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우주는 진공에서 에너지가 폭발하며 생겼습니다. 따라서 처음에는 우주에 오로지 에너지만 있다가, 이 에너지로부터 입자가 생긴 것입니다. 이 입자들이 모여서 원소가 생겼고, 이 원소들이 모여 은하, 별, 행성들이 만들어졌다고 합니다. 이러한 변화들은 우주가 폭발한 후 팽창하면서 온도가 내려가기 때문에 나타나는 것들이 많습니다. 따라서 우주의 온도가 낮아지며 어떤 현상들이 일어나 현재에 이르렀는가 알아보도록 하겠습니다.
쿼크
이 우주에 있는 모든 물질은 왼쪽그림에 있는 2종류 12가지 입자로만 구성되어 있습니다. 예를 들어 원자라는 것은 원자핵과 전자로 되어있습니다. 전자는 물질을 이루는 기본적인 입자입니다. 원자핵은 다시 중성자와 양성자가 뭉쳐서 이루어진 것입니다. 이 중성자와 양성자는 다시 쿼크들이 뭉쳐서 이루어진 것입니다. 이 쿼크들이 물질을 이루는 가장 기본적인 입자입니다. 즉, 이 우주의 모든 물질은 어떤 것 하나도 예외 없이 아래 12가지가 뭉쳐서 만들어진 것입니다. 이들이 어떤 힘에 의해 어떻게 뭉치느냐에 따라서 물질이 달라지는 것입니다. 이러한 입자들을 끌어당겨 다른 물질들을 만드는 것을 힘이라고 합니다. 입자에 작용하는 힘에는 4가지 종류가 있습니다.
4가지 힘
쿼크와 렙톤들은 우주에 존재하는 딱 4가지 힘에 의해서 서로 뭉쳐져 여러가지 물질들을 만듭니다. 우주에 존재하는 단 4가지 힘은 다음과 같습니다. ①중력(지구가 태양에서 멀리 떨어져 나가지 않는 것은 바로 중력 때문이지요). ②전자기력(원자란 +전기를 띠는 원자핵과 -전기를 띤 전자가 서로 잡아당겨 구성된 것입니다). ③강력(원자핵 안에는 같은 +전기를 띤 양성자들이 같이 들어 있습니다. 이들이 서로 밀어내지 않고, 원자핵을 이루고 있는 것은 강력이라는 힘이 서로 잡아당겨주기 때문입니다). ④약력(양성자나 중성자 모두 3개의 쿼크가 합쳐진 것입니다. 이와 같이 쿼크를 서로 묶어주어 양성자나 중성자를 만드는 힘을 약력이라고 합니다). 이와 같이 우리가 아는 모든 물질들(12가지 입자들)은 4가지 힘에 의해 모여 있는 것입니다. 그런데 온도가 아주 높을 때는 이러한 입자들을 잡아당겨주는 힘보다 입자가 운동하려고 하는 운동에너지가 더 크게 되는데, 이렇게 되면 입자들은 어떤 물질도 구성하지 않고, 입자 자체로서만 존재하게 됩니다. 온도가 아주 높았던 우주 초기에는 물질이라는 것이 아무것도 없었고, 오로지 12개의 입자만이 존재하고 있었습니다. 따라서 이 때에는 전자기력, 강력, 약력 3가지 힘은 전혀 구별이 없었고, 모두 하나의 같은 힘이었다가 우주가 팽창하면서 힘이 분리된 것이라는 것이 밝혀졌습니다.
