우주의 탄생

우주모형은?
(1) 우주론적 원리(이유에 대한 아무근거도 없음니다)
a.프리드만 우주모형 : 우주공간은 균일하고 등방적 이라고 가정하며, 우주의 시공간 기하와 우주공간의 내용물에 대한 많은 정보에 대해 구체적인 결론을 유도하게 하였습니다.

b.표준모형 우주론:
약10의 10승년 전에 극히 높은 밀도와 고온의 상태에서부터 대폭발(빅뱅, 초신성 폭발과는 다름)을 거쳐 팽창을 시작하여 현재 계속 팽창하고 있으며, 현재의 우주의 질량밀도를 정확히 결정하는 문제(중성미자의 질량여부와 암흑물질의 질량 여부에 의존)에 따라 평평한 우주(0에 가까운 팽창률), 열린 우주(제한 없는 비율로 계속 팽창), 닫힌 우주(최대팽창이 멈추고 다시 수축)가 결정된다는 우주모형입니다.
리만의 시공간의 개념에 입각한 새로운 우주모형으로 어느 한 순간에 우주는 4차원 유클리드 공간내의 구의 표면으로 이루어지는 3차원 공간으로 나타나며 이 3차원 공간 내에 물질이 대체로 균일하게 분포되어 있고, 4차원 구의 반경에 의해서 결정되는 우주공간의 크기는 유한하면서도 어디에도 우주의 끝이라고 할 만한 경계가 없는 모형입니다.
표준모형의 가치는 실험치 또는 관측치를 해석할 수 있는 이론적 배경을 제시하고 실험(관측)의 방향을 제시하는데 있습니다. 우주론을 추상적인 논의의 단계로부터 실제로 이론치와 관측치의 비교가 가능한 진정한 의미의 과학의 단계로 올려놓은 것입니다. 이것의 옳고 그름은 현재로서는 단정할 수 없습니다.

(2) 캐스너 우주모형(균일하지 않고, 등방적 이지 않는 우주모형입니다.)
우주론적 원리는 우주초기로 올라갈수록 전우주공간은 서로 정보교환이 불가능한 더 많은 개수의 단절된 영역으로 분리되는 부자연스러운 일이 일어나는데 대한 대안으로 제시된 모형입니다. 비대칭-대칭의 변환 연구와 계속해서 팽창하는 우주공간 모형(3축 중 한 축은 시간에 따라 줄어듬)을 제시한 모형입니다. 이것의 옳고 그름은 현재로서는 단정할 수 없습니다.


대폭발(빅뱅)설에서는 대폭발 이전에는 공간은 물론 시간과 물질도 존재하지 않다가(특이점)대폭발에 의해 우주의 이 모든 것이 함께 시작되었다고 말합니다.
시간도 공간도 물질도 없던 절대 무의 상태(허수시간)에서 양자역학적 요동에의해 대폭발로 인하여 비로소 시간이 흐르게 되고, 물질이 창조되고, 공간이 생겨나게 되었다는 것입니다. 태초에 시간 공간 물질의 창조가 있었다는 것이 빅뱅우주론의 요점입니다.
*과거 초기 우주의 모습은 대통일장 시기에 10의-52승의 오차범위 내에서 거의 완벽한 '편평'우주에 다가가는 구조를 지니고 있음을 예측할 수 있습니다(초기 우주의 편평성 문제(the flatness problem))
*빛이 도달할 수 없는 거리에서 발생한 이 복사선이 우주배경복사에서 알 수 있듯이 어떻게 한결 같은 온도를 질 수 있는가? (우주지평선 문제(the horizon problem))
*우주 상전이 현상으로 대량 발생해야할 자기 단극자가 왜 관측되지 않는가?(자기 단극자 문제(the monopole problem))
c: 인플레이션(inflation)우주론
1981년 미 MIT대 알란 구스는 인플레이션(inflation)우주론모형을 제시하였습니다. 빅뱅 직후 10의 -35승에서 -33승 초 사이에 우주가 적어도 한 번의10의30승 배 팽창인 인플레이션(inflationㆍ초팽창)이 일어났다는 가정으로부터 제시된 우주모형 입니다. 초팽창은 우주의 계속적인 팽창(150억년)과 멀리 떨어져 있는 우주배경복사를 설명을 합니다.
미국 스탠드포드대 안드레이 린드는 복합우주론모형을 주장하였습니다. 양자물리학에 근거해서 빅뱅 직후 우주가 초팽창을 시작할 때, 수많은 우주가 프랙탈 형태로 싹텄다는 것입니다.
*우주가 폭발의 결과라면 과거 언젠가 n차원 시공연속체상의 그 시작점이 있어야 하고, 시작점이 있다면 그것은 무엇에 의한 것인가?
*대폭발에 의하여 아름다운 질서(은하의 생성과 운행 및 정교한 균형 상태)와 복잡한 조직을 갖는 현재의 우주가 되었다는 것과 열역학 제2법칙은 어떤 관계가 있는가?

