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등각순환우주론

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1. 개요

등각순환우주론은 로저 펜로즈가 제안한 우주론으로, 빅뱅과 무한한 우주 확장을 나타내는 시공간을 연결하여 우주가 순환한다는 가설이다. 이 이론은 모든 거대한 입자가 결국 소멸되어야 하며, 입자 붕괴를 요구한다. 물리적 함의로는 보손은 이전 시대와 동일하게 행동하고, 페르미온은 블랙홀 정보 역설의 해법을 제공하며, 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있는 암흑 에너지의 대안을 제시한다. 관측 증거와 관련하여, 우주 마이크로파 배경(CMB)의 동심원과 호킹 점과 같은 이상 현상에 대한 연구가 진행되었으나, 논쟁이 있으며, 페르미 역설과 관련하여 지적 신호가 한 아이온에서 다른 아이온으로 전송될 수 있다는 가능성을 제시한다.

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등각순환우주론
개요
등각 순환 우주론
펜로즈의 등각 순환 우주론 삽화
유형우주론
제안로저 펜로즈
제안 시기2005년
주요 내용
핵심 아이디어우주는 영원히 순환하며, 각 아이온은 이전 아이온의 등각 변환된 사본임.
특이점 문제 해결빅뱅 특이점과 관련된 문제를 해결하고, 우주의 시작과 끝에 대한 새로운 시각을 제공함.
관측 증거우주 마이크로파 배경(CMB)에서 이전 아이온의 흔적을 찾는 연구가 진행 중임.
이론적 배경
수학적 기반일반 상대성 이론과 등각 기하학
주요 개념'아이온'(Aeon): 우주의 한 단계 또는 시대
등각 경계: 아이온 사이의 경계로, 무한대로 확장되어 다음 아이온의 빅뱅이 됨.
블랙홀 증발: 블랙홀 증발은 정보를 전달하는 메커니즘으로 작용할 수 있음.
비판 및 논쟁
과학적 검증이론의 예측에 대한 관측적 증거가 아직 논쟁 중이며, 추가적인 연구가 필요함.
대안 이론표준 람다-CDM 모형과 같은 대안적인 우주론 모델과의 경쟁

2. 기본 구성

등각순환우주론(CCC)은 빅뱅과 무한한 미래 확장을 나타내는 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 계량(FLRW) 시공간을 연결하여 우주를 표현한다. 각 FLRW 시공간은 '아이온(aeon)'이라 불리는 단위를 구성하며, 이전 아이온의 미래 등각 경계는 다음 아이온의 과거 등각 경계와 연결된다.[34]

이 과정에서 모든 질량을 가진 입자는 결국 소멸하거나 질량을 잃게 된다.[19] 보존은 등각 불변 양자장론의 법칙을 따르므로, 아이온 간의 경계는 물리적 장벽이 아니다.

2. 1. 등각 재조정

펜로즈는 빅뱅과 그에 뒤따르는 무한한 미래 확장을 나타내는, 셀 수 있는 열린 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 계량(FLRW) 시공간 다양체들을 연결합하여 등각 순환 우주의 기본 구성을 만들었다.[34] 펜로즈는 FLRW 시공간 사본의 과거 등각 경계가 적절한 등각 재조정 후 미래 등각 경계에 "부착"될 수 있음을 알아냈다. 특히, 각각의 FLRW 계량 g_{ab}시간꼴 무한대에서 0으로 접근하는 등각 인수 \Omega의 제곱을 곱하여, 미래의 등각 경계를 등각적으로 규칙적인 초곡면(현재는 양의 우주상수가 있는 경우 공간과 유사하다고 믿어짐)으로 효과적으로 "압축"한다. 그 결과 펜로즈가 "아이온"(aeon영어)이라고 부르는 일련의 섹터로 구성되고 전체 우주를 표현하는, 아인슈타인 방정식에 대한 새로운 해가 탄생했다.[4][5][19]

2. 2. 입자 붕괴

CCC 가설에 따르면, 모든 질량을 가진 입자는 결국 존재에서 사라지거나 질량을 잃어야 한다. 양성자 붕괴표준 모형의 다양한 추정 확장에서 고려되는 가능성이지만, 관측된 적은 없다. 또한, 모든 전자도 붕괴되거나 전하 및/또는 질량을 잃어야 하는데, 이는 기존의 어떤 추정에서도 허용되지 않는다.[4]

하지만, 로저 펜로즈는 노벨상 강연에서 이 조건을 완화했다. 그는 거의 모든 에너지가 운동 에너지이고 광자가 지배적인 등각 기하학에서는, 양이 무시할 정도로 적다면 일부 질량 입자가 존재할 수 있다고 설명했다.[6]

3. 물리적 함의

보손등각 불변 양자장론의 법칙을 따르기 때문에, 재조정된 시대에서 이전 FLRW과 동일한 방식으로 행동한다(고전적으로 이것은 등각 재조정 하에서 보존되는 빛원뿔 구조에 해당한다). 그러한 입자들에게 에온들 사이의 경계는 전혀 경계가 아니라 여느 때와 마찬가지로 통과할 수 있는 공간적인 표면일 뿐이다. 반면에 페르미온은 주어진 에온에 국한되어 블랙홀 정보 역설에 대한 편리한 해를 제공한다. 펜로즈에 따르면, 에온의 경계를 매끄럽게 유지하려면 블랙홀이 증발하는 동안 페르미온이 비가역적으로 복사로 변환되어야 한다.

