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태초의 3분 빅뱅(Bigbang) 목록

조회 : 10085 | 2006-09-05

빅뱅



 

 

스티븐 와인버그라고, 정말 유명한 물리학자가 있어요. 노벨상도 받았고, 책도 여러 권 썼죠. 그 사람이 쓴 책 중에 『태초의 3분』이라는 책이 있어요. 제목이 조금 독특하죠? 무슨 내용일까요? 네, 여러분이 생각하고 있는 것처럼, 우주 시작 후 3분 동안을 조명하여 살펴보는 책이랍니다. 우선 우주에 시작이 있다는 것부터 이야기를 해봐야겠네요. 19세기까지 과학자들은 우주에 시작이 있다는 것을 믿지 않았어요. 그건 과학자가 아닌 신학자들이나 하는 말이라고 무시했죠. 심지어 아인슈타인도 우주는 그냥 그대로 있었다고 믿었어요. 하지만 20세기 전반부에 얻어진 여러 가지 관측 결과들에 의해 우주가 ‘팽창하고 있다’는 것이 밝혀지죠. 그 중 큰 역할을 했던 사람이 바로 에드윈 허블(Edwin Hubble)입니다. 허블은 멀리 있는 별들이 우리 은하로부터 도망치고 있다는 사실을 관측해요. 그리고 관측 결과들을 모아서 1929년 발표하게 되죠. 우주가 팽창하고 있다는 사실이 무엇을 의미할까요? 비디오테이프 돌리듯 뒤로 쭉 돌려보면 한 점에서 출발했다는 의미가 되겠죠? 그래요. 한 점에 모여 있던 우주가 뻥! 하고 터져서 지금과 같은 커다란 우주를 이룬 거랍니다.

 

 

 


에드윈 허블



 

 

이 폭발을 대폭발, 혹은 빅뱅(big bang)이라고 불러요. 자, 지금부터 빅뱅이 일어난 후의 우주 모습을 한 번 살펴볼까요? 빅뱅이 일어난 바로 그 순간은 사실 우리가 잘 알 수 없어요. 엄청나게 높은 온도와 엄청나게 높은 압력 때문에 우리가 지금 사용하는 과학이 성립하지 않기 때문이죠. 그러니까 과학자들이 플랑크 시간이라고 부르는 매우 짧은 시간 후부터 다루기로 해요. 플랑크 시간은 현대 물리학에서 바라보았을 때 가질 수 있는 가장 작은 시간 단위랍니다. 보통 과학적으로 10-43초라고 부르는데, 10을 43개 곱한 것의 역수예요. 상상이 되시나요? 이 때 우주는 엄청나게 뜨겁고 엄청나게 빽빽한 상태였죠. 이때는 어떤 입자도 입자 상태로 존재할 수가 없었고, 입자들이 다 쪼개져서 빛의 형태로 있었을 거라고 추측하고 있답니다. 이 순간도 사실 우리가 정확하게 알기는 힘들어요. 단지 추측을 할 뿐이죠.

 

 

 


빅뱅



X 입자와 인플레이션
제목을 보고는 이제부터 어려운 이야기가 나올 거라고 겁먹는 친구들이 있겠는데요..^.^ 천천히 하나씩 이해하면서 읽으면 아주 재미있는 이야기들이 될 겁니다. 빅뱅으로 폭발한 우주는 그 폭발의 힘으로 팽창을 시작했답니다. 자, 어떤 물체가 팽창을 하면 어떤 일이 벌어지죠? 팽창에 에너지를 쓰기 때문에 점점 온도가 떨어지게 되어요. 에너지가 떨어지면서 우주의 나이가 10-36초가 되면 최초의 입자가 등장한답니다. 바로 X 입자와 X1 입자죠. X 입자와 X1 입자는 서로 반입자 관계에 있고, 매우 무거웠죠. 이 녀석들이 이제 스스로 붕괴하면서 쿼크와 반쿼크를 만들어내는데, 여기서 한 가지 짚고 넘어갈 점이 있어요. 만약 X 입자와 X1 입자가 같은 수로 생성되었다면 모든 입자와 반입자의 수가 같았겠죠. 그런데 그렇게 되면 입자들과 반입자들이 서로 합쳐져서 빛으로 변하게 되고, 그렇게 되면 우리의 우주는 형성될 수 없답니다. 그저 우주 안에 빛만 가득차게 될테니까요.

