빅뱅 우주론

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천문학자 이강환박사의 빅뱅 오디오강의

1 소개

모든 것의 시작

약 137억 9900만년(±210만년)전에 발생한 폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론. 좀더 상세히 설명하자면 현재 우주가 팽창하고 있다는 점에서 착안하여 과거로 돌아가면 모든 것이 한 점에 모여 있었을 것이라 가정하고 그 점으로부터 팽창하여 현재 우주가 되었다는 설이다.

빅뱅이 발생했단 것이 현재 이론들 중에서 제일 유력한 건 사실이지만, 빅뱅으로 현재의 우주가 탄생했다는 가설 자체는 도전을 받고 있다. 특이점에서의 급팽창 자체는 이론의 여지가 없지만, 빅뱅 이전에도 우주와 물질은 존재했고, 빅뱅으로 물질이 확장되어 나갔을 뿐이라는 이론이 상당히 진지하게 연구되고 있다. 사실 이 자체로는 큰 문제가 없는데, 빅뱅 이전에 물질이 존재했다고 가정해도 현재까지 발견된 관측적 증거를 거스르지 않기 때문에 충분히 가능성 있는 이야기라는 것이다. 또한 이것이 빅뱅 이론에서 규명해야 할 빅뱅 이전의 상태에 대한 하나의 가능성이다.

무척 포스가 넘치는 단어이기 때문에 전혀 상황에 맞지 않는 단어임에도 여러 매체의 최강급 기술에 접두어나 접미어로 쓰이기도 한다.

2 이론의 역사

1933년 벨기에의 가톨릭 대학에서 가르치는 조르주 르메트르(Georges Lemaître)라는 물리학자 겸 신부가 처음으로 주장하였고 빛이 있으라, 이것이 현재의 빅뱅 이론으로 발전하였다. 르메트르는 성직자였지만, 과학으로서의 우주론과 신앙의 창조는 전혀 연관이 없다고 교황을 설득했다. 물론 과학자들도 사람이기 때문에 완전히 영향을 받지 않을 수는 없어서 반발이 있었다. 그러다보니 당연히 처음부터 수용된 것은 아니며, 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론이 제기되어 한때 팽팽하게 대립했었다.

'빅뱅(Big Bang) 이론'은 원어로 들어보면 그럴듯해 보이지만 의미를 풀어 보면 '대폭발/큰 꽝 이론(...)'이란 뜻이며, 초기엔 태초의 화염구(primitive fireball) 정도로 불렸다. '빅뱅'이라는 단어는 정상우주론을 지지했던 물리학자 프레드 호일이 라디오 토크쇼에 출연해 팽창우주론에 대해서 비꼬기 위해서 '팽창우주론이란 거대한 생일 케이크 속에 들어 있던 스트리퍼가 '빵(Bang)!'하고 튀어나오는 것과 같은 식이군요'라고 언급하면서 사용했던 것이 시초가 되었다는 설이 있는데, 프레드 호일이 한 라디오 프로그램에 출연하여 빅뱅이론을 약간 까는 어조로 "그럼 우주가 맨 처음에 꽈광!(Big Bang)하고 생겨났다는 말이군요?"라고 한 데서 유래했다는 소문과, 반대로 조롱할 의도 없이 그저 팽창우주론을 쉽게 설명하기 위해 사용한 말이라는 이야기가 있다. 까 maketh 빠

3 상세

양자 역학과 상대성 이론의 통합 등, 빅뱅의 원인과 빅뱅 시작 후 초기를 설명하는 이론들이 아직 완성되지 않았기 때문에 완전히 설명할 수는 없다. 또, 현재까지 관측할 수 있는 우주 배경복사가 어디까지나 가시영역내의 우주(Observable universe)이기 때문에, 그 바깥쪽 영역(Invisible universe)에서 벌어지고 있는 사건과 현상은 밝혀낼 수 없다. 설명 불가능한 부분은 플랑크 시간이라고 불리는 시간의 최소단위인데 10^-43초 사이의 진정 찰나의 순간이다. 이 이하의 시간은 관측 불가능하다는 양자 역학의 이론에 따라 현재로는 규명이 불가능하다.

"빅뱅 이전에는 무엇이 있었나요?" 또는 "빅뱅 5분 전에는 어떤 상태였나요?" 등등의 질문에 대해서는 아직 과학자들도 설명할 수 없는 부분이다. 상대성 이론으로 설명하자면 시간과 공간은 둘이 결합한 단일한 구조를 이루며 그런 구조가 물리법칙의 영향을 받는 것이기 때문에 공간이 없으면 시간 역시 없으므로 설명이 불가능하다.

