우주의 시작

1. 우주는 정적인가, 동적인가?

벤틀리의 역설

중력이라는 힘은 두 개의 물체 사이에 작용하는 당기는 힘

중력이 있다면 왜 우주의 모든 물질은 서로 당기기만 하는데 왜 우주는 다 들러 붙지 않았을까?

 

올베르(스)의 역설

별빛은 사방으로 퍼져나간다.

3차원 공간상에서 사방으로 퍼져나가는 빛은 거리에 제곱에 반비례하여 빛의 세기가 약해진다.

우주에 별들이 고르게 있다면 지구를 중심으로 일정한 거리에 있는 어떤 가상의 구면상에 존재하는 별의 개수는 면적에 제곱으로 늘어날 것이다.

따라서 비록 한 별이 내는 빛의 세기는 거리 제곱으로 작아지지만 그 거리에 위치하는 별들의 개수는 거리 제곱으로 늘어나니까 별빛의 세기는 일정해야 한다는 결론에 도달하게 된다.

결국 낮이나 밤이나 똑같은 밝기가 되어야 한다는 결론인데 현실은 그렇지 않다.

 

칸트

우주에 시작점이 있는지 없는지 둘다 말이 안된다.

우주의 시작점이 있었다면, 시작하기 이전에 무한한 시간이 존재해야 한다.

그러다 어느 한 순간 우주가 존재하기로 해야하는데 우주가 그런 특정한 점에서 시작될 이유가 없다.

따라서 시작점이 있기가 쉽지 않다.

우주의 시작점이 없다면, 모든 사건 이전에 무한한 시간이 존재해야 하는데 이것도 말이 안된다.

 

아인슈타인의 방정식

중력이 있는 곳에서 시간과 공간이 휘어지고 뒤틀리는 것을 계산하기 위한 식.

이 방정식을 우주 전체에 대상으로 적용해보면 우주의 역사에 대한 단서를 물리적으로 얻는 것이 가능하다.

 

정상우주론 vs 팽창우주론

정상우주론

우주가 변하지 않는다.

아인슈타인은 정상우주론을 주장했는데, 아인슈타인의 방정식에서 우주가 팽창하는 증거를 찾을 수 있게 된다. 이에 아인슈타인은 우주상수를 인위적으러 작성하여 방정식에 넣고 계산한 뒤 우주가 팽창하지 않는다고 주장했다.

우주 상수

우주가 팽창하지 않기 위한 어떤 조건

 

팽창우주론

이 우주가 정상상태에 있기는 대단히 어렵다.

이 우주는 팽창하거나 수축하는 경우가 더 많다.

프리드만,르메르트는 아인슈타인의 방정식을 통해 우주는 한 점으로부터 시작해서 줄 곧 팽창하고 있다는 사실을 알게된다. 

이것이 빅뱅이고 우주의 시작점이 있다는 답을 찾게 된다.

 

2. 허블이 소리쳤다. 빅뱅!

할로 섀플리와 허버 커티스의 논쟁

이 우주가 우리 은하 하나만 가지고 있는지 아니면 다른 은하가 더 있는지에 대한 논쟁

할로 섀플리는 우리 은하 하나만 있다고 주장

커티스는 우리 은하 뿐만아니라 다른 은하들이 존재한다고 주장

 

헨리에타 리비트

세페이드 변광성이라고 불리는 특별한 별은 별의 밝기가 시간에 따라 변한다.

리비트는 이러한 별의 밝기가 시간에 따라 주기적으로 변화는 것을 관측하게 된다.

 

밝기가 변하는 주기와 밝기 그 자체가 서로 연관이 있다는 것을 알아낸다.

즉, 다른 은하에 있는 변광성의 주기를 통해 변광성 자체의 절대 밝기를 알 수 있다.

이는 빛의 절대 밝기로 부터 거리를 알 수 있는 표준촛불, 절대적 기준을 얻게 된다.

