우주의 탄생은 이론의 탄생

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방정식들은 더 이상 성립하지 않으며, 따라서 현재 있는 그대로의 이론을 가지고는 “우주의 탄생”을 이해할 수 있는 방법은 존재하지 않는다.

 

우주, 시간을 거슬러

 

 

은하계

 

우리가 일반적으로 “대폭발” 또는 초기의 “불덩어리 구(球)”라고 말하는 우주가 탄생한 직후의 조건들은 어떠했을까?

우리 우주의 이런 처음 조건들을 발견하기 위하여, 아인슈타인의 시간에 의존하는 우주방정식들을 다시 살펴보자. 그러나 이번에는 이 방정식들을 미래가 아니라 시간의 흐름을 반대 방향으로 바꿈으로써, 즉 방정식에서 (시간)t를 –t로 바꾸어 놓음으로써 과거에 적용하자.

 

 

 

에드윈 파월 허블(1889~1953, 위키백과). 허블은 은하계의 거리를 조사해, 모든 은하계가 속력이 꾸준히 증가하면서 서로 멀어져 간단 것을 발견했다. 이 발견으로부터 우주의 동역학적 성질이 입증됐고, 허블상수가 도출되었다.

그러면 이 방정식은 시간을 거슬러 올라갈수록 우주는 점점 더 작아지며, 질량과 에너지 밀도, 온도가 증가하며 허블 상수(팽창비율)가 증가한다는 것을 말해 준다. 우리는 어떤 에너지도 우주로 흘러들어 가거나 나올 수 없기 때문에 수축이 단열(斷熱)적으로 일어남을 잊지 말고, 단순히 일반적인 열역학 원리들을 수축하는 우주에 적용함으로써 초기우주의 전반적인 조건에 대하여 그럴듯한 모습을 그려 볼 수 있다.

열역학에 의하면 기체가 외부 힘에 의해 단열적으로 수축되면 기체의 온도, 그러니까 그 내부에너지가 증가한다. 기체의 내부에너지가 증가하는 것은 외부의 힘이 기체에 일을 했기 때문이다. 외부 힘을 중력으로 바꾸어 놓으면, 이 현상은 또한 우주에도 그대로 적용된다. 우주가 중력이 잡아당기는 힘 아래서 수축하면, 중력의 위치에너지가 내부에너지(우주에 포함된 물질의 운동에너지와 복사에너지)로 변환된다.

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시간을 거슬러 올라가면 우주의 반지름은 줄어들며, 우주의 온도는 반지름이 줄어드는 것과 같은 비율로 증가한다. 다시 말하면, 반지름이 현재 값의 1/10로 줄어들면 온도는 현재보다 10배 더 증가하는 식이다.

질량과 복사의 밀도 역시 증가하지만, 두 가지가 같은 비율로 증가하는 것은 아니다. 물질밀도는 반지름의 세제곱에 반비례하여 증가하지만, 복사밀도는 반지름의 네제곱에 반비례하여 증가한다. 이런 차이가 생기는 이유는, 우주가 더 작아질수록 점점 더 많은 광자가 1㎤에 비집고 들어오기(물질밀도가 증가) 때문이다. 그런데 우주의 크기가 감소하면 1㎤에 비집고 들어오는 광자의 수만 증가하는 것이 아니라 개개의 광자의 에너지도 증가한다(광자가 더 파래진다). 시간을 거슬러 올라가면, 각 광자가 스스로 에너지가 커질 뿐만 아니라 그 수가 핵자의 수보다도 근 10억 배나 더 많아지기 때문에 우주의 과거 역사에서 물질에 비해 복사가 훨씬 더 중요함을 알 수 있다.

 

 

 

시간을 거꾸로 돌린 우주에서는, 광자의 수와 그 에너지가 커지면서 중력보다 복사가 훨씬 더 중요해진다.

 

시간을 거슬러 올라가는 여행을 계속하면, 우주의 현재 질서는 온도가 높아짐에 따라 점점 더 증가하는 무질서에 양보하는 것을 볼 수 있다. 별과 행성, 은하계들은 그들을 에워싼 매우 뜨거운 복사 때문에 그 구성체인 원자들로 쪼개진다. 시간을 더 거슬러 올라가면, 이 원자들은 전자와 원자핵으로 쪼개지고, 마침내 원자핵 자체도 핵자들로 분해된다. 우주의 온도가 절대온도 약 1조 도에 이르면, 이러한 상황에 도달하며 우주의 반지름은 현재보다 약 1조분의 1로 줄어든다. 그러나 입자물리학자들은 그것보다 더 높은 온도와 더 이른 시기에 대하여 생각해 보았으며, 그래서 그들은 더 오래된 과거를 돌아보았다.

 

태초에 새로운 이론이 있었다

 

창조된 순간인 우주의 반지름 R가 0이었던 순간에, 거의 1조분의 1의 1조분의 1의 1조분의 1초가 지난 이런 매우 초기의 신기원까지 거슬러 올라가면, 우주방정식은 우리에게 창조된 순간으로 다가갈수록 우주의 온도와 밀도가 끝없이 계속하여 증가하며 마침내는 무한대가 됨을 말해 준다.

