빅뱅((Big Bang)의 세계

[짜르르]

빅뱅((Big Bang)의 세계

빅뱅(Big Bang)은 대폭발 이론으로도 불리며, 블랙홀과 함께 천문학과 물리학계의 화두로 끊임없이 등장하고 있다. 태초의 우주는 엄청나게 밀도도 크고 무지막지하게 뜨거웠을 것이다. 그 상태에서 대폭발 즉 빅뱅을 일으켜 팽창우주가 되었다는 것이 현대 우주론의 정설이다. 빅뱅에서 ‘뱅’은 우리말로 ‘꽝’ 정도에 해당되는 의성어다. 빅뱅은 직역하면 ‘큰 꽝’ 정도의 웃기는 말이다.

 

밀도도 크고뜨거웠던 태초의 우주 상태에서 대폭발 즉 빅뱅을 일으켜 팽창우주가 되었다는 것이 현대 우주론의 정설이다

아인슈타인이 생각한 정적인 우주

1915년, 독일 물리학자인 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)은 일반상대성이론을 발표하는데, 이 이론에 기반을 두고 우주론을 만들었다. 아인슈타인이 이론을 세울 당시에는 우주가 시간에 따라 변하는, 동적(dynamic)인 존재라고 생각하지 못했다. 그 때까지 관측된 우주의 모습은 정적(static)이었기 때문에, 아인슈타인은 정적인 우주의 모습을 기술하려고 노력했다.

하지만 중력으로 엮어진 은하들로는 정적인 우주를 만들 수 없었다. 왜냐하면, 은하들은 서로 당기기만 할 뿐 밀어내지는 않기 때문이었다. 따라서 유한 개수의 은하를 가지고 정적인 우주를 엮어놓으면, 그 우주는 중력에 의해 바로 붕괴됐다.

그래서 아인슈타인은 다소 억지스럽게 들린 주장, 즉 은하들 사이에는 인력인 중력 이외에도 서로 밀어내는 척력이 작용해야 한다는 주장을 하게 된다. 이것은 서로 잡아당기는 은하들 사이에 ‘버팀목’을 집어넣어 붕괴를 막아 보겠다는 발상이라고 할 수 있다. 하지만 이 주장은 에드윈 허블(Edwin Hubble)에 의해 우주가 정적일 필요가 없다는 사실이 밝혀지면서 자연스럽게 사라지게 됐다.

사실 일반상대성이론의 중력장 방정식 속에는 동적인 우주를 기술하는 답도 이미 포함돼 있다. 혹시 책이나 잡지에서 ‘아인슈타인의 실수’, ‘아인슈타인의 고집’ 등 아인슈타인의 학문적 업적에 대해 부정적으로 기술한 제목을 발견하면, 바로 ‘척력 이야기를 하고 있구나‘ 라고 생각하면 틀림없다. 하지만 이 주장은 오늘날 일리가 있는 것으로 간주되고 있다!

프리드만(Friedmann), 르메트르(Lemaitre), 로버트슨(Robertson), 워커(Walker) 같은 당대의 우주론 연구자들은 팽창우주에 관련된 중력방정식의 답을 구하기 위해 연구에 몰두했다. 이 연구 결과를 통해 알 수 있는 단 한 가지는, 팽창우주에서 팽창속도는 점점 감속해야 한다는 것이다. 우주를 붕괴시키던 은하 사이의 중력이, 이번에는 우주 팽창을 방해하도록 작용할 수밖에 없기 때문이다. 따라서 우주의 크기는 시간에 따라 늘어나기는 늘어나되, 점점 감속되는 것이다.

허블, 우주 팽창 발견하다

 

우주가 팽창하고 있음을 최초로 발견한 에드윈 허블.

미국의 천문학자인 허블은 1929년 윌슨산 천문대의 망원경을 이용해 우주가 팽창하고 있음을 최초로 발견했다. 허블의 결론은, 은하들은 방향에 관계없이 우리 은하로부터 2배, 3배, …, 후퇴하고 더 먼 거리에 있는 은하는 거리에 정비례해 더 빨리 후퇴한다는 것이다. 여기서 주의할 점은 우리 은하를 우주의 중심이라고 생각해서는 안 된다는 것이다.

팽창우주는 풍선에 비유할 수 있다. 바람을 넣지 않은 풍선들에 점을 찍어, 그 점들을 은하라고 생각해 보자. 이 풍선에 바람을 불어 넣으면 점들 사이의 거리는 멀어질 수밖에 없다. 반대로 풍선의 공기가 빠지면, 표면의 어떤 점에서 보더라도 주위의 점들은 점점 가까워지는 것처럼 보일 것이다. 만일 이와 마찬가지로 시간이 거꾸로 흐른다면, 어떠한 은하에서 본다고 하더라도 주위의 다른 은하들은 그 은하를 향해 접근하는 것처럼 보이게 될 것이다.

