다중우주, 多重宇宙, Multiverse
다중우주는 우리 우주 A 외에도 다른 우주 B, C, D, …가 존재한다는 이론이다. 다중우주에는 여러 가지 종류가 있고 서로 다른 이론적 배경을 가지고 있다. 인류 원리 논의의 전제가 되는 이론으로도 여겨지고 있다.
다중우주 이론 종류
미디어물에서 자주 등장하는 평행세계와는 다르다. 다중우주론은 우리 우주 말고, 다른 우주도 있지만 우리 우주와는 전혀 무관하다는 것을 이론으로 정립시킨 것이다. 반면, 평행세계(우주)는 일단 우리 우주와 관련은 있지만 같은 시공간 자체에 있지 않고 별도의 시공간에 위치한 세계에 대해 논하는 것이다.
다중우주론의 대표적인 예로 인플레이션 다중우주가 있다. 일본 도쿄대학 수물연휴우주연구기구 기구장인 무라야마 히토시는 인플레이션 다중우주가 있을 수 있다고 주장한다. 그의 주장은 빅뱅 이후 인플레이션 과정에서 하나의 우주가 아닌 여러 우주가 파생됐을지도 모른다는 것이다. 이 주장에 의하면, 우리가 살고 있는 우주를 '우리 우주'라고 치면 블랙홀만 있는 우주도 있고, 별이 생기기 전의 우주도 있다고 한다. 무라야마 박사는 우주의 개수를 대략 10500으로 추정하고 있다.
그러나 아직까진 다중우주론과 평행우주론이 실존한다는 것을 나타내는 증거는 나오지 않았다. 당연히 우리는 관측 가능한 우주만을 볼 수 있고, 설령 다른 우주에서 정보를 보내려 해도 우리가 그것을 받아볼 수 없기 때문에 실험적인 검증은 거의 불가능할 것으로 예상된다.
누벼이은 다중우주
누벼이은(quilted) 다중우주는 우리가 있는 우주의 크기가 공간적으로 무한하다면(또는 무한에 가까울 정도로 충분히 크다면) '우리가 관측 가능한 우주'의 모습과 비슷하거나 같은 모습을 가진 또 다른 우주가 그 너머에 존재할 것이라는 이론이다.
우주가 무한하더라도 우리가 인식할 수 있는 우주는 빅뱅 이후 빛이 진행한 거리만큼만 가능하다(관측 가능한 우주). 구골플렉스 문서에도 나와있듯, 관측 가능한 우주를 이루는 양자적 상태의 갯수는 매우 크지만 유한한 값이다. 그렇기 때문에 관측 가능한 우주 너머의 거대한 공간상 어딘가에는 우리의 관측 가능한 우주와 동일한 양자 상태를 가진 복제우주가 존재할 가능성이 있다. 이러한 다중우주들 모두 같은 공간상에 있기 때문에 동일한 물리법칙이 적용된다. 확률이 실질적으로 0에 가깝더라도 우주의 규모가 무한하다면 완벽히 0이 아닌 이상 복제 우주의 수도 무한할 수밖에 없다. 간단히 말해, 컴퓨터 메모리의 수가 무한하다면 완전히 똑같은 상태가 된다. 다만 바벨의 도서관과 비슷하게 압도적으로 많은 수의 우주는 다른 상태일 것이다. 컴퓨터 메모리의 비유로 다시 돌아오자면, 컴퓨터가 꺼져있는 상태는 항상 0으로만 이루어져 있는 상태이므로 이러한 실질적으로 무의미한 경우(우주에 대입할 시 진공에 가까운 빈 공간)가 중복되는 경우의 대부분을 차지하기는 할 것이다.
인플레이션 다중우주
'영원한 인플레이션(eternal inflation)' 이론에서 유도되었다. 영원히 지속되는 인플레이션 도중에 어떤 곳에서만 인플레이션이 종료되고 빅뱅이 일어나는 과정이 무수히 반복된다고 말하는 이론이다. 쉽게 말하면 지금 이 순간에도 어디에선가 인플레이션이 일어나고 빅뱅이 일어나 우주가 탄생한다는 뜻. 대부분의 인플레이션 모형에는 인플레이션이 끝나는 명확한 시점이 없다는 점에서 근거를 찾을 수 있다. 인플레이션 다중우주가 존재한다면 우리 우주를 넘었을 때에 다른 우주로 갈 수도 있겠지만 우리의 우주를 넘어서 다른 우주로 간다는 것은 불가능할 것이라고 보는 견해가 많다. 서로 다른 우주들은 중력을 통해 영향을 줄 수 있고 팽창을 하다가 만나면 흔적을 남기게 된다. 이런 흔적을 찾으려는 구체적인 시도들이 있다. 2010년, 다중우주 존재론 증거가 있다는 뉴스가 있었다. 그러나, 이후 이 증거를 찾은 WMAP 위성보다 해상도가 3배 더 정밀한 플랑크 위성으로 다시 조사하고 데이터를 분석한 결과, 같은 다중우주의 증거는 찾을 수 없었다. 적어도 아직까지는 다중우주에 대한 증거를 찾는 중이다
평행우주론, 양자 다중우주
양자역학의 해석 중 하나인 다세계 해석에서 유도되는 다중우주. 평행우주론을 의미한다.
