빅뱅이론, 정상우주론, 우주의 탄생과 멸망-(1)

 

빅뱅 이론이란, 대폭발이라고도 한다. 인간이 관측할 수 있는 우주의 존재와 형태, 그리고 변화의 과정을 가장 잘 설명하고 있는 이론이다. 초기에는 우주의 밀도와 온도가 매우 높아서 원시 불덩이와 같은 상태에서 우주가 어떻게 팽창해왔는지에 관해 설명하는 이론이며, 빅뱅은 약 138억년 전에 나타난 것으로 알려져 있다. 우주의 시작은 하나의 점에서부터 시작되었고, 빅뱅 이후 지속해서 팽창하는 과정을 거치고 있고, 그 과정에서 우주의 질량 일부는 별이 되었고, 별의 집단인 은하가 되었다. 과학적인 이론을 통해 수백억년 정도 전의 우주의 탄생을 어떻게 알 수 있을지에 대한 의문이 무색할 정도로 과학적인 근거가 많이 존재하고 있고, 그중 빅뱅 이론은 가장 강력한 근거를 갖고 있다. 1920년대 프리드먼이라는 러시아의 수학자와 벨기에 신부 르메르트가 제안하였고, 1940년대 프리드먼의 제자 조지 가모프라는 미국의 물리학자에 의해 현대 대폭발론으로 체계화되었다. 멀리 떨어진 은하일수록 빠른 속도로 우리 은하계와 멀어지고 있다는 사실에 근거하며, 우주의 밀도는 계속해서 감소하고 있다는 것이다. 빅뱅은 우주를 채우기 위해 바깥으로 이동하는 물질의 폭발이 아니며, 오히려 우주는 팽창이 가속되고 있다. 1929년에 에드윈 허블이 은하의 적색편이를 분석하고 이를 통해 은하가 멀어지고 있는 것을 입증했고, 이는 우주가 확장하고 있다는 것에 대한 관측의 증거라고 볼 수 있다. 아직 과학적인 이론의 미흡으로 빅뱅 이전의 시점에 관해서는 설명하기가 어렵다. 즉 우주 탄생 직후의 짧은 단 수십초간의 시간은 아직도 밝혀지지 않았기 때문이다. 시간이라는 것이 빅뱅과 함께 존재하게 되었기 때문에, 빅뱅 이론에 근거하자면 빅뱅 이전의 시간이라는 것은 존재하지 않는 것이다. 실험으로 빅뱅의 상태를 재현할 수 있다면 우주의 탄생 비밀을 입증할 수 있겠지만, 실험의 위험성 즉, 혹여라도 실험 과정에서 블랙홀의 발생하여 세상이 카오스 상태가 될 수도 있다는 우려로 인해 실행이 어렵다고 한다.

1970년대까지는 빅뱅 이론이 여러 학자에 의해 많은 문제가 제기되었는데, 그중 하나가 우주는 평평하다는 것이었다. 우주가 어떤 모습을 하는지는 우주의 물질의 양에 따라 결정된다. 우주가 적은 양의 물질을 갖고 있으면 열린우주가 되고 적당한 양의 물질을 갖고 있으면 평평한 우주가 되며, 많은 양의 물질을 갖고 있으면 닫힌 우주가 된다는 것이다. 또 다른 문제로는 지평선 문제와 자기 단극자 문제가 있었으며, 이에 따라 위기가 있었을 때도 있었으나, 구스가 주장한 인플레이션으로 인하여 의문이 풀리기는 했다. 그러나 이 이론 또한 완벽하지는 않다는 문제점이 있다. 2차 세계대전 이후인 1948년 영국의 포일은 정상우주론을 제시하면서 우주는 영구불변한다고 주장하며 빅뱅 이론에 대해 비판하였다. 정상 상태 모형에서 우주의 모습은 어떤 시기에도 동일하며 불변한다. 그러므로 우주의 탄생을 생각할 이유가 없었으나, 이 우주론에 근거하면 진공상태에서 물질이 생긴다는 모순이 있었다. 우주의 팽창은 과거에 변화가 있었다는 것을 뜻하며, 팽창을 거슬러 올라가 보면 어떠한 물질들이 모여 있는 시작점이라는 것에 다다르게 되며, 무한한 우주의 모든 질량이 밀도로 압축되어 있는 상태인 특이점이 있다. 정상 우주론이 주목을 끈 이유는 그 시대 사람들은 신의 개입을 부정하고 시간이 출발점이 된다는 생각에 동의하지 않았기 때문이었을 것이다. 따라서 빅뱅 이론을 인정하지 않으려는 여러 가지 반대 근거 중 가장 유력했던 이론이라고 할 수 있다. 빅뱅 이론과의 대립 관계에서 오히려 천문학 발전에 긍정적인 영향을 미치기도 했는데, 빅뱅 이론에서 주장하는 우주에 존재하는 헬륨보다 무거운 중원소의 생성에 대해 입증하지 못했던 부분을 프레드 호일은 항성의 핵융합 과정에서 중원소의 생성 원리를 완벽하게 입증해냈다. 따라서, 지금의 천문학에서도 빅뱅과 항성 모두에서 핵융합의 결과로 현재의 우주의 화학적인 조성이 형성되었음을 설명하고 있다.

빅뱅 이론과 정상우주론에 대해서는 의견이 분분했으며, 특히 정상 우주론은 빅뱅 우주론의 대안으로 많은 연구가 이어졌지만 관측 결과와 어긋나는 부분이 많은것이 확인되었고, 현재는 폐기된 이론이다. 

우주의 시작이 있듯, 그 끝도 존재할 것이다. 우주의 멸망에 관한 대표적인 시나리오는 세 가지 정도가 있다.

우선 첫 번째로 빅프리즈(Big Freeze), 빅칠(Big Chill), 대동결은 우주가 한없이 팽창하면서 물체와 물체 사이의 거리가 점점 멀어지고 은하단이 해체되며 은하계에 존재하는 모든 항성, 행성, 물체들은 서로에게서 계속 멀어지게 되어 물체들이 따로 떨어져 다니게 되며, 물체가 발산하는 가스가 희박해서 새로운 별을 만들지 못하는 상태, 우주의 온도가 낮아져서 모든 입자가 무너지고 아원자 입자만 존재하게 되는 상태를 말한다. 열 자체가 죽는다는 의미로 열죽음(Heat Death) 라고도 한다. 이는 열역학에서 다루는 열적 사멸과 유사하며 우주에 존재하는 물질들이 모두 섞이고 흩어져서 어떤 공간에서나 모두 균일한 성분의 우주가 되기 때문에 블랙홀이나 은하도 존재하지 않는 어둡고 춥고 적막한 상태가 되는 것이다. 모든 것이 얼어붙은 채 죽어있으며 우주는 한없이 더 빨리 팽창하지만, 죽음을 향해 간다. 물론, 중력이 다른 힘보다 강하다면 이러한 빅프리즈 상태에서도 중력의 힘에 의해 다시 어떠한 작용이 일어날 가능성이 있을 테지만, 중력이 우주에서는 가장 약한 상태라는 것이 이러한 가능성을 부정하고 있다. 빅프리즈 상태에서 우주는 천천히 죽음을 맞이하면서 이 상태를 오랫동안 유지할 것이라고 예측하고 있다.