빅뱅 우주론과 연속창생 우주론의 대결

빅뱅 우주론과 달리 태초의 우주가 모든 면에서 지금과 마찬가지였다는 우주론이 한 때 제시되기도 했었다. 즉, 과거로 거슬러 올라감에 따라 우주에서 은하가 하나씩 없어지면 빅뱅 우주론에서 주장하는 태초 우주의 높은 밀도와 온도를 피할 수 있다는 줄거리를 갖는 우주론이다. 따라서 시간이 제 방향으로 흐른다면 이 우주론에서는 은하가 하나씩 생겨야 한다. 그래서 이 우주론을 연속창생(Continuous Creation) 우주론이라고 부른다. 이 ‘시작도 끝도 없는’ 이론에서는 예나 지금이나 우주의 모습이 똑같아야 한다. 즉, 우주가 팽창함에 따라 물질도 끊임없이 생겨나서 총 밀도에는 아무런 변화가 없다는 주장이다. 그래서 이 우주론을 항상 정상 상태를 유지하는 우주론이라는 의미로 ‘정상우주론’이라고도 부른다.

‘빅뱅 우주론(Big Bang)이 맞느냐 연속창생 우주론(Continuous Creation)이 맞느냐’ 하는 역사적인 논쟁은 사실 미국과 영국의 대결이기도 했다. 빅뱅 우주론은 가모프(George Gamow)를 중심으로 한 미국 과학자들에 의해, 연속창생 우주론은 영국의 헤르만 본디(Hermann Bondi), 프레드 호일(Fred Hoyle), 토머스 골드(Thomas Gold) 등의 영국 과학자들에 의해 주장됐기 때문이다. 결과적으로 빅뱅 우주론이 이김으로써 영국이 가지고 있던 우주론의 주도권이 미국으로 넘어갔다고 해도 아마 지나친 말은 아닐 것이다.

우주배경복사 발견으로 빅뱅 우주론 승리

빅뱅 우주론이 연속창생 우주론을 이기는 데 결정적인 기여를 한 것은 바로 우주에 존재하는 헬륨의 양이었다. 우주에서 우리 눈에 보이는 물질(산, 행성, 별, 은하 등)은 우주를 이루고 있는 총 물질과 에너지의 약 4%에 불과하다. 이 4% 중에서도 약 3/4은 수소로, 나머지 약 1/4은 헬륨으로 구성돼 있다. 수소가 핵융합을 통해 헬륨이 되려면 우주의 시초가 한 때, 적어도 1천만 도(℃) 이상이었어야 한다. 따라서 우주에 헬륨이 수소의 1/3 가량이나 존재한다는 사실은, 태초가 엄청나게 고온에서 시작됐다는 증거가 된다.

빅뱅 우주론에서 보면, 우주가 탄생한 후 약 38만 년이 지났을 때 우주의 온도는 3000도(K)까지 떨어진다. 그러면 우주공간을 채우고 있던 자유전자들이 모두 수소나 헬륨 원자핵에 붙잡히게 된다. 따라서 그 때까지 전자 때문에 운동을 제한받던 광자(빛)들은 자유로이 운동할 수 있게 된다. 즉 빛의 입장에서 본다면 우주는 흐렸다가 갑자기 맑아진 셈이다. 이 때 퍼져 나가기 시작한 빛이 바로 오늘날 우리가 관측하는 우주배경복사(cosmic microwave background radition)이다.

미국의 아노 펜지어스(Arno Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Wilson)은 1964년 우연히 이 우주배경복사를 발견해 빅뱅 우주론이 연속창생 우주론을 제압하는데 결정적인 역할을 했다. 우주배경복사란 태초의 뜨거운 우주 속에 고르게 퍼져 있던 빛이 식은 것으로, 우주 속에 고르게 퍼져 있다가 -270도(℃)까지 식어빠진 상태로 발견됐다. 즉, 우주배경복사는 뜨거운 물로 막 목욕을 마친 목욕탕에 남아 있는 수증기와 같은 것이다. 그 수증기를 보고 목욕을 막 마친 사람이 뜨거운 물을 사용했다는 사실을 추리할 수 있는 것처럼, 우주배경복사를 보고 태초의 우주는 뜨거웠다고 결론내릴 수 있는 것이다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 노벨상을 수상했다.