 

허블은 이 변광성들을 이용해서 은하의 밝기를 조사하고 안드로메다 은하가 우리 은하 밖에 있다는 사실을 알게 된다.

이는 우리 은하 말고도 다른 은하가 존재한다는 커티스의 주장이 옳다는 것을 보인다.

 

도플러 효과

소방차가 나에게 다가올 때는 소리가 점점 높아졌다가 소리가 점점 낮아지는 현상

광원이 소리를 만들어내면서 움직일 때 그것이 소리를 듣는 사람에게 다가올 때에는 주파수가 높아지고 멀어질 때에는 주파수가 낮아진다.

광원

음파 또는 파동을 밖으로 방출할 때 파동을 만들어내는 파동의 소스

은하의 적색편이 현상

빛도 파동이기 때문에 도플러효과가 적용된다.

다가오는 광원의 빛은 주파수가 높아지고, 멀어지는 빛은 주파수가 낮아진다.

빛의 주파수는 빛의 색으로 확인 가능하다. 빨,주,노,초,파,남,보 순서로 주파수가 높아진다.

이 그림을 보면 같은 패턴으로 검은색 선이 그려진 스펙트럼을 관찰할 수 있다.

검은색으로 빠져있는 부분은 각 별들의 동일한 원자들이 빛의 일부를 흡수해서 만들어진 선들이다. .

이 선들이 구조가 똑같고 빨간색 쪽으로 이동한 것을 관찰할 수 있다.

이러한 현상을 은하의 적색편이현상이라고 한다.

이는 즉, 도플러효과에 따라 모든 은하들이 우리를 중심으로 멀어지고 있다는 것을 의미한다.

 

허블의 법칙

가로축은 별이 멀어지는 속도를 세로축은 지구와 별의 거리를 나타낸다.

이는 지구에서 별까지의 거리가 멀수록 더 빠른속도로 멀어진다는 것을 뜻한다.

모든 은하들이 지구를 중심으로 멀어지고 있다는 이야기는 팽창하고 있다는 이야기다.

우주가 전체적으로 3차원으로 팽창하고 있다면 허블의 관측과 같이 거리가 멀어짐에 따라 속도가 빨라짐을 설명할 수 있다.

 

우주를 단순화 시켜서 작대기 세 개가 은하 세 개를 의미한다고 하자

작대기 세 개 사이의 거리가 동일한 비율로 팽창한다면, 멀리있는 것이 더 많이 이동한 것처럼 보이게 된다.

그 속도는 정확히 거리의 1차에 비례하게 된다. 이것을 허블의 법칙이라고 한다.

따라서 현재 우주 전체가 팽창하고 있다고 볼 수 있다.

그렇다면 시간을 거꾸로 돌렸을 때 우주는 한점으로 모이게 될 것이다.

결국 우주는 한 점, 빅뱅에서 시작되었다는 결론을 얻을 수 있게 된다.

이것을 빅뱅이론이라고 부른다.

결국,아인슈타인의 장방정식과 허블의 관측은

우주가 팽창하고 있다는 강력한 증거이자, 우주는 한 점에서 시작했다는 추론을 가능하게 하였다.

 

3. 빅뱅의 증인, 우주배경복사

가모프

한점에 우주 모두가 모여있다면 , 엄청나게 뜨겁고, 엄청나게 높은 압력이 있었을 것이다.

따라서 초기에는 물질의 형체가 아닌 거대한 에너지 덩어리로 존재 했을 것이다.

이것이 점점 팽창하며 단열팽창효과에 의해 온도가 내려가면서 물질들이 나타났다.

빅뱅 38만년 후, 가장 간단한 형태의 원자들이 나타난다.

이때 만들어진 원자는 75%가 수소였다. 그 다음 25%가 헬륨으로 다른 원자들은 만들어지지 않았다.

이것은 지금도 우주의 대부분이 수소와 헬륨으로 되어있고 그 비율이 75 대 25인 것을 설명할 수 있다.

