Why our universe might exist on a knife-edge | Gian Giudice

번역: Gemma Lee 검토: K Bang

So last year, on the Fourth of July,

작년 7월 4일

experiments at the Large Hadron Collider

강입자 충돌기 실험에서

discovered the Higgs boson.

힉스 입자가 발견되었습니다.

It was a historical day.

역사적인 날이었죠.

There's no doubt that from now on,

앞으로는 당연히

the Fourth of July will be remembered

7월 4일이

not as the day of the Declaration of Independence,

미국이 독립한 날이 아니라

but as the day of the discovery of the Higgs boson.

힉스 입자를 발견한 날로 기억될 겁니다.

Well, at least, here at CERN.

적어도 여기 CERN(유럽 원자핵 공동 연구소) 에서는 그럴 겁니다.

But for me, the biggest surprise of that day

하지만 저한테 그날 가장 놀라웠던 점은

was that there was no big surprise.

크게 놀랄 일이 없었다는 겁니다.

In the eye of a theoretical physicist,

이론 물리학자의 입장에서는

the Higgs boson is a clever explanation

힉스 입자가 어떻게 해서 일부 소립자들이

of how some elementary particles gain mass,

질량을 얻게 되는지를 똑똑하게 설명해주지만

but it seems a fairly unsatisfactory

썩 만족스럽지 않은

and incomplete solution.

불완전한 답처럼 보입니다.

Too many questions are left unanswered.

너무나 많은 질문들에 답할 수가 없습니다.

The Higgs boson does not share the beauty,

힉스 입자는 나머지 소립자 세계의

the symmetry, the elegance,

대칭성, 우아함과 같은

of the rest of the elementary particle world.

아름다움을 공유하지 않습니다.

For this reason, the majority of theoretical physicists

이런 까닭으로 대다수의 이론 물리학자들은

believe that the Higgs boson could not

힉스 입자가 전체를 다 얘기해주는 건

be the full story.

아니라고 믿습니다.

We were expecting new particles and new phenomena

우리는 힉스 입자에 따라오는

accompanying the Higgs boson.

새로운 입자와 새로운 현상을 기대하고 있었죠.

Instead, so far, the measurements

그런데 여태까지

coming from the LHC show no signs of new particles

강입자 충돌기에서 측정한 결과는

or unexpected phenomena.

새로운 입자나 예상치 못한 현상을 보여주지 않습니다.

Of course, the verdict is not definitive.

물론 최종적인 결론은 아닙니다.

In 2015, the LHC will almost double

2015년이 되면 강입자 충돌기는

the energy of the colliding protons,

충돌하는 양자 에너지가 거의 2배로 되고

and these more powerful collisions

그래서 더욱 강렬한 충돌은

will allow us to explore further the particle world,

우리가 소립자 세계를 더 깊이 탐구할 수 있도록 하고

and we will certainly learn much more.

분명히 더 많은 사실을 알게 되겠죠.

But for the moment, since we have found

하지만 현재로서는

no evidence for new phenomena, let us suppose

새로운 현상에 대한 증거를 못 찾았기 때문에

that the particles that we know today,

현재 우리가 알고 있는 입자들,

including the Higgs boson,

힉스 입자를 포함한 입자들이

are the only elementary particles in nature,

사실상 자연 상태의 유일한 소립자들이고

even at energies much larger

심지어 지금까지 우리가 살폈던 것보다 훨씬 더 큰 에너지 상태라고 해도

than what we have explored so far.

마찬가지라고 가정해보죠.

Let's see where this hypothesis is going to lead us.

이러한 가정이 어떻게 진행되는지 보시죠.

We will find a surprising and intriguing result

우리는 우주에 대해 놀랍고도

about our universe, and to explain my point,

흥미로운 결과를 알게 될 것입니다. 제 주장을 설명하기 위해

let me first tell you what the Higgs is about,

먼저 힉스 입자가 뭔지 말씀드리죠.

and to do so, we have to go back

그러려면

to one tenth of a billionth of a second

빅뱅 이후

after the Big Bang.

십억분의 1초로 돌아가야 합니다.

And according to the Higgs theory,

힉스 이론에 따르면

at that instant, a dramatic event took place

그 순간 극적인 사건이

in the universe.

우주에서 일어났습니다.

Space-time underwent a phase transition.

공간-시간이 상전이를 겪었습니다.

