빅뱅

10^(-44)초후 - 무에서 탄생

우주는 "무" 에서 탄생했습니다.
우주는 어디서 어떻게 하여 탄생하였을까요.

최근의 우주론은 이 의문에 대하여, 우주는 "무에서 태어났다고 생각하고 있습니다.

이 "무에서의 우주 창생론"은 비랭킹에 의해 제출되었습니다.
그는 "무"란 시간, 공간, 물질, 에너지가 없는 상태라고

정의하였습니다. 상식적으로 생각하면, 이러한 무에서는 영원히 아무것도 생기지 않을 것처럼 보이겠죠.

그런데 양자론의 입장에 서면 사정은 전혀 달라집니다.
양자론은 매우 짧은 시간에서는 시간이나 공간, 그리고 에너지는

하나의 특정한 값을 취하지 못하고 부단히 요동하고 있다는 것을 밝히고 있습니다.

비렝킹은 이 요동하는 것을 밝히고 있습니다. 비렝킹은 이
요동하는 "무"에서, 진공의 에너지가 높은 상태에 있는

초마이크로 우주가 "터널 효과(turn effect)"에 의해 돌연
탄생한다는 것을 보여 주었죠.

더 나아가 그는 우주가 터널 효과로 태어날 확률을
계산하였습니다. 그 결과, 우주는 작으면 작을수록 또 진공의

에너지가 크면 클수록 태어날 확률이 높다는 것을 알게
되었습니다. 우주 팽창의 원인이었던 진공의 에너지는 우주를

탄생시키는 방아쇠이기도 하였던 것입니다. 무로부터의 우주
생성을 더욱 자세히 연구한 사람이 영국의 물리학자 호킹입니다.

호킹은 우주의 방정식(파동함수)을 풀어, 양자론적으로 가장
확률이 높은 우주 진화의 과정이 비렝킹이 생각한 우주와

일치하고 있다는 것을 밝혔습니다.

이때 태어난 우주는 3차원의 끝이 없는 닫힌 공간을 가지게 되는데 그 지름은 양자론적으로 허용되는 최소의 길이인 10^(-34)cm
였습니다. 또 시간은 양자론적으로 허용되는 최소인 10^(-44)초로부터 돌연히 시작되었습니다.
- 우주의 터널효과

극미 세계의 입자는 매우 짧은 시간에 에너지의 벽을 뚫고
지나갈 수가 있습니다. 이것을 "터널 효과"라 합니다.

컴퓨터의 IC(집적회로)를 흐르는 전자는 이 터널 효과에 의해
제어되고 있지요.

비랭킹은 이 터널 효과가 우주의 탄생에 깊이 관련되어 있다고
생각하였습니다.

시간도 공간도, 물질도 에너지도 0인 "무"의 상태에서 에너지의 벽을 뚫고서 유한한 길이를 가진 우주가 돌연 태어났지요.


- 호킹의 우주론

호킹은 양자론적으로 엄밀하게 우주의 창생을 조사하였습니다.
양자론에 따르면 물질은 모두 파동으로서의 성질을 갖추고 있습니다.

그래서 우주의 탄생이나 진화를 생각할 때도 우주를 파동으로서 취급하지 않으면 안되지요.
우주의 파동 함수를 구하려면 파동의 양 끝(경계조건)을 결정해야 합니다.

그 결과 여러 가지 성질을 가진 우주가 어느 정도의 확률로써 존재 할 수 있는가가
구해졌습니다. 그중에서 존재할 확률이 가장 높은 우주는 비렝킹의 우주와 일치하고 있어요.


우주는 급격한 팽창, 인플레이션을 일으켰어요. 터널효과에 의해 태어난 우주는 지름이

10^(-34)cm밖에 되지 않는 소립자보다도
작은 초미니 우주였습니다.

그러나 이 초미니 우주는 높은 진공의
에너지를 가지고 있었어요.

높은 진공의 에너지는 아인슈타인의 우주항과 마찬가지로 반발력이 되어 공간을 급격히

팽창시켰습니다.
이것이 우주의 인플레이션입니다.

인플레이션 팽창은 빅뱅 팽창보다도 훨씬
격렬합니다.