빅뱅 (10^43 K)
우주는 진공에서 태어났다고 합니다. 물리학자들이 말하는 진공이란 우리가 흔히 말하는 아무것도 없는 것이 아니고 가장 낮은 에너지 상태를 진공이라고 한답니다. 낮은 에너지상태에 있던 우주가 더 낮은 에너지 상태로 전환하면서 우주가 탄생했다고 합니다. 당연히 에너지가 방출되었겠지요. 우주가 더 낮은 에너지 상태로 변하게 된 이유는 양자중력이론에 따른 터널효과에 의해 탄생했다고 합니다. 양자론에 의하면 어떤 것이던(여기서는 우주가) 자연요동이 있습니다. 우주가 요동을 하다가 이 요동이 에너지벽을 넘어서게 되었고, 더 낮은 에너지를 가진 다른 우주로 변한 것이라고 합니다. 그리고 이때의 시간은 10^-43초 인데, 이를 플랑크시간 이라고 합니다. 이 시간은 양자중력이론에 의해 계산할 수 있는 가장 작은 시간입니다. 물리학자들의 분석에 의하면 이 시간이전에는 이 우주에 "시간"이라는 자체가존재하지 않았다고 합니다. 우주가 탄생하고 10^-43초가 지난 후에 우주에 "시간"이라는 것이 생겼다는 것입니다. 어쨌든 물리학자들의 현재 결론은 다음과 같습니다. 0초에 어떤 진공에서 더 낮은 진공으로 변하면서 우주가 폭발하며 탄생하였다. 10^-43초 후에 우주가 모습을 나타내었는데, 이 우주에는 어떤 입자도 없었고, 오로지 에너지만 있었습니다. 온도는 10^32K 이 에너지로만 가득 차 있던 우주에 어떻게 입자들이 생겨났을까요?
인플레이션 (10^27 K)
우주의 급팽창 인플레이션이란 우리말로 뻥튀기라고도 할 수 있습니다. 고무풍선이 늘어나듯이 팽창하던 우주가 갑자기 뻥튀기되듯이 갑작스레 팽창하는 것을 인플레이션이라고 합니다. 이러한 우주의 인플레이션이 일어나게 된 원인은 힘의 분리 때문이라고 합니다. 우주초기에는 완벽하게 12개의 기본입자들만 있었습니다. 따라서 전하(+,-)라는 것도 없으니 전자기력도 없고, 중성자와 양성자가 없었으니 강력이라는 것도 없었으므로 중력을 제외한 모든 힘은 하나의 힘이었습니다. 이미 몇 년 전에 중력을 제외한 전자기력, 강력, 약력이라는 힘은 온도가 매우 높은 상태에서는 모두 같은 작용을 하는 하나의 힘이라는 것이 3명의 과학자들에 의해 밝혀졌습니다. 그런데 팽창으로 우주의 온도가 낮아져 중성자, 양성자라는 것이 만들어지게 되면 이들을 잡아당기는 강력이라는 것이 나타납니다. 이렇게 강력이 다른 힘과 분리되면 우주의 성질이 바뀌는 상전이가 발생한다고 합니다. 상전이란 액체인 물이 고체인 얼음으로 변하는 것과 같은 상태의 변화를 말합니다. 그런데 물이 얼 때 0도에서 딱 어는 것이 아니고, 영하 2~3도까지 얼지 않다가 급격히 얼듯이 우주도 그러했다고 합니다. 즉, 우주의 온도가 많이 낮아져 강력이 분리되었음에도 불구하고 우주의 상태는 잠깐 동안 변하지 않았었습니다. 그러다가 어느 순간 급격히 우주의 상태가 갑작스레 변화 되었습니다. 이 변화를 인플레이션이라고 합니다. 과냉각된 우주에서 정상인 우주로 되다보니 우주는 매우 많은 에너지를 방출하게 되었고, 이 에너지에 의해 우주는 상상하기 힘들 정도의 뻥튀기(인플레이션)를 일으킨 것입니다.
입자 생김 (10^21 K)
우주 초기에는 오로지 에너지만 있었습니다. 그럼 입자들은 어디서 생겼을까요? 결국 에너지밖에 없지요. 실제로 입자들은 바로 에너지덩어리인 빛(광자)에서 만들어 집니다. 우주의 온도가 매우 높았을 때는 입자들이 존재할 수 없습니다. 온도가 너무 높으면 입자의 운동에너지가 너무 커서 입자가 충돌할 때 서로 완전히 깨져서 입자는 사라지고 에너지로 변환되는 것입니다. 에너지덩어리인 빛과 빛이 충돌하면 빛이 사라지고 입자와 반입자가 생깁니다. 마찬가지로 입자와 반입자가 충돌하면 이들이 사라지고, 빛이 2개 생깁니다(쌍생성, 쌍소멸이라고 합니다). 이것은 실제로 입자가속기라는 실험기구에서 이미 수백 번 증명이 되었습니다. 그러다가 우주가 팽창함에 따라 우주의 온도가 낮아지면 입자의 운동에너지도 낮아집니다. 그러면 입자끼리 충돌을 하여도 깨지지 않고 그대로 살아 남을 수 있게 되는 것입니다. 결국 우주가 팽창하여 온도가 낮아져서 입자가 생긴 것이라고 할 수 있지요. 예를 들어 물의 온도를 높여주면 물이 수증기로 날아가 보이지 않게 되지요. 그러나 수증기의 온도를 낮추어주면 이슬이라는 것으로 물방울이 보이게 되는 것과 비슷한 것입니다. 우주가 팽창하여 온도가 낮아지자 입자끼리의 충돌에서 입자는 살아남게 됩니다. 이와 같이 입자들은 바로 에너지로부터 생겨났습니다.