It was something very similar to the phase transition

그것은 0도 이하에서

that occurs when water turns into ice

물이 얼음으로 바뀌는

below zero degrees.

상전이와 아주 비슷합니다.

But in our case, the phase transition

그러나 이 경우 상전이는

is not a change in the way the molecules

분자가 물질 안에서

are arranged inside the material,

배열을 바꾸는 식의 변화가 아니라

but is about a change

공간-시간을 엮고 있는

of the very fabric of space-time.

바로 거기에서 일어나는 변화입니다.

During this phase transition, empty space

상전이가 일어나는 동안 빈 공간은

became filled with a substance

우리가 지금 힉스 장이라고 부르는

that we now call Higgs field.

물질로 채워졌습니다.

And this substance may seem invisible to us,

이 물질은 우리 눈으로는 볼 수 없지만

but it has a physical reality.

물리적인 실체를 갖고 있습니다.

It surrounds us all the time,

이 물질은 우리를 늘 둘러싸고 있어요.

just like the air we breathe in this room.

마치 우리가 이 방에서 숨쉬는 공기처럼 말이죠.

And some elementary particles interact

그리고 일부 소립자들은

with this substance, gaining energy in the process.

이 물질과 반응하면서 그 과정에서 에너지를 얻습니다.

And this intrinsic energy is what we call

그리고 이 본질적인 에너지가

the mass of a particle,

입자의 질량입니다.

and by discovering the Higgs boson, the LHC

그리고 힉스 입자의 발견으로 강입자 충돌기는

has conclusively proved that this substance is real,

이 물질이 진짜로 존재한다고 증명했습니다.

because it is the stuff the Higgs bosons are made of.

왜냐하면 힉스 입자가 이 물질로 만들어졌기 때문이죠.

And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.

간단히 말해서 이것이 힉스 이야기의 핵심입니다.

But this story is far more interesting than that.

그러나 이 이야기는 그보다 훨씬 더 흥미롭습니다.

By studying the Higgs theory,

힉스 이론을 연구하면서

theoretical physicists discovered,

이론 물리학자들은

not through an experiment

실험을 통해서가 아니라

but with the power of mathematics,

수학의 힘으로 알아냈습니다.

that the Higgs field does not necessarily exist

힉스 장이 단지 우리가 오늘날 관측하는 형태로만

only in the form that we observe today.

존재하는 것은 아니라는 사실이죠.

Just like matter can exist as liquid or solid,

물질이 액체나 고체로서 존재할 수 있듯이

so the Higgs field, the substance that fills all space-time,

공간-시간을 채우는 물질인 힉스 장은

could exist in two states.

두 가지 상태로 존재할 수 있습니다.

Besides the known Higgs state,

알려진 힉스 상태 말고도

there could be a second state in which the Higgs field

두 번째 상태가 있을 수 있는데 그 상태에서 힉스 장은

is billions and billions times denser

우리가 오늘날 관측하는 것보다

than what we observe today,

십억의 십억배나 밀도가 높을 수 있습니다.

and the mere existence of another state

힉스 장이 다른 상태로 존재할 수 있다는 것만으로도

of the Higgs field poses a potential problem.

커다란 문제를 가져옵니다

This is because, according to the laws

왜냐하면

of quantum mechanics, it is possible

양자역학에 따르면

to have transitions between two states,

두 상태를 분리하는

even in the presence of an energy barrier

에너지 장벽이 있는데도

separating the two states,

두 상태 사이에서 전이가 일어날 수 있습니다.

and the phenomenon is called,

그 현상은

quite appropriately, quantum tunneling.

아주 적절하게도 양자 터널링이라고 부릅니다.

Because of quantum tunneling,

양자 터널링 때문에

I could disappear from this room

저는 이 방에서 사라져서

and reappear in the next room,

옆방에 나타날 수 있죠.

practically penetrating the wall.

실제로 벽을 꿰뚫는 겁니다.

But don't expect me to actually perform the trick

하지만 제가 여러분 앞에서

in front of your eyes, because the probability

그 묘기를 보이리라고 기대하지는 마세요.

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

제가 벽을 통과할 확률은 말도 안 될 정도로 낮으니까요.

You would have to wait a really long time

그런 일이 일어날 때까지

before it happens, but believe me,

아주 오래 기다리셔야 될 겁니다. 하지만 믿어주세요.

quantum tunneling is a real phenomenon,

양자 터널링은 실제 현상이고

and it has been observed in many systems.