 

  
우주의 구성



이런 모순을 막기 위해, 사하로프(A. Sakharov)라는 과학자가 1967년 새로운 이론을 발표합니다. 입자들과 반입자들이 생성될 때 정확하게 대칭적으로 생성되지 않는다는 이론이에요. 언뜻 바로 이해하기는 힘들죠? 과학은 모든 게 대칭적이라고 이야기하니까요.





하지만 1965년 이미 자연에서 K 중간자라는 물질이 비대칭적으로 붕괴하는 것이 관찰되었습니다. X 입자라고 못 할 이유가 있겠어요? ^^; 이러한 비대칭 때문에 쿼크와 반쿼크가 생성될 때 10억 쿼크 당 하나 정도 쿼크가 더 생성된답니다. 이렇게 생긴 여분의 입자들로 지금의 우주가 구성된 거죠. 한편, 최근의 우주론에 따르면 이 시기에 인플레이션(inflation)이라 부르는 현상이 일어났다고 해요. 인플레이션. 어디서 들어봤죠? 네- 경제학에서 종종 얘기하는 단어예요. 물가가 왕창 오르는 현상을 의미하죠. 비슷해요. 우주 크기가 왕창 커진 현상이에요. 단순히 빅뱅에 의해 팽창하는 것에 비해 훨씬 빠른 속도로 우주가 팽창하게 되죠. 왜 그랬을까요? 당시에는 우주가 지금과는 다른 상태였기 때문이라고 해요. 완전히 다른 상태에서, 다른 물리학이 적용되는 그런 상황이었죠. 그 때 공간의 특성상 공간에 풀려있던 엄청난 에너지들이 우주를 왕창 크게 만들었다는 거랍니다. 그럼 지금은 왜 인플레이션이 안 일어날까요? 네, 인플레이션이 일어나 우주 크기가 어느 정도 이상이 되면 우주의 상태가 변해 버려요. 이 새로운 상태에서는 인플레이션이 안 일어나는 거죠. 그래서 지금 우리가 보는 것과 같은 우주가 된 거랍니다.

 

 

 


모식도





식어가는 우주


사실 지금까지 한 얘기는 전부 이론이에요. 어떤 실험적인 증거도 찾지 못했죠. 지금까지의 사건들은 증거를 찾기가 무척 힘들어요. 너무도 뜨겁고 너무도 빽빽한 상태였기 때문에 어떤 물리학이 성립하는지 알 수 없기 때문이죠. 하지만 앞으로 할 이야기들은 대부분 증거가 밝혀졌고, 그 결과 대부분의 과학자들이 사실이라고 믿고 있는 이야기들이에요.





빅뱅 후 1/100초 정도가 지났을 때, 우주의 온도는 약 천억 도였어요. 이 때 우주는 정말 크기가 작았고, 입자들은 빽빽하게 우주에 가득 차있는 상태였죠. 그 때의 밀도가 지금 물의 밀도의 38억 배라고 해요. 무슨 말이냐 하면, 지금 물 1 L가 1 kg인데 그 당시 우주를 1 L 떠보면 38억 kg이 된다는 말이죠. 어마어마하죠? 이 순간까지 위에서 얘기했던 과정을 거쳐 X 입자와 X1 입자가 입자들과 반입자들을 생성해요. 그래서 이 순간이 되면 쿼크, 반쿼크, 렙톤, 반렙톤 등의 ‘기초’ 입자들이 우주를 가득 메우게 되죠. 이때부터 쿼크들과 반쿼크들이 결합하여 핵자, 반핵자들을 만들기 시작해요. 에너지가 엄청 높은 상태였기 때문에 핵자들이 만들어졌다가 바로 다시 쿼크로 분리되고, 또 옆에서는 양성자가 반뉴트리노와 결합하여 중성자가 되고, ……. 이런 과정들이 눈코 뜰 새 없이 빨리 진행되어요.


