초기 특이점 : 우주의 원래 상태
우주의 원래 상태를 '초기 특이점'이라고 합니다. 이것은 우리가 존재한다고 알고 있는 모든 것,
시간, 공간, 에너지, 물질이 상상할 수 없을 정도로 작고 무한히 조밀한 단 하나의 점으로 존재했던 곳입니다.
존재하는 모든 것을 품고 있던 이 초기 특이점은 원자보다도 작았고,
우주에는 이것 외에 다른 것은 아무것도 존재하지 않았습니다.
만약 이 개념을 이해할 수 없다면, 그건 이 개념 자체가 이해할 수 없는 것이기 때문입니다.
그 어떤 누구도 완전히 이해하지 못하고, 사실 우주의 역사를 거슬로 올라가서 초기 특이점 상태로 돌아가면
우리가 알고 있는 과학의 법칙이 본질적으로 무너집니다.
초기 특이점은 대략 120 ~ 150억 년 전에 갑자기 빅뱅을 시작했고,
새로운 별들을 만들어내고 팽창하기도 하는 지금의 이 역동적이고 아름다운 우주를 탄생시켰습니다.
우주의 팽창 속도 (feat. 빅뱅 이후)
중력이란 어떤 물체가 다른 물체를 끌어당기는 근본적인 힘 중에 하나입니다.
만약 초기 우주의 팽창 속도가 물체 사이에 작용하는 중력을 벗어날 정도로 빨랐더라면,
현재 존재하는 우주, 행성, 별과 사람은 모두 존재하지 않았을 것입니다.
아마도 모든 물질이 빅뱅에 의해서 무한의 세계로 모두 흩어졌을 것입니다.
스티븐 호킹 박사는 <시간의 역사>라는 책에서 아래와 같이 말했습니다.
만약 빅뱅 1초 후에 우주의 팽창속도가 10경의 1만 작았어도,
우주는 현재의 크기에 돌달할 때까지 계속 붕괴되었을 것이다.
다행히도 빅뱅 이후에 우주의 팽창 속도는 우주 물질의 양과
완벽하게 균형을 이루었다.
만약 완벽한 균형을 이루지 않았다면,
우리는 오늘날 밤하늘을 올려다보거나
세상을 둘러봤을 때 볼 수 있는 이 크고 아름다운
우주를 볼 수 없었을 것이다.
우리는 여전히 우주가 열린 우주인지,
닫힌 우주인지 정확히 알 수가 없다.
👉 닫힌 우주 : 특이점 상태로 돌아가기 위해서 언젠가는 다시 스스로 재붕괴하는 우주
👉 열린 우주 : 영원히 무한으로 계속해서 팽창하는 우주
빅뱅은 그냥 책에 나오는 이론일 뿐인가?
맞는 말이기도 하고, 틀린 말이기도 합니다.
빅뱅은 이론입니다. 하지만 과학자들이 굉장히 많은 증거로 입증하기도 하였습니다.
우주의 팽창은 이론이 아니고, 관찰할 수 있는 현상입니다.
시간이 지나갈수록 우주가 팽창한다는 것은 시간을 거꾸로 돌리면 우주의 역사를 추적하고, 계산할 수 있다는 얘기이고,
이로 인해 우주가 하나의 점에서 시작했다는 것을 상상할 수 있습니다.
20세기 초에 빅뱅을 탐구하던 천문학자와 물리학자 들은 초기 우주가 굉장히 많은 물질과 수많은 에너지가 함께
뭉쳐져서 매우 뜨겁게 밀집해 있었기 때문에 핵반응이 모든 곳에서 한꺼번에 일어났을 것이라고 추론했습니다.
핵반응은 입자 형태의 방사선을 방출합니다. 만약 이 모든 것이 사실이라면, 우리는 빅뱅에 의한 방사선의 잠열을
우주 곳곳에서 탐지할 수 있어야 합니다. 천문학자와 물리학자 들은 몇십 억 년이 지난 지금쯤은 이 방사선이
절대온도 '0'도보다 조금 높은 온도로 냉각되어야 한다고 예측했습니다.
순수한 에너지에서 물질이 생성
빅뱅이 일어날 직후에도 우주는 여전히 빈틈없이 빽빽하게 채워져 있어서 모든 것이 에너지 덩어리 형태로
존재했을 것입니다. 하지만 우주가 급속도로 빠르게 팽창하면서 냉각되고 다른 물리적 변화 또한 일어났습니다.
마치 액체 상태의 물이 냉각되면서 고체 얼음으로 변화는 과정과 유사합니다.
빅뱅이 일어나고 첫 1초 이내에 등장한 것은 입자를 이루는 기본 요소 쿼크(quark)였습니다. 다양한 전하를 띤
쿼크가 다양한 조합으로 결합하여 양성자와 중성자의 아원자 입자를 형성했습니다.
