흥미돋 우주 탄생의 비밀 : 최초의 3분. 빅뱅이론에 대하여 (2탄)

[처돌은 처돌이]

출처 : 피키캐스트
http://piki.kr/19Hp1rctV7A

※ 본 콘텐츠는 지난 1편 내용과 이어지므로 가능한 1편을 먼저 감상해주시길 바랍니다.

(여시 내) 1편 링크: https://m.cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/3804123?svc=cafeapp

지난 1편을 통해,

우리는 지난 100년간 과학자들이 '우주의 근원'을 밝히기 위해 어떤 노력과 열정을 쏟았는지, 그리고 빅뱅이론이 등장하게 된 배경을 알게 되었습니다.

그런데 빅뱅이론의 본 내용을 바로 소개하기에 앞서,
미리 알아두면 좋을 몇 가지 사실들이 있습니다.

오늘 다룰 내용들은 빅뱅이론을 제대로 이해하기 위한 최소한의 '워밍업' 정도로 보시면 될 텐데요.

우리는 본 편을 통해,

우주가 탄생한 시점부터 최초의 3분까지의 시간이 왜 그토록 중요한 것인지에 대해 구체적으로 살펴볼 예정입니다.

그리고 이것은 우주가 인류에게 주는 최대의 수수께끼를 파헤치기 위한 첫 번째 관문과도 같습니다..

"지금으로부터 137억 년 전, 우주에는 무슨 일이 벌어졌을까요?"
이번 시리즈의 목차는 다음과 같습니다. 1) 우주 탄생의 비밀을 푸는 아이디어.
2) 빅뱅이론은 어떻게 탄생하였을까?
3) 진실을 알기 위한 기초 지식.
4) 빅뱅이론을 통해 본 우주의 역사.
5) 우주가 팽창하는 원리.
6) 현대 물리학의 우주론.
: 인플레이션 우주론, 다중우주, 초끈이론.
7) 우주는 어떤 종말을 맞게 될 것인가?
: 빅 크런치, 빅 프리즈

오늘은 3번의 내용을 다룰 예정입니다.
Let's Go!!

지난 수백 년간, 과학은 믿을 수 없을 정도로 진보했습니다. 첨단 과학은 우주를 이해하려는 인간의 탐구 정신에 날개를 달아 주었죠.

과학이 발전하는 과정을 살펴보면 매우 흥미로운 점이 있습니다.
예컨대, 여러분이 지금 친구와 밤하늘을 올려다 보고 있는데 우연히 혜성이 지나가는 것을 목격했다고 상상해 볼게요.

이때 호기심이 많은 친구가
"xx야! 혜성은 왜 꼬리를 가지고 있어?" 라고 물었죠.

평소 우주를 좋아하는 여러분은 어디에선가 들은 '혜성이 태양에 접근할수록 연소반응이 일어난다'는 사실을 떠올리며 답합니다.

"응~! 혜성은 태양의 중력으로 인해 태양과 가까워지는데, 접근할수록 혜성이 연소하면서 아름다운 꼬리를 만들게 돼!"

사실, 이 현상을 설명하기 위해서 다수의 과학적 이론이 필요한 것은 아닙니다.
혜성의 구조와 연소 원리 정도를 알고 있다면 누구나 쉽게 설명이 가능하죠.
그런데 만약 우리가, 이 현상을 이해하기 위해서 '우주의 근원 혹은 상대성이론'까지 모두 알고 있어야 하는 세상에 살고 있다면 어떨까요?

다시 말해, 그런 세상은 "무언가를 이해하려면 그와 관련된 모든 것을 이해해야 하는 세상"인 셈이죠.

아마 상상만 해도 뒷골이 당기는 세상이 될 겁니다.

또한 우리가 그런 세상에 살았더라면, 과학은 현재와 같이 진보할 수도 없었을 겁니다. 실제로 아인슈타인이 상대성이론을 만들 때 빅뱅이론은 세상에 등장하지도 않았으며, 스마트폰을 개발하는데 굳이 우주가 팽창하는 원리를 알 필요까지는 없었을 겁니다. 그러나 다행히도 우리가 사는 우주는 그 정도로 깐깐한 세상은 아닙니다.