'그렇다면 빅뱅 순간에 시간이라는 개념이 생겼으므로 아예 질문이 성립하지 않느냐?'라는 말도 맞거나 틀리다고 할 수 없다. 정확히는 이러한 설명 자체가 시간은 일정하게 흐른다는, 일반적인 상식선에서 받아들여지는 뉴턴역학식으로 해석한 정상우주론에 사로잡혀있기에 나오는 오류. 그렇기 때문에 어떤 학자도 빅뱅 전의 상태에 대해 "알 수 없다" 라고 대답하는 것이다.

호킹이 말한 "북극점보다 북쪽은 없다."는 것은 이 이론이 아니라 특이점을 설명하는 말이지만, 빅뱅 순간도 훌륭한 특이점이기 때문에 이 비유 역시 굉장히 적절하다 할 수 있다.
덧붙여, 일부 과학자들은 허수시간단위의 도입을 통해서 이 특이점을 회피하려고 노력하고 있다. 플랑크 시간 이전에는 허수시간이 흘러서 t=0인 시점이 아예 존재하지 않는다라는 가설인데, 이 해석으로는 무에서 우주가 탄생한 직후 어째서 사라지지 않고 우주가 확장을 시작했는지에 대해서 해석이 가능해지지만 이건 이것대로 허수 시간이 흐르다가 갑자기 실수 시간으로 넘어가는 이유를 설명할 수 없기 때문에 해석이 분분하다.

4 빅뱅이론을 지지하고 있는 증거들

• 우주배경복사
• 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들
• 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 비율
• 대부분의 은하에서 관측되는 적색편이

5 보완 가설들

빅뱅이라는 개념만으로 우주의 시작을 알기에는 너무나 불확실한 것들이 많으며, 수많은 부차적인 가설들이 나와 있다. 빅뱅 자체의 원인에 대해 설명하려는 시도도 계속되고 있기 때문에 이 부분은 엄청나게 많은 이론이 왔다 갔다 하는 어려운 문제이기 때문. 대표적인 것을 꼽자면 다음과 같다.

• 인플레이션 이론: 빅뱅 직후 잠깐동안 우주가 빛의 속도 이상으로 미친 듯이 팽창했다.
• 진동 우주 가설: 빅뱅 - 빅 크런치 - 빅뱅 - 빅 크런치 - ...와 같이 빅뱅이 무한히 반복한다.
• 거품 우주 가설: 빅뱅 직후 양자적 '거품'이 발생하여 새로운 빅뱅이 일어나서 수많은 딸우주가 생성되었다.

이러한 가설들은 빅뱅 이론에 반대되는 것이 아니라, 빅뱅 이론과 함께 적용될 수 있는 가설들이다.

5.1 인플레이션 이론

1980년대부터 주장된, 대폭발 우주론에 더해서 우주의 초기 시절 우주가 급격히 팽창했다는 이론이다.

빅뱅 당시에 일어났다고 하는 전면적인 우주의 팽창. 한국말로는 '급팽창'이라고 한다. 부피가 적어도 10⁷⁸배 팽창하였고10⁻³⁴초에서 10⁻³²초 사이에 이루어졌다고 한다. 인플레이션 이론의 등장 배경은 70년대에 개발된 대통일 이론과 관련되어 있다. 대통일 이론에 따르면 따르면 우주에는 수많은 자기 홀극이 존재했어야 했다. 그러나 자기 홀극을 발견하려는 모든 시도는 실패했고 사람들은 그 해답을 찾기 시작했다. 1980년 앨런 구스(Alan Guth)는 우주론에 존재하는 여러 문제들을 해결할 수 있는 인플레이션 이론을 발표했다. 그와 비슷한 시대에 러시아의 스타로빈스키 (Starobinsky), 일본의 사토 가쓰히코 등이 비슷한 아이디어를 독립적으로 발표하였으며 그 후 여러 학자들의 기여와 관측 결과를 토대로 인플레이션 이론은 발전하게 된다.

인플레이션 이론은 매우 매우 급속한 팽창을 가정하여 자기 홀극이 발견되지 않는다는 문제를 해결하였고 부수적으로 주목받지 않았던 다른 문제들도 해결하게 된다.

• 왜 우주배경복사의 온도가 균일한가: 우주배경복사는 어느 방향이든 온도가 거의 같다. 우주배경복사의 온도는 방향에 따라 100,000:1 의 차이만을 보이고 이는 18 µK에 해당한다. 전통적인 우주론에서 우주의 반대편에 보이는 두 부분의 온도가 같다는 것은 불가능하다. 그 두 부분은 한번도 정보가 오간 적이 없는 곳이기 때문이다. 인플레이션 이론을 가정하면 우주의 반대편이라도 원래는 매우 가깝게 붙어있던 곳이기 때문에 온도가 같은 것을 설명할 수 있다.
• 왜 우주가 평탄한가(평탄성 문제Flatness problem): 상대성 이론에 따르면 시공간은 다양한 곡률을 가질 수 있으며 우주가 평탄해야 할 하등의 이유가 없다. 하지만 관측 결과 우주는 매우 평탄한 것으로 드러나 있다. 인플레이션 이론은 그 이유를 설명해 주었다. 인플레이션 이론에 따르면 인플레이션 이전에 존재하던 시공간의 굴곡은 매우 크게 확대되어서 우리에게 보이는 범위의 우주는 거의 평탄하게 된다.

