순환 우주론 — 빅뱅은 처음이 아닐 수 있다

2020년 10월, 로저 펜로즈는 노벨 물리학상을 받았습니다. 그는 블랙홀의 존재를 수학적으로 증명한 인물입니다. 세상에서 가장 유명한 물리학자 중 하나가 된 펜로즈는, 노벨상 수상 이후 더 이상한 주장을 더 목소리 높여 이야기하기 시작했습니다.

"우리의 빅뱅 이전에 다른 우주가 있었습니다. 그리고 그 우주의 흔적이 CMB 안에 남아 있습니다."

수십 년간 일반 상대성이론과 양자역학의 최전선에 서 있던 거장이 이런 말을 한다면, 무시하기가 어렵습니다. 그의 이론은 "공형 순환 우주론(Conformal Cyclic Cosmology, CCC)"이라고 불립니다.

공형 순환 우주론 — 우주의 죽음과 재탄생

CCC의 핵심 아이디어를 이해하려면 먼저 우주의 먼 미래를 들여다봐야 합니다.

수십조 년 후, 모든 별이 타 죽고 블랙홀만 남습니다. 수백조 년이 더 지나면 블랙홀도 호킹 복사로 증발합니다. 우주는 광자와 중성미자, 그리고 점점 희박해지는 입자들로 이루어진 거의 텅 빈 공간이 됩니다. 온도는 절대 영도에 수렴합니다.

여기서 펜로즈는 기가 막힌 관찰을 합니다. 이 우주의 극한 미래 상태와 빅뱅 직후 상태 사이에는 "공형적(conformal)"으로 동일한 수학 구조가 있다는 것입니다.

공형 순환 우주론(CCC) 개념

이전 아이온(Aeon) — 우주의 먼 미래:
  - 모든 별 소멸 (T ~ 10¹⁴년)
  - 블랙홀 호킹 복사로 증발 (T ~ 10⁶⁷~10¹⁰⁰년)
  - 질량 있는 입자 대부분 소멸
  - 남은 것: 광자, 중성미자, 극희박한 플라즈마
  - 온도 → 0 K, 공간 팽창 → 무한대

공형 구조의 등가성:
  시공간의 "모양"(각도·비율)은 보존되지만
  "크기"(절대 척도)는 의미를 잃음
  → 우주의 무한한 미래 = 새로운 빅뱅의 시작점

다음 아이온(Aeon) — 새로운 빅뱅:
  - 이전 우주의 먼 미래가 공형 변환을 통해
    새로운 우주의 빅뱅 특이점으로 재해석됨
  - 새로운 팽창 시작
  - 블랙홀들의 호킹 복사가 CMB에 동심원 패턴으로 刻印됨

결론: 우주는 무한히 반복되는 아이온들의 연속
     우리 빅뱅 = 이전 우주의 먼 미래의 공형적 재시작

이 이론의 핵심은 크기가 의미를 잃는다는 점입니다. 우주의 먼 미래에는 질량 있는 입자들이 사라지고 광자만 남는다면, 시간 척도와 공간 척도 자체가 의미를 잃습니다. 그 상태는 수학적으로 새로운 빅뱅의 시작과 "같아집니다."

에크파이로틱 우주론 — 브레인의 충돌

CCC와는 전혀 다른 방향에서 순환 우주를 제안한 이론이 있습니다. 폴 스타인하트와 닐 투록이 2001년 제안한 "에크파이로틱(Ekpyrotic)" 우주론입니다.

에크파이로틱은 그리스어로 "불에서 태어남"을 의미합니다. 이 이론의 배경은 초끈 이론입니다.

초끈 이론에서는 우리 우주가 더 높은 차원 속에 떠 있는 3차원 막(brane)이라고 봅니다. 그리고 우리 브레인 근처에 또 다른 평행한 브레인이 존재합니다. 대부분의 시간 동안 두 브레인은 조용히 팽창하지만, 주기적으로 서로 접근하다가 충돌합니다. 이 충돌이 막대한 에너지를 방출하고, 그 에너지가 빅뱅처럼 새로운 뜨거운 우주를 만듭니다.

이 시나리오에서 빅뱅은 태초의 사건이 아닙니다. 두 브레인 세계가 주기적으로 충돌하는 반복적인 사건입니다. 우주에는 시작도 끝도 없으며, 오직 주기적인 충돌과 팽창이 있을 뿐입니다.

