빅뱅 이론

빅뱅 이론

 

 

빅뱅(Big Bang)이란 모든 물질이 한 점에 모여 있어 시간도 공간도 없는 그런 상태에서, 큰 폭발과 그로 인한 급속한 팽창으로 인해 현재 우리가 알고 있는 모든 물질의 근원이 만들어지고, 시간과 공간이 존재하기 시작하였으며, 그로부터 이 우주가 형성되었다는 이론이다. 1948년 가모프에 의해서 사용되었다. 당시에는 팽창 우주론과 정상 우주론(멈춰있는 우주가 경쟁 상태였다. 가모프는 팽창우주론의 주창자였고, 호일은 정상우주론자였다. 호일은 영국의 BBC방송과의 인터뷰하는 자리에서 가모프의 이론을 비난하는 뜻으로, 초기우주가 뜨거웠고 지금, 팽창하고 있다면 그것은 마치 대폭발(Big bang과 같은 것이 아니겠느냐고 말했는데 농담 좋아하는 가모프가 자신의 이론에 빅뱅이라는 명칭을 붙였다 한다.

 

▣ 빅뱅이론의 과학적 증거는?

 그 증거로는 우주가 팽창하고 있다는 사실과 우주에는 어느 방향으로부터든지 고르게 잡히는 초단파와 같은 복사파(우주배경복사)가 존재한다는 것이다. 그 복사파의 온도는 절대온도3도(섭씨 영하 270도)라고 한다. 그러나 빅뱅 이론은, 현재 정확한 법칙으로 받아들이고 있는 과학법칙에 어긋나며 위의 빅뱅 증거들도 다른 이유로 설명할 수도 있다. 빅뱅이론은 1947년 가모프가 원시원자이론을 확장하여 제안한 것으로 지금부터 100에서 200억 년 전에 10의 16승 도 K 이상의 초고온과 10의 14승 g/cm3 이상의 초고밀도의 원초물질이 폭발하여 오늘날과 같은 우주가 형성되었는 이론이다. 이 이론의 증거로 적색편이현상(우주 팽창의 근거로 인용)과 3도 K 흑체배경복사 파장의 존재를 들고 있다. 3도 K 흑체배경복사는 1964년 벨연구소의 펜지아스와 윌슨이 고감도 전 파 망원경에 생기는 전파잡음의 원인을 연구하다가 발견한 것을 프린스턴 대학의 로버트 디키와 제임스 피블스가 가모프의 대폭발에 의한 우주배경복사이론(5도K의 배경복사를 예언)으로 설명하였다. 우주에는 수분의 1에서 50 cm까지의 약하고 등방성이며 연속적인 파장을 가진 배경복사가 존재한다. 그러나 빅뱅이론에 대한 근거로서 이러한 것들이 채택될 수 있는가는 과학적으로 확실하지 않다. 먼저, 빅뱅이론 내에서도 극도로 큰 적색 편이 값을 갖는 퀘이사 (Quasar)라고 알려진 천체에 대해 허블의 법칙(우주팽창이론)을 적용하기가 어렵다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그리고 3도K 배경복사현상을 설명하는 대안적인 여러 다른 이론들이 있어서 빅뱅(대폭발)의 잔재라고 만 해석하기는 어렵다.

 

▣ 빅뱅이론의 문제점은?

 빅뱅이론은 과학적으로 그럴듯한 설명 같지만 많은 오류가 있다. 먼 저 150억 년 전에 있었다고 하는 아주 작은 우주는 어디서 왔을까? 이것을 설명할 수가 없다. 물질이 저절로 생겨날 수 없다는 것(열역학 제1법칙)은 잘 알려진 과학법칙이다. 이 법칙에 따르면 창조주 하나님이 계시지 않고는 우주가 생겨 날 수 없다는 것을 알 수 있다. 또한 그렇게 작은 우주가 폭발할 수 있는 힘이 어디서 왔는지 알 수 없다. 그리고 우주 속에 존재하는 규칙성과 대칭성을 설명할 수 없다. 또한 우주의 배경복사파에 대해서도 다른 해석이 가능하므로 그것이 빅뱅 때문에 생긴 것이라고 하기에는 부족하다. 그 이외에도 지구와 달의 탄생이나 지구에 존재하는 많은 물질의 기원에 대해서도 정확히 설명할 수 없다. 한마디로 요약하면 우주에 있는 질서와 조화를 폭발이라 는 혼란스러운 방법으로 되었다고 하는 것은 상식에 벗어난 것이다. 오히려 하나님께서 질서와 조화를 갖춘 아름다운 우주를 만드셨다고 하는 것이 합리적이다. 첫째로, 빅뱅(대폭발)의 원초물질은 어디서 왔으며 그 폭발의 원동력은 무엇이며 어떻게 일어났는지에 대한 의문에 대답할 수 없다. 둘째로, 허블의 적색 편이 현상이 알려진 이후부터 지금까지 관측에 의한 허블 상수는 일정치 않아 왔고 또 정확하지 않다는 점이다. 우주 진화론자들이 우주의 나이를 계산할 때에는 허블 상수의 역수를 이용 해 왔다. 그러므로 우주 기원의 시점에 대한 계산은 정확할 수가 없다. 또한 허블이 우주팽창의 근거로 해석한 적색편이현상을 다르게 해석하는 방법이 있는데 그중 하나가 중력장에 의한 적색편이의 해석 (아인슈타인의 해석)도 있다. 셋째로, 빅뱅이론은 우주의 생성을 설명하기 위해 많은 자체 모순을 포함하고 있다. 예를 들면 빅뱅이론에서 (적색편이에 의해 추정할 때) 100억 광년 이상 떨어져 있다고 생각하는 가장 멀리 있는 천체의 경 우, 빅뱅이론에 의하면 빅뱅(대폭발)의 초기 상태이므로 은하 상태가 아니라 원시 성간물질의 형태이어야 하나 관측에 의하면 완전한 형체를 가진 은하이다. 넷째로, 배경복사현상을 해석하는 다른 대안이 있어서 대폭발의 잔재라고만 해석하기는 곤란하다. 다섯째로, 빅뱅이론에 의하면 다음 과정을 통하여 헬륨이 생겨난다. (1) 중성자+양성자=중수소+광자 (2)중수소+중수소=헬륨+중성자 (3)중수소+중수소=삼중수소+양성자 (4) 중수소+삼중수소=헬륨+중성자 그런데 헬륨은 불활성 원소이어서 핵반응이 급격히 멈추게 된다. 따라서 가벼운 원소들, 즉 리듐, 베릴륨, 붕소등이 미량이 생길 뿐 무거운 원소들의 생성은 불가능하다. 여섯째로, 자연계에는 중력, 전자기력, 약력, 강력등의 네 가지 힘이 존재하며 그 힘들은 대칭성과 규칙성 가운데 작용하고 있다. 그런 데 어떻게 극히 혼란스러운 방법인 대폭발을 통해 대칭성과 규칙성이 생겨날 수 있을까? 이는 마치 인쇄소에서 일어난 대폭발 사고로 인해 흩어진 활자들이 날아가 저절로 백과사전 하나를 만들어질 가능성보다도 희박하다. 이는 열역학 제2법칙에 비추어 볼 때 어긋난다.

