빅뱅 이론, 우주는 어떻게 시작되었을까?

빅뱅 이론, 우주는 어떻게 시작되었을까?

1초에 대한 논쟁

오늘날 볼 수 있는 존재의 단편에 기초한 빅뱅 이론은 140억 년에 달하는 우주 이야기를 재구성하려는 우주론자들의 최선의 시도를 대표합니다. 사람들은 빅뱅이라는 용어를 다양한 방식으로 사용합니다. 가장 일반적으로 이것은 관측 가능한 초기의 우주가 밀도가 높고 뜨거운 상태에서 얇아지고 냉각되는 과정을 보여줍니다. 이 설명은 우주가 팽창하고 있다는 생각, 즉 거의 논쟁의 여지가 없다고 생각되는 생물학의 적자생존과 유사하게 광범위한 원리로 귀결됩니다. 더 구체적인 관점에서 빅뱅은 관찰 가능한 우주 자체의 탄생을 의미할 수도 있습니다. 이는 무언가가 바뀌는 순간, 다시 말해 오늘을 이끈 사건이 시작되는 순간입니다. 우주론자들은 수십 년 동안 그 1초 미만의 세부 사항에 대해 논쟁을 벌여 왔으며, 오늘날에도 그 논의는 이어지고 있습니다.

 

빅뱅 이론의 고전

인류 역사의 대부분 동안 하늘을 관찰하는 사람들은 하늘이 영원하며, 변하지 않는 존재라고 생각했습니다. 에드윈 허블은 지난 1920년대에 은하계 외부에 은하계가 존재하고 그 빛이 늘어나는 것처럼 보인다는 사실을 관찰하면서 이 이야기에 실험적인 타격을 입혔습니다. 이는 은하계가 지구에서 멀어지고 있다는 신호입니다. 현대 벨기에 물리학자인 조르주 르메르트는 허블을 비롯한 다른 과학자들의 데이터를 팽창하는 우주의 증거로 해석했습니다. 이는 아인슈타인이 발표한 일반 상대성 이론의 장방정식에서 허용되는 가능성입니다. 르메트르는 오늘날의 분리된 은하들은 그가 원시 원자라고 부르는 것에서 함께 시작했음에 틀림없다고 추론했습니다. 르메르트의 주장에 대한 현대 용어의 공개적인 사용은 비평가인 영국 천문학자 프레드 호일로부터 처음 나왔습니다. 호일은 팽창의 희석을 상쇄하기 위하여 물질을 창조한 우주를 향해 자신이 선호하는 이론을 옹호하고자 이 문구를 만들었습니다. 호일은 "우주의 모든 물질은 먼 과거 특정 시점에 한 번의 빅뱅으로 생성됐다는 생각은 비합리적"이라고 말했습니다. 이후 호일은 의도적으로 비방적인 이름을 만들었다는 의혹을 부인했지만, 일부 사람들은 그 이름을 고수했습니다. 프린스턴 대학의 우주론자인 폴 스타인하트는 "빅뱅은 정말 나쁜 용어"라고 지적했습니다. 스타인하트는 빅 스트레치가 올바른 아이디어를 포착할 것이라 주장했습니다. 스타인하트는 "폭발에 대한 정신적 이미지는 온갖 종류의 혼란을 야기한다. 중심점, 확장되는 국경, 무거운 덩어리보다 가벼운 파편이 더 빨리 날아가는 장면을 의미한다"라고 해석했습니다. 이어 그는 "그러나 팽창하는 우주는 전혀 그런 것처럼 보이지 않는다"라고 덧붙였습니다.

 

팽창하는 우주는 중심도 없고 가장자리도 없습니다. 비록 더 멀리 있는 은하들은 최근 우주론적으로 암흑 에너지의 영향을 받아 더 빨리 멀어지고 있지만, 크고 작은 은하들은 결국 모두 같은 방식으로 미끄러져 나갑니다. 이름에 관계없이 빅뱅 이론은 우리가 보는 것을 설명하는 탁월한 능력으로 널리 받아들여졌습니다. 예를 들어 초기 원소는 최초 3분 동안 양성자나 중성자와 같은 입자와 빛의 균형을 통해 헬륨 및 기타 가벼운 원자의 현재 양을 예측하는 속도로 형성됩니다. 뉴욕 대학의 우주론자인 글레니스 파라는 "핵이 형성될 수 있는 작은 창이 있었다"라며 설명에 나섰습니다. 파라는 "그 이후에도 우주는 계속 팽창했고 그들은 서로를 찾을 수 없었다. 창문 앞은 너무 더웠다"라고 비유를 들었습니다. 흐린 플라스마는 다음 378,000년 동안 우주를 가득 채웠고, 더 냉각되어 전자와 양성자가 중성 수소 원자를 형성하고 안개가 걷힐 때까지 계속됐습니다. 이 과정에서 방출되는 빛은 이후 마이크로파까지 확장되었습니다. 이것은 연구자들이 직접 연구할 수 있는 최초의 알려진 물체입니다. 많은 연구자들은 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)로 알려진 이 빛을 빅뱅의 가장 강력한 증거로 간주합니다.

