빅뱅 우주론

  동명의 미국 시트콤에 대한 내용은 빅뱅 이론(시트콤) 문서를 참조하십시오.

  포켓몬스터의 기술에 대한 내용은 대폭발(포켓몬스터) 문서를 참조하십시오.

  • 다른 빅뱅 관련 정보(동음이의어)를 찾는다면 여기
  • 빅뱅과 관련된 많은 문서를 이 문서로 통합하니 빅뱅 관련 문서를 보면 문서 가져옴을 문서 하단에 명확하게 표시하고 이 문서로 옮겨주자.

1. 개요
2. 이론의 역사
3. 상세
4. 빅뱅이론을 지지하고 있는 증거들
5. 보완 가설들
5.1. 인플레이션 이론
5.1.1. 원리
6. 우주 멸망 가설
6.1. 빅 크런치
6.2. 빅 프리즈
6.3. 빅 립
7. 창작물에서
7.1. 빅 크런치
7.2. 빅 프리즈
8. 기타
9. 관련 문서

1. 개요

"모든 것의 최초에 상상할 수 없을 만큼 아름다운 불꽃놀이가 있었습니다. 그 후에 폭발이 있었고, 그 후에는 하늘이 연기로 가득 찼습니다.

- 조르주 르메트르(Georges Lemaître), 윌슨산 천문대 세미나(1933)

약 137억 9900만 년(±210만 년) 전에 발생한 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론.[1] 좀 더 상세히 설명하자면 현재 우주가 팽창하고 있다는 점에서 착안하여 과거로 돌아가면 모든 것이 한 점에 모여 있었을 것이라 가정하고 그 점으로부터 팽창하여 현재 우주가 되었다는 설이다.[2]

빅뱅이 발생했단 것이 현재 이론들 중에서 제일 유력한 건 사실이지만, 빅뱅으로 현재의 우주가 탄생했다는 가설은 계속해서 논의되고 있다. 특이점에서의 급팽창 자체는 이견의 여지가 없지만, 빅뱅 이전에도 우주와 물질은 존재했고, 빅뱅으로 물질이 확장되어 나갔을 뿐이라는 이론이 한창 연구되고 있다. 빅뱅 이전에 물질이 존재했다고 가정해도 현재까지 발견된 관측적 증거를 거스르지 않기 때문에 충분히 가능성 있는 이야기라는 것이다. 또한 이것이 빅뱅 이론에서 규명해야 할 빅뱅 이전의 상태에 대한 하나의 가능성이다.

현재 관측되는 우주 팽창 속도는 1메가파섹당 초속 68킬로미터다. 즉 관찰자로부터 1메가파섹(326만광년) 떨어져있는 물체는 초속 68킬로미터의 속도로 멀어지는 것으로 보인다는 의미이다. [3] 관찰자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이며 지구에서뿐 아니라 어디에서든 마찬가지다. 참고로 여기서 "물체가 멀어지는 것으로 보인다"는 표현을 썼지만 실제로는 물론 공간(우주 자체)이 팽창하는 것이다.[4] 때문에 "멀어지는" 속도가 광속을 넘어설 수도 있다.

2. 이론의 역사

1927년 벨기에 가톨릭 대학의 조르주 르메트르(Georges Lemaître)[5]라는 물리학자신부가 처음으로 주장하였고 ,이것이 현재의 빅뱅 이론으로 발전하였다.[6] 르메트르는 성직자였지만, 과학으로서의 우주론과 신앙으로서의 창조는 전혀 연관이 없다고 교황과 과학계를 설득했다.[7] 물론 과학자들도 사람이기 때문에 완전히 영향을 받지 않을 수는 없어서 반발이 있었다. 그러다보니 당연히 처음부터 수용된 것은 아니며, 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론이 제기되어 한때 팽팽하게 대립했었다.

