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작은 우주 문제

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작은 우주 문제

우주는 크다고 Douglas Adams는 말합니다.

우리가 볼 수 있는 가장 먼 빛은 우주 마이크로파 배경(CMB)으로 우리에게 도달하는 데 130억년 이상이 걸렸습니다. 이것은 관측 가능한 우주의 가장자리를 표시하며, 이것이 우주의 너비가 260억 광년이라는 것을 의미한다고 생각할 수도 있지만, 우주 팽창 덕분에 이제 그 너비는 460억 광년에 가까워졌습니다. 모든 면에서 이것은 매우 큰 문제입니다. 그러나 대부분의 우주론자들은 우주가 관찰할 수 있는 각도보다 훨씬 더 크다고 믿습니다. 우리가 볼 수 있는 것은 상상할 수 없을 정도로 넓은 공간의 작은 부분이지만, 창조가 끝이 없다면. 그러나 새로운 연구에 따르면 관측 가능한 우주는 대부분 존재하는 모든 것입니다.

즉, 우주적 차원에서 우주는 매우 작습니다.

우주론자들이 우주가 크다고 믿는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 첫 번째는 은하단의 분포이다. 우주가 우리가 보는 것 이상으로 확장되지 않는다면, 더 먼 은하들은 우주의 우리 지역을 향해 중력의 당기는 힘을 느낄 것이지만 우리로부터 멀어지지는 않을 것이며 비대칭 성단으로 이어질 것입니다. 은하들은 관측 가능한 우주 전체에 걸쳐 대략 동일한 규모로 모여 있기 때문입니다. 즉, 관측 가능한 우주는 균질하고 등방성입니다.

두 번째 요점은 시공간은 평평하다. 시공간이 평평하지 않다면 먼 은하에 대한 우리의 시각은 왜곡되어 실제보다 훨씬 더 크거나 작게 보일 것입니다. 먼 은하들은 우주 팽창으로 인해 약간 더 크게 보이지만, 시공간이 전체적으로 휘어져 있음을 암시하는 방식은 아닙니다. 우리의 관측 한계에 따르면 우주가 평평하다는 것은 관측 가능한 우주보다 최소 400배 더 크다는 것을 의미합니다.

팽창은 CMB 온도를 균일하게 만듭니다. 크레딧: Nick Strobel

그렇다면 우주 마이크로파 배경은 거의 완벽한 흑체라는 사실이 있습니다. 온도에 약간의 변동이 있지만 예상보다 균일합니다. 이를 설명하기 위해 천문학자들은 빅뱅 직후의 대규모 팽창 기간, 즉 초기 우주 인플레이션을 제안했습니다. 이에 대한 직접적인 증거는 관찰되지 않았지만 이 모델은 많은 우주론적 문제를 해결하여 널리 받아들여졌습니다. 모형이 정확하다면 우주는 10위다.26 관측 가능한 우주보다 몇 배 더 큽니다.

그렇다면 이 모든 이론적, 관찰적 증거에 비추어 볼 때 누가 우주가 작다고 주장할 수 있겠습니까? 끈 이론과 늪에 관한 것입니다.

끈 이론은 흔히 물리학 이론으로 제시되지만 실제로는 수학적 방법의 집합체입니다. 복잡한 물리적 모델을 개발하는 데 사용될 수도 있지만 그 자체로 수학일 수도 있습니다. 끈 이론의 수학을 물리적 모델에 연결할 때의 한 가지 문제는 그 효과가 가장 극단적인 상황에서만 나타날 것이며 다른 모델을 배제할 만큼 충분한 관찰 데이터가 없다는 것입니다. 그러나 끈 이론의 일부 모델은 다른 모델보다 더 유망해 보입니다. 예를 들어 일부 모델은 양자 중력과 호환되지만 다른 모델은 호환되지 않습니다. 종종 이론가들은 전망이 없는 이론의 “늪”을 식별합니다.

끈 이론의 대부분은 늪에 빠져 있습니다. 크레딧: APS/Alan Stonebraker

유망한 이론적 땅을 늪에서 분리할 때 남는 것은 초기 우주 인플레이션이 선택 사항이 아닌 이론입니다. 인플레이션 끈 이론의 대부분의 모델은 늪지대에 존재합니다. 이는 초기 인플레이션 없이 관찰과 일치하는 우주론적 모델을 구축할 수 있는지 묻는 질문으로 이어집니다. 이것이 우리를 이 새로운 연구로 이끌었습니다.

초기 우주 인플레이션을 해결하는 한 가지 방법은 더 높은 차원의 구조를 살펴보는 것입니다. 고전 일반 상대성 이론은 4개의 물리적 차원, 즉 3개의 공간과 1개의 시간, 즉 3+1을 기반으로 합니다. 수학적으로 전역 구조가 효율적인 3+1 구조로 결합될 수 있는 3+2 또는 4+1 우주를 상상할 수 있습니다. 이것은 일반 상대성 이론의 표준 구조에 국한되지 않기 때문에 끈 이론에서 일반적인 접근 방식입니다. 저자들은 올바른 조건 하에서 끈 이론 내에서 관찰과 일치하고 수렁을 피하는 고차원 구조를 만들 수 있음을 보여줍니다. 그들의 게임 모델에 따르면 우주는 관측 가능한 우주보다 단지 100배 또는 1000배 더 클 수도 있습니다. 여전히 규모는 크지만 초기 인플레이션 모델에 비하면 상당히 작은 규모입니다.

이것은 모두 추측일 뿐이지만, 어떤 면에서는 초기 우주 인플레이션의 경우도 마찬가지입니다. 초기 우주 인플레이션이 사실이라면, 우리는 꽤 가까운 미래에 중력파를 통해 그 효과를 관찰할 수 있을 것입니다. 그것이 실패한다면, 우리를 이론적 수렁에서 벗어나게 해주는 끈 이론의 모델을 더 자세히 살펴볼 가치가 있을 것입니다.

참조: Linners, Jean-Luc 및 Quentin, 제롬. “작은 우주“. arXiv 사전 인쇄 arXiv:2309.03272 (2023)

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