우주의 기원은 무엇인가?

1.우주는 어떻게 시작되었는가?

 우주의 기원을 설명하는 과학 이론을 빅뱅이라 부른다. 빅뱅 이론에 따르면, 우주는 시공간의 한 점에서 시작되었으며, 그 이후 계속 팽창해왔다는 것이다. 이런 팽창을 거치면서 우주의 상태도 바뀌었다. 그리하여 우주는 작은 것에서 큰 것으로, 뜨거운 것에서 차가운 것으로, 어린 것에서 오래된 것으로 변모했다. 이것이 오늘날 우리가 관측하는 우주다.

 

2. 빅뱅이론

1. 빅뱅 이론을 처음 공식화한 과학자들은 누구인가?

1917년에 네덜란드의 천문학자 빌렘 드 지터는 아인슈타인의 상대성이론이 우주의 팽창을 기술하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여주었다. 1922년 러시아의 수학자 알렉산더 프리드만은 팽창하는 우주의 정확한 수학적 설명을 찾아냈다. 1920년대 후반에는 벨기에의 천문학자 조르누 앙리 르메트르가 독자적으로 프리드만의 수학 공식을 재발견했다. 르메트르는 만약 우주가 실제로 팽창하고 있으며 또 계속 팽창해왔었다면 먼 과거의 어느 시점에 전 우주가 꼭 한 점을 차지하고 있던 순간이 있어야 할 것이라고 추론했다. 그리고 그 순간 그 점이 바로 우주의 기원일 것이라고 생각했다. 르메트르의 연구 결과와 프리드만  그리고 지터의 연구 결과는 관측을 통해 확증되었다. 르메트르는 천문학자인 동시에 예수회 신부였기 때문에 종종 '빅뱅의 아버지'라고 불렸다.

2. '뜨거운' 빅뱅 이론을 주장한 사람은 누구인가?
 러시아 태생의 미국인 물리학자 조지 가모프는 빅뱅 모델에 우주 에너지의 분산에 관한 사항을 가미함으로써 더욱 발전시켰다. 만약 실제로 우주가 이러한 폭발로 생겨났다면, 폭발 직후 우주는 믿을 수 없을 만큼 뜨거워져서 온도가 1조 도의 1조 배만큼 높았을 것이라고 주장했다. 우주가 팽창함에 따라 우주의 열은 더 넓은 범위에 분산되었고 온도는 내려갔을 것이다. 1초 후에는 우주의 평균 온도가 약 10억 도로 떨어졌고, 50만 년 후에는 수천 도 정도로 떨어졌다. 이런 식으로 우주의 온도는 시간이 지남에 따라 계속 내려갔다. 그러나 가모프는 수십억 년이 지나도 이 배경 열이 계속 존재하리라고 생각했다. 약 150억 년이 지나면 절대 0도에서 겨우 몇 도 정도 높은 온도로 우주배경복사가 나타날 것으로 예상했으며, 이 복사열이 마이크로 복사로 감지될 수 있다고 예측했다. 그리고 1965년에 실제로 마이크로파 우주배경복사가 발견되면서 가모의 주장이 옳은 것으로 판명되었다.

 

3. 빅뱅의 초기 순간을 통해 얼마나 정확하게 우주의 모든 현상을 추적할 수 있는가?
 빅뱅이라는 사건은 우주의 특이점으로, 현재의 물리학 법칙으로는 당신에 무엇이 일어났는지 설명할 수 없다. 이 의미인즉 우주의 거동은 빅뱅 이후의 시간까지만 추적이 가능하다는 것이다. 우주를 기술하는 두 가지 이론, 즉 일반상대성이론과 양자역학에 의해 설명되는 최소한의 크기와 시간 범위를 결합함으로써 과학자들은 우주의 거동을 빅뱅 이후 10(-43제곱)초 직후까지 추론하는 것이 가능해졌다. 이 시간은 1조×1조×1조×1000만분의 1초보다 작은 시간이다. 우주 역사의 알 수 없는 가장 초기 기간을 플랑크 시간이라 부르는데, 독일의 물리학자이자 양자역학의 선구자인 막스 플랑크의 이름을 딴 것이다.

