팽창하는 드 시터 우주, 양자역학의 기본 전제 흔든다

주장물리학계는 우주가 팽창과 수축, 정지 상태 중 하나라고 가정하고 연구를 수행합니다. 이 중 우리 우주가 가장 유사한 형태인 팽창하는 드 시터 우주는 양자역학적 관점에서 가장 이해하기 어려운 모델로 꼽힙니다.

팩트알베르트 아인슈타인은 1915년 일반 상대성 이론을 발표하며 시공간이 물질과 에너지에 반응한다는 사실을 밝혔습니다. 물질은 중력을 발생시켜 우주를 수축시키고, 암흑 에너지는 공간을 팽창시키는 힘으로 작용합니다.

팩트빌럼 드 시터는 1916년과 1917년 발표한 논문에서 우주가 진화할 가능성을 제시했습니다. 그는 우주 상수의 부호에 따라 우주가 평탄하거나 양의 곡률, 혹은 음의 곡률을 가질 수 있음을 수학적으로 증명했습니다.

팩트양의 곡률을 가진 드 시터 공간에서는 공간이 지수 함수적으로 팽창합니다. 이 과정에서 관측자에게는 도달할 수 없는 지평선이 형성되며, 그 너머의 정보는 영원히 관측할 수 없는 상태가 됩니다.

교차검증반면 음의 곡률을 가진 반-드 시터 공간은 상자처럼 작동하여 모든 물질이 중심부로 회귀합니다. 이 공간은 경계면이 존재하여 양자 측정을 수행하기에 유리한 환경을 제공합니다.

팩트현재 우리 우주는 물질과 암흑 에너지가 혼재되어 있으나, 시간이 흐를수록 물질은 희박해지고 암흑 에너지가 지배적인 드 시터 공간의 형태를 닮아갑니다. 다니엘 그린 교수는 인류가 결국 순수한 드 시터 공간에서 살게 될 것이라고 예측했습니다.

주장양자역학은 불확정성 원리로 인해 입자의 위치나 개수를 정확히 정의하기 어렵습니다. 이를 측정하려고 에너지를 높이면 블랙홀이 생성되는 한계에 부딪히며, 드 시터 공간은 외부에서 측정할 수 있는 경계면이 없어 관측 자체가 불가능합니다.

교차검증평탄한 공간이나 반-드 시터 공간에서는 먼 거리나 우주의 경계면을 이용해 양자 요동을 차단하고 측정을 수행할 수 있습니다. 하지만 드 시터 공간에서는 중력이 어디서나 양자역학적으로 요동치기에 관측자를 보호할 공간이 존재하지 않습니다.

주장모니카 페이트 교수는 드 시터 공간에서 관측자와 양자 시스템 사이의 경계가 모호해지는 현상을 지적했습니다. 이는 양자 시스템을 외부에서 측정한다는 현대 양자역학의 기본 전제 자체가 붕괴할 수 있음을 시사합니다.

팩트팽창하는 우주에서는 에너지가 보존되지 않는 문제도 발생합니다. 우주 팽창 자체가 에너지를 주입하며 우주 전체의 상태를 변화시키기 때문에 기존 물리학의 직관이 통하지 않는 상황이 벌어지고 있습니다.

출처https://www.quantamagazine.org/in-expanding-de-sitter-space-quantum-mechanics-gets-even-more-elusive-20260330/