그 후 3분 동안 우주가 계속 냉각되자 이 양성자와 중성자는 서로 결합하여 원자핵을 형성하였습니다.
이러한 일들은 모두 빅뱅 이후 3분 안에 발생하였습니다. 하지만 전자의 아원자 입자들이 원자핵 주위를
둘러싸기에 충분할 정도로 우주가 팽창하고 냉각되기까지 수십만 년이 걸렸습니다.
그리고 마침내 첫 번째 전자가 첫 번째 원자핵 궤도에 결속되면서, 물질의 근본적인 입자, 원자가 처음으로
만들어졌습니다.
빅뱅 이후 최초의 별
다양한 조합의 양성자, 중성자, 전자는 다양한 종류의 원자 또는 원소를 만들어 냈습니다.
빅뱅이 일어난 후 10억 년 후에 가장 단순한 구조이면서 양이 많았던 수소와 헬륨 원소는 응축되어 기체 분자구름,
즉 성운을 형성했습니다. 결국 이 분자구름 속이 수소와 헬륨 원자가 중력에 의해 스스로 붕괴되면서 최초의 별이
생겨났습니다.
별 내부의 강한 압력과 온도는 끊임없이 핵반응을 일으키면서 수소 원자를 태워 헬륨을 형성하고,
엄청난 양의 에너지와 빛을 냅니다.
그러나 별이 노년에 접어들면서(별의 종류는 크기가 아니라 나이에 따라 달라짐) 이러한 과정이 점점 불안정해집니다.
불안정해진다는 것은 헬륨 원자가 탄소, 질소, 산소, 실리콘, 철과 같이 더 무거운 원소로 융합된다는 의미입니다.
이러한 원소들은 행성과 생명체의 구성 요소들입니다.
죽어가는 거대한 별을 초신성이라고 하는데, 이 무거운 원소들은 초신성이 폭발할 때 우주로 흩어져서
우리가 살고 있는 세상을 만듭니다.
빅뱅에 의해 생겨난 '네 가지 힘'
물리학자들은 우주에는 빅뱅에 의해서 생겨난 네 가지 근본적인 힘이 있다는 것을 발견합니다.
다양한 물질에 작용하는 이 힘 중에 가장 강력한 것은 '강한 핵력'으로 쿼크를 결합하여 '양자'와 '중성자'를 만들고
양자와 중성자를 결합시켜 '원자핵'을 만듭니다.
핵력 다음으로 강한 힘은 '전자기력'입니다. 전자기력은 원자핵 주위에 전자를 결합시켜 '원자'를 만드는
역할을 합니다.
그다음은 '약한 핵력'으로 약한 핵력은 원자핵을 자연적으로 분해해서 아원자 입자 형태의 방사성 에너지를
방출하게 됩니다.
놀랍게도 우주에서 가장 약한 힘은 원자 무리에서 은하에 이르기까지 큰 물질을 서로 끌어당기는 '중력'입니다.
나머지 세 가지 힘은 중력보다 강하지만 아주 가깝고 짧은 거리에서만 작용합니다.
이와는 대조적으로 중력은 가장 약한 힘이지만 작용 법위가 무한합니다. 예를 들어 중력은 작은 원자를 결합시킬
만큼 충분히 강하지는 않지만, 태양에서 수억 마일이나 떨어져 있는 태양계 행성들이 태양 주위를 일정한 궤도로
돌 수 있게 합니다.
보이지 않는 미스터리한 '암흑 에너지'란?
물론 우리가 아직도 이해하지 못하는 우주의 특성이 훨씬 더 많습니다. 예를 들어 우리 은하뿐만 아니라 근처의
많은 은하들을 관찰한 결과, 중력에 의해서 이 거대한 시스템이 현재 상태와 같이 결합되었다고 설명하기에는
눈에 보이거나 존재하는 것으로 알려진 물질의 양이 충분하지가 않습니다.
따라서 천문학자들은 '암흑 물질'이라는 신비하고 감지되지 않는 물질이 우리 우주에 있는 물질의
90%를 차지할 수도 있다고 믿습니다.
좀 더 최근에는 우리 우주의 팽창을 관찰하는 도중에 예상하지 못했던 또 다른 현상을 발견했습니다.
전에는 우주에 있는 모든 물질들 간의 중력 효과가 결국에는 우주의 팽창 속도를 늦출 것이라고 예상했었습니다.
하지만 우주는 오히려 점점 더 빠르게 팽창하고 있습니다. 이 가속력의 원인은 우리에게 여전히 미스터리로
남아 있는 '암흑 에너지'라고 알려져 있습니다.
이 보이지 않고 미스터리한 암흑 에너지는 우리 우주 전체 에너지의 3분의 2를 차지한다고 합니다.