현실 세계는 수학적으로 계속해서 수많은 평행 우주로 분기되고 있으며, 우리가 단 하나의 지점만이 실현되는 이유는 단순히 그 지점에 우리가 살고 있기 때문이라는 것이다. 일부 학자들은 다중우주의 개념에 대해 회의적인 의견을 보이지만 다중우주는 유일 우주에서는 설명할 수 없는 역설적인 상황을 해결할 실마리를 줄 수 있다. 다중우주를 주장하는 연구자들은 우리가 살고 있는 우주가 지적생명체가 생길 수 있게 세밀하게 조정되어 있다고 본다.
다중우주의 개념 중에서 가장 널리 알려진 개념이기도 하다. 대부분의 작품에서 매 순간 선택을 함에 따라 평행 우주가 분기된다는 개념을 채용하고 있기도 하다.
경관 다중우주
초끈이론에 따르면 칼라비-야우 다양체가 기본 입자의 수나 여러가지 기본적인 상호작용을 결정한다고 말한다. 그러한 칼라비 야우 다양체는 이론에 따라 다르지만 약 10500 개가 존재한다고 생각된다. 각각의 칼라비-야우 다양체에 해당하는 우주들이 경관을 이룬다고 하여서 붙여진 이름이 경관(landscape)다중우주이다.
시뮬레이션 다중우주
우주를 시뮬레이션하는 컴퓨터가 만들어낸 가상현실 속의 다중우주.
어느 문명이 우주와 비슷한 시뮬레이션을 만들 수 있는 수준에 이르게 된다면, 그 문명은 무수히 많은 시뮬레이션을 구동시킬 것이다. 그렇다면 위 논리 하에, 우리가 시뮬레이션의 일부일 확률이 1에 가깝다는 주장을 할 수 있다.
위 논리구조 자체는 타당하지만, '지금 우리가 사는 방대한 우주가 시뮬레이션으로 만들어질 수 있는가?'가 주요 논제가 될 만큼 논란의 여지가 많다. 또한 미치오 카쿠교수는 날씨를 시뮬레이션하기 매우 어려움과 우주 자체를 시뮬레이션 하기 위해서는 우주 자체를 컴퓨터로 사용해야 한다며 반대한다.
흔히 맥스 테그마크의 4단계 다중우주가 시뮬레이션 다중우주와 동일하다고 설명하며 대부분 그렇게 알고 있지만 이는 사실이 아니다.
맥스 테그마크는 본인의 책에서 자신의 4단계 다중우주의 배경이 되는 수학적 우주 가설의 관점에서 시뮬레이션 다중우주는 타당하지 않다고 말한다.
하지만 일론머스크를 비롯한 몇몇 사람들에게 지지받고 있다.
또한 위 이론의 타당성 확보를 위해 우리가 사는 우주가 얼마나 '최적화된 프로그램'과 유사한지를 다루는 서적도 여럿 존재한다.
이러한 가설은 이와 비슷한 가설이나 사고실험이 이전부터 존재하고 있었는데 그중에서 대표적인 가설은 통 속의 뇌, 데카르트의 악마 등이 있다.
사실 시뮬레이션 안의 하위 시뮬레이션이 있다는 가정자체부터 프랙탈 우주론과 매우 유사하다.
주기적 다중우주
다중우주가 공간적이 아니라 시간상으로 나열되어 반복되는 우주. 시공간적으로 보면 공간과 시간은 동일한 차원이므로 다중우주로 볼 수 있다. 힌두교 등 일부 종교에서의 우주 멸망 후 새로운 우주 탄생과 비슷한 개념이다.
빅뱅 우주론에서는 빅뱅과 빅 크런치를 반복하는 진동하는 우주모형이 있고, 끈 이론에서는 3차원 브레인의 주기적 충돌로 인해 빅뱅이 주기적으로 일어난다는 이론이 있다. 이를 'Ekpyrotic Universe' 이론이라고 하는데 최근에 각광받는 이론으로 우리 우주나 다른 우주는 더 상위 차원 안에 속해있는 거대한 막(brane) 같은 것이고 이 막들이 주기적으로 충돌했다가 멀어졌다가 다시 충돌하는 순환적인 움직임을 보인다고 하는 것이 Ekpyrotic Universe 이론이다. 그리고 두 막이 충돌할 때 벌어지는 현상이 바로 빅뱅이라는 것. 따라서 지금 우리의 우주가 만들어지게 된 빅뱅은 아마 최초의 빅뱅이 아닐 수도 있다. 이 순환적인 움직임이 계속되면서 우주가 생성되고 소멸되는 과정이 반복된다고 하는 것이 바로 Ekpyrotic Universe이다.
