임계(臨界)란 어떠한 물리 현상이 어떤 기준에서부터 갈라져서 다르게 나타나날 때의 그 경계(境界)를 이르는 말입니다. 임계점(臨界點, critical point)은 물질의 구조와 성질이 다른 상태로 바뀔 때의 온도와 압력입니다. 즉 평형 상태의 두 물질이 하나의 상(相)을 이룰 때나 두 액체가 완전히 일체화할 때의 온도와 압력을 이르는 단어입니다.

1929년 미국의 허블(Edwin Powell Hubble)은 은하들의 스펙트럼선에 나타나는 적색편이로부터 외부 은하들이 우리 은하계로부터 빠른 속도로 후퇴하고, 후퇴속도(後退速度)가 은하의 거리에 비례한다는 허블의 법칙(Hubble's law)을 발견하여 우주팽창설에 대한 기초를 세웠습니다. 외부은하의 후퇴속도가 그것들까지의 거리에 비례한다는 것은 은하들이 속한 우주가 팽창하고 있기 때문인데, 외부은하의 거리와 후퇴속도 등 우주의 팽창속도를 역으로 계산하면 약 150억 년 전에는 우주가 하나의 점으로 모이게 됩니다.


크기가 0 이고, 밀도와 온도가 무한대인 상태를 특이점(特異點)이라고 하며, 그 특이점에서 대폭발이 일어나서 현재의 우주가 만들어졌다는 것이 빅뱅 이론(big bang theory)입니다. 이 이론은 1920년대 프리드만과 르메트르가 제안하였으며, 1940년대 가모프(George Anthony Gamow)에 의하여  빅뱅이라는 말이 처음 사용되었으며 현재의 대폭발론으로 체계화되었습니다. 나중 일이지만 2001년 발사된 우주배경복사탐사선(WMAP)이 수집한 자료를 분석한 결과 “우주는 137억 년 전에 대폭발이 있었고 수천억 조분의 1초도 안 되는 짧은 시간에 엄청난 팽창을 일으켰다"는 결론을 얻고 있습니다.

가모프가 예언했던 우주배경복사(宇宙背景輻射, cosmic background radiation)는 1965년 A.펜지어스와 R.W.윌슨이 발견하며 빅뱅이론에 힘을 실어주었는데, 한때 지평선 문제(Horizon Problem - 서로 볼 수 없는 지평선 너머의 A. B가 서로 같은 성질을 이루는 현상)가 제기되기도 했습니다. 그 이유는 현재 방향이 2 °이상 다른 두 곳에서 전파가 출발하였던 당시(T3000 K) 이 두 곳 사이의 거리는 그 때의 우주지평선의 거리(빛의 속도×우주의 나이)보다 크기 때문에 두 곳에서 온도가 같아질 이유를 설명할 수가 없기 때문입니다.

즉 우주의 배경복사에서는 서로 반대 방향에서 오는 배경복사의 온도가 10만분의 1 차이까지 똑같은 것은 그것이 모두 열평형이 이루어진 곳에서 나왔기 때문인데, 빅뱅 이론 대로라면 도저히 두 방향의 온도가 같을 수 없는 것입니다. 그러나 이 ‘지평선의 문제’는 1981년 미국의 MIT대 교수인 앨런 구스(Alan H. Guth)가 ‘인플레이션(inflation) 이론’을 제안하여, 초기의 우주를 종래보다도 훨씬 작은 크기로 축소함으로써 해결이 되었습니다.

에너지 = 질량 X 광속제곱’에서와 같이 에너지와 질량이라는 것은 서로 바뀔 수 있는 존재이므로,
앨런 구스에 따르면 대폭발 이전의 우주는 에너지만으로 가득 차 있었고, 거품 같은 형태의 에너지가 대폭발을 일으켰다는 것입니다. 그리고 인플레이션 이론은 우주 탄생의 초기에 빅뱅 이론보다 훨씬 급격한 팽창이 일어났으며, 빅뱅 직후 10의 마이너스 35승에서 33승 초 사이에 우주가 적어도 10의30승 배 팽창했다는 것입니다. 우주가 150억년을 살 수 없다는 아인슈타인의 우주방정식과 물질 분포의 불균일성, 등방성 등의 문제는 한 번 이상의 인플레이션(inflation)이 일어났다는 가정을 하면 모두 해결이 됩니다.