이를테면, 지름 1mm인 구슬이 인플레이션
팽창을 일으키면 1초의 1조분의 1의 1조분의

1의 100억분의 1사이에 1000억 광년의 크기로 커지게 될 거에요.

갓 태어난 초미니 우주는 인플레이션에 의해 갑자기 거대한 우주로 진화한 것이죠.

비렝킹에 따르면 우주는 터널 효과에 의해 "무"에서 갑자기 태어났습니다.

이 우주는 소멸하고 다시 "무"로 되돌아 가는 일은 없는 것일까요.

비렝킹은 일단 우주가 태어나면 소멸되어
무로 되돌아가는 쪽보다도 인플레이션을

일으켜 팽창하는 쪽이 우주의 퍼텐셜 에너지를 낮춘다는 것을 발견하였지요.

자연은 언제나 에너지가 낮은 상태로
옮겨갑니다.

그러므로 우주는 일단 태어나면,
인플레이션을 일으키고 매크로 우주로

진화하도록 되어 있는 것입니다.



우주의 인플레이션

우주는 터널 효과에 의해 유한한 크기를 가지고 갑자기 태어났습니다.
비렝킹은 여기서 우주의 전체 퍼텐셜 에너지를 생각하였습니다.

우주의 퍼텐셜 에너지는 지상의 위치에너지와 비슷합니다.
위치 에너지는 중력이 약한 산 위보다는 중력이 약한 지면 쪽이 작지요.

그래서 바위는 당연히 에너지가 낮은 쪽을 향하여 산에서 굴러 떨어지게 됩니다.
우주에서도 이와 비슷한 일이 일어납니다.

우주의 퍼텐셜 에너지는 우주의 반지름이 커질수록 작아집니다.
태어난지 얼마 되지 않은 우주는 자연히 에너지가 낮은 상태로 바뀝니다.

인플레이션은 바로 우주가 낮은 에너지로 바뀌도록 만든 사건인 셈이지요.


- 부모 우주에서 무수한 자식 우주가 생겼다.

인플레이션 중에도 우주에서는 진공의 상전이가 일어납니다.
높은 에너지의 낡은 진공이 낮은 에너지의 새로운 진공으로

이전하는 것이지요. 이것은 물이 0도를 경계로 하여 에너지가 낮은 얼음으로 상전이를 하는 것과 비슷합니다.

상전이는 우주 전체에서 한꺼번에 일어나는 것은 아니에요.
물이 얼 때도 먼저 작은 얼음의 핵이 생기고 그것이 차츰

커져 갑니다. 우주의 상전이도 마찬가지 식으로 진행되었습니다. 우주의 낡은 진공 속에서 새로운 진공의 거품이 차례로

탄생하였습니다. 여기서 우주에 극적인 일이 일어납니다.
새로운 진공의 거품에 의해 밀려서 찌부러지게 된 낡은

진공의 영역이 인플레이션을 일으켜 또 다른 "자식 우주"로
진화하게 되는 것이죠.


부모 우주와 자식 우주는 전혀 다른 우주인데, 이들은 "웜홀(wormhole)"에 의해 연결되어 있습니다.
자식 우주도 인플레이션을 일으켜 상전이하므로 자식 우주에서도 새로운 "손자 우주"가 태어납니다.

이렇게 하여 부모 우주가 하나 만들어지면 거기서부터 무수한 자식 우주와 손자 우주가 탄생합니다.
이것을 "우주의 다중 발생(多重發生)"이라 합니다. 우리가 살고 있는 이 우주도 무수히 만들어진 우주의 하나인지도 모르지요.


- 우주의 다중발생

한창 인플레이션을 일으키고 있을 때, 우주에서는 진공의 상전이가 일어납니다.
상전이는 한꺼번에 일어나는 것이 아니라, 낡은 진공 안에 새로운 진공의 작은 거품이 먼저 태어나요.

(1) 새로운 진공의 거품은 빛의 속도로 팽창해 갑니다.

(2)새로운 진공의 거품이 낡은 진공의 영역을 눌러 찌부러지게 하면 낡은 진공은 인플레이션을 일으킵니다.

