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1. 개요
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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[1]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.[2] 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.[3]
2. 역사
모든 것의 최초에 상상할 수 없을 만큼 아름다운 불꽃놀이가 있었습니다. 그 후에 폭발이 있었고, 그 후에는 하늘이 연기로 가득 찼습니다.
조르주 르메트르(Georges Lemaître), 1933년 윌슨산 천문대 세미나 발표.
1927년, 벨기에 뢰번 가톨릭 대학교의 조르주 르메트르(Georges Lemaître)[4]라는 물리학자 겸 신부가 처음으로 주장하였고, 이것이 현재의 빅뱅 이론으로 발전하였다.[5] 빅뱅 우주론이 정설로 자리잡은 현재와는 달리, 당시 르메트르가 처음 이 이론을 주창할 당시에는 빅뱅은 마치 그리스도교에서 말하는 절대자의 천지창조, 곧 창세기의 “빛이 있으라”를 연상케 하는 부분이 있어서 과학계로부터 심정적인 저항을 상당히 받았다. 하필이면 르메트르가 가톨릭 사제였던 것 역시 과학계에서 편견을 가지기에 좋은 조건이었다.[6]조르주 르메트르(Georges Lemaître), 1933년 윌슨산 천문대 세미나 발표.
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.[7]
'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. 진위가 무엇이었든, 이 호칭을 "오, 그거 괜찮은 명칭인데요?" 라며 마음에 들어한 빅뱅 우주론을 지지한 학자들에 의해 지금의 명칭으로 정착하였다.
2.1. 빅뱅 우주론을 지지하는 증거의 발견
- 우주배경복사
빅뱅 우주론의 최대 증거로, 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다는 것을 말해 준다. 특히 우주배경복사의 패턴을 정밀 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있으며 이로부터 탄생한 우주 거대 구조와 바리온 음향진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌다. - 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들
퀘이사는 우주의 크기가 현재의 약 1/3 수준이었을 당시 가장 많이 활동했으며, 최근으로 올수록 점진적으로 그 발견되는 수가 줄어든다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주의 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 말해준다. - 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비
현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데, 이는 빅뱅이 일어날 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치한다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배이며 이는 우주가 식어갈 때 결합 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문이다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미하다. - 대부분의 은하에서 관측되는 적색편이 및 허블-르메트르 법칙
우주가 균일하게 팽창한다는 관측적 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있다. - 올베르스의 역설
빅뱅 우주론을 가정하면 올베르스의 역설은 자연스레 풀리게 된다. 자세한 설명은 해당 문서로. - 엔트로피의 법칙
엔트로피의 법칙을 부정하지 않는 이상, 우주의 수명에는 반드시 한계가 존재할 수밖에 없다. 우주에 끝이 존재한다는 것은 시작점도 존재해야 한다는 의미가 된다. 과거 어느 시점에 최소 엔트로피를 가졌던 우주의 시작점이 있었기 때문에 우주는 현재의 모습을 유지하고 있는 것이다.
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
양자역학[8]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 시간(Planck time)이라고 불리는 시간의 최소단위인데 [math(10^{-43})]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[9] 이건 이것대로 허수 시간이 흐르다가 갑자기 실수 시간으로 넘어가는 이유를 설명할 수 없다보니 해석이 분분하다. [10]
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.
- 인플레이션 우주론
빅뱅 직후 잠깐 동안 우주가 매우 급격한 팽창을 겪었다는 이론. 초기 빅뱅 우주론이 가졌던 여러 문제를 해결할 수 있고 인플레이션을 지지하는 여러 증거들의 추가 발견으로 현재는 빅뱅 우주론의 주류 학설로 편입되었다. - 거품 우주 가설
빅뱅 직후 양자적 '거품'이 발생하여 새로운 빅뱅이 일어나서 수많은 자식우주가 생성되었다. - 충돌 우주 가설
빅 스플랫(Big Splat) 가설이라고도 한다. 두 우주의 충돌로 우리 우주가 생겨났다. - 우주론적 자연 선택 가설
기존 우주에 존재하던 물질이 중력 붕괴하여 블랙홀이 될 때 고전적인 특이점이 형성되지 않고, 기존 우주와 단절되고 물리 상수의 값도 다른 새로운 우주가 탄생한다. - 진동 우주 가설
빅 바운스(Big Bounce) 가설이라고도 한다. 빅뱅 - 빅 크런치 - 빅뱅 - 빅 크런치 - ...와 같이 빅뱅이 무한히 반복되는 것이 우주라는 가설이다. 하술할 빅 크런치 문단 참조.
