정상우주론이 우주초기에 초고온상태였다?

빅뱅일어나기전에는 초고온이였는데 일어나고 팽창하니까 감소한거죠

음... 일단 서양사 우주론 전체의 역사에서부터 전체 답변을 끌어가는 것으로 하고...

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[1] 단일 우주론 - 천상의 세계론

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고대 그리스에서는 우주는 이데아론을 근간으로 하는 이상의 세계였고 , 후세에 기독교가 득세함에 따라서 이 이 고대 그리스의 이데아의 세계는 신의 세계로 타이틀만 바꾸게 되었습니다.

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그리고 이러한 천상의 우주론을 끝낸 사람이 바로... 천상의 법칙과 지상의 법칙을 하나의 만유인력의 법칙으로 통합한 뉴턴이죠.

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[2] 단일 우주론 - 우리 은하론

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뉴톤 이후 우주는 은하수 (Milky Way) 라는 하나의 은하로 이루어졌다고 생각되었죠.

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여기에 태클을 건 사람은... 그 유명한 철학자인 엠마누엘 칸트가 섬우주론이라는 우주론을 꺼내 들어 반기를 들어 보았지만 , 칸트는 이래라 저래라 철학자인 분이시라서... 과학적인 근거를 낼 수 없어서 그냥 이견의 한 종류로 여겨졌지요.

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이런 우리 은하론을 끝장낸 것은 바로 애드윈 허블이 안드로메다의 거리를 산출하여 , 우리 은하 내부에 있던 안드로메다 성운이라고 생각했던 것이 실제로는 우리 은하 밖의 외부 은하인 안드로메다 은하라는 것을 밝혔을 때 였습니다.

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그리고 애드윈 허블은 일약 천문학계의 스타가 됩니다.

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[3] 단일 우주론 - 정적 우주론

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이 우주는 이전에도 그대로였고 , 앞으로도 영원히 그대로인 정적인 상태의 우주라는 이론인데... 이걸 실질적으로 주장한 사람은 사실 알버트 아인슈타인 밖에 없었다고 봐도 무방합니다.

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단지... 당시 그 당시 상대성 이론으로 워낙 압도적인 포스를 품어내던 아인슈타인이라... 아인슈타인이 주장했다고 해서 대부분 사람들은 그걸 믿었죠. 뭐 아인슈타인의 주장이 일반 대중들의 희망사항을 그대로 표현하기도 했고...

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하지만 아인슈타인은 자신이 만든 중력장 방정식에 발등이 찍혀버렸죠.

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[4] 우주론의 대립 1 - 정적 우주론 vs 팽창 우주론

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아인슈타인의 중력장 방정식은 다음과 같습니다.

이게 중력장 방정식인데... 보통 이건 못풉니다.

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예... 아랫첨자 μν 가 들어간 항은 전부 텐서라는 것으로 기본적으로 이게 행렬항입니다. 그리고 이러한 행렬항으로 구현된 수식은 이 행렬항의 각각의 요소가 어떤 형태로 정렬되어 있지 않으면 못 풉니다.

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아인슈타인도 이 방정식을 자신이 만들었지만 못 풀었습니다.

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헌데... 이 방정식을 행렬항을 대칭성이라는 개념을 이용하여 정렬해버림으로서 풀어버리는 능력자가 등장하기 시작합니다.

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대표적으로 블랙홀의 슈바르츠실드... 그리고 지금 현재에도 우주론에 있어서 지배방정식이라고 할 수 있는 방정식인 , 프리드만 방정식을 만든 프리드만 입니다.

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여기서 잠시 샛길로...

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아주 예에전에 저보고 물리학을 어느 정도 알고 있냐고 물어본 사람이 있었던 것 같은데... 대충 안다고 이야기 했죠.

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그때 그 사람은 제가 무슨 겸양하고 있는 것처럼 생각하는 것 같은데... 제가 무슨 평가에 겸양을 하고 그런 타입은 아닌 것 같은데... 예... 그게 진짜 그대로의 평가입니다.

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예... 물리학은 자세히 가르쳐 달라고 하면 할 수 록... 그 원리가 간단해지면서 이해가 쉬워지는 학문이 아니라 오히려 복잡한 수학이 난무하면서 난이도가 기하급수적으로 올라가는 학문이라서.. 어느 정도 깊이 들어가면 저한테는 외계어입니다.

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왜 잠시 샛길로 샜느냐? 혹시 프리드만 방정식을 자세히 설명해달라는 사람이 있을까 싶어서 미리 적어 놓는 것인데... 이 수준도 이해가 안되는데 프리드만 방정식을 자세히? 본인의 능력을 너무 과대평가 하는 것 같은데요?

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일단 미리 적어는 보도록 하죠.

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프리드만 제 1 방정식

프리드만 제 2 방정식

이걸 풀어보시겠다고요? 말리지는 않겠습니다.

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그리고 당시의 주어진 값 만으로 이 방정식을 풀이했을 때에 나오는 값은... 우주는 영원히 팽창한다고 나옵니다.

