빅뱅을 터트린 힘은 어디서 나왔을까?

빅뱅이 성립되려면 우선 점으로 된 작은 우주가 있어야 한다. 과학자들은 우주 전체를 하나의 점으로 수축시키고 있던 힘이 외력이었는지 아니면 내부의 응집력이었는지 밝혀야 한다. 만약 수축력이 외력이었다면 텅 빈 우주의 외부에서 어떻게 외력이 작용했으며, 왜 그 외력이 갑자기 사라져서 빅뱅이 시작되었을까? 그리고 자체적인 만유인력으로 우주를 수축하고 있었다면 힘의 균형을 이루고 있던 점으로 된 우주가 어떻게 외부의 도움이 없이 그 엄청난 응집력을 극복하고 스스로 팽창을 시작할 수 있었을까?

우주는 팽창과 수축을 끊임없이 반복하고 있다. 우주의 이런 끊임없는 팽창과 수축 현상은 우리 지구에서도 어떤 형태로든 관측 가능해야 할 것이다. 왜냐하면 우리가 사는 이 지구도 우주의 일부이기 때문이다. 알려진 바에 의하면 약 138억년전에 빅뱅이 일어나 지금의 우주가 탄생한 것으로 과학자들은 주장하고 있으며, 일반적으로도 그 타당성을 인정하고 있다.

문제는 빅뱅이 어떤 힘에 의해 발생했으며, 빅뱅 이전에는 과연 이 우주가 어떤 상태였는지가 아직까지 밝혀지지 않고 있을 뿐이다. 그래서 빅뱅우주에 대한 의구심을 품는 과학자들도 많이 있는 것은 당연한 사실이다.

대체로 빅뱅 이전에는 이 우주가 어떠한 상태였는가와 빅뱅을 일으키게 한 힘은 어떤 힘인가가 풀어야 할 의문점이다. 이러한 2가지 의문에 대한 정확한 답이 있어야 빅뱅우주가 어떻게 탄생했는지를 해소할 수 있을 것이다.

그럼  먼저 빅뱅이 어떤 힘에 의해 발생했는지부터 살펴보자. 우리는 빅뱅이라는 우주 대폭발을 폐쇄적인 방식으로 분석하여 상상하게 되면, 무언가 외부에서 부딪치거나 내부에서 충격을 받았을 때 순간적으로 폭발하고 팽창하는 것으로 추정을 하게 된다. 그러다보니 빅뱅 현상에 대하여 납득하지 못하고 의구심을 떨쳐 버릴 수 가 없게 되는 것이다.

그럼 이제 이 문제를 해결하기 위해 새로운 단어를 도입해보자. 폭발이나 팽창과 비슷하면서도 그런 갑작스런 현상에 이르게 할 것 같은 용어로 쓰일 수 있는 단어가 불안이며, 그 반대되는 개념이 안정이다. 우리가 불안하다고 느낄 때는 대체로 균형이 무너지거나 조화롭지 못할 때이며, 그 때 주로 불안이라는 용어를 쓰게 된다. 반대로 조화와 균형을 느낄 때는 편안함을 느끼며 안정이란 용어를 쓴다.

자, 이제 사람들이 안정감을 느끼는 균형이나 조화로움을 좀 더 객관화하기 위해 대칭과 비대칭이라는 용어를 다시 상정해 보자. 우리가 어떤 사물이나 현상에 대해 균형감 있고 조화로움을 느낄 때 이는 대체로 대칭적인가? 아니면 비대칭적인가? 아마도 대부분이 대칭적일 때 조화와 균형 그리고 안정감을 느끼며, 좀 더 나아가면 행복감마저도 느껴질 것이다.

반면에 현상이나 사물이 비대칭적이면 기분마저도 썩 좋지 않음을 느낄 것이다. 물론 이러한 감정적인 상태는 사람마다 다르기 때문에 차이는 있을테지만 대체로 공감할 수 있는 수준의 내용이라고 생각한다.

정리하자면 대체로 사람의 감정표현에 사용되는 안정과 불안이란 용어를 사물이나 현상의 상태를 설명하는 대칭과 비대칭에 적용하였을 때, 사람들은 대칭적이면서 안정감을 느끼고 비대칭이면 불안감을 느끼는 것이 일반적인 보통의 감정이다.

이러한 전제조건을 다소 장황하게 설명하는 이유는, 사람의 감정과 자연현상이 대체로 일치할 것 같지만 그러하지 않기 때문에, 자연현상을 좀 더 객관적으로 바라보기 위한 우리 인간의 사고방식을 점검하는 차원에서 감정적인 용어를 꺼내게 된 것이다.

