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우주 빅뱅이론은 실험으로 입증 올해 노벨물리학상은 증명 공로자에 수여… 빅뱅은 한 번만 있었던 것으로 추정 | |||||
1929년에 천문학자 허블(E. Hubble)은 별과 별 사이의 거리가 멀어지고 있다는 관찰 결과를 발표했다. 아주 느리기는 하지만 분명한 사실이었다. 특정한 몇몇의 별이 멀어지는 현상이 아니라 별 무리인 은하 전체가 멀어지고 있었다. 모든 별이 멀어지고 있다면 별이 자리잡고 있는 우주가 팽창하고 있다고 말할 수 있다. 꼬마 아이가 파란색 고무풍선에 바람을 집어넣으면 풍선은 점차 커지고 부풀어 파란 색깔은 점차 옅어진다. 이처럼 지구가 속한 그 광활한 우주도 팽창을 하고 있다. 시간이 지나면서 별과 별이 멀어지고 있다면 과거에는 별끼리 서로 가까웠다는 추론도 가능하다. “시계를 되돌려 몇 백억 년 전으로 되돌아간다면 우주는 현재보다 훨씬 작고 심지어 한 점이었다는 암시를 허블의 발견에서 읽어낼 수 있다”고 KAIST부설 고등과학원(KIAS) 계범석 박사는 말했다.
우주가 팽창한다는 생각은 쉽게 받아들이기 어렵다. 이는 뉴턴 이래 최고의 물리학자로 평가 받는 아인슈타인에게도 마찬가지였다. 아인슈타인이 만든 일반상대성이론에 따르면 빛은 중력이 없는 공간에서는 직진하지만 질량이 있는 곳을 지날 때는 중력의 영향을 받아 직선이 아닌 곡선을 따라 움직인다. “아인슈타인이 일반상대성이론으로 우주를 풀어보니 정적인 우주가 존재할 수 없다는 결론에 도달했다. 동적인 우주가 나왔으나 아인슈타인 스스로도 이를 받아들이기 어려웠다. 그래서 억지로 우주 상수를 도입해 우주는 영원·불변이라는 소신과 맞추려 했다”고 KAIST물리학과 최기운 교수는 말했다. 이때가 1917년으로 허블이 우주팽창을 발견하기 12년 전이다. “허블의 우주팽창으로 본래의 방정식이 맞게 되자 우주 상수를 폐기했다. 훗날 아인슈타인은 우주 상수 도입을 일생 최대의 실수라고 자평했다”고 최기운 교수는 덧붙였다. 허블의 관찰로 비롯된 우주팽창은 아인슈타인의 일반상대성이론이라는 옷을 입고 형체를 갖게 된다. “훗날 가모프(G. Gamov)의 연구로 허블의 우주 팽창은 빅뱅이론으로 발전했다”고 계범석 박사는 말했다. 문자 그대로의 엄청난 폭발을 가진 ‘빅뱅’이라는 용어는 기업이나 정치 같은 다른 분야에서도 사용된다. 과거 모습을 알아보지 못할 정도의 과격한 변화를 빅뱅이라 부른다. 거대 은행끼리의 인수합병이 일어나면 언론은 ‘금융계의 빅뱅(Big Bang)’이라고 제목을 단다. 하지만 “그런 건 우주의 빅뱅과 비할 바가 못 된다”고 고등과학원 김정욱 교수는 평가한다. 빅뱅이론에 따르면 빅뱅으로 우주가 폭발하고 38만년이 지났을 때 우주 온도는 약 3000도였다. 시간이 지나면서 우주는 엄청 커졌으니 우주공간은 엄청 뜨거웠다가 지금은 식었어야 한다. 이를 계산해 보면 절대온도로 약 3도이다. 절대온도 0도는 섭씨 ―273도에 해당한다. 우주의 온도를 측정하기 위해서는 우주의 전자기파를 측정해야 한다. 왜냐하면 열을 가진 모든 물체는 온도에 맞는 적외선 같은 전자기파를 외부로 내보내기 때문이다.
