우주는 무한할까 (우주 곡률, 관측 한계, 반복 우주)

우주는 무한할까 (우주 곡률, 관측 한계, 반복 우주)

우주가 무한하다고 당연히 생각하셨다면, 사실 그건 아직 아무도 확인하지 못한 이야기입니다. 저도 처음엔 "우주는 당연히 끝이 없는 것 아닌가"라고 생각했습니다. 그런데 우주론을 조금씩 파고들다 보니, 그 '당연함'이 흔들리기 시작했습니다. 우주가 무한한지 유한한지, 현재 과학은 어디까지 알고 있는지 정리해 봤습니다.

우주 곡률이 0에 가깝다는 게 왜 문제인가

우주가 무한한지 판단하려면 먼저 우주의 곡률(curvature)을 이해해야 합니다. 여기서 곡률이란 공간 자체가 얼마나 휘어져 있는지를 나타내는 물리적 값입니다. 평탄한 평면은 곡률이 0, 구처럼 닫힌 공간은 양의 곡률, 말안장처럼 열린 공간은 음의 곡률을 가집니다.

현재 우주배경복사(CMB) 관측 데이터를 분석한 결과, 우주의 곡률은 0에 매우 가까운 것으로 나타납니다. 우주배경복사란 빅뱅 직후 약 38만 년이 지났을 때 방출된 빛의 잔광으로, 우주 전체에 고르게 퍼져 있는 열복사를 의미합니다. 유럽우주국(ESA)의 플랑크 위성 프로젝트가 2018년 발표한 데이터에 따르면 우주의 기하학적 형태는 오차 범위 내에서 평탄한 구조에 수렴합니다(출처: ESA Planck Mission).

그런데 여기서 문제가 생깁니다. 평탄한 우주는 이론적으로 무한히 뻗어 있을 수 있지만, 그게 반드시 무한하다는 증거는 아닙니다. 제가 이 부분을 처음 공부했을 때 솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 평탄하면 무한한 거 아닌가 싶었는데, 실제로는 거대하지만 유한한 구조도 평탄한 곡률을 가질 수 있기 때문입니다. 마치 지구의 작은 땅덩어리 위에 서면 평면처럼 느껴지지만 실제로는 구 위에 있는 것처럼, 우리가 관측하는 영역이 너무 좁아서 전체 곡률을 정확히 파악하지 못하는 상황일 수 있습니다.

우주 곡률을 둘러싼 핵심 쟁점을 정리하면 다음과 같습니다.

• 곡률 = 0이면 이론적으로 무한한 우주 가능
• 곡률 = 0이어도 유한하지만 매우 거대한 우주일 수 있음
• 현재 관측 기술로는 두 가능성을 구분할 수 없음

관측 한계와 반복 우주 가설이 말해주는 것

우주가 무한한지 확인하기 어려운 근본적인 이유는 코스믹 호라이즌(cosmic horizon) 때문입니다. 코스믹 호라이즌이란 빛이 우주 탄생 이후 지금까지 도달할 수 있었던 최대 거리의 경계면을 의미합니다. 쉽게 말해, 그 너머에서 출발한 빛은 아직 지구에 닿지 않았기 때문에 우리는 그 영역을 원천적으로 관측할 수 없다는 뜻입니다. 현재 관측 가능한 우주의 반지름은 약 465억 광년으로 추산됩니다(출처: NASA).

제가 이 주제를 공부하면서 가장 오래 걸렸던 부분이 바로 여기였습니다. 관측이 안 된다는 것과 존재하지 않는다는 것은 전혀 다른 말인데, 그 경계를 명확히 구분하는 게 처음엔 쉽지 않았습니다.

이 관측 한계에서 파생되는 가설이 바로 반복 우주(Level I Multiverse) 개념입니다. 반복 우주란 우주가 진짜 무한하다면 입자의 배열 조합은 유한하기 때문에, 충분히 먼 거리에서는 지금 이 순간과 똑같은 상태의 공간이 반드시 존재할 수밖에 없다는 이론입니다. 물리학자 맥스 테그마크(Max Tegmark)는 이 복제 지구까지의 거리를 10의 10의 118제곱 미터 수준으로 추산한 바 있습니다.

제가 직접 이 수치를 처음 접했을 때, 숫자 자체보다 그 개념이 더 충격이었습니다. 지금 이 글을 읽고 있는 누군가와 똑같은 상황이 우주 어딘가에 존재할 수 있다는 말인데, 머리로는 이해가 되어도 실감이 전혀 되지 않았습니다. 물론 이것은 관측 불가능한 영역의 이야기이기 때문에 현재로서는 검증할 방법이 없습니다. 제 경험상, 이런 가설들은 과학이라기보다 수학적 논리에 가깝게 느껴질 때가 있습니다.

우주의 무한성 문제는 결국 물리학과 철학의 경계를 동시에 건드립니다. 유한한 우주라면 그 끝 너머는 무엇인지, 무한한 우주라면 그 무한을 인간이 어떻게 이해할 수 있는지, 어느 쪽을 택해도 직관이 무너지는 지점이 반드시 생깁니다.

우주가 무한한지에 대한 답은 아직 열려 있습니다. 하지만 이 질문이 흥미로운 이유는 답 그 자체보다, 그 질문이 드러내는 과학의 한계 때문입니다. 관측 가능한 영역 안에서 최선을 다해 추론하는 것, 그게 현재 우주론이 할 수 있는 전부입니다. 우주가 얼마나 큰지 확실히 모른다는 사실을 인정하는 것에서, 오히려 더 정직한 과학이 시작된다고 생각합니다.