'빅뱅(Big Bang) 이론'은 원어로 들어보면 그럴 듯하게 들리지만 의미를 풀어 보면 '대폭발/큰 쾅 이론'이란 뜻이며, 초기엔 태초의 화염구(primitive fireball) 정도로 불렸다. '빅뱅'이라는 단어는 정상우주론을 지지했던 물리학자 프레드 호일이 1949년 라디오 토크쇼에 출연해 팽창우주론을 비꼬려고 '팽창우주론이란 거대한 생일 케이크 속에 들어 있던 스트리퍼가 '빵(Bang)!'하고 튀어나오는 것과 같은 식이군요'라고 언급하면서 사용했던 것이 시초가 되었다는 설이 있는데, 프레드 호일이 한 라디오 프로그램에 출연하여 빅뱅이론을 약간 까는 어조로 "그럼 우주가 맨 처음에 꽈광!(Big Bang)하고 생겨났다는 말이군요?"라고 한 데서 유래했다는 소문과, 반대로 조롱할 의도 없이 그저 팽창우주론을 쉽게 설명하기 위해 사용한 말이라는 이야기가 있다.

3. 상세

양자 역학[8]상대성 이론의 통합 등, 빅뱅의 원인과 빅뱅 시작 후 초기를 설명하는 이론들이 아직 완성되지 않았기 때문에 완전히 설명할 수는 없다. 또, 현재까지 관측할 수 있는 우주배경복사가 어디까지나 가시영역 내의 우주(Observable universe, 볼 수 있는 영역의 우주)이기 때문에, 그 바깥쪽 영역(Invisible universe)에서 벌어지고 있는 사건과 현상은 밝혀낼 수 없다. 설명 불가능한 부분은 플랑크 시간이라고 불리는 시간의 최소단위인데 10^{-43}초 사이의 진정 찰나의 순간이다. 이 이하의 시간은 관측 불가능하다는 양자 역학의 이론에 따라 현재로는 규명이 불가능하다.

"빅뱅 이전에는 무엇이 있었나요?" 또는 "빅뱅이 일어나기 5분 전에는 무슨일이 있었나요?" 등의 질문에 대해서는 아직 과학자들도 설명할 수 없는 부분이다. 상대성 이론으로 설명하자면 시간과 공간은 둘이 결합한 단일한 구조를 이루며 그런 구조가 물리법칙의 영향을 받는 것이기 때문에 공간이 없으면 시간 역시 없으므로 설명이 불가능하다.

'빅뱅 순간에 시간이라는 개념이 생겼으므로 처음부터 질문이 성립되지 않는다'[9]라는 말도 맞거나 틀리다고 할 수 없다. 정확히는 이러한 설명 자체가 시간은 일정하게 흐른다는, 일반적인 상식선에서 받아들여지는 뉴턴역학식으로 해석한 정상우주론에 사로잡혀 있기에 나오는 오류. 그렇기 때문에 어떤 학자도 빅뱅 전의 상태에 대해 "알 수 없다" 라고 대답하는 것이다.

호킹이 말한 "북극점보다 북쪽은 없다."는 것은 이 이론이 아니라 특이점을 설명하는 말이지만, 빅뱅 순간도 훌륭한 특이점이기 때문에 이 비유 역시 굉장히 적절하다 할 수 있다.

덧붙여, 일부 과학자들은 허수시간 단위의 도입을 통해서 이 특이점을 회피하려고 노력하고 있다. 플랑크 시간 이전에는 허수시간이 흘러서 t=0인 시점이 아예 존재하지 않는다라는 가설인데, 이 해석으로는 무에서 우주가 탄생한 직후 어째서 사라지지 않고 우주가 확장을 시작했는지에 대해서 해석이 가능해지지만[10] 이건 이것대로 허수 시간이 흐르다가 갑자기 실수 시간으로 넘어가는 이유를 설명할 수 없기 때문에 해석이 분분하다. y=\ln{x}의 그래프처럼, 정의역(그래프에서는 x, 빅뱅 이론에서는 시간 t) 값이 0보다 작거나 같을 때에는 함숫값이 허수였다가 정의역 값이 0을 넘는 순간 실수가 되는 것과 같을지도 모른다.