(3) 인플레이션에 의해 생기는 것은 부모 우주와 인과 관계가 없는 자식 우주인데, 두 우주는 "웜홀"에 의해 연결되어 있어요.
새로운 진공이 낡은 진공을 모두 덮어 버릴 때

(4) 낡은 진공은 "블랙홀"로 변해 간다고 생각해요. 웜홀도 새로운 우주에서 보면 블랙홀과 구별할 수가 없지요..

따라서 우주 초기에는 대량의 블랙홀이 만들어졌을 가능성이 많습니다.


우주탄생 10^(-34)초 후

상전이로 풀려 나온 에너지가 우주를 불덩이로 바꿨습니다.

우주의 공간과 시간은 양자 중력 효과에 의해 "무"에서 태어났습니다.

그렇다면 우리들의 몸이나 별을 구성하고 있는 물질은 언제, 어떻게 만들어진 것일까요.


우주는 태어나자마자 진공의 에너지에 의해 인플레이션을 일으킵니다.
이때 급격히 팽창하는 것은 높은 에너지를 가진 낡은 진공입니다.

결국, 인플레이션을 일으키고 있는 우주 속에는 낡은 진공의 높은 에너지가 대량으로 저장되는 것이지요.
진공이 상전이를 하면 이 에너지는 한꺼번에 풀려 나옵니다.

그렇기 때문에 상전이 후의 우주는 빛의 에너지가 가득한 불덩이가 되었습니다.
이 순간이 바로 이제까지 알려져 있는 "빅뱅"이지요.

물질은 이 빅뱅에 의해 만들어졌습니다. 상대성 이론에 따르면, 에너지와 물질은 서로 자유로이 전환됩니다.
우주 탄생 10^(-36)초 후에 우주를 가득 채우던 빛에서 X입자라 불리는 소립자와 그 반입자가 대량 만들어졌습니다.

이윽고 X입자와 반X입자는 서로 부서지고, 현재 물질의 최소 소립자인 쿼크(quark)와 렙톤(lepton), 그리고 그들의 반입자가
만들어졌습니다.


- 쿼크와 렙톤

현대의 소립자 물리학은 6종류의 쿼크와 6종류의 렙톤의 조합으로 모든 물질이 구성된다고 생각하고 있습니다.
쿼크는 양성자나 중성자 등을 만드는 소립자이고, 렙톤은 전자나 중성미자등을 말합니다.

힘의 통일 이론은 우주의 아주 초기에는 쿼크와 렙톤도 동일한 입자였다고 예언합니다.
그리고 쿼크와 렙톤을 동일한 입자로 하는 기능을 발휘한 것이 X입자였다는 것이지요.


우주탄생 10^(-5)초~3분후

반물질이 소멸되고 물질만이 남게 되었습니다.
우주에는 대량의 쿼크와 렙톤, 그리고 그 반입자가

만들어졌습니다. 입자와 반입자는 서로 만나면 소멸되어
에너지로 되돌아가고 맙니다.

이것을 "상소멸(雙消滅)"이라고 합니다. 우주의 온도가 내려감에 따라 쿼크와 반 쿼크, 렙톤과 반렙톤도 쌍소멸을 하기

시작하였습니다. 만일 입자와 반입자가 완전히 같은 수만큼
만들어졌다면, 빅뱅을 통해 만들어진 입자와 반입자는 마침내

모두 소멸해 버렸을 것입니다. 그런데 이상하게도 자연은 입자와 반입자에 약간은 차이점을 지니도록 하고 있어요.

이것을 "CP 불변성의 깨짐"이라 하며, 현재도 실험을 통해
확인되고 있습니다.


그 차이는 반입자가 10억개 보다 1개가 더 만들어질 정도로 아주 미미한 것이었어요.
그러나 이러한 근소한 차이 때문에 반입자가 모두 소멸하고 입자만 남게 되어 현재의 물질 세계가 만들어진 것입니다.

우주 탄생에서 0.00001초, 우주의 온도가 1조 K(절대온도)로 내려갔을 때 우주에 다시 상전이가 일어났습니다.
이것을 "쿼크, 하드론 상전이"라고 합니다.

그 때까지 단독으로 날아다니고 있던 쿼크가 3개씩 모여 양성자나 중성자 등의 하드론을 형성하였습니다.


