침착맨 유튜브 채널 궤도 과학특강의 우주론 정리 내용입니다.
우주론은 무엇인가?
우주는 어떻게 시작되었고 어떻게 지금 모습이 되었으며 앞으로 어떻게 변할 것인가에 대해 알아보는 학문입니다. 이러한 질문 들 중 가장 중요한 질문은 사실 우주의 미래에 관한 질문입니다. 우선 우주의 탄생부터 종말까지 알아보고 최종적으로 우주에 미래에 대하여 알아볼 것입니다.
천문학과 물리학은 무슨 관계인가?
과학자들이 과거에는 관측으로 우주를 보았다. 하지만 눈에 보이지 않는 천체까지 등장하면서 현재 우리의 천문학의 한계를 느꼈고 천문학에 물리학을 접목 시 키기 시작합니다. 대표적으로 아인슈타인의 상대성이론을 천문학에 적용시킵니다. 관측으로 해결 못하는 부분을 물리학적 시뮬레이션 모델을 만들고 그 모델에 임의의 시간 동안 변화를 줘 우주를 예측하기 시작합니다. 이렇게 물리학과 천문학은 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다.
N-body 시뮬레이션
물리학, 천문학 모두에서 주요한 시뮬레이션이다. 중력처럼 모든 것의 영향을 받는 상황을 가정한 것으로 바디가 몇 개인지가 중요하다. 바디가 2개면 2 바디 시뮬레이션, 3개면 3 바디 시뮬레이션이다. n -body는 그만큼 많은 대상을 가정하여 시행하는 시뮬레이션이다.
우리의 우주는 변하고 있나?
초반의 우주론은 천동설과 지동설이 있다. 천동설은 지구중심설이라고도 불리며 지구를 중심으로 모든 천체가 돈다는 가설이다. 관측을 했을 때 내가 중심이고 모든 것이 돌고 있기 때문에 플라톤은 천동설을 주장했다. 이후에 프톨레마이우스가 금성과 화성의 불규칙한 위치변화를 넣어 천동설을 발전시킨다. 그러다 흑사병이 시작된다. 흑상병 이후 신에 대한 믿음이 사라지면서 신의 존재에 대한 의심을 한다. 그러면서 지동설이 힘을 얻기 시작한다. 보름달 금성이 관측되는 경우나 행성이 역행하는 모습이 관측되면서 지동설의 근거가 된다. 이후 갈릴레오가 논리적으로 가다듬으면서 지동설이 유력해진다.
빅뱅부터 현재까지
우리가 어디서 왔는지 과거로 가다 보면 최초의 인류 에덴이 나오고 좀 더 과거로 가면 최초의 포유류인 샨셔우 송개가 있다. 좀더 과거로 간다면 최초의 생명체인 원핵생물이 있다. 좀더 과거에 원시지구, 우리 은하, 은하단이 있고 최초에 빅뱅이 있다. 그렇다면 빅뱅 전엔 뭐가 있었을까? 사실 이 질문은 무엇이 존재하기 전에 무었이 있었을까? 와 동일하다. 아무런 존재가 없기 때문에 우리가 관찰할 이유가 없다. 빅뱅이란 이름은 영국 천문학자 프레드 호일이 만들었다. 사실 프레드 호일은 빅뱅이론을 싫어했지만 최초 이름은 프레드 호일입에서 나왔다.
우주가 팽창하고 있기 때문에 최초에는 한 점에서 시작했다는 것이 빅뱅이론이다. 1927년 조르주 르메트르가 빅뱅이론을 처음 제안했다. 이때 아인슈타인의 일반상대성이론을 바탕으로 수학적 계산을 통해 우주를 보니 우주가 최초에 한점에서 폭발하는 형태였다고 결과가 나왔던 것이다. 조르주 르메트르는 수학자, 천문학자이기도 했지만 성직자였다. 때문의 그의 결과가 종교적 관점이 아니냐라는 의심이 생겼고 1951년 교황청에서 교황이 성경이 과학적으로 증명됐다고 발표하면서 과학계에서 더욱 질타를 받게 되며 인정받지 못한다. 그러면서 그의 논문은 인정받지 못한다. 그러나 에드윈 허블이 우주의 대부분 은하에서 멀어지는 물체에서 관찰되는 적색편이가 보인다는 것을 발표하면서 우주가 팽창하고 있다는 것이 증명되고 이것이 조르주 르메트르의 빅뱅이론에 힘을 실어준다. 또한 빅뱅이론의 직접적 증거가 나오게 된다.
실제로 우주가 한 점에서 시작된다면 빅뱅 때 존재했던 에너지가 현재의 모습으로 팽창한 우주에도 존재하지 않을까?라는 추측이 있었고 이 흔적을 찾기 위해 조지 가모프가 계산을 해보았고 2.725K의 온도가 남아 있을 것이란 결과가 나왔다. 그러고 16년 후 1964년 벨 연구소에서 펜지어스와 윌슨이 안테나 수리를 하게 되는데 주기적으로 안테나에 잡음이 발생되는 문제를 확인한다. 그 이유를 찾다가 잡음의 크기를 계산하게 되는데 그 크기각 바로 2.725K였다. 이렇게 빅뱅의 흔적이 나오게 된다. 이 잡음을 우리는 CMB(Cosmic Microwavw Background Radiation)이라 부르며 우주배경복사라 한다. 이렇게 에너지가 물질로 변환되고 물질이 서로 상호작용을 하면서 지금의 우주가 된 것입니다.
인플레이션 이론
인플레이션 이론 또는 급팽창이론이라 한다. 우주가 빅뱅이 후에 매우 짧은 시간 동안 급팽창하게 되고 이 급팽창 시기즐 지난 이후엔 느린 속도로 팽창하고 있다는 가설이다. 이 인플레이션이론은 란다우의 이론물리학자 알렉이와 코넬대의 안드레이 린데가 처음 제안했으며 빅뱅 이후 우주가 현재의 크기로 확대된 것, 우주가 모든 방향으로 동일하게 보인다는 점, 우주배경복사가 고르게 분포한다는 점 등등 많은 가설들을 뒷받침해 준다. 인플레이션 이론에 대하여 명확한 양자물리학적 메커니즘은 공개되지 않았지만 많은 모형들이 관측으로 증명되고 있기 때문에 인플레이션이론은 대부분 인정되고 있는 상황이며 소수의 물리학자, 천문학자들은 반대의견을 제시하고 있다.
정상우주론
정상우주론(Steady State theory, Infinite Universe theory, continuous creation)은 우주는 시간과 공간과 무관하게 항상 동일한 형태로 변하지 않는다는 이론이며 우주가 팽창해서 빈 공간이 늘어난다면 그 빈 공간을 채우기 위한 물질들을 자연적으로 생겨 빈 공간들이 채워진다는 이론이다. 빅뱅이론과 상반되는 이론이지만 우주배경복사등 여러 빅뱅의 증거들이 발견되면서 현재는 사장된 이론이다.
이렇게 우주의 탄생부터 현재 우리의 우주의 모습까지 어떻게 변화되었는지 알아보았다. 사실 이 모든 이야기는 가설이며 과거 천동설을 믿었던 것처럼 과학이 발전되면서 빅뱅에 반대되는 현상이 관측되어 빅뱅이론조차 사라질 수 있다. 이렇듯 우주는 알 수 없고 신비한 존재인 것 같다.