물질과 반물질, 그리고 두 개의 우주

우주는 물질로 이루어져 있다. 우리가 관측하는 은하와 항성, 행성, 그리고 우리의 몸까지 모두 물질로 만들어졌다. 현대 물리학은 이 물질에 대응하는 반물질이 존재한다는 사실도 밝혀냈다. 그런데 물질과 반물질이라는 명칭은 처음부터 오해를 불러일으킨다. 마치 하나는 진짜 물질이고 다른 하나는 가짜 물질이거나, 물질과 반물질이 만나면 아무것도 남지 않는다는 인상을 주기 때문이다. 실제로 반물질은 물질만큼이나 실재하는 물리적 존재다. 전자는 음전하를 가지고 있으며, 그에 대응하는 반입자인 양전자는 양전하를 가지고 있다. 둘은 질량이 같고 전하의 부호가 반대다. 양성자와 반양성자 역시 질량은 같지만 전하를 비롯한 일부 양자적 성질이 반대다. 그렇다면 물질과 반물질이 만나 소멸한다는 것은 무슨 의미일까?

전자와 양전자가 만나면 두 입자는 사라지고 광자가 생성될 수 있다. 여기서 사라지는 것은 전자와 양전자라는 입자의 개별적인 정체성이다. 에너지가 사라지는 것은 아니다. 두 입자의 정지질량에 해당하는 에너지는 광자의 에너지로 전환되며, 전체 운동량과 각운동량도 보존된다. 전자의 음전하와 양전자의 양전하는 합쳐서 0이 된다. 광자는 정지질량이 없지만 에너지와 운동량을 가지고 있으며, 스핀과 관련된 각운동량의 성질도 갖는다. 따라서 물질과 반물질의 소멸은 물리적 실체가 무로 돌아가는 사건이 아니라 특정 입자들이 다른 입자로 전환되는 과정이다. 물질과 반물질은 서로 대립하는 실체라기보다 동일한 물리법칙 아래에서 대칭적인 성질을 가진 존재다.

그렇다면 우주에는 왜 물질만 이렇게 많이 남아 있을까? 현대 우주론에서는 초기 우주에서 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 존재했을 것으로 생각한다. 이들이 서로 소멸하면서 극소량의 물질만 남아 오늘날의 우주를 이루었다는 것이다. 흔히 10억 개의 반물질 입자에 대해 물질 입자가 하나 더 있었다고 설명한다. 10억이라는 숫자는 엄청나게 커 보인다. 그러나 지름이 약 0.5밀리미터인 평범한 석영 모래알 하나에도 약 500경 개의 원자가 들어 있다. 10억 개의 원자를 하나의 묶음으로 생각한다면, 모래알 하나에 그런 묶음이 약 50억 개나 들어 있는 셈이다. 10억 개 중 하나가 남았다는 설명은 비율을 말하는 것이다. 우주 전체에서 그 정도의 물질이 남았다면 그 절대량은 오늘날의 모든 은하와 항성을 구성할 만큼 거대할 수 있다.

그 숫자는 초기 우주의 입자를 직접 세어서 얻은 값이 아니다. 과학자들은 우주배경복사와 초기 원소의 존재 비율 등을 관측해 물질과 복사의 상대적인 양을 계산한다. 그 결과를 초기 우주의 물질과 반물질의 비대칭으로 해석하는 것이다. 그런데 왜 최초에 그러한 비대칭이 발생했는지는 아직 밝혀지지 않았다. 과학자들은 이 문제를 이해하기 위해 우주에서 반입자를 찾고, 실험실에서 반물질을 만들어 그 성질을 측정하고 있다. 1976년 노벨 물리학상을 받은 중국계 미국인 물리학자 새뮤얼 팅은 우주에서 반물질을 찾기 위한 대규모 실험을 이끌었다. 2011년 5월, 그의 연구진이 개발한 알파 자기 분광계 AMS-02가 우주왕복선 인데버호에 실려 국제우주정거장에 설치되었다. 이 장비는 우주에서 날아오는 고에너지 입자의 전하와 운동량 등을 분석해 물질 입자와 반입자를 구별한다. 실제로 우주에서는 양전자와 반양성자가 검출된다. 이들은 우주선 충돌에서도 생성될 수 있다. 따라서 반입자가 발견되었다는 사실만으로 반물질로 이루어진 항성이나 은하가 존재한다고 결론 내릴 수는 없다. 유럽입자물리연구소 CERN에서는 반양성자와 양전자를 결합해 반수소 원자를 만들고, 전자기장을 이용해 가두는 실험도 진행한다. 물질과 반물질의 성질을 정밀하게 비교해 아직 발견되지 않은 차이가 존재하는지 조사하는 것이다.