4. 빅뱅이론을 지지하고 있는 증거들

빅뱅 이론의 최대 증거. 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다는 것을 말해준다. 특히 우주배경복사의 패턴을 정밀 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있으며 이로부터 탄생한 우주 거대 구조와 바리온 음향진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌다.
  • 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들
퀘이사는 우주의 크기가 현재의 약 1/3 수준이었을 당시 가장 많이 활동했으며, 최근으로 올 수록 점진적으로 그 발견되는 수가 줄어든다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주의 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 말해준다.
현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데, 이는 빅뱅이 일어날 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치한다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배이며 이는 우주가 식어갈 때 결합 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문이다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미하다.
우주가 균일하게 팽창한다는 관측적 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있다.
빅뱅 우주론을 가정하면 올베르스의 역설은 자연스레 풀리게 된다. 자세한 설명은 항목 참조.
엔트로피의 법칙을 부정하지 않는 이상, 우주의 수명에는 반드시 한계가 존재할 수밖에 없다. 우주에 끝이 존재한다는 것은 시작점도 존재해야 한다는 의미가 된다. 과거 어느 시점에 최소 엔트로피를 가졌던 우주의 시작점이 있었기 때문에 우주는 현재의 모습을 유지하고 있는 것이다.통계열역학에서, 어떤 macroscopic condition을 가지는 system의 microstate의 개수 [math( \Omega = gV^{N}U^{3/2N})] 에 대해서 엔트로피 [math(S=k_{B} log \Omega)]로 표현되는데, 이를 우주에 대해 적용시키면 [math( \Delta S_{univ} = R log (V_{f}/V_{i}))]로 우주의 부피가 증가하는 것이 엔트로피가 증가하는 것과 동치임을 알 수 있다.

5. 보완 가설들

폭발이 일어난 원인을 비롯해 빅뱅이라는 개념만으로 우주의 시작을 알기에는 너무나 불확실한 것들이 많기에 그를 보완할 수 있는 가설들이 여럿 나와 있는데, 대표적인 것을 꼽자면 다음과 같다.

  • 인플레이션 이론: 빅뱅 직후 잠깐 동안 우주가 빛의 속도 이상으로 미친 듯이 팽창했다.[11][12][13]
  • 진동 우주 가설: 빅뱅 - 빅 크런치 - 빅뱅 - 빅 크런치 - ...와 같이 빅뱅이 무한히 반복한다.
  • 거품 우주 가설: 빅뱅 직후 양자적 '거품'이 발생하여 새로운 빅뱅이 일어나서 수많은 자식우주가 생성되었다.
  • 빅 스플랫(big splat): 두 우주끼리의 충돌로 우리 우주가 생겨났다.
  • 선 빅뱅 이론(pre-big bang theory): 지금의 우주 이전에 존재하던 우주의 물질들이 중력에 이끌려 블랙홀을 이루었는데 이 블랙홀이 플랭크 길이에 다다를 정도로 줄어들면서 빅뱅을 일으켰다.

5.1. 인플레이션 이론

1980년대부터 주장된, 대폭발 우주론에 더해서 우주의 초기 시절 우주가 급격히 팽창했다는 이론이다.

빅뱅 당시에 일어났다고 하는 전면적인 우주의 팽창. 한국말로는 '급팽창'이라고 한다. 부피가 적어도 1078배 팽창하였고 10−34초에서 10−32초 사이에 이루어졌다고 한다. 인플레이션 이론의 등장 배경은 70년대에 개발된 대통일 이론과 관련되어 있다. 대통일 이론에 따르면 우주에는 수많은 자기 홀극이 존재했어야 했다. 그러나 자기 홀극을 발견하려는 모든 시도는 실패했고 사람들은 그 해답을 찾기 시작했다. 1980년 앨런 구스(Alan Guth)는 우주론에 존재하는 여러 문제들을 해결할 수 있는 인플레이션 이론을 발표했다. 그와 비슷한 시대에 러시아의 스타로빈스키 (Starobinsky), 일본의 사토 가쓰히코 등이 비슷한 아이디어를 독립적으로 발표하였으며 그 후 여러 학자들의 기여와 관측 결과를 토대로 인플레이션 이론은 발전하게 된다.

인플레이션 이론은 매우 매우 급속한 팽창을 가정하여 자기 홀극이 발견되지 않는다는 문제를 해결하였고 부수적으로 주목받지 않았던 다른 문제들도 해결하게 된다.