이 때 빛도 같이 탄생하고 우주전역으로 퍼져나가며 흑체복사를 형성했다.

그렇다면 당시 생성된 빛은 지금도 우리 주위에 있을 것이고 그 빛은 우주의 온도에 따라 특정한 주파수 분포를 보이게 될 것이다. 당시 우주의 온도인 절대온도 2.73K에 해당하는 빛으로 존재하게 될 것이라고 가모프가 예측하게 된다.  

 

우주배경복사

우주공간의 배경을 이루며 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 전파

흑체복사(black body radiation)

흑체는 흡수한 에너지와 방출하는 에너지가 열평형을 이루어 일정한 온도를 유지한다. 일정한 온도를 가진 흑체의 내부에 존재하는 대전된 입자는 이에 해당하는 열운동을 하게 되는데 이에 따라 열복사가 방출된다. 이를 흑체복사라 한다.

반사의 효과를 없애기 위해 검은 물체를 고려하기 때문에 이와 같은 이름이 붙었다

열평형(thermal equilibrium)

서로 접촉해 있는 뜨거운 물체와 차가운 물체사이의 열은 이동한다. 시간이 충분히 지나 두 물체의 온도가 같아져, 더 이상 뜨거워지지도 차가워지지도 않는 상태를 열 평형이라고 한다.

흑체(blackbody)

외부에서 주어진 빛을 완전히 흡수했다가, 재방출하는 물체를 뜻한다. 

복사(radiation)

열을 전달하는 방식은 대류와 전도도 있지만, 물체가 직접 닿는 물체나 매질이 없어도 전자기파를 방출하여 열이 이동하는 것을 복사라고 한다

절대온도 0K 이상의 온도를 가진 모든 물체에 의해서 방출되는 에너지의 한 형태이다.

복사는 진공 상태인 외부 공간을 통해서 이동할 수 있는 유일한 에너지의 전달 형태이다.

이런 이유로 지구가 받는 에너지와 지구로부터 방출되는 모든 에너지는 복사의 형태로 전달된다.

 

추가설명

우리는 해에 직접 손이 닿지 않아도 햇빛을 받으면 따뜻함을 느끼는현상 또, 난로의 불빛이나 빛을 내는 전구 역시 직접 대지 않고 손을 가까이 가져가기만 해도 따뜻함을 느끼는 현상이 열복사에 의한 것임

복사에 의한 열의 이동을 막기 위해서는 물체의 표면에서 전자기파의 흡수 및 방출을 차단해야 한다. 보온병의 내부 진공층의 표면을 은색으로 칠하는 것도 은색에서 전자기파의 흡수보다 반사가 많아 복사에 의한 열전달을 줄일 수 있기 때문이다.  

반대로 검은 표면은 전자기파를 잘 흡수하고 방출한다. 때문에 주택의 지붕이나 외투가 검은색일 경우 여름에는 태양 에너지를 더 많이 흡수하고 겨울에는 더 많은 열을 잃게 되므로 에너지 측면에서 효과적이지 않다. 여름에 서늘하고 겨울에 따뜻하게 하기 위해서는 은색 또는 옅은 색이 좋다.

절대온도(absolute temperature, Kelvin temperature)

물질의 특이성에 의존하지 않는 절대적인 온도를 가리킨다.

단위는 켈빈(기호: K)이다.

이론상 생각할 수 있는 최저온도를 기준으로 하여 온도단위를 갖는 온도를 말한다

절대영도는 섭씨로 -273.15℃이다.

따라서 섭씨온도 Tc(℃)와 절대온도 T(K) 사이에는 다음의 관계가 성립한다.

섭씨와 절대온도의 단위의 간격은 같다

 

추가설명

섭씨온도의 경우 1기압에서 물의 어는점을 0℃로, 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분한 온도로 물의 특이성을 이용하여 온도를 나타낸다.

