흥미돋 우주 탄생의 비밀 : 농구공 만한 우주가 이토록 거대해진 까닭 (3편)

[처돌은 처돌이]

출처 : 피키캐스트
http://piki.kr/19JRMhZ0edU

◈ 본 이야기는 이야기는 지난 2편 <우주의 사라진 퍼즐 조각 : 최초의 3분 미스터리>의 내용을 바탕으로 제작되었습니다. 원활한 이해를 위해서는 꼭 2편을 먼저 감상해주시면 감사하겠습니다 ◈

(여시 내) 2편 주소 : https://m.cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/3813304?svc=cafeapp




지난 1~2편을 통해,
우리는 ‘우주 탄생의 비밀’을 풀기 위한 기초 지식을 살펴보았는데요.

오늘은 빅뱅이론을 통한 우주의 역사를 소개해드리려 합니다.

"빅뱅이 일어난 후, 우주에는 어떤 일이 벌어졌을까요?"

이를 알기 위해서, 오늘 우리는 그 어떤 시간 여행보다 훨씬 더 과거로 거슬러 올라가야 합니다.

바로 137억년 전.. 즉, 세상이 시작된 그 시점으로 가야 하죠.

핔플들의 이해를 돕기 위해,
지난 1~2편에서 다룬 내용을 요약해 보았습니다.

▣ 온도가 높다는 것은 ‘입자의 속도(에너지)’가 빠르다는 것을 의미합니다. 그래서 에너지를 빼앗으면 온도가 내려가고, 그 에너지만큼 밖으로 배출합니다.

▣ 온도가 변하는 어떤 시점에 이르면, 물질의 상태가 갑자기 바뀌게 되는데 이를 ‘상전이’라고 합니다.(ex 수증기 -> 물)

▣ 팽창하는 우주는 온도가 식는 과정입니다.

따라서 우주를 구성하는 만물은 끊임없는 상전이를 통해 다른 형태로 변환됩니다.

▣ 이렇듯 초기 우주에는 끊임없이 상전이가 이루어지는데, 이러한 상전이를 통해 우주가 진화하는 과정을 설명한 것이 바로 ‘빅뱅이론’입니다.

지난 편은 이와 같이 압축할 수 있습니다.

오늘은 이를 바탕으로
빅뱅이론의 심장부로 향해 볼 예정입니다.

그러나 우주의 진화 과정은 너무도 복잡 미묘합니다.

그 과정에서 여러분들은 SF영화를 보는 것처럼 신기한 감정이 들 것이며, 동시에 생소한 개념과 용어에 머리가 아파올 수도 있습니다.




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 4번의 내용을 다룰 예정입니다.


그러면 이제 열린 상상력을 발휘하여 가슴 벅찬 여행을 떠나보도록 하죠.


Let’s Go!

눈치채기 힘들지만,
지금 이 순간에도 우주는 끊임없이 팽창하고 있습니다.
그 끝이 어디인지는 확실히 알 수 없지만..


확실한 것은 우주가 점점 얼어붙고 있다는 것입니다.
지난 편에서 언급했듯이, 우주가 팽창하면 온도가 점차 낮아져 물질의 상태가 변합니다.

다행스럽게도 현재의 우주는 매우 안정된 상태입니다.
인간이 살 수 있는 ‘지구’라는 행성이 우주에 존재할 수 있을 만큼, 우주의 온도가 식었으니까요.

그러나 현재와는 달리 137억년 전..
즉, 빅뱅이 일어났던 초기 우주는 매우 급격한 변화가 이루어지는 '카오스' 상태였습니다.


다시 말해, 초기 우주는 현재의 안정적인 우주와는 전혀 다른 모습으로 운영되고 있었을 것으로 짐작됩니다.













▣ Big Bang
: 세상의 시작

태초에는 아무것도 없었습니다. 우리가 흔히 보는 빛도.. 별도.. 연예인도 없었죠. 심지어는 ‘빈 공간’도 없습니다. 왜냐하면 공간 자체가 존재하지 않으니까요.