2.3. 표준 우주 모형의 정립
3. 빅뱅 우주론 이후
3.1. 빅뱅 이전에 대한 가설
"빅뱅 이전에는 무엇이 있었나?", "빅뱅으로 만들어진 우리 우주 밖에는 무엇이 있나?"와 같은 질문은 과학의 영역에서 답하기 어렵다.[11] 애초에 과학적, 물리적으로 별로 의미가 없는 질문이기 때문에 밝혀야 하는 이유 자체에 대해서도 회의적인 학자가 대부분이다.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 있을 것이라는 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
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
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)
칼 세이건, 「코스모스」 418쪽(번역본 기준)
3.2. 우주 멸망에 대한 가설
| 우주를 박살내는 3가지 방법[12] |
3.2.1. 빅 크런치
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.
3.2.1.1. 빅바운스
빅크런치 이후 또 다시 빅뱅이 일어날 가능성이 있다는 내용3.2.2. 빅 프리즈
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[13] 광자, 중성미자 등의 아원자 입자만 남게 되는 종말을 뜻한다. 현재 정설로서 가장 지지받는 우주 종말 시나리오이다.
빅크런치와 비슷하게 이것이 일어나고도 또 다시 빅뱅이 일어날 가능성이 있다. 다만, 빅바운스는 아니다.
3.2.3. 빅 립
Big Rip - 대열구, 大裂口 / 대파열, 大破裂
빅 프리즈 이론과 비슷하지만, 암흑에너지의 양이 과도하게 높아지면서 은하계, 행성계, 이후로는 항성과 행성 자체가 갈기갈기 해체되면서 최종적으로 시공간이 찢어져 분해되는 종말 시나리오다.
3.2.4. 빅 슬러프
진공은 최저 에너지 상태로 안정하지만, 힉스 입자의 포텐셜이 완전 바닥이 아니라서[14] 우리 우주의 진공이 이러한 참 진공이 아닌 거짓 진공인 경우 가능한 시나리오다.이럴 경우에 거짓 진공은 언젠가는 터널 효과에 의해 참 진공으로 붕괴하고, 이때 발생한 에너지로 인해 주위의 거짓 진공도 연속으로 붕괴하며 이는 거짓 진공 속에서 참 진공의 거품이 생겨나 팽창하는 것으로 비유할 수 있다.
발생한 참 진공은 구체로, 에너지는 체적에 비례하므로 참 진공 거품 표면의 에너지는 거품의 팽창과 더불어 급속히 증가하며, 광속으로 팽창하는 참 진공 거품 표면에 닿는 모든 것이 붕괴한다는 우주 멸망 시나리오다.
4. 관련 문서
[1] 허블 상수[2] 좀 더 정확히 말하자면 시공간 연속체의 크기와 지오메트리를 관장하는 계량 텐서(metric tensor)의 척도가 증가하는 것이다. 하지만 그렇게 표현하면 이해할 수 있는 사람이 너무 적기 때문에 그냥 우주가 팽창한다고 표현한다.[3] 대표적인 워프 기술 중 하나로 거론되는 알큐비에레 드라이브 또한 공간 자체가 늘어나면 물체가 서로 광속보다 빨리 멀어질 수 있다는 사실을 토대로 한 것이다.[4] 허블 법칙으로 알려진 허블-르메트르 법칙의 공동 발견자이기도 하다.[5] 르메트르는 1927년 즈음 알베르트 아인슈타인의 장 방정식의 해(다양체의 계량)에 대한 연구를 통해 우주의 팽창이 수학적으로 가능함을 보였고, 허블의 법칙을 유도했다.(소련의 프리드만도 비슷한 시기에 독립적으로 오늘날 르메트르-프리드만-로버트슨-워커 계량으로 알려진 해를 연구했다.) 관측을 통해 팽창의 증거를 실제로 확인하고 허블 상수를 계산한 것이 2년 뒤의 허블이며, 후에 르메트르는 이를 발전시켜 빅뱅 이론(더 나아가 우주의 가속 팽창)을 제안한다. 