4. 빅뱅 이론에서는 우주의 시작을 어떻게 설명하는가?
 빅뱅 이론은 빅뱅이 일어난 이유에 관해서 설명하지 않는다. 현재로서 가장 잘 설정된 가설은 우주가 '양자 거품'에서 시작되었다는 것이다. 양자 거품이란 무정형의 빈공간으로써, 원자보다 훨씬 작은 물질의 거품이 1조의 1조의 1조분의 1초보다 더 짧은 순간에 나타났다 사라지기를 되풀이하고 있었다. 오늘날의 우주 안에서도 이러한 양자 요동이 계속된다고 생각하지만 이것은 아주 순식간에 일어나기 때문에 우주에 어떤 영향도 끼치지 않는다. 그러나 만약 137억 년 전에 어떤 특별한 양자 요동이 일어났다가 사라지지 않았고, 갑자기 거대하고 폭발적인 팽창을 하였다면 오늘날 우주와 같은 것이 생성되었을 수 있다고 보고 있다.
 최근에 제안된 또 다른 가설은, 우주가 4차원 시공간으로 두 개의 5차원 구조의 교차점에 존재하는 일종의 막이라는 것이다. 두 개의 비누 거품이 서로 맞닿아 붙은 상태를 생각해 보라. 거품이 교차하는 면은 두 개의 3차원 구조 사이의 2차원 면이다. 막 가설이 옳다면 빅뱅이라는 사건은 두 개의 막이 서로 접촉하는 순간을 의미한다. 그러나 이러한 가설들 중 어느 것도 지금까지 실험이나 관측을 통해 확증된 바가 없다.
 과학적으로 빅뱅 이전에 무엇이 있었는지 묻는 것은 불가능하다. 왜냐하면 빅뱅이 일어나기 전에는 시간 자체가 존재하지 않았기 때문이다. 그것은 마치 북극점에서 더 이상 북쪽이 없는 것과 같다. 지구가 북쪽으로 더 이상 연장되지 않는 것과 마찬가지로, 최초의 순간에 '이전'이란 없는 것이다. 그러나 만약 막 이론이나 끈 이론에 따라 하나 막 이론이나 끈 이론에 따라,이상의 우주가 존재한다고 상정할 수 있다면, 우리의 우주 이전에 다른 차원의 공간과 시간으로 이루어진 다른 우주가 존재했을 수도 있게 된다.

 

5. 빅뱅은 하나의 이론일 뿐인가 아니면 사실인가?
 빅뱅은 하나의 이론이다. 그러나 과학적으로 말하면, 사실보다 더 강력하다. 사실이란 하나의 정보에 불과하지만, 과학 이론은 수많은 사실이 모여서 만들어진 개념 모델이다. 그리고 이 모델은 예측과 관측 그리고 실험과정을 통해 확증된다. 과학에서 각각의 사실은 근거가 약할 수도 있고 종종 잘못된 것으로 판명될 수도 있지만, 이론은 쉽게 틀렸다고 입증되지 않으며 과학적 증거에 의해 굳게 지지받는다.
 빅뱅 이론의 경우 탄탄한 과학적 증거에 의해 지지를 받으며, 그 기본 개념은 이미 과학적으로 옳다고 판명되었다. 그러나 모든 과학의 주요 이론들처럼 많은 세부적인 부분이 아직 증명되지 않았고 또한 아직도 많은 질문들에 대한 대답이 부족하다. 아직도 밝혀지지 않은 수많은 중요한 문제들은 과학자들에게 그 답을 찾게 하고 새로운 발견을 하게 하여 궁극적으로 우주를 이해하기 위해 노력하도록 만든다.