공간이 존재하지 않으므로 당연히 ‘시간’도 없었습니다. 그래서 태초는 시간이 흐르지 않는 ‘무’의 상태였죠.

그런데 갑자기 원자보다도 작은 불덩이가 나타납니다.

그 불덩이의 온도는 대략 10^32도였으며,
앞으로 우주를 구성할 ‘모든 물질’이 이 불덩이 속에 다 들어 있었습니다.

이 바늘구멍보다 수백만 배나 작은 불덩이는 어느 이유에서인지 몰라도 갑자기 ‘폭발’합니다.

우리는 이것을 빅뱅이라 부르죠.

우주가 폭발한 대사건..
빅뱅은 너무도 급격하게 일어났습니다.

그래서 이를 이해하기 위해서 우리는 ‘플랑크 타임’이라는 특수한 시간 체계를 사용합니다.

1플랑크 타임은 10의 -44제곱 초를 말합니다.

소수점 아래로 0이 43개나 이어지고 다음에 1이 나오는 ‘상상조차 하기 힘들 정도로’ 짧은 시간이죠.

하지만 이 짧은 1플랑크 타임 동안, 137억년이라는 우주의 역사를 결정지을 중대한 사건이 벌어집니다.

바로 자연계의 4가지 힘(중력, 전자기력, 강력, 약력)이 탄생하기 시작한 것입니다.

이 힘들의 정체는 무엇일까요?

예컨대 중력은 우리에게 가장 친숙한 힘이자 중요한 힘입니다. 중력이 없다면 우리는 지구 표면에 붙어 있지 못하고 우주 공간으로 날아가 버릴테니 말이죠.

전자기력은 전기를 띤 입자 사이에 작용하는 힘으로, 일상생활의 거의 모든 부분(TV 전파, 무선 전화, 태양빛 등)은 전자기파(빛) 속에서 이루어지죠.

우리 일상생활과 밀접한 중력과 전자기력 이외에, 자연계에는 강력(강한 핵력)과 약력(약한 핵력)도 존재합니다.

핵력은 태양에너지의 원천이 되는 핵융합, 핵분열,방사성 붕괴 등이 일어나게 만드는 힘입니다.

쉽게 말해 강력이 없으면 양성자와 중성자가 같이 붙어 있을 수가 없기 때문에 우리 몸도 존재할 수 없죠.

그리고 약력 역시 핵 속에서 작용하는 힘이라, 약력이 없으면 태양이 불타오르지 않습니다.

즉, 쉽게 느낄 수는 없는 힘이지만 강력과 약력이 없다면 우주는 결코 현재와 같이 유지될 수 없죠.

잠시 ‘힘’에 대해 언급해 보았는데요.

우주가 탄생하고 가장 먼저 이루어졌던 일이 바로 자연계의 4가지 힘이 탄생한 사건입니다.

그런데 이 4가지 힘은 무에서 유를 창조한 것처럼 갑자기 등장한 것이 아니라, 어떤 통합된 힘(Super Force)에서 순서대로 분리되었죠.

가장 먼저 분리된 것은 ‘중력’입니다. 중력은 우주가 탄생하고 10^-44초 즉, 1플랑크 타임에 분리되었죠.


이렇게 힘이 분리되는 현상을 ‘상전이’라고 말합니다.

여기서 의문점이 떠오른 것이 있다면, 지금까지의 이야기를 매우 잘 이해한 것인데요.

지난 편에서 언급했듯이 상전이는 온도가 상승 혹은 하강하여 '물질'의 상태가 변화하는 것을 말합니다.

그런데 이러한 물질들뿐만 아니라, 우주 자체도 상전이를 일으킬 수 있습니다. 이 말은 곧, 우주 탄생 시점에서 통합되어 있던 1개의 슈퍼 힘이 4가지 힘으로 분리되는 현상 역시 '상전이'라고 표현한다는 의미죠.






