자연계의 가장 근원적 힘을
다른 각도에서 해석한 새로운 이론

뉴튼은 사과나무에서 사과가 떨어지는 모습을 보고 모든 물체는 서로 끌어당기는 힘이 있다는 만유인력의 법칙을 발견했다. 이를 바탕으로 중력이라는 단어가 생겨났고 행성들의 움직임을 정확하게 예측하는 방정식도 만들어졌다.

아인슈타인은 이를 더욱 발전시켜 거대한 물체는 주변 공간을 구부러뜨려서 자신보다 작은 물체를 끌어당긴다고 설명했다. 트램펄린 위에 볼링공과 구슬을 올려놓으면 중력에 의해 볼링공이 위치한 곳이 아래로 내려가며 구슬들이 모이는 것과 동일한 이치다. 이에 근거한 것이 바로 그 유명한 일반 상대성 이론이다.

하지만 일반 상대성 이론이라고 완벽하지는 않다. 우주는 팽창 중이어서 이를 구성하는 모든 물체의 간격은 계속 넓어지고 있다는 것을 기본 전제로 삼고 있기 때문이다. 우주팽창은 허블 우주망원경 관측을 통해 과학적으로 확인된 사실이다.

그런데 여기에 문제가 있다. 일반인들은 다소 이해하기 어렵지만 모든 물체의 간격이 넓어지고 있다면 어느 시점에는 우주의 모든 물체가 한 점에 모여야 한다는 결론이 도출돼야 하는 것. 이 한계는 지난 1세기 가까이 이론물리학자들을 괴롭혀왔다. 일반 상대성 이론에 기초한 거의 모든 방정식들이 입증됐지만 우주의 기원만큼은 설명이 불가능했던 탓이다.

이 이론에 기초해 빅뱅 이전의 우주를 수학적으로 계산하면 우주는 밀도가 무한대에 가깝지만 크기는 무한히 작은 존재여야 한다. 이 같은 이론적 특이성은 방정식의 오류를 알려주는 흔한 특징이다. 미국 인디애나대학 중력 이론물리학자인 니코뎀 포플라브스키는 이렇게 말한다. “물리학자들은 무한수를 좋아하지 않아요. 무한수는 별로 물리적이지 않거든요”

하지만 올 여름 옥스퍼드대학의 물리학자 막시모 바냐도스와 페드로 페레이라가 아인슈타인의 우주론에 대한 해법을 찾아낸 듯 보인다. 이들은 일반 상대성 이론에서 파생된 모든 방정식의 기본인 ‘아인슈타인-힐버트 방정식’을 전자기를 설명하는 ‘본-인펠트 방정식’으로 바꿨다.

본-인펠트 이론 하에서 페레이라와 바냐도스는 정상적 상황에 기반해 아인슈타인의 중력이론을 재현할 수 있었다. 그리고 이것은 과학자들이 발견한 우주의 기원에 대한 조건과도 일치했다. 두 학자에 따르면 중력은 우주의 질량을 밀도가 무한대인 한 점에 모두 몰아넣을 만큼 강하지 않다.

대신 이들이 세워놓은 한계치 내에서라면 중력은 우주를 매우 작은 공 크기로 축소할 수 있다. 이 공 속의 초기우주가 밀도의 한계에 이르러 튕겨나가면서 팽창, 지금의 우주가 됐다는 설명이다.

또한 우주는 초기의 빅뱅이후 지금의 팽창 단계로 접어들기 전에 잠깐의 휴식기를 가졌을 가능성도 제기됐다. 이 주장은 향후 초기의 우주가 남긴 중력파를 분석함으로써 타당성을 검증받게 된다.