같은 빅뱅 우주론 내에서도 우주의 나이를 놓고 논쟁이 붙기도 했다. 현대 우주론의 첨단을 걷고 있는 미국에서조차 텍사스의 드 보클레르(Gérard de Vaucouleurs)를 중심으로 한 천문학자들은 100억 년, 캘리포니아의 샌디지(Allan Sandage)를 중심으로 한 천문학자들은 200억 년을 주장했다. 즉, 우주의 나이는 100억 살과 200억 살 사이 어떤 값을 갖는다. 우주망원경이 관측한 가장 최근 관측치는 137억 년이다.(2010년 3월 천체물리학 저널에서 미국과 독일 과학자들이 허블망원경으로 수집한 자료와 우주배경복사탐사 위성(WMAP) 자료를 종합해 우주 나이를 137억 5천만년으로 확인, 발표했다.)

 

우주의 생성과 팽창 연대표.

빅뱅우주론의 남겨진 숙제

최근 여러 가지 이유로 인해 보이지 않는 물질이 우주에 상당히 존재한다고 믿지 않을 수가 없게 됐다. 그 물질을 우리는 ‘암흑 물질(dark matter)’이라고 부른다. 암흑 물질의 정체 규명 문제는 현대 우주론에서 가장 중요한 문제들 중 하나이다. 암흑 물질 이외에도 우주는 ‘암흑 에너지(dark energy)’를 가지고 있다. 이 에너지는 우주팽창을 가속시켜, 마치 아인슈타인의 우주 척력이 작용하는 것처럼 우주를 만든다. 아인슈타인의 주장이 결코 억지만은 아니었던 것이다!

하늘로 던져진 돌은 두 가지 운명 중 하나를 선택하게 된다. 다시 땅으로 떨어지든가, 아니면 지구를 탈출하든가 하는 것이다. 이는 전적으로 그 돌이 어떤 속도로 던져졌느냐에 달렸다.우주의 운명도 마찬가지다. 태초 어떤 크기로 대폭발을 했느냐에 따라 무한히 팽창을 계속하느냐, 팽창을 하다가 멈추고 다시 수축하느냐가 결정된다. 즉, 어떤 세기보다 더 큰 힘으로 대폭발을 했으면 은하들의 중력이 팽창 속도를 감속시킬 수는 있지만 팽창 자체를 막지 못해 영원히 팽창할 수밖에 없다. 하지만 어떤 세기보다 더 작은 힘으로 대폭발을 했다면 은하들의 중력은 팽창을 계속 감속시킨 후 마침내 팽창을 멈추게 할 수 있다는 뜻이다.

현재 천문학자들은 어떤 것이 우주의 운명인지 알지 못한다. 이것은 더 커다란 천체 망원경, 더 정밀한 관측 기술이 개발되어야 해결될 수 있는 분야로 남아 있다.

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1920년대 A.프리드만과 A.G.르메트르가 제안하였으며, 1940년대 조지 가모(George Anthony Gamow)가 현재의 대폭발론을 체계화하였다. 이 우주론은 멀리 떨어진 은하일수록 우리 은하계로부터 빠른 속도로 멀어지고 있다는 사실과 2.7K라는 우주배경복사에 근거한다. 1929년 미국의 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble)은 외부은하의 스펙트럼에 나타난 적색편이로부터 외부은하들이 우리 은하계로부터 빠른 속도로 후퇴하고, 후퇴속도는 외부은하까지의 거리에 비례한다는 사실을 밝혔다. 그리고 거리가 100만 pc(파섹) 증가할 때마다 은하의 후퇴속도가 50~100km/s씩 증가하는 것을 알아냈다.

이는 우주가 팽창하고 있음을 의미하고, 2001년 발사된 우주배경복사탐사선(WMAP)이 수집한 자료를 분석한 결과에 따르면 약 137억 년 전에는 우주가 하나의 점과 같은 상태였으며, 이 점에서 일어난 대폭발로부터 현재의 우주가 만들어진 것으로 볼 수 있다. 대폭발 전의 크기가 0이고, 밀도와 온도가 무한대인 상태를 특이점(特異點)이라고 한다. 대폭발설은 현재 '표준 우주론'으로 널리 받아들여지고 있다. 특이점의 대폭발로 생긴 원시우주는 폭발 후 짧은 시간 동안 지수함수적으로 급격히 팽창하면서 온도와 밀도가 빠르게 떨어졌다.