* 심화 보충카드

후일 자세히 다룰 내용이지만,
잠시 맛만 보고 가겠습니다.

구체적으로 말하자면,
자연계의 4가지 힘은 '대칭성'이 붕괴되며 분리되었습니다.

대칭성은 어떤 물질을 변환해도 그 물질의 외형이 변하지 않는 것을 말합니다.

예컨대 '구'를 아무리 회전시켜도 절대 모양이 바뀌지 않죠. 그래서 대칭성이 가장 높은 도형이 바로 '구'입니다.

이처럼 대칭성이 있던 우주는
시간이 흐를수록 대칭성을 잃으며 한 가지로 통합되어 있던 힘이 4개로 분리되었습니다.

이를 제대로 이해하기 위해서는
'힉스장'이라는 개념을 이해해야 하는데,
이에 관련해서는 추후 있을 콘텐츠에서 자세히 다뤄보도록
하겠습니다^^

언급했듯이 우주의 시간이 10^-44초일 때 중력이 분리되었고, 시간이 우주가 탄생한 시점에서 10^-36초가 흐른 후에 두 번째 상전이가 일어났습니다.

즉 ‘강력’이 분리된 것이죠.

그리고 동시에 우리가 ‘급팽창’이라고 말하는 ‘우주가 비정상적으로 급격하게 팽창하는 현상’이 벌어집니다.

시간으로 따지면 10^-36 ~ 10^-33초 사이였죠.



이 때 우주의 온도는 약 10^28도였으며, 이 짧은 찰나의 순간에 우주는 농구공만한 크기에서 10^30배 더 크게 팽창했습니다.

(여기서 몇 제곱은 과학자마다 조금 차이가 있음).

우주가 탄생하고 10^-11초가 흘렀을 때, 세 번째 상전이가 일어났습니다. 약력과 전자기력이 분리된 것이었죠.

즉, 우주가 탄생하고 10^-11초 (0.00000000001초)가 흐른 후, 자연계의 4가지 힘이 모두 분리되고 우주의 미래 설계도가 개략적으로 완성된 것입니다.






* 여담으로 4가지 힘에 대하여 흥미로운 사실이 있습니다.
앞서 살펴본 대로 자연계에 존재하는 4가지 힘은
모두 1개의 통합된 힘에서 분리되었습니다.
다시 말해, 애초에 4가지 힘은 원래 하나의 힘이었다는 것이죠.

예컨대 전자기력과 약력이 원래 하나였다는 말은,
전자기력의 매개 입자(광자)와 약력의 매개 입자(W,Z입자)가 원래 동일했다는 의미입니다.

그래서 물리학자들은 전자기력과 약력을 통합하려는 시도를 하죠.

그러던 중 ‘글래쇼’와 ‘와인버그’라는 물리학자들이 전자기력과 약력이 원래 동일한 힘이었는데,

우주가 식으면서 분리되었다는 사실을 밝힙니다.

그들은 이 사실을 밝힘으로써 1979년에 노벨 물리학상을 받았죠.

그러나 재미있는 사실은 그보다 약 50여년 전에 활동했던 물리학자인 아인슈타인이 '중력과 전자기력’을 통합하려는 시도를 평생 동안 했다는 것입니다.

앞서 살펴본 대로, 중력은 현재까지도 분리된 원인을 찾지 못하는 아주 난해한 힘입니다.

아인슈타인은 죽을 때까지 중력과 전자기력을 통합하려고 고군분투했지만 결국 실패합니다.

결국 실패하긴 했지만, 그는 후대 물리학자들에게 영원한 과제를 주고 떠났죠..


그것은 4가지 힘들의 정체를 규명하고 통합하는 ‘통일장 이론’을 완성하는 것입니다.
이는 아인슈타인이 끝내 풀지 못한 오랜 숙원이며,
현대 물리학에게 남겨진 과제와 같죠.