화씨온도의 경우에도 1기압에서 물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉로 정하고, 이를 180 등분한 온도로 물의 특이성을 이용하여 나타내고 있다.

하지만 절대온도는 물질의 성질에 의존하지 않는다.

절대온도 외의 대부분의 온도는 상대적인 개념을 갖고 만들었기 때문에 과학적인 계산을 하기에 무리가 따른다.

쉽게 말하면 10℃의 2배를 20℃로 볼 수 없다. 하지만, 절대온도의 경우엔 100K의 2배는 200K으로 보아도 무방하다.  

   

펜지어스-윌슨(1964)

우주배경복사를 처음으로 관측하여 노벨상을 수상했다.

통신 장비를 만들다가 모든 잡음을 없애는 작업을 했지만 여전히 존재하는 잡음이 있었다.

바로 그 잡음이 가모프가 이야기한 우주배경복사였다.

 

이후, 우주배경복사를 정밀하게 측정하기 위해 3번의 위성을 띄우게 된다.

 

코비(COBE)위성

우주배경 복사를 측정하기 위해 가장 처음 띄운 위성

이것은 우주배경복사가 정확히 이론과 일치함을 보였다.

지금 우주가 팽창할 뿐아니라 한 점에서 출발했을 때 그것이 어느 정도 크기가 되었을 때만이 생겨나오는 빛이 가질 특정한 분포를 재면서, 빅뱅이론이 옳다는 것을 알 수 있게 되었다. 

 

Wilkinson Microwave Anisotrypy Probe (WMAP)

이 위성은 하늘에 올라가서 우주배경복사뿐만 아니라 배경복사가 원래 이론과 비교했을 때 조금 어긋날 수 있는 정도도 측정했다. 

이 어긋나는 정도가 있어야지만 우주가 현재 모습으로 있을 수 있다는 이론에 따라 이 어긋남을 측정하는 것도 굉장히 중요했다.

우주의 방향에 상관없이 굉장히 균일하게 우주배경복사가 있다는 것을 확인하였고 우주 배경복사를 훨씬더 정확하게 검증했다.

 

플랑크 위성(2009)

보다 정확히 우주배경복사를 재기위해 띄웠다.

더 높은 정확도로 빅뱅이론을 입증했다는 것이 결론이다.

 

 

결론적으로

우주가 한 점에서 출발했다면 현재 존재해야하는 빛을 처음 관측한 이래 세 번의 위성이 하늘 위로 날아가서 점점 정확하게 측정을 했고, 우주가 팽창하고 있다는 증거를 이론과 정확히 일치함을 검증해냈다.

 

4. 암흑의 우주

빅 크런치(대붕괴) : 닫힌 우주

우주가 처음에 폭발했을 때, 폭발력이 충분히 강하지 않았다면 중력으로 인해 팽창하는 속도는 점점 느려지고 다시 한 점으로 모일 것이다.

 

열린 우주

충분히 강한 힘으로 폭발했다면, 또는 처음에 폭발에 대해서 안에 있는 물질의 양이 충분치 않아서 중력으로 당기는 힘이 약하다면, 우주는 계속해서 팽창해갈 것이다.

 

암흑 물질(Dark matter) 

우주를 구성하는 총 물질의 23 % 이상을 차지하고 있고, 오로지 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있는 물질을 말한다.

암흑물질의 총량은 우리가 눈으로 볼 수 있는 빛을 내는 물질보다 훨씬 많이 존재한다.

 

베라루빈(1970's)

다음과 같은 근거로 암흑물질에 대한 증거를 제시했다.

나선형 은하에서 팔이 돌아가는 속도를 멀리에서 관측했을 때, 중력은 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에 멀리있는 은하의 회전 속도는 점점 느려져야 한다고 예측(A)할 수 있다.

하지만 베라루빈의 관측결과 B곡선과 같이 거리와 관계없이 속도가 균일했다.