그 후 백만 년 동안 우주에서는 각종 소립자들이 만들어졌고, 우주의 온도가 3,000K에 이르자, 마침내 양성자와 전자가 결합하여 수소원자가 만들어졌다. G.가모는 이때 생긴 극초단파가 우주에 널리 퍼져 있을 것이라고 예견했는데, 1965년 A.펜지아스와 R.윌슨이 우주배경복사(2.7K)를 발견함으로써 가모의 예견을 증명하였다. 이 설은 그 이전의 우주상태를 제대로 설명하지 못하는 문제가 있지만, 1981년 A.구스가 제안한 인플레이션우주론은 이 점을 다소나마 해결하고 있다. 구스에 따르면 대폭발 이전의 우주는 에너지만으로 가득 차 있었고, 거품 같은 형태의 에너지가 대폭발을 일으켰다는 것이다. 구스의 이론은 현재의 불균일한 우주의 모습을 잘 설명하는 이론으로 받아들여진다.

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시간도 공간도 없는 작은 점에서부터, 빅뱅

백 수십억 년 전 빅뱅(big bang)으로 우주가 탄생되었고, 그 후부터 현재까지 우주는 초스피드로 팽창하고 있다는 것이 우주 생성에 대한 일반적인 사고방식이다. 빅뱅 이전에는 시간도 공간도 존재하지 않았다는 것이다. 그렇다면 시간도 공간도 없는 곳에서 어떻게 우주가 만들어졌을까? 우주의 저쪽 끝에는 무엇이 있고 그것은 어떤 물질로 되어 있을까? 이러한 의문들이 자연스럽게 생긴다.

현대 우주론에 따르면 태초에는 아무것도 없었다고 한다. 우주라는 용어도 별도 원자도 없었다. 이때 시간과 공간이 태어났는데 우리는 이것을 대폭발, 혹은 빅뱅이라고 부른다. 그 전에는 무(無)의 세계, 즉 알 수 없는 세계였다. 현대 우주론의 출발점은 1917년 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)이 발표한 정적 우주론이 효시이다. 아인슈타인은 우주는 팽창하지도, 수축하지도 않는다고 주장했다.

그런데 1916년에 발표된 아인슈타인의 일반상대성이론을 면밀히 살핀 러시아의 수학자 프리드만(Alexander Friedman, 1888~1925)과 벨기에의 신부 르메트르(Georges Lemaitre, 1894~1966)의 생각은 아인슈타인과 달랐다. 프리드만은 1922년 “우주는 극도의 고밀도 상태에서 시작돼 점차 팽창하면서 밀도가 낮아졌다.”라는 논문을, 르메트르는 1927년 “우주가 원시 원자들의 폭발로 시작됐다.”라는 논문을 각각 발표했다. 그러나 아인슈타인은 그들의 논문을 무시해 버렸다.

1929년, 아인슈타인에게 충격적인 사건이 발생했다. 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953)이 은하의 후퇴 속도를 관측해 우주가 팽창한다는 사실을 발표한 것이다. 허블의 우주팽창설은 두 가지 면에서 과학자들의 궁금증을 자아냈다. 하나는 우주가 팽창하기 전으로 돌아가면 어떤 모습일까 하는 것이고, 또 하나는 우주가 언제까지 팽창할 것인가 하는 것이다.

초기 우주의 모습을 처음으로 정확하게 계산해 낸 과학자는 프리드만의 제자인 러시아 태생 미국 물리학자 가모브(George Gamow, 1904~1968)였다. 가모브는 우주가 고온 고밀도 상태였으며 급격하게 팽창했다는 논문을 1946년 초기에 발표했다. 이에 따르면 우주의 온도는 탄생(빅뱅) 1초 후 1백억℃, 3분 후 10억℃, 1백만 년이 됐을 때는 3천℃로 식었다고 한다. 또 우주 초기에는 온도가 너무 높아 무거운 원자들은 존재할 수 없었다고 하는데, 이때 생긴 수소와 헬륨이 현재 우주 질량의 대부분을 차지한다고 설명했다.

아무튼 빅뱅을 천재지변이라고 생각하면 빅뱅에 견줄 만한 천재지변은 없다. 이 사건의 위력으로 시간과 공간이 생겨났으며, 여기에는 ‘바깥’도 없고 제3자로서 관찰할 수 있는 사람도 없었다. 또한 여기서는 ‘먼저’라는 개념도 존재하지 않는다. 뿐만 아니라 일반적인 의미의 폭발이라는 것도 별 의미가 없다. 이러한 빅뱅 이론의 타당성을 뒷받침하는 첫 번째 근거는 모든 은하가 서로 점점 더 멀어지고 있다는 점이다. 두 번째는 우주를 구성하고 있는 물질 중 약 75%는 수소이며, 나머지 25%는 헬륨이라는 것이다. 세 번째 근거는 우주의 모든 방향에서 희미한 라디오파가 방출된다는 사실이다. 이 세 가지 발견 사실을 근거로 우주 모형에 관한 가설인 빅뱅이론(big bang)이 정립되었다.

