우주는 어떻게 탄생했을까
들어는 봤지만 정확히 알지 못하는 빅뱅이론에 대하여
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1. 빅뱅이론이란
빅뱅이론은 약 138억 년 전, 대폭발과 함께 우주가 팽창하며 만들어졌다는 이론이다. 여기서 흥미로운 건, 이 팽창이 현재까지도 진행되고 있다는 점이다. 이를 반대 개념으로 생각해보자. 현재도 팽창하는 우주를 되감기 해서 과거로 돌아간다면, 우주는 점점 축소할 것이다. 그렇게 과거로 돌아가 가장 첫 부분으로 가면, 모든 것이 한 점에 모여 있을 것이다. 우주가 팽창하는 것을 역으로 발상해 탄생한 이론이 빅뱅이론이다.
지금까지도 우주가 팽창한다는 점을 반대로 생각한다면, 우주는 하나의 점에서부터 시작한다.
현재 우주의 탄생을 설명하는 이론 중, 가장 유력한 이론이 바로 빅뱅이론이다. 하지만 현재도 빅뱅이론의 타당성은 계속해서 논의되고 있다. 급팽창 자체에 대해서는 대부분 동의를 하지만, 빅뱅 이전의 우주에 대해서는 아직도 논란이 있다. 빅뱅은 하나의 점에서부터 모든 우주가 시작되었다는 이론인데, 이는 빅뱅 이전의 우주에 대해서는 설명할 수 없다는 결점이 있다. 빅뱅 이전은 단순히 '무'의 상태였는지, 혹은 그 이전에도 우주와 물질이 존재했는지에 대한 논의가 계속해서 이어지고 있다.
빅뱅이론은 아직 완전한 이론이라고 볼 수는 없다.
- 한 줄 요약 : 빅뱅이론에 따르면, 우주는 하나의 점의 대폭발로 인해 급팽창하며 만들어졌다.
2. 조르주 르메트르
빅뱅이론을 발견하고 증명한 과학자들의 주장을, 시간 순서에 따라 설명하며 빅뱅이론을 풀어나가고자 한다. 빅뱅이론을 가장 처음으로 주장한 사람은 조르주 르메트르다. 그는 물리학자 겸 신부였고, 벨기에 가톨릭 대학에서 물리학을 가르쳤다. 르메트르는 1927년 처음으로 빅뱅이론을 주장했다. 그는 아인슈타인의 일반상대성이론에 기반해 우주가 고정되어 있지 않으며 팽창한다는 가설을 제시했다.
벨기에 출신 물리학자 겸 신부인 조르주 르메트르가 처음으로 빅뱅이론을 주장했다.
하지만 르메트르의 논문은 상대적으로 지명도가 낮은 학술지에 발표된 데다가, 프랑스어로 쓰여진 탓에 널리 알려지지 못했다. 심지어 아인슈타인 또한, 그 당시 르메트르의 이론이 물리학적으로 옳지 않다고 말했다. 이에 더해, 신부라는 그의 직업 또한 해당 이론의 신빙성을 깍아내렸다. 빅뱅이론의 '빅뱅'이라는 말도 이때 탄생하게 된다. 영국의 천문학자 프레드 호일은 BBC 라디오에서 르메트르의 이론을 비꼬았다. 그는 라디오 방송에서 "그럼 우주가 펑(Big Bang)하고 생겨나기라도 했다는 말이네요?"라고 말했다. 여기서 빅뱅이론이라는 단어가 등장했다.
그 당시 빅뱅이론은 사람들에게 받아들여지지 못했다.
- 한 줄 요약 : 빅뱅이론을 처음으로 주장한 사람은 조르주 르메트르다.
3. 에드윈 허블
이후 2년 뒤인 1929년, 미국의 천문학자 에드윈 허블이 빅뱅이론을 주장하기 시작했다. 그는 우주에 있는 대부분의 은하에서 적색편이가 나타난다는 것을 알아냈다. 적색편이 현상은 생각보다 단순한 개념이다. 이는 관측자를 기준으로 멀어지는 물체의 색깔이 조금 더 붉게 보이는 현상을 말한다. 이는 멀어지는 속도만큼 방출되는 빛의 파장이 길어지기 때문이다. 반대로 관측자에게 빠르게 다가오는 물체는 푸르게 보인다. 다가오는 속도만큼 빛의 파장이 짧아지기 때문이다. 이는 청색편이라고 부른다.