 

▣ 빅뱅이론이 가지는 문제점에 대한 해결방안은?

 인플레이션 우주론이란 빅뱅이론으로 설명할 수 없었던 문제점을 해결하기 위해 미국의 구스(Guth)가 내놓은 이론이다. 인플레이션이란 말은 태초에 우주가 갑자기 엄청나게 커졌다는 것을 의미한다. 즉, 인플레이션 우주론은 우주가 초기에 천천히 커지다가 인플레이션이 일어나 부쩍 더 빨리 커진 후 다시 느린 속도로 돌아간다는 이론이다. (인플레이션이 발생하면 주어진 크기의 우주는 1028배 이상으로 자란다.) 이런 대규모 팽창 현상을 통해서 우주 편평화 문제가 해결된다. 즉, 대규모 팽창을 통해서 곡선이 '편평’하게 퍼지는 곡선의 직선화 현상이 나타난다. 지구는 둥글지만 우리가 보기엔 편평한 것처럼 보이는 현상을 생각해 본다면 우주가 왜 편평해 보이는지에 대해서 이해할 수 있다. 또, 인플레이션 우주론으로 우주 지평선 문제는 더 쉽게 해결된다. 인플레이션 이론에 따르면 현재 관측되는 우주는 원래 크기의 1028배로 자란 한 개의 알갱이에서 시작된 것이다. 그러므로 굉장히 작은 알갱이 안에서는 우주배경 복사선의 온도가 방향에 상관없이 거의 같은 온도를 지닌다는 것은 당연한 사실이다. 인플레이션 우주론이 해결하는 마지막 문제는 자기 단극자 문제이다. 지금 우리의 우주는 하나의 알갱이에서 그것이 갑자기 팽창한 것이라는 것이 인플레이션 우주론이다. 그러므로 현재 관측 가능한 우주 내에는 기껏해야 한 개의 자기 단극자가 존재할 것이다. 물론 1백억 광년 크기의 우주에 한 개밖에 없는 자기 단극자를 찾을 확률은 거의 ‘0’이다. 이것이 사라진 단극자들의 행방에 대한 인플레이션 이론의 설명이다. 빅뱅이 해결하지 못했던 문제들 중의 하나는 우주 배경복사가 너무 균일하다는 것이다. 인플레이션 이론으로 우주 배경복사가 같은 온도를 가지 수 있다는 것은 설명이 되었으나 이 값이 한 치의 오차도 없이 너무 균일하다는 것은 이상하지 않을 수 없었다. 온도에 약간의 요동이 있어야 별, 은하가 형성될 수 있기 때문이다. 그러나, 이 문제는 1992년 우주 배경복사 탐색위성인 코비가 보내온 자료에 의해 해결될 수 있었다. 1989년부터 2년 반 동안 코비는 우주 배경복사를 끊임없이 반복하여 관측했고, 그 결과 그토록 완벽해 보이던 우주가 태초의 모습을 드러내고 말았다. 배경 복사 중 10만 분의 1의 온도 변화를 보이는 태초 불덩이를 발견한 것이다. 인플레이션 현상은 우주 공간 전의 불균일 상태를 균일하게 만들어 주는 역할과 함께 물질과 빛에 극미하게나마 불확정성 원리에 의한 독특한 불균일성을 야기한다. 그리고 우주 초기 단계에 물질 밀도와 에너지 밀도의 요동이 있어야 한다. 인플레이션 현상은 약간의 불균일성이 없다면 설명할 수 없게 되는데, 코비가 10만 분의 1의 온도 변화를 보이는 배경 복사를 찾아내기 전에는 이런 현상을 확인할 수가 없었다. 하지만 ‘코비’의 관측결과로 우주가 팽창한다는 빅뱅론과 인플레이션 우주론, 그리고 별이나 은하들이 중력 수축에 의해 형성되었다는 가설이 입증되었다