결국 아인슈타인은 너무 시대를 앞서간 탓에 통일장 이론을 완성하지 못했습니다. 아인슈타인이 현대 사람이었다면 과연 이 이론을 완성할 수 있었을까요??




















🔴🟠🟡🟢🔵🟣

지금까지 다소 생소한 개념을 소개했다면 이제부터는 더욱 흥미로운 세계가 펼쳐집니다. 혹시라도 지루해서 나가고 싶은 분들이 계시다면 마저 꼭 보고 가세요.

현재까지 다룬 우주 탄생 '10^-11초'까지의 연대표를 정리하면 위와 같습니다.

그럼 우주의 시간을 10^-8 ~ 10^-4초로 고정해 보겠습니다.
이때는 쿼크가 양성자에 갇히는 현상이 벌어집니다.

여기서 쿼크란 모든 물질의 기본 입자를 말합니다. 다시 말해, 어떤 물질이든 계속 쪼개면 결국 쿼크만 남게 되죠.


지난 2편에서 언급했듯이, 쿼크도 입자이기 때문에 온도가 높은 상태에서는 자유롭게 돌아다닙니다.(이해가 가지 않으면 2편 내용 참고)

그런데 우주의 온도가 10^12도(=시간으로 10^-8초)로 식으면, 쿼크가 한데 모여 양성자를 이루게 되죠.

이제 시간을 우주가 탄생한 지 1초로 돌려보겠습니다.
아직까지 우주에는 양성자와 같은 ‘기본 물질’만이 있는 상태입니다.

그런데 우주가 탄생한 지 1초 후부터
매우 역사적인 이벤트가 발생합니다.

그것은 우주의 온도가 하강하여 만들어진 양성자와 중성자가 최초의 ‘원자핵’을 탄생시킨 것이죠.

이는 우주의 역사에서 매우 중요합니다.

왜냐하면 우주 탄생 1초 후에 원자핵이 만들어지고 100초까지 ‘주기율표’에 있는 여러 가지 가벼운 원소들이 만들어졌기 때문이죠.

먼저 주기율표에 가장 상단에 위치한 ‘수소 원자핵’이 처음으로 만들어집니다. 그리고 수소 원자핵 2개와 중성자 2개가 만나 ‘헬륨의 원자핵’이 만들어지죠.

또한 헬륨의 원자핵에 양성자와 중성자가 붙으면 ‘리튬’이 탄생합니다. 이런 식으로, 우주의 시간이 1초가 지나자 기초 물질들이 원소로 합성되는 현상이 벌어지죠.

이렇듯 우주는 약 100초 동안 원소 합성을 하며 현재의 원소를 생성합니다. 이러한 원소 구성비를 설명한 이론이 바로 ‘α β γ(알파 베타 감마) 이론’입니다.

논문을 낸 세 사람의 첫 글자를 땄는데, 여기서 감마는 빅뱅이론을 창시한 ‘조지 가모브’이고 알파와 베타는 가모브의 제자들 이름에서 유래했죠.

이 이론에 따르면, 우주를 구성하는 기본 원소의 비율을 알 수 있습니다. 실제로 계산해 보면 우리 우주는 수소 92.4%, 헬륨 7.5%, 기타 0.1%로 구성되어 있죠.


빅뱅 후 1초가 되면, 우주는 이와 같이 원자의 구성 성분으로 넘쳐납니다. 그런데 이러한 기본 성분으로 이루어졌던 우주가 어느 순간 180도 바뀌기 시작합니다.

그것은 이때부터 우주에는 ‘에너지가 물질로 바뀌는 현상’이 벌어지기 때문입니다.

지난 2편에서 원자(원자핵+전자)의 에너지를 빼앗으면(온도를 식히면) 원자핵과 전자의 속도가 느려지면서 전자가 원자 주위를 날아다닌다는 언급을 한 바 있는데요.

