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진공에너지, 보이지 않는 신비

별이나 우주에 관심이 있는 사람이라면 중고등학교 지구과학 시간에 우주의 팽창에 관련된 얘기를 들어본 적이 있을 것이다. 불과 80여년 전 허블에 의해 관측된 다른 은하와의 거리의 멀어짐은 우주가 팽창하고 있다는 중요한 증거가 되었다. 하지만, 우주가 팽창하는 근본적인 원인과 언제까지 팽창하는가 혹은 수축할 것인가에 대해서 지난 반세기 이상 논의가 되었지만 뚜렷한 결론을 내지 못하고 있었다. 특히 우주의 팽창은 어느 한계점이 있어서 그 이상 되지 않을 것이라는 의견이 지배적이었고, 우주의 탄생(빅뱅 이론)을 감안해 보았을 때 우주가 팽창이 끝나면 다시 원래대로 돌아가기 위한 수축 과정을 거칠 것이고 결국 또 다른 빅뱅을 위한 과정으로 돌아갈 것이라는 의견이 설득력 있어 보였다.

하지만, 초신성이 멀어지는 속도를 관측한 결과 앞의 내용과는 전혀 다르게 우주의 팽창 속도는 오히려 급속하게 가속되고 있음이 밝혀 졌다. (초신성은 태양보다 훨씬 무거운 별이 폭발을 일으키면서 빛을 발하게 되는데, 몇 주 동안 안정되게 빛을 발하기 때문에 팽창 속도를 계산하기에 좋은 샘플이 된다고 한다.) 이 놀라운 결과는 기존의 과학이론으로는 설명이 불가능했다. 그도 그럴 것이 뉴턴의 만유인력의 법칙에 의해 행성간 또 은하간에 인력이 작용하기 때문에 마냥 팽창 속도가 급격하게 증가하는 관측 결과를 설명할 수 없기 때문이다. 결국 우주에는 이러한 인력에 반발하는 또 다른 힘이 존재한다고 볼 수 있다. 일찍이 아인슈타인이 우주를 지배하는 우주방정식에 이 인력에 반발하는 미지의 힘이 있다고 생각하고 방정식에 추가한 항이 있었다. 하지만, 이 추가된 항은 기존의 우주 방정식에서 인력에 의해 우주가 축소될 가능성이 있었기에 삽입된 항이었고 차후 아인슈타인이 이 추가된 항은 오류였다고 밝혔다. 그렇다면 과연 어떤 미지의 힘이 우주의 급속도의 팽창을 야기시키는 것인가? 이 질문에 대한 대답이 무엇이냐에 따라 언제든지 현대물리학 교과서는 다시 쓰여져야만 한다.

그리고 지난 2005년 다시 한번 놀라운 결과가 발표되었다. 그것은 진공에너지에 대한 연구 결과의 최종 발표였는데, 완벽히 밀폐된 무중력상태의 진공용기에서 아무런 힘이 작용하지 않는데도 무엇인가가 진공용기 속의 추를 밀어내는 현상이 발견되었고 그것을 가능하게 하는 것이 바로 진공에너지라는 것이었다. 익히 알다시피 진공상태는 기본적으로 입자나 원자들의 개수가 제한적인 상태를 말한다. 우주를 이루고 있는 대부분의 영역이 이러한 진공상태이기 때문에 우주 전역에 영향을 끼칠 수 있다. 그리고 이 에너지의 특징은 공간이나 시간에 제약을 받지 않고, 공간이 커짐에 따라 밀도가 옅어지는 일반적인 예측과는 달리 공간이 커져도 밀도의 차이가 생기지 않을 채 계속해서 같은 밀도로 스스로 생겨난다고 한다. 때문에 우주가 팽창하면 할수록 같은 밀도의 진공에너지로 인해 net force가 증가하여 팽창 속도를 가속시키게 된다.

이 진공에너지의 기원에 대해서는 여전히 많은 토의가 진행중이다. 알려진 바에 의하면 진공이라고 하더라도 진공에너지에 의해 극히 짧은 시간에 아무것도 없는 공간으로부터 갑자기 입자가 나타났다가 사라진다고 한다. 여기서 말하는 아무것도 없는 공간은 우리가 인지할 수 있는 4차원이라는 것을 감안한다면, 그 이상의 차원에서 기인되는 힘이라고 생각이 된다. 즉, 진공에너지는 고차원에서만 발현되기 때문에 지금까지 알려지지 않았고 우리가 쉽게 측정을 하지 못한 것이라고 생각된다. 만약 인류의 과학이 계속 발전하여 고차원에 대해 연구가 가능해진다면 진공에너지의 기원과 더불어 이를 응용할 수 있을 것으로 기대되고 나아가 우리가 알고 있는 물리적인 한계(예를 들면 빛으로 몇 백년을 가야 도달할 수 있는 곳을 고차원 공간을 이용해 단시간에 이동하는)를 어쩌면 벗어날 수 있을지도 모른다는 생각을 해본다.