이는 즉, 우주에 눈에 보이지는 않지만 중력을 가진 무언가가 있다는 것을 의미한다.

이것을 Dark Matter (암흑 물질)라고 부른다.

 

우주의 역사 

빛은 속도가 유한하기 때문에 멀리 있는 별의 빛이 지구까지 도달하기 위해서 오랜 시간이 걸린다.

따라서 현재 우리가 보고 있는 별들은 과거의 모습을 보는 것이다. 예를들어 1광년 떨어진 곳에 있는 별의 모습은 1년전의 모습이다.

우리가 우주를 멀리 있는 곳까지 정밀하게 관측할 수 있다면, 우주가 지난 시간동안 어떤식으로 진행해 왔는지 알 수 있다.

 

별의 거리를 알아내기 위한 또 다른 촛불

초신성 1A 백색 왜성은 주변의 물질을 흡수해서 태양 질량의 1.44배가 되었을 때 폭발을 하는 특수한 종류의 초신성이다.

초신성은 엄청난 밝기의 빛을 내기 때문에 아주 멀리에서도 보일뿐만 아니라 특별한 조건에서 폭발하기 때문에 폭발시 밝기가 같다.

이와 같이 초신성 1A 형태의 별을 촛불로 활용하여 우주의 과거 모습을 정확하게 추적할 수 있고, 우주의 팽창양상을 시간으로 재구성 할 수 있다.

 

그 결과

기존에는 우주가 팽창하다가 수축할 수도 있고, 아니면 팽창을 계속하긴 하지만 그 속도가 점차 느려지는 형태로 팽창하는 가능성만 생각했다.

하지만, 우주가 팽창하고 있을 뿐만 아니라 그 팽창속도가 점점 빨라지고 있다는 것을 알게 되었다.

이러한 가속팽창을 설명하기 위해 암흑 에너지를 가정한다.

 

암흑 에너지

우주의 팽창속도가 느려져야 되는 이유는 중력 때문이다.

따라서 가속팽창하기 위해서는 중력과 반대방향으로 물질을 밀어내는 추가적인 힘이 있어야 한다.

이러한 힘을 암흑 에너지라고 가정한다. 

 

이 우주는 크게 세가지로 구성되어있다.

1. 우리가 눈으로 볼 수 있는 별, 가스 등의 물질

우주 전체와 비교했을 때 4%에 해당한다.

2. 암흑 물질이 우주에 23%이다.

3. 암흑에너지가 우주의 73%이다.

E=mc^2 에 따라 에너지도 물질이라고 볼 수 있다.

 

즉, 우리가 모르는것이 우주에 대부분(96%)이라는 것이다.

 

요약

1. 우주는 정적인가, 동적인가?

시간과 공간을 기술하는 아인슈타인의 중력장 방정식을 풀어보니 우주 전체를 대상으로, 우주가 팽창하고 있을지 모른다는 답이 나왔다.

우주가 팽창하고 있다면 우주가 처음에는 한점에 있었다는 이야기가 될 수 있고, 우주의 시작점이 있다는 이야기를 할 수 있게 된다. 

빅뱅이론은 이론이기 때문에 실험적 증거가 필요했다.

허블의 관측과 우주배경복사가 그 실험적 증거가 되었다.

이 두 가지가 오늘날 우리가 우주의 시작을 이해하는 가장 중요한 실험적 증거들이 된다.

우주에서 우리가 얼마나 알고있는지를 이야기할 때, 전혀 알지 못하는 부분들이 있다는 사실을 알게 되었고 그것이 바로 암흑의 세계이다. 

2. 허블이 소리쳤다. 빅뱅!

빅뱅 이론을 뒷받침할 실증적 증거

허블의 관측에서 은하 밖에 있는 존재를 알 수 있었고 더 나아가 세페이드 변광성을 이용해서 그 은하들이 우리부터 멀어지고 있다는 것도 알 수 있었다.

