빅뱅 | 첫 번째 이야기

▶ [빅뱅 : The Big Bang] 내용은 이렇습니다.

 

처음 우주의 모든 물질은 고온 고밀도의 상상할 수 없을 만큼 작은 ‘특이점’ 상태였다.

이 점이 대폭발을 했고 계속 팽창해 나가면서 점점 냉각되어 간다.

137만년이 지난 지금의 저온 저밀도의 거대한 우주상태가 되었다.

 

 빅뱅(big bang) 우주론을 처음 제기한 사람은 벨기에의 가톨릭 신부이자 천문학자였던 이론 물리학자 조르주 르메트르(Georges Lemaitre)입니다. 하지만, 당시에는 큰 반향을 일으키지는 못했습니다. 논문은 프랑스어로만 출판되였고 이시기의 대세 우주론은 아인슈타인의 정적 우주론이였기 때문이죠.

 

 그러나, 천주교회에서는 환영하는 분위기였고 교황은 연구비를 지원해 주기까지 했습니다. 이유인 즉 성경의 창세기 1장1절 [하느님께서 말씀하시기를 “빛이 생겨라.” 하시자 빛이 생겼다.]의 내용을 증명한다는 것이죠.

 

 그는 1927년 우주의 기원에 대해 매우 높은 에너지를 가진 작은 '원시원자’가 거대한 폭발을 일으켜 우주가 되었다는 대폭발 이론을 최초로 내놓았습니다. 

 

 르메트르 이론은 아인슈타인의 ‘일반 상대성이론’을 기반으로 하고 있습니다. 그런데, 정작 몇년 후 학회에서 만난 아인슈타인은 이 이론을 말도 안된다고 핀잔을 줍니다.  이렇게, 그의 이론은 비주류가 됩니다. 

 그렇지만, 시간이 흘러 여러 과학자들의 연구와 측정 기술의 발전으로 그의 생각이 옳았다는 것이 증명됩니다. 

 2018년 10월 29일 국제천문연맹은 ‘허블의 법칙’을 ‘허블-르메트르의 법칙’으로 개명하기로 결정합니다.

 연맹에서 실시한 개명 투표에는 참가인원 총 4,060명 중 78%가 찬성, 20%가 반대 의사를 표명하였고 나머지 2%는 기권했습니다.

 

▶ 빅뱅의 과정을 정리해 봅시다.

 

1) 빅뱅이 발생한 직후 우주가 팽창하는 과정에서 여러 입자들이 생성되었는데, 제일 먼저 10의-35승초 경에 6가지의 렘톤(경입자)과 6가지의 쿼크가 만들어지고,

 

2) 이들 쿼크들끼리 결합한 후 10의-10승초 경에 양성자와 중성자 만들어집니다.

 

3) 이어지는 3분 후에 양성자는 그 자체로 (H 수소) 원자핵이 되고, 양성자와 중성자가 결합하여 (He 헬륨) 원자핵이 만들어집니다. 아직 이때의 우주는 불투명 상태. 즉, 어두운 상태입니다. 전자들이 자유롭게 돌아다녀 빛이 굴절되고 산란되어 외부로 나가지 못하게 된 것이죠.

 

4) 우주는 지속적인 팽창하고 38만년에는 절대온도 3000K (섭씨 2,727℃)까지 냉각됩니다. 이 시기에 6개의 경입자 중 하나인 전자가 활동성이 약해지고, 이것을 원자핵이 전기력에 의해 붙잡게 되면서 원자가 생성됩니다. 이때부터 빛의 활동은 자유로워지고 우주는 투명한 상태가 됩니다.

 

 

 

▶ 일반 상대성 이론과 정적 우주론

 

빅뱅을 탐구하려면 아인슈타인박사 이분을 먼저 알고가야 합니다.

현대 우주론에서 이분의 업적이 너무나 크기 때문이죠.

 

▩ 1915년 아인슈타인은 ‘일반 상대성이론’을 발표합니다. 인류가 우주를 과학적으로 본격 탐구할 수 있게 되는 서막이 열리게 됩니다.

 

▩ 1917년 아인슈타인은 자신의 일반 상대성이론에 근거하여 "우주는 팽창하지도, 수축하지도 않는다."는 정적 우주론을 발표합니다.

 

 그는 모든 공간에 물질이 골고루 퍼져 있으며 정적이고, 경계가 없는, 안정되고 유한하다는 것 이죠. 그러나, 자신의 중력장 방정식을 직접 풀어보면 유한한 우주는 팽창하거나 수축할 뿐 결코 안정된 상태로 유지될 수 없는 모순이 있습니다.

 

 우주에 있는 모든 물체에는 중력이 작용하여 서로 당기고 있으므로 수축을 해야 합니다. 그래서 중력에 의한 수축을 막는 어떤 힘이 있다는 가정을 한 것이죠. 이 문제를 해결하기 위해 자신의 중력장 방정식에 ‘우주상수’를 추가합니다.

