우주 생성의 불가사의

NASA CLub이 제공하는 우주이야기

 

우주 생성의 불가사의

무에서 우주는 탄생하여 어떻게 여기까지 왔는가?

 

 

우리들의 우주는 지금부터 약 130억 년 전 빅뱅으로 생겨났다. 1948년 미국 물리학자 조지 가모프（George Gamow, 1904년 3월 4일~1968년 8월 19일=현 우크라이나 태생의 미국 이론물리학자)가 낸 결론이다. 그러나 그 빅뱅은 어떻게 해서 시작되었는지는 대답하지 못하였다. 그러나 일반상대성이론에 양자론을 더한 양자중력이론에서는 우주는 시간도 공간도 에너지도 물질도 없는 무에서 탄생했다고 한다.

<무>란 시간, 공간, 물질, 에너지가 없는 상태라고 소련(우크라이나) 태생의 물리학자 알렉산더 빌렌킨（Alexander Vilenkin）은 정의하였다. 그러나 <무>에서 무엇이 생겨난다고 하는 것은 상식적으로는 생각할 수 없다. 그런데 양자론에서는 정반대이다. 매우 짧은 시간 중에는 시간이나 공간 에너지가 하나의 값을 취하지 못하고 끊임없이 흔들리고 있음을 밝히고 있다.

우주는 작으면 작을수록 또 진공의 에너지가 높으면 높을수록 우주가 생겨날 확률이 높다는 것을 알았다. 우리들의 상상과는 거꾸로 아무 것도 없는 상태가 우주를 생겨나게 하는 열쇠가 되고 있는 것이다.

영국 물리학자 스테판 호킹은 우주의 방정식(파동관수)를 풀고 양자론적으로 가장 확률이 높은 우주의 진화과정이 빌렌킨이 생각한 우주와 일치하고 있음을 밝혔다. 우리들 우주는 최초에 10~34센티(양자론에서 허용하는 최소의 길이)에서 시작하였다. 또 시간은 10-44초에서 돌연 시작하였다. 이 초미니우주는 높은 진공의 에너지를 가지고 있었다.

높은 진공의 에너지는 아인슈타인의 우주항과 같이 척력이 되어서 공간을 급팽창시킨다. 우주의 인프레션이다. 인프레시 팽창은 빅뱅팽창보다 훨씬 격하다. 그것은 직경 1밀리의 물체가 1초의 1조분의 1의 1조분의1의 다시 100억분의 1 사이에 1000억 광년의 크기로 넓어지고 마는 정도이다.

이 이론에는 달리도 우주가 많이 생겨나고 있어서 우리들의 우주는 그 중 하나일는지도 모른다. 그러나 아무 것도 없는 데서 폭발이 일어났다고 해도 우리들이나 별을 생겨나게 하는 물질처럼 생겨났는지가 의문으로 남는다.

인플레션을 일으킨 우주는 매우 높은 에너지를 가진 오랜 진공이다. 이 오랜 우주의 진공이 서로 전이하면 에너지는 한꺼번에 해방되어 빛 에너지에 찬 불덩이가 되어서 물질은 이 속에서 생긴 것이다. 상대성이론에 따르면 에너지와 물질은 서로 자유로 전환된다고 한다.

우주 탄생의 10-30초 후 우주를 채운 빛에서 X입자라 부르는 소립자와 그 반립자가 다량으로 만들어져서 이윽고 그것들은 현재의 물질로서 최소의 소입자인 쿠오크(quark)와 레프톤(Lepton) 그리고 그들의 반립자가 된 것이다.

우주탄생에서 0.00001초 후에는 우주의 온도도 1조도로 내려가서 그때까지 단독으로 날아다니던 쿠오크가 3개 모여서 양자나 중성자 등을 만들었다.

우주탄생에서 3분 후에는 우주의 온도는 10억 도까지 내려가서 이번에는 양자와 중성자가 결합하여 여러 가지 원소의 원자핵이 만들어진다. 수소나 중수소. 헬륨 등 현재 별이 빛나게 하는 연료가 여기서 개발된 것이다.

우주탄생에서 30만년 후 우주 온도는 3000도까지 내려가서 전자가 원자핵으로 잡히면 우주는 투명하게 맑아진다.

우주탄생에서 10억년 후까지 은하나 은하단이 형성되었다고 생각되고 있는데 그 메카니즘은 거의 알지 못하고 있다.

우주에 별이 탄생하면 그 중심에서는 핵융합반응이 시작되어 이 반응으로 탄소나 질소 산소라는 무거운 원소가 만들어진다. 중원소는 별의 폭발과 동시에 중 공간에 흩어져서 우리들 지구와 같은 혹성을 낳는 재료가 된 것이다.

그래서 인류는 쾌적하게 살 수 있는(생명이 탄생하는) 지구는 태양이라는 별의 적당한 거리에 있고 적당한 크기, 중력, 지축의 경사. 적당한 자전속도 등 인류탄생에 뺄 수 없는 여러 가지 조건을 깨끗하게 생겨낸 것이다. 이 확률은 매우 어렵다고 생각한다.