빅뱅 이전

머리말
들어가며

1. 중력: 질량 사이의 인력
뉴턴의 중력법칙
공간과 시간의 상대성
일반상대성 이론
2. 양자 이론: 불확실한 안정성
원자의 안정성
흑체복사
플랑크 크기
3. 수학의 역할에 대한 간주곡: 방정식 속의 세상
수학 자신을 위한 수학
무한의 남용
가정과 이론에 대하여
4. 양자 중력: 모든 것의 결합
양자중력이란
루프양자중력
루프양자우주론
그래서 빅뱅이전에 실제로 무슨 일이 일어났는가?
5. 관측 우주론: 전체 우주 관측하기, 과거와 미래
관측 우주론의 삼 요소
음의 압력
더 이상의 시험 가능성
6. 블랙홀: 붕괴, 그리고 해피엔딩?
블랙홀로 가는 길
중심의 특이점
블랙홀의 양자이론
7. 시간의 화살: 늙어가는 세상
시간이라는 개념
엔트로피
시간의 화살
8. 우주 탄생론: 신화와 방법론
비유
신화
이론
9. 하나의 세상: 이상적인 과학
초기값 문제
우주의 파동함수
하나의 세상?
10. 모든 것의 이론?: 물리학과 오만
원리
하나의 이론, 하나의 해?
11. 과학의 한계와 자연의 고상함
주석
옮긴이의 말
찾아보기

빅뱅 초기의 우주에는 우리가 알고 있는 세계의 한계를 볼 수 있다. 현재 사용되고 있는 일반상대성이론과 양자 이론은 모든 성공에도 불구하고 우주를 완전하게 기술하지는 못하고 있다. 우주의 시간적 진화에 대한 모델을 찾아내기 위해 일반상대성이론의 방정식을 풀면 항상 우주의 온도가 무한대가 되는 우주의 특이점에 도달하게 된다. 빅뱅의 순간에 우주의 온도가 매우 높았을 것이라는 것은 놀라운 일이 아니다. 팽창하고 있는 우주에서는 초기 우주의 크기가 현재보다 훨씬 작았을 것이고, 따라서 밀도와 온도가 높았을 것이다. 그러나 물리학적 이론의 결과가 이들 값이 무한대라는 것은 이 이론이 한계 밖으로 연장되었다는 것을 의미한다. 그런 곳에서는 물리학의 방정식들이 모든 의미를 상실한다. 빅뱅 모델의 경우 세상의 시작을 예측하기 위해서는 방정식이 붕괴되어야 한다고 생각해서는 안 된다. 그럼에도 불구하고 그런 식으로 설명하는 경우가 많다. 수학 방정식이 무한대의 값을 나타내는 시점이 시간의 시작(또는 끝)일 수 없다. 그보다는 이 이론이 한계를 드러내는 곳이다. 다른 부분에서의 성공에도 불구하고 양자이론과 결합된 일반상대성이론은 확장을 기다리고 있다.
문제는 지난 세기에 행해진 물리학적 연구가 가져온 혁명이 불완전하다는데 있다. 양자이론은 우주의 물질을 기술하는데 사용되었지만 중력이나 공간과 시간 자체를 기술하는 데는 사용되지 않았다. 중력이나 공간과 시간은 양자물리학과는 독립적인 일반상대성이론의 영역이었다. 공간과 시간의 영역에서 양자 이론과 일반상대성이론의 성공적인 결합은 알려진 이론들을 상당히 확장시켰다. 그러한 결합은 -양자 중력은- 온도가 매우 높았던 빅뱅을 설명하는데 특히 중요하다. 이 이론은 빅뱅 특이점의 무한대 문제를 해결해 줄 것으로 기대하고 있다. 빅뱅은 정말로 모든 것의 시작이었을까? 아니면 그 이전에 다른 무엇이 있었을까? 만약 빅뱅이 이전에 어떤 것이 있었다면 빅뱅은 무엇이었을까?

일반상대성이론에서 특이점이 존재해야 하는 물리적 이유는 중력에는 척력이 없이 인력으로만 작용하기 때문이다. 뉴턴역학을 뛰어넘는 상대성이론의 대담한 도약을 가능하게 한 공간과 시간의 변화 가능한 구조는 매우 위험한 것으로 판명되었다. 시공간은 수학 방정식의 대상이 되는 역동적인 대상물이 되었다. 불행하게도 단지 예외적인 경우에만 모든 경우에 우주를 정의할 수 있는 해를 가지고 있다. 현재 우주의 해를 포함해서 대부분의 해들은 특정한 점에서 정당성을 잃게 되고 따라서 이 해들로 기술된 시공간 역시 종말을 맞게 된다. 그러한 특이점은 상대성이론이 뉴턴의 원격작용을 제거하면서 중력 법칙의 순수한 인력적 성질을 바꾸지 않았기 때문에 존재하게 된다. 더구나 일반상대성이론의 대담한 개혁으로 물질에 작용하는 인력이 공간과 시간에도 영향을 미칠 수 있도록 했다. 이것은 중력을 공간과 시간 위에 대책 없이 풀어놓은 꼴이 되었다. 따라서 전체적인 붕괴를 정지시킬 반발력에 의한 안전장치 없이 물질의 변덕을 참아내야 하는 상태가 되었다. 심미적인 면에서뿐만 아니라 근본적인 이런 문제를 해결하기 위해 우리는 이 이론을 다시 한 번 확장해야 하고, 다음 단계로 도약해야 한다.

음의 압력은 일반상대성이론에서 순수하게 인력으로만 작용하는 중력의 성격을 유보시킬 수 있다. 그렇다면 이것이 빅뱅의 특이점을 제거하는데 중요한 역할을 할 수도 있지 않을까? 암흑 에너지의 경우와는 달리 이 경우에는 음의 압력 하에 있는 물질이 현재 크기와 같은 넓은 우주에 분포해 있을 필요가 없이 빅뱅 부근의 작은 초기 우주에 분포하면 된다. 우주배경복사에 대한 자세한 관측 덕분에 우리는 초기 우주에서는 균일성의 가정을 확신할 수 있다. 더구나 밀도와 온도가 현재보다 매우 높았었기 때문에 양자 이론이 더 큰 역할을 했을 것이다.