뜨거운 난로가 빨간색을 띠는 이유도 이와 같다. 난로가 식으면서 내보내는 적외선도 줄고 색깔도 빨간색이 옅어진다. 이런 원리에 따라 빅뱅을 경험한 현재의 식은 우주는 전자기파 중에서도 절대온도 3도에 해당하는 극초단파로 가득 차 있어야 한다. 따라서 “빅뱅이 이론물리학자만의 추론에서 우주의 실체로 인정 받기 위해서는 극초단파 측정이 필수적이었다”고 김정욱 교수는 설명했다. 천체물리학자들은 우주의 극초단파를 찾기 위해 지대한 노력을 기울였지만 예상외로 실험적 결과는 잘 나오지 않았다. 허블의 발견 이후로 36년이 돼서야 실험적 증거가 발견됐다. 그것도 우발적이었다. 1964년 미국의 AT&T 벨 연구소의 펜지아스(Arno Penzias) 박사와 윌슨(Robert Wilson) 박사는 라디오 파장의 빛을 관측하려고 뉴저지에 전파망원경을 설치했다. 원했던 자료를 얻으려고 노력했지만 언제나 잡음(noise) 신호가 관측됐다. 잡음을 제거하기 위해 별별 걸 다했으나 없어지지 않았다. 결국 두 사람은 잡음이 혹시 본인들이 모르는 다른 의미가 있지 않을까 해서 프린스턴 대학의 천체물리학자 디키(Dicke) 교수에게 도움을 요청했다. 그는 “빅뱅이론의 태두 가모프가 예언했던 우주의 극초단파를 당신들이 측정했다”고 이들에게 알려줬다. 연구성과는 1965년에 발표했다. 이들의 성과는 허블의 관측으로 촉발된 빅뱅 이론의 첫 번째 실험적 증거였다. 두 사람은 이에 대한 공로로 1978년 노벨물리학상을 받았다. 한편 이들이 얻은 데이터의 의미를 알려준 디키 교수는 좀 허탈했을 것이라고 김정욱 교수는 전한다. “노벨상을 받은 두 교수가 데이터의 해석에 도움을 요청할 당시 디키 교수 역시 극초단파 측정을 위한 실험을 준비 중이었다”고 김정욱 교수는 말했다. |
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▲ 1978년도 노벨 물리학상 수상자인 윌슨(왼쪽), 펜지아스 박사. |
우주 공간의 온도 또한 아주 정확히 측정했는데 절대온도로 2.725°였다. 이 실험 결과는 펜지아스·윌슨의 실험에 이어서 시초를 가진 빅뱅이 있었음을 확인하는 중요한 업적이었다. 실험의 두 주역 매서·스무트 박사는 노벨상 수상이 확실시 됐다. 문제가 발생했다. 과학이 아니라 사람이었다. 스무트 박사는 연구업적을 독차지 하고 싶었는지 과학저널에 발표하기 전에 1992년 버클리에서 연구성과를 발표하는 단독 기자회견을 가졌다. 연구팀과 어떤 의논도 없었다.
또한 영국의 스티븐 호킹 박사에게 부탁해 자신의 연구업적이 얼마나 대단한지 언론에 말해 달라는 전화까지 한다. 실제로 호킹 박사는 “세기의 과학적 발견이고 노벨상 수상이 확실시 된다”고 말했다. 김정욱 교수는 “스무트 박사가 굳이 그런 행동을 하지 않았어도 누구나 인정할 만한 노벨상감”이라고 말했다. 결국 스무트 박사의 이런 행동 때문에 매서 박사는 스무트 박사와 결별했다. 스무트 박사는 다른 연구원의 신뢰도 잃어버려 연구팀에서 배제됐다. 결국 실험 발표 당시의 예상대로 매서와 스무트 박사는 이 공로로 올해 노벨물리학상 수상자로 선정됐다. 하지만 올 12월에 있을 노벨상 수상식에서 매서가 스무트를 어떻게 대할지 주목된다.