이 상태가 아무런 물리적 의미도 지니지 못하는 “초기특이점”이라고 알려져 있다. 방정식들은 더 이상 성립하지 않으며, 따라서 현재 있는 그대로의 이론을 가지고는 “우주의 탄생”을 이해할 수 있는 방법은 존재하지 않는다. 이런 이유 때문에, 이론물리학자들은 우주가 태어난 지 10의 -35제곱 초만큼 지났고 우주의 온도가 절대온도로 1조×1조×10,000도일 때부터 우주에 대한 연구를 시작한다. 이때의 우주는 현재보다 1028배 정도 더 작으며 매우 뜨거운 “불덩어리 구”이므로 이 상태를 “대폭발”이라고 간주해도 좋을 것이다.

 

 

우주가 계속 팽창하면 우주의 온도도 낮아지고, 결국 복사보다 중력이 지배적인 현재의 우주가 만들어진다.

 

 

그때 복사가 지배하는 우주는 모든 종류의 중입자와 반중입자, 다양한 모든 중간자, 경입자와 반경입자의 매우 뜨거운 복사선의 혼합이다. 우주가 팽창하여 식으면, 핵자를 제외한 모든 중입자와 전자를 제외한 모든 경입자는 사라진다. 그때의 온도는 10억 도 정도이며, 핵자로부터 헬륨 원자핵이 형성될 만큼 충분히 식어서, 양성자의 25%가 실제로 헬륨 원자핵으로 융합된다. 우주가 계속 팽창하면 중성 수소 원자와 헬륨 원자가 형성되기에 충분하리만치 선선해질 때까지 온도도 계속하여 낮아진다. 온도가 계속 더 떨어지게 되면, 복사가 중성 헬륨이나 수소와 상호작용하기에는 너무 차가워진다. 그래서 복사와 물질이 연결을 끊게 되고, 물질(중력)이 지배적인 현재 상태의 우주로 진화해 나간다.

 

 

 

머리 겔만(1929~2019, 위키백과). 로이드 모츠는 초기 우주의 입자로서 '유니톤'이란 개념을 추론했고, 이는 겔만이 발견한 쿼크와 동일함을 확인했다.

 

 

우리는 위에서 표준 되는 이론을 소개했는데, 이 이론은 물리적으로 허용될 수 없는 초기특이점을 제거할 수 없기 때문에, 현재 있는 그대로서는 분명히 만족스럽지 못하다.

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그러나 이 책의 저자들 중 한 사람(모츠)은 이런 곤경을 헤쳐 나오는 데 핵자의 구조에 대한 우리의 생각을 대폭 변경시키는 것과 연관된 한 방법을 제시한 바 있다. 그는 그가 “유니톤”이라고 부른 매우 무겁고 기본적인 입자가 존재한다고 추론했으며 그것이 겔만의 쿼크와 동일함을 확인했다.

유니톤의 질량이 매우 크기 때문에(10의 -5제곱 그램 정도), 핵자 안에서 쿼크들을 결합하는 힘은 중력이며, 핵자 자체는 세 유니톤이 직선 위에 놓여 있고 두 개는 양 끝에, 그리고 한 개는 중앙에 놓인 선형회전자라고 생각했다. 이제 “대폭발”은 오직 유니톤들로만 이루어진 초기우주라고 생각하면 설명이 가능하고, 이 유니톤들은 광대한 에너지를 방출하며 핵자를 형성하기 위해 삼중선으로 결합한다. 이것이 우주의 탄생인 “대폭발”인 것이다.

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핵자에 대한 이런 모형은 우주의 처음 순간을 제거함으로써 우주의 초기특이점을 제거한다. 유니톤 모형은 창조의 처음 순간이 없는 것을 허용한다. 만일 우주의 온도가 10의 32제곱K였을 때까지 시간을 다시 거슬러 올라가면, 이제 우주에 존재하는 광자들의 에너지는 핵자를 유니톤들로 분해할 만큼 충분히 커질 것이다. 그래서 이제 우주에 들어 있는 복사들의 모든 에너지는 유니톤의 질량과 그들 상호 간의 중력에너지 형태로 나타나면서 빨려 들어가고 우주는 차가워진다.

 

 

2025년 완공 예정인 거대마젤란망원경(Giant Magellan Telescope). 허블우주망원경보다 10배 더 선명한 영상을 얻을 수 있으며, 역사상 가장 먼 우주를 관찰할 수 있다. (한국천문연구원)

 

 

이러한 우주의 상태가 변할 수 있는 유일한 방법은 유니톤이 핵자에 들어 있는 삼중선으로 붕괴하는 것뿐이다. 이 현상은 과거에 반복하여 일어났고 미래에도 반복하여 일어나기를 계속할 것이다.

 

 

은은 왜 변색되는 걸까?