[과학] 빅뱅이론 과 우주상수의 부활

빅뱅이론은 사실 우연치 않게 비주류로부터 시작한 이론이다 이론의 단초를 제공한 것은 아인슈타인이었다. 아인슈타인은 1905년에 특수상대성이론을 발표하고 이후 1917년에 일반상대성이론을 발표했다

아인슈타인의 상대성이론은 우주의 네가지힘-강한핵력,약한핵력,전자기력,중력 가운데 중력에 대해 설명하고있다 만류인력의 법칙보다 적용범위가 더큰 이론으로써 20세기 과학의 혁명적인 성과였다 특히 작용범위가 중력을 다루기때문에 우주를 연구하는데 매우 필수적이기도 했다.

그런데 아인슈타인은 일반상대성 이론을 발표하고 난 직후 만류인력의 법칙을 발견한 뉴튼과 비슷한 딜레마에 빠지게 되었다.만류인력의 법칙은 모든물체들 사이에는 서로 잡아당기는 인력이 작용하며 그 인력의 크기는 물체의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는것인데 뉴튼은 이 이론에 아주 치명적인 문제가 있음을 알고있었다

이 이론에는 물체들사이에 서로 잡아당기는 인력밖에 작용하지 않는다 이것이 의미하는 바는 나무에서 매달린 사과가 지구로 끌려오듯 우주의 모든 물체들이 서로 잡아당겨 결국 한점에 모이게 된다는 것이다

뉴튼은 이 문제를 해결하기 위해 무한이 넓으면서 대칭적인 우주를 생각했다. 우주의 어느방향에서든 같은 힘으로 서로를 잡아당긴다면 우주는 균형을 이루지 않을까?

예를들어 내주변에 두명이 나를 좌우에서 팔을 잡고 끌어당기고 있는데 나역시 두사람을 잡아당기면 균현을 이룰수있다 하지만 누가하나 넘어지면 그다음엔 도미노처럼 서로 쓰러지게 될것이다 즉 은하2개가 서로 충돌해서 합쳐지면 한쪽의 중력이 커지면서 인근 은하들을 모드 흡수하게 되는것이다.

하지만 신앙심이 깊던 뉴튼은 이런문제는 신이 개입해서 없앤다고 믿었다. 그런데 하필이면 아인슈타인의 일반상대성 이론도 결국은 인력만 있었기 때문에 똑같은 딜레마에 봉착한 것이다 20세기의 인류였던 아인슈타인은 신앙심만으로 문제를 해결 할 순 없었다. 아인슈타인은 수학적인 해결책을 제기했는데 이것은 스스로가 생애 최대의 실수라고 말한 우주상수 였다

문제의 핵심은 물체사이에 서로 잡아당기는 인력만 존재한다는 것에 있다 그러면 서로 밀어낸 척력이 존재한다면 문제가 해결된다 아인슈타인은 자신의 중력법칙에 우주상수를 포함시켜 일종의 반중력이라고 부를 수 있는 척력을 만들었던 것이다. 그런데 이 척력은 우주거리가 클때는 의미있는 힘을 발휘하지만 좁은거리에서는 무시할수 있을정도로 작다. 그렇다면 태양계나 지구 주변의 가까운 별들의 움직임을 설명하는 이론을 훼손시키지 않으면서도 우주의 붕괴를 막을 수 있다. 얼마나 훌륭한 수학적 설명인가!

물론 사실 우주의 붕괴를 막아야 하는 것 말고는 우주상수가 존재해야 할 이유가 당시엔 없었다. 사실 이것을 어찌보면 프톨레마이오스 가 행성들의 복잡한 운동을 명쾌하게 설명하는 지동설을 배제하고 천동설을 설명하기 위해 복잡한 주전원을 도입한 것 과도 닮아있었다. 행성들이 이렇게 복잡한 운동을 하는 이유는 프톨레마이오스 가 천동설을 설명하기 위한 것 말고는 다른 이유가 없었기 때문이다. 그래서 그의 우주는 후세 과학자들에게는 그래야 될 이유도 없이 복잡하기짝이 없는 괴물이었다.

사실 아인슈타인 본인도 이 우주상수를 가르켜 자신의 이론의 아름다움을 심하게 훼손하고 있다고 불평했다. 하지만 많은 학자들은 이의견에 동조하면서도 우주가 한점으로 붕괴하는 것을 막기위해 그정도 추함은 감수할 용의가 있었다. 하지만 일부과학자들은 반대의견을 제시한다

최초로 우주상수를 배제한 이론을 내세운 사람은 알렉산더프리드만 이었다. 그는 우주상수가 0인 모델의 우주모델에 중요한 의미를 지녔다. 사실상 우주상수가 없는 우주모델이기때문이다. 그는 우주상수가 0이지만 붕괴되지 않는 이론을 제시했다 바로 지금 잘알고있는 무한히 팽창하는 우주 모델이었다.