이론물리학자들이 예측한 빅뱅이 매서와 스무트의 실험으로 검증됐다. 그러나 빅뱅은 여전히 풀어야 할 중요한 숙제를 남겨 놓고 있었다. 바로 빅뱅이 한 번 일어났느냐 아니면 수차례 일어났느냐가 의문이었다. 수차례 빅뱅이 있었다는 것은 빅뱅 이후에 우주가 팽창을 하다가 어느 시점 이후에는 수축해서 다시 한 점으로 오그라든 과정을 반복했다는 의미이다. 이 이론이 맞는다면 우주의 시초나 종말이 의미가 없다. 세계관적으로는 “무신론적 천체물리학자들이 선호했다”고 김정욱 교수는 설명했다. 우주가 한 번 빅뱅을 일으키고 점차적으로 팽창했는지 아니면 주기적인 빅뱅이 있었는지를 천체물리학자들은 당연히 판가름 하고 싶었다.
이를 위해 부메랑(BOOMERANG·Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics)이라는 이름의 연구를 1998년에 시작했다. 우주의 밀도, 즉 단위 부피에 얼마만큼의 질량이 있는지를 측정하는 게 이 실험의 목적이었다. 일반상대성이론으로 계산해 보면 밀도가 10-29g/㎤보다 크면 우주는 수차례 빅뱅을 가졌고 같거나 작다면 한 번의 빅뱅을 가졌다고 판단할 수 있다. 부메랑이 측정한 데이터를 분석한 결과 우주는 한 번의 빅뱅을 가졌다고 천체물리학자들은 판단했다.
2001년의 연구 결과이다. 당시 이 연구 결과는 ‘사이언스’나 ‘네이처’ 같은 과학저널에 실리기 전에 뉴욕타임스 4월 30일자 1면에 실렸다. “그 정도로 중요한 업적이 2001년이라는 새천년이 돼서야 규명됐지만 대다수의 일반인들은 그 전부터 당연히 빅뱅은 1회라고 생각한 점이 특이하다”고 김정욱 교수는 말했다. 우주는 한 차례 빅뱅 이후 점차 팽창을 한다고 천체물리학계는 부메랑의 실험으로 받아들이게 됐다.
이제 남아 있는 주요 과제는 우주가 지속적으로 커지지만 한계를 정하고 커지는지 아니면 무한히 커지는지 여부이다. WMAP(Wilkinson Microwave Anisot ropy Probe)위성이 이를 위해 우주로 2001년에 발사됐다. 여기에 초신성(supernova)의 연구가 더해져서 우주의 팽창 정도를 가늠하게 된다. 초신성은 우주의 나이를 알아내는 데 기준이 된다. 지금까지의 연구 결과로는 우주의 무한 팽창에 무게를 두는 분위기이다.
137억년 전에 한 점이었던 우주가 폭발 |
우주팽창 연구의 실마리를 제공하는 초신성
“1604년 조선에서도 관측” 실록에 기록돼 있어
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▲ 서기 1604년 10월 13일(음력 9월 21일)조선왕조실록에 기록된 초신성 관찰자료. |
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크...이렇게보니까 엄청 어려우시죠?대강 하나의 점이 폭발하여 이렇게 커다란 우주가 탄생하였다는것이 포인트 입니다.
2.평행우주설(즉 우주는 무한한 공간이다!)
올 초 전세계 과학자들의 시선이 미항공우주국(NASA)에 쏠렸다. 당시 NASA우주 전파 망원경은 우주 곳곳에서 나오는 특수한 전자기파를 탐색하고 있었다. 현대 우주론에 따르면 이 전자기파에는 우주의 생성과 진화에 대한 정보가 담겨 있고, 이로부터 우주의 크기를 가늠하는 것도 가능하다. 과학자들의 관심이 집중된 부분은 바로 이 "우주의크기"에 관련된 것이었다. 우주의 크기가 무한성과 유한성에 따라 우주에 대한 이론이 크게 달라지기 때문이다.
