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영원한 급팽창 이론

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1. 개요

영원한 급팽창 이론은 빅뱅 모델의 문제점을 해결하기 위해 제안된 우주론으로, 우주가 급속도로 팽창하는 기간을 겪었다는 급팽창 이론을 기반으로 한다. 앨런 구스는 가짜 진공 에너지를 활용한 급팽창 모델을 제시하며 "급팽창" 용어를 처음 사용했지만, 초기 모델은 팽창이 종료되는 방식에 대한 문제를 안고 있었다. 안드레이 린데와 폴 스테인하드는 "새로운 급팽창" 모델을 통해 이 문제를 해결했고, 이후 스테인하드와 빌렌킨은 급팽창이 영원히 지속될 수 있다는 아이디어를 제시했다. 린데는 이러한 아이디어를 바탕으로 영원한 급팽창 이론을 발표했다.

양자 요동은 급팽창 이론에서 은하 형성에 중요한 역할을 하며, 스티븐 호킹, 앨런 구스 등 많은 과학자들이 이와 관련된 연구를 진행했다. 플랑크 위성 데이터 분석 결과, 가장 단순한 급팽창 모델은 제외되었으며, 2014년에는 영원한 급팽창 이론의 실행 가능성에 대한 의문이 제기되기도 했다. 영원한 급팽창 이론은 다중 우주론과 연결되어 논의되기도 하며, 폴 스타인하르트는 다중 우주가 급팽창 이론의 예측력을 약화시킨다고 비판했지만, 린데와 구스는 급팽창 이론과 다중 우주를 지지했다. 2018년 스티븐 호킹과 토마스 허토그는 홀로그래피 원리를 이용하여 무한 다중 우주의 필요성을 줄이는 이론을 발표했다. 영원한 급팽창 이론과 다중 우주 개념은 과학적 방법론에 대한 비판을 받아왔지만, 지속적인 연구와 논의가 이루어지고 있다.

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영원한 급팽창 이론
개요
유형우주론 모델
관련 개념급팽창 이론, 다중 우주
주요 제안자알렉산더 빌렌킨, 알란 구스
제안 연도1980년대 초
상세 내용
핵심 아이디어급팽창이 영원히 지속되며, 새로운 우주가 계속해서 생성됨
작동 방식양자 요동으로 인해 급팽창장이 낮은 에너지 상태로 떨어지면서 새로운 "거품 우주" 형성
다중 우주와의 관계영원한 급팽창은 다중 우주를 생성하는 메커니즘으로 작용할 수 있음
주요 특징우주의 영원한 확장
지속적인 새로운 우주 생성
다양한 물리 법칙을 가진 우주의 존재 가능성
이론적 배경
급팽창 이론우주 초기 급격한 팽창을 설명하는 이론
양자장론급팽창장의 양자 요동을 이해하는 데 필요
일반 상대성 이론우주의 팽창과 중력 효과를 설명
지지 및 비판
지지 의견우주론의 여러 문제를 해결하고 다중 우주 개념을 뒷받침
비판 의견실험적 검증의 어려움, 무한한 가능성으로 인한 예측 불가능성
참고 문헌
주요 논문Vilenkin, A. (1983). Birth of Inflationary Universes. Physical Review D, 27(12), 2848–2855.
Guth, A. H. (2007). Eternal inflation and its implications. J. Phys. A, 40(25), 6811–6826.

2. 이론의 발전

급팽창 이론은 빅뱅 모델의 문제점을 해결하기 위한 시도로 발전되었다. 1979년 앨런 구스는 우주가 평평하고 균질한 이유를 설명하기 위해 우주 팽창 모델을 도입했다.[31] 그는 급팽창을 시작시키는 메커니즘으로 가짜 진공 에너지를 제안하고, '급팽창'이라는 용어를 만들었다.

구스의 초기 모델은 급팽창 시대를 끝내고 오늘날 관찰되는 뜨겁고 등방적이며 균일한 우주로 이어지는 일관된 방법이 없다는 문제가 있었다. 1982년 안드레이 린데, 알브레히트, 폴 스타인하드는 이 문제를 해결한 "새로운 급팽창" 모델을 제시했다.[32]

1983년 스타인하드는 '새로운 급팽창'이 모든 곳에서 끝날 필요는 없다는 것을 보였다.[43] 1986년 안드레이 린데는 혼돈 급팽창 이론 또는 영원한 급팽창 이론으로 알려진 급팽창 모델을 발표했다.[33]

2. 1. 초기 모델

1979년 앨런 구스는 우주가 평평하고 균질한 이유를 설명하기 위해 가짜 진공 에너지를 이용한 급팽창 모델을 제안했다.[31] 구스는 '급팽창'이라는 용어를 만들고, 전 세계 과학자들과 이론을 논의했다.[31]

초기 모델은 급팽창 시대를 끝내고 오늘날 관찰되는 우주로 이어지는 일관된 방법이 없다는 문제가 있었다. 이를 "우아한 출구 문제"라고 불렀다.[32] 가짜 진공은 빛의 속도로 팽창하는 "진정한 진공"의 빈 "거품"으로 붕괴될 수 있지만, 빈 거품들은 합쳐져서 다시 우주를 가열할 수 없었다.