이 우주모델에는 3종류의 우주가 나온다, 팽창하는 우주, 수축하는우주, 그리고 정적인 우주이다. 주목할 것은 우주의 팽창이라는 아이디어 인데 이것은 우주상수가 0인 우주가 왜 바로 붕괴되지않고 있는 지를 설명하고 있을뿐 현재의 우주가 지금보다 더 작았다는 의미도 된다. 이생각을 발전시키면 우주는 초기에는 아주 작은 점이었을때가 있고 이건 결국 빅뱅이론을 의미할 수 있기 때문이다.

하지만 알렉산더프리드만은 빅뱅이론의 창시자가 아니다 그는 젊은나이에 요절하였고 요절하기 직전까지도 아인슈타인에게 공격을 받았기때문에 명예를 누리지도 못했다.
빅뱅이론의 실제적인 아버지 라고 불리는 인물은 벨기에의 가톨릭 신부이자 물리학자라는 이채로운 경력의 소유자
조르주 르메트르였다

그가 연구한 우주모델은 과거 프리드만이 연구한 것보다 한단계 진보되어 있었다 그는 우주의 운명뿐 아니라 창조와 진화에 대해서도 이론을 발전시켰다 만약 우주가 팽창한다면 과거에는 지금보다 작았을 것이고 결국 처음에는 하나의 원자같은 우주에서 시작했을지도 모른다 르메트르는 이것을 원시원자라고 불렀다

르메트르가 원시원자 가설이란 논문을 발표한 직후인 1927년 마침 벨기에의 브뤼셀에서 솔베이 학회가 열렸다 이때 르메트르는 아인슈타인을 만났다 그는 아인슈타인에게 자신의 잘 알려지지 않은 이론을 설명하자 아인슈타인은 이미 프리드만 으로부터 비슷한 이야기를 들었다고 말했다.

아무튼 이만남에서 아인슈타인은[ 당신의 계산은 정확합니다 그러니 당신의 물리는 혐오스럽군요 ]라고 말했다.아인슈타인에게 거절받자 르메트르는 더이상 자신의 원시우주이론을 발전시킬 의욕을 잃어버렸다 따라서 다음의 발견이 없었다면 그는 다시 주목받지 못했을 것이다

르메트르가 아인슈타인을 만나기 몇년전 1923년 허블은 새로만든 윌슨산의 100인치 망원경을 이용하여 안드로메다은하에서 일정한 밝기를 지닌 케페이드 변광성을 찾아냈다 그리고 이 변광성을 이용하면 간접적으로 거리를 잴 수 있었다. 안드로메다은하는 적어도 90만 광년 이상 떨어져 있었다. 실제로는 250만광년이지만 당시과학자들은 거리를 몰랐다. 그래서 당시만해도 은하가 아니라 성운으로 불리고 있었지만 이발견으로 은하가 된 것이다.

이것이 중요한 이유는 그때까지만 해도 모든 천체가 은하계안에있는지 아니면 우리은하계 밖에도 다른은하계가 있느니 잘 몰랐는데 허블의 발견으로 우리은하계가 여러 은하계중 하나일뿐이라는 사실을 알게 된 것이다.
그러나 허블은 여기서 멈추지 않았다 그는 망원경을 이용해서 20세기 우주에 대한 생각을 근본적으로 바꾸는 놀라운 과학적 발견을 이룬다.

당시 빛의 파장에 대해분석하는 분광기술은 빠르게 발전하고있었는데 속도계와 마찬가지 기술을 이용해 도플러 효과를 이용하여 움직이는 별의 속도를 측정하는 방법을 개발해 냈다. 물체가 한쪽방향으로 이동하면 이동하는 방향에서 보면 파장이 짧아지며 멀어지는 방향에서는 파장이 느려진다 이를 빛에 적용시켜 파장이 짧아지는것은 파랗게 보인쪽으로 이동하는것이고 반대로 파장이 길어지는 것은 붉게보이는것 적색편이 현상을 발견한 것이다

