7. 우주의 역사 이야기 - 빅뱅부터 미래까지

어제 점심메뉴도 기억나지 않는데 우주의 역사라니!!

어제 먹었던 점심메뉴가 무엇이었는지 기억나시나요? 이렇게 우리는 당장 어제의 일상적인 사건조차 기억을 더듬어내야 겨우 떠오르는 우주의 역사에 비해서는 정말 불나방같은 존재들입니다. 그러나 분명 우리는 전 우주적인 사건의 흐름을 거쳐 지구라는 자그마한 행성에서 태어나 고작 지금 이 자리에서 하릴없이 모니터를 보며 시간을 보내고 있습니다. 우리의 미래와 과거는 비록 알 수 없지만 우주의 역사에 대해서는 그래도 많은 가설을 내놓았고 그 중에 주류라고 일컬어지는 빅뱅이론(Big-Bang theory)의 등장으로 우주의 시작과 미래의 큰 흐름에 대해서 가늠해볼 수 있게 되었습니다. 

우주의 시작 빅뱅에서초까지

사실 1초라는 시간은 인간에게 상당히 유의미한 시간입니다. 누군가는 1초사이에 벌어진 사고로 목숨을 잃기도 하고 또 누군가는 1초동안 순간적인 판단에 의해 목숨을 건지기도 하며, 4년동안의 노력이 0.001초 차이로 올림픽에서 메달의 색깔을 바꾸기도 하는 등 1초는 사람이 충분히 인지할 수 있으며 수많은 사건들로 나타나게 됩니다.

그러나 우리가 이 시점. 앞의 점을 읽기 초 전의 시간은 우리에게 무슨 의미가 있을 것인가. 정말 아무런 의미도 없을 뿐더러 그러한 시간단위는 인지할 수 없습니다. 그러나 지금으로부터 140억년 전 아무것도 없는 정말 진정한 무의 상태에서 빅뱅이라는 일상적이지 않은 사건이 일어나게 됩니다. 

왜 일어나게 되었는지, 빅뱅 그 전 상태를 우리가 어떻게 정의할 것 인지는 아직 아무도 모르지만 빅뱅이 일어나고나서부터 우주가 어떻게 변화해왔는지는 철저한 논리와 수학적인 무기로 예측해볼 수 있었습니다. 먼저 빅뱅이 시작되었는데 빅뱅은 일반적으로 대폭발이라고 생각되어지지만 사실 빅뱅은 폭발이라기 보다는 시공간의 생성과 동시에 폭발적인 확장이라고 보는 것이 맞습니다. 

빅뱅이후 초 까지의 시간동안 벌어진 일들을 설명해 줄 물리 법칙은 아직 알려지지 않았습니다. 단지 무한대의 질량을 갖고 시공간이 0인 우주의 특이점(Cosmological Singularity) 상태로 존재했을 것으로 생각됩니다. 특이점의 상태를 벗어나는 순간을 빅뱅이라 부르며 초까지의 우주의 크기는 m보다 작았을 것으로 여겨지고, 온도는 K보다 높은 초고밀도의 에너지 응축점이었습니다. 

이 시기는 우리 우주이긴 하지만 우리가 알고 있는 물리법칙이 전혀 맞지 않는, 아니 아직 물리 규칙 조차 정립되지 않는 혼돈의 시기였습니다. 현대의 우주에서 통용되는 네가지 기본 힘인 강력, 전자기력, 약력, 중력이 전혀 구분되지 않고 뒤섞여 있는 시기였습니다. 이 시기의 우주의 상태를 설명해 줄 수 있는 이론이 있다면 우리는 이 이론을 궁극의 이론(The Theory of Everything)이라고 부를테지만 언제 이러한 이론이 탄생할지는 요원한 상태입니다. 

<사진1. 진짜 빅뱅. 난 사실 우주의 미래보다 앞으로의 빅뱅 신곡이 더 궁금하다.>

빅뱅 후초에서 초까지

우주는 이 찰나의 시간동안 엄청나게 공간적 확장을 하였고, 공간이 넓어짐에 따라 온도가 내려가기 시작합니다. K로 내려간 온도와 함께 중력이 영향을 미치기 시작합니다. 이 시기를 설명해 줄 수 있는 이론을 대통일이론(The Grand Unified Theory)라고 하며 이 이론으로 거론되어 지는 후보들은 몇가지 제시되어 있지만 이것이 확실하다라고 받아질만한 이론이 확정되어 지지는 않았습니다.

빅뱅 후초에서 초까지

아직도 우주가 탄생한지 1초가 채 지나지 않았으나 이 시점에서 강력이 영향을 미치기 시작했으며, 기본소립자들(쿼크, 전자 등)이 만들어졌습니다. 그와 동시에 우주의 온도는 K로 우주의 시작에 비하여 상당히 많이 온도가 내려간 것을 알 수 있습니다.