  • 왜 우주배경복사의 온도가 균일한가 (지평선 문제, Horizon Problem): 우주배경복사는 어느 방향이든 온도가 거의 같다. 우주배경복사의 온도는 방향에 따라 100,000:1 의 차이만을 보이고 이는 18 µK에 해당한다. 예컨데 뜨거운 물이 담긴 찻잔에 차가운 얼음을 집어넣는다면 얼음을 중심으로 열 교환이 이루어져서 결국에는 찻잔 내의 물은 열평형을 이루게 된다.(다시 말해 찻잔 속의 모든 지점의 온도는 동일하게 된다.) 빅뱅이론에서의 문제는 우주배경복사 당시의 지평선 거리[14]인 38만 광년보다 멀리 떨어진 두 지점의 우주 공간의 온도가 거의 차이를 보이지 않는다는 것이다. 전통적인 우주론에서 우주의 반대편에 보이는 두 부분의 온도가 같다는 것은 불가능하다. 왜냐하면 정보의 교환(에너지의 교환)의 속도는 빛의 속도를 넘어설 수가 없기 때문에 지평선을 넘어서는 거리의 두 지점의 우주 공간은 한 번도 정보가 오간 적이 없는 곳이기 때문이다. 이렇게 빛의 속도를 넘어서는 두 지점 사이에서 열 평형이 일어나는 것을 설명하지 못하는 빅뱅 이론의 문제점을 지평선 문제(Horizon Problem)라고 부른다. 이를 해결하기 위해 빅뱅 초창기에 열평형 상태를 유지하던 우주가 급격하게 팽창했다는 인플레이션 이론을 가정하면 우주의 반대편이라도 원래는 매우 가깝게 붙어있던 곳이기 때문에 온도가 같은 것을 설명할 수 있다.
  • 왜 우주가 평탄한가 (평탄성 문제, Flatness Problem): 상대성 이론에 따르면 시공간은 다양한 곡률을 가질 수 있으며 우주가 평탄해야 할 하등의 이유가 없다. 게다가 평탄한 우주는 불안정하기 때문에 빅뱅 초기에 약간의 곡률만이 존재해도 순식간에 평탄성이 깨져 버린다. 하지만 관측 결과 우주는 현재까지도 매우 평탄한 상태를 유지하는 것으로 드러나 있다. 인플레이션 이론에 따르면 인플레이션에 의해 과거 존재했던 시공간의 굴곡이 희석되어 우리의 관측 범위 내에서 보이는 우주는 거의 평탄하게 되었다는 설명이 가능하다. 요컨대 우주가 너무 거대해졌기에 둥근 지구 위에 선 사람이 땅이 평평한 것으로 느끼는 것처럼 우주가 거의 평탄하게 보이게 되었다는 것.
  • 자기홀극이 발견되지 않는가 (자기홀극 문제, Magnetic Monopole Problem): 대통일 이론에서는 빅뱅 초기와 같은 높은 에너지 밀도 상태에서 자기홀극이 생성될 것으로 예측하고 있다. 이에 따르면, 빅뱅 직후 생성된 무수히 많은 자기홀극이 일반 물질들의 밀도를 한참 압도할 정도의 양으로 우주를 가득 채우고 있어야 한다. 하지만 아직까지 자기홀극은 발견된 사례가 없다. 인플레이션 우주론을 받아들이면, 빅뱅 초기에 생성되었던 높은 밀도의 자기홀극이 인플레이션을 거치면서 희석되었다고 해석할 수 있다.

현재 우주배경복사 관측 자료 등을 통해 인플레이션 이론은 정설로 받아들여지고 있으며 구스는 노벨상이 예상되는 물리학자로 꼽히고 있다. 하지만 전혀 비판이 없는 것은 아니다. 아직도 많은 과학자들은 인플레이션 이론에 결함이 있다고 주장한다. 특히 급팽창이 일어나는 초기 조건에 관해서는 기존의 모델이 굉장한 무리수를 두고 있다고 지적한다.## 또한 비교적 마이너에 속하긴 하지만 CCC 이론[15]과 같이 인플레이션 이론을 대체하는 이론도 제기되고 있으며 역시 계속해서 연구되고 있다.

2014년 3월 17일에 우주배경복사에 남겨진 B-모드 편광이 BICEP2 실험에 의해서 관측되었다고발표되었다. B-모드 편광은 인플레이션에서 발생한 원시 중력파에 의해 생성된다고 인플레이션 이론에 의해 예측되므로, 이 것의 관측은 인플레이션의 간접적 증거가 된다#. 그러나 추가 연구 결과 여기서 관측된 B-모드 편광은 원시 중력파의 흔적은 아닌 것으로 밝혀졌으며, 더 정밀한 측정을 통해서 발견될 가능성은 여전히 존재한다.

