우주의 구조 4 - 시공간과 우주론

현대 우주론은 대칭성의 개념에 크게 의존하고 있다. 시간의 진정한 의미와 공간의 전체적인 형태, 그리고 일반상대성이론의 이론적 근간에 걸쳐 대칭성은 핵심적인 역할을 하고 있다.

 

이 부분을 읽다가, 평소에 의문을 품고 있던 문제에 대한 해답을 읽게 되었다. 물론 만족할 만한 대답은 아니지만...ㅋㅋ

우리와 멀리 떨어져 있는 은하들은 굉장히 빠른 속도로 멀어지고 있다. 그러면 언젠가는 또는 어떤 먼 은하들은 빛의 속도보다 빠른 속도로 멀어지게 될 수 있지 않을까? 하는 의문이다. 브라이언의 대답은...이 멀어짐은 공간상의 이동이 아니라, 공간이 팽창함에 따라 발생하는 것이므로 빛의 속도보다 더 빠르게 멀어질 수 있다는 것이다.

 

H2O의 상전이와 같은 변화를 우주도 겪었다는데, 얼음에서 물로 상전이를 하면서 대칭성이 커지고, 물에서 수증기로 변화하면서 대칭성이 더 크진다. 반대로 수증기에서 물로, 그리고 얼음으로 변하면서 대칭성이 작아지는 것처럼, 우주도 빅뱅이 시작된 이후 급격히 온도가 낮아지면서 대칭성이 깨지는 일이 있었다고... 지금의 우주는 초기 우주와는 전혀 다른 '얼어붙은' 우주라고 한다. 우주가 점차 식어가다가 임계온동 도달하면 얼음처럼 얼어붙는 것이 아니라 그 안에 어떤 장이 출현하게 된다. 이를 힉스장이라고 한다.

 

입자에는 두종류가 있는데, 그 중 하나가 물질입자, 나머지 하나는 힘을 매개하는 입자이다. 전자기력을 매개하는 입자는 광자, 중력을 매개하는 입자는 중력자, 약한 핵력을 매개하는 입자는 W입자와 Z입자, 강한 핵력을 매개하는 입자는 글루온이다. 강한핵력장과 약한 핵력장은 1950년대에 이론의 기틀을 마련한 양과 밀스의 이름을 따서 '양-밀스장'이라 한다.

 

물리학자들은 물질에 의한 장과 힘에 의한 장외에 제 3의 장이 존재한다고 믿고 있다. 이 장은 스코틀랜드 출신의 물리학자 피터 힉스의 이름을 따서 힉스장이라고 불린다. 이 우주는 빅백의 유적이라 할 수 있는 힉스장으로 가득 차 있고, 모든 입자들의 특성은 이로 부터 결정된다.

 

힉스장은 좀 이해하기 어려운 개념이다. 일반적인 장의 경우, 장의 값이 0으로 수렴할 때, 장의 에너지도 0으로 수렴한다. 하지만 힉스장의 경우는 다르다. 힉스장의 경우 장의 값은 0으로 수렴하지 않는다. 힉스장의 값이 0이 되는 곳은 특정한 위치에너지를 가지기때문에, 힉스장의 에너지가 0인 값으로 수렴했을 때, 힉스장의 값은 '0이 아닌 어떤 값'을 갖게 된다는 것이다. 우주가 차가워짐에 다라 힉스장의 값은 에너지가 가장 작은 골짜기로 수렴하기때문에 결코 0이 될 수가 없다. 힉스장의 값을 0으로 만들려면(장을 완전히 제거하여 공간에 아무것도 남기지 않으려면) 에너지를 올려야 하고, 에너지가 올라가면 공간은 이전보다 '덜 빈 상태'가 된다. 이것이 힉스장의 특징이며, 지금의 우주는 0이 아닌 균일한 힉스장 즉 힉스의 바다로 가득차 있다. 힉스장이 전 공간에 걸쳐 0이 아닌 값을 갖게 되는 과정을 가리켜 '자발적인 대칭성 붕괴'라고 한다.

 

힉스입자는 입자에 질량을 부여하는 입자라고 하는데, 그것이 힉스장과 관련이 있다. 우주가 상전이를 겪기전 힉스장의 값이 격렬하게 진동하면서 평균적으로 0을 유지하고 있을 때는 힉스의 바다가 증발된 상태로 볼 수 있다. 이렇게 힉스장이 없는 상태에서는 가속운동을 하는 입자는 아무런 저항도 받지 않기때문에 질량도 0으로 사라진다. 입자들 사이에 고도의 대칭상태가 존재하고 있다는 말이쥐. 그런데 우주의 온도가 내려가면서 상전이를 겪게 되고 힉스장이 생기면서, 입자들은 질량을 갖게 되고, 입자 사이의 대칭성이 크게 줄어들게 된다. 힉스장이 형성되면서 초래된 대칭성의 붕괴는 물질입자만이 아니라 힘입자에도 질량을 부여했다. 1960년대에 셀던 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압ㄷ스 살람은 질량이 없는 힘입자 사이에도 아름다운 대칭성이 존재한다는 사실을 발견한다. "힉스장이 형성되기 전에 모든 힘입자들은 질량이 0이라는 공통점을 갖고 있었을 뿐 아니라 모든 점에서 근본적으로 동일한 입자였다" 물리학자들은 이 대칭성을 '게이지대칭'이라고 부른다. 힉스장이 증발될 정도로 온도가 높았던 과거의 우주에서는 약한 핵력과 전자기력이 동일한 힘이었다는 것. 세사람이 약전자기론을 연구하던당시는 W입자와 Z입자가 발견되기 전이었다. 그들의 연구는 이 입자들이 발견되면서 옳은 것으로 판명되었다. 1979년 노벨 물리학상을 받는다.

 

이제 대통일 이론이다. 강한 핵력도 통합할 수 있을 것인가? 아직은 ...