여기에서 좌변의 마지막 항을 우주 상수 항이라 하며 A가 우주 상수입니다.

 

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[여기서 잠깐!] 아인슈타인박사가 살았던 사회적 배경을 간단히 정리하고 가겠습니다.

 

1879년 3월 14일 독일제국 울름에서 전기 회사 사장이었던 유대인 아버지와 독일인 어머니 사이에서 1남 1녀 중 장남으로 태어남.

 

1933년 미국 방문 중에 아돌프 히틀러가 독일 집권자가 되었다는 것을 알고서, 독일 시민권을 포기하고 미국으로 망명.

 

1939년 9월 1일 독일이 폴란드에 침공하면서 제2차세계대전 발발.

 

1940년 미국 시민권을 취득하고, 이후 프린스턴 고등 연구소에서 교수로 지내게 됨.

 

1955년 4월 18일 복부대동맥류로 인한 출혈로 76세의 나이에 세상을 떠났슴.

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▶ 정적 우주론 VS 평창 우주론

 

▩ 1920년대 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 당시 세계 최대의 윌슨산 망원경을 사용하여 우리은하와 외부은하 사이의 거리를 측정하고, 우주에는 수많은 은하들이 있음을 밝히게 됩니다. 당시 까지만 해도 ‘우리은하는 곧 우리 우주의 전부다.’라고 생각했던 때였습니다.

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허블은 이렇게 이야기합니다.

“우리은하는 전체 우주의 티끌일 뿐이다.”

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▩ 1922년 러시아의 수학자이자 물리학자인 알렉산더 프리드만(Алекса́ндр Фри́дман)은 ‘우주상수’가 삽입되지 않은 중력장 방정식을 풀어 ‘우주는 팽창하거나 수축한다’는 놀라운 결론을 발표합니다.

 

 우주의 밀도가 임계밀도보다 크면 우주는 일정 기간 팽창하다가 중력에 의해 다시 수축한다 라는 이론입니다.

그러면, 아인슈타인의 가설 중 ‘우주는 전체적으로 균질하고 등방하며, 그 평균 밀도는 시간에 따라 변하지 않는다’’를 계속 유지시킬 수 있음을 확인한 것이죠.

 

 아인슈타인은 프리드만의 발표를 듣고 노발대발했다고 합니다. 처음엔 “프리드만의 계산이 틀렸다.”고 몰아붙였습니다.

그러나 프리드만의 계산이 수학적으로 맞는 것으로 판명나자 “수학적으로는 맞으나, 물리적으로는 있을 수 없다.” 면서 프리드만의 결론을 부정했습니다.

 

▩ 1927년 조르주 르메트르(Georges Lemaitre)가 〈일정한 질량을 갖지만 팽창하는 균등한 우주를 통한 우리은하 밖 성운들의 시선속도에 대한 설명〉을 발표합니다.

 

 기체를 압축하면 온도가 올라간다는 열역학 법칙을 바탕으로 탄생 초기의 우주를 엄청난 고온상태로 추정했습니다. 초고온 초고밀도의 원시원자 상태의 우주라면 갑자기 폭발을 일으켜 팽창할 수 있다고 본 것이죠. 그가 발표한 ‘원시 원자 가설’은 매우 혁명적이었습니다. 그러나, 그의 이론은 당시에 그다지 주목받지 못했습니다.

 

 아인슈타인도 이 논문을 접하였으나, 우주가 팽창한다는 사실을 거부하였습니다. 아인슈타인은 르메트르의 논문에 대하여 다음과 같이 평합니다. “당신의 계산은 옳지만, 당신의 물리는 말도 안 됩니다.”

 

▩ 1929년 에드윈 허블은 별들의 적색이동을 연구한 끝에 우주가 팽창하고 있다는 사실을 확신합니다.

 

 우주의 은하계가 서로 멀어지고 있으며 ‘은하계의 후퇴 속도는 은하계까지의 거리에 비례한다.’는 것이죠. 우리 은하를 비롯해 모든 은하들이 서로 멀어지고 있으며, 멀어지는 속도는 멀리 있을수록 빠르다는 뜻입니다.

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적색 이동 : 별이 지구에서 멀어져 갈 때 그 별빛의 스펙트럼 선들이 붉은색 쪽으로 이동하는 현상을 가리킨다. 적색 이동이라는 말은 도플러 효과에서 유래하였다. 앰뷸런스가 멀어지면 경적 소리의 음이 낮아지는 것처럼 들리는데, 이러한 현상을 도플러 효과라고 한다. 이 현상은 음파가 길게 늘어나면서 진동수가 줄어들기 때문에 나타난다.

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 이것을 '허블의 법칙'이라 합니다. ( V = H × r ) 우주는 어느 방향으로나 똑같은 비율로 팽창하고 있으며, 어느 은하에서 관측하더라도 같은 결과를 얻게 됩니다. 따라서 팽창의 중심은 없는 것입니다.

곧, 우주의 중심이 없다는 것을 의미합니다.