그리고 그러한 사실 덕택에, 과학이 발전하는 과정은 자연이 내주는 수수께끼에 대하여 관련된 '단편적인 지식'을 습득하고 한 단계씩 그 범위를 넓혀가며 과학 기술과 수준을 높여온 것임을 알 수가 있죠.

마치 차곡차곡 퍼즐을 맞추는 것처럼 말입니다.

그런데 과학자들이 유독 퍼즐을 맞추기 힘든 부분이 있습니다. 이 퍼즐은 찾는다는 것은 백사장 모래에서 금가루를 찾는 것 마냥 매우 어렵고 고단한 일이죠.
그 퍼즐은 바로 '우주 탄생의 비밀'을 풀고, 초기 우주가 대체 어떤 이유로 현재와 같은 우주로 진화를 하게 되었는지 밝히는 것이죠..!

빅뱅이 일어난 직후,
우주에는 무슨 일이 벌어졌던 걸까요?










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지난 1편에서, 우리는 허블이 발견한 은하 덕분에 우주가 '팽창'한다는 사실과, 이로 인해 빅뱅이론이 탄생했다는 것을 알게 되었죠.


그러나 우리는 사라진 퍼즐 조각을 찾기 위해서 과거 '빅뱅'이 벌어졌던 현장으로 과거 여행을 떠날 필요가 있습니다.

지난 편에서 언급했듯이, 과거를 여행하는 가장 기본적인 아이디어는 바로 '관측'입니다.

우리가 10억 광년 떨어진 별을 본다면, 그것은 10억 년 전의 과거를 보는 것과 같죠.

다행히도 현대 천문학은 경이로운 수준으로 진보를 이뤄 '우주배경복사'라는 빅뱅의 잔재물을 통해, 우주가 탄생한 시점(=시간이 '0') 언저리까지 추적이 가능해졌죠.


그런데 '관측'을 통해서 우주 탄생의 비밀을 모두 알 수 있다면 참 좋겠지만, 관측으로 해결될 수 없는 문제들이 존재합니다.

예컨대 만약 우주가 탄생한 시점부터 현재에 이르기까지, 모든 과정을 동영상으로 담아 내어 그것을 여러분께서 감상한다고 상상해 볼게요.

플레이 버튼을 누르자마자 거대한 폭발이 일어나고, 우주가 서서히 팽창하는 모습을 보며 여러분은 우주가 주는 경이로움에 탄성이 절로 나올 것입니다.

그런데 영상을 보면 볼수록 매우 지루한 영화를 보는 느낌을 받게 됩니다.


왜냐하면, 영상 초반에 화려한 폭발 장면이 순간적으로 나오고, 그 뒤의 시점부터 영상이 끝날 때까지 그저 어둠을 뚫고 은하가 확장되는 모습만 쭈욱 이어질 테니까요.

사실 이렇게 영상이 지루해지는 데에는 그만한 이유가 있습니다.

우주의 나이를 137억 년으로 봤을 때, 영상미가 있는 시간대는 고작 3분에 불과하기 때문입니다.

우주의 나이인 137억 년에 비해 3분은 상상할 수 없을 정도로 찰나의 순간이죠.




놀라운 점은 이 최초의 3분 동안에, 우주의 운명을 결정지을 중요한 사건들이 모두 벌어졌다는 것입니다.

이 수수께끼와 같은 일은 어떻게 벌어졌을까요? 우주의 청사진은 왜 그토록 짧은 시간 내에 모두 결정된 것일까요?








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만약 한참 꿈나라 속에 있는 여러분을 누군가가 깨우며 "온도란 뭐야?"라고 물었다고 가정해 볼게요.

비몽사몽인 상태에서 살짝 짜증이 날 법도 한데, 여러분은 본능적으로

"뭐긴 뭐야!!! 그냥 차갑고 뜨거운 상태를 나타내는 거잖아"
라고 대답했죠.

우리는 경험상 온도가 어떤 물질의 차갑고 뜨거운 정도를 나타내는 물리량임을 알고 있습니다. 그렇다면, 온도는 우주의 탄생과 대체 무슨 관계가 있을까요?

온도 이야기를 꺼낸 이유는, 우주가 탄생한 시점을 가장 잘 이해할 수 있도록 도와주는 것 중에 하나가 바로 온도이기 때문입니다.

아시다시피, 이 세상에 존재하는 모든 물질은 입자로 구성되어 있습니다.

