우주 전체를 말없이 지배하는 것은 무엇일까?

(댄 트리 신문) - 기본 상수는 단순한 숫자가 아닙니다. 그것들은 우주의 존재 전체를 형성하는 근간입니다.

상수의 불가사의한 값

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따라 은하의 중력이 시공간을 어떻게 휘게 하는지를 보여주는 그림 (이미지: 과학 도서관).

밤하늘을 바라보며 우리는 종종 생명, 별, 행성, 심지어 인류에 이르기까지 우주가 왜 이런 모습으로 존재하는지 궁금해합니다. 하지만 우주 만물이 자연의 기본 상수라고 알려진 특별한 숫자 집합에 의해 지배된다는 사실을 아는 사람은 드뭅니다.

이 수치들은 인간이 만들어낸 것이 아니라, 우주에서 힘과 물질이 서로 어떻게 상호작용하는지를 설명하는 고정된 값들입니다.

예를 들어, 진공에서의 빛의 속도는 항상 약 299,792,458 m/s이고, 중력 상수 G는 6.674 x 10⁻¹¹ m³/kg/s²이며, 전자의 질량은 9.1 x 10⁻³¹ kg입니다.

이 숫자들은 아주 조금만 바뀌어도 우주 전체를 뒤바꿀 수 있고, 심지어 생명체가 사라질 수도 있습니다. 가장 큰 의문은 바로 이것입니다. 왜 이 숫자들은 항상 같은 값을 가지는 걸까요? 어디에서 온 걸까요? 단순한 우연일까요?

물리학 덕분에 우리는 돌멩이가 떨어지는 것부터 우주 전체의 팽창에 이르기까지 세상을 설명하는 매우 정밀한 방정식과 모델을 만들 수 있습니다. 하지만 각 방정식에는 몇 가지 입력값, 즉 상수가 필요합니다.

그것들은 현대 물리학이라는 건축물을 지탱하는 "들보"와 같습니다. 하지만 이상하게도 현재의 어떤 이론도 그것들이 어디에서 비롯되는지 설명할 수 없습니다. 과학자들은 단지 그것들의 실험값을 측정하고 모델에 통합할 수 있을 뿐입니다.

공의 운동을 시뮬레이션한다고 상상해 보세요. 뉴턴의 법칙을 사용하여 작용하는 힘을 설명할 수 있지만, "중력의 세기는 얼마나 될까?"를 알아야 합니다. 이는 모델에서 얻을 수 있는 것이 아니라 실제로 측정해야 합니다.

마찬가지로 전자기력의 세기, 플랑크 상수, 기본 입자 간의 비율과 같은 상수들은 현재의 이론적 토대에서는 계산할 수 없는 "주어진" 매개변수들입니다.

상수는 정말로 "불변"한 것일까요?

아인슈타인은 일반 상대성 이론의 창시자이며, 이 이론에는 시공간의 "곡률" 정도를 설명하는 데 필수적인 양인 중력 상수 G의 개념이 포함되어 있습니다 (사진: 게티 이미지).

물리학자들이 "이 수치들은 정말 '상수'인가? 즉, 절대 변하지 않는가?"라는 질문을 던지면서 문제는 더욱 흥미로워집니다.

만약 그 중 어느 하나라도 시간, 공간 또는 물리적 환경에 따라 아주 미미하게라도 변한다면, 그것은 그것들이 진정으로 근본적인 것이 아니라, 아직 탐구되지 않은 더 심오한 이론의 단순한 표현일 뿐이라는 것을 의미합니다.

이를 검증하기 위해 과학자들은 지구와 우주에서 수많은 정밀 실험을 설계했습니다. 실험실에서는 원자 시계를 사용했습니다. 원자 시계는 원자 진동의 아주 미세한 변화까지 감지할 수 있고, 미세구조 상수(FSC)와 같은 상수의 시간 경과에 따른 변화를 추적할 수 있는 매우 정교한 장치입니다.

현재까지 측정 정확도는 1년의 10억분의 1에 해당하는 변화를 감지할 수 있는 수준에 도달했지만, 아직까지 의미 있는 변화는 기록되지 않았습니다.

천문학적 관점에서 연구자들은 지구에서 수십억 광년 떨어진 매우 밝은 천체인 퀘이사에서 나오는 빛을 관측합니다. 또한 우주 형성 초기 단계의 빛의 잔해인 우주 마이크로파 배경(CMB)을 분석하기도 합니다.

여기서 핵심은 만약 상수들이 먼 과거에 변했다면, 멀리 떨어진 천체에서 오는 빛에 영향을 미쳐 차이가 나타났을 것이라는 점입니다. 하지만 관측 결과는 이러한 상수들이 이상하리만치 안정적인 상태를 유지하고 있음을 보여줍니다.

이러한 값들이 100% 상수라고 확신할 수는 없다는 점에 유의해야 합니다. 변화가 감지되지 않더라도 모든 측정에는 항상 어느 정도의 불확실성이 존재하며, 따라서 상수들이 변화하고 있지만 감지하기에는 너무 작은 속도로 변화하고 있을 가능성이 항상 존재합니다.

우주는 여전히 많은 불가사의를 간직하고 있다.

기본 상수는 단순히 건조한 숫자가 아닙니다. 그것들은 우주의 존재 전체를 형성하는 근간입니다. 그것들은 힘들이 어떻게 상호작용하는지, 원자가 어떻게 형성되는지, 별이 어떻게 타오르는지, 그리고 생명이 어떻게 발생하는지를 결정합니다.

만약 그 수치가 조금이라도 어긋났다면, 우주는 오늘날 우리가 보는 것처럼 텅 비어 있거나, 혼돈스럽거나, 생명체가 전혀 없는 상태였을 수도 있습니다.

하지만 과학은 아직 "왜 이런 상수들이 존재하는가"를 설명하지 못하고 있습니다. 이러한 상수들은 우연의 산물일까요? 아니면 현재 우리의 이해를 넘어서는 더 심오한 우주론적 이론의 발현일까요?

아직 모든 해답을 찾지는 못했지만, 끊임없이 질문하고 배우는 과정은 인류를 현대 물리학의 중대한 전환점으로 이끌 수 있을 것입니다. 마치 상대성 이론과 양자역학이 20세기 과학계를 뒤흔들었던 것처럼 말입니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/thu-gi-am-tham-chi-phoi-ca-vu-tru-20250525082833517.htm