반입자 사라짐 (10^19 K)
모든 입자들은 그 반대인 반입자가 있습니다. 이것은 현재 실험실에서 완벽하게 확인이 되고 있습니다. 그러나 현재 우주에 존재하는 반입자는 전혀 없습니다. 모든 입자에는 반입자가 있는데 모두 어디 갔을까요? 우주의 모든 입자들은 에너지로부터 생겨났습니다. 입자. 반입자는 광자(빛) 2개가 충돌하여 반드시 쌍으로 생겨납니다. 따라서 초기 우주에는 완전히 같은 수의 입자. 반입자가 있었습니다. 입자가 반입자보다 더 많게 된 이유는 인플레이션이 일어나면서 일어난 우주의 상전이 때문입니다. 물이 얼어 얼음이 얼 때 표면이 일정하지 않고, 금이 간 경우가 많이 있지요. 이와 같이 우주도 강력과 같은 힘이 분리되면서 상전이가 일어나는데, 이때 입자와 반입자의 개수가 달라진다고 합니다. 즉, 입자의 개수가 10억 1개, 반입자 개수가 딱 10억 개라면 10억 개의 입자와 10억 개의 반입자는 서로 충돌하여 빛(광자)으로 모두 변하게 됩니다. 단지 10억 개당 1개의 입자만이 남아 후에 물질을 이루게 되는 것입니다. 10억 개당 1개의 입자수는 현재 우주의 빛의 개수와 쿼크의 숫자를 비교해서 나온 것입니다. 현재 우주에는 은하가 약 10^11개쯤 있습니다. 은하 하나에는 태양과 비슷한 별이 약 10^11개쯤 또 들어 있습니다. 따라서 우주에는 별이 약 10^22개쯤 있다고 생각할 수 있습니다. 이 별들을 이루고 있는 입자의 개수를 계산하면 이 우주에 존재하는 기본입자(쿼크 및 렙톤들)의 개수를 알 수 있습니다. 우주의 현재 온도는 약 2.7K 입니다. 우주의 부피는 4/3 x 파이 x (10^28cm)^3입니다. 우주의 모든 부피가 온도 2.7도인 복사로 가득 차 있으므로 광자의 개수를 알 수 있습니다. 이와 같은 계산을 하면 현재 우주에는 광자(빛)가 입자보다약 10^9배 더 많이 있습니다.
양성자 중성자 생김 (10^13 K)
이제 우주의 온도가 많이 낮아졌습니다(10^32K 에서 10^13K 로). 이전까지는 우주에 오로지 빛과 12개의 기본입자만이 우주에 있을 뿐입니다. 우주의 온도가 이정도(10^13K)로 낮아지면 드디어 우리가 알고 있는 물질이 만들어집니다. 우주의 온도가 낮아지면 쿼크끼리 잡아당기는 힘보다도 쿼크의 운동에너지가 작게 됩니다. 그러면 당연히 쿼크와 쿼크끼리 결합을 하겠지요. 쿼크가 3개씩 모인 것이 양성자 또는 중성자라고 하는 것입니다.(쿼크의 종류에 따라 달라집니다)이들 쿼크는 어떻게 모일까요? 이렇게 쿼크들을 잡아당기는 힘을 약력이라고 합니다. 6개의 쿼크들은 각각 (-)전하, (+)전하와 비슷한 일종의 전하라는 것을 띄고 있습니다. 물론 우리가 흔히 아는 전자의 음전기나 양성자의 양전기와는 다른 것입니다. 물리학자들은 이를 향(flaveor)라고 부르고 있습니다. 음전기와 양전기가 서로 이끌려 분자 같은 것을 이루듯이 향이 다른 쿼크끼리는 서로 잡아당기는 힘(약력)이 있습니다. 결론적으로 향이 다른 쿼크들이 약력에 의해 3개씩 결합한 것이 양성자와 중성자 입니다. 위의 사진은 양성자를 그린 것입니다. 양성자안에 있는 3개의 쿼크가 보입니다.