여기까지가 현대 물리학에서 실제로 이루어지는 연구다. 이제 다른 가능성을 생각해 보자. 최초의 우주에서 물질과 반물질이 정확히 같은 양으로 존재했고, 현재 우리 우주에 남아 있는 물질의 양에 대응하는 반물질도 어딘가에 존재한다면 어떨까? 그 반물질이 멀리 떨어진 은하가 아니라 또 하나의 우주에 존재한다면? 하나는 물질로 이루어진 우주이고, 다른 하나는 반물질로 이루어진 우주다. 두 우주는 동일한 기원에서 탄생했으며 각각 자신의 공간과 시간을 가지고 있다. 반대편 우주의 존재들 역시 항성과 행성을 관측하고, 생명과 문명을 형성했을 수 있다. 그들에게 자신의 몸을 이루는 입자는 정상적인 물질이다. 오히려 우리의 몸을 이루는 입자가 반물질로 분류될 것이다. 어느 쪽이 물질이고 어느 쪽이 반물질인지 결정하는 절대적인 우주의 이름표는 없다.

우주를 두 개의 대칭적인 세계로 생각하는 발상은 완전히 새로운 것이 아니다. 2018년 레이섬 보일, 키런 핀, 닐 투록은 CPT 대칭 우주론을 발표했다. 이들은 빅뱅을 경계로 우리 우주와 대칭적인 반대 우주가 존재할 가능성을 연구했다. CPT란 입자와 반입자의 성질을 바꾸는 C, 공간의 방향을 반전시키는 P, 시간의 방향을 반전시키는 T를 함께 적용하는 대칭성을 말한다. 이 가설에서는 빅뱅을 경계로 두 우주의 시간이 서로 반대 방향으로 진행한다. 그런데 양쪽 우주의 관찰자 모두 자신의 시간이 앞으로 흐른다고 경험할 것이다. 자신의 기억이 형성되는 방향이 곧 자신이 경험하는 시간의 방향이기 때문이다.

이제 여기에 하나의 가정을 더해 보자. 두 우주가 완전히 분리되어 있지 않다면 어떨까? 우리가 입자가속기에서 관측하는 일부 반입자의 생성은 실제로 다른 우주의 입자가 넘어오는 과정일 수 있다. 고에너지 입자 충돌이 두 우주의 경계를 순간적으로 교란하고, 그때 열린 균열을 통해 입자가 이동한다. 균열은 즉시 닫히므로 우리는 반대편 우주를 관측하지 못한다. 우리는 그 현상을 입자의 생성이라고 해석한다. 물론 실제 입자가속기에서 관측되는 입자 생성은 양자장론으로 설명되며, 두 우주의 경계가 열린다는 실험적 근거는 없다. 이것은 아직 발견되지 않은 또 하나의 우주가 존재한다는 가정에서 출발한 상상이다. 그런데 어느 문명이 그 경계를 안정적으로 열고 닫는 기술을 개발했다면 어떨까? 그들은 서로 다른 시간 방향을 가진 두 시공간을 연결할 수 있게 된다. 그렇다면 시간 역행이라는 현상도 새롭게 해석할 수 있지 않을까?

