[퍼온글] 우주의 탄생과 양자진공

우주는 '무'에서 탄생하였다. '무'는 빛도 물질도 시간이나 공간조차도 전혀 존재하지 않는 세계이다.
일상적으로 생각하는 '무'에서는 아무것도 태어나지 않는다. 그러나 미시적인 세계를 생각하는 양자론에서는 '무'는 요동하고 있는 것이다.
지금으로부터 약 150억년 전, '무'의 요동으로 10-34cm의 초미시 우주가 갑자기 탄생하였다.
'무'에서 태어난 우주는 우리 우주뿐인가? 몇 개의 우주가 태어났다 사라진 것으로 생각된다.
이러한 우주의 처음은 'singularity(특이점)'라고 불리울 것이다. 'singularity(특이점)'이란 시간의 시초가 무한히 큰 밀도와 무한히 큰 시공간의 곡률을 가진 점. 다시 말해, 시공간의 곡률이 무한대가 되는 점을 말한다. 이러한 'singularity'는 급속히 팽창하게 되고 이 시기에 우주는 'Big Bang'이라는 대폭발이 시작되었다고 생각할 수 있다.
그렇다면 'sinaularity'에서 탄생한 우주는 어떻게 Big Bang이라는 대폭발을 일으킬 수 있는 energy가 있었던 것일까?
이러한 의문엔 'Quantum Vaccum'이라는 양자진공에 의한 좀 더 정확한 생각이 필요하다.
'진공'이란 무엇인가? 상식적으로는 '아무것도 존재하지 않는 공간'이다. 따라서 '아무것도 존재하지 않는 공간'이라고 정의할 수 있을지도 모른다. 적어도 19세기까지는 그렇게 생각하 고 있었다. 그러나 현대의 물리학은 '진공엔 아무것도 존재하지 않는 것이 아니라, 오히려 그 곳에는 미시의 그리고 복잡한 현상이 숨어 있다'라고 말하고 있다.

우주론을 생각하지 않아도 진공의 숨겨진 성질을 나타내는 현상은 많다. 그 가운데 하나로서 유명한 것이 '카시미어의 효과'라 불리는 것이다. 이것은 두 장의 금속판이 서로 끌어 당기는 현상이다.
두 물체 사이에는 만유인력이 작용하지만 그 것을 말하는 것이 아니다. 이 것은 만유인력 보다 도 훨씬 강한 힘이고, 또 만유인력과는 달리 힘의 크기는 금속판의 무게와 상관이 없다.
이것은 1948년 네덜란드의 물리학자 카시미어가 예언한 현상이다. 그는 두 장의 판의 존재에 의하 여 공간이 분할되면 진공의 성질이 변해 버린다는 점에 주목하고 힘이 작용한다는 결론을 이끌 어 냈다. 이것은 이론 물리학에서는 상당히 널리 알려져 있다.

진공이란 직관적으로는 '아무것도 존재하고 있지 않은 상태'이다. 그렇다면 밀폐된 용기에서 공기를 완전히 빼낸다면 그것은 진공이 되는 것일까?
특별히 어려운 일을 생각하지 않아도 이것은 진공이 아님을 알 수 있다. 거기에는 전자기파가 존재하기 때문이다.
물체를 가열하면 빛난다. 즉 표면에서 빛을 방출한다. 식으면 빛나지 않게 되지만, 그래도 적 외선을 방출하고 있다.
빛은 전자기파의 일종이고 파장이 길어지면 인간의 눈에는 보이지 않는다. 그것이 적외선이다. 따스한 물체의 곁에 서 있으면 만지지 않아도 그 따스함을 알 수 있는데, 그것은 적외선을 몸으로 느낄 수 있기 때문이다. 물체는 전자기파를 방출한다. 전자기파의 세기와 종류는 물체의 온도에 의하여 정해진다. 따라서 용기에서 완전히 공기를 빼냈다고 해도, 거기에는 용기의 벽에서 방출된 전자기파(빛)가 가득하므로 진공이라고 말할 수 없다.