인플레이션은 1cm도 안 되는 조그만 구슬이 어느 순간 100억 광년 이상의 크기로 늘어나는 초팽창이었으며, 팽창속도는 광속보다 훨씬 빨랐음을 알 수 있습니다. 그러나 워낙 작은 크기에서 시작했으므로 이런 높은 팽창률에도 불구하고 팽창된 우주의 크기는 겨우 10cm 정도였습니다. 빅뱅 이전의 상태는 시간을 포함한 모든 상태가 0이며, 자연계에 존재하는 중력, 전자기력, 약핵력(약력), 강핵력(강력)이라는 네 가지 힘도 아직 분리되지 않은 상태였습니다. 빅뱅 10의 -44승 초 후에 10의 33승K였던 우주의 온도는 10에 -12승 초 후에는 10의 15승K 가되며 약력과 전자기력이 분리되었고, 빅뱅 후 약 1~3분이 지나면 온도가 10의9승K가 되었습니다.

호킹과 비렌킨의 이론에 따르면 우주는 진공 속에서 10-34승 cm의 크기로 태어났다고 하는데, 이 진공은 시간도 공간도 에너지도 없는 무(無)의 상태이지만 과냉각 된 물처럼 불안정한 상태의 요동하는 무(無)였다고 합니다. 대폭발(big bang)로 생긴 원시우주는 폭발 후 짧은 시간 동안 지수함수적으로 급격히 팽창하면서 온도와 밀도가 빠르게 떨어졌고, 이 후 백만 년 동안 우주에서는 각종 소립자들이 만들어졌습니다.

빅뱅 후 1초 때 우주의 온도는 1백억℃이었고 3분 후에는 10억℃ 정도 이었으며, 1백만 년이 되었을 때에야 우주의 온도가 3,000 K에 이르며, 마침내 양성자와 전자가 결합하여 수소원자가 만들어졌습니다. 나중에 설명하겠지만 초기의 우주는 온도가 너무 높아 무거운 원자들은 존재할 수 없었고 이때 생긴 수소와 헬륨이 현재 우주의 물질의 99%이상을 차지하고 있는 것입니다. (수소는 전체 우주의 75%이며 헬륨은 24% 정도)

K는 절대온도의 단위로서 0K = -273°C입니다. 0K는 열이 하나도 없는 열적 죽음의 상태로 원자나 분자의 모든 운동이 정지한 상태입니다. 따라서 3K라면 섭씨 영하 270도입니다.



초기의 우주는 방사선과 물질로 충만했고, 태초의 물질은 밀도 높은 불덩어리의 양자와 전자로 만들어진 수소와 헬륨 원소로 되어 있었지만, 시간이 지나며 서서히 혼합된 형태의 가스가 나타나 농도가 엷지만 점차 거대한 가스 구름으로 형성되어서 휘말리고 돌며 밀집되기 시작했습니다. 완전히 균질(均質)하게 일어나지 않은 폭발 때문에 물질들은 이렇게 작은 덩어리들로 분산되었고, 빅뱅이 일어난 지 10억년이 지나며 여기저기서 따로 뭉치고 모인 가스 덩어리들은 점점 그 밀도를 더해가서 현재의 우리가 볼 수 있는 거대한 은하(銀河)들을 형성했습니다.