멀어지는 곳에서는 적색편이, 가까워지는 곳에서는 청색편이가 관측된다.
이 개념을 쉽게 설명하기 위해, 구급차의 사이렌 소리를 예를 들어 설명하고자 한다. 구급차가 사이렌을 켜고 우리에게 빠른 속도로 다가올 때 점차 높고 빠른 소리가 난다. 하지만 구급차가 빠른 속도로 나를 지나 멀어진다면, 구급차의 소리는 점차 낮고 느린 소리가 난다. 구급차가 다가올 때는 파장이 짧아지며 높은 소리가 나고, 구급차가 멀어질 때는 파장이 늘어지며 낮은 소리가 난다. 빛의 파장도 이와 동일하다. 즉, 적색편이를 보이는 별들은 전부 우리로부터 멀어지고 있다는 뜻이다.
모든 별들은 적색편이를 띄고 있고, 우리에게서 멀어지고 있다.
에드윈 허블이 우주를 관측할 당시, 적색편이와 청색편이가 무작위로 관측될 것이라고 생각했다. 그 당시에는 '정적우주론'이 우주를 설명하고 있는 보편적인 이론이었기 때문이다. 정적우주론이란 우주가 언제나 정적인 상태를 유지한다는 이론이다. 즉, 정적우주론에 따르면 우주는 팽창하지도 수축하지도 않는다. 하지만 실제 관측 결과, 수많은 별들은 어떤 예외도 없이 모두 적색편이만 보이고 있었다. 이는 모든 별들이 멀어지고 있다는 것을 보여준다.
별들의 간격이 멀어짐에 따라, 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알 수 있다.
이로써 기존의 정적인 우주관은 무너졌고, 팽창하는 동적인 우주관이 생겨나게 되었다. 여기서 허블은 한발 더 나아가 생각하게 된다. 우주는 현재 팽창하고 있고, 별들의 간격은 멀어지고 있다. 하지만 거꾸로 생각하면, 과거에 별들의 간격은 더욱 가까웠을 것이다. 결국 아주 오래전 초기 우주로 돌아가면, 모든 게 한 점에 있었을지도 모른다는 생각에 도달하게 된다.
우주가 팽창하며 별들의 간격이 멀어진다. 이를 반대로 생각하면, 초기 우주에는 모든 것들이 한 점에 있다.
- 한 줄 요약 : 에드윈 허블은 우주가 팽창한다는 사실을 적색편이를 관찰함으로 인해 발견했다.
4. 조지 가모프
1948년, 미국의 물리학자 조지 가모프는 빅뱅이론을 통해 다음과 같이 우주의 초기 상태를 설명했다. 초기 우주는 밀도와 온도가 매우 높은 상태였을 것이다. 이후 대폭발과 함께 급격히 팽창했고, 밀도가 낮아짐에 따라 점차 식어 현재의 모습이 되었다. 이를 쉽게 전기난로로 예를 들어 설명하고자 한다. 좁은 방 안에서 전기난로를 켜면 따뜻하지만, 똑같은 난로를 큰 집에서 켜면 훨씬 덜 따뜻하다. 이처럼 밀도가 높으면 온도도 높지만, 밀도가 낮으면 온도도 낮아진다.
우주의 초기 상태는 밀도와 온도가 매우 높은 상태였을 것이다.
그는 만약 빅뱅이론이 맞다면, 아직 그 열기의 흔적이 우주에 남아있을 것이라고 생각했다. 이 열기의 흔적은 '우주배경복사'로 불리게 되었다. 우주배경복사를 쉽게 생각하면, 밥솥을 여는 순간 주변으로 확 퍼져나가는 뜨거운 김 같은 것이다. 하지만 조지 가모프는 그런 흔적을 찾기가 쉽지 않았다.
뜨거운 열기의 흔적은 우주에 남아있을 것이며, 이는 '우주배경복사'로 불린다.
- 한 줄 요약 : 우주의 초기 상태는 매우 뜨거웠을 것이고, 빅뱅이론이 맞다면 그 흔적이 남아있을 것이다.
