Matrix Multiverses Meet Multiple Mythologies

코스믹 샌드박스와 "왜 우리인가?"라는 미스터리

우주를 단 하나의 외로운 무대가 아니라, 거대하게 보글보글 끓고 있는 수프 냄비라고 상상해 보세요. 이 냄비 안에는 수많은 작은 거품들이 생겨나고, 터지고, 합쳐지고 있습니다. 이것이 바로 우주론(cosmology)과 양자 중력(quantum gravity)의 영역입니다. 이 분야들은 가장 거대한 것들(은하와 블랙홀 같은)과 가장 작은 것들(원자와 에너지 같은)이 어떻게 서로 맞물려 있는지 밝혀내려 노력합니다. 오랫동안 과학자들은 특정한 종류의 거품, 즉 '드 시터 우주(de Sitter universe)'에 대해 의문을 품어왔습니다. 이것을 모든 것을 밀어내는 신비로운 에너지로 가득 차서 영원히 팽창하는 거품이라고 생각해보세요. 우리는 정확히 그렇게 작동하고 있는 듯한 거품 속에 살고 있습니다.

중요한 질문은 이것입니다. 이 거품들 내부에서는 어떤 일이 벌어질까요? 이들은 영원히 지속될까요? 스스로를 재설정하는 비밀스러운 '재활용 통'이 있을까요? 그리고 왜 우리의 거품은 별, 행성, 그리고 우리가 존재할 수 있도록 딱 적절한 설정값을 가지고 있는 걸까요? 일부 과학자들은 이 거품들이 너무 특별해서 오직 하나의 가능한 상태만을 가질 수도 있거나, 혹은 결국 '볼츠만 두뇌(Boltzmann brains)'라고 불리는 기이하고 무작위적인 우리의 복제본으로 스스로를 '재활용'하게 될 것이라고 제안했습니다. 하지만 이 새로운 논문은 훨씬 더 거칠고, 혼돈스러우며, 어쩌면 더 논리적인 이야기를 제시합니다. 이 논문은 우리의 우주가 고립된 폐쇄된 방이 아니라, 거대하고 굶주린 블랙홀 안에 살고 있는 작은 거품이며, 이러한 설정이 우주가 왜 지금과 같은 모습을 띠게 되었는지를 설명해 준다고 제안합니다.

논문: 블랙홀 거품들의 다중 우주

저자들인 시단 A(Sidan A), 톰 뱅크스(Tom Banks), 윌리 피시러(Willy Fischler)는 일종의 코스믹 돌하우스(cosmic dollhouse) 역할을 하는 수학적 모델을 구축했습니다. 그들의 핵심 아이디어는 우리 우주(그리고 그와 유사한 많은 다른 우주들)가 고립되어 존재하지 않는다는 것입니다. 대신, 그들은 이 팽창하는 드 시터 우주들이 실제로는 블랙홀의 내부에서 살고 있다고 주장합니다.

이 모델이 어떻게 작동하는지 재미있는 비유를 들어 설명해 보겠습니다. 에너지가 가질 수 있는 최대치로 가득 찬 거대하고 평평하며 특징 없는 바다(평탄한 프리드만-로버트슨-워커 우주)를 상상해 보세요. 이 바다에는 거대한 블랙홀들이 떠 있습니다. 저자들은 각 블랙홀의 내부에 우리와 닮은 '거품' 우주가 존재한다고 제안합니다. 이 거품들은 우리 우주처럼 팽창하고 있습니다.

논문은 이 거품들이 영구적이지 않다고 제안합니다. 이들은 더 크고 혼란스러운 시스템 안에 있는 비눗방울과 같습니다. 저자들은 이 거품들이 결국 '터지거나' 붕괴할 것이라고 계산합니다. 이들은 영원히 지속되지 않습니다. 이들은 쇠퇴하여 자신들이 놓여 있는 거대한 블랙홀 속으로 다시 섞여 들어갑니다. 이는 우리에게는 믿기 힘들 정도로 긴 시간(수십억 년) 동안 일어나지만, '재활용' 이벤트가 일어나는 데 걸리는 시간보다는 지수적으로 짧습니다.

이것이 "볼츠만 두뇌" 문제에 어떤 의미를 가질까요?
수년 동안 일부 물리학자들은 만약 우주가 영원히 지속된다면, 에너지의 무작위적인 요동이 결국 당신이라고 생각하는 의식을 가진 뇌(볼츠만 두뇌)를 허공에서 만들어낼지도 모른다고 걱정했습니다. 이 논문은 그것이 불가능하다고 주장합니다. 블랙홀 내부의 거품 우주는 불안정하며, 그러한 무작위적인 요동이 일어날 기회가 생기기도 전에 붕괴할 것이기 때문에, 이 "유령 뇌"들은 형성될 기회조차 얻지 못한다는 것입니다. 우주는 그런 일이 일어날 만큼 오래 지속되지 않습니다.

