"우주에 전자는 딱 1개뿐이다" 천재 물리학자들의 황당한 시간여행 가설

요약 1940년 봄, 이론물리학자 존 휠러는 당시 대학원생이던 리처드 파인만에게 다급하게 전화를 걸어 기발하면서도 황당한 가설을 하나 던졌습니다. 바로 "우주의 모든 전자가 똑같은 전하와 질량을 가진 이유를 알아냈다. 사실 우주 전체에 전자는 단 하나뿐이기 때문"이라는 주장이었습니다. 휠러의 '단일 전자 우주(One-electron universe)' 가설에 따르면, 우주에 존재하는 모든 전자와 양전자는 별개의 입자가 아니라 시공간을 가로지르는 단 하나의 세계선(world line)이 만들어낸 궤적입니다. 거대하게 엉킨 실타래 매듭처럼 단 하나의 전자가 시간을 거슬러 과거로 갔다가 다시 미래로 향하기를 무한히 반복하고 있다는 것입니다. 특정 시점의 우주를 단면으로 자르면 이 거대한 실타래와 수많은 지점에서 교차하게 되는데, 이때 시간을 따라 미래로 진행하는 단면은 일반 전자(-)로 관측되고, 시간을 거꾸로 거슬러 올라가는 구간은 전자의 반물질인 양전자(+)로 보이게 된다는 설명이었습니다. 하지만 파인만은 곧바로 결정적인 허점을 지적했습니다. 이 가설이 맞다면 우주에는 전자와 양전자의 수가 똑같이 50대 50으로 존재해야 하지만, 실제 우주에는 양전자보다 전자가 압도적으로 많기 때문입니다. 이에 대해 휠러는 "사라진 양전자들은 양성자 속에 숨겨져 있을 것"이라는 추측을 내놓기도 했습니다. 파인만은 '우주의 전자가 단 하나뿐'이라는 휠러의 황당한 주장은 진지하게 받아들이지 않았습니다. 그러나 '반물질이란 시간을 거슬러 과거로 향하는 입자로 볼 수 있다'는 휠러의 기발한 발상만큼은 깊은 영감을 받았습니다. 파인만은 훗날 노벨상 수상 연설에서 "휠러의 아이디어 중 '반물질은 시간을 거슬러 가는 입자'라는 부분만큼은 내가 훔쳤다"고 유쾌하게 회고했습니다. 실제로 파인만은 1949년 논문 '양전자 이론'에서 이 개념을 정식으로 정립했고, 이후 난부 요이치로 등이 입자-반입자의 쌍생성과 쌍소멸을 '입자가 시간을 거슬러 방향을 바꾼 현상'으로 해석하는 등 양자전기역학 발전에 결정적인 씨앗이 되었습니다.