여러 시스템에서 관측되었습니다.

For instance, the tunnel diode,

예를 들어

a component used in electronics,

전자에서 사용되는 구성 요소인 터널 다이오드는

works thanks to the wonders

양자 터널링의

of quantum tunneling.

경이로움 덕분에 작용합니다.

But let's go back to the Higgs field.

힉스 장으로 돌아가죠.

If the ultra-dense Higgs state existed,

아주 고밀도의 힉스 상태가 존재한다면

then, because of quantum tunneling,

양자 터널링 때문에

a bubble of this state could suddenly appear

이 상태의 방울이 어떤 특정한 시점에

in a certain place of the universe at a certain time,

우주의 특정한 곳에 갑자기 나타날 수 있고

and it is analogous to what happens when you boil water.

그것은 물을 끓일 때와 비슷합니다.

Bubbles of vapor form inside the water,

물 속에서 증기 방울이 형성된 뒤,

then they expand, turning liquid into gas.

액체가 팽창되어 기체로 바뀝니다.

In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state

마찬가지로 양자 터널링 때문에

could come into existence because of quantum tunneling.

아주 고밀도의 힉스 상태인 방울이 생길 수 있습니다.

The bubble would then expand at the speed of light,

그 방울은 빛의 속도로 팽창하면서

invading all space, and turning the Higgs field

전체 공간으로 침입해서 힉스 장을

from the familiar state into a new state.

익숙한 상태에서 새로운 상태로 바꿉니다.

Is this a problem? Yes, it's a big a problem.

이게 문제가 될까요? 예, 큰 문제입니다.

We may not realize it in ordinary life,

우리가 일상 생활에서는 그것을 깨닫기 어렵지만

but the intensity of the Higgs field is critical

힉스 장의 강도는

for the structure of matter.

물질의 구조에 아주 중요합니다.

If the Higgs field were only a few times more intense,

힉스 장이 몇 배만 더 강해도

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

원자가 줄어들고 중성자가

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

원자핵 안에서 붕괴되고 원자핵이 분열해서

and hydrogen would be

수소만이

the only possible chemical element in the universe.

우주에서 유일한 화학 원소가 될 것입니다.

And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state,

아주 고밀도의 힉스 상태에서 힉스 장은

is not just a few times more intense than today,

현재보다 그저 몇 배 강한 게 아니라

but billions of times,

십억 배 이상 강합니다.

and if space-time were filled by this Higgs state,

공간-시간이 이런 힉스 상태로 채워진다면

all atomic matter would collapse.

모든 원자 물질들은 붕괴될 겁니다.

No molecular structures would be possible, no life.

어떤 분자 구조도 남아있을 수 없고 생명도 없습니다.

So, I wonder, is it possible

그래서 저는 궁금합니다.

that in the future, the Higgs field

앞으로 힉스 장이

will undergo a phase transition and,

상전이를 거치고

through quantum tunneling, will be transformed

양자 터널링을 통해

into this nasty, ultra-dense state?

이렇게 끔찍한 초고밀도 상태로 변할지 말입니다.

In other words, I ask myself, what is the fate

다른 말로 제 스스로에게 묻습니다.

of the Higgs field in our universe?

우주에서 힉스 장의 운명이 어떻게 될까?

And the crucial ingredient necessary

이 질문에 답하기 위해 필요한

to answer this question is the Higgs boson mass.

중요한 요소는 힉스 입자의 질량입니다.

And experiments at the LHC found that the mass

강입자 충돌기 실험으로

of the Higgs boson is about 126 GeV.

힉 스입자의 질량은 126 기가 전자볼트로 밝혀졌습니다.

This is tiny when expressed in familiar units,

이것을 익숙한 단위로 표현하면 아주 작습니다.

because it's equal to something like

10의 -22 제곱 그램과

10 to the minus 22 grams,

비슷한 무게이니까요.

but it is large in particle physics units,

하지만 소립자 단위로 하면 큽니다.

because it is equal to the weight

왜냐하면 DNA를 이루는

of an entire molecule

전체 분자의

of a DNA constituent.

무게와 같기 때문이죠.