등각순환우주론의 곡률 특성은 우주론의 다른 측면에도 편리하다. 첫째, 에온들 사이의 경계는 바일 곡률 가설을 충족하므로 과거 가설, 통계 역학 및 관측에서 요구하는 특정 종류의 낮은 엔트로피 과거를 제공한다.[1] 둘째, 펜로즈는 에온 사이의 경계를 넘어 일정량의 중력 복사가 보존되어야 한다고 계산했다. 펜로즈는 이 여분의 중력 복사가 암흑 에너지 장이란 개념을 도입하지 않고도 현재 관측된 우주의 가속 팽창을 설명하기에 충분할 수 있다고 제안한다.[1]

4. 관측적 증거 조사

2010년, 펜로즈와 바헤 구우자디안은 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기(WMAP)와 BOOMERanG 실험을 통해 우주 마이크로파 배경(CMB)을 관측한 결과, 우주론의 표준 람다-CDM 모델에 기반한 시뮬레이션에 비해 과도한 동심원이 포함되어 있다고 주장하는 출판 전 논문을 발표했다. 그러나 이 탐지 주장의 통계적 중요성은 이후 논란이 되었다. 여러 연구단체들이 독립적으로 이 결과를 재현하려 시도했지만, 람다-CDM 시뮬레이션에서보다 데이터에 더 이상 동심원이 나타나지 않는다는 점에서, 동심 이상 현상 탐지 주장은 통계적으로 유의하지 않다는 것을 발견했다.[36][37][38][39]

이러한 불일치는 중요성을 결정하는 데 사용되는 시뮬레이션 구성 방법의 문제로 밝혀졌다. 분석을 반복하려는 독립적인 시도들은 모두 표준 람다-CDM 모델을 기반으로 한 시뮬레이션을 사용했지만, 펜로즈와 구우자디안은 문서화되지 않은 비표준 접근 방식을 사용했다.

2018년 8월 6일에 발표된 논문에서 다니엘 안, 크시슈토프 안토니 마이스너, 파웰 뉴로우스키 및 펜로즈는 "...이상점은 CCC의 유효성과 관계없이 우주론에 중요한 새로운 입력을 제공한다"라며 계속된 CMB 데이터 분석을 제시했다. 2022년에 또 다른 그룹은 이전 연구에서 사용된 검색 기준을 적용할 때, 단일 또는 몇 개의 밝은 픽셀로 구성된 CMB 변칙에 대한 프리프린트를 발표했다. 이들은 데이터에서 이상 현상을 제거한 후, 통계적으로 유의미한 저분산 원 결과가 없다고 주장했다. 가장 중요한 점은, CMB에 그러한 뚜렷한 특징이 없다는 것이 등각 순환 우주론을 반증하지 않는다는 것이다. 왜냐하면 그러한 원과 호킹 포인트의 밀도가 크면 대신 CMB에서 간섭 반점 패턴이 발생할 수 있기 때문이다. 또한 데이터의 통계적 분포가 가우시안이 아니므로 아직 완전히 설명되지 않은 기본 정보가 있음을 나타낸다고 덧붙였다.

4. 1. 스카이 트위스트 절차

2013년에 구우자디안과 펜로즈는 시뮬레이션에 기반하지 않고 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기(WMAP) 데이터를 직접 분석하는 "스카이 트위스트 절차"라는 새로운 방법을 발표했다.[40] 2015년에 그들은 WMAP의 데이터를 확인하는 플랑크 데이터 분석 결과를 발표했는데, 여기에는 이러한 구조의 불균일한 분포도 포함되어 있었다.[41]

4. 2. 호킹 점

2010년, 펜로즈와 바헤 구르자디안은 우주 마이크로파 배경(CMB) 관측 데이터에 표준 람다-CDM 모델 기반 시뮬레이션보다 동심원이 더 많이 나타난다는 출판 전 논문을 발표했다. 그러나 이 주장의 통계적 중요성은 논란이 되었다. 세 연구단체가 독립적으로 재현을 시도했지만, 데이터에서 람다-CDM 시뮬레이션보다 더 많은 동심원이 발견되지 않아 통계적으로 유의미하지 않다는 결론을 내렸다.[36][37][38][39]

이러한 불일치는 시뮬레이션 구성 방식의 차이 때문이었다. 세 번의 독립적인 시도는 모두 표준 람다-CDM 모델 기반 시뮬레이션을 사용했지만, 펜로즈와 구르자디안은 문서화되지 않은 비표준 접근 방식을 사용했다.