- 쿼크-하드론 상전이

쿼크-하드론 상전이는 위와같이 설명되고 있어요. 쿼크는 "색(色)"이라는 성질을 가지고 있는데, 상전이 전의 각각의 쿼크는 " 적색" "초록색" "청색"의 어느 상태에 있었죠.

적색, 초록색, 청색은 빛의 3원색으로 3색을 다 섞으면 백색이 됩니다. 우주의 온도가 10억 K보다 낮아지면 색 사이의 인력에 의해 적색, 초록색, 청색의 쿼크가 3개씩 모여 전체가 백색인 하드론이 형성되었던 것이죠.

또한 우주의 온도가 10억 K까지 내려간 우주 탄생 3분후, 이번에는 양성자와 중성자가 결합하여 다양한 원소의 원자핵이
만들어졌습니다.

이때 우주에는 다행스런 상황이 벌어졌습니다. 만일 우주가 천천히 식어갔다면 모든 양성자와 중성자는 가장 안정된 원소인
철(Fe)로 되어 버리고 말았을 거에요.

그런데 다행히도 우주는 백뱅이라는 팽창을 일으키고 있는 중이었기 때문에 우주의 온도는 급격히 내려갔습니다.
그래서 양성자나 중성자로부터 수소와 중수소, 헬륨이라는 가벼운 원소만이 만들어진 것이죠.

별들은 현재 이 수소를 원료로 삼아 빛나고 있습니다.


우주탄생 10만년 후

전자가 원자핵에 붙잡히게 되어, 우주는 맑게 되었습니다.
온도가 10억 K나 되었던 이 무렵의 우주에서는 원자핵과 전자는

원자를 구성할 수 없었고, 따라서 뿔뿔이 흩어져 날아다니고 있었습니다.
이러한 상태를 "플라스마"라 합니다.

플라스마 안에서는 빛이 전자에 의해 산란되기 때문에 빛이 먼 거리를
이동할 수 없었고, 따라서 이것은 짙은 구름 속에서 앞이 잘 보이지

않는 경우와 비슷합니다. 우주가 탄생한 지 10만 K가 되면, 자유스럽게 날아다니던 전자는 원자핵에 이끌려 원자핵 주위를 돌기 시작합니다.


-토러스 우주

드디어 원자가 만들어 졌습니다!! 전자의 산란을 받지 않게 된 빛은
우주 안을 자유로이 날기 시작하였습니다.

이 순간을 "우주의 맑게 갬"이라고 합니다. 우주가 맑게 개는 순간은
구름 속의 항공기가 밖으로 나온 순간과 비슷합니다.


-열린 우주

이때 뒤쪽을 돌아보면 빠져 나온 구름의 모습이 보일 거에요.
1965년 미국의 벨 전화 연구소의 펜지어스와 윌슨은 우주의 모든

방향에서 오는 같은 파장의 전파를 포착하였습니다.
"우주 배경 복사(cosmic background radiation)"이라 불리는 이 전파는

온도로 따지면 약 2.7K 인 전파와 일치하고 있습니다.
우주의 온도는 팽창과 함께 낮아졌습니다.

그러므로 2.7K인 전파도 예전에는 이보다 훨씬 높은 온도를 지녔을 거에요. 시간을 역으로 돌리면 이 2.7K인 전파는 우주 탄생
10만 년 후에는 약 4000K인 빛이 돼죠. 이 전파야말로 맑게 갠 순간의 우주에서 복사된 빛이었지요.


우주탄생 10억년후

초은하단, 은하,별 -우주를 수놓은 천체가 생겼습니다. 맑게 갠 우주는 계속 팽창하면서 조용히 식어갔습니다. 이 조용한 우주에서 별이나 은하, 초은하단이 형성되었다고 생각되고 있지요.

그러나 그 형성 메커니즘은 아직 거의 알려져 있지 않습니다. 많은 연구자는 우주 초기의 구름에 밀도의 차이가 있고, 밀도가 높은 곳에 원자가 모여 은하 등이 생겼다고 생각하고 있습니다.

이 시나리오에도 두 종류가 있어요. 그 하나는 우주 구름의 밀도 차이가 매우 컸기 때문에 맨 처음 초은하단이 만들어지고,
그 다음에 이 초은하단이 분열하여 은하나 별이 생겼다고 하는 것이지요.