이것을 은하단에 적용시켜보자 놀라운 일이 일어났는데 은하가 조금씩 적색편이 현상을 보이며 멀어지고 있다는 사실을 알았다. 정적인 우주를 믿었던 과학자들에게는 충격이었다. 허블은 뒤를 이어 은하들의 적색편이와 거리를 도표로 정리했는데 여기서 놀라운 사실을 밝혀냈는데 대부분의 은하가 우리에게서 멀어지고 있는데 그 속도는 거리에 비례하고 있었다 우리우주에서 2배멀리떨어진 은하는 2배 3배멀리떨어진 은하는 3배빨리 멀어지고 있는 것이었다.
허블은 이것을 법칙으로 정리하였다

Vr = Hr

(Vr : 은하의 후퇴속도 [km/s], r : 은하까지의 거리 [Mpc], H :(허블 상수) [km/s/Mpc])

즉 은하의 후퇴속도는 은하까지의 거리에 비례한다는 것이다 1931년에 더 자세한 관측결과를 통해 이사실을 증명하자 이제 우주가 팽창한다는 사실은 누구도 부인할 수 없었다.

1931년 윌슨산 천문대에 먼저 방문한 아인슈타인은 자신의 생각이 틀렸음을 인정했다 우주상수는 자신의 가장큰 실수라고 주장했다 그런 보기흉한것은 자연에 있어서는 안된다고 말했다

아인슈타인의 공개적인 지지로 1933년에 이르러 르메르트와 프리드만의 생각은 다시 빛을 보게되었다
빅뱅이론이 탄생한 것이다

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여기까지가 예전에 썼었던 빅뱅이론이야기

앞으로는 WMAP 으로 부터 추출된 데이터를 기반으로한
우주상수의 부활과 암흑물질 우주의 3가지 종말론에 대한 이야기

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우주배경복사는 사실 발견되기 훨씬전인 1948년에 만약 빅뱅으로부터 우주가 시작된 것이라면
최초의 에너지가 발생했곳이 존재할 것이며 그 에너지를 찾는다면 우주의 나이와 역사를
정확하게 알수 있을 것이라는 생각으로 이미 예견되어있었다

역사적으로 중요한 발견은 언제나 그렇듯 우연히 발견되는 경우가 많았다
우주배경복사 역시 그랬다

1964년 벨 연구소에서 일하던 로버트 윌슨 과 아노 펜지아스는 위성에코 에서 보내는 약한
전자신호에서 잡음이 들려오는 것을 해결하기위해 안테나를 점검하였다

확인결과 실제로 안테나에는 비둘기가 둥지를 치고있었고
다량의 비둘기의 배설물로 인해 안테나의 상태가 영 좋지않았다
펜지어스와 윌슨은 잡음의 이유가 비둘기 때문으로 추측하고 안테나주변의
비둘기 둥지를 부수고 안테나를 청소하였지만 잡음은 사라지질않았다

비둘기가 자꾸 돌아와 안테나를 건드리는것이라고 생각한 둘은
이윽고 비둘기를 사냥하여 죽이기까지하며 잡음을 없애기 위해 노력하였다

하지만 어느순간부터 이 잡음이 비둘기가 원인이 아님을 깨달은 둘은 이것이
과학자들이 그토록 찾아해메던 빅뱅의 흔적임을 알아내고 이론물리학자들에게
연락하여 논문을 발표하였다

우주배경복사의 발견으로 인해
우주의 나이가 정립이 되었고 이로인해 팽창하는 우주를 그 누구도 부인할수 없어지며
정상우주론은 종말을 고하고 만다

그후 수년의 시간이 흐른뒤 후세의 과학자들은 주류로 자리잡은 우주모델에서
초신성을 연구 하던 학자들은 각각의 초신성의 거리와 적색편이 사이의 관계를 측정하던 도중
우주가 계속해서 가속 팽창 하고있다는 것을 발견한다

학자들은 우주가 가속팽창하고있는 원인을 놓고 크게 두개의 가설로 정의되었다

우선은 현재역시 폭발의 초기단계로써 우주는 지금 계속해서 팽창해 나가는 것이 당연한 것이다
라는 가속팽창의 원인을 자연적으로 발생하는 힘으로 규정하였다 하지만 이는 가능성이 낮은 가설이었다

이미 빅뱅초기 플랑크 척도 를 지나며 우주는 가속팽창 하는 것은 말이 안되는 게 문제였다

그리하여 1998년 마침내 빅뱅이론이 탄생하고 70년뒤 암흑에너지로 불리우는 우주상수가 부활 한다
다만 이 우주상수는 아인슈타인이 처음 제시했던 우주상수와는 그 궤를 달리한다
아인슈타인이 내세운 우주상수는 우주가 붕괴됨을 막기위한 것이었지만 현재 발견된 암흑에너지는
그것과는 무관하였다