현재 우주배경복사 관측 자료 등을 통해 인플레이션 이론은 정설로 받아들여지고 있으며 구스는 노벨상이 예상되는 물리학자로 꼽히고 있다. 다만 비교적 마이너에 속하긴 하지만 CCC 이론처럼 아직까지 이를 인정하지 않는 견해도 없진 않으며 역시 계속해서 연구되고 있다.

2014년 3월 17일에 우주배경복사에 남겨진 우주 배경 중력파의 흔적인 B-모드 편광이 발견되었으며, 이는 인플레이션이 실제로 일어났다는 직접적인 증거가 된다. #그러나 추가 연구 결과 우주배경복사로 발생한 중력파의 흔적은 아닌 것으로 밝혀졌다.

5.1.1 원리

구스가 원래 주장한 인플레이션 이론에서는 우주가 준안정 상태인 가짜 진공(false vacuum)에서 시작한다. 가짜 진공은 지수함수적인 팽창을 일으켰고 이는 드 지터 우주(de Sitter universe) 모형으로 근사시킬 수 있다. 가짜 진공은 진짜 진공보다 높은 에너지에 상태에 있었고 따라서 양자역학적 터널링 효과로 가짜 진공에서 진짜 진공으로 넘어가며 인플레이션이 종료되었다고 생각된다. 인플레이션이 끝나고 우주의 온도는 100,000 배로 내려갔으며 그 후 우주는 다시 온도가 인플레이션 이전의 온도에 근접하게 올라가는 재가열 시대를 맞는다.

구스가 주장한 원래의 이론은 관측결과와 잘 들어맞지 않는 문제점이 있었다. 구스의 모형에서는 동시다발적으로 다양한 곳에서 상전이가 일어나서 거품들이 경계선들을 만들어내고 지금과 같이 균질한 우주는 만들어지지 않게 된다. 이와 같은 기존 이론의 문제점을 보완하기 위해 나온 인플레이션 모형 중 하나가 안드레이 린데가 주장한 혼돈 인플레이션(Chaotic Inflation)이다.

위 그림에서 인플레이션이 일어나는 영역은 A와 B이다. A 영역에서는 양자적 요동에 의해 영원한 인플레이션(Eternal inflation)이 발생한다. 그리고 그림에서 B 영역은 인플레이션이 일어나면서 인플라톤장의 크기가 줄어들고 C 영역에선 인플라톤장이 진동하며 재가열을 만들어내는 원인이 된다. 이 모형에서는 구스의 모형과 달리 인플라톤장이 경사면을 내려오면서 인플레이션에서 자연스럽게 벗어나게 된다. 그리고 혼돈 인플레이션 모형이 가지는 또다른 장점이 존재한다. 모형에 의하면 인플레이션이 일어나기 전의 우주는 충분히 커서 각기 다른 상태의 진공이 자리잡게 된다. 그 진공의 상태에 따라 어떤 영역은 인플레이션이 일어나고 어떤 부분은 인플레이션이 일어나지 않게 된다. 이 이론에서는 왜 우리 우주가 인플레이션을 일으키게 한 초기조건을 가졌는지를 설명할 필요가 없다는 장점이 있다. 왜냐하면 수많은 영역 중 자연스럽게 인플레이션이 일어나는 영역이 존재하고 우리 우주가 존재한 영역도 있을 것이기 때문이다.참고 블로그논문

6 우주 멸망 가설

Kurzgesagt – In a Nutshell에서 제작한 우주의 세가지 멸망 가설

6.1 빅 크런치

우주 멸망 가설
빅 크런치	↔	빅 프리즈	↔	빅 립
진동 우주 가설
빅뱅		↔	빅 크런치

Big Crunch, 대붕괴(大崩壞)

빅뱅이 한 점에서 무한히 팽창했다는 우주의 기원 이론이라면, 빅 크런치는 우주 전체의 질량이 우주가 팽창하는 에너지보다 클 경우, 우주는 그 자신이 가진 중력에 의해 일정수준까지 팽창한 뒤 한 점으로 모일 때까지 수축한다는 세계멸망 이론이다. 빅뱅 가설의 보완 가설 중 진동 우주 가설에 의하면 연속해서 발생하게 되는데 이것이 가능한가는 밑의 두가지에 달려있다.

• 우주에 수축이 일어날 정도로 충분한 질량이 있는가?
• 우주상수라는 중력에 대항하는 척력의 근원이 존재하는가? 존재한다면 어느 정도의 크기인가?