d. M이론
끈이론에서 우리는 10차원시공간(=11차원 공간)의 세계에 존재한다고 합니다. 우리가 3차원에 시간을 더한 4차원의 공간에 살고 있고, 6개의 여분의 차원이 직접 눈으로 확인할 수 없을 만큼 작은 구체 내에 얽혀 있다고 가정합니다.

e. 우리우주의 프렉탈 혹은 혼합된 여분의 차원
1999년 하버드 대학의 리사 랜달과 존스 홉킨스 대학의 라만 선드럼이 무한한 4차원의 존재 가능성을 처음으로 제기했으며, 여분의 차원이 눈으로 볼 수 없을 만큼 작지 않을 수도 있다는 가능성에 대한 최초의 연구였습니다.
이 가설은 오직 중력 양자만이 여분의 차원으로 이동할 수 있다면 여분의 차원은 완벽하게 직선을 이루며 무한히 뻗어 있을 수도 있으며, 우리는 이를 확인할 수 없습니다. 몇 가지 변형된 이론에서는 두 개 또는 세 개의 여분의 차원을 다루고 있습니다. 이 가설은 어렵긴 하지만 수학적으로도 완벽하게 적용됩니다.
여분의 차원은 두 개의 4차원 공간이 존재해서, 하나는 우리가 살고 있는 세계이고 다른 하나는 우리 세계로부터 1mm 정도 떨어진 곳에 똑같은 모습의 다른 브레인이 존재하는 또 하나의 세계라는 것입니다. 이 두 개의 브레인은 2차원의 면으로 연결되어 있고 따라서 4+4+2=10차원이 되는 것으로 차원만은 끈 이론과 같습니다.


우주의 크기가 150억광년이라고 할 때는 인간이 관찰할 수 있는 크기 한계라는 의미를
갖고 있는 것입니다. 보통 퀘이사(Pulsar)가 방출하는 전자기파의 적색편이와 밝기관찰로 허블의 법칙을 통하여 그러한 결과를 도출해 냅니다.

현대의 우주모형들 중에는 프리드만 우주모형(우주공간은 균일하고 등방적이라고 가정)
,표준 우주모형(빅뱅설 지지), 캐스너 우주모형(우주 공간이 균일하지 않고 등방적이지 않다고 가정)등이 있고 표준우주모형이 대체로 받아드려지고 있지만 이것의 옳고 그름은 현재로서는 알 수 없다고 했습니다.

어쨌든 이 표준우주모형에 따르면, 어느 한 순간에 우주는 4차원 유클리드 공간내의 구의 표면으로 이루어지는 3차원 공간으로 나타나며, 이 3차원 공간 내에 물질이 대체로 균일하게 분포되어 있고,4차원 구의 반경에 의해서 결정되는 우주공간의 크기는 유한하면서도 어디에도 우주의 끝이라고 할 만한 경계가 없는 리만시공간의 개념에 입각한 우주모형이 됩니다.

아인슈타인의 일반상대론은 근원적으로 중력질량이 관성질량과 같다는 등가의 원리로 부터 출발합니다. 중력장은 시공연속체(4차원 민코프스키 공간, 리만 기하학을 따름)의 계량구조를 바꾸어 놓을 뿐아니라 그것을 결정하기까지 합니다. 빛은 이 최단거리를 잇는 궤적(측지선)을 따라 진행하는데,우리의 공간이 얼마나 굽어있는지를 나타내는 정도는 곡률텐서라고 하는 리만-크리스토펠(Riemann Christoffel)텐서라는 수학적 량에의해 정해지게 됩니다.
우리 우주공간은 4차원적으로 보면 굽어 있기 때문에 빛은 아무리 반듯이 가도 휜 공간으로 진행하고 있는 것입니다.

그래서 아인슈타인이 주장한 우주는 우주공간의 크기는 유한하면서도 어디에도 우주의 끝이라고 할 만한 경계가 없는 우주가 된다는 것 입니다.