조지 가모프 역시 비슷한 아이디어를 제안했다. 르메트르의 회상에 따르면 허블의 관측 전 열린 학회에서 아인슈타인을 만나 이야기했을 때 그는 수학적으로는 가능하나, 물리적으로 옳지 않다고 말했다고 한다.(그는 프리드만이 비슷한 계량을 얻었다는 소식도 르메트르에게 알려주었다.) 그러나 허블의 발견이 알려진 후에 아인슈타인은 르메트르의 결과를 공개적으로 인정했고, 에딩턴과 함께 미국에 그의 연구가 알려지도록 힘썼다.[6] 이와 달리 종교계에서는 호의적인 반응을 보였다. 진화론이 처음 세상에 나왔을 때 종교계에서 격앙된 반응을 보인 걸 생각하면 아이러니한 일이다. 이런 종교계의 호의는 천지창조의 증거가 나왔다는 기쁨에서 나온 거라서, 조르주 르메트르는 교황 비오 12세를 포함한 가톨릭의 주요 인사들에게, 자신의 이론은 과학 이론일 뿐이고 성경에서 말하는 창조와 상관없으니, 섣불리 억측하지 말라고 설득하느라 진땀을 뺐다. 그리고 현재는 역설적으로 기독교 근본주의 측에서 빅뱅이론을 부정하고 있다.[7] 르메트르 본인이 천지창조를 믿는 사제이기 때문에 우주에 시작이 있을 거라는 생각에서 연구를 시작해 빅뱅 우주론을 주창하게 된 것은 사실이다. 당시 신의 존재를 믿지 않는 과학자들은 대다수가 정상우주론을 받아들이고 있었다. 결국엔 르메트르의 빅뱅 우주론이 정상우주론을 제치고 정설로 확립된 것을 생각하면 의미심장한 부분. 르메트르는 후에 교황청 과학원장까지 역임했다.[8] 양자역학에 따르면 진공 상태에서 그냥 입자가 발생했다가 사라질 수 있다. 현 우주의 외권에서도 발생할 수 있다면, 이것이 빅뱅의 시초가 아니었냐는 아이디어가 있고, 꽤 많은 SF소설의 착상이 되기도 하였다.[9] 이 다음의 설명은 최대한으로 단순화시킨 해석으로, 가속도란 시간의 2차 단위를 포함하는 값이기에 허수시간에서는 가속도의 부호는 음수(-). 즉, 힘의 방향의 반대방향을 향해 작용하는 가속도가 된다. 우주가 무에서 탄생한 직후, 스스로 중력에 의해서 붕괴하려고 하지만, 허수시간이 흐르면, 이 중력의 방향에 대해서 반대쪽으로 가속도가 작용하기 때문에, 인플레이션이 발생하는 크기까지 확장할 수 있다는 해석이다.[10] 예를 들면, 지금 현재 우주에는 실제로 허수 시간이 흐르고 있지만 인간같은 생명체들이 독자적으로 실수 시간을 만들어 쓰고 있다던가, 플랑크 시간에는 허수 시간이 흐르다가 어느 특정 시간에서는 팽창하는 방향과 가속도의 방향이 같아지므로 그 이후로는 실수 시간이 흐른다거나 하는 해석이 충분히 나올 수 있다.[11] 모의실험 가설 등은 대중의 흥미나 끌려는 대중과학일 뿐 현재로서는 창조주 가설과 마찬가지로 아무런 과학적 가치가 없는 가설이다.[12] 쿠르츠게작트의 영상.[13] 양성자가 영원하지 않다면, 즉 대통일 이론에 따르면 [math(10^{33})]~[math(10^{36})]년이 지나면 양성자가 붕괴하며 이렇게 되면 현재의 물질 구조를 더 이상 유지할 수 없게 된다. 그러나 2020년 현재까지 양성자 붕괴를 검출하려는 시도는 모두 실패하였으며, 기존 이론이 틀렸을지도 모른다. 다만 양성자 붕괴가 실제로 일어나지 않는다고 해도 무한에 가까운 시간 끝에 우주가 열적사멸을 맞이한다는 사실 자체는 아직까지 변하지 않는다. 열적사멸 이후에는 통계역학에 따라 극히 낮은 확률로 자발적인 엔트로피 감소가 올 수 있으므로 명확한 의미의 영원한 멸망은 아닐 가능성이 존재한다. 그러나 열적사멸까지 도달하는 데만 상상조차 할 수 없는 시간이 걸리고, 자발적 엔트로피 감소가 오는 시점은 그보다도 압도적으로 먼 미래의 이야기이기 때문에 흔히 편의상 멸망 혹은 우주의 종말이라고 언급된다.[14] 힉스 입자 관측 당시와 2018년 실험에서 완전 바닥이 아닐 확률이 높다는 결과가 나왔다.