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그 결과는... 아인슈타인을 격노시켜 자신의 방정식에 우주상수라는 것을 집어넣게 만듭니다.

참고로 요즘에 사용되는 아인슈타인의 중력 방정식은 이쪽일 것 입니다.

예... 처음 우주상수를 집어넣은 수식은 프리드만 방정식 자체를 성립 못하게 만든 것 이고 , 두번째 우주상수를 계량텐서의 계수로 만든 수식은 프리드만 방정식이 성립되는 방식입니다.

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한편 이렇게 아인슈타인 - 프리드만의 전선에서 또 한명의 불운한 천재 과학자가 끼어들게 되죠. 바로 조르쥬 르메르트 입니다.

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조르쥬 또한 아인슈타인의 중력장 방정식을 풀어서 프리드만과 같은 결론을 내었는데... 문제는 르메르트의 방식은 아인슈타인이 우주상수로 꼬장을 부려도 풀어버릴 수 있는 방식이라고 알고 있습니다.

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그래서 아인슈타인도 르메르트에게 너의 수학은 완벽할지라도 물리학은 저열하다... 같은 소리를 날릴 정도였죠.

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하여간 이렇게 왠 꼰대 한 명이 과학의 발전을 가로막고 있는 상황에서 결론을 낸 것은 다름아닌 또다시 애드윈 허블 이었죠.

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예... 적색 편이라는 도저히 부정할 수 없는 명백한 증거를 들이민 것 입니다.

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[5] 팽창우주론의 승리 , 그러나 다시 우주론의 대립 - 정상우주론 vs 빅뱅우주론

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적색 편이라는 우주 팽창의 증거는 , 저 철벽같았던 아인슈타인의 아성조차 무너트리며 우주가 팽창한다는 사실 자체는 이제 어느 누구도 부정할 수 없는 대세가 되었습니다.

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문제는 그것을 주도한 에드윈 허블이 허블의 법칙이라는 것을 만들고 우주 팽창률을 역산하면 우주의 나이가 나오는데 그 때 당시로는 그게 30억년 , 40억년 , 90억년... 이런 식으로 중구난방하게 나와버렸다는 것 이었죠.

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예... 지구의 나이가 45억년 추산인데 , 지구의 나이보다 우주의 나이가 더 적은 역설적인 상황이 나와버렸던 것 입니다.

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그리고 그 결과가 우주론이 두개로 분리되어 버렸던 것 입니다.

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중구난방하게 나온 우주의 여러 나이는 측정 오류일 따름이고 , 실제 우주는 태초의 한 시작에서부터 출발하여 여기까지 팽창하였다. - 빅뱅 우주론

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우주는 팽창하면 팽창할 수 록 뫼비우스의 띠처럼 순환하는 구조로서 우주는 외곽으로 가면 갈수록 아주 미세하게 생성되는 입자가 점점 커짐으로 어느 순간 정상 상태가 됨으로서 지금의 우주에 편입이 된다. 그 결과 지금 우리가 살펴보는 우주는 30억년 전에 정상 상태가 됨으로서 우리 우주에 편입되었고 지구는 45억년 전에 정상 상태가 됨으로서 우리 우주로 편입이 되었다. - 정상 우주론

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음... 정상 우주론에 대해 개념적으로 가장 유사한 우주론을 들자면... 시뮬레이션 우주론이나 다중우주론 뭐 이런 쪽이겠죠?

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뭐 지금도 에너지 보존 법칙따위는 개무시하고 우리의 선택에 따라 우주 전체가 분화하고 같은 개소리가 나오는 와중이니 사실 물질이 우주의 끝에서 계속 생성되고 있다는 정상 우주론은... 지금에 이르러서는 아주 애교스러울 따름이죠 뭐.

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하여간 이미 에드윈 허블의 우주 팽창은 이미 대세이고... 허블을 중심으로 하는 미국 국내파 천문학계는 프레드 호일을 내세워 정상 우주론을 설파하고 있었고 , 독일계 유태인이었던 아인슈타인을 중심으로 하는 미국의 해외파 천문학계는 당시 예전에 자신이 미친듯이 깠던 조르쥬 르메르트를 내세워 빅뱅우주론을 내세우고 있었던 상황이었는데...

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조르쥬 르메르트는 허블보다 2년 먼저 팽창우주론을 주장했지만 , 허블이 허블의 법칙을 발표한지 2년 후 미국 학계에 자신의 논문을 개제하게 되었을 때에 스스로 허블의 법칙과 겹쳐서 논란이 될 수 있는 부분을 빼버리고 오히려 빅뱅 우주론은 러시아계 미국 해외파 천문학자였던 조지 가모프에 의해 본격적으로 떠오르게 되었습니다.

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정상우주론과 빅뱅우주론의 가장 큰 차이점은? 바로 초기 상태입니다.

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정상우주론은 정적 우주론의 우주 팽창 버전이라고 할 수 있을 정도로... 우주는 팽창하지만 우주의 상태 자체는 지금도 그렇고 앞으로도 영원히 똑같은 상태라는 것을 전제하고 있고...