그런데 빅뱅, 인플레이션 이론에는 우리 우주가 특이점에서 시작했듯이 무수한 특이점들이 있을 수 있다는 가능성이 발생하게 됩니다. 태초에 에너지화된 점들이 고르지 않게 혼합되어 있었고, 그 점 하나 하나가 상상할 수 없을 만큼 뜨거운 온도를 지니고 있었는데 그 열기로 인하여 그 점들은 대단히 빨리 팽창하며 급속히 냉각되었습니다. 그리고 거짓 진공의 특성을 지닌 초냉각대들은 순식간에 에너지를 끌어들이며 대폭발을 하며 거품을 이루고, 각각이 분리된 우주를 이룬다는 것입니다. 그러나 우리 우주의 시공간이 안으로 휘어져 있듯 각각의 독립된 우주들도 같을 것이기에, 서로의 시공간 자체가 다른 완전히 분리된 다른 세계이므로 절대 만날 수 없습니다.

어쨌든 확인할 수는 없지만 오래전 우주에는 빅뱅이라는 특별한 사건이 일어났던 순간이 있었다는 것은 분명하며, 그것은 많은 학자들의 지지를 받고있는 이론입니다. 그리고 새로운 문제가 나타나면 그를 해결하기 위한 여러 가설들이 등장하며 확인되어 왔으며, 앞으로도 이 이론은 계속 발전해 나갈 것입니다. 그런데 여기서 많은 사람들이 공통적으로 생각하는 한 가지의 의문은 과연 빅뱅 이전에는 어떤 상태였을까하는 문제입니다.

현재의 물리법칙이 적용되지 않는 -모든 에너지와 힘과 질량등이 공통된 하나의 형태로 존재하는- 빅뱅 이전의 상태를 짐작한다는 것은 매우 어려운 일이며 어쩌면 영원히 불가능한 일일 수도 있습니다.그래서 개인적인 생각으로는 빅뱅 이전 상태를 알려면 지금 우주의 먼 미래를 예측해 볼 수밖에 없다고 봅니다. 끝없이 팽창할지 다시 수축할지 알 수 없지만, 적어도 시공간이 안으로 휘어져있는 우주라면 팽창하든 수축하든 최후의 상태는 태초의 상태를 모방할 것입니다. 풍선의 표면에 우리 우주가 있거나 풍선의 내부표면에 붙어있거나, 특이점에서 끝없이 확산된다면 그 끝지점은 원래의 출발점으로 다시 돌아오게 될 것입니다.

최후의 상태와 최초의 상태는 동일할 수도 있기 때문입니다.



- 짧은 지식으로 어려운 주제의 글을 쓰다보니 틀린 부분이 많을 것이지만, 비과학 상식이라는 카테고리 이름처럼 다소 오류가 있고 비과학적이라도 너그럽게 이해해 주시기를 부탁드립니다.
- 빅뱅 임계점 2편으로 이어집니다.


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Posted by 외계인 마틴
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  1. 2008.04.17 12:48 신고
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    잘 읽었습니다. 마틴님
    언제 읽어도 정말 재미있고, 새롭네요~
    • 2008.04.18 01:51 신고
      댓글 주소 수정/삭제
      푸른하늘이님 반갑습니다.
      언제나 제 포스트의 첫빠를 차지하시네요.
      이렇게 관심주시고 늘 격려의 댓글도 주시니 감사할 따름입니다.
      오늘 하루도 건강하시길 진심으로 바랍니다.
  2. 2008.04.17 13:10 신고
    댓글 주소 수정/삭제 댓글
    오늘도 글 잘 읽고 갑니다..
    빅뱅..저 현상이 실제로 일어난다면 어떨지
    큰 이슈가 되겠죠..
    저는 가수 빅뱅도 좋아라 합니다^^
    • 2008.04.18 01:52 신고
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      우리가 살아있는 어느날 갑자기 일어난다면 정말 대단하겠네요.
      팽창의 한계점이 내일이 되지않는다는 보장도 없고요.^^
  3. 2008.04.17 13:33
    댓글 주소 수정/삭제 댓글
    항상 흥미있는 글 잘 보고 있습니다.
    스티븐 호킹도 저서 시간의 역사에서 '신' 의 존재를 가정할 경우에도 '신' 의 행하는 행동은 특이점 이후의 순간으로 제한된다고 이야기 했었지요. (오래전에 읽은 책이라 확실치는 않습니다만)

    그럼에도 불구하고 특이점과 사건의 지평선이라는 문제는 정말 이 문제에 대해서 생각하고 있는 사람들로 하여금 어떤 절대적인 존재를 생각하게 만드는 부분이라고 생각합니다. 마치 맨 인 블랙의 엔딩장면 같다고 할까요.