저도 예전에는 그런 의문을 많이 가졌던 사람인데요..
빅뱅이론은 그리 오래된 이론은 아닙니다. 지금 그것이 정설로 받아 들여지고 있다고 하지만 누구도 모르는 거죠. 일단 질문에 대한 답변을 먼저 해드리죠.
뉴턴잡지는 저역시 2년전까지만 해도 매월 모으던 것입니다만 지금의 이야기가 금년 2월호에만 있었던 것은 아닙니다. ^^;;
우선 터널효과라는 것을 저역시 자세하게 설명해 드리지는 못하겠습니다. 그런데 이런 말이 있죠. '우주는 무에서 탄생했다.' 즉, 우주는 아무것도 없는 상태에서 어느 순간에 고 에너지의 입자가 터널효과로 인해서 만들어졌다는 것입니다. 그 발생된 시간이 계산된 것이 있는데 그것은 지금 저도 자료가 없어서 잘 모르겠습니다. 그런데 이게 터널효과로 발생된 것이 우연이 아니라는 것을 과학자들은 주장합니다. 왜냐하면 그 터널효과라는 것이 발생하기 위해서는 어떤 조건이 필요하다는 것이죠. 그 조건이 어떤 계기로 인해서 만들어졌다고 하는데, 아무튼 결론은 우주는 무에서 탄생되었다는 것입니다.

그리고 우주가 지금은 팽창하지만 앞으로 수축된다고 말씀하셨는데, 요즘에 새로운 이론이 나왔습니다. 물론 요즘이라고 해도 벌써 몇년전 이야기이지만 우주는 수축하지 않고 계속 팽창해 나갈 것이라는 것이죠. 새로운 우주를 만들면서. 이러면서 웜홀이론과 자식우주론이 탄생됩니다. 자세하게 설명은 하지 않겠지만 간단하게 말하면 웜홀은 블랙홀과 화이트홀에 의해서 생성되는 것으로 어떤 어미우주가 있으면 그곳에서 고에너지의 축적으로 인하여 벌레먹은구멍(웜홀)이 생기고 자식우주가 탄생된다는 것입니다. 그런데 이 이론에서 재밌는 사실은 그정도의 고 에너지가 축적될 만한 곳이 어디냐는 의문이 듭니다. 그곳은 블랙홀이라는 것에 결론이 도달했죠. 이것이 스티븐호킹박사가 내세운 블랙홀 우주론의 기본구조로 알고 있습니다. 그리고 그렇게 고에너지로 인하여 생긴구멍 중 블랙홀의 반대쪽은 화이트 홀이라고 해서 들어가지 못하는(블랙홀을 못 빠져 나가니까 당연한 이야기지만)공간이 탄생하죠. 그래서 우리 우주가 탄생하는 원인이 블랙홀로 인한 고에너지 축적에서 탄생된 것일 수도 있습니다. 다만 제가 처음에 답한 질문은 그럼 최초의 우주는 어떻게 생겼을까? 의 답변일 뿐입니다.

또 우주의 수축이론은 어떤 것인가 하면 아마 중력이 미치는 힘을 계산한식을 과학시간에 배우셨을 것입니다. 만유인력의 법칙이 이런 종류에 속하죠. 하지만 만유인력만이 아니라 모든 인력의 종류에는 비슷한 원리의 힘이 작용하죠. 이게 아인슈타인이 생각했던 대통합이론입니다. 아무튼 거리의 자승에 반비례해서 힘이 작용한다고 아마 배우셨을 것입니다.(r^2에 반비례) 이것으로 약간 설명할 수 있는데요. 어떤 힘이라도 중력권을 벗어날 수 없다는 생각입니다. 아무리 거리가 멀어져서 중력이 0에 가까워진다고해도 결국은 0이 아니라는 생각에 의거한 이론이죠. 그리고 그러면서 설명된 어떤 그래프가 있는데, 우주가 정속도로 계속 팽창하기 위한 어떤 임계선인가? 그것이 아마 책에서 나왔을 것입니다. 그 속도이상이 된다면 우주는 수축하지 않고 계속 팽창할 것이라고 하는 것이죠. 하지만 앞서 말했듯이 어떤 중력에 반하는 힘을 가해도 결국은 그 에너지를 잃고,(팽창하는 것도 에너지가 발생하기 때문에)그 에너지가 결국 최초의 그 당기는 힘을 당해내지 못할 때, 결국은 수축된다는 것이죠. 아마 임계선의 원리는 탈출 속도와 관계가 있었던 것으로 기억합니다. 그래서 다시 수축을 하는데, 그 수축하면서 에너지를 다시 회수하고, 결국 다시 하나의 점과 같은 입자로 모인다고 합니다.(이 입자의 크기도 있습니다만 역시 지금은 자료는 없습니다.)그렇게 다시 고 에너지를 축적하면서 무로 돌아간다는 것이죠. 그래서 다시 어떤 조건이 맞았을 때, 우주는 다시 탄생한다는 이론이 바로 그 이론입니다.

