물리학에서는 여러가지 계층문제(hierarchy problem)가 있습니다. 이러한 계층문제는 우주의 미세조정문제와도 연관성이 있습니다. 과학이 우주의 기원을 설명하고자할때 여러가지 난관에 부딪칩니다. 하나의 문제 해결은 또다른 문제를 불러왔습니다.
■ 힉스입자의 미세조정 문제
중력은 약력보다 힘의 크기가 1032으로 약합니다. 이것은 힉스입자가 태초에 1032의 정밀도로 미세조정하였다는 것입니다(물론 강력은 약력보다 더 강함). 이것을 힉스입자의 미세조정문제와 중력과 약력의 계층문제라고 합니다.
■ 우주상수 문제
우주상수(cosmological constant, 기호 Λ 람다)는 진공 상태의 에너지 밀도를 나타내는 물리 상수입니다. 우주상수는 본래 아인슈타인 정적인 우주를 위해 자신의 중력방정식에 도입하였고, 이후 우주가 팽창하는 것을 알게 된 후에 철회했었습니다. 보통 뉴턴역학에서는 우주상수는 필요없지만, 우주의 탄생과 빅뱅우주를 설명하는 양자장론에서는 우주상수가 필요합니다. 실제 관측결과 우주상수는 0은 아니지만, 양자역학이 예상하는 값보다 훨씬 작았습니다. 이는 람다-CDM모델을 통해 실제 측정된 우주상수(Λ)값은 플랑크 단위값보다 약 10120배 작았습니다.
우주 공간의 밀도는 이론치가 1cc당 1093g 이었지만, 실제측정결과 10-29g 이었습니다. (10−29 g/cm3, 10−47 GeV4)
Λ(우주상수)≈1 / ħ(플랑크단위)≈10122
플랑크단위를 기본으로하는 표준모형의 경우 아주작은 미시세계인 플랑크길이까지 유효하다면 우주상수의 값이 양자역학의 기본질량인 플랑크질량 1.2209×1019GeV(약0.02mg) 정도된다고 예측할 수 있습니다. 하지만 하지만 실제로 예측된 우주 상수의 값은 이보다 약10120배 작습니다(우주상수가 밀도이기는 하나, 이는 해밀톤 밀도로 분석할 때 그렇고 이는 질량의 네제곱에 비례하므로, 우주상수를 질량의 단위로 환산한다면 1030 작다고 할 수도 있다). 이 차이는 '물리학 역사상 최악의 이론적 예측'이라고하고 있습니다.
보통 이것을 빗대어 우주의 미세조정 정밀도를 10120으로 보고 있는데, 현재 이러한 차이의 원인이 무엇인지조차 모르고 있습니다.
■ 오메가 (Ω : 우주 평균밀도)값의 미세조정문제
우주의 임계밀도는 10-29g/cm3로써 완전 진공에 가까운 극진공상태입니다. 만약 빅뱅초기때라면 작은 점에서 시작되었으므로 우주의 밀도는 지금과 유사했을 것입니다. 현재는 이러한 Ω값이 1을 크게 벗어나지 않을 것으로 보고 있습니다. 따라서 우주를 평탄하다고 보고 있습니다. 왜내하면 Ω값이 1에서 조금만 벗어나도 우주의 나이를 고려하면 그 효과(우주의 수축과 팽창)가 엄청나게되기 때문입니다(우주상수 Λ인 진공에너지 즉, 암흑에너지는 여기서 고려하지 않음).
만약 빅뱅당시 우주의 밀도가 지금과 같은 Ω이 1을 유지시키면서 일정한 크기로 팽창하였다면 빅뱅 초기의 우주는 지금과 같이 우주가 크게 팽창하지 않았기 때문에 Ω 값의 높은 정밀도를 보였을 것입니다. 빅뱅 후 1초가 지났을 때 Ω의 값은 1의 값에서 10-15 정도였을 것이고, 우주 탄생인 빅뱅의 순간의 플랑크시간 10-43초에는 Ω는 약 10-60이어야 한다는 것을 의미합니다. 즉, 현재의 Ω 값을 맞추기위해 빅뱅의 순간에는 1060의 미세조정됐어야 한다는 추측입니다. 물론 이러한 평탄성 문제를 해결하기 위해 인플레이션우주가 대두되었습니다.
