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과학자들은 지난 수십 년간 우리 우주가 적어도 한때는 거대한 홀로그램이었을지 모른다는 아이디어를 연구해 왔습니다. 여기서 홀로그램이란 비록 이 우주가 3차원으로 보이지만 실제 물리법칙을 설명하는 데 단 2차원만을 필요로 한다는 뜻입니다.

이 아이디어가 쉽게 증명될 리 없다는 것은 당신도 눈치챌 수 있을 겁니다. 하지만 물리학자들은 홀로그램 이론으로 표준 빅뱅만큼이나 초기 우주를 잘 설명할 수 있는 증거를 발견했습니다.

“오늘날 보편적으로 받아들여지는 빅뱅 모델은 중력과 팽창으로 우주를 설명합니다. 우리는 이와는 전혀 다른 홀로그램 우주 이론을 제안합니다.” 연구팀의 일원인 캐나다 온타리오 워털루 대학의 니아예쉬 애프쇼디의 말입니다.

“앞으로 데이터를 더 모으고 이론을 다듬는다면 우리는 이 두 이론 중 어느 것이 옳은지 검증할 수 있게 될 겁니다. 길어야 5년일 겁니다.”

정확히 말하자면, 이들은 우리가 지금 홀로그램 속에 살고 있다고 말하는 것은 아닙니다. 이들의 주장은 빅뱅 이후 수십만 년 뒤인 초기 우주 당시 모든 것은 2차원 경계에서 3차원으로 투영되었다는 것입니다.

‘홀로그램 가설’은 90년대 물리학자 레너드 서스킨트가 널리 알린 것으로, 우리가 이해하는 물리법칙들이 반드시 3차원을 필요로 하는 것은 아니라는 주장에서 시작합니다.

그럼 도대체 어떻게 3차원으로 보이는 우주가 실은 2차원일 수 있을까요?

이는 공간이 경계 – 혹은 관찰자에 의존하는 중력의 지평선 – 에 ‘부호화’되어 새겨져 있다는 뜻입니다. 따라서 실제 보이는 것보다 한 차원이 줄어듭니다.

2차원 스크린에서 3차원 홀로그램이 투영되는 것처럼, 이 가설은 우리 3차원 우주가 2차원의 경계에서 투영되었다고 주장합니다.

1997년 이래 이 아이디어를 지지하는 논문이 1만 편 이상 발표되었습니다. 즉 이 아이디어는 그저 허튼소리가 아닙니다.

애프쇼디와 그의 연구팀은 ‘빅뱅’의 흔적으로 알려진 우주 마이크로 배경복사 중 고르지 못한 부분을 조사해 초기 우주가 홀로그램이었음을 보여주는 강력한 증거를 발견했습니다.

“당신이 3차원에서 보고, 듣고, 느끼는 (시간의 지각까지 포함한) 모든 것이 사실은 평평한 2차원에서 나온 것이라고 상상해 보세요.” 연구팀의 일원인 영국 사우스햄튼 대학 코스타스 스켄더리스의 말입니다.

“이는 크레딧 카드처럼 3차원 영상이 2차원 표현에 새겨져 있는 일반적인 홀로그램과 비슷합니다. 단지 우리 우주 전체가 새겨져 있다는 차이가 있지요.”

비록 표준 빅뱅 이론이 훨씬 더 그럴듯하게 들리긴 하지만, 빅뱅 이론에는 물리법칙으로 설명할 수 없는 매우 근본적인 문제가 있습니다. 애초에 물리학자들이 이 홀로그램 가설을 진지하게 검토했던 이유 가운데 하나도 이 근본적인 문제 때문입니다.

빅뱅 이론은 화학 반응이 우리 우주를 만든 거대한 팽창을 일으켰으며 극초기에 엄청난 속도로 이 팽창이 이루어졌다고 말합니다.

오늘날 대부분의 물리학자는 이 우주 팽창 이론을 받아들이지만, 누구도 어떻게 우주가 원자보다 작은 크기에서 골프공 크기까지 거의 순간적으로, 곧 빛보다 빠른 속도로 팽창할 수 있었는지는 알지 못합니다.

마치 오늘날 우리가 거대한 물체를 원자 수준에서 설명하려 할 때 현재의 일반 상대론과 양자 역학이 일치하지 않는 것처럼, 이 물리학의 근본적인 두 이론은 어떻게 전체 우주가 그렇게 극히 작은 크기 안에 있을 수 있었는지도 설명하지 못합니다.

“두 이론을 포함할 수 있는 양자 중력이론은 만약 우리가 공간 한 차원을 버린다면, 중력을 버릴 수 있으며 모든 것을 쉽게 설명할 수 있음을 말해줍니다.” 라이언 F. 만델바움은 기즈모도와의 인터뷰에서 이렇게 말했습니다.

여기서 홀로그램 우주 가설이 등장합니다.

“빅뱅 이래 우리가 관찰하는 모든 것을, 우주가 한 차원 적다는 가정으로 완벽하게 설명할 수 있기 때문에 이는 홀로그램 가설이라 불립니다.” 애프쇼디가 만델바움에게 한 말입니다.

홀로그램 원리가 빅뱅 이후의 우주를 얼마나 잘 설명할 수 있는지 확인하기 위해 이들은 시간 1차원과 공간 2차원으로 된 모델을 만들었습니다.

이들이 우리 우주에서 관찰된 실제 우주배경복사 – 빅뱅 이후 수십만 년 뒤 나타난 열 복사에너지 – 데이터를 넣자, 두 결과가 완벽하게 맞아떨어졌습니다.

하지만 한 가지 조심할 점이 있습니다. 이 모델은 관찰 각도가 10도 이하일 때만 일치했습니다.

연구진은 자신들이 우리 초기 우주가 실제로 홀로그램이었음을 증명한 것은 아니라고 말합니다. 단지, 실제 우주 관측결과가 2차원 물리법칙에서 부족한 부분을 설명하며, 따라서 우리는 이 가설을 배제할 수 없다는 것입니다.

그렇다면 지금 우리가 홀로그램 속에 살고 있을 가능성도 있을까요? 애프쇼디는 그렇지 않다고 답합니다. 그들의 모델은 오직 초기의 우주에만 성립합니다.

어떻게 2차원의 우주가 3차원으로 바뀌었는지는 아직 누구도 알지 못합니다.

“나는 우리가 홀로그램에 살고 있지는 않다고 생각합니다. 하지만 홀로그램에서 나온 존재들일 수는 있습니다.” 애프쇼디가 기즈모도와의 인터뷰에서 한 말입니다. “지금은 3차원입니다.”

(사이언스 얼러트)

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