관측 결과는 우주가 무한하다는 사실을 강력히 시사했다. 이 결과를 놓고 미국 펜실베니아대 맥스 테크마크 (물리학) 교수는 과학 잡지 "사이언티픽 아메리칸 " 최근호에서 다음과 같이 말했다.
"우주가 무한하다면 우리가 관측할 수 있는 한계 너머 어딘가에 우리가 살고 있는 곳과 똑같은 다른 우주, 심지어 나 자신과 똑같은 존재가 있을 수 있다."
이처럼 우리의 우주는 전체 우주의 일부분이며, 세상에는 수많은 우주가 존재한다는 이론을 "평행우주론"(parallel universe)이라 한다.
* 제2의 '나' : 평행 우주론 가운데 그 첫번째는 우주가 크더라도 중력, 전기자기장 같은 물리 현상은 우주 어디서든 똑같이 일어난다는 것이다. 실지로 이런 우주에서는 어딘가에 나와 똑같은 존재가 있게 된다. 우주가 무한하다는 것이 이런 마술을 부리는 것이다. 예컨데 동전을 열번쯤 던져 앞이 다섯번 계속 나오는 경우는 별로 없겠지만, 천번쯤 던지면 그 가운데 앞이 연속으로 나올 수 있는 경우가 있을 것이다. 일억번을 던지면 20~30번 연달아 같은 면이 나올 수도 있다.
'일억'도 '무한'에 비하면 티끌조차 안된다. 동전을 '무한히' 던지면 앞면이 일억번 나오는 것조차 가능하다. 나아가 로또 복권을 사는 것을 무한히 반복할 수 있다면, 일등에 백번 연속 당첨 될 수도 있다. 우주에서 일어나는 일도 마찬가지이다. 사람이 잉태되는 것은 결국 원자들의 결합에 의한것, 무한한 우주 공간 안에서는 나 자신을 이루는 것과 똑같은 원자 결합이 이루어질 확률이 얼마든지 가능하고, 따라서 언젠가는 나와 똑같은 존재가 생길 수 있다는 것이다.
과학자들의 확률 계산에 따르면 지구를 중심으로 반지름 약 3조 5000억 광년(빛의 속도로 3조 5000억년을 계속 진행한 거리) 되는 공간 안에는 나와 같은 존재가 하나쯤 존재한다. 우주의 역사가 140억년이니, 3조 5000억 광년이란 빛의 속도로 우주가 생긴 이후부터 지금까지 내내 달려도 도달할 수 없는 거리다. 그러나 이조차 '무한'은 아니므로 무한한 우주에는 수 많은 수의 '나'가 존재할 수 있다.
* 과학의 법칙이 다른 우주 : 또 다른 평행 우주론은 우리가 사는 이곳의 현상과 전혀 다른 현상의 우주가 여럿 존재한다고 보는 것이다. 그 곳의 우주에서는 태양계와 똑같은 별, 행성 무리가 있다고 해도 공전 주기가 전혀 다르다. 물리 법칙이 우리와 다르기 때문이다. 이렇게 되면 중력, 만유인력, 전자기력의 크기도 달라진다. 이 이론을 내세우는 과학자들은 전체 우주가 초기에 엄청난 속도로 팽창하면서 물리법칙이 다른 소(小)우주가 생겨났다고 주장한다. 우리가 사는 이곳 태양계도 그 소우주의 하나라는 것이다. 이 이론은 또 "왜 우리 우주가 존재하는가?"에 대한 해답도 내려 준다.
