맞을 것이다. 과연 우주는 어떤 모습의 종말을 맞이할 것인가?

우주 종말에 관한 다섯 가지 시나리오
우주가 다시 수축한다고? : 빅 크런치
우주는 계속해서 팽창하고 있다. 그것도 가속 팽창을. 그렇다면 만약 우주가 팽창을 멈추고 다시 수축한다면, 어떤 일이 벌어질까? 중력이 우주의 팽창 속도를 늦추고 다시 모든 것을 안으로 당기려고 한다면, 우리는 이것을 어떻게 알 수 있을까? 우주가 빅 크런치를 맞을 운명이라면, 먼저 빨랐던 팽창 속도가 이내 엄청나게 느려지는 상황을 목격할 수 있을 것이다. 그리고 우리의 이웃 은하들이 우리에게 서서히 다가오는 듯 보일 것이고, 아마 우리 은하와 이웃 은하가 충돌할지도 모른다. 은하들이 가까워지고 서로 자주 충돌하면서 우주는 대혼돈에 빠질 것이고, 초거대질량 블랙홀의 중력 상호작용이 더욱 격렬해지면서 엄청난 에너지가 분출될 것이다. 그리고 우주는 빅 크런치를 맞아 내부 붕괴될 것이다.

엔트로피여, 영원하라 : 열 죽음
만약 우주가 계속 팽창한다면, 우주는 어떻게 될까? 팽창이 지속되는 우주의 종말을 이해하기 위해서는 엔트로피를 알아야 한다. 엔트로피는 일반적으로 무질서의 맥락에서 설명할 수 있는데, 엔트로피는 시간이 흐를수록 상승하므로 무질서해진다고 할 수 있다. 즉 우주가 계속 팽창하면서 우주에 빈 곳이 더 많아지면 에너지는 점차 흩어진다. 에너지가 흩어지면 우주에서는 아무 일도 일어날 수가 없다. 모든 물질들 역시 뭉치지 못하고 흩어져버린다. 그리고 우주는 너무나도 고요한 종말을 맞을 것이다.

갈기갈기 찢어지는 우주 : 빅 립
우주가 가속 팽창을 한다는 사실 때문에 과학자들은 우주에 우리가 모르는 어떤 것이 존재한다고 생각하게 되었다. 그 무엇이 바로 암흑 물질과 암흑 에너지이다. 암흑이라는 이름은 어두워서가 아니라 이것이 빛과는 어떤 작용도 거부하기 때문에 붙여진 이름이다. 우리는 빛을 통해서 우주를 볼 수 있으므로, 빛과의 작용을 거부하는 암흑 물질과 암흑 에너지는 과학자들이 연구하기가 지극히 어려운 대상이다. 암흑 에너지의 성질은 우주의 종말에 결정적인 역할을 할 것이다.
빅 립은 매듭을 푸는 것에 비유할 수 있는데, 그 시작점은 우주의 가장 크고 성긴 마디인 은하단이다. 은하단의 은하들이 점점 멀어지고, 은하들도 빠르게 흩어진다. 이후에는 항성과 행성들도 궤도를 이탈하여 점차 거대한 암흑으로 사라지고, 우주는 고요해진다. 그러나 이후에 우주의 구조물들은 팽창하는 압력에 시달리다가 더 이상 견디지 못하고 폭발하고 만다. 뿐만 아니라 우주를 구성하는 모든 물질들이 산산이 부서지고, 결국 분자가 원자로, 원자가 다시 원자핵으로 점점 더 부서지면서 우주 공간을 이루는 망 자체가 찢기며 우주는 종말을 맞는다.

빛보다 빠른 우주의 종말 : 진공 붕괴
진공 붕괴로 인한 종말은 말 그대로 진공 상태가 붕괴하는 것이다. 입자에 질량을 부여하는 힉스 장은 전자의 전하, 입자량 같은 근본적인 자연의 상수들을 결정하는데, 이처럼 힉스 장이 건재한 상태를 힉스 진공 또는 진공 상태라고 부른다. 진공 붕괴는 지금의 힉스 장의 값이 진짜 진공이 아니라 가짜 진공이고, 만약 양자 터널 효과나 양자 요동으로 인해서 힉스 장의 장벽이 무너진다면, 모든 것이 빠르고 깔끔하며, 고통 없이 완전히 파괴된다는 시나리오이다. 어떤 사건으로 촉발되든 진짜 진공이 시작된다면, 그 무엇도 그것을 막을 수 없다. 진공 붕괴는 빛보다 빠른 속도로 일어나기 때문에 우리는 무슨 일이 일어났는지를 알아채기도 전에 사라질 것이고, 우주도 작별을 고할 것이다.

반복 또 반복 : 바운스
2015년 9월 14일 오전 9시 50분 45초(UTC)에 처음으로 중력파가 탐지되었다. 중력파의 감지에 이토록 오랜 노력이 들었던 것은 중력이 너무나도 약하기 때문이다. 그래서 과학자들은 중력이 실제보다 약해 보이는 것일지도 모른다고 생각했다. 즉 과학자들은 또다른 차원으로, 즉 우리 우주보다 더 큰 차원으로 중력이 새어나가기 때문에 중력이 이상하리만큼 약한 것이라고 주장했다. 우리 우주를 담고 있는 더 큰 차원이 존재한다면, 다른 우주들도 존재할 가능성이 있다. 이 우주들은 서로 멀어지다가 마주 치고, 반동 즉 바운스를 일으켜 모든 것을 파괴하고 우리 우주를 종말로 몰아넣으며 새로운 빅뱅을 시작할 것이다.

제1장 우주를 소개합니다
제2장 빅뱅부터 현재에 이르기까지
제3장 빅 크런치
제4장 열 죽음
제5장 빅 립
제6장 진공 붕괴
제7장 바운스
제8장 미래의 미래
제9장 에필로그

감사의 말
역자 후기
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