나는 크리스토퍼 놀란의 영화 가운데 《테넷》을 가장 좋아한다. 논란이 많았고 난해하다는 평가도 받았지만, 다른 놀란 영화들보다 《테넷》에 훨씬 강하게 끌렸다. 수십 번을 반복해서 보았을 정도다. 영화를 볼 때마다 시간의 역행과 사건의 인과관계, 인물들이 알고 있는 정보와 실제로 일어난 일의 차이를 생각하게 된다. 영화에서 인물들은 특별한 장치를 통과하여 시간의 진행 방향을 역전시킨다. 영화는 이를 엔트로피의 역전으로 설명한다. 시간을 역행하는 사람은 자신의 입장에서는 평소처럼 생각하고 움직이며 기억을 형성하지만, 다른 사람에게는 거꾸로 움직이는 것처럼 보인다.

그런데 두 개의 대칭적인 우주가 실제로 존재한다면, 영화 속 장치는 시간을 거꾸로 돌리는 기계가 아닐 수 있다. 서로 반대 방향으로 진행하는 두 시공간을 연결하고, 물체의 상태를 상대편 우주의 시간 방향에 대응시키는 장치일 수 있다. 회전문을 통과한 사람은 자기 자신의 시간을 역행하지 않는다. 그는 여전히 자신의 미래를 향해 살아간다. 우리 우주의 관찰자에게 그가 시간을 거슬러 움직이는 것처럼 보이는 이유는 그가 속한 시간 방향이 우리와 반대이기 때문이다. 이 가설을 물리학적으로 완성하려면 두 우주의 시간 좌표가 어떻게 연결되고, 상대편 우주를 통과한 물체가 어떻게 우리 우주의 과거에 도착할 수 있는지 설명해야 한다.

여기서 한 가지 더 생각해 볼 문제가 있다. 영화 속 지구인들은 자신들이 관측하는 시간 역행을 엔트로피의 역전으로 해석한다. 자신들이 알고 있는 물리법칙으로 설명하려는 것이다. 그런데 반대편 우주의 문명이 이 설명을 들으면 어떻게 생각할까? 그들은 이미 두 우주가 존재한다는 사실을 알고 있으며, 시공간을 연결하는 기술까지 개발한 존재들이다. 그들에게는 엔트로피의 역전이 현상의 본질을 이해하지 못한 원시적인 설명으로 보일 수 있다. 실제로 일어난 일은 두 우주 사이의 이동인데, 지구인들은 자신들의 우주에서 관측한 결과만으로 물체의 시간이 거꾸로 흐른다고 판단하는 것이다. 관측한 현상은 맞지만 그 원인에 대한 해석은 틀렸을 수 있다. 그들은 시간 역행 기술을 이해했다고 생각하면서도 그 기술이 어디에서 비롯되었는지조차 모르고 있는 셈이다.

이렇게 생각하고 나자 《테넷》의 이야기가 전혀 다르게 보이기 시작했다. 영화에서 미래의 인류는 자신들의 생존을 위해 과거의 세계에 개입하려 한다. 케네스 브래너가 연기한 사토르는 미래에서 전달되는 금과 정보를 이용해 막대한 부와 권력을 얻는다. 그는 자신의 죽음을 계기로 알고리즘의 위치가 미래에 전달되도록 계획한다. 그런데 사토르에게 금을 보내고 그를 조종하는 존재들이 미래 인류가 아니라면 어떨까? 그들이 우리 우주와 대칭적인 또 하나의 우주에서 왔다면? 그들은 자신들이 살고 있는 우주를 원우주라고 부르고, 우리가 살고 있는 우주를 복제우주라고 부른다. 두 우주의 시간은 반대 방향으로 진행하며, 그들은 이미 시공간의 경계를 조작하는 기술까지 개발했다. 그들이 사토르에게 접근한 것은 자신의 과거를 바꾸기 위해서가 아니다. 자신들의 우주를 위협하는 다른 우주를 제거하기 위해서다.