우주 초기의 온도는 매우 매우 높은 상태입니다.

다시 말해 ‘에너지의 밀도가 높은 상태’이므로, 우주를 배회하는 빛은 당연히 강한 에너지를 가지고 있죠.

그런데 고온 상태에서 에너지는 ‘물질과 반물질’로 분리됩니다. 여기서 반물질은 물질과 기본적으로 유사하지만 ‘전하’가 반대인 입자를 말합니다.

분량 관계상,
반물질에 대한 자세한 내용은 추후에 소개하겠습니다.

이처럼 에너지가 물질과 반물질로 나뉘는 것을
‘쌍생성’이라 합니다.

그런데 물질과 반물질은 원수 지간입니다. 그래서 물질과 반물질이 만나기라도 하면 거대한 폭발을 일으켜 빛 에너지 형태로 방출해 버리죠.

이렇듯 반대로 물질과 반물질이 서로 만나 ‘빛’으로 전환되는 현상을 ‘쌍소멸’이라 합니다. 이러한 쌍생성과 쌍소멸은 온도가 유지되는 한 끊임없이 벌어집니다.

그런데 우주가 팽창하면 온도가 내려갑니다. 온도가 계속 하강하여 어느 시점에 이르면, 에너지는 매우 약해져서 더 이상 물질과 반물질을 만들 수 없게 되죠.

우주 연대기

자세히 말하면, 온도가 10^10도 이상이 되어야 쌍생성이 이루어 집니다. 그리고 온도가 10^10도보다 내려가는 그 순간이 바로 우주가 탄생한지 ‘1초 후’이죠.



즉, 우주는 1초 후부터 더 이상 쌍생성이 이루어지지 않아 ‘빛’만 남은 상태가 되는 것입니다. 그렇다면 여기서 드는 의문이 있습니다.

이 논리대로라면,
우주는 탄생한 지 1초 후에 쌍생성이 중단되면서 오로지 빛만 남고 ‘물질’은 존재하지 않아야 합니다.

그런데 우리 우주에는 은하, 별, 지구, 인간과 같은 물질이 분명 존재하고 있죠. 뭔가 석연치 않은 구석이 있지 않나요?

먼저 우리 우주는 별과 같은 물질이 존재하긴 하지만, 기본적으로 매우 ‘텅 빈 공간’입니다. 우주에 존재하는 물질의 평균 밀도를 측정하면 이를 알 수 있죠.

우리 우주는 1세제곱미터(한 변이 1미터인 정육면체) 공간 당, 빛(광자)은 10억 개정도 있으며 물질은 1개가 있죠.

이를 비유하면, 우주 전체가 축구 경기장 만하다고 가정할 때 개미 한 마리 정도의 부피만큼 물질이 존재한다고 볼 수 있죠.

빛이 물질과 반물질로 변하고, 바뀐 물질과 반물질이 다시 빛으로 변하는 쌍생성/쌍소멸 현상이 계속된다면 물질은 본래 '0'개가 되어야 정상입니다.

그런데 어떤 이유에서인지,
우주에는 1세제곱미터당 1개의 물질이 존재하고 있죠.

이러한 미스터리한 현상이 나타난 이유는
물질과 반물질의 양이 애초부터 달랐기 때문입니다.

예컨대 물질 10개와 반물질 10개가 우주에 존재한다고 가정해 볼게요. 그럼 입자 10개와 반입자 10개가 만나 ‘빛’으로 바뀝니다.


그런데 만약,
물질이 11개이고 반물질이 10개라면 어떻게 될까요?

당연히 불쌍하게 왕따처럼 물질 1개가 남을 것이 뻔합니다. 즉, 낙오자가 생기는 것이죠.

