우리가 알고 있는 우주를 멸망시킬 수 있는 과정인 진공 붕괴는 예상보다 10,000배나 빨리 일어날 수 있습니다. 다행히도 그런 일은 아주 아주 오랫동안 일어나지 않을 것입니다.
물리학자들이 "진공"이라고 말할 때, 그 용어는 마치 빈 공간을 가리키는 것처럼 들리며 어떤 의미에서는 그렇습니다. 보다 구체적으로 말하면 제어 보드의 설정과 같은 기본값 집합을 나타냅니다. 공간에 스며드는 양자장이 이러한 기본값에 있으면 공간이 비어 있다고 간주합니다. 설정을 조금만 조정하면 입자가 생성됩니다. 전자기장을 약간 높이면 광자를 얻을 수 있습니다. 반면에 큰 조정은 완전히 새로운 기본값으로 생각하는 것이 가장 좋습니다. 그들은 서로 다른 특징을 가지고 빈 공간에 대한 다른 정의를 만들어냅니다.
하나의 양자장은 기본값이 변경될 수 있기 때문에 특별합니다. 힉스 장(Higgs field)이라고 불리는 이 장은 전자나 쿼크와 같은 많은 기본 입자의 질량을 제어합니다. 다른 모든 양자장 물리학자들이 발견한 것과는 달리, 힉스장은 0보다 큰 기본값을 갖습니다. 힉스 필드 값을 높이거나 낮추면 전자 및 기타 입자의 질량이 증가하거나 감소합니다. 힉스 장의 설정이 0이면 해당 입자는 질량이 없습니다.
양자역학이 아니었다면 우리는 영원히 0이 아닌 기본값을 유지할 수 있었습니다. 양자장은 더 높은 에너지 중간 설정을 통과할 만큼 충분한 에너지가 없더라도 새로운 더 낮은 에너지 값으로 점프하는 '터널'을 수행할 수 있습니다. 이는 단단한 벽을 터널링하는 것과 유사한 효과입니다.
이를 위해서는 터널링할 저에너지 상태가 필요합니다. 그리고 대형 강입자 충돌기를 만들기 전에 물리학자들은 힉스 장의 현재 상태가 가장 낮을 수 있다고 생각했습니다. 이제 그 믿음은 바뀌었습니다.
힉스 장의 다양한 설정에 필요한 에너지를 나타내는 곡선은 항상 챙이 위로 향한 솜브레로와 유사한 것으로 알려져 있습니다. 힉스 장의 현재 설정은 가장자리 바닥에 공이 놓여 있는 모습으로 묘사될 수 있습니다.
Quanta Magazine의 마크 벨란
그러나 미묘한 양자 수정으로 인해 곡선의 모양이 바뀔 수 있습니다. 양자장은 서로 에너지를 앞뒤로 공급합니다. 예를 들어, 전자와 전자기장 사이의 양자 상호작용은 원자의 에너지 수준을 이동시킵니다. 이는 1940년대에 발견된 효과입니다.
힉스 장의 경우 솜브레로 챙의 곡률은 2012년 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 발견된 힉스 장의 효과를 전달하는 기본 입자인 힉스 보손(Higgs boson)의 질량에 의해 결정됩니다. 곡선의 모양에 대한 추가 수정은 힉스와 강하게 상호 작용하는 입자, 즉 알려진 가장 무거운 기본 입자인 톱 쿼크와 같이 높은 질량을 갖는 입자에서 비롯됩니다. 이제 물리학자들은 힉스 보존의 질량을 톱 쿼크의 질량과 비교함으로써 솜브레로가 다시 내려갈 가능성이 가장 높다고 생각합니다. 훨씬 더 높은 힉스 장 설정에서는 에너지 상태가 더 낮습니다.
이 경우 힉스 장은 결국 해당 상태, 즉 "붕괴"로 터널링되어야 합니다. 이 붕괴는 한 곳에서 시작된 다음 빛의 속도로 자라는 구형 거품으로 퍼져 우주를 변화시킵니다. 기본 입자는 훨씬 더 무거워져서 다른 힘이 그들을 떼어 놓을 때보다 중력에 의해 더 강하게 끌어당겨지게 됩니다. 원자가 붕괴될 것입니다.
하지만 우리는 조만간 더 높은 Higgs 설정으로 터널링하지 않을 것입니다. 물리학자들은 다양한 방식으로 진공 붕괴 가능성을 추정합니다. 가장 직접적인 방법으로 그들은 필드를 한 값에서 다른 값으로 이동하는 데 필요한 다양한 변환(양자 역학이 잠시 발생하도록 허용하는 에너지 보존을 위반하는 변환)을 설명하고 에너지 보존과 같은 규칙을 얼마나 크게 위반하는지에 따라 각 시나리오에 가중치를 부여합니다. 이러한 추정에 따르면, 공간의 입방 기가파섹은 10,794년마다 한 번씩 진공 붕괴를 보게 되며, 즉 숫자 1 뒤에 794개의 0이 붙는 터무니없는 시간 범위입니다. 빅뱅 이후 지금까지 불과 1010년이 지났다.
최근 슬로베니아의 한 물리학자 그룹은 계산에서 우리가 알고 있는 우주의 종말을 10794년이 아닌 10790년으로 앞당기는 작은 오류를 발견했다고 주장했습니다. 10,000배의 변화는 거대해 보일 수 있지만 계산의 다른 부분에서 나타나는 불확실성보다 훨씬 작습니다. 가장 중요한 점은 이러한 불확실성 중 어느 것도 우리와 진공 붕괴의 공포 사이에 놓여 있는 장구한 시간을 단축할 만큼 크지 않다는 것입니다.