5. 아노 펜지어스 & 로버스 윌슨
1964년, 미국 뉴저지 벨 연구소의 연구원이었던 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 안테나를 통해 인공위성의 신호를 받는 일을 하고 있었다. 이들은 계속해서 안테나가 잡아내는 미세한 전파 잡음으로 골머리를 썩고 있었다. 그들은 안테나에 묻은 비둘기 똥이 원인이 아닐까 해서, 이를 열심히 닦아보기까지 했다. 하지만 이 전파 잡음을 도저히 없앨 수 없었다.
여기서 신기한 사실은, 이 잡음은 안테나의 방향을 바꾸어도, 날씨가 변해도 언제나 일정하고 균일하게 잡힌다는 점이었다. 이 현상을 뒤늦게 알게 된 물리학자들은, 이것이 우주배경복사일 것이라고 확신했다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 1978년에 노벨상을 받았다. 이로 인해, 가설로만 여겨졌던 빅뱅이론이 인류의 보편적인 우주관으로 자리 잡게 되었다.
- 한 줄 요약 : 펜지어스와 윌슨이 우주배경복사를 발견함으로 인해, 빅뱅이론이 인류의 우주관이 되었다.
6. 인플레이션 이론
여기서 한 가지 문제점이 나타난다. 이 우주배경복사의 전파 잡음은 언제나 일정하고 균일하게 잡힌다는 점이다. 예를 들어, 구겨져 있던 종이를 핀다고 가정해보자. 그러면 종이에 남아 있는 구김은 각각 다른 모양으로 종이에 남아 있을 것이다. 그렇다면 전파 잡음 또한 각각 다른 형태로 불균일하게 잡혀야 맞지만, 실제로는 그렇지 않았다. 이 문제를 해결하기 위해 등장한 이론이 바로 '인플레이션 이론'이다. 이는 우주가 매우 짧은 시간 동안 엄청나게 급팽창했다는 이론이다.
우주배경복사가 균일하게 잡힌다는 문제는 인플레이션 이론으로 인해 설명되었다.
대폭발 이후 엄청난 속도로 우주가 팽창했기 때문에, 우주가 균일하게 펴질 수 있었다는 이론이다. 마치 빠른 속도로 랩을 당기면 일정하게 늘어나는 것처럼 말이다. 따라서 우리는 모든 방향에서 동일한 전파 잡음을 발견할 수 있는 것이다. 하지만 여기서 또 다른 문제점이 발생하게 된다. 우주가 정말 한치의 오차도 없이 균일하고 고르게 퍼져있다면, 우주에서는 어떤 것도 만들어질 수 없다. 완벽한 '무'에서는 '유'가 만들어질 수 없기 때문이다. 완벽하게 일정한 간격으로 늘어선 입자들은 서로 뭉쳐 원자핵을 만들거나 별을 이루지 못한다. 마치 일정한 간격을 두고 완벽하게 세워놓은 도미노와 마찬가지로 말이다.
모든 게 균일하다면, 별과 생명체가 만들어질 수 없다는 새로운 문제가 생겼다.
이는 우주배경복사를 확대해서 관찰함으로 인해 해결되었다. 멀리 지구에서 관찰할 때는 이 전파 잡음이 일정하고 균일해 보였지만, 우주선을 보내 가까이서 관측한 결과 이 잡음이 불균일하다는 점을 발견했다. 이는 평균적으로는 균일하지만, 작은 범위에서는 불균일하다는 점을 보여준다. 마치 하나의 잡티도 없는 매끄러운 피부도, 현미경으로 확대해보면 매우 복잡한 것과 같다. 우주 전체는 팽창할 만큼 균일하지만, 그 속에서는 무언가가 나타날 수 있을 만큼 불균일한 것이다.
우주는 멀리서 보기에는 균일하지만, 가까이 확대해서 보면 불균일하다.
- 한 줄 요약 : 우주는 팽창할 만큼 균일하지만, 그 속에서는 무언가가 나타날 수 있을 만큼 불균일하다.
* 참고자료
(1) 맥스 테그마크의 유니버스 - 맥스 테그마크
(2) 모든 것의 기원 - 데이비드 버코비치
(3) 시간의 역사 - 스티븐 호킹
(4) 지적 대화를 위한 넓고 얕은 지식 0 - 채사장
* 유튜브 : https://bit.ly/2XOPktn
* 팟캐스트 : https://bit.ly/2LOVuTE
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