5.1.1. 원리

구스가 원래 주장한 인플레이션 이론에서는 우주가 준안정 상태인 가짜 진공(false vacuum)에서 시작한다. 가짜 진공은 지수함수적인 팽창을 일으켰고 이는 드 지터 우주(de Sitter universe) 모형으로 근사시킬 수 있다.[16] 가짜 진공은 진짜 진공보다 높은 에너지에 상태에 있었고 따라서 양자역학적 터널링 효과로 가짜 진공에서 진짜 진공으로 넘어가며 인플레이션이 종료되었다고 생각된다. 인플레이션이 끝나고 우주의 온도는 100,000배로 내려갔으며 그 후 우주는 다시 온도가 인플레이션 이전의 온도에 근접하게 올라가는 재가열 시대를 맞는다.

구스가 주장한 원래의 이론은 관측결과와 잘 들어맞지 않는 문제점이 있었다. 구스의 모형에서는 동시다발적으로 다양한 곳에서 상전이가 일어나서 거품들이 경계선들을 만들어내고 지금과 같이 균질한 우주는 만들어지지 않게 된다. 이와 같은 기존 이론의 문제점을 보완하기 위해 나온 인플레이션 모형 중 하나가 안드레이 린데가 주장한 혼돈 인플레이션(Chaotic Inflation)이다.

[17]

위 그림에서 인플레이션이 일어나는 영역은 A와 B이다. A 영역에서는 양자적 요동에 의해 영원한 인플레이션(Eternal inflation)이 발생한다. 그리고 그림에서 B 영역은 인플레이션이 일어나면서 인플라톤장의 크기가 줄어들고 C 영역에선 인플라톤장이 진동하며 재가열을 만들어내는 원인이 된다. 이 모형에서는 구스의 모형과 달리 인플라톤장이 경사면을 내려오면서 인플레이션에서 자연스럽게 벗어나게 된다. 그리고 혼돈 인플레이션 모형이 가지는 또다른 장점이 존재한다. 모형에 의하면 인플레이션이 일어나기 전의 우주는 충분히 커서 각기 다른 상태의 진공이 자리잡게 된다. 그 진공의 상태에 따라 어떤 영역은 인플레이션이 일어나고 어떤 부분은 인플레이션이 일어나지 않게 된다. 이 이론에서는 왜 우리 우주가 인플레이션을 일으키게 한 초기조건을 가졌는지를 설명할 필요가 없다는 장점이 있다. 왜냐하면 수많은 영역 중 자연스럽게 인플레이션이 일어나는 영역이 존재하고 우리 우주가 존재한 영역도 있을 것이기 때문이다.참고 블로그논문

6. 우주 멸망 가설


우주를 박살내는 3가지 방법[18]

어떤 사람은 이 세상이 불로 끝나리라 말하고,

어떤 사람은 얼음으로 끝나리라 말한다.

— 로버트 프로스트, 「불과 얼음」 중

우주에는 시작이 있었듯이 끝 또한 존재한다. 빅뱅이론이 정립된 후 뉴턴, 아인슈타인, 프레드 호일 등에 의해 생각되던 고전적인 영원불변의 우주관은 붕괴했고, 현대 물리학에 따르면 우주는 어떤 방식으로든 종말을 맞게 된다. 우주 멸망의 시나리오는 대표적으로 다음 세 가지가 거론된다.

6.1. 빅 크런치

Big Crunch, 대붕괴(大崩壞)

빅뱅이 한 점에서 무한히 팽창했다는 우주의 기원 이론이라면, 빅 크런치는 자체적으로 우주 전체의 질량에 의해 발생하는 중력 위치에너지가 우주가 팽창하는 에너지보다 클 경우, 우주는 그 자신이 가진 중력에 의해 일정수준까지 팽창한 뒤 한 점으로 모일 때까지 수축한다는 세계멸망 이론이다. 빅뱅이론을 세운 초창기 연구자 중 하나인 프리드만이 먼저 제안했다.

이것이 가능한가는 밑의 두가지 요소에 달려있다.

  • 우주에 수축이 일어날 정도로 충분한 질량이 있는가?
  • 암흑에너지라는 중력에 대항하는 척력의 근원이 존재하는가? 존재한다면 우주의 팽창을 유지시킬 만큼 강한가?