원자핵 생김 (10^12 K)
이제 우주의 온도가 더 낮아졌습니다. 양성자와 중성자들이 서로 잡아당기는 강력이라는 힘보다 양성자와 중성자들의 운동에너지가 작아져서 양성자와 중성자가 결합하게 되며, 이를 바로 원자핵이라고 하지요. 자, 이제 우주최초로 원자핵이라는 것이 생기게 된 것입니다. 그런데 이때는 양성자와 중성자가 결합하는 비율이 문제가 됩니다. 왜냐하면 모든 양성자와 중성자가 서로 결합을 하게 되면 양성자 하나로만 된 수소가 이 우주에는 전혀 존재하지 않아야 하니까요. 수소가 존재하는 것은 중성자가 양성자보다 가볍기 때문입니다. 우주의 온도가 양성자의 운동에너지보다 낮고 중성자의 운동에너지보다 높다고 합시다. 이 경우 양성자는 그냥 존재하고 있을 수 있습니다. 반면에 중성자는 우주의 높은 에너지 때문에 붕괴하여 다시 쿼크로도 분해 될 수 있습니다. 이렇게 붕괴된 중성자의 쿼크들 중에서 일부는 다시 중성자가 되겠지만, 양성자가 될 수도 있어 양성자가 많아집니다. 이와 같은 일은 우주가 팽창하여 그 온도가 중성자의 에너지만큼 낮아질 때까지 계속됩니다. 그래서 실제로 계산을 해보면 양성자와 중성자의 비율이 약 85대 15 정도가 된다고 합니다. 이 들 중에서 중성자는 모두 양성자와 결합하여 헬륨의 원자핵을 만들게 됩니다. 그러면 양성자는 70개가 남게 되지요. 이는 현재 우주의 수소와 헬륨 비율이 7:3 인 것과 너무나도 잘 맞는 것으로 지금까지 이야기한 우주의 역사가 맞는다는 것을 증명하는 아주 중요한 단서입니다. 위의 그림은 헬륨원자입니다. 헬륨의 원자핵 안에는 2개의 양성자와 2개의 중성자가 있습니다. 물론 각각의 양성자와 중성자 안에는 각각 3개씩의 기본입자인 쿼크들이 들어 있습니다.
원자 생김 (10^6 K)
우주의 온도가 4000K 까지 낮아졌습니다. 우주의 온도가 4000도보다 낮아지면 원자핵이 전자를 끌어당
기는 힘이 전자가 움직이는 에너지보다 더 크게 되어, 모든 원자핵이 우주에 있는 전자들을 붙잡게 됩니다. 이 우주에 비로소 (원자핵+전자)로 이루어진 원자라는 것이 처음 등장하는 것이 이때입니다. 우주의 온도가 낮아져서 전자의 운동에너지가 적어졌고, 이에 따라 전자는 양성자의 전기력에 끌려 원자핵에 묶여버리게 되어 그림과 같은 원자가 되는 것입니다. 바로 전자기력의 힘 때문입니다. 이를 천문학자들은 재결합시대라고 부릅니다. 이전까지 빛은 우주의 모든 전자와 충돌을 하고 있어서 직진할 수 없었습니다. 아마 인간이 이전에 있었다 하더라도 아무것도 볼 수가 없었던 것이지요. 그런데 전자가 원자핵에 결합해서 원자가 되어 버리자, 이제 빛은 자유롭게 우주를 직진하게 되었습니다. 즉, 빛이 입자로부터 분리되었습니다. 지금까지 빛이라는 것은 입자들과 계속 반응을 하고 있어서 어떤 때는 빛이 입자가 되기도 했었고, 거꾸로 입자가 빛이 되기도 했습니다. 그러나 이제부터는 빛은 빛대로 놀고, 입자는 입자들끼리만 놀게 되는 것입니다. 이것은 최근(1960년) 증명이 되었는데, 3K 우주배경복사라는 것입니다. 이 온도이후부터는 우주에서 빛과 물질은 서로 분리되었습니다. 그렇다면 이후부터 우주의 빛은 입자와 상관없이 우주의 팽창과 더불어 식어갔을 것이고, 현재 시간까지 내려간 온도를 계산할 수 있을 것입니다. 실제로 1960년경 소련태생의 천문학자 가모브라는 사람이 계산을 한 결과 약 3도가 된다는 것을 발표하였으나 너무나 터무니없는 이야기라고 아무도 믿지 않았었습니다. 그러다가 실제로 미국의 두 과학자가 우주의 온도가 3K라는 것은 관측으로 발견(1986년)을 하였는데, 이를 3K 우주배경복사라고 하는 것입니다.
