우주에서 모든 행성과 항성, 먼지, 심지어 모든 생명을 모두 제거한다면 마지막에는 무엇이 남을까? 답은 간단해 보인다: 완전한 허무다. 빛도 없고, 소리도 없으며, 아무것도 존재하지 않는 상태, 그것이 우리가 이해하는 진공이다.
하지만 만약 당신이 정말로 우주의 가장 깊은 곳으로 들어간다면, 그곳에서 당신을 기다리는 것은 죽음 같은 고요함이 아니라 상상을 초월하는 축제일지도 모른다. 현대 물리학이 우리에게 알려주는 바에 따르면, 우주에서 가장 빈 공간이 오히려 가장 강력한 에너지를 숨기고 있을 수 있기 때문이다. ‘아무것도 없다’는 것은 아마도 인간의 감각이 만들어낸 착각일 뿐이다. 우리가 볼 수 없는 규모에서 공간 자체는 끊임없이 요동치고 있으며, 무수한 양자장이 우주를 가득 채우고 있다. 이들은 형태도, 색채도 없으며, 직접 감지할 수도 없다.
하지만 이들이 바로 우리가 보는 모든 것을 구성한다. 행성, 생명, 심지어 당신의 의식조차도 이 진공 뒤에 숨겨진 기본 구조에서 비롯되었다.
허공에서 만물이 탄생하다
인류가 지난 몇 천 년 동안 인지해 온 바에 따르면, ‘빈 공간’은 부재를 의미했다. 빈 방은 아무것도 없는 것이고, 공기를 빼낸 용기는 진공에 가까운 것이며, 공간은 단지 물질이 채워질 때까지 기다리는 용기에 불과했다. 이러한 이해는 오랫동안 인류를 지배해 왔지만, 양자역학이 등장하면서 상황이 바뀌었다. 과학자들은 우주가 수많은 작은 부품으로 이루어진 기계가 아님을 발견했다. 미시 세계에서는 입자가 가장 기초적인 존재가 아니며, 전자는 작은 돌멩이처럼 떠다니지도 않고, 광자는 작은 빛의 구체도 아니다. 이들은 오히려 우주 속에 숨겨진 장(場)이며, 어떤 방식으로든 자극되었을 때 나타나는 현상으로 더 잘 설명된다.
파도를 예로 들면, 당신은 파도를 보지만 그것은 독립적으로 존재하는 것이 아니라 바다의 한 표현일 뿐이다. 마찬가지로 우리가 보는 전체 물질 세계 역시 우주의 최하위 구조에서 발생한 하나의 ‘파동’일지도 모른다.
양자 세계의 가장 기묘한 점은 여기에 있다. 모든 입자를 완전히 제거하더라도 공간은 절대적인 백지가 되지 않는다. 양자장은 항상 존재하며, 이른바 진공이란 단지 이러한 장들이 최저 에너지 상태에 있는 것일 뿐이다. 이는 죽음이 아니라 오히려 잠들어 있는 상태와 비슷하며, 표면은 평온하지만 내부는 상상할 수 없는 가능성을 숨기고 있다.
얼어붙은 바다와 같다. 외관상 변화가 없어 보이지만, 충분히 강력한 에너지를 투입하면 얼음 아래 숨겨진 힘이 분출된다. 과학자들은 오랫동안 궁금해해 왔다. 만약 진공에 충분한 강한 자극을 가한다면 숨겨진 것이 깨어날까? 존재하지 않던 입자가 현실로 직접 나타나게 될까?
우주급 충돌 실험
미국 브룩헤이븐 국립연구소는 세계에서 최고 수준의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)를 이용해 입자 충돌 실험을 진행했다. 이 실험은 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 후, 이 고속 입자들이 순간적으로 충돌하게 하여 우주에서 극도로 강렬한 물리적 환경을 만들어냈다. 그 순간 에너지 밀도는 상상할 수 없을 정도로 높아졌고, 탐지기는 즉시 이상 신호를 기록했으며, 원래 존재하지 않던 입자의 자국이 충돌 영역에 유령처럼 나타났다. 이들은 자기장을 따라 격렬하게 운동하며 기록 장치에 명확한 데이터를 남겼다.
이 실험은 매우 기묘한 현상을 드러냈다. 특정 조건 하에서 에너지가 실제로 존재하는 물질로 전환될 수 있다는 사실이다.
