빅뱅 우주론
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1. 개요[편집]
빅뱅(Big Bang) 우주론은 오늘날 관측되는 우주의 팽창성을 토대로 추정되는 우주의 기원 가설로, 이를 되짚어 태초에는 모든 에너지가 한 점에 모여 있었으며, 이것이 137억 9900만 년(±210만 년) 전 대폭발을 일으켜 우주를 형성했을 것이라는 이론이다.
1920년 러시아의 수학자 알렉산드르 프리드만이 최초로 주장한 이래 이를 지지하는 많은 증거가 관측되며 정상우주론을 제치고 정설로서 자리잡았다. 오늘날의 빅뱅 우주론은 초기의 빅뱅 우주론을 토대로 탐사선을 통한 정밀한 관측과 물리학계의 검토를 토대로 보완되었으며, '표준 우주 모형(Standard model)' 또는 '우주상수-차가운 암흑 물질 우주론(Lambda-Cold Dark Matter Cosmology, LCDM)'으로 불린다. 대략 우주 밀도의 70%를 차지하는 우주상수와 25%를 차지하는 '암흑 물질'이 우주의 주된 구성 물질이라는 뜻이다.
현재 관측되는 우주 팽창 속도는 1메가파섹당 초속 68~74km[2] 다. 즉, 관찰자로부터 1메가파섹(326만 광년) 떨어져있는 물체는 약 초속 70km의 속도로 멀어지는 것으로 보인다는 의미이다. 관찰자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이며 지구에서 뿐 아니라 어디에서든 마찬가지다. 여기서 "물체가 멀어지는 것으로 보인다"는 표현을 썼지만 실제로는 공간(우주 자체)이 팽창하는 것이다.[3] 그래서 "멀어지는" 속도가 광속을 넘어설 수도 있다. 질량이 있는 물체는 빛보다 빠를 수 없는 거 아닌가? 라고 생각할 수 있으나, 빛이 지나가는 공간 자체가 늘어나며 상대속도가 늘어나는 거라서 물리법칙을 거스르지 않는다.[4]
2. 역사[편집]
모든 것의 최초에 상상할 수 없을 만큼 아름다운 불꽃놀이가 있었습니다. 그 후에 폭발이 있었고, 그 후에는 하늘이 연기로 가득 찼습니다.
1927년, 벨기에 뢰번 가톨릭 대학교의 조르주 르메트르(Georges Lemaître)[5] 라는 물리학자 겸 신부가 처음으로 주장하였고, 이것이 현재의 빅뱅 이론으로 발전하였다.[6] 빅뱅 우주론이 정설로 자리잡은 현재와는 달리, 당시 르메트르가 처음 이 이론을 주창할 당시에는 빅뱅은 마치 그리스도교에서 말하는 절대자의 천지창조, 곧 창세기의 빛이 있으라를 연상케 하는 부분이 있어서 과학계로부터 심정적인 저항을 상당히 받았다. 하필이면 르메트르가 가톨릭 사제였던 것 역시 과학계에서 편견을 가지기에 좋은 조건이었다.[7]
그러다보니 당연히 처음부터 수용된 것은 아니며, 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론, 곧 우주가 예전부터 그 상태 그대로 유지되고 있다는 이론과 한때 팽팽하게 대립했었다. 르메트르도 이와 같은 사정을 모르지 않았기에, 과학으로서의 우주론과 신앙으로서의 창조는 전혀 연관이 없으며 연관 짓지도 말아달라고 교황청과 과학계를 설득하는 한편, 본인도 물리학자로서 빅뱅 우주론에 관해 말할 때는 성직자로서의 자신을 최대한 드러내지 않으려고 애썼다.[8]
'빅뱅(Big Bang) 이론'은 원어로 들어보면 그럴 듯하게 들리지만 의미를 풀어 보면 '대폭발', '큰 쾅 이론'이란 뜻이며, 초기엔 태초의 화염구(primitive fireball) 정도로 불렸다. '빅뱅'이라는 단어는 정상우주론을 지지했던 물리학자 프레드 호일이 1949년 라디오 토크쇼에 출연해 빅뱅이론을 약간 까는 어조로 "그럼 우주가 맨 처음에 꽈광!(Big Bang)하고 생겨났다는 말이군요?"라고 한 데서 유래했다. 최초의 사용이 조롱의 목적이었는지 아닌지에 대해서는 의견이 갈리며 훗날 호일은 조롱할 의도 없이 그저 팽창우주론을 쉽게 설명하기 위해 사용한 말이라고 주장했다.