그런데 입자는 장난꾸러기처럼 매우 산만해서 잠시도 쉬지 않고 돌아다닙니다.

그리고 계속 돌아다니기 때문에 '속도'가 생길 수밖에 없죠. 그러나 각양각색의 사람이 있듯이, 그 속도는 입자마다 다릅니다.

어떤 입자들은 굼벵이처럼 느리고, 우사인 볼트처럼 매우 빠르게 움직이는 입자들도 있죠.

온도란 바로 그 입자들의 속도 차이의 '평균값'입니다. 다시 말해, 돌아다니는 입자의 평균 속도인 것이죠.

그리고 당연히 속도가 발생하면 '에너지'가 생기게 될 겁니다.

가만히 있는 것보다는 뭔가 활발하게 움직이는 것이 에너지를 모을 수 있는 여지가 클 것이니까요.

그럼 이렇게 생각해 볼 수 있습니다. 에너지를 빼앗는다는 것은 속도가 느려진다는 것이므로 결국 온도가 내려간다는 말과 동일합니다.

그것이 바로 흔히 '식히는' 행위인 것이죠. 즉, 재빠르게 돌아다니는 입자를 얌전하게 만들면 온도가 내려가는 겁니다.

이 사실을 바탕으로 우리가 관심을 가져야 할 것이 있습니다. 앞서 언급했다시피, 온도는 우주의 역사와 아주 밀접한 관련이 있습니다.

우주의 역사를 한마디로 요약하면 '팽창의 역사'입니다.

빅뱅이론에 따르면, 원자보다도 작은 우주가 어떠한 이유에서인지 모를 대폭발로 인해 현재와 같은 광활한 크기로 팽창했습니다.

그렇다면, 팽창하는 우주(공간)와 온도는 어떤 관계가 있을지 한번 미리 추측해 보시길 바랍니다.







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이를 제대로 이해하기 위해서 극단적인 예를 들어 보겠습니다. 여러분은 지금 오직 '한 칸'으로만 구성된 지하철 속에 있다고 상상해 보세요.

그리고 열차 속에는 '온도계'가 장착되어 있습니다. 그런데 출퇴근 길이라, 여러분이 타고 있는 지하철은 사람들로 빡빡하게 가득 차 있었죠.

그럼 지하철 속에는 각 사람들이 내는 열로 인해 매우 후덥지근해져서, 온도를 재면 당연히 높게 측정될 겁니다.

여기서 중요한 사실은, 각 개인이 낼 수 있는 열은 모두 정해져 있다는 사실입니다.

저처럼 온몸에 열이 많아 여름에 고생하는 사람이 있는가하면, 열이 별로 안 나는 사람도 있겠죠.

그런데 그때! 갑자기 기관사의 방송이 들립니다. 지하철이 너무 더운 관계로 추가적으로 양옆에 2개의 열차를 잇는다는 내용이었죠.

그러면 지하철은 총 3칸의 열차로 확장될 것이고, 더워서 십년감수할 뻔 했던 사람들은 그 칸을 벗어나 새롭게 이어진 지하철로 이동할 겁니다.

즉, 공간이 팽창하게 되는 것이죠. 이동이 끝나면, 열차 안의 사람들끼리의 거리가 넓어져 조금은 한적해진 상태에서 이동할 수 있을 겁니다.




그럼 3칸으로 넓어진 열차 안의 평균 온도는 어떻게 될까요?

열차가 3칸으로 넓어져 공간이 팽창했지만, 각 개인이 낼 수 있는 열(에너지)은 정해져 있습니다.

그래서 전체적으로 보면 열을 낼 수 있는 여지(에너지)가 떨어져 결국 시원해지죠.

여기서 '에너지를 낼 수 있는 정도'를 다른 말로 바꿔 말하면 '밀도'라고 표현합니다. 즉, 공간이 팽창하면 에너지의 밀도가 낮아져서 온도가 내려가는 것이죠.

이제 우리는 어떤 특정 공간의 부피가 커지면 온도가 내려간다는 사실을 알게 되었습니다.

그렇다면, 팽창하는 우주의 온도는 점점 떨어질 수밖에 없다는 결론을 내릴 수 있겠죠.