1948년 미국의 물리학자 랄프 앨퍼(Ralph Alpher, 1921~2007)와 로버트 허먼(Robert Herman, 1914~1997)은 초기 우주의 흔적인 우주배경복사가 우주 어딘가에 남아 있으며, 그 온도는 영하 268℃일 것이라고 예언했다. 또한 1965년 독일 태생의 전파천문학자인 펜지어스(Arno Allan Penzias, 1933 출생)와 미국 태생의 로버트(Robert Woodrow Wilson, 1936 출생)에 의해 우주의 초단파 배경복사(cosmic microwave background)¹⁾가 예견되었다.

또 벨 연구소의 연구원들도 빅뱅의 잔존물로 생각되는 어떤 음(音)을 발견하였다고 했으며, 1992년 캘리포니아 국립 로렌스리버모어(Lawrence Livermore National Laboratory)의 연구원이자 캘리포니아대학 버클리 분교의 교수인 조지 스무트(George Fitzgerald Smoot Ⅲ, 1945 출생)가 코비 위성(COBE; Cosmic Background Explorer)의 관측 결과를 통해 우주배경복사를 확인했다고 한다.

우주가 팽창하고 있다는 것을 거꾸로 생각해 보자. 꽃이 피는 장면을 찍은 필름을 거꾸로 돌리면 꽃봉오리가 다시 오므라지고 돋았던 싹이 땅속으로 들어가 버린다. 우주도 마찬가지다. 지금의 우주를 거꾸로 돌린다면 차츰 축소되어 마침내는 우주가 아주 작은 덩어리가 될 것이다. 그 덩어리는 다시 작아지고 작아져서 하나의 점이 되고 언젠가는 우주, 즉 그 점이 처음 탄생하는 순간으로 돌아가지 않을까? 그렇다면 우리 우주는 처음부터 줄곧 있던 것이 아니라 갓난아기가 어머니 뱃속에서 태어나듯이 아득히 먼 어느 날 처음 태어나서 오늘날까지 팽창을 계속해 온 것이 아닐까? 바로 이러한 의문들이 ‘대폭발설’, 즉 빅뱅이론을 탄생하게 만들었다. 빅뱅에 대한 답을 완전히 알려고 노력할 필요는 없다. 현재의 과학기술 수준으로는 아무리 알려고 해도 정확한 답을 구할 수 없기 때문이다.

천지창조와 인간 탄생

천지창조 이전에는 우주도 없었고, 지구도 없었고, 만물을 덮는 하늘도 없었다. 우주는 그저 막막하게 퍼진 펑퍼짐한 모양이었을 것이라고 추측된다. 당시에는 생명이 없는 입자들, 사물로 굳어지지 않는 요소들, 그리고 구획도 없는 혼란스러움뿐이었다. 말하자면, 제 모습을 갖추고 있는 것은 아무것도 없었다는 것이다. 현대 과학이 발달한 오늘날에도 창조과학자들이나 진화론자들이 주장하는 것 중 어느 것이 정답이라 확답할 수 없다. 정답일수도 있지만 정답이 아닐 수도 있다. 왜냐하면 천지창조나 인간의 탄생을 일반인들이 이해할 수 있도록 꼭 집어 답해 줄 사람이 없기 때문이다.

우리는 천지나 인간을 낳은 부모도, 자란 학력이나 이력도 모른다. 다만 진화 과정에서 발생하는 각종 유기 물질들이 화학적으로 생성되는 원리를 실험실에서 간접적으로나마 알 수 있을 뿐이다. 그렇다고 하늘이 열리고 어찌어찌하여 인간이 탄생되었다고 불명확하게 말할 수도 없다. 이렇듯 천지창조나 인간의 탄생을 알려면 우주 및 지구의 생성 과정부터 정확히 알아야 하기 때문에, 이 문제는 영원한 숙제로 남을 지도 모른다. 앞으로 천지창조와 인간 탄생의 비밀은 긴 시간 동안 ‘Unknown’으로 남아 있을 수밖에 없다. 어쩌면 탄생의 비밀을 모른 채 우리 인간들이 먼저 멸망할 지도 모른다.

각주

1. 1초단파 배경복사
   우주론에서 대폭발 이후 현재까지 남아 있는 것으로 여겨지는 대폭발의 흔적을 우주배경 복사라고 함.

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