2.1. 빅뱅 우주론을 지지하는 증거의 발견[편집]
- 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들
- 대부분의 은하에서 관측되는 적색편이 및 허블-르메트르 법칙
- 엔트로피의 법칙
통계열역학에서, 어떤 macroscopic condition을 가지는 system의 microstate의 개수 [math( \Omega = gV^{N}U^{3/2N})] 에 대해서 엔트로피는 [math(S=k_{B} \log \Omega)]로 표현되는데, 이를 우주에 대해 적용시키면 [math( \Delta S_{univ} = R \log (V_{f}/V_{i}))]로 우주의 부피가 증가하는 것이 엔트로피가 증가하는 것과 동치임을 알 수 있다.
2.2. 한계와 보완 가설의 등장[편집]
양자 역학[9] 과 상대성 이론의 통합 등, 빅뱅의 원인과 빅뱅 시작 후 초기를 설명하는 이론들이 아직 완성되지 않았기에 완전히 설명할 수는 없다. 또, 현재까지 관측할 수 있는 우주배경복사가 어디까지나 가시영역 내의 우주(Observable universe, 볼 수 있는 영역의 우주)이기 때문에, 그 바깥쪽 영역(Invisible universe)에서 벌어지고 있는 사건과 현상은 밝혀낼 수 없다. 설명 불가능한 부분은 플랑크 시간이라고 불리는 시간의 최소단위인데 <math>10^{-43}</math>초 사이의 진정 찰나의 순간이다. 이 이하의 시간은 관측 불가능하다는 양자역학의 이론에 따라 현재로는 규명이 불가능하다.
"빅뱅 이전에는 무엇이 있었나요?" 또는 "빅뱅이 일어나기 5분 전에는 무슨 일이 있었나요?" 등의 질문에 대해서는 아직 과학자들도 설명할 수 없는 부분이다. 상대성 이론으로 설명하자면 시간과 공간은 둘이 결합한 단일한 구조를 이루며 그런 구조가 물리법칙의 영향을 받는 것인지라 공간이 없으면 시간 역시 없으므로 설명이 불가능하다.
'빅뱅 순간에 시간이라는 개념이 생겼으므로 처음부터 질문이 성립되지 않는다'라는 말도 맞거나 틀리다고 할 수 없다. 그렇기에 어떤 학자도 빅뱅 전의 상태에 대해 '알 수 없다'라고 대답하는 것이다.
일부 과학자들은 허수시간 단위의 도입을 통해서 이 특이점을 회피하려고 노력한다. 플랑크 시간 이전에는 허수 시간이 흘러서 t=0인 시점이 아예 존재하지 않는다라는 가설인데, 이 해석으로는 무에서 우주가 탄생한 직후 어째서 사라지지 않고 우주가 확장을 시작했는지에 대해서 해석이 가능해지지만[10] 이건 이것대로 허수 시간이 흐르다가 갑자기 실수 시간으로 넘어가는 이유를 설명할 수 없다보니 해석이 분분하다. [11]
폭발이 일어난 원인을 비롯해 빅뱅이라는 개념만으로 우주의 시작을 알기에는 너무나 불확실한 것들이 많기에 그를 보완할 수 있는 가설들이 많이 나왔는데, 대표적인 것을 꼽자면 다음과 같다.
- 거품 우주 가설
- 충돌 우주 가설
- 우주론적 자연 선택 가설
- 진동 우주 가설
2.3. 표준 우주 모형의 정립[편집]
자세한 내용은 표준 우주 모형 문서를 참고하십시오.
3. 빅뱅 우주론 이후[편집]
3.1. 빅뱅 이전에 대한 가설[편집]
"빅뱅 이전에는 무엇이 있었나?", "빅뱅으로 만들어진 우리 우주 밖에는 무엇이 있나?"와 같은 질문에 대해서는 주류 과학자들도 설명하지 못하고 철학적인 면으로 해석해야 한다.[12]
빅뱅이 시간의 시작이 아니라 대칭의 순간이었다는 의견도 있다. 쉽게 말해, 빅뱅은 모든 것의 시작점이 아니라, 이전의 우주가 어떠한 이유로 수축된 뒤에 다시 재팽창했던 사건에 불과하다는 주장이다. 이것은 빅바운스라 한다.