즉, 지금까지는 빅뱅을 지금 우리 차원에서 그냥 어떤 임계점이나 우연에 의해 빅뱅이 일어났다 정확히 알 수 없다 이렇게 넘어갔다면 이 가설은 빅뱅은 그냥 더 높은 차원에 의한 반응이라고 규정해 놓은 가설이다. 따라서 두 막이 충돌했을 때 우주가 생긴다 가정했을 시 이쪽 우주는 탄소 기반의 생명체가 탄생할 수 있고 저쪽 우주는 또 전혀 다른 모습의 우주일 수도 있다.
레벨 다중우주(수학적 우주 가설)
위에서 서술한 내용들은 브라이언 그린의 멀티 유니버스에 서술된 다중우주에 대한 가설들이다. 4단계 다중우주는 브라이언 그린이 아닌 MIT의 맥스 테그마크 교수가 제안한 다중우주의 4단계 분류중 마지막에 해당한다. 4단계중 1~3단계 까지는 위에 서술된 내용들과 거의 차이가 없지만 4단계 다중우주는 조금 독특한 견해를 가지고 있다
4단계 다중우주는 수학적 우주 가설이라는 맥스 테그마크가 주장하는 가설을 배경으로 한다.
수학적 우주 가설이란 쉽게 말해 우주의 궁극적 실체는 수학적 구조이며 이러한 수학적 구조는 다양한 형태로 존재 가능하기 때문에 1~3단계 까지의 모든 다중우주를 포함하는게 가능하다는 말이다.
우주의 궁극적 실체가 수학이라는 주장은 직관적으로 이해하기 어렵지만 테그마크가 제시하는 근거를 본다면 이해가 가능하다.
쉽게 생각해서 우리 우주를 설명하는데 수학이 너무나도 적절하다는 이야기다.
다르게 말하자면 수학은 우리가 발명한것이 아니라 '발견'한것이라는 말과 비슷하다.
또한 테그마크는 수학적 우주 가설의 관점에서 바라볼때 시뮬레이션 다중우주는 타당하지 않다고 주장한다.
왜냐하면 수학적 구조는 그 자체로 존재하기 때문에 어떤 USB와 유사한 무언가의 존재가 다른 우주의 존재 여부를 결정하는건 타당하지 않기 때문이다.
양자적 평행우주와 인플레이션 다중우주, 경관 다중우주의 차이점
양자적 평행우주란 게 '있을 수 있는 가능성'이라는 개념으로 만들어지는 거라면 인플레이션 다중우주, 경관 다중우주는 '다른 것'이다. 쉽게 말하자면 양자적 평행우주란 것은 원본우주 A로부터 '있을 수 있는 가능성'으로 파생되는 A-1, A-2, A-3, 그리고 또 거기서 파생되는 A-1-1, A-1-2, A-2-1 …이라면 인플레이션 다중우주, 경관 다중우주는 그냥 원본우주 A, B, C, D 이런 식이다.
좀 더 알기쉽게 설명하자면 평행세계는 기본적으로 우주적인 구조(항성계)는 우리가 사는 우주와 동일하지만 지구(정확히는 인류)가 조금씩 다른 역사를 가진 채 존재하는 것이라면, 다중우주는 그냥 다른 차원에서 또다른 빅뱅이 일어나 우주가 다르게 시작했으므로 태양계는 커녕 사실상 지구가 존재하지 않을 가능성이 매우 높다. 존재하더라도 주변 태양계부터 완벽하게 동일할 가능성도 매우 낮고 인류가 똑같이 탄생할 가능성도 매우 낮다. 여러 대중 매체에서는 다중우주가 그냥 '평행세계의 집합' 정도라고 해석하고 '다중우주 = 평행우주' 정도로 취급하기도 하는데, 다중우주는 말 그대로 또다른 우주라는 뜻이며, 아예 다르게 시작한 우주기 때문에 우리가 사는 우주와 동일한 차원(시공간)의 형태를 가졌을지조차 의문일뿐더러, 완벽히 똑같은 형태로 항성계, 태양계, 지구, 인류가 탄생할 가능성은 엄청나게 낮다고 볼 수 있다. 따라서 과학적 현실성을 중시하려 한다면 '태양계, 지구, 인류가 존재하는 또다른 세계'를 그려내려 할 때는 다중우주 보다는 평행세계라는 설정을 쓰는 게 그나마 어울린다고 볼 수 있다.
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