1905년 아인슈타인은 E=mc²를 제시했다. 간단한 몇 글자로 된 이 공식은 질량과 에너지가 본질적으로 동일함을 보여준다. 돌멩이 하나, 별 하나, 인간 한 명의 몸도 본질적으로는 에너지의 일종이 배열된 방식일 뿐이며, 단지 배열 방식이 다를 뿐이다. 과거에는 이 공식이 단순한 이론적 법칙처럼 여겨졌지만, 오늘날 우리는 실험실에서 그 일부의 실제 모습을 확인할 수 있게 되었다. 극한의 에너지 환경이 조성되면 우주는 자신의 구성 방식을 재배열할 수 있다. 에너지가 입자가 되고, 입자가 물질이 되며, 물질이 결국 우리가 보는 모든 것을 구성한다.
이는 즉, 물질이 우주의 최초 요소가 아니라, 에너지가 특정한 규칙에 따라 배열된 결과물일 가능성이 높다는 것을 의미한다.
우주의 최하위 코드
이 실험이 진정한 충격으로 다가오는 이유는 몇몇 입자가 생성되었기 때문이 아니다. 그것은 우리가 보는 세계가 과연 진정한 ‘최하위 현실’인지 다시금 생각하도록 강요한다는 점이다. 과거에는 책상이 실재하고, 몸이 실재하며, 행성이 실재한다고 믿었다. 하지만 현대 물리학은 이러한 것들이 더 깊은 구조의 표면에 불과할 수 있다고 말한다. 컴퓨터 화면의 이미지와 같다. 당신은 완전한 세계를 보지만, 화면 뒤에서 실제로 작동하는 것은 프로그램 코드다. 우주도 마찬가지일 것이다. 우리가 보는 것은 입자이지만, 그 입지를 지탱하는 것은 배경에 숨겨진 양자장이다. 그렇다면 양자장이 바로 그 최하위 코드가 아닐까?
138억 년 전, 우주가 막 탄생했을 때는 은하도, 태양도, 지구도, 더구나 인간도 없었다. 전체 우주는 극도로 높은 에너지 상태에 있었다. 우주가 계속 팽창하고 냉각되면서 에너지는 변환되기 시작했고, 기본 입자가 나타나고 원자가 형성되며, 별이 타오르고 원소가 탄생했다. 결국 이러한 단순한 입자들이 긴 진화를 거쳐 복잡한 생명을 이루었다. 그러다 어느 날, 이들 중 일부 물질이 “나는 도대체 어디에서 온 것인가?”라고 생각하기 시작했다. 그리하여 우주는 생명을 통해 자신을 역으로 인식하기 시작했다.
당신의 몸에 있는 탄소 원소는 별 내부에서, 산소 원소는 오래된 별의 폭발에서 비롯되었다. 당신의 몸을 구성하는 모든 원자는 우주의 긴 진화 과정을 겪었으며, 당신은 우주의 외부에서 그것을 관찰하는 것이 아니라, 바로 우주 그 자체의 일부다.
에너지는 임의의 물질로 전환될 수 있는가?
수천 년 전, 인류는 하늘을 올려다보며 만물이 어디에서 비롯되었는지 물었다. 어떤 이는 하늘과 땅이 신에 의해 창조되었다고 믿었고, 어떤 이는 모든 것이 ‘허무’에서 비롯되었다고 생각했다. 오늘날에도 우리는 여전히 우주가 왜 존재하는지, 왜 영원한 어둠이 아닌지, 왜 절대적인 허무가 아닌지, 왜 물질이 나타났는지, 왜 물질이 생명을 낳았는지, 왜 생명이 결국 의식을 갖게 되었는지 알지 못한다.
하지만 양자 실험들은 점차 놀라운 방향을 밝혀내고 있다. 우주의 최하위는 아마도 빈칸이 아닐 것이며, 이른바 허무란 우리가 아직 이해하지 못하는 하나의 상태일 뿐이고, 존재하지 않는다는 것은 어쩌면 다른 형태의 존재일지도 모른다는 것이다.
즉언컨대, 비록 눈앞에 아무것도 없는 것처럼 보이는 사소한 공간이라도 그곳에는 별들을 재구성할 만한 위대한 힘이 끊임없이 넘쳐흐르고 있다.