우주의 시작, 빅뱅 이론

우주의 시작 빅뱅이론

빅뱅이론

우주의 나이는 상당히 오래 되었다. 크기 역시 알 수 없을 만큼 거대하다. 우주는 인간이 쉽게 이해할 수 있는 영역이 아니다. 그래서 많은 과학자들의 도전 의식을 불러 일으키며 온갖 흥미로운 가설이 난무한다. 우주에 대한 원초적인 질문 중 하나는, 처음에 어떻게 생겨났는지에 관한 것이다. 이 질문은 초기부터 철학자들과 학자들을 혼란스럽게 만들었고, 꽤 흥미로운 이론들로 이어졌다. 오늘날 과학자, 천문학자, 우주론자들 사이에서는 우주가 어떻게 발생했는지 합의가 이루어진 것으로 보인다. 우주는 끊임없이 팽창하는 힘을 가진 거대한 폭발으로 인해 만들어졌다는 것이다. 이것이 바로 빅뱅이론이다. 거의 한 세기 동안, 이 용어는 학자들과 비철학자들 모두에게 널리 알려져 왔다. 그렇다면 빅뱅 이론이란 무엇일까?

빅뱅 이론의 기본은 꽤 간단하다. 우주의 모든 현재와 과거의 물질이 대략 138억년 전에 동시에 존재하게 되었다는 것이다. 이때 모든 물질은 무한한 밀도로 아주 뜨거운 작은 공 모양으로 압축되어 있었는데, 어떠한 연유로 갑자기 특이점이 팽창하기 시작했고 우리가 알고 있는 우주가 탄생되었다. 이것이 빅뱅 이론이다. 물론 빅뱅 이론이 우주의 시작을 모두 설명하는 완벽한 이론은 아니다. 수많은 이론 중 가장 널리 받아들여지고 있는 것일 뿐이다. 왜냐하면 빅뱅 이론은 물질의 기원, 물리 법칙, 우주의 대규모 구조 등을 설명할 뿐만 아니라 우주의 팽창과 그 밖의 광범위한 현상도 설명하기 때문이다.

빅뱅 이론의 역사

빅뱅 이론의 원형은 20세기 초 우주 관측을 시작으로 나타나기 시작했다. 1912년 미국의 천문학자 베스토 슬립서는 나선은하(당시에는 은하로 받아들여졌으나 성운으로 추정됨)에 대한 일련의 관측을 실시했다. 그 결과 대부분의 나선은하는 우리 은하로부터 멀어지고 있는 것으로 관찰되었다. 1922년 러시아의 우주학자 알렉산더 프리드만은 일반 상대성에 대한 아인슈타인의 방정식에서 유래한 프리드만 방정식을 개발했다. 당시 아인슈타인이 우주론 상수(Cosmological Constant)로 옹호하던 것과는 달리, 프리드만의 방정식은 우주가 팽창하는 상태에 있을 가능성이 높다는 것을 암시했다. 1924년 에드윈 허블이 가장 가까운 나선 성운까지의 큰 거리를 측정한 결과, 이들 시스템이 실제로 다른 은하계임을 알 수 있었다. 동시에 허블 망원경은 윌슨산 천문대에서 100인치(2.5m) 후커 망원경을 이용해 일련의 거리 지표를 개발하기 시작했다. 그리고 1929년까지 허블은 거리와 불황 속도 사이의 상관관계를 발견했는데, 이것은 현재 허블의 법칙으로 알려져 있다. 그리고 1927년 벨기에 물리학자 겸 로마 가톨릭 사제인 조르주 르메트르는 프리드만의 방정식과 같은 결과를 독자적으로 도출하여 유추된 은하의 불황이 우주의 팽창 때문이라고 제안했다. 1931년, 그는 더 나아가서, 현재의 우주의 팽창은 과거로 돌아갈수록 우주가 작아질 것을 의미한다고 했다. 과거의 어느 시점에서, 그는 우주의 전체 질량이 우주와 시간의 바로 그 구조가 생겨난 하나의 점으로 집중되었을 것이라고 주장했다. 이러한 발견은 1920년대와 30년대에 걸쳐 물리학자들 사이의 논쟁을 촉발시켰고, 대다수는 우주가 안정된 상태에 있다고 주장했다. 이 모델에서는 우주가 팽창함에 따라 지속적으로 새로운 물질이 생성되어 시간이 지남에 따라 물질의 통일성과 밀도가 보존된다. 이러한 과학자들 사이에서 빅뱅이라는 생각은 과학적인 것보다 더 신학적인 것 같았고, 그의 종교적 배경을 근거로 하여 레메트르에 대한 편향성 비난이 나왔다.

빅뱅 이론 상 우주의 역사

그렇다면 빅뱅 이론에서 설명하는 우주의 역사는 어떻게 될까? 우주의 생성 시점부터 살펴보면, 하나의 특이점에서 모든 것이 시작된다. 모든 물질이 응축되어 있었던 뜨거운 특이점은, 인플레이션이 발생하며 팽창해 나갔다. 팽창 속도는 시간이 지나면서 점점 느려졌고, 물질이 식으면서 더 다양한 종류의 입자들이 형성되기 시작했다. 그것들은 결국 현재 우주의 별과 은하로 응축되었다. 우주가 10억분의 1의 초년이 되었을 때, 우주는 네 가지 기본 힘이 서로 분리될 수 있을 만큼 충분히 냉각되었다. 우주의 기본 입자도 형성되었다. 하지만 이 입자들은 여전히 너무 뜨거워서 양성자와 같은 오늘날 우리가 가지고 있는 많은 아원자 입자들로 구성되지 않았다. 우주가 계속 팽창함에 따라 물질들은 점점 식어갔다. 초기 우주의 방사선은 너무 강렬해서 충돌하는 광자는 물질과 반물질로 만들어진 입자 쌍을 형성할 수 있었는데, 이것은 반대되는 전하를 제외하고는 모든 면에서 정규 물질과 같다. 초기 우주에는 물질과 반물질의 양이 같았다고 생각된다. 그러나 우주가 식으면서 광자들은 물질-항물질 쌍을 만들기에 더이상 충분하지 않았다. 그래서 마치 의자 뺏기 놀이를 하듯, 물질과 반물질의 많은 입자들이 서로 짝을 지어 서로를 섬멸했다. 어떤 물질은 그럭저럭 살아남았고, 오늘날 인간, 행성, 은하계 등을 이루는 물질이 됐다. 우리의 존재는 자연의 법칙이 물질과 반물질을 약간 다르게 취급한다는 분명한 신호다.

빅뱅 이후 약 1억 8천만년이 지나도록 우주에는 단 한 개의 별도 없었다. 중력이 수소 구름을 모아 항성으로 만드는 데에도 오랜 시간이 걸렸다. 많은 물리학자들은 아직 알려지지 않은 물질인 암흑 물질이 거대한 구름을 이뤄 최초의 은하와 별에 중력을 제공했다고 생각한다. 빅뱅 이후 4억 년이 지나자 최초의 은하계가 탄생했다. 그 후 수십억 년에 걸쳐 별, 은하계, 은하단이 형성되었으며, 결국 우리의 고향인 은하계와 태양계가 탄생하게 되었다.