오메가 람다(Ω Λ)값으로하여 플랑크위성을 통해 측정된 결과 0.692±0.010으로 추정하였고, 이를 암흑에너지라 합니다.
■ 게이지 계층문제
표준모형에서는 쿼크와 경입자 등의 질량을 포함한 모든 물리량이 힉스입자의 진공기댓값으로 표현됩니다. 힉스입자의 진공기댓값은 246GeV로써, 기본질량인 플랑크질량 1.2209×1019GeV(약0.02mg)보다 1015배정도 작습니다. 이것을 표준모형의 게이지 계층문제라고 합니다. 초대칭이론에서 초대칭은 이러한 표준모형의 계층문제를 해결하는 하나의 수학적 해(풀이)입니다. 하지만 초대칭입자들은 기본입자들보다 질량이 훨씬 무거움으로써 기본입자와 초대칭입자들은 대칭성이 깨져야 합니다. 이러한 입자들은 어떻게 조화시킬것인지가 초대칭이론의 숙제입니다.
이러한 문제들은 단순한 문제가 아니었고, 이중에서 조금 즉, 0이 한,두개만 더 있고 없고에 따라 우주의 존재여부가 불확실해지는 치명적인 문제들이었습니다.
현재 이러한 문제들을 극복하기 위해 초대칭(supersymmetry)과 이와 관련된 초끈이론, 테크니컬러이론 등이 연구되고 있고, 일부에서는 초대칭이 오히려 문제를 더 복잡하게 만드는 경향도 있어서, 최후의 해결책으로 격자게이지이론(lattice gauge theory)의 루프양자중력(LQG)과 같은 우주의 '순환 모델(cyclic model)' 즉, 동양사상(東洋思想)의 수축(+)과 팽창(-)의 이중성의 상보적 순환우주의 가능성이 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다.
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"아인슈타인의 `우주 상수' 역시 옳아"<美연구진>
연합뉴스 | 입력2013.01.21 11:01
(서울=연합뉴스) 우주의 기본상수 가운데 하나인 양성자와 전자의 질량 비례가 지난 70억년간 변하지 않았다는 최신 연구가 나온데 이어 이를 바탕으로 한 새 연구 결과 암흑에너지와 관련해 제기된 `스칼라장' 가설의 입지가 좁아지게 됐다고 스페이스 닷컴이 20일 보도했다.
천재 물리학자 알베르트 아인슈타인은 우주 팽창을 가속하는 힘을 암흑에너지로 보고 그 배후에는 `우주상수'라는 변치 않는 실체가 있을 것이라는 가설을 제기했다.
그러나 이에 동의하지 않는 일부 학자들이 제기한 `굽이치는 스칼라장'(rolling scalar fields) 이론은 암흑에너지가 일정한 상수가 아니라 끊임없이 변화하는 것임을 시사하며 상당한 지지를 얻고 있다.
네덜란드와 독일 과학자들은 최근 자연의 기본 상수 가운데 하나인 양성자와 전자의 질량 비례가 지난 70억년 동안 변하지 않았음을 확인했다고 지난해 12월 사이언스지에 발표했다.
미국 애리조나 주립대 연구진은 이 연구에 근거해 `굽이치는 스칼라장'이 맞는다고 가정할 때 양성자와 전자의 질량 비례가 어떻게 변화할지 계산한 결과 실제 자료와 일치하지 않는 것으로 나타났다고 최근 열린 미국 천문학회 회의에서 발표했다.
이는 아인슈타인의 우주상수 가설을 뒷받침하는 것으로 다른 가설이 설 자리가 매우 좁아짐을 말해주는 것이라고 연구진은 밝혔다.
그러나 우주상수 이론 역시 이상적인 개념은 아닌 것으로 나타났다. 기존 물리학에 근거한 계산에 따르면 예상되는 상수는 10의 60제곱 이상인데 이는 우리가 보는 우주를 설명하기엔 너무 크다는 것이다.
연구진은 "스칼라장 이론이 완전히 죽은 것은 아니다. 다만 원래 모델이 예측하는 것보다 더 복잡할 가능성이 크다"고 말했다.