빅 크런치가 일어날 우주의 팽창 속도는 특정 지점에서 0에 도달하게 되고, 그 이후부터는 팽창이 진행된 기간과 동일한 시간 동안 수축이 진행된다. 우주가 수축하기 시작하면서 우주배경복사의 온도는 점차 증가하면서 결국 우주는 빅뱅 당시의 불덩어리와 같은 모습으로 돌아가게 된다. 만일 이때까지 생존한 사람이 있다면 하늘 전체가 태양의 표면만큼 밝게 빛나는 것을 볼 수 있을 것이다.

최근의 연구에 의하면 우주 팽창은 느려지는 것이 아니라 오히려 빨라지고 있어 빅 크런치의 가능성은 거의 없다고 한다. 위에 언급된 암흑에너지가 우주를 밀어내고 있다는 것. 암흑에너지에 이변이 없다면 우주의 운명은 빅 프리즈로 끝나게 될 것으로 보인다.

진동 우주 가설에 의하면 빅 크런치 이후 다시 빅뱅이 발생하는 과정이 반복된다.

6.2. 빅 프리즈

빅 프리즈에 의한 우주 멸망 과정

빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로, 우주가 끝없이 팽창하며 엔트로피가 극도로 높아져 결국 모든 입자가 붕괴하고[19] 아원자 입자만 남게 되는 종말을 뜻한다. 빅 칠(Big Chill)또는 열죽음(Heat Death)이라고도 한다. 뜨거워서 죽는다는 의미가 아니고 우리가 아는 열의 개념 자체가 죽는다는 뜻이다. 우주가 팽창하는 만큼 평균 온도와 밀도는 계속해서 내려가며 절대영도(0K)에 근접할 것이기에 빅 프리즈라는 이름을 얻었다. 현재 정설로서 가장 지지받는 종말 시나리오이다.

그나마 모든 물질이 한 점으로 붕괴하여 꿈도 희망도 없는 빅 크런치와는 달리 에너지 소비를 극도로 줄이면 인간이 꽤 오랫동안 살아남을 수 있는 일말의 가능성이 있기는 하다.[20] 물론 희망이 없는 것은 어차피 같다.

특히 이 시나리오는 열역학에서 말하는 Heat Death(열적사멸)와도 비슷하다. 열적사멸은 우주의 물질이 점차 흩어지고 섞여서 어디나 다같은 균일한 우주가 되는 것으로 별도 없고 은하도 없고 블랙홀도 없고 우주의 어디나 똑같은 성분 비와 밀도로 균일하게 되는 최대의 엔트로피 상태가 되는 것을 말한다.

특히 우주가 진정으로 랜덤한 운동을 한다면 (즉 ergodic 하다면) 아주 긴 세월이 흐르면 우주는 모든 가능한 상태를 다 거칠 것이고 그중에는 모든 물질과 에너지가 중력에 의해서가 아니라도 푸앵카레의 재귀정리에 의해 우연히 원래의 상태인 한 점에 다시 모이는 상태도 언젠가는 거치게 되며 이를 통해 제2의 빅뱅이 일어날 수 있다. 이런 상태가 반복되는 우주의 푸앵카레 재귀시간은 대략 10^{10^{10^{10^{10^{1.1}}}}}[21]년 정도이다.

중력이 다른 요인보다 강할 경우에도 빅 프리즈는 완전한 정지가 아닐 수 있는데, 확률적으로 엔트로피가 최대인 균일 분포가 중력입장에선 최대가 아니기 때문이라고 한다. 즉 중력에 의해 다시 뭉치기 시작하고... 다만 중력이 제일 약하다는 게 문제다.[22]

현재의 관측 결과로는 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다. 실제로 먼 거리에 있는 Ia형 초신성을 관측한 결과 암흑에너지에 의해 우주가 팽창하는 속도가 느려지기는커녕 점점 빨라지고 있다는 것이 밝혀졌다. 이 추세가 유지된다면 시간이 지날수록 우주의 팽창속도는 계속 증가하여 우리 은하안드로메다 은하가 포함된 국부 은하군[23]을 제외하고는 현재 인류가 관측 가능한 모든 은하들이 보이지 않게 될 것이다.