즉, 우리의 우주는 시간이 흐를수록 점점 얼어붙고 있는 우주인 것입니다. 빅뱅이론에 따르면, 우주가 식어가는 과정은 물💧이 얼음🧊이 되는 과정과 유사합니다.

온도는 사람과 비슷한 속성을 지니고 있습니다.

예를 들어, 유명 힙합 그룹의 콘서트라도 열리는 날에는 관객들이 밤새도록 신나게 몸을 흔들며 놀죠.

그러다가 콘서트가 끝나면 관객은 녹초가 됩니다.
몸의 에너지가 바닥나 버렸으니 당연하겠죠.

그러면 피곤해진 관객들은 집에 들어가면 얌전히 곯아 떨어지는 것이 일반적입니다.

온도도 이와 똑같습니다.

입자들이 돌아다닐 힘(에너지)가 떨어지면 한곳에 쥐 죽은 듯이 모여 있게 되죠.

아시다시피, 물은 H2O 분자로 이루어진 물질입니다. 그리고 온도에 따라 얼음과 물, 또는 수증기 셋 중 하나의 상태를 취하죠.

여기서 수증기는 온도가 높아서 입자들이 팔팔할 때를 말합니다. 콘서트에서 몸을 흔들며 열광하는 관객들처럼 말이죠.

한겨울 따뜻한 실내에 있다보면 창틀에 '물방울'이 맺혀 있는 걸 보신 적이 있을 겁니다. 이것은 온도가 높은 수증기가 상대적으로 차가운 창문과 접촉하면서 식어, 이슬이 맺힌 상태인데요.

즉, 수증기를 이루는 H2O 입자들이 에너지를 빼앗겨 얌전해져 '물'이 된 것입니다. 더 나아가, 물 속의 H2O 입자들이 더 식으면 달라붙으면서 '얼음'이 되겠죠.

이렇듯, 온도에 따라 고체-액체-기체 등으로 상태가 바뀌는 현상을 물리학에서는 '상전이'라고 합니다. 예컨대, 물은 당연히 상전이가 두 번 일어나겠죠(액↔고, 고↔기)





여기까지 이해가 되셨나요? 그렇다면 조금 미시적인 세계로 떠나 볼게요.

어려운 내용이 아니니 절대 쫄지 마세요 ^^

고등학교 화학시간에 배웠던 것처럼, 원자는 원자핵(양성자 + 중성자)과 전자로 구성되어 있습니다.

그리고 지구가 태양을 돌고 있듯이, 원자핵 둘레를 전자가 둘러싸고 있죠.

이 사실에 아까의 온도 이야기를 덧붙이면, 온도가 높은 상태에서는 원자를 구성하는 원자핵과 전자가 자유롭게 뛰어놀 수 있을 겁니다.
그런데 에너지를 빼앗아버리면(온도를 식히면) 원자핵과 전자의 속도(에너지)가 굼떠지면서 서로 붙어버립니다. 아까 수증기가 창문에 부딪혀 이슬이 되는 것처럼요.

그래서 전자는 원자핵에 붙어서 주위를 날아다니게 될 겁니다. 그리고 바로 이 상태가 우리가 현재 '원자'라고 부르고 있는 물질입니다.




지금까지의 내용을 종합해보면,
우주가 팽창하면 에너지의 밀도가 낮아져 온도가 내려갑니다. 그리고 온도가 내려가면 수증기가 물, 물이 얼음으로 변하는 상전이가 일어나죠. 또한, 제각각 뛰어놀던 원자핵과 전자의 온도가 내려가면 전자가 원자핵(양성자)과 달라붙어 핵 주위를 맴돌게 됩니다. (원자 탄생)
눈치채셨겠지만,
이 모든 일련의 과정들로 인해 '물질'이 탄생했습니다. 우리의 몸도 원자로 이루어진 것이죠.

바꿔 말하면 우주가 팽창하지 않았더라면 원자가 생기지 않았을 것이고, 원자로 구성되어 있는 이 세상 만물(물질)도 존재하지 않게 되겠죠.

즉, 우리가 익히 알고 있는 우주의 모든 구성물질(은하, 별, 태양계, 지구, 인간 등)이 생긴 이유는 우주가 팽창하여 온도가 식었기 때문에 가능했던 일인 것입니다.
⚫️결론
: 온도를 높이면 과거를 볼 수 있다.