 

폭발적인 업데이트

그러나 우주론자들이 우주의 최초 순간으로 더 멀리 밀고 들어가면서 수수께끼는 풀리게 되었습니다. 일반 상대성 이론의 방정식은 무한한 열과 밀도의 초기 얼룩, 즉 특이점을 제안했습니다. 물리적으로 별로 의미가 없는 것 외에도 단일 원점은 매끄럽고 평평한 CMB와 일치하지 않았습니다. 얼룩의 엄청난 온도와 밀도의 변동으로 인해 다양한 특성을 지닌 하늘이 만들어졌지만, CMB의 온도는 단지 1도 정도만 달라졌습니다. 시공간 곡률 역시 꽤 평평해 보였는데, 이는 대부분의 우주학자들이 불가능하다고 생각하는 물질과 곡률의 초기 균형이 거의 완벽하다는 것을 의미합니다. 앨런 구스는 1초의 첫 번째 부분에 대한 새로운 그림을 제안했습니다. 이를 통해 구스는 "우주가 오늘날보다 기하급수적으로 빠르게 성장하는 초기 순간을 보냈다"라고 제안했습니다. 어느 시점에서 이 과정이 멈추고 브레이크를 밟으면 특이점을 대신하는 조밀하고 뜨거운, 그러나 무한하지는 않은 입자 엉망이 생성됩니다. 파라는 "나는 그것을 우주가 뜨거워진 빅뱅이라고 생각한다"라고 말했습니다. 소위 인플레이션 이론은 이제 수많은 경쟁 모델을 가지게 되었습니다. 무엇이 우주를 그토록 급속하게 팽창하게 했는지에 대해 아는 사람은 아무도 없었지만, 이 이론은 설명이 불가능해 보이는, 특징이 없는 CMB를 설명해 인기를 얻었습니다. 인플레이션은 작은 변동, 즉 오늘날 은하단으로의 발전을 유지하는 반면, 주요 변동은 평탄합니다.

 

인플레이션을 넘어서

최근 연구에서는 인플레이션 이론의 우주적 서술에 두 가지 문제가 생겼습니다. 스타인하트와 다른 과학자들은 인플레이션이 관측 가능한 우주와 같은 일부 지역에서는 멈추었지만, 다른 지역에서는 계속되었을 거라고 봤습니다. 이들은 인플레이션이 상상할 수 있는 모든 우주적 특성을 가진 일련의 별도 영토를 생성했을 것이라고 판단했습니다. 이 다중 우주 그림은 테스트할 수 없는 예측을 무한히 많이 만들기 때문에 대다수의 물리학자들은 이를 불쾌하게 여깁니다. 우주론자들은 인플레이션이 약간의 온도와 밀도 변화를 만들어낸 것처럼 CMB에서도 은하계를 가로지르는 중력파를 생성했어야 한다고 예상합니다. 현재 실험은 이를 찾을 수 있을 만큼 민감해야 하지만, 지난 2014년 한 번의 잘못된 경보에도 불구하고 원시 시공간 파동은 나타나지 않았습니다.

 

많은 연구자들은 존재하는 많은 인플레이션 모델을 죽이거나 검증할 수 있는 보다 정확한 CMB 측정을 여전히 기다리고 있습니다. 그러나 다른 물리학자들은 우주의 부드러움을 전혀 문제로 보지 않으며, "그것은 균일하게 시작되었으므로 설명이 필요하지 않다"라고 말합니다. 실험주의자들이 새로운 수준의 정밀도를 위해 노력하는 동안 일부 이론가들은 인플레이션에서 벗어나 우주를 평평하게 만드는 다른 방법을 모색했습니다. 스타인하르트는 시공간을 평탄하게 하고 폭발적인 팽창의 발판을 마련하는 초기 수축 기간으로 훨씬 더 뒤로 밀어내는 빅 바운스 모델을 연구하고 있습니다. 스타인하르트는 머지않아 원시 중력파의 부족과 같은 문제 외에도 우주론자들에게 새로운 창조 이야기를 들려줄 수 있기를 바라고 있습니다.