상상도

 



빅뱅 후 1초가 지나면, 우주의 온도가 백억 도로 떨어져요. 이제 거의 모든 쿼크들이 반쿼크와 결합해서 빛이 되든지, 아니면 자기들끼리 결합해서 핵자를 만들든지 둘 중 하나를 택하기 시작해요. 자기 멋대로 돌아다니기에는 에너지가 많이 떨어졌거든요. 그래서 양성자와 중성자들이 생성되고, 대략 우주는 양성자 76퍼센트와 중성자 24퍼센트의 비율을 이루게 된답니다. 빅뱅 후 15초. 우주의 온도는 30억 도예요. 이제 핵자들끼리 모여서 원자핵을 형성할 수 있게 되어요. 그래서 중수소핵이나 헬륨핵 등이 만들어지기 시작한답니다. 한편, 불안정한 중성자는 양성자로 계속 붕괴해서 비율을 양성자 83퍼센트, 중성자 17퍼센트로 만듭니다. 빅뱅 후 3분 46초가 지나면, 우주는 9억 도로 식고 원자핵들이 우주의 거의 대부분을 차지하게 돼요. 그래도 아직은 전자들이 자유롭게 돌아다니고 있죠. 마지막으로, 조금 빨리 돌려서 빅뱅 후 70만년이 지나면 그 자유로운 전자들이 이제 원자핵에 사로잡히게 됩니다

  


은하



이전까지는 전자들이 우주 전체에 가득차서 돌아다니고 있었기 때문에 빛이 산란되어요. 그래서 우주 전체가 불투명했는데, 이제는 전자들이 원자핵에 사로잡혀 ‘원자’를 만들면서 빛이 자유롭게 움직일 수 있게 되고 따라서 우주가 투명하게 된답니다. 이것을 보고 우주가 ‘개었다’고 표현하기도 해요 ^^ 여기서 만들어진 원자들이, 자기들끼리 끌어당기는 만유인력으로 인해 나중에는 별과 은하를 형성합니다. 그리고 빅뱅 후 150억년, 지금 우리가 존재하게 되는 거죠.





빅뱅 이전과 현재


지금까지 빅뱅 이후 우리 우주의 역사를 간단하게 살펴보았어요. 그럼, 빅뱅 전에는 무슨 일이 있었을까요? ^.^ 그건 아무도 모른답니다. 그리고 그것은 물리학으로 다룰 수 없어요…라고 지금까지 생각해왔어요. 그런데, 최근 ‘끈 이론’이라는 훌륭한 이론이 개발되면서 그게 아니라고 하는 거예요. 그 전에도 우주가 있었다는 거죠. 그들은 그 때의 우주가 엄청 크고 엄청 차가운 상태였다고 합니다. 그 상태에서 여러 가지 이론적 연구를 해보면 그 우주가 시간이 흐르면서 결국 한 점으로 모여 뜨겁고 빽빽한 상태가 되는데, 그 상태가 빅뱅의 시작점이라는 얘기랍니다. 역시 이론에 불과하기 때문에 아직 맞는지는 모르지만, 친구들이좀 더 자라나 과학자가 되는 시점에는 친구들 중 누군가가 그것을 밝혀낼 수 있을지 모르죠…^.^


별자리



재미있었나요? 아니면 너무 어렵고 난해한 이야기로만 들리던가요? 우주의, 우리 은하의, 그 안의 지구에서, 인간들이 이 모든 것을 규명하려 하고 연구하고 한다는 것이 신기하고 불가능한 것에 대한 도전으로 보이지는 않나요? 불가능하다고 여기는 것을 가능한 것으로 입증하는 것…그것이 과학의 힘이 아닐까 생각해봅니다. 우주는 항상 우리들의 마음을 설레게 해온 존재입니다. 앞에서 이야기했지만 우주론은 매우 최근에 발전한 학문이에요. 20세기 중반부터 열심히 연구되기 시작했죠. 그래서 아직 여러분이 연구해야할 내용이 많이 남아있어요 ^^ 여러분이 이런 분야에 관심을 갖고 스티븐 호킹 박사님처럼 위대한 업적을 남기시길 기대합니다!

 

★ 카이스트 물리학과 최정모




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