이제 중요한 용어인 대칭성깨짐이란 단어를 상정하고자 한다. 이 대칭성깨짐 현상은 양자역학이란 학문을 실질적으로 뒷받침하는 이론으로 게이지이론이란 말로도 유명하며, 당연히 노벨물리학상을 수상하기도 한 연구 성과물이기도 하다.  양자역학을 설명할 때 이 대칭성깨짐 현상이 없으면 설명이 안 되고, 기본입자 6개도 또한 설명이 안 된다. 그래서 이 대칭성깨짐이란 용어나 뜻을 이해하는 절차는 자연을 이해하는데 매우 중요한 단초가 된다. 이는 상대성이론에서 시간이 보다 느리게 가거나 빨리 가는, 시간지연이나 시간초과 현상을 이해하는 것과 유사한 내용이기도 하다.

우리가 일반적으로 대칭성깨짐이라는 말부터가 부자연스러운 것이 대칭이면 대칭이고 비대칭이면 비대칭이지 무슨 대칭성깨짐이냐라고 반문할 지도 모른다. 그래서 대체로 양자역학이라는 학문이 어려운지도 모르겠다. 어쨌든 자연은 어떤 경우에는 대칭성깨짐 현상이 발생하는데, 이는 불안하기 때문에 대칭성이 깨진다는 것이다. 자연이 대칭성을 깨뜨리는 이유는 대칭 상태에 있으면 불안하기 때문에 대칭을 무너뜨려서 다음 단계로 진입하려는 것이다. 물론 대칭의 다음 단계는 비대칭이다. 비대칭이 되면 자연은 안정적인 된다. 다시 말해 자연의 일부는 대칭상태가 되면 불안하기 때문에 그대칭상태를 깨뜨려서 안정상태가 되려고 한다. 만일 앞에 놓여있는 의자나 책상이 다리가 삐딱해지면 비대칭상태라고 생각하기 때문에 불안해서 다리를 고침으로 대칭상태로 만들어서 안정감을 주려고 한다. 문제는 바로 여기에 있다. 사람들은 삐딱한 의자를 보면 불안하니까 고쳐서 대칭상태로 만들려하고, 자연은 대칭으로 똑바로 놓여있는 의자에 대해서는 불안하니까 이 대칭성을 깨트려서 삐딱하거나 부서지게 만들어서 안정감을 찾으려고 한다. 이러한 자연의 비대칭성 반응현상을 게이지이론으로 밝혀놓은 것이 양자법칙 중 하나이다. 즉, 양자역학의 대칭성깨짐 현상이란 자연이 또는 우주가 대칭 상태에 도달할수록 불안해져서 안정성을 되찾기 위해 그 대칭성을 스스로 깨트리는 현상을 말하는 것이다.

이제 우리는 여기서 하나의 중요한 사실을 발견하게 된다. 자연은 대칭상태를 싫어하기 때문에 그대로 존재하지 않으려 하고, 인간은 반대로 대칭성을 추구한다.

이것이 자연을 잘 이해하지 못하는 우리 인간의 한계이다. 이러한 인간의 한계를 전제로 우주의 편에서 빅뱅현상을 바라보자.

이 우주가 대칭성이 극에 달하면 불안하기 때문에 우주는 그 대칭성을 스스로 깨뜨려 안정화 되려고 한다. 바로 여기에 빅뱅현상의 답이 있다. 즉, 우주의 상태가 대칭상태로 수축하고 있었다고 가정하면 양자법칙을 위배하지 않으면서 빅뱅현상을 설명할 수 있다.

빅뱅 이전에 이 우주는 수축되고 있었으며, 점점 한 점으로 수렴하면서 그 대칭성이 극에 달하게 됨으로써 우주는 그 대칭성을 깨뜨리는 대폭발인 빅뱅을 일으킨 것이다. 빅뱅은 우주의 안정성 회복을 위한 자력 폭발인 것이다.

우주가 한 점으로 수축하려는 힘은 외력이나 내부응집력이 아니고, 양자역학의 게이지이론으로 밝혀진 대칭성깨짐 현상으로 그 본질을 파악할 수 있다. 그리고 한 점으로부터 시작 된 우주는 작은 우주이든, 큰 우주이든 의미가 없다. 작은지 큰지는 근본적으로 상대적인 의미이지 크거나 작다고 할 수 없다. 이런 측면에서 빅뱅 이전의 우주 상태는 어떠했는가에 대한 답이 저절로 얻어진다. 빅뱅 이전의 우주는 하나의 대칭점으로 수축하는 우주였을 것이다.