그런데 이 이론을 뒤엎은 것이 그 에너지는 없어지지 않는다고 생각한 것 때문이죠. 그 탈출하고자 하는 에너지는 계속 공급받기 때문에 결국은 수축되지 않고 계속 팽창한다고 주장한 것입니다. 이것은 블랙홀에서 계속해서 에너지를 흘려보내주기 때문에 그렇게 계속 흘려보내주는 한은 계속 팽창할 것이라는 것이죠. 그리고, 그것이 아니라고 해도 우주 자체내에서 새로운 에너지를 만든다는 생각도 있었던 것으로 기억합니다만 정확한 것은 아닙니다. 저역시 자세히 기억하지도 못하고, 지금 그 자료가 있는 것도아니어서요.
그리고 나중에 시간이 물질 때문이라는 것은 잘 모르겠습니다만 초끈이론이 아닐까 라는생각을 해봅니다. 제가 그곳까지는 자세하게 알지 못합니다만 (거의 이 부분은 읽어본 적은 없습니다) 이 이론에 따르면 우리가 살고있는 공간은 26차원의 세계라고 합니다. 그중에서 어떤 기준으로 10차원의 세계와 16차원의 세계로 나뉜다고 하죠. 그리고 스티븐호킹박사가 내세운 이론중에 우리 지구는 13차원이라는 말이 있습니다.(맞나? 13차원이...)아무튼 그 박사의 이론에 의하면 우리가 보는 지금의 모습은 우리의 실제모습이 아니고, 우리가 만약 이 3차원의 틀을 깰 수 있다며 우리의 실제의 모습을 볼 수 있을 것이라고 말합니다. 그리고 재미있는 것은 4차원을 시공간이라고 부른다는 것을 아실 것입니다. 5차원은? 시간을 한번 더 곱합니다. 저역시 거의 여기까지밖에 알지 못합니다. 하지만 이것으로 추측해 볼 때, 우리가 살고 있는 이 세계는 공간만이 전부가 아니고 시간역시 유기적으로 변할 수 있다는 것을 의미합니다. 공간은 곧 입자와 같이 부피가 있는 것이죠. 결국 시간역시 어떤 물질처럼 구성되어 있다는 것인데요. 이것은 역시 차원이 높아져야만 알수 있는 현상으로 스티븐호킹박사의 주장이나 초끈이론의 영역에서 설명이 가능할 것 같습니다. 참고로 초끈이론이라는 것은 말그대로 우주의 모든 힘과 현상은 한아의 초(super)끈이라는 형태로 존재하며 이 끈이 우주의 모든것을 말해준다는 것이죠. 만화책을 좋아하시는지 모르겠습니다만 오나의 여신님에서 보면은 중간에 대마왕 무엇인가가 나와서 초환(초끈)을 끊어버리고자 합니다. 그리고 그것을 재구성하고자 하는 대목이 나오죠. (뭐 그러면서 스쿨드에게 그 끈을 끊을 수 있는 낫을 만들라고 합니다만) 이것은 초끈이론에서 그 끈은 하나의 고리처럼 연결되어 있음을 이야기합니다. 그리고 우주는 그 끈이 끊어지지 않는한은 계속될 것이라는 거죠.
저역시 초끈이론은 아직 자세히 몰라서 설명이 더는 불가능 할 것 같습니다. 집에 자료는 있기는 있는데요, 시간이 없어서 못 읽었고, 지금은 그 자료마저 없어서 뭐라 답해드리기 힘드네요.

말이 길어졌는데, 명확하게 다 답해드리지 못한것은 죄송합니다. 도움이 되었으면 좋겠네요.

에... 쉽게 설명하면 양자학에서 말하는 터널효과로 인해 생겼다고들 합니다..

그림으로 설명하면 좋은데... 스캐너가 없어서 책 그림을 못올리겠네요...

일단 터널효과란 원자보다 작은 미시세계의 입자가 마루를 빠져나간다는 것을 터널효과라고 합니다.

여기서 마루는 파동의 중심선보다 낮은곳을 의미합니다...

제가 자세히 설명을 잘 못하겠으나 종교적으로 해석을 하지 않아도 충분히 설명 가능합니다...

자세한 내용은 과학잡지'뉴턴'의 2004년 2월호에 실려 있습니다...

나중에 쪽지 주시면 pc방같은곳에서 스캔해서 올려 드리겠습니다...