    좋은 하루 되세요.
    • 2008.04.18 01:54 신고
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      아.. Dalky님의 생각이 와 닿습니다.
      초거시적인 시각으로 본다면 우리 우주는 ...
      옛날에 이와 관련된 포스트를 작성했었는 기억이 나네요.
      http://diarix.tistory.com/232
  4. nuno
    2008.04.17 16:43
    댓글 주소 수정/삭제 댓글
    제가 아는 바로는 빅뱅이란단어는 호일에 의해서 만들어진걸로 알고있는데
    호일은 빅뱅이론반대론자죠 정상우주론을 주창한과학자로 알고있습니다 미국에 한라디오프로그램에서 빅뱅이론을 조롱하기위해서 쓴단어가 바로빅뱅이라고알고있는데
    • 2008.04.18 01:55 신고
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      아..제가 잘못알고 있는것인지도 모르겠군요.
      나중에 찾아보고 틀렸으면 수정하도록 하겠습니다.
      감사합니다 ^^
  5. 짱주
    2008.04.17 16:47
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    너무 재미있게 읽었어요^^;;
    빅뱅->빅립 이라고 하던가요?
    다음 이야기도 기대되용^^
    • 2008.04.18 01:56 신고
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      짱주님 반갑습니다.
      처음 뵙는것 같지만 친근감이 드네요.
      앞으로도 자주 뵙고 싶네요.^^
  6. 2008.04.17 18:27 신고
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    ㄷㄷㄷ 전 임계점 하면 물 끓는거 밖에 생각이 안나는데^^;
    • 2008.04.18 01:58 신고
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      앗.. 점프컷님...^^
      정확한 말씀입니다.
      그냥 적절한 단어로 선택한 것입니다.
      언젠가 그런 변화의 경계점이 있지 않았을까하는 가능성에서 보면 임계점일 수도 있을 것 같습니다.
  7. 2008.04.17 19:26
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    오늘도 잘 읽었습니다. 그런데 빅뱅 이전의 세계는 또 어떤 모습이었을지 궁금하네요.
    • 2008.04.18 01:59 신고
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      뢰종님 반갑습니다.
      어제 제 정체를 공개하신 포스트 덕분에 이제 완전히 드러난 상태네요.
      빅뱅 이전의 상태는 우리 행성에서도 아직 의견이 분분합니다 ^^
  8. 푸른이리
    2008.04.17 21:36
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    빅뱅이론이 맞다면 우주중심에는 텅비어있겠네요.
    별들이 모두 뛰쳐나갔을테니
    • 2008.04.18 02:00 신고
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      우주에는 중심이 없다고 하네요.
      시공간의 휘었다는 의미도 그것과 통하고요.
      그런데 또 그렇게보면 중심이 텅비었다는 말도 맞는 말이 될 수도 있겠네요.^^
  9. 2008.04.17 21:50
    댓글 주소 수정/삭제 댓글
    저도 위의 분들과 같이, 빅뱅 이전에는 무엇이 있었을지 궁금해지는군요.
    • 2008.04.18 02:01 신고
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      제가 타임머신을 만들거나 차원이동기를 만들면
      우리 우주의 빅뱅상태나 이제 빅뱅이 일어나려는 타차원의 상태를 보고와서 자세히 말씀드릴께요 ^^
  10. 2008.04.17 23:10 신고
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    와우~ 조횟수 추천수 쥑입니다
    글도 짱이고요. 마틴님 행운을 빕니다.. ^^
    • 2008.04.18 02:02 신고
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      이그림님의 이런 응원 덕이 아니겠습니까 ^^
      항상 행운을 가져주시는 이그림님께 감사드립니다.
  11. 2008.04.18 00:49 신고
    댓글 주소 수정/삭제 댓글
    어렵지만..신기하네요ㅡㅡ;
    윽, 시험기간에 공부하다가 머리좀 식히려고 들어왔는데 말입니다. 또 뇌를 혹사시키고있네요 ㅎㅎㅎㅎ
    • 2008.04.18 02:03 신고
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      물건을 찾으려면 엉뚱한 곳부터 뒤지라는 법칙이 생각납니다.
      너무 한가지 공부에만 매달리지 마시고 이렇게 다른 곳에도 신경을 돌려보는 것이 좋을듯 합니다 ^^
  12. 2008.04.18 02:53 신고
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    빅뱅이론 정말 재밋는 이론이죠.. 실제로 멀리 있는 은하들이 계속 바깥쪽으로 뻗어나가고 있다는게 증명되기도한...