또 다른 견해는 우주의 구름은 거의 균질했기 때문에 맨 처음에 별이 만들어 지고, 그들이 모여 은하가 생기고, 또 은하가 모여
초은하단이 생겼다고 하는 것입니다.

최근, 우주에는 눈에 보이는 물질의 100배 이상의"암흑물질(dark matter)"이 존재한다는 것이 알려졌어요.
그래서 천체의 형성도 이 암흑물질을 무시할 수 없게 되었죠.

우주에 별이 생기면 그 중심부에서 핵융합 반응이 시작됩니다. 이 반응을 통해 우주 초기에 만들어진 수소나 헬륨에서 탄소나 질소, 산소 등의 무거운 원소가 차례로 만들어집니다.

이들 무거운 원소는 별의 폭발과 함께 우주에 흩뿌려지는데, 이들이 행성의 재료가 됩니다. 태양이라 불리는 별 주위에 생긴
제 3의 행성 지구는 별에서 적당한 거리에 있었기 대문에 수소와 산소로 구성된 물이 표면에 많이 존재할 수 있었죠.

물 속에 녹아 있던 탄소와 질소는 아주 오랜 시간에 걸쳐 차츰 복잡한 유기물을 만들었으며, 드디어 하나의 완전히 새로운 존재를 만들었습니다.

그것이 바로 지구에 태어난 생명입니다.(믿거나 말거나..) 생명은 더욱 발전하여 35억 년 가량의 시간이 지난 후 새로운 단계로
진화하게 되었습니다. 자신을 만들어낸 우주를 탐구하는 인류가 탄생된 거에요.

우주의 나이

허블의 발견 이래 지난 60여년 동안 천문학자들은 허블상수 즉 우주의 팽창률을 정확히 측정하는 일에 매달려 왔습니다. 먼 은하의 후퇴속도와 거리를 재면 허블상수를 구할 수 있고 이 허블상수를 통해 쉽게 우주의 나이와 크기를 알 수 있기 때문이지요.

허블망원경이 최우선 임무도 허블상수를 오차 10% 범위 안에서 정확히 구하는 것이랍니다. 이 임무는 두 개의 국제공동연구팀에게 맡겨졌고 , 지난 94년과 96년 중간결과가 발표됐습니다.

결과는 충격적이었죠!!
우주에서 가장 늙은 별보다도 허블상수로 구한 우주의 나이가 훨씬 젊게 나왔습니다.

아이가 부모보다 나이가 많은 괴상한 결과가 나온 것이지요.
여류 천문학자 프리드먼 박사팀에서는 허블상수(단의 km/초/1백만파섹)가 68-78로 나오고 있습니다.

이는 3백 26만 광년 떨어진 천체가 지구로부터 초속 68-78km정도의 속도로 멀어져 가고 있음을 뜻합니다.
이 결과를 현대 과학지식을 총동원해 만든 표준우주모형에 대입하면 우주의 나이가 90억년이란 결과가 나옵니다.

세계적 원로 천문학자인 앨런 샌디지 박사팀은 허블상수가 57이라고 다소 적은 결과를 내놓았습니다.
이는 우주의 나이가 약 1백 15억년임을 뜻합니다.

천문학자들은 대체로 프리드먼 박사팀의 결과를 더 신뢰하고 있지만, 어쟀든 두 개 팀의 연구를 종합하면 우주의 나이는 90~1백
15억년 사이인 1백억년 정도라는 결과가 나옵니다.

그동안 천문학자들은 허블상수를 정확히 구하지 못했기 때문에 방사성 동위원소의 반감기나 별의 진화이론을 이용해 우주의
나이를 측정해 왔습니다.

이런 방법을 통해 우리 은하계에서 가장 늙은 별의 집단인 구상성단의 나이가 1백 50억년인 것으로 추정되어 왔습니다.
우주의 나이가 최소한 1백 50억년은 된다고 생각해왔던 천문학자들에게 우주의 나이가1백억년밖에 안된다는 허블상수 연구팀의

결과는 청천벽력과 같은 소리였겠지요?


내용 출처 : kkabee.nafeel.net/htm/bigbang.htm