은하 생김 (10^3 K)
이제 우주에 모든 물질들이 만들어졌습니다. 그래봐야 대부분 수소와 헬륨입니다. 10^3k 때 우주를 가득채운 물질은 양자요동이 있었습니다. 양자요동은 이 세상에 존재하는 모든 물질들에서 일어나는 일인데, 자연적으로 약간씩의 흔들림이 있다는 것입니다. 이러한 양자요동이 없었다면 이 우주는 너무나 골고루 물질들이 분포되고 중력에 의해 은하들이 만들어지지 않았을 것입니다. 왼쪽사진은 전세계 모든 과학자들이 합심하여 찍은 COBE 사진이라고 하는 것인데 바로 우주의 양자요동을 찍은 것이라고 할 수 있습니다. 특별한 파장을 사용하여 빛이 입자로부터 분리된 시각 때의 우주모습을 찍은 것입니다. 즉, 지금부터 약 150억 년 전의 우주물질분포 사진이라고 할 수 있습니다. 보시다시피 물질들이 골고루 분포하지 않는다는 것이 잘 보이고 있습니다. 빛이 입자로부터 분리되었을 때 우주에는 입자들이 어떤 곳에는 많이, 어떤 곳에는 조금밖에 없었습니다. 많은 곳에서는 결국 중력에 의해 은하들(우리은하 포함)이 생겨났고, 우리 은하 안에서 태양과 지구가 생겨났고, 지구에서는 50억년의 진화를 거쳐 인간이라는 생물이 생겨났습니다.
현재 (3 K)
현재 우주의 온도는3K입다.10^32K 에서부터 팽창해서 식어왔습다. 왼쪽 그림은 지금까지의 우주의 역사를 간략히 그래프로 그린 것입니다. 우주는 아주 작은 점이었던 진공이 폭발하면서 탄생했습니다. 초기 우주에는 오로지 에너지만 있다가, 우주가 팽창하며 온도가 낮아져서 이 에너지로부터 2종류 12개의 입자들이 탄생합니다. 이 쿼크와 같은 기본 입자들이 약력, 강력, 전자기력, 중력 등에 의해 묶여져서 양성자, 원자핵, 원자, 은하 등이 만들어진 것입니다. 이러한 우주의 역사를 증명해주는 여러 증거들이 발견되고 있습니다. 첫째는 허블의 법칙입니다. 우주는 은하들이 골고루 분포하고 있는데, 이러한 은하의 운동을 조사해 보면 멀리 있는 은하의 후퇴속도가 더 빠른 허블의 법칙이 잘 나타납니다. 이는 우주가 팽창하고 있기 때문에 나타나는 아주 뚜렷한 현상입니다. 두 번째로는 3K 우주배경복사입니다. 초기우주에서는 빛과 입자가 마구 섞여 있다가, 우주가 팽창하여 온도가 낮아짐에 따라 빛이 입자로부터 분리되었고, 이 시점부터 현재까지 우주의 온도를 계산하면 3K로 계산되는데, 우주의 온도가 3K라는 것은 이미 수십 번 실제 관측에 의해 증명되고 있습니다. 셋째로는 헬륨의 비율입니다. 우주의 온도가 식어가는 비율에 따라 중성자의 개수가 달라질 수 있는데, 우주가 팽창하며 중성자가 만들어지고, 이 중성자의 개수에 따라 우주에 헬륨이 만들어 졌다면 우주의 헬륨 비율은 약 30%라는 계산이 나옵니다. 실제로 우주에 존재하는 거의 대부분의 물질에서 헬륨의 비율이 30%라는 것이 망원경을 통한 관측에 의해 수천 번 증명되고 있습니다. 이러한 증거로부터 우주는 아주 작은 진공의 점에서 폭발하여 팽창하고 있는 상태라는 즉, 우주의 역사가 과학적으로 옳다는 것이 증명되고 있습니다.
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