사실 과학자들은 우리 우주의 존재에 대해 의문을 가져왔다. 물질을 구성하는 원자는 양성자와 전자가 전기적인 힘으로 결합하여 생긴다. 그런데 만일 전자기력이 지금보다 4%만 약했다면, 양성자와 전자를 한데 붙잡아 둘 수 없어 원자를 이루는 것이 불가능하다. 따라서 당연히 별이나 생명체도 존재할 수 없다. 또 양성자가 지금보다 0.2%만 무거웠더라도 마찬가지로 안정된 원자가 탄생할 수 없다는 계산이 나온다. 결국 우리 우주는 물리적인 힘이나 기본 입자들의 질량들이 아주 절묘한 균형을 이뤄 만들어 졌다는 뜻이다. 이를놓고 과학자들은 "어떻게 그런 우연이 가능할까"라는 의문을 가졌다.
평행 우주론은 이에 대해 다음과 같은 답을 준다. "무한한 우주 안에 수 많은 우주가 있다. 그 중에는 물리적 성질들의 균형이 잘 맞는 것들이 있을테고, 그 가운데 하나가 바로 우리 우주다. 우리와 물리적 성질이 달라 별과 생명체가 없는, 그저 공간뿐인 소우주도 수 없이 많을 것이다.
* 선택이 우주를 만든다 : 만일 내가 지금과는 다른 직장을 택했다면 나의 인생은 어떻게 되었을까? 평행 우주론 가운데 하나는 " 지금 당신이 다른 회사에 다른 인생을 살고 있는 우주가 존재 한다"고 주장한다. 사람 뿐 아니라 물질을 구성하는 입자들에도 이런 "선택"의 순간이 있다. 여기 양성자가 하나 있다고 가정 하자. 그 옆에 전자가 있다면 양성자는 전자와 결합해 수소 원자가 될 수도 있고, 결합하지 않은채 공간을 떠돌수도 있다. 우리가 보기에 양성자는 결합하지 않은 쪽을 택했다. 그러나 결합해 수소 원자가 된 상태를 담은 우주도 있다는 것이 이 평행 우주론의 요체다.
과학이라기 보다는 일종의 사상이나 철학 같지만, 사실 이는 물리학의 한 분야인 양자 역학의 개념에서 나온 우주론이다. 세종대 이희원(천문우주학)교수는 "양자 역학에 따르면 다른 선택에 따른 인생이 담긴 우주는 우리가 관찰할 수 없다."면서 "이때문에 타당성을 실험적으로 검증할 수 없어 보인다는 것이 이 이론의 한계"라고 말했다.
언젠가 책에서 읽은 멋진 귀절이 있어 인용 한다.
"그것은 산소 원자 세개, 그리고 칼슘 원자 하나와 결합하여 석회암의 형태로 존재한다. 그런데 절단되어 석회로를 통과 하면서 날개를 얻게 되었다. 그 원자는 바람에 포획되어 땅 바닥에 내동댕이 쳐지기도하고 10km 높이로 상승하기도 했다. 하늘을 나는 매에게 흡입되기도 하고....바닷물에 세번 용해되고, 다시 공중으로 방출 되었다. 그리고 나서 우연히 유기 화학적 모험을하게 되었다. 운좋은 나뭇잎을 스치고 지나가다 그 안으로 침투해서 태양 광선에 의해 고정 되었다. 눈 깜짝할 사이에 거미에게 포획된 곤충처럼 탄소 원자는 산소들로 부터 분리되고, 수소와 결합하여 결국 생명의 사슬에 편입되었다. .... 그것은 피의 흐름에 진입하여 신경 세포의 문을 두드리고, 그 안으로 들어가서 그것을 구성하고 있는 탄소와 교체된다. 그 세포는 뇌에 속하고, 그것은 나의 뇌이다. 문제의 그 세포 그리고 그 안에 있는 문제의 원자는 나의 저술 활동을 담당하고 있으며 아직 아무도 묘사하지 못한 재미있고 신비스런 일에 종사하고 있다. 그곳은 ..... 나의 이 손이 여기 이점을, 바로 이곳을 누르도록 인도 한다."