그렇다면, 진공이란? '입자가 없는 상태'이다. 전자파를 구성하고 있는 입자가 바로 광양자다.
그러나 전자기파란 그 이름에 나타나는 것처럼 파와 같은 것이라고 생각하는 것이 일반적이다.
'입자가 없는 상태'가 진공이기 때문에, 입자란 무엇인가를 먼저 알아야만 한다.

여기에 공이 하나 있다고 하자. 그 공이 A라는 사람과 B라는 사람의 손안에 동시에 있을 수는 없다.
공은 A의 손안이거나, B의 손안이거나 어느 한 쪽에만 있을 수 있다. 이와 마찬가지로 어떤 입자가 어떤 시각에 어느 한 군데에 존재한다는 것은 당연하다고 생각될지 모른다. 그런데 양자론에 따르면 이처럼 당연하다고 생각되는 일이 성립되지 않는다. A라는 장소에 존재하고 있는 상태, B라는 장소 에 존재하고 있는 상태 등, 다양한 상태가 동시에 무수히 '공존'하고 있다.
이를테면 원자 안의 전자를 생각해 보자. 전자는 오직 하나밖에 없어도 원자핵 주위의 다양한 장소에 존재하는 상태가 공존하고 있다. 이것은 A의 장소와 B의 장소의 '어느 쪽에 존재하고 있다'고 정해져 있는 것이 아니라, 어느 쪽에 존재하고 있는 상태가 '공존'하고 있는 것이다.
그 '공존의 방식'을 '공존도'라고 하는데, 이것은 다양한 가능성을 가지고 있지만 제멋대로는 아니다. 원자핵 주위의 전자의 경우, 원자핵에 가까운 위치에 있는 상태일수록 공존도가 높고, 멀어질수록 공존도는 0에 가까워진다.
어떠한 공존 방식이 허용되는가를 결정하는 것이, 양자론의 기본법칙이다. 그리고 허용되는 각 각의 공존 방식에 대응하여 그 전자가 가지는 에너지가 결정되고 있다.

왜 복수의 상태가 공존하고 있는 것일까? 그것은 우연히 어느 시각에 하나의 상태밖에 없다고 하면, 다음 순간에는 공간의 '어떤 장소'에 존재하는 상태까지도 공존하는 것이 양자론의 기본 적인 성질에서 유도되기 때문이다.
결국 전자가 어떤 특정한 위치에 있다고 하면 다음 순간에는 전자가 전체 공간으로 퍼져버린다 . 따라서 전자가 존재하는 위치를 원자와 같이 어느 정도 한정된 영역으로 제한하려고 한다면 공존하는 각각의 상태가 서로 영향을 미쳐 그 이상 퍼지지 않게 된다. 이 성질은 '불확정성 원 리'라 불리는 양자론에서의 기본 성질의 하나이다.

이와 같은 양자론의 생각이 어떻게 빛(전자기파)에 적용되는 것일까? 전자의 경우, 여러 장소 에 있는 상태가 다수 공존하고 있다고 설명하였다. 전자기파의 경우는 파이므로 장소가 퍼지고 있는 것은 당연하다. 전자기파를 양자론에서 생각할 때 문제가 되는 것은 장소가 아니라 파의 진폭이다.
진폭이란 파의 높이이다. 예를 들어 수면파를 생각해 보자. 그것이 1m 높이의 파인가, 2m 높이 의 파인가의 차이는 눈으로 보면 알 수 있으며, 더욱 미세한 차이라도 정밀한 기계를 사용하면 조사할 수 있다.
그러나 미시의 수준이 되면 그렇지가 않다. 파는 하나의 진폭만을 진동으로 하고 있는 것이 아 니다. 다양한 진폭을 가진 파가 공존하고 있다. 전자기파의 경우도 마찬가지이다. 매우 세밀하 게 조사하고 나서야 알 수 있는 일이지만, 반드시 다양한 진폭의 파가 공존하고 있다.
공존 방식은 전자기파에 대한 양자론을 써서 정해진다. 그렇다고 해서 하나로 정해지는 것은 아니다. 다양한 공존 방식이 있고 각각에 대하여 그 에너지가 정해진다. 그 에너지의 크기에 의 하여 전자기파에 광양자가 얼마나 포함되고 있는가가 정해지도록 되어 있다.
앞에서 밀폐된 용기에서 공기를 완전히 제거해도 아직 전자파가 가득하다고 말한 바 있다. 실제 로 예를 들면 사방 10cm(가로, 세로, 높이가 각각 10cm)의 상온(약 20도)의 용기 안에는 수천억 개의 광양자가 존재한다. 그러나 용기의 온도를 떨어뜨리면 이 수도 급격히 줄어드는데, 만일 OK라는 이상적인 상태가 실현된다면 광양자의 수도 0이 된다.