"터짐"과 "합쳐짐"
논문은 이 거품들이 블랙홀 안에 어떻게 들어맞는지 보여주기 위해 무거운 수학(이슬라 결합 조건, Israel junction conditions라고 불림)을 사용합니다. 그들은 거품이 에너지 껍질에 의해 유지된다는 것을 발견했습니다. 시간이 흐름에 따라 이 껍질은 붕괴합니다. 거품 내부의 관찰자에게 이것은 우주가 수축하다가 결국 특이점(무한한 밀도의 점)에 부딪히는 것처럼 보입니다. 하지만 외부 관찰자(거대한 블랙홀)에게 그것은 단지 거품의 에너지가 블랙홀의 에너지와 섞이는 과정일 뿐입니다.

또한 저자들은 만약 이 거대한 바다에 떠 있는 블랙홀이 많다면, 그것들이 서로 충돌할 수도 있다고 제안합니다. 두 블랙홀이 충돌하면, 그 안의 거품들은 합쳐지거나 파괴될 것입니다. 이는 다중 우주가 정적인 영원한 세계들의 집합이라기보다, 끊임없이 탄생하고 죽고 충돌하는 역동적이고 무질서한 장소임을 의미합니다.

왜 우리는 생명이 존재할 수 있는 우주에 살고 있는가?
이 지점에서 논문은 매우 흥미로워집니다. 저자들은 이 모델이 우리 우주의 '미세 조정(fine-tuning)'을 설명한다고 제안합니다. 그들의 다중 우주에는 서로 다른 설정값(중력의 세기나 암흑 에너지의 양 등)을 가진 수십억 개의 블랙홀 거품들이 있습니다. 그들 대부분은 너무 혼란스럽거나 너무 텅 비어 있어서 생명을 지탱할 수 없을지도 모릅니다. 하지만 우리처럼 운 좋게 적절한 조건을 갖춘 몇몇 거품이 존재합니다.

논문은 우리가 우주가 완벽하게 "설계"되었다고 믿을 필요가 없다고 주장합니다. 대신, 우리는 단지 충분히 오래 살아남았고 은하와 결국 우리를 형성할 수 있는 적절한 성분(적절한 양의 암흑 물질과 복사 등)을 가졌던 희귀한 거품에 우연히 속해 있을 뿐이라는 것입니다. 저자들은 심지어 생명에 필요한 특정 조건들(별이나 화학의 존재 같은)이 너무 "완벽"하거나 너무 "초대칭적"(화학을 불가능하게 만드는 수학적 균형의 한 종류)인 우주들을 배제할 수도 있다고 제안합니다.

이 논문이 부정하는 것
저자들은 자신들의 모델이 무엇이 아닌지에 대해 매우 명확하게 밝히고 있습니다. 그들은 우리 우주가 단 하나의 가능한 상태만을 가진 '닫힌' 시스템이라는 생각을 명시적으로 거부합니다. 또한 우리 우주가 영원히 지속되어 결국 '재발(recurrence)'(모든 것이 리셋되고 반복되는 현상)을 경험할 것이라는 아이디어에도 반대합니다. 그들은 우리 우주가 더 큰 블랙홀의 하위 시스템이기 때문에 불안정하며, 그러한 기이한 무한 시간 시나리오가 발생하기 훨씬 전에 쇠퇴할 것이라고 명시합니다.

그들은 얼마나 확신하는가?
저자들은 이것을 하나의 수학적 모델로서 제시합니다. 그들은 이것이 어떻게 작동할 수 있는지를 보여주는 일관된 방정식 세트를 구축했습니다. 그들은 자신들의 모델이 현실에 대한 최종적이고 올s한 묘사가 아닐 수도 있다는 점을 인정하지만, 이것이 수학적으로 잘 정의되어 있음을 강조합니다. 막연한 추측에 의존하는 다른 이론들과 달리, 그들의 모델은 구체적인 규칙(이슬라 결합 조건과 같은)을 사용하여 이 거품들이 어떻게 서로 맞물리는지를 보여줍니다. 그들은 이 모델이 우리 우주가 왜 지금과 같은 모습을 띠는지 이해하기 위한 하나의 "틀(framework)"을 제공한다고 제안하지만, 단 하나의 우주만을 관찰해서는 이를 증명할 수 없다는 점도 인정합니다. 우리는 우리 거품이 놓여 있는 거대한 블랙홀을 보기 위해 거품 밖으로 걸어 나갈 수 없기 때문입니다.

요약하자면, 이 논문은 훨씬 더 크고 혼란스러운 시스템 내부의 일시적이고 흥미진진한 거품으로서의 우주를 그려냅니다. 이는 우리의 존재가 충돌하는 블랙홀들의 다중 우주 속에서 일어난 운 좋은 사고이며, 우리 우주의 기이하고 "부자연스러운" 상수값들은 단지 우리가 즉시 붕괴하지 않고 생명이 자랄 수 있을 만큼 충분히 오래 버틴 거품에 속해 있다는 결과일 뿐임을 시사합니다. 이것은 우주적 혼돈의 이야기이며, 우리가 여기에 있는 유일한 이유는 우리가 사는 거품이 질문을 던질 수 있을 만큼 충분히 오래 지속되었기 때문입니다.