So armed with this information from the LHC,

강입자 충돌기에서 나온 정보를 가지고

together with some colleagues here at CERN,

이곳 CERN 의 동료들과 함께

we computed the probability

우주가 양자 터널링을 일으켜

that our universe could quantum tunnel

초고밀도의 힉스 상태로 바뀔

into the ultra-dense Higgs state,

확율을 계산했는데

and we found a very intriguing result.

아주 재미있는 결과를 알아냈습니다.

Our calculations showed

우리가 계산한 결과

that the measured value of the Higgs boson mass

힉스 입자의 질량을 측정한 값은

is very special.

아주 특별했습니다.

It has just the right value

힉스 입자는

to keep the universe hanging

우주를 불안정한 상태로

in an unstable situation.

유지하기에 알맞는 수치를 갖고 있습니다.

The Higgs field is in a wobbly configuration

힉스 장은 흔들흔들한 상태로

that has lasted so far

지금까지 유지되었는데

but that will eventually collapse.

결국은 붕괴될 겁니다.

So according to these calculations,

그래서 이 계산에 따르면

we are like campers

우리는

who accidentally set their tent

텐트를 실수로

at the edge of a cliff.

벼랑 끝에 세운 야영객과 같습니다.

And eventually, the Higgs field

결국에는 힉스 장이

will undergo a phase transition

상전이를 거쳐

and matter will collapse into itself.

물질이 붕괴될 것입니다.

So is this how humanity is going to disappear?

그렇다면 인류가 이렇게 사라져버릴까요?

I don't think so.

저는 그렇게 생각하지 않습니다.

Our calculation shows that quantum tunneling

우리가 계산한 바로는 힉스 장의

of the Higgs field is not likely to occur

양자 터널링은

in the next 10 to the 100 years,

앞으로 10년에서 100년 안에는 일어나지 않을 것이고

and this is a very long time.

이건 꽤 긴 시간입니다.

It's even longer than

이탈리아가 안정된 정부를

the time it takes for Italy to form a stable government.

세우는데 걸리는 시간보다 더 길죠.

(Laughter)

(웃음)

Even so, we will be long gone by then.

그렇다고 해도 그때쯤이면 우리는 없을 겁니다.

In about five billion years,

약 50억년 후에

our sun will become a red giant,

해는 적색거성이 되어

as large as the Earth's orbit,

지구의 궤도만큼 커지고

and our Earth will be kaput,

지구는 망가질 겁니다.

and in a thousand billion years,

1조 년 후에

if dark energy keeps on fueling

암흑 에너지가

space expansion at the present rate,

현재 속도로 공간의 팽창을 가속화한다면

you will not even be able to see as far as your toes,

여러분은 자신의 발가락도 볼 수 없을 겁니다.

because everything around you

왜냐하면 여러분 주변의 모든 것이

expands at a rate faster than the speed of light.

빛의 속도보다 더 빨리 팽창하기 때문이죠.

So it is really unlikely

그래서 우리가 힉스 장이

that we will be around to see the Higgs field collapse.

붕괴되는 것을 볼 가능성은 아주 낮습니다.

But the reason why I am interested

하지만 제가

in the transition of the Higgs field

힉스 장의 전이에 관심을 가지는 이유는

is because I want to address the question,

이 질문에 답하고 싶었기 때문입니다.

why is the Higgs boson mass so special?

왜 힉스입자의 질량이 그렇게 특별한가?

Why is it just right to keep the universe

왜 상전이의 끄트머리에서

at the edge of a phase transition?

우주를 유지해나가는게 딱 알맞는가?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

이론 물리학자들은 늘 "왜?"라는 질문을 합니다.

More than how a phenomenon works,

현상이 어떻게 일어나는가 그 이상으로

theoretical physicists are always interested in

이론 물리학자들은

why a phenomenon works in the way it works.

왜 현상이 그렇게 일어나는지에 늘 관심을 가집니다.

We think that this these "why" questions

이런 "왜?"라는 질문들이

can give us clues

자연의 근본 원리에 대한

about the fundamental principles of nature.

단서를 제공한다고 생각합니다.

And indeed, a possible answer to my question

더 나아가, 제 질문에 가능한 답이

opens up new universes, literally.

말 그대로 새로운 우주를 엽니다.

It has been speculated that our universe

우리가 살고 있는 우주는

is only a bubble in a soapy multiverse

수많은 방울로 이루어진

made out of a multitude of bubbles,

비눗물 같은 다중우주 속의 한 방울에 불과하다는 얘기가 있습니다.

and each bubble is a different universe

하나하나의 방울이

with different fundamental constants

서로 다른 기본 상수와

and different physical laws.

