영 (zero)에 가까운 진공 에너지 밀도를 가진 우리 우주

가끔씩 메스컴에 등장하는 다중우주 (Multiverse)를 들어본 사람들이 있을것이다. 다중우주의 존재는 아직 밝혀지지 않았지만 지구가 우리 우주에서 아주 특별한것처럼 다중우주가 존재할 경우 우리 우주 역시 우주론에의해 예측되는 수많은 우주중 아주 특별한 우주이다.

우리 우주는 눈에 보이는 보통물질 4.9%, 눈에 보이지 않는 암흑물질 26.8%, 그리고 암흑 에너지 68.3%로 구성되어 있다. 우리가 망원경으로 우주를 관측할때 우리 눈에 관측되는 물질이 보통물질 (baryonic matter)이며 그 나머지는 눈에 보이지 않는 암흑물질 (dark matter)과 암흑에너지 (dark energy)다. 암흑물질의 유력한 후보는 윔프 (WIMPs)라 불리는 물질로 차거운 암흑물질 (Cold Dark Matter, CDM)중 하나이며 보퉁물질과 상호작용을 하지않기 때문에 관측적으로 그 존재를 밝혀내기가 여간 어렵지 않다. 암흑에너지 역시 미스터리한 물리량이며 반중력적 힘을 작용하여 우리 우주를 팽창시키는 역할을 하고 있다. 물리학적으로 이 암흑에너지는 아인슈타인이 제시한 우주상수 (그리스 문자 Λ로 나타냄)와 동일한 것으로 간주되며 이 이유로 현대우주론을 ΛCDM 모델이라 부른다.

우주의 구성성분

현재 암흑에너지의 유력한 후보로는 진공에너지가 거론되고 있다. 아무것도 없는 진공이 어떻게 에너지를 가지고 있는지 궁금하겠지만 이미 1927년에 디랙에 의해 진공이 에너지를 함축하고 있다는것이 제시되었고 1948년에 카시미르 효과 (Casimir effect)에 의해 진공에너지의 존재가 가시화 되었다. 진공 에너지는 우주가 어떤 속도로 팽창하는지 알려주는 허블상수 H와 중력상수 G로 부터 계산될수 있다 (다음식):

진공에너지 밀도 (vacuum energy density) = 3 x H2/8πG = 10-29 g/cm3.

진공에너지 밀도가 음수이면 우주는 형성되자 마자 수축을 하고 양수를 가지면 팽창을 한다. 그런데 공교롭게도 우리 우주의 진공 에너지 밀도는 거의 0에 가까운 양수로 미세 조정되어 적당한 속도로 팽창하면서 은하, 별, 행성등 여러 물질들이 만들어지는 최적 조건의 우주가 되었다. 그런데 놀랍게도 우리 우주의 진공 에너지 밀도가 양자장이론에서 예측되는 이론적인 값보다 10120배정도 적다는것이 밝혀졌다. 이 사실을 다르게 해석하면 이렇게 적은 진공 에너지 밀도를 가진 우주가 형성될 확률이 거의 0에 가까운 1/10120 이라는 것이다.

또한 끈이론 (string theory)에 의해 예측되는 우주의 개수는 약 10500이지만 신비롭게도 거의 모든 우주가 음의 진공에너지 밀도를 가지고 있어 우주가 형성되자마자 급격히 수축하여 은하, 별, 행성들을 만들지 못하며 단지 한 경우만 양의 해를 가질수 있어 물질들을 만들수 있다. 양자장이론과 끈이론을 합하여 예상되는 우리 우주의 생성확률은 1/10380 이며 이 세상에서 존재하는 어떤 확률보다도 더 적다.

이렇게 최신 우주론에 의해 예측되는 수많은 우주 중에서 진공에너지 밀도가 거의 0에 가깝게 절묘하게 조정된 우주에 우리가 살고 있다. 어떻게 하여 우리가 이런 우주에 살고 있는것일까?

창세기 1장 1절을 보면
“태초에 하나님이 천지를 창조하시니라 (창 1:1)”
라는 하나님의 창조기사가 나온다.

그런데 영어 성경을 보면 천지를 하늘들과 땅 (heavens and earth)이라고 기록하고 있다. 즉, 하늘이 복수로 표현되어 우리가 보는 하늘과 같은 여러개의 하늘을 창조하셨다고 나온다. 이 하늘이 바울이 보았다는 하늘위의 하늘인 삼층천과는 차원적으로 다른것으로 보이며 아마도 양자장론과 끈이론에의해 예측된 우주가 만들어낸 하늘을 의미하는게 아닌가 하는 생각이 든다. 왜냐하면 그런 이론들에 의해 예측된 우주들은 하늘 (공간)만 가지고 있을뿐 땅 (물질)을 만들만한 조건을 가지고 있지 않기 때문이다.

하나님께서는 우리를 위해 확률적으로도 거의 만들어질수 없는 우주를 만드시고, 나선은하에서 가장 안전한 동자전 반경 (Co-rotation radius)에 태양계를 위치시키시고, 또한 그 태양계내의 생존대인 Goldilocks zone에 지구를 위치시키신후, 우리가 생존하기에 너무나도 적합한 환경을 만드신후 우리를 창조하셨다.

과연 이것이 우연일까 아니면 우리 인간에 대한 하나님의 한없는 사랑과 배려일까?