우리 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다는 점 때문인지, 유독 빅 프리즈를 막을 방법에 대한 이야기가 상당히 자주 거론되지만, 우리 우주 내부의 존재가 빅 프리즈를 막는다는 것은 곧 열역학 제2법칙을 뒤집는다는 것과 같다. 즉, 제 2종 영구기관이 존재해야 한다는 말인데, 과거에 흔히 생각하던 형태의 영구기관은 사실상 유사과학의 영역에 있다는 것이 학계의 정설이다. 더군다나 아래에 언급될 빅 립과 달리 명칭이 빅 "프리즈"로 되어 있다는 점 때문에 그다지 주목을 받지 못 하는 사실이지만, 상술했듯이 빅 프리즈 역시 단순히 우주가 얼어붙기만 하는 게 아니라 양성자가 서서히 붕괴하면서 물질 구조를 더 이상 이루지 못 하고 끝나는 상황이다. 세부적인 내용은 조금 다르지만 물질 구조를 더 이상 이룰 수 없다는 점에서는 다를 게 없다. 만일 양성자가 붕괴하지 않는다고 해도 먼 미래는 여전히 암울하다. 10^{50}년부터는 에너지 부족으로 인해 문명이 더이상 생존하기 어려울 것이며, 이후 충분히 긴 시간(10^{10^{26}}년 이상)이 주어지면 남은 천체들을 이루는 입자들이 우연한 양자 터널링 현상으로 인해 한 점으로 모여 블랙홀로 붕괴한 뒤 호킹 복사로 소멸할 것이라고 한다.

그런데 과학자들은 양성자가 붕괴한 이후에도 포지트로늄과 같은 입자들이 다시 모여서 물질 구조를 형성할 수 있으며 이 새로운 물질 구조로 이루어진 생물체가 발생할 수 있다고 추측하기도 한다. 만일 존재한다면 지금 우리의 입장에서는 가장 단순한 단세포 생물도 수천만 광년에 걸쳐 퍼져 있는 소립자의 안개처럼 보이리라고 추측한다. 이러한 생물체가 다시 뭉쳐서 이성을 지닌 지적인 생물체를 이루려면 천문학적 혹은 불교적이라는 말로도 모자랄만큼 까마득한 시간이 걸릴 것이다. 사실 양성자와 중성자가 붕괴했을 정도라면 지금의 우주를 기억해낼 방법조차 없을 것이다.

6.3. 빅 립

빅 프리즈 이론과 비슷한데 암흑에너지의 양이 과도하게 높아질 경우 일어나는 종말 시나리오다.

빅 립이 일어날 조건은 현재 밝혀진 것이 거의 없는 암흑에너지의 성질에 좌우된다. 암흑에너지가 우주의 크기에 상관없이 밀도가 변하지 않는 우주상수의 형태로 존재한다면 우주는 빅 프리즈로 끝나게 된다. 현재까지의 관측 결과에 의하면 꾸준하게 우주상수가 지지받고 있으므로 표준 우주론에서는 암흑에너지의 밀도가 불변한다는 가정 하에 세워졌다. 그러나 이 가정에 대한 이론적 근거는 현재 전무한 상태이다.

만일 암흑에너지의 성질이 우주가 팽창할수록 밀도가 증가하는 것이라면 빅 립이라는 훨씬 더 놀라운 결말이 기다리고 있는데, 시간이 흐를수록 입자 간의 척력이 점점 강해져서 결국에는 은하고 별이고 모두 말 그대로 찢겨나가는 종말이다. 현재 우주의 암흑에너지는 엄청나게 멀리 떨어진 초은하단 사이를 갈라놓는 수준에 머무르고 있는데, 빅 립은 별이나 행성을 찢어놓는 것도 모자라 결국 원자핵과 핵자까지 분해시켜 버릴 것이다. 특정 시점에 도달하면 (계산상으로) 암흑에너지의 양은 무한대로 발산하여 최종적인 우주의 종말이 이루어진다.

일부 천문학자 및 물리학자들은 빅 립과 빅뱅 직후의 인플레이션 사이의 유사성에 주목하여 어쩌면 이전 세대의 우주가 빅 립을 일으킨 결과 우리 우주가 탄생했을 수 있다는 가설을 내놓기도 한다.