그들에게 우리 우주는 오래전부터 심각한 문제를 일으키고 있었다. 앞서 상상했듯, 우리 우주에서 입자가속기를 가동할 때마다 반대편 우주의 시공간에 미세한 손상이 누적된다고 가정해 보자. 우리의 과학자들은 새로운 입자를 발견했다고 기뻐하지만, 상대편 우주에서는 원인을 알 수 없는 물리적 교란이 반복된다. 그들은 오랫동안 그 현상을 연구한 끝에 자신들의 우주와 대칭적인 또 하나의 우주가 존재하며, 그곳의 지적 생명체가 끊임없이 경계를 훼손한다는 사실을 발견한다. 우리는 우주를 이해하기 위해 실험하고 있다. 그들은 자신들의 우주를 보존하기 위해 우리의 실험을 막아야 한다. 그런데 우리 우주의 문명은 그들의 존재조차 알지 못한다. 그들의 입장에서는 재앙의 원인을 제거해야 한다. 입자가속기 하나를 없애는 것으로는 충분하지 않다. 이 우주에 지적 생명체가 존재하고 물리적 실험을 계속하는 한 같은 문제가 반복될 수 있다. 결국 그들은 두 우주의 경계를 통제하는 기술을 이용해 우리 우주 전체를 제거하기로 결정한다.

사토르는 그 계획을 실행하기 위해 고용된 인간이다. 그는 금과 권력을 제공받고 상대편 우주의 문명이 원하는 장치를 완성하는 데 협력한다. 그의 죽음은 그 계획을 완성하기 위한 최종적인 신호가 된다. 영화에서 알고리즘이라고 불렸던 것은 미래로 보내야 할 발명품이 아니라 두 우주의 경계를 파괴하거나 재구성할 수 있는 기술의 핵심이었던 것이다. 그렇다면 《테넷》의 주인공들이 싸운 상대는 누구였을까? 그들은 시간 역행 기술을 이용해 과거를 공격하는 미래 인류가 적이라고 생각했다. 사토르를 막고 알고리즘을 확보함으로써 세계를 구했다고 믿었다. 그런데 실제로는 적의 정체조차 알지 못했던 것이다. 그들이 만난 것은 다른 우주에서 온 문명이 고용한 사토르 한 사람뿐이다. 그는 거대한 전쟁의 최전선에 배치된 척후병에 불과했다. 영화 속 인물들은 그를 막고 승리했다고 생각하지만, 그들이 마주한 것은 적의 본대가 아니라 가장 바깥쪽에 놓인 대리인이었다. 상대편 문명 역시 자신들을 침략자라고 생각하지 않을 것이다. 그들에게 이 전쟁은 다른 세계를 정복하기 위한 전쟁이 아니라 자신들의 우주를 보호하기 위한 전쟁이다. 우리의 실험이 자신들의 세계를 손상시키고 있다고 판단한다면, 그들은 자신들이 정당한 방어를 하고 있다고 믿을 것이다.

그리고 우리에게는 또 하나의 문제가 남는다. 그들이 자신들의 우주를 원우주라고 주장한다면, 우리는 그 주장을 어떻게 검증할 수 있을까? 두 우주가 동일한 기원에서 탄생했다면 어느 쪽이 원본인지 결정할 수 있을까? 그들 역시 자신들이 원본이라는 사실을 증명하지 못할지도 모른다. 《테넷》의 주인공들은 미래와의 전쟁에서 승리했다고 믿지만, 실제로는 다른 우주에서 시작된 첫 번째 공격을 막았을 뿐일 수 있다. 그들은 아직 자신들이 누구와 싸우고 있는지조차 모른다.

지구의 인류는 아직도 그 사실을 모른 채 입자가속기를 돌리고 있는지도 모른다.