2013년, 구르자디안과 펜로즈는 시뮬레이션에 의존하지 않고 WMAP 데이터를 직접 분석하는 "스카이 트위스트 절차"라는 새로운 방법을 발표했다.[40] 2015년에는 이 구조의 불균일한 분포를 포함하여 WMAP 데이터를 확인하는 플랑크 데이터 분석 결과를 발표했다.[41]

2018년 논문에서 다니엘 안, 크시슈토프 안토니 마이스너, 파웰 뉴로우스키 및 펜로즈는 CMB 데이터 분석을 통해 이상점이 "호킹 점"일 수 있으며, 이전 아이온의 초거대 블랙홀에서 발생한 호킹 복사의 잔재일 수 있다고 제안했다. 원래 논문은 BICEP2 팀이 발견한 B 모드 위치가 호킹 점 중 하나라고 주장했지만, 이 주장은 나중에 삭제되었다. 2020년 분석에서는 겉보기에는 이례적인 "호킹 포인트"는 표준 인플레이션과 일치하며, 등각 순환 우주론의 증거로 사용할 수 없다고 주장한다.[42] 2022년 연구에서는 CMB 변칙 자체가 호킹 포인트의 잔재일 수 있으나, 통계적으로 유의미한 증거는 없다고 주장했다.

5. 페르미 역설과의 관계

2015년 구르자댠과 펜로즈는 외계 문명이 존재한다는 증거는 부족하지만, 존재할 확률은 높다는 추정 사이의 모순인 페르미 역설에 대해서도 논의했다. 등각순환우주론에서 우주 마이크로파 배경은 정보 범종설 개념 내의 지적 신호를 포함하여 한 아이온에서 다른 아이온으로 정보를 전송할 가능성을 제공한다.[43][12][26]

참조

[1] 뉴스 Cosmos may show echoes of events before Big Bang https://www.bbc.co.u[...] 2010-11-27
[2] 간행물 On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky
[3] 웹사이트 Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang http://physicsworld.[...] physicsworld.com 2010-11-19
[4] 간행물 Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics http://accelconf.web[...]
[5] arXiv Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity 2010-11-16
[6] 웹사이트 Nobel Lecture: Roger Penrose, Nobel Prize in Physics 2020 https://www.youtube.[...] Nobel Prize Committee 2021-05-22
[7] 간행물 A search for concentric circles in the 7-year WMAP temperature sky maps 2010-12-07
[8] 간행물 No evidence for anomalously low variance circles on the sky 2010-12-07
[9] 간행물 Are There Echoes From The Pre-Big Bang Universe? A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky 2010-12-08
[10] 간행물 Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background
[11] arXiv More on the low variance circles in CMB sky 2010-12-07
[12] 간행물 CCC and the Fermi paradox
[13] arXiv Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky
[14] 간행물 Re-evaluating evidence for Hawking points in the CMB https://iopscience.i[...] 2020-03-09
[15] arXiv Conformal Cyclic Cosmology Signatures and Anomalies of the CMB Sky
[16] 뉴스 Cosmos may show echoes of events before Big Bang https://www.bbc.co.u[...] 2010-11-27
[17] 간행물 On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky
[18] 웹사이트 Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang http://physicsworld.[...] physicsworld.com 2010-11-19
[19] 간행물 Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics http://accelconf.web[...]
[20] arXiv Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity 2010-11-16
[21] 간행물 A search for concentric circles in the 7-year WMAP temperature sky maps 2010-12-07
[22] 간행물 No evidence for anomalously low variance circles on the sky 2010-12-07
[23] 간행물 Are There Echoes From The Pre-Big Bang Universe? A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky 2010-12-08
[24] 간행물 Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background
[25] arXiv More on the low variance circles in CMB sky 2010-12-07
[26] 간행물 CCC and the Fermi paradox
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[29] 간행물 Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky https://academic.oup[...] 2020-07
[30] 뉴스 Cosmos may show echoes of events before Big Bang https://www.bbc.co.u[...] 2010-11-27
[31] 저널 인용 Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics http://accelconf.web[...] 2022-11-25
[32] 저널 인용 On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky
[33] 웹인용 Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang http://physicsworld.[...] 2010-11-19
[34] 저널 인용 Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics http://accelconf.web[...] 2022-11-25
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[36] 논문 A search for concentric circles in the 7-year WMAP temperature sky maps 2010-12-07
[37] 논문 No evidence for anomalously low variance circles on the sky 2010-12-07
[38] 논문 Are There Echoes From The Pre-Big Bang Universe? A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky 2010-12-08
[39] 논문 Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background
[40] 논문 On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky
[41] 논문 CCC and the Fermi paradox
[42] 논문 Re-evaluating evidence for Hawking points in the CMB https://iopscience.i[...] 2020-03-09
[43] 논문 CCC and the Fermi paradox



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