국내 연구진이 우주생성 과정에 대한 기존 이론을 뒤집는 새로운 연구결과를 내놓아 세계적으로 주목받고 있다. 137억년 전 거대한 폭발로 우주가 형성됐다고 보는 빅뱅이론에다, 우주를 이루는 기본단위를 입자가 아닌 `끈'으로 보는 끈이론을 접목, 빅뱅이론에서는 설명되지 않는 우주와 천체의 회전운동을 설명했을 뿐만 아니라 빅뱅 직후 빛이 생겨난 후 입자가 만들어졌다는 기존 이론과 달리 빛과 입자가 동시에 만들어졌다는 결론을 내놨다.

이화여대 조용승 교수(수학과)와 홍순태 교수(과학교육과)는 모든 물질이 입자로 이뤄진 것으로 보는 입자이론을 기반으로 한 빅뱅이론에 입자이론 대신 끈이론을 적용한 결과 우주생성의 비밀을 새롭게 규명하는 이론(조ㆍ홍빅뱅이론)을 얻어냈다고 1일 밝혔다. 연구진은 끈이론에다 다양체 구조 분석에 사용되는 `모오스이론', 아인슈타인의 장방정식(시공간의 곡률과 에너지간의 관계를 기술한 방정식)을 적용한 복잡한 식을 이용해 우주 생성의 비밀을 규명하는 작업을 5년간 해왔다.

이는 1970년 세계적인 과학자인 스티븐 호킹과 로저 펜로즈가 내놓은 `호킹-펜로즈 빅뱅이론'을 한 단계 진보시킨 것이다. 호킹과 펜로즈는 당시 우주가 계속 팽창하고 있고, 수학에서 특이점이라 불리는 부피가 0인 아주 작은 한 점의 거대한 폭발을 통해 생성됐다는 것을 이론적으로 밝혀냈다. 또 대폭발 이후 빛과 같이 질량이 없는 입자가 먼저 출현한 후 이어 질량이 있는 입자들이 출현한 것으로 해석했다.

조용승ㆍ홍순태 교수는 이와 달리 끈이론을 적용하고 팽창, 회전, 비틀림 등의 조건을 부여해 우주생성 초기 환경을 밝힐 수 있는 수학적 계산을 했다. 호킹-펜로즈 이론이 우주 생성 과정에서 물질의 회전을 0으로 가정해 천체와 입자 등 우주에 존재하는 물질들의 회전을 설명할 수 없었던 것에서 발전한 접근이다.

계산 결과 빛이 입자로 변화했다는 기존 이론과 달리 빅뱅 직후 질량입자와 빛 등 무질량입자가 동시에 나왔다는 계산결과를 얻었다. 또 우주와 천체 등의 회전 속도가 약간씩 줄어든다는 답을 얻었다.

조용승 교수는 "이 연구결과는 세계 최초로 끈이론으로 우주 생성을 규명함은 물론 우주 팽창의 비밀과 원리를 설명한 진일보한 이론"이라며 "기존 빅뱅이론에서는 설명할 수 없었던 천체의 회전도 설명했다"고 말했다.

두 교수는 이 이론을 기반으로 초기 우주가 어떤 과정을 거쳐 발전했는지를 도식화한 모형도를 만들 계획이다. 현재까지 연구결과로는 우주 팽창속도가 줄어들고 있고, 먼 미래에는 우주가 팽창을 멈추고 줄어들 것으로 관측하고 있다. 연구진은 향후 끈이론을 이용해 우주의 96%를 이루고 있으면서도 아직까지 잘 밝혀지지 않은 암흑에너지와 암흑물질을 연구할 계획이다.

이 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)의 일반연구자지원사업(기본연구)의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구결과는 미국물리학회에서 발행하는 피지컬 리뷰(Physical Review D)지 20일자 온라인판에 게재됐다.