2003년 WAMP 을 통한 관측으로 우주가 지속적으로 가속팽창 하고있음이 거의 확실시
되며 현재의 표준 우주모델과 우주지도를 완성하였다

암흑에너지가 발견됨에따라 현재 우주가 가속팽창 하는 이유로 암흑에너지로 알려진 물질이 우주를 계속해서 바깥으로 당기고 있으며 이때문에 우주가 언젠가는 찢어져 버릴수도 있음을 시사하였다

하지만 2011년 가속팽창하고있는 우주를 과거 우주모델에 도입하자
놀랍게도 138억년동안 우주는 가속과 감속을 총 7번이나 반복한 것으로 나타났는데
이에따라 현재 우주는 정적으로 단순 가속팽창하는 것이아닌
감속과 가속을 반복하여 진동팽창 하는 진동우주론이 등장하게된다

우주의 시작이 빅뱅이었다면 우주의 끝은 어떻게 될까 하는 의견은
이 암흑에너지의 발견과 우주상수의 부활로 인해 여러가지 난제들과 가설을 낳게되었다


1.우주는 영원히 순환한다
진동우주론을 주장하는 과학자들이 주장하는 우주의 무한성을 주장하는 이론으로써
빅뱅과 빅크런치가 무한히 반복하는 것을 의미한다
우리가보고있는 빅뱅의 흔적은 최초의 빅뱅이 아니며 이 우주는 빅뱅으로부터 시작하여
암흑에너지로 인해 잡아당겨지며 가속과 감속을 반복하며 진동하다가
특정시점에 빅크런치를 맞으며 우주의 물질이 한점으로 모이게 되어 모든것이 사라지고
다시한번 빅뱅을 일으키며 이것이 무한이 반복된다는 것이다

2.빅크런치
빅크런치 이론은 현재는 암흑에너지로 인해 우주가 잡아당겨지고 있지만
모든 에너지는 유한하며 이 암흑에너지 역시 당겨지는 힘이 한계점에 이르면
우주는 더이상 팽창할수 없고 다시한번 인력에 의해 팽창속도가 감소하여
우주가 수축되며 영원한 종말을 맞이한다고 한다

3.빅립
(빅립이론은 자세하게 찾아보질 못했습니다 이에따라 대부분의 정보는 위키를 참고했습니다)

2003년 wmap 등의 관측에 의해 우주는 무한하지않으며 영원히 가속팽창되다 결국 찢겨져 나갈것이라는
이론이 단초가 되어 빅립이론이 등장하였다
현재물리우주론에서 빅립은 우주의 종말에 대한 새로운 가설중 하나로써 원자와 기본입자등 우주의 모든 물질과 심지어는 시공간 까지 점진적으로 다 찢어져 버린다는 가설이다

사실 우주팽창은 어느시점이든지비슷하며 그렇기때문에 허블상수는 고정되고 작은경우에는 우주물질구조는 우주팽창에 영향을 받지 않는다는것이 주류이나 빅립 이론에서는 허블상수는 무한대로 증가한다고 가정하고 이론을 내세운다

하지만 빅립이론은 가설상의 물질인 팬텀에너지를 도입해야 빅립방정식이 성립한다는 치명적인 단점이있다
팬텀에너지가 지배하는 우주는 가속팽창하는 우주의 팽창이 미래에도 무한히 가속한다는 것을 전제로 한다
이는 관측가능한 우주의 크기가 줄어듬을 시사한다 어찌되었든 관측하기 위해선 빛의속도 를 뛰어넘을수가 없기때문이다 관측가능한 우주의 크기가 어떠한 특정구조보다 작아지면 우주의 상호작용을 관측할수가 없어지며 아예 일어나지 않을수도 있다

이렇게 상호작용이 불가능한곳이 생기면 이를 공간이찢겨진다 라고 표현하며 유한한 시간안에 특이점이발생하여 모든거리가 무한의값으로 커지는 것을 빅립 이론이라고 하며 이것이 우주의 종말이라고 한다


우리 우주를 관측한 증거에서 w값은 -1에 가까우며 여기서 w는 방정식의 분모에 영향을 준다. w가 -1에 가까울수록 분모는 0에 가까워지며 빅 립 시점은 점점 멀어진다. 만일 w가 -1과 같으면 H0 또는 Ωm의 값에 상관없이 빅 립은 절대로 일어나지 않는다
[참고] https://wmap.gsfc.nasa.gov/news/