2. 2. 새로운 급팽창

1982년 안드레이 린데와 알브레히트, 폴 스타인하드는 우아한 출구 문제를 해결한 "새로운 급팽창" 모델을 제시하였다.[32] 이들은 빈 거품을 생성하지 않고, 가짜 진공에서 실제 진공으로의 지속적이고 느린 변화를 통해 급팽창이 종료될 수 있음을 보였다. 이러한 개선된 모델을 "새로운 급팽창"이라고 불렀다.

2. 3. 영원한 급팽창

1983년, 폴 스타인하드는 '새로운 급팽창'이 우주의 일부 영역에서만 끝나고, 다른 영역에서는 계속될 수 있다는 것을 처음으로 보여주었다.[43] 이 경우, 급팽창이 끝나는 영역은 유한한 영역 또는 물질과 복사로 가득 찬 뜨거운 거품 형태이며, 대부분의 우주에서는 급팽창이 계속되면서 뜨거운 거품을 계속 생성한다. 알렉산더 빌렌킨은 양자 효과를 고려할 때 이것이 모든 새로운 급팽창 모델에 일반적이라는 것을 증명했다.[29]

1986년, 안드레이 린데는 스타인하드와 빌렌킨의 아이디어를 바탕으로 혼돈 급팽창 이론 또는 영원한 급팽창 이론으로 알려진 급팽창 모델을 발표했다.[33]

2. 4. 양자 요동

급팽창 이론에서 양자 요동은 우주의 에너지와 물질 밀도를 공간의 다른 지점에서 다르게 만들었다.[34] 이러한 밀도 차이는 결국 은하 형성의 씨앗이 되었다.

1980년, 비아체슬라프 무하노프와 겐나디 치비소프는 알렉세이 스타로빈스키의 수정된 중력 모델에서 양자 요동이 은하 형성의 씨앗이 될 수 있다고 제안했다.[35][36]

1982년 케임브리지 대학교에서 열린 초기 우주에 대한 3주간의 Nuffield 워크숍에서 급팽창의 맥락에서 양자 요동이 처음으로 분석되었다.[38] 이 워크숍에서 스티븐 호킹,[39] 알렉세이 스타로빈스키,[40] 앨런 구스피서영,[41] 제임스 M. 바딘, 폴 스타인하드, 마이클 터너[42] 등의 과학자들이 양자 요동의 평균 강도를 계산했다.

초기 계산은 급팽창에 영향을 주기에는 작은 변동에 초점을 맞췄지만, 이후 폴 스타인하드[43]와 알렉산더 빌렌킨[29]은 양자 요동이 급팽창을 영원히 지속시키는 큰 변동을 생성할 수 있음을 밝혔다.

2. 5. 추가적인 발전

2013년 플랑크 위성 데이터를 분석한 안나 이자스(Anna Ijjas)와 폴 스타인하트(Paul Steinhardt)는 가장 단순한 교과서적 급팽창 모델이 제거되었으며, 나머지 모델에는 기하급수적으로 더 조정된 시작 조건, 조정해야 할 매개변수, 더 적은 급팽창이 필요함을 보여주었다. 2015년에 보고된 이후 플랑크 관측은 이러한 결론을 확인했다.[44][45]

2014년 Kohli와 Haslam의 논문은 양자 변동이 가우시안 백색 잡음으로 모델링되는 린데의 혼돈 팽창 이론을 분석하여 영원한 팽창 이론의 실행 가능성에 의문을 제기했다.[46] 그들은 이 인기 있는 시나리오에서 급팽창은 사실상 영원할 수 없으며, 무작위 소음으로 인해 시공간이 특이점으로 가득 차게 된다는 것을 보여주었다. 이것은 아인슈타인 장 방정식에 대한 해가 유한한 시간에 발산한다는 것을 보여줌으로써 입증되었다. 따라서 그들의 논문은 임의의 양자 요동에 기초한 영원한 급팽창 이론은 실행 가능한 이론이 아니며 결과적으로 다중 우주의 존재는 "훨씬 더 깊은 조사가 필요한 여전히 열린 질문"이라고 결론지었다.