광양자의 수가 0이라는 것은 어떤 상태인가? 여기서 양자론을 생각해야 한다. 극히 미시의 수준 에서 보면, 전자기파의 진폭에는 다양한 크기의 것이 공존하고 있다. 공존의 방식도 다양한데, 그 중에서 가장 에너지가 작은 것이 광양자가 0이라는 상태에 대응하고 있다.
파의 에너지가 그 진폭과 관계가 있다는 것은 누구나 알고 있을 것이다. 파의 산이 높으면 그 에너지도 크다.

그렇다면 에너지가 가장 작은 상태의 경우는 어떠한가?
양자론이 등장하기 전이라면, 진폭이 완전히 0 (즉, 파가 아주 없는 상태)일 때 에너지도 최저 라고 생각했을 것이다.
그러나 여기서 앞에서 말한 불확정성 원리를 생각해야 한다. 입자의 위치에 대하여 이야기한 것 이 파의 진폭에서도 일어난다. 만일 어떤 시간에 진폭이 완전히 0이 되었다면, 다음 순간에도 모든 진폭의 파가 공존하게 되어 버리는 것이다. 즉, 파의 진폭을 될 수 있는 대로 작게 억제하 려면, 처음부터 어느 정도의 미세한 진폭의 차가 공존하고 있다는 것을 인정해야 한다.
그렇게 하면 공존하는 파가 서로 영향을 미쳐, 진폭이 그 이상 커지지 않도록 작용한다. 이 미 세한 파를 '0점 진동'이라고 부른다. 진폭이 0인 상태의 주변에서 일어나는 사소한 움직임이라 는 의미이다.
광양자가 전혀 없는 상태란, 전자기파가 전혀 없는 것이 아니라 이 양자론적인 0점 진동이 충만 해 있는 상태인 것이다. 그리고 사실 이것은 광양자에 한정된 이야기는 아니다. 전자이거나 양 성자이거나 모든 입자의 0점 진동이 이 공간에는 가득차있다. (정확히 말하면, 전자 등의 각 상 태의 공존도의 0점 진동이다.)
결국 진공이란 결코 아무것도 없는 상태가 아니라 이러한 0점 진동이 충만해 있다는 것을 알았 다.

그럼 이러한 것과 앞에서 말한 카시미어 효과와는 어떤 관계가 있는 것일까?
카시미어 효과란 공간에 두 장의 금속판을 놓으면 그 사이에 미소한 인력이 작용한다는 내용이 었다. 그 원인은 금속판을 놓으면 전자기파의 0점 진동에 변화가 생기기 때문이다.
금속판은 전자기파를 차단한다. 예를 들면 금속판으로 덮인 방 안에서는 TV나 라디오를 들을 수 없다. 전자기파는 금속판 위에서는 0이 되어야 하고, 방 안으로 들어갈 수 없다. 그것이 0점 진동에도 영향을 미친다. 전자기파의 0점 진동은 한 종류만이 아닌 여러 종류의 다양한 파장의 것이 있다. 물론 모든 파장에 대하여 각각의 0점 진동이 있다.
공간에 평행하게 놓인 금속판이 두 장 있다고 하자. 그러면 금속판 위에서는 전자기파는 완전히 0이 되어야 하므로, 금속판 사이에서 가능한 전자기파의 종류가 제한된다. 이것은 0점 진동에도 적용된다.
0점 진동의 종류에 제한이 생긴다. 즉 금속판 위에서 진동이 0이 되는 파밖에 존재할 수 없게 된 다. 따라서 이제는 금속판이 없을 때와 같은 진공이라 할 수 없게 된다. 당연히 진공의 상태는 금속판의 간격에 따라서도 변한다.