프리로 레미의 "주기율표"에 나오는 내용이다. 결국 우리 자신도 초신성 폭발로... 태양이 태어나기 전에 빛나던 별로 부터 생성된 것이다. 우리 조상의 아득히 먼 옛날 빛나고 있던 별로부터.......
결국 여기서는 우주는 무한으로 존재한다는것! 여러분은 1번이라고생각하시나요 2번이라고 생각하시나요? 전 개인적으로 2번...평행우주설이 더 설득력 있다는...
첫댓글 저도 2번 !! 우주는 끝도없을거같아요 ㅋㅋㅋ
우왕........ 신기해 근데 이해가 안가 ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ
저도 22222222222222
제2의 나 짱신기해
전 이런 글이 올라오면, 언어영역 비문학 또는 외국어영역 장문독해에 지문으로 출제되었으면 좋겠어요!
아 혼란이 오고있어 ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ
전에봤던내용이랑 좀겹치는데가 많은데..
평행우주는 그냥 끌어올렸어요
왜 자꾸 빅뱅이란 말에 다른게 떠오르는거야~
저도 그래요.;;ㅋㅋ 아 우주 쪽은 너무 신비해서 다가갈 수가 없어-_-ㅋ
빅뱅이 뭔가 터진거면 뭐가터진거에요?? 못찾겠다
그림만 보고있다 ㅋㅋㅋㅋㅋ
다읽어보신분..요약좀.. 글읽으면서 내리는데 속이울렁거려요...
우주는 지금 계속 끝없이 엄청빨리 확장되고있다던데
우왕신비롭다^*^............ 맞다 저 정회원됐어요 축하감샄ㅋㅋ
ㅊㅋㅊㅋㅊㅋ
저도 2번!!! 우와 이런거 너무 신기하고 좋아요
신기하면서 무서워.....
이걸로도 머리아픈데 여기에 종교까지 섞어서 생각하다 보면 완전...답이 안나옴 ㅋㅋㅋㅋ
나는 과학은 싫은데 이런거는 좋아요♡ 뭔가 울렁울렁한게~
암소쏘리벗알러뷰다거짓말이야몰랐어이제야알았어
니가필요해
아 우주에 직접가보고 싶다 우주의 온도는 몇도인지..(우주의 온도는 영상됬다가영하됬다가한다는거어디서주워들은듯) 우주에 떠서 둥실둥실하면 묘하겠다 ㅋㅋ 우주는 소리가 안들리니까 고요하겠지... 어쨌든 과학중에서 제가 가장 관심갖고 있는게 바로 우주입니다... 정말 우주가보고싶어요 제가 조금더 미래에태어났더라면(그때쯤이면환경은엉망이겠지만) 우주여행을 떠날수있었을텐데...눈으로 보는것만이라도 해보고싶어요
우주는 공기가 거의없죠.그러므로 약간의 빛만있다면 온도는 상상하지못할정도로 높아지고 빛이없으면 엄청나게 온도가 낮아져요.
현재는 풍선우주론이 더 신빙성있다고들 하는데..즉 팽창론같이 점점 커지지만 언제간 터져버려서 바깥쪽에 다크에너지가 스며들어서 온 우주에 물질들을 파괴한다던데.. 보면 질질쌌지만 몇 십억년 후임..
꿈속의 악마님 이런 자료 어디서 구하세요?? 이런 쪽으로 대학을 가고싶기도하고 관심도 많아서 볼려그러는데 잘 안보이더라구요 ㅎㅎ
흠...과학적인 영화있죠? 거기서나오는 어려운말들을 메모지에 적어놓고 조사하시면 될듯...저도 그렇게 하거덩여 ㅋ
우주에 끝이란게 존재한다면 그끝을 만지면 어떤느낌일까??악