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이제 본 이야기의 결론에 도달하기 직전입니다.

앞서 언급했듯이, 우주가 팽창하면 에너지의 밀도가 줄어들어 온도가 내려간다고 했으니, 반대로 우주가 수축하면 온도는 올라갈 겁니다.


그렇다면, 우리가 임의로 온도를 높이면 예전 상태가 되지 않을까요?

즉, 빅뱅이 일어났던 시점의 온도로 가열할 수 있다면 우리는 빅뱅을 볼 수 있지 않을까요?

빅뱅이 일어났던 당시, 우주의 온도는 약 '10³²' 도 입니다. 10 뒤에 0이 31개나 붙는 어마어마하게 뜨거운 온도이죠.

이것은 다시 말해서, 10³² 도에 근접하게 온도를 올릴 수만 있다면 우리가 '빅뱅을 재현'할 수 있다는 의미가 되겠죠.

그러나 평범한 방법으로는 결코 그 온도로 만들 수 없습니다. 그래서 과학자들이 만든 기계가 '입자 가속기'입니다.

원리는 '온도의 원리'를 이용하는 겁니다. 아까 온도는 '입자의 속도(에너지)'라고 말씀드렸는데요.

그러므로 입자의 속도를 높인다는 것은 곧 '온도를 높인다'는 말과 같습니다.

그리고 그것을 가능하게 해주는 것이 바로 스위스에 있는 '초대형 입자 가속기(LHC)'입니다. 이곳에는 양성자를 빛의 99.9999%까지 가속시킬 수 있죠.


LHC를 이용하여 양성자를 가속시키면, 실제로 10^17도까지 데울 수 있습니다. 이를 시간으로 환산하면 빅뱅이 시작되고 10^-14초가 됩니다.

(0.000,000,000,000,01초)

따라서 우리가 사라진 퍼즐 조각, 즉 '최초의 3분' 미스터리를 풀 수 있는 유일한 방법은 입자 가속기를 통해 빅뱅을 재현하는 방법뿐인 것이죠.
...

본 포스팅을 통해,
우리는 초기 우주의 탄생 순간을 이해하기 위해서는 '온도'를 높여야 한다는 것을 알았습니다.
그리고 그 해답은 입자 가속기에 있었다는 것도요.



빅뱅이론에 따르면, 우주의 나이는 137억 년입니다.

그러나 137억 년이라는 장대한 시간 전체를 놓고 보았을 때, 불과 3분 만에 우주 전체의 청사진이 모두 찍혔습니다.

우주가 탄생한 지 1초도 되지 않아 오직 한 가지로 구성되었던 자연계의 힘은 4가지 힘(중력, 전자기력, 강력, 약력)으로 분리되었고,

3분이 지나면 오늘날 우주를 구성하고 있는 90%의 물질인 수소와 헬륨 원자핵이 만들어졌으며,

우주가 팽창한 지 약 38만 년이 흐르자, 온도가 식어 별과 생명 탄생의 근간인 '원자'가 만들어졌죠.






즉, 우주가 탄생하고 진화하는데 가장 결정적인 역할을 했던 것이 바로 온도인 것입니다.

그리고 오늘은 우주가 탄생한 시점에 벌어진 현상들을 잘 이해하기 위해 알아두면 좋을 몇 가지 기본 지식을 살펴보았습니다.

다음 편에서는,
오늘 다룬 내용을 바탕으로 우주의 탄생 순간인 '빅뱅'을 시간 순으로 자세히 다뤄볼게요.

감사합니다.

[밋피]

우와 여시야 좋은글 고마워ㅠ1편부터 정독해봐야겠다🥺🥺

[최소 남혐하고 지엘 좋아하는 오타쿠]

이런글 너무 좋아 ㅠㅠ

[로키]

정독했다...💛

[보줴꾸러기]

대박 흥미로워 정리도 너무 잘 되어 있어서 이해도 쉬웠어 고마워ㅜㅜ

[튼튼해지개]

와 흥미돋... 근데 초대형 입자가속기로 온도 올려서 빅뱅이 재현이 된거야?

[니머리에한발]

근데 우주가 계속 팽창해서 온도가 내려간다는건 알겠는데 압력은 상관없는건가..? 그냥 넓어지는 개념인가