거짓 진공 붕괴

텅 빈 공간이 가장 낮은 에너지 상태가 아니라면, 참 진공의 거품이 빛의 속도로 커질 수 있다. 그것이 무엇을 뜻하는지, 어떻게 시작될 수 있는지, 왜 위험하지 않은지

가설입니다. 물리학적으로는 가능하지만 아무도 본 적이 없습니다. 모든 내용은 현재 이론을 따릅니다.

단계별로

텅 빈 공간은 비어 있지 않다

입자는 그 값을 얼마나 강하게 느끼느냐에 따라 질량을 얻는다. 전자는 약하게 느껴서 가볍고, 톱 쿼크는 가장 강하게 느껴서 금 원자와 거의 같은 무게가 된다. 값이 바뀌면 모든 질량이 함께 바뀌고, 질량과 함께 원자의 크기와 화학 전체도 바뀐다.

2012년 CERN에서 발견된 힉스 보손은 이 장의 잔물결이다. 보라색 일렁임은 그린 것이다. 장 자체는 보이지 않으며 어디서나 똑같아 보일 것이다.

움푹한 곳의 공

장의 에너지를 지형으로, 우리의 진공을 움푹한 곳에 놓인 공으로 상상해 보자. 언덕 너머에 더 깊은 골짜기가 있다면 우리의 진공은 거짓 진공이다. 안정적이지만 가장 낮지는 않다.

움푹한 곳의 공은 작은 흔들림에는 안정적이다. 조금 밀어도 다시 굴러온다. 하지만 언덕 너머 땅이 더 낮다면 그 움푹한 곳은 준안정할 뿐이다. 어는점 아래에서도 무언가가 얼음을 시작하기 전까지 액체로 남는 과냉각된 물과 같다. 물리학자들은 이런 상태를 거짓 진공, 가장 낮은 골짜기를 참 진공이라 부른다.

측정된 두 질량

데그라시와 동료들은 힉스 보손이 발견된 해인 2012년에 이를 보였고, 이후 연구도 일치한다. 질량은 ATLAS, CMS, 테바트론의 측정값을 입자 데이터 그룹(PDG)이 평균한 값이다. 값들은 경계선 가까이에 있으며, 일부 물리학자는 이것 자체를 단서로 여긴다. 톱 쿼크가 훨씬 무거웠다면 진공은 이미 오래전에 붕괴했을 것이다.

확실하지는 않다. 톱 쿼크의 질량을 이론이 필요로 하는 수와 연결하기 어렵고, 강한 힘의 세기도 불확실성을 더한다. 안드레아센, 프로스트, 슈워츠는 2018년에 안정된 진공을 확실히 배제하려면 톱 쿼크의 질량을 250 MeV 이내로 알아야 한다고 계산했다.

어떻게 시작될 수 있나

양자 물리학에서는 오를 수 없는 장벽을 건널 수 있다. 알파 입자가 원자핵에서 빠져나오는 것처럼 말이다. 진공에서는 작은 영역이 아무 원인 없이 더 낮은 골짜기로 뛰어넘을 수 있다는 뜻이다. 너무 작은 거품은 다시 줄어들어 사라지지만, 임계 크기를 조금 넘는 거품은 벽에 드는 에너지보다 더 많은 에너지를 안쪽에서 얻어 커진다.

이 수치는 엄청난 에너지까지 표준 모형이 전부일 때에만 성립한다. 알려지지 않은 입자가 진공을 안정하게 만들 수도, 수명을 줄일 수도 있다. 아주 작은 블랙홀이 거품의 씨앗이 될 수 있는지 묻는 이론가들도 있지만(부르다, 그레고리, 모스, 2015년), 이 생각에는 어느 쪽으로도 증거가 없다.

경고 없이

거품이 커질 만큼 커지면, 진공이 더 낮아지며 풀려나는 에너지가 벽을 점점 더 빠르게 밀어내고, 아주 짧은 시간 안에 벽은 사실상 빛의 속도로 움직인다. 밖에서 보면 거품은 해마다 1광년씩 커진다. 우리은하의 10만 광년을 가로지르는 데 약 10만 년이 걸린다.

거품이 생겨날 때의 빛은 벽보다 아주 조금 앞서 갈 뿐이므로, 거품이 여기 도착하기 전까지는 아무것도 보이지 않는다. 그림은 거품을 어떤 눈으로도 볼 수 없는 바깥에서 보여 준다. 실제로는 벽이 도착하는 순간까지 그 앞의 별들은 아무 일 없이 계속 빛날 것이다. 벽은 사람을 수십억분의 1초 만에 지나가며, 이는 어떤 신경이 신호를 보내는 것보다 훨씬 빠르므로 아무도 그것을 느끼지 못할 것이다.

거품 안

안쪽에서는 힉스장이 훨씬 큰 값을 가지며, 입자의 질량과 입자 사이의 힘도 함께 바뀔 것이다. 그곳에는 원자가 존재할 수 없고, 따라서 화학도 생명도 존재할 수 없다.

힉스장에서 질량을 얻는 모든 입자는 거품 안에서 엄청나게 더 무거워지고, 원자를 붙잡아 두는 힘의 균형은 사라진다. 그곳의 법칙이 자세히 어떤 모습일지는 알려져 있지 않다. 그런 장의 값에서는 표준 모형을 믿을 수 없기 때문이다. 분명한 것은 우리를 이루는 물질이 벽을 넘어 살아남지 못한다는 것이다.

중력은 상황을 더 나쁘게 만든다. 참 진공은 에너지가 거의 정확히 0인 우리의 진공보다 낮으므로, 그 에너지는 0보다 작다. 콜먼과 데 루치아는 1980년에 그런 거품 안의 공간이 스스로 붕괴한다는 것을 보였다. 안쪽의 짙은 보라색은 그린 것이다. 그것이 어떻게 보일지, 보이기는 할지 아무도 모른다.

충돌기가 거품을 만들 수 있을까?

아니다. 우주선은 어떤 충돌기도 도달할 수 없는 훨씬 큰 에너지로 달과 행성과 별에 부딪치며, 수십억 년 동안 그래 왔다. 진공은 여전히 여기 있다.

피트 허트와 마틴 리스는 1983년에 이렇게 논증했다. 그런 에너지의 충돌이 거품을 일으킬 수 있다면 오래전 우리 과거의 어딘가에서 거품이 생겼을 것이고, 우리는 여기 없을 것이다. 2008년 LHC 안전성 검토도 같은 답에 이르렀다. 충돌기는 자연이 매일 훨씬 더 격렬하게 하는 일을 실험실에서 재현할 뿐이다.

정말일까?

아무도 모른다. 결국 우리의 진공이 가장 낮을 수도 있다. 답은 톱 쿼크의 정확한 질량과, 존재해야 한다고 알고 있는 표준 모형 너머의 물리에 달려 있다.

표준 모형은 암흑 물질, 가장 높은 에너지에서의 중력 등 많은 것을 빠뜨리고 있다. 높은 에너지의 새로운 입자는 힉스장 에너지의 모양을 바꿔, 우리의 진공을 안정하게 만들 수도, 덜 안정하게 만들 수도 있다. LHC와 미래 충돌기에서 톱 쿼크를 더 정밀하게 측정하면 답이 좁혀질 것이다.