서로 다른 물리 법칙을 갖고 있는 우주입니다.

And in this context, you can only talk about

이런 상황에서 여러분은

the probability of finding a certain value of the Higgs mass.

힉스 질량의 특정치를 발견할 가능성에 대해서만 논할 수 있습니다.

Then the key to the mystery

그렇다면 수수께끼를 푸는 열쇠는

could lie in the statistical properties

다중 우주의

of the multiverse.

통계적 특성에 있습니다.

It would be something like what happens

마치 바닷가 모래 언덕에

with sand dunes on a beach.

무슨 일이 벌어질까와 비슷하겠죠.

In principle, you could imagine to find sand dunes

이론상으로 여러분은 바닷가에서

of any slope angle in a beach,

임의의 각도로 기운 모래 언덕을 찾을 수 있습니다.

and yet, the slope angles of sand dunes

하지만 모래 언덕의 기울기는

are typically around 30, 35 degrees.

일반적으로 30, 35도 정도일 겁니다.

And the reason is simple:

그 까닭은 간단합니다.

because wind builds up the sand, gravity makes it fall.

바람이 모래를 쌓이게 하고 중력이 모래를 허물기 때문이죠.

As a result, the vast majority of sand dunes

그 결과 모래 언덕의 대부분은

have slope angles around the critical value,

붕괴하기 직전의

near to collapse.

임계치에 가까운 경사를 가집니다.

And something similar could happen

다중 우주에서 힉스 입자의 질량도

for the Higgs boson mass in the multiverse.

그와 비슷한 경우가 생길 수 있습니다.

In the majority of bubble universes,

방울로 이뤄진 우주의 대부분에서

the Higgs mass could be around the critical value,

힉스 질량은 힉스 장이 우주 전체적으로 붕괴되기 직전의

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

임계치에 가까운 값을 가질 수 있습니다.

because of two competing effects,

모래의 경우처럼

just as in the case of sand.

두 가지 상반되는 효과 때문이죠.

My story does not have an end,

제 이야기는 결말이 없습니다.

because we still don't know the end of the story.

왜냐하면 우리는 아직도 이야기의 결말을 모르기 때문이죠.

This is science in progress,

이것은 진행중인 과학이고

and to solve the mystery, we need more data,

수수께끼를 풀려면 더 많은 자료가 필요합니다.

and hopefully, the LHC will soon add new clues

강입자 충돌기가 이 이야기에

to this story.

새로운 단서를 곧 제공해주기를 바랍니다.

Just one number, the Higgs boson mass,

힉스 입자의 질량, 단지 숫자 하나 뿐이지만

and yet, out of this number we learn so much.

이 숫자로 우리는 많은 것을 알았습니다.

I started from a hypothesis, that the known particles

알려진 입자는

are all there is in the universe,

우주에 다 있고

even beyond the domain explored so far.

지금까지 탐구한 영역 밖에도 있다는 가정으로 얘기를 시작했는데요.

From this, we discovered that the Higgs field

이것으로부터 공간-시간을 스며드는

that permeates space-time may be standing

힉스 장이 어쩌면 우주가 붕괴하기 직전의

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

칼날 끝에 서 있는지도 모른다는 것을 알았습니다.

and we discovered that this may be a hint

그래서 우리가 살고 있는 우주는

that our universe is only a grain of sand

다중 우주라는 거대한 바닷가에 있는

in a giant beach, the multiverse.

한 알의 모래 알갱이에 불과할지도 모릅니다.

But I don't know if my hypothesis is right.

제가 말한 가정이 옳은지는 모르겠습니다.

That's how physics works: A single measurement

물리가 작용하는 방식이 이렇습니다. 하나의 측량이

can put us on the road to a new understanding

우주를 새롭게 이해하는 길로

of the universe

이끌 수도 있고

or it can send us down a blind alley.

막다른 골목으로 이끌 수도 있습니다.

But whichever it turns out to be,

어느 쪽이든

there is one thing I'm sure of:

한 가지는 확신합니다.

The journey will be full of surprises.

그 여정이 놀라움으로 가득하리라는 것을요.

Thank you.

고맙습니다.

(Applause)

(박수)