실제로 우리 우주가 빛만 남지 않고 물질이 군데군데 있는 이유는, 우주 초기에 물질 1,000,000,001(10억 1개) 당 반물질 1,000,000,000(10억 개)가 있었기 때문입니다.

그래서 실제로 빛이 10억 쌍 생길 때 물질이 1개가 남게 되죠.

이렇듯 물질과 반물질의 전쟁에서 살아남은 낙오자 물질들이 모여 현재의 은하, 태양, 지구, 인간 등을 이루고 있는 것이죠.

앞서 우리는 대칭성에 대해 잠시 이야기 해보았는데요. 다시 반복하면, 대칭성이 높다는 것은 어떤 물질을 회전시켜도 변형이 일어나지 않는 것을 말합니다.

그렇다면, 물질과 반물질의 개수가 맞지 않아서 물질이 자꾸만 남는 현상은 대칭성이 높은 걸까요? 낮은 걸까요?

맞습니다. 회전을 가하면 대칭이 되지 않으므로 ‘대칭성이 파괴’되는 것이죠. 즉, 우주는 점차 대칭성을 잃어가며 서서히 얼어붙고 있는 것입니다.

그리고 이러한 현상의 주범은 역시 ‘온도’입니다. 그래서 물리학자들이 우주의 과거를 살펴볼 때나 미래를 예측할 때, 가장 중요하게 보는 것 중에 하나가 온도의 변화를 세밀히 연구하는 것이죠.











지금까지 우주가 탄생하고 1초까지 ‘우주에서 어떤 일이 벌어졌는지’에 대해, 비교적 상세하게 알아보았는데요.

우주가 탄생하고 1초간 벌어졌던 모든 일을 컴퓨터 프로그램으로 돌린다고 가정하면, 정보량은 현재 '전 세계의 도서관 자료의 양을 모두 합친 것'보다 높을 만큼 매우 방대합니다.

그리고 이로부터 38만 년이 흐르면 ‘최초의 원자’가 모습을 드러내며, 수억 년 후 물질들이 서로 뭉쳐 ‘최초의 별’이 탄생하죠.

또한 우주가 탄생한 지 10억년 후 별들의 고향인 ‘은하’가 출현하게 되고, 90억 년이 지나면 ‘지구’가 탄생하게 됩니다.

흥미로운 점은, 우주가 탄생하고 불과 '1초' 동안 벌어졌던 일들이 이 우주 삼라만상의 근간을 형성했다는 것이죠.













<4편 예고>

지금까지 우주가 탄생 ~ 1초까지
‘우주의 역사’를 살펴보았는데요.

1초는 정말 눈 깜빡 할 시간에 불과합니다.

하지만 빅뱅이 일어나고 향후 137억년 동안 우주가 운영되는 ‘원리와 근간’이 불과 1초만에 만들어졌다는 사실은 매우 놀라울 따름이죠.

이렇게 짧은 순간을
이 많은 분량을 들여가며 소개해 드린 까닭은
그만큼 우주의 역사에서
최초의 1초가 가지는 의미가 중요하기 때문입니다.

다음 편에서는, 최초의 1초 이후에 우주는 어떤 진화 과정을 겪게 되었는지, 그리고 빅뱅이론이 현대 물리학에서 갖는 의미를 소개해 드리겠습니다.

편안한 밤 되세요.
감사합니다.

[아 여시 아니면 다 나가라고!]

와.. 이런거 너무 재밌어 진짜 흥미로움 앞 편들 안보고 봤는데 앞 편들 보고 이거 또 봐야지
생각보다 내가 배웠던 지식들 덕분에 어느정도 이해하는 내가 신기하다..ㅋㅋㅋ 다 허투루 배웠던건 아니었네ㅋㅋㅋ

[무지성이재명지지자]

너무 재밌어 ㅠㅠㅠ

[로키]

너무 흥미로워,,

[처돌은 처돌이]

ㄱㅆ 이 주제 3편 이후로는 글 안 쓰신 것 같음