최근에는 반물질이 시간을 역행하는 것과 같은 행동을 한다는 CPT 대칭 이론을 바탕으로, 빅뱅 이전에는 반물질로 이뤄진 우주가 있을것이라는 가설도 등장했다.
빅 크런치로 빅뱅을 설명한 문장을 인용한다.
"대붕괴는 단순한 물질의 끝이 아니다. 그건 모든 것의 끝이다. 그 다음에 무슨 일이 일어났냐라고 묻는 건 '빅뱅 전에 무슨 일이 있었나'라고 묻는 것과 마찬가지로 아무 의미가 없다."
폴 데이비스 -「마지막 3분」 218쪽
"빅뱅이라는 과정에서 우린 더 이상 잘 정의된 시공간을 생각할 수 없고, 시공간이 완전히 사라진 확률들의 구름만 생각할 수 있습니다. 빅뱅 때의 세계는 확률 구름으로 녹아있는데...(후략)"
카를로 로벨리 -「보이는 세상은 실재가 아니다」 205쪽
또한 칼 세이건은 빅뱅 이전의 현상을 과학이 설명하지 못한다는 점을 종교에 의존하는 것에 대해서 이런 말을 하였다.
우주 팽창과 대폭발 이론이 전적으로 옳다고 한다면, 우리는 좀 더 심각한 문제에 직면하게 된다. 대폭발의 순간은 어떤 상태였는가? 대폭발 이전의 상황은? 그 당시 우주의 크기는? 어떻게 물질이라고는 아무것도 없이 텅 비어 있던 우주에서 갑자기 물질이 생겨났는가? 이러한 물음은 우리를 곤혹스럽게 만든다. 사람들은 보통 특이점에서 벌어진 상황에 대한 설명을 신의 몫으로 떠넘긴다. 이것은 여러 문화권에 공통된 현상이다. 하지만 신이 무(無)에서 우주를 창조했다는 답은 임시변통에 지나지 않는다. 우리가 근원을 묻는 이 질문에 정면으로 대결하려면 당연히 "그렇다면 그 창조주는 어디에서 왔는가?"라는 질문을 해결해야 한다. 만일 이 질문에는 답이 없다라는 식의 결론밖에 내리지 못한다면, 차라리 우주의 기원 문제에는 답이 없다 하고 한 단계 일축하는 것이 어떨까? 또 한편으로, 신은 항시 존재했다는 결론을 내린다면, 역시 한 단계 줄여, 우주가 항시 존재했다고 하면 어떻겠는가?
칼 세이건, 「코스모스」 418쪽(번역본 기준)
3.2. 우주 멸망에 대한 가설[편집]
3.2.1. 빅 크런치[편집]
자세한 내용은 빅 크런치 문서를 참고하십시오.
Big Crunch - 대붕괴, 大崩壞 / 대함몰, 大陷沒
빅뱅이 한 점에서 무한히 팽창했다는 우주의 기원 이론이라면, 빅 크런치는 자체적으로 우주 전체의 질량에 의해 발생하는 중력 위치에너지가 우주가 팽창하는 에너지보다 클 경우, 우주는 그 자신이 가진 중력에 의해 일정수준까지 팽창한 뒤 팽창을 멈추고 다시 한 점으로 모일 때까지 수축한다는 세계멸망 이론이다. 빅뱅이론을 세운 초창기 연구자 중 하나인 프리드만이 먼저 제안했다.
3.2.2. 빅 프리즈[편집]
자세한 내용은 빅 프리즈 문서를 참고하십시오.
Big Freeze - 대동결, 大凍結 / 대냉각, 大冷却
빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로, 열적사멸이라고도 불린다. 우주가 끝없이 팽창하며 엔트로피가 극도로 높아진 끝에 결국 모든 입자가 붕괴하고[14] 광자, 중성미자 등의 아원자 입자만 남게 되는 종말을 뜻한다. 현재 정설로서 가장 지지받는 우주 종말 시나리오이다.
3.2.3. 빅 립[편집]
자세한 내용은 빅 립 문서를 참고하십시오.
Big Rip - 대열구, 大裂口 / 대파열, 大破裂
빅 프리즈 이론과 비슷하지만, 암흑에너지의 양이 과도하게 높아질 경우 일어나는 종말 시나리오다.
4. 관련 문서[편집]
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