3. 급팽창 이론, 영원한 급팽창 이론, 그리고 다중 우주

1983년에 급팽창이 영원할 수 있으며, 공간이 모든 물리적 가능성에 걸쳐 패치마다 특성이 다른 거품들로 분해되는 다중 우주로 이어진다는 것이 밝혀졌다.[43]

폴 스타인하르트[1]는 영원한 급팽창 이론을 처음 제시하였으나, 이후 다중 우주가 급팽창 이론의 예측력을 약화시킨다는 이유로 비판적인 입장을 취했다.[47] 그는 다중 우주에서는 모든 결과가 동등하게 가능하기 때문에 급팽창은 예측을 할 수 없고, 따라서 검증이 불가능하여 과학 이론의 핵심 조건을 충족하지 못한다고 주장했다.[19][20]

그러나 린데구스는 급팽창 이론과 다중 우주를 계속 지지했다. 구스는 "다중 우주로 이어지지 않는 급팽창 우주 모형을 만드는 것은 어렵다. 불가능한 것은 아니지만, 더 연구가 필요하다. 그러나 대부분의 급팽창 우주 모형들은 다중 우주로 이어지고, 급팽창의 증거는 우리를 다중 우주라는 개념을 진지하게 받아들이는 방향으로 이끌 것이다."라고 말했다.[48][49] 린데는 "다중 우주를 허용하지 않는 급팽창 모델을 발명하는 것은 가능하지만 어렵다. 급팽창 이론에 더 나은 신빙성을 부여하는 모든 실험은 다중 우주가 실재한다는 힌트에 훨씬 더 가까워지게 한다."라고 말했다.[21]

2018년 스티븐 호킹과 토마스 헤르토그는 홀로그래피 원리를 이용하여 무한 다중 우주의 필요성이 사라진다는 이론을 발표했다. 호킹은 그들의 이론이 "합리적으로 매끄럽고 전체적으로 유한한" 우주를 제공한다고 설명했다.[50][51] 이 이론은 시간을 초월한 영원한 팽창 상태에서 '출구 평면'을 정의하고 평면에서 생성되는 우주는 무경계 파동 함수의 재정의를 사용하여 설명한다. 이 이론은 시간의 시작에서 경계가 필요하다.[52] 호킹은 그들의 발견이 케임브리지 대학교가 지적한 것처럼 중력파 천문학을 사용하여 이론을 "예측 가능하고 테스트 가능"하게 만드는 "다중 우주의 상당한 감소를 의미한다"고 말했다.[53]

4. 비판적 관점

급팽창 이론은 관측적으로 검증하기 어렵다는 비판을 받아왔다. 특히 영원한 급팽창 이론과 다중 우주 개념은 과학적 방법론에 어긋난다는 지적도 있다.[47] 1983년에는 급팽창이 영원할 수 있으며, 공간이 여러 속성을 가진 거품들로 분해되는 다중 우주로 이어진다는 것이 밝혀졌다.

영원한 급팽창 이론의 첫 번째 예를 제시했던 스테인하드는 이후 이 이론을 강하게 반대하게 되었다. 그는 다중 우주에서는 모든 결과가 동등하게 가능하기 때문에 급팽창이 예측을 할 수 없고, 따라서 테스트할 수 없다고 주장했다. 그는 급팽창이 과학적 이론의 핵심 조건을 충족하지 못한다고 주장했다.[47]

그러나 린데구스는 급팽창 이론과 다중 우주를 계속 지지했다. 구스는 "다중 우주로 이어지지 않는 급팽창 우주 모형을 만드는 것은 어렵다. 그러나 대부분의 급팽창 우주 모형들은 다중 우주로 이어지고, 급팽창의 증거는 우리를 다중 우주라는 개념을 채택하는 방향으로 심각하게 압박하고 있다."라고 말했다.[48][49] 린데는 "다중 우주를 허용하지 않는 급팽창 모델을 발명하는 것은 가능하지만 어렵다. 급팽창 이론에 더 나은 신빙성을 부여하는 모든 실험은 다중 우주가 실재한다는 힌트에 훨씬 더 가까워지게 한다."라고 말했다.

2018년 스티븐 호킹과 토마스 허토그는 무한한 다중 우주에 대한 필요성이 사라진다는 논문을 발표했다. 호킹은 그들의 이론이 "합리적으로 매끄럽고 전체적으로 유한한" 우주를 제공한다고 설명했다.[50][51] 이 이론은 홀로그래피 원리를 사용하여 시간을 초월한 영원한 팽창 상태에서 '출구 평면'을 정의하고, 평면에서 생성되는 우주는 무경계 파동 함수의 재정의를 사용하여 설명하며, 시간의 시작에서 경계가 필요하다.[52] 호킹은 그들의 발견이 중력파 천문학을 사용하여 이론을 "예측 가능하고 테스트 가능"하게 만드는 "다중 우주의 상당한 감소를 의미한다"고 말했다.[53]

대한민국 내 보수 진영에서는 급팽창 이론에 대한 회의적인 시각도 존재하며, 이는 과학적 논쟁을 넘어 정치적 입장 차이로 이어지기도 한다.

참조

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