빅뱅우주론과 정상우주론

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- 빅뱅우주론과 정상우주론 -

 

 

-빅뱅 우주론이란?

 

빅뱅 우주론은 약 137억 9900만 년전에 발생한 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론입니다. 이 이론은 과거로 돌아가면 모든 것이 한 점에 모여 있었을 것이라 가정하고 그 점으로부터 팽창하여 현재 우주가 되었다는 설입니다.

 

현재 빅뱅 우주론이 현재 우주론들 중에서 제일 유력한 것은 사실이지만, 빅뱅으로 현재의 우주가 탄생했다는 가설은 계속해서 논의되고 있습니다.

 

현재 관측되는 우주 팽창 속도는 1메가파섹당 초속 68킬로미터입니다. 즉 관찰자로부터 1메가파섹 떨어져있는 물체는 초속 68킬로미터의 속도로 멀어지는 것으로 보인다는 의미입니다. 관찰자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이며 지구에서뿐 아니라 어디에서든 마찬가지입니다.

 

 

 

-빅뱅 우주론의 역사

 

빅뱅우주론은 1927년 벨기에의 가톨릭 대학에서 가르치는 조르주 르메트르라는 물리학자가 처음으로 주장하였습니다. 하지만 그 당시에는 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론이 제기되어 팽팽하게 대립했었습니다.

 

빅뱅우주론의 ‘빅뱅’이라는 단어는 정상우주론을 지지했던 물리학자 프레드 호일이 1949년 라디오 토크쇼에 출연해 팽창우주론을 비꼬려고 한 말이라고합니다. 그러나 이 소문과 반대로 조롱할 의도 없이 팽창우주론을 쉽게 설명하기 위해 사용한 말이라는 이야기도 있습니다.

 

 

 

-빅뱅 우주론의 증거들

 

빅뱅이론을 지지하는 있는 증거들은 대표적으로 우주배경복사, 수소와 헬륨의 질량비가 있습니다. 일단 우주배경복사는 빅뱅 이론의 최대 증거입니다. 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다는 것을 말해줍니다.

 

특히 우주배경복사의 패턴을 정밀하게 분석하면 현재의 표준 우주론과 아주 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있습니다.

 

그리고 수소와 헬륨의 질량비에 대하여 설명을 하자면 현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데, 이는 빅뱅이 일어날 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치합니다.

 

 

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-빅뱅 우주론의 보완 가설들

 

폭발이 일어난 원인을 비롯하여 빅뱅이라는 개념만으로 우주의 시작을 알기에는 너무나 불확실한 것들이 많기에 이를 보완할 수 있는 가설들이 여러 개 존재합니다. 대표적인 보완 가설들은 인플레이션 이론, 진동 우주 가설, 거품 우주 가설, 빅 스플랫, 선 빅뱅 이론이 있습니다.

 

이 중에서 가장 대표적인 인플레이션 이론에 대하여 설명하도록 하겠습니다. 인플레이션 이론은 1980년대부터 주장된, 대폭발 우주론에 더해서 우주의 초기 시절 우주가 급격히 팽창했다는 이론입니다.

 

그 당시 우주론에 따르면 우주에는 수많은 자기 홀극이 존재했어야 합니다. 그러나 자기 홀극을 발견하려는 모든 시도는 실패하였고 사람들은 그 해답을 찾기 시작하였습니다. 1980년 앨런 구스는 우주론에 존재하는 여러 문제들을 해결할 수 있는 인플레이션 이론을 발표했습니다. 그와 비슷한 시대에 러시아의 스타로빈스키와 일본의 사토 가쓰히코 등이 비슷한 아이디어를 독립적으로 발표하였으며 그 후 여러 학자들의 기여와 관측 결과를 토대로 인플레이션 이론은 발전하게 되었습니다.

 

 

 

-인플레이션 이론이 해결한 문제들

 

인플레이션 이론이 해결한 문제는 지평선 문제, 편평성 문제, 자기홀극 문제가 있습니다.

 

 

--지평선 문제:

 

우주배경은 어느 방향이든 온도가 거의 같습니다. 빅뱅이론에서의 문제는 우주배경복사 당시의 지평선 거리인 38만 광년보다 멀리 떨어진 두 지점의 우주 공간의 온도가 거의 차이를 보이지 않는다는 것입니다. 원래의 우주론에서 우주의 반대편에 보이는 두 부분의 온도가 같다는 것은 절대 불가능합니다. 그 이유는 정보의 교환의 속도는 빛의 속도를 넘어설 수가 없기 때문에 지평선을 넘어서는 거리의 두 지점의 우주 공간은 한 번도 정보가 오간 적이 없는 곳이기 때문입니다. 이러한 문제를 지평섡 문제라고 부릅니다. 이를 해결하기 위해 빅뱅 초창기에 열평형 상태를 유지하던 우주가 급격하게 팽창했다는 인플레이션 이론을 가정하면 우주의 반대편이라도 원래는 매우 가깝게 붙어있던 곳이기 때문에 온도가 같은 것을 설명할 수 있습니다.

 

 

--편평성 문제:

 

상대성 이론에 따르면 시공간은 다양한 곡률을 가질 수 있으며 우주가 평탄해야 할 이유가 없습니다. 게다가 평탄한 우주는 불안정하기 때문에 빅뱅 초기에 약간의 곡률만이 존재해도 순식간에 평탄성이 깨져 버립니다. 하지만 관측 결과 우주는 현재까지도 매우 평탄한 상태를 유지하는 것으로 드러나 있습니다. 인플레이션 이론에 따르면 인플레이션에 의해 과거 존재했던 시공간의 골국이 희석되어 우리의 관측 범위 내에서 보이는 우주는 거의 평탄하게 되었다는 설명이 가능합니다. 우주가 너무 거대해졌기에 둥근 지구 위에 선 사람이 땅이 평평한 것으로 느끼는 것처럼 우주가 거의 평탄하게 보이게 되었다는 것입니다.

 

 

--자기홀극 문제:

 

대통일 이론에서는 빅뱅 초기와 같은 높은 에너지 밀도 상태에서 자기홀극이 생성될 것으로 예측하고 있습니다. 이에 따르면, 빅뱅 직후 생성된 무수히 많은 자기홀극이 일발 물질들의 밀도를 한참 압도할 정도의 양으로 우주를 가득 채우고 있어야 합니다. 하지만 아직까지 자기홀극은 발견된 사례가 없습니다. 인플레이션 우주론을 받아들이면, 빅뱅 초기에 생성되었던 높은 밀도의 자기홀극이 인플레이션을 거치면서 희석되었다고 해석할 수 있습니다.

 

 

 

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-정상 우주론이란?

 

정상우주론은 우주가 확장되면 확장될수록, 그 확장된 진공 공간을 메꾸기 위해 사람이 관측할 수 없을 정도로 극도로 적은 수소원자가 저절로 생성된다는 가설입니다. 우주가 확장된다는 관찰에서 빅뱅우주론이 제기되었을 때, 프레드 호일을 비롯해 빅뱅이 마음에 들지 않았던 과학자들이 제기한 또 다른 우주 이론입니다.

 

초기에는 빅뱅 이론과 팽팽하게 대립하였으나, 이후의 천문학 발전이 점차 빅뱅 이론을 지지하는 결과를 내면서 1990년대 이후로는 완전한 비주류 이론으로 남게 되었습니다.

 

 

 

 

 

 

 

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