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빅뱅우주론은... 초기 상태가 극도의 고밀도 플라즈마 상태였을 것 이라는 사실을 전제하고 있습니다.

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그리고 이게 운명을 갈랐죠.

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펜지어스와 윌슨이 발견한 우주 배경 복사는 이 우주가 한때 극도의 고밀도 플라즈마 상태였다는 것을 나타내는 확실한 증거였던 것 입니다.

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우주 배경 복사에 대해 알지 못하는 내용은 크게 두 가지일텐데...

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첫번째는 이게 도대체 뭘 의미하는지 모를 때...

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예... 어떤 1 × 1 × 1 세제곱미터 크기의 박스 안에 엄청나게 백만도 정도되는 고밀도의 플라즈마를 집어넣는다고 하면 , 이 박스 안에는 이 백만도의 온도를 가진 흑체가 있다고 했을 때에 내는 전자기파가 가득 차게 됩니다.

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이걸 2 × 2 × 2 세제곱 미터 크기의 박스로 커졌다고 한다면 온도는 대략 한 8분의 1정도로 줄고 , 박스 안에 있는 전자기파도 줄어들게 될 것 이며 , 그 주파수는 대략 8분의 1 정도의 온도로 줄어든 흑체가 내는 전자기파와 같습니다.

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예... 이게 에너지 보존 법칙에 따라 원래는 부피와 그 부피 내부에 있는 플라즈마의 양이 주 변수인데 , 그 부피와 내부에 있던 플라즈마의 양을 모를 때는... 이렇게 온도와 그 온도를 가진 흑체가 내는 주파수 만으로 역산하여 계산할 수가 있습니다.

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두번째는 그럼 지금은 우주 배경 복사 이외의 복사 파장은 안내느냐?

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답은 상황 봐서입니다.

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흑체 복사의 조건은 모든 경우에 다 해당됩니다. 따라서 우주 또한 절대온도 2K 정도의 흑체 복사는 꾸준히 내놓습니다. 하지만 우주의 온도가 절대온도 2k 정도인데 그보다 높은 2.7 K에서 3.7 K 정도의 흑체 복사 주파수를 내놓지는 못합니다.

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반면 태양이나 항성같은 열원은? 엄청나게 높은 온도의 흑체복사를 내놓고 있죠.

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예... 흑체복사파장 자체는 나오는데 우주 배경 복사와 같은 복사 파장은 물리적으로 내놓지 못한다고 봐야 맞겠죠.

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우주배경복사는 이렇게 우리 우주가 한때 고밀도의 플라즈마 상태였다는 것을 상징하는 매우 강력한 증거였지만 그당시 미국 국내파 천문학계가 ... 명왕성을 발견한 톰보와 같은 꼴통들이 좀 많았죠.

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그래서 증거가 또하나 더 필요한 상황이라고나 할까? 그런 상황에서 조지 가모프가 자신의 논문에서 중성자의 보존에 관련된 양성자 중성자간의 질량비에 대한 논문이 내었습니다.

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이 문제를 살펴보기 위한 가장 중요한 키포인트는 바로... 중성자는 반감기를 가지고 있다는 사실 입니다.

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예... 중성자는 자연상태 그대로 놓아두면 몇 분 내에 양성자와 전자로 분리가 되어 버립니다.

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반면 양성자는 반감기가 있는지는 모르겠는데 적어도 양성자가 자연상태에서 무언가로 변한 적은 단 한 번도 관측되지 않았으며 예상 반감기도 우주 수명보다도 훨씬 길게 계산이 되어 있습니다.

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이게 무슨 말이냐? 우주 초창기의 상태 그대로 지금까지 그대로 변함없이 흘러 왔다면 이 우주에는 중성자라는 것이 있을 수가 없습니다.

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조지 가모프는 논문에서 이 문제를 지적했습니다.

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예 , 이 우주에서는 중성자가 유지되어 지금까지 존속하기 위해서는 이 우주는 초창기에 수소만이 아닌 중수소나 헬륨과 같이 처음부터 중성자를 가지고 있는 원자들이 어느 정도 필요하다는 점 이었죠.

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뭐 수치적 계산은 대충 양성자 : 중성자가 8 : 8 인데... 이중 6의 중성자가 반감기에 의해 분열하여 양성자가 되어 그 갯수비는 14 : 2 가 되었고... 이 상태에서 남은 2의 중성자는 헬륨이 되어 존속하기 위해서는 2의 양성자를 받아 와야 하니까 결국에는 수소와 헬륨은 12 : 4 의 바리온 갯수 비가 되어야 한다...

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뭐 이거겠죠? 헌데 중요한 것은 사실 이게 아니라...

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중성자가 헬륨이 되는 현상은... 물질이 고밀도의 플라즈마 상태에 있어야만 가능한 현상이라는 점 이죠.

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예... 우주배경복사는 이후 자신들도 관측을 했고 무엇보다 정상 우주론은 중성자를 보존할 수 있는 방법을 언급하지 않는 관계로... 억지로 우기면 어찌어찌 우길 수 있을지 모르겠지만 물리학적으로 완전한 패배를 맞이하게 되었습니다.