상태가 변하면 그 상태가 가지는 에너지도 변한다. 진공에서도 0점 진동이 있으므로, 0점 진동의 모습이 변하면 그 에너지도 변한다. 카시미어는 1948년에 그 변화를 계산하였다. 그리고 급속판 의 간격이 좁을수록, 0점 진동에의한 진공의 에너지도 작아진다는 것을 알아냈다. 물체는 에너지 가 작은 방향으로 움직이려고 한다. 지상의 물체가 낙하하는 것도 낮은 쪽이 위치 에너지가 작기 때문이다.
따라서 금속판의 경우도 에너지가 작고 간격이 좁은 상태로 움직이려 한다. 결국 금속판은 서로 끌어당겨 합쳐지게 된다.
이 효과의 실험은 1958년에 이미 실행되었다. 그러나 극히 미소한 힘을 측정하는 실험이라서 매 우 어렵고, 그 결과는 카시미어의 계산과 모순은 되지 않았지만 그 오차가 컸다. 이번에 발표된 미국의 로스앨러모스 국립 연구소에서 실시한 실험에서는, 5% 이내의 오차로서 계산과 일치하는 결과가 나왔다.
카시미어 효과는 진공 중에서도 일어난다는 의미에서 매우 인상적인 현상이지만, 0점 진동의 효 과는 자연계의 다양한 장소에서 볼 수 있다. 맨 처음에 설명한 것처럼 우주의 물질 발생과 관계 가 있는지도 모른다.
그 의미를 비유를 들어 설명해 보자. 추가 달린 긴 끈이 늘어져 있다고 하자. 흔들이(진자)이다. 얼핏 보면 정지해 있는 것처럼 보이지만 미시적으로 보면 이 흔들이는 0점 진동을 하고 있다. 다음에 이 끈을 똑바로 끌어올렸다고 하자. 요컨대 길이가 짧은 흔들이로 바꾸는 것이다.
만일 흔들이가 완전히 정지하고 있고, 또 정확하게 똑바로 끌어당겼다고 하면 짧아진 흔들이도 움직이고 있지 않다. 그러나 현실에서는 0점 진동이 있으며, 흔들이가 짧아지는 과정에서 그 진 동이 증폭되는 일이 있다. 결국 '짧아졌다'고 하는 '상태로의 변화'로 이제는 0점 진동이 이닌 것이 된다. 그것은 이미 진공에 대응하는 진동이 아니라, 광양자나 그 밖의 입자가 존재하는 상 태가 된다. 이것이 바로 입자의 발생인 것이다.

즉, 진공은 물질을 창조해내는 힘을 갖고 있다는 것이다. 최근 소립자 연구에 많이 사용되는 입 자 가속기는 진공의 한 점에 아주 높은 에너지를 집중시킬 수 있다. 그렇게 하면 진공의 한 점 에서 입자와 반입자가 쌍으로 함께 태어난다는 것이다. 반입자란 어떤 입자와 전하가 반대라는 점 외에는 똑같다. 가령 전자는 음(-)전하를 가진다. 그런데 전자의 반입자인 '양'전자는 다른 적은 모두 같고 (+)전하를 띤다. 입자와 반입자가 충돌하면 에너지를 내고 소멸해 버린다. 이 것을 쌍생성, 쌍소멸이라고 하는데 이러한 '진공'의 특성에서 우리가 알아챌 수 없을 만큼 짧은 시간 동안 무수히 많은 쌍생성-쌍소멸의 과정이 되풀이 된다.
에너지의 근원이 바로 이 쌍소멸인 것이다. 만약 입자와 반입자 쌍이 모두 똑같은 숫자만큼 만 들어졌다면 모든 입자와 반입자들은 소멸해 다시 에너지로 돌아가 지금 우리가 사는 세계는 만 들어질 수 없었을 것이다. 그러나 양자역학에 따르면 우주탄생 초기 순간에 입자와 반입자의 수 는 가령 반입자가 10억개 태어났다면 10억 1개의 입자가 태어났다는 것이다. "왜 그랬는가?"라 는 물음에 대해서는 확률 내지는 우연의 법칙이라는 설명밖에는 할 수 없다.

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