빅뱅 후초에서 초까지

이전에 생겨나기 시작한 소립자들인 쿼크들이 강력의 힘으로 결합하기 시작하여 원자핵을 만들 수 있는 핵자들로 형성되어지기 시작합니다. 양성자와 중성자가 그 주인공입니다. 그리고 온도가 더 내려가서 K까지 내려가면서 나머지 두가지 힘인 전자기력과 약력이 모습을 드러냅니다. 전자기력이 생겨나면서 광자가 생겨나게 되고 우주는 광자,중성미자, 양성자, 중성자 등 수많은 입자들을 만들어 내기 시작합니다.

빅뱅 후초에서 3분까지

드디어 우주가 생겨난지 1초가 지나 지금까지의 존재했던 시간과 비교가 안될만큼 긴시간인 3분이 흘렀습니다. 우주는 계속해서 온도가 식어가고 K까지 온도가 낮아집니다. 그렇게 우주는 팽창하고 온도가 낮아지는 안정한 상태로 모습을 바꾸어나갑니다.

3분에서 50만년까지

이제 핵자들이 결합하여 간단한 원자핵을 만들어가고 헬륨핵이 만들어 지지만 아직까지도 우주 전체의 높은 에너지로 인해 전자와 헬륨핵이 결합하지 못하므로 헬륨원자가 되지는 못합니다. 당연히 양성자 1개와 전자 1개도 마찬가지로 결합할 수 없으므로 수소원자가 되지는 못하는 시기입니다. 온도가 드디어 우리가 조금은 인식할 수 있는 단위인 K까지 낮아집니다.

50만년에서 현재까지

우주의 온도가 많이 낮아지면서 현재의 우주의 모습이 점차 갖추어 집니다. 광자들이 자유롭게 움직이기 시작했고, 70만년을 지나 더 온도가 낮아져서 3000K에 이르면서 양성자와 전자가 결합할 수 있게되어 수소원자가 만들어 집니다. 

이 시기가 중요한것이 3000K에서 광자들이 자유롭게 활동할 수 있게 됨에 따라 3000K에 해당하는 광자들에 의한 흑체복사(Blackbody radiation)을 하게 되는데 흑체복사는 열을 갖는 물체가 발하는 광자에너지들에 의한 발광현상이고 이 광자들이 갖는 에너지에 따라 이 물제가 갖는 온도를 계산할 수 있게 되며 우주 초창기의 3000K에서 흑체복사한 광자들이 우주 전역에 퍼져있었고, 이 광자들이 우주가 팽창에 의해 발생하는 적색편이에 의해 파장이 길어지고 그러한 파장변화에 의해 3K에 해당하는 우주배경복사가 지금도 관측되고 있는 겁니다. 

흑체복사에 관한 내용은 18. 형광과 인광(1)-형광편 에서 따로 조금 더 자세히 언급했었습니다. 그리고 수소원자와 헬륨원자들이 형성되고 분자를 형성하고 가스형태로 모이면서 원시항성들이 생성되었고 시간이 지나 원시 항성들이 초신성폭발로 인해 수명을 다하면 항성내부에 핵융합반응으로 만들어졌던 무거운 원소들인 탄소 질소 철 등이 우주로 퍼져나가고 이것들이 행성을 이루고 생을 마감하는 순환을 반복하며 지금의 우주형태를 이루었습니다.

우주의 미래

우주는 그러면 미래에는 어떻게 될 것인가.. 결론은 팽창을 계속해서 나중에는 공간만 존재하는 그러한 무의미하고 추운 공간이 된다는 것인데 중력은 모든 물체가 서로를 끌어당기는 힘인데 어째서 우주는 계속 멀어지기만 하는 것일까요. 그에 대한 대답을 명쾌하게 내릴 수 없는 이유가 바로 암흑물질과 암흑에너지인데 이 두 알려지지 않은 존재들이 중력과는 반대로 작용하여 밀어내어 팽창을 가속시키고 있다는 사실입니다. 아직 암흑물질에 대하여 알려진 것이 아무것도 없기 때문에 아직도 많은 연구가 필요한 상태입니다.

이론물리는 사실 쉽지가 않은 분야이고 돈이 되지도 않을 뿐더러 소수의 천재들이 개척해나아가고 있는 현대과학의 정수 입니다. 당장에는 투자한만큼 성과를 낼수 없는 분야이지만 이 분야에서 획기적인 발견이 이루어지면 인류는 뉴턴의 만유인력과 아인슈타인의 상대성이론 이후의 또 한번의 지식의 지평을 열 수 있게됩니다. 

누군가는 이 분야에서 두각을 나타내어 문제를 해결할 것입니다. 그러나 결코 그것이 여러분과 저는 아니라는 사실은 확실합니다. 여러분 우주의 미래를 챙길 시간에 우리의 미래부터 챙겨봅시다. 우주는 수백억년 더 존재할 테지만 우리는 당장 내일 출근을 안하면 일년 뒤를 보장할 수 없습니다. 내 몸을 이루는 모든 입자들이 각성하여 저를 천재적으로 만들어 주었으면 좋겠습니다. 그러면 이런 힘든 포스팅 따위는 안해도 행복할텐데 말입니다....