최근의 연구에 의하면 우주 팽창은 느려지는 것이 아니라 오히려 빨라지고 있어 빅 크런치의 가능성은 거의 없다고 한다. 위에 언급된 우주상수가 예상보다 훨씬 커 우주를 밀어내고 있다는 것. 이대로 가면 우주는 엔트로피 최대를 향해 팽창을 거듭해 결국 얼어붙고 말 것이라고 한다. 안습.

6.1.1 창작물에서

• 요정대전쟁 ~ 동방삼월정에서 키리사메 마리사가 스펠카드로 들고 나온다. 얘 때문이었어
• 천원돌파 그렌라간에 등장한 악역 안티 스파이럴이 경계하던 스파이럴 네메시스도 빅 크런치의 범주에 속한다. 진화하는 생명의 수만큼 우주에는 새로운 별이 태어나고, 이것이 거듭된 끝에 별의 중력을 감당하지 못한 우주가 수축하여 멸망한다는 것이 스파이럴 네메시스의 정체. 그리고 기술로도 써먹어준다
• 갤럭시 엔젤2 시리즈에서 평행 세계 간의 관문 역할을 하는 절대영역의 초고대 유적 '글로브'의 정체가 빅뱅과 빅 크런치를 순환시키는 장치이다. 갤럭시 엔젤 시리즈에서 일어난 전쟁의 흑막에 있는 두 허수존재가, 그동안 모든 음모가 실패하자 실패한 우주들을 몽땅 리셋하겠다면서 글로브를 이용해 빅 크런치를 일으키려고 했다.
• 죠죠의 기묘한 모험 6부 스톤 오션의 최종보스 엔리코 푸치의 스탠드인 메이드 인 헤븐의 능력 시전의 시간을 가속하여서 시간가속 -> 우주멸망 -> 특이점 -> 새우주 재창조로 성립되는 세계인 일순 후의 세계가 빅 크런치의 빅 크런치 -> 특이점 -> 빅뱅 이랑 같은 원리이다.

6.2 빅 프리즈

빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로, 우주가 끝없이 팽창하며 엔트로피가 극도로 높아져 결국 모든 입자가 붕괴하고 기본 입자만 남게 되는 종말을 뜻한다.
우주가 팽창하는 만큼 평균 온도와 밀도는 계속해서 내려가며 절대영도에 근접할 것이기에 빅 프리즈라는 이름을 얻었다.

그나마 모든 물질이 붕괴하여 꿈도 희망도 없는 빅 크런치와는 달리 에너지 소비를 극도로 줄이면 인간이 제한적으로나마 살아남을 수 있는 일말의 가능성이 있기는 하다. 하지만 이 역시 영원할 수는 없다. 대통일 이론에 따르면 10³³~10³⁵년이 지나면 양성자가 붕괴하며 이렇게 되면 현재의 물질 구조를 더이상 유지할 수 없게 되기 때문이다.

중력이 다른 요인보다 강할 경우에도 빅 프리즈는 완전한 정지가 아닐 수 있는데, 확률적으로 엔트로피가 최대인 균일 분포가 중력입장에선 최대가 아니기 때문이라고 한다. 즉 중력에 의해 다시 뭉치기 시작하고... 다만 중력이 제일 약하다는 게 문제랄까.

현재의 관측 결과로는 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다. 실제로 먼 거리에 있는 Ia형 초신성을 관측한 결과, 등속 팽창이나 감속 팽창하는 경우보다 훨씬 어둡게 관측되었다. 상술했듯이, 이는 어떠한 요인에 의해 우주가 팽창하는 속도가 점점 빨라지고 있음을 의미한다.

6.2.1 창작물에서

• 아이작 아시모프의 단편소설 《최후의 질문》이 있다.

• 마법소녀 마도카☆마기카의 개객기큐베가 막고자 하는 우주 멸망 시나리오도 빅 프리즈 이론에 기반을 두고 있다.

• 판타지 RPG인 위쳐 3의 재앙인 백색 서리도 일종의 빅 프리즈와 유사한 것으로 설명되고 있다. 다만 단일우주가 아니라 여러 다원우주에 걸쳐 퍼져나가고 있는게 특이한 점.

6.3 빅 립

빅 프리즈 이론과 비슷한데 암흑에너지의 양이 과도하게 높아질 경우 일어나는 종말 시나리오다.
암흑에너지 한 가지 형태인 '팬텀 에너지'에 의해 발생하며, 시간이 흐를수록 입자간의 척력이 점점 강해져서 결국에는 은하고 별이고 모두 말 그대로 "찢겨나가는" 종말이다.
팬텀 에너지가 실제로 존재하는지에 대한 여부는 여전히 논란 중이므로 실제로 일어날지는 미지수다.

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