순환 우주의 흔적 — CMB에서 이전 우주를 찾아라

가장 흥미로운 질문은 이것입니다. 순환 우주론이 맞다면, 이전 우주의 흔적이 지금 우리가 관측할 수 있는 무언가에 남아 있어야 합니다. 그것이 없다면, 이 이론들은 검증 불가능한 철학에 불과합니다.

펜로즈의 CCC는 구체적인 예측을 합니다. 이전 우주에서 거대한 블랙홀들이 충돌하며 호킹 복사를 방출했고, 그 신호가 공형 변환을 거쳐 현재 CMB에 동심원 패턴으로 刻印되어 있다는 것입니다.

펜로즈와 그의 동료들은 실제로 CMB 데이터에서 이런 동심원 패턴을 찾았다고 주장했습니다. 그러나 학계의 반응은 엇갈렸습니다. 일부 연구자들은 같은 데이터에서 그런 패턴을 재현할 수 없다고 반박했고, 다른 연구자들은 통계적으로 유의미한 패턴이 존재한다고 지지했습니다. 논쟁은 현재진행형입니다.

순환 우주론 모델 비교

모델	핵심 메커니즘	이전 우주 상태	검증 수단	주요 지지자
공형 순환 우주론 (CCC)	공형 등가성 — 먼 미래 = 새 빅뱅	극희박한 광자/중성미자	CMB 동심원 패턴	로저 펜로즈
에크파이로틱 우주론	브레인 충돌	수축하는 브레인	원시 중력파 부재	스타인하트, 투록
진동 우주론 (Oscillating)	팽창 → 수축 → 반동	수축하는 우주	보존된 엔트로피 구조	고전적 모델
빅 바운스 (LQG)	루프 양자 효과가 수축 반전	LQG 최소 부피 도달	CMB 이방성, 중력파	아시테카르, 보요왈드

과학적 검증 가능성 — 이 이론들은 반증 가능한가

과학 철학의 관점에서, 이론은 반증 가능해야 합니다. 원칙적으로 틀렸음을 보일 수 있어야 한다는 것입니다.

CCC는 반증 가능합니다. CMB에서 동심원 패턴이 전혀 발견되지 않는다면, 혹은 발견된 패턴이 통계적 우연임이 충분히 큰 데이터로 밝혀진다면, CCC는 기각됩니다. 플랑크 위성과 사우스폴 망원경 등이 지금도 CMB를 정밀하게 관측하고 있습니다.

에크파이로틱은 원시 중력파를 예측하지 않습니다. 표준 인플레이션 이론은 강한 원시 중력파를 예측합니다. 만약 CMB B-모드 편광 관측에서 강한 원시 중력파 신호가 발견된다면, 에크파이로틱은 기각되고 인플레이션이 지지를 받습니다. 반대라면 에크파이로틱이 살아남습니다. LiteBIRD 위성이 바로 이것을 측정하기 위해 2030년대 발사를 준비하고 있습니다.

진동 우주론의 고전적 버전은 엔트로피 문제로 사실상 기각된 상태입니다. 순환할 때마다 엔트로피가 증가하기 때문에, 현재의 낮은 엔트로피 상태로는 무한한 과거의 순환을 설명할 수 없습니다.

무한한 시간의 고리 속에서

만약 우주가 순환한다면, 우리는 무한히 긴 시간의 고리 안에 있는 것입니다. 과거도 없고 미래도 없으며, 오직 끝없는 죽음과 재탄생이 있을 뿐입니다. 어느 아이온에서 누군가가 이 질문을 던졌을까요? 어느 아이온에서도 이런 문명이 생겨나 우주를 관측하려 했을까요?

우리가 사는 이 우주는 첫 번째 우주인가요, 아니면 천 번째 우주인가요?

현재 과학으로는 답할 수 없습니다. 그러나 답을 찾으려는 시도 자체가, 이미 우주의 위대한 드라마 중 하나입니다. 펜로즈가 CMB에서 동심원을 찾고, 젊은 물리학자들이 중력파 데이터를 분석하며, 망원경들이 우주의 가장 먼 곳을 응시하는 이 순간들이 모두 그 드라마의 일부입니다.

빅뱅은 처음이 아닐 수 있습니다. 그리고 그 가능성이 우주를 바라보는 우리의 시선을 영원히 바꾸어 놓았습니다.