    뭐 이런 문제들은 중력자가 발견되고, 초끈이론이 실제로 옳다고 증명되는 순간 순식간에 모든게 해결되리라 기대해봅니다.
    • 2008.04.20 01:34 신고
      댓글 주소 수정/삭제
      네 빅뱅이론이 여러면에서 상상력을 자극하는 재미있는 이론입니다 ^^
      저는 야구공을 좁쌀만하게 압축한다고 해도 믿기어려운데.. 전우주를..
      이런부분에서 특히 흥미롭네요^^
  13. 2008.04.18 10:06 신고
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    저는 물리를 공부하고 있는 학생입니다. 그래서 그런지 마틴의 비과학 카테고리에 관심이 많아요. 공부도 되구요. 좋은글 읽다 갑니다. ^^
    상대성이론에 관한 글이 있는지도 한번 검색해 봐야 겠네요 ^^
    • 2008.04.20 01:35 신고
      댓글 주소 수정/삭제
      퍼니님 안녕하세요. 정식으로 공부를 하신다면 제글이 오히려 방해되지 않을지 걱정스럽네요.^^
      그냥 머리식힐때 흥미로 봐주세요.
  14. 2008.04.18 10:17 신고
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    자자.. 어서 다음 이야기를 쓰세요. 그러면 제가 석판에 세겨서 대량 인쇄를 통한 복제를..... (요즘 어떻게 복제를 해야하나 고민에 빠졌습니다. --a)
    • 2008.04.20 01:36 신고
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      하하.. 소장가치가 있겠네요.
      돌에 세겨놓으면 그 자체로 이미 장식품이죠 ^^
      글의 내용보다 그 글을 어디에 기록하느냐에 따라 가치가 달라지겠네요.
  15. 2008.04.18 23:10 신고
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    상당히 위험한 글이네요.
    세부적인 표현이 너무 아슬아슬해서.... 염려가 좀 되요.

    글 잘 읽었습니다.
    • 2008.04.20 01:37 신고
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      학문을 다루는 글이 아니므로 그리 위험한 글은 아니라고 봅니다 ^^
      카테고리 이름처럼 과학과 상관없는 상상을 추구하고 있을 뿐입니다.
      댓글 감사합니다.^^
  16. 2008.04.21 19:21
    댓글 주소 수정/삭제 댓글
    빅뱅 이전이란 말이 성립하지 않지요. 빅뱅과 동시에 시간이 생겨났으므로...
    • 소치
      2008.06.13 00:47
      댓글 주소 수정/삭제
      sophnim님 말씀은 논리적으로 맞습니다.

      하지만 마틴님은 빅뱅이론의 틀보다 한단계 더 나아가서 좀 더 거시적인 인식의 차원에서 말씀하신 것 같습니다.

      sophnim님의 말씀은 빅뱅이론의 틀에서 얘기하면 정답인 건 주지의 사실입니다. 혹시 제 덧글을 보시더라도 오해 없으시길...


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