리비트는 세페이드 변광성의 주기와 빛의 세기가 관계가 있음을 밝혔다.

허블은 리비트가 밝힌 관계와 변광성을 절대 촛불로 활용해서 별들의 거리를 측정할 수 있었다.

도플러 효과에 의해 은하에서 관측되는 모든 빛들의 적색편이 현상을 보이는 것을 관측하고 별 들이 멀어지고 있으며, 이동한 정도로부터 은하의 후퇴속도 까지 알아냈다.

후퇴속도와 은하까지의 거리로 그래프를 그린 결과 직선이 그릴 수 있었다.

그 직선으로부터 우주가 어떤 속도로 팽창하고 있으며 멀어지는 속도가 거리에 비례한다는 것을 보아 우주가 전체적으로 팽창하고 있다는 것을 알아냈다. 

3. 빅뱅의 증인, 우주배경복사

가모프가 제안했다.

우주가 팽창을 시작한 지 38만년쯤 지났을 때 우주의 최초의 원자인 수소,헬륨같은 것들이 만들어졌고 빛도 같이 존재할 수 있게 되었다.

그때부터 존재하기 시작한 빛을 우주를 가득히 채우고 우주의 온도에 따라서 그 특정한 주파수 분포를 계속 유지한다. 그런식의 빛을 우주의 배경복사라고 부른다.

우주배경복사가 정말로 존재한다면 지금 우리 주위에도 사방 어디를 보나 그 빛이 있어야 되고 그 빛은 현재 우주의 절대 온도인 2.73켈빈의 온도로 존재해야 한다고 가모프가 이야기한다.

펜지어스, 윌슨은 우연히 우주배경복사를 관측하게 된다.

이 것을 더 정말하게 관측하기 위해 코벨 위성, WMAP, 플랑크 위성을 띄웠다.

이 위성들 모두 결과적으로 가모프가 이야기한 대로 우주에는 배경복사가 존재하고 그 배경복사의 양상은 이론이 예측하는 것과 굉장히 놀라운 정확도로 일치한다는 것을 밝혔다.

허블의 관측과 우주배경복사 이 두가지 증거가 빅뱅이론을 설명한다.

4. 암흑의 우주

우주에는 여전히 알지 못하는 것이 많다.

별들의 운동은 뉴턴의 중력법칙에 따라서 어떻게 운동할지 예상할 수 있고 별들의 질량은 별이내는 빛으로부터 추론할 수 있다.

또한 움직이고 있는 별들의 모습이나 아인슈타인의 상대성이론에 의한 별빛의 휘어짐은 계산을 통해 알 수 있다.

하지만 실제 은하의 움직임, 은하의 운동, 중력렌즈효과가 눈으로 관측해서 얻어진 질량의 양, 물질의 양으로는 설명할 수 없을 만큼 언제나 더 큰 효과가 나왔다.

즉 눈에 보이지 않는 질량이 굉장히 많이 어딘가 숨어있다는 뜻이다.

그런 물질을 일컬어 암흑물질이라고 부르지만, 암흑물질이 정확히 무엇인지는 모른다.

초신성을 촛불로 이용해서 별들의 거리를 계산하고 우주의 과거를 재구성 할 수 있었다.

그결과에 따라 우주는 팽창하고 있을 뿐 아니라 그 팽창속도가 점점 빨라지고 있다는 결과를 얻게 된다.

중력과 반대로 작용하는 추가적인 힘이 있어야 한다는 것이다.

아직까지 알지 못하는 힘을 만들어 내는 가상의 에너지를 암흑에너지라고 이름을 붙였다.

결론은 우리가 알지 못하는 두가지 물질이 있는데 암흑 물질과 암흑 에너지이다.

우주 전체를 놓고 봤을 때 우리가 알고 있는 우주 전체의 물질은 4%밖에 되지 않는다.

 출처 : 경희대학교 - 모두를 위한 물리학 (김상욱)