7. 창작물에서

7.1. 빅 크런치

  • 가면라이더 빌드의 외전작인 빌드 NEW WORLD 가면라이더 크로즈의 메인 악역 킬바스가 자신의 목적을 설명하는데 판도라 박스를 사용해 빅뱅을 일으켜 우주를 리셋시키는게 목적이라고 한다.
  • 요정대전쟁 ~ 동방삼월정에서 키리사메 마리사가 스펠카드로 들고 나온다.
  • 아나크로녹스에 등장하는 적대 세력은 우리 우주가 빅 크런치로 소멸한 다음 생겨난 우주에서 온 이들로, 우리 우주의 빅 크런치를 앞당겨 자기네 우주의 빅 뱅이 좀 더 먼저 발생하게 만들려는 목적을 갖고 활동하고 있다. 물론 이는 자기네 우주의 수명을 늘리려는 목적이다.
  • 천원돌파 그렌라간스파이럴 네메시스는 빅 크런치의 범주에 속할 것이라는 설이 있다.
  • 갤럭시 엔젤2 시리즈에서 평행 세계 간의 관문 역할을 하는 절대영역의 초고대 유적 '글로브'의 정체가 빅뱅과 빅 크런치를 순환시키는 장치이다. 갤럭시 엔젤 시리즈에서 일어난 전쟁의 흑막에 있는 두 허수존재가, 그동안 모든 음모가 실패하자 실패한 우주들을 몽땅 리셋하겠다면서 글로브를 이용해 빅 크런치를 일으키려고 했다.
  • 은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서의 '우주의 끝에 있는 레스토랑' 밀리웨이스 씬에서 묘사되는 우주의 종말도 빅 크런치로 보인다. 자포드의 "그냥 뱅빅" 이라는 말로 거의 확인사살.
  • 죠죠의 기묘한 모험 6부 스톤 오션의 최종보스 엔리코 푸치의 스탠드인 메이드 인 헤븐의 능력 시전의 시간을 가속하여서 "시간가속 -> 우주멸망 -> 특이점 -> 새우주 재창조" 으로 성립되는 세계인 일순 후의 세계가 "빅 크런치의 빅 크런치 -> 특이점 -> 빅뱅" 과 같은 원리이다.
  • Fate 시리즈룰러(3차)의 보구명은 트윈 암 빅 크런치.
  • 아이돌 마스터 밀리언 라이브의 2016년 만우절 이벤트에선 전 인류 1인당 1아카네인형 계획이 폭주. 인형이 전 우주의 질량의 7할을 차지하면서 빅 크런치가 발생해 우주가 붕괴되고, 리셋 된 우주에서 다시 이 계획이 진행되는 무한루프 엔딩이 나온다.
  • 가즈나이트 R에서는 '하얀 우주'에서 탄생한 '검은 우주', 즉 물질구조가 있는 현실의 우주들은 모두 빅 크런치로 종말을 맞는다. 하지만 하이볼크가 소속한 '검은 우주'는 쉬프터들이 신의 활동으로 발생하는 마이너스 에너지를 수확하여 우주의 팽창을 유지한다. 작중 설명으로는 이러한 '검은 우주'들의 수는 10500개에 이른다고 한다. 계속하여 팽창하는 '검은 우주'를 소멸시키기 위해 '하얀 우주'에서 '검은 우주'로 침투시킨 존재가 사냥꾼(가즈나이트)이다.

7.2. 빅 프리즈

  • 판타지 RPG인 위쳐 3의 재앙인 백색 서리도 일종의 빅 프리즈와 유사한 것으로 설명되고 있다. 다만 단일우주가 아니라 여러 다원우주에 걸쳐 퍼져나가고 있는 게 특이한 점.

8. 기타

  • 천문학자 이강환 박사의 빅뱅 오디오 강의#

9. 관련 문서


  1. [1] 정확하게는 우리가 살고 있는 우주가 빅뱅이라는 폭발에 휘말렸었다는 이론에 더 가깝다.
  2. [2] 빅뱅이론에서 다루는 우주는 전체 우주를 가리키지 않는다.
  3. [3] 마찬가지로 관찰자로부터 2메가파섹 떨어진 물체는 초속 136킬로미터의 속도로 멀어지는 것으로 보이고.
  4. [4] 좀 더 정확히 말하자면 시공간 연속체의 크기와 지오메트리를 관장하는 계량 텐서(metric tensor)의 척도가 증가하는 것이다. 하지만 그렇게 표현하면 이해할 수 있는 사람이 너무 적기 때문에 그냥 우주가 팽창한다고 표현한다.
  5. [5] 허블 법칙으로 알려진 허블-르메트르 법칙의 공동 발견자이기도 하다.
  6. [6] 르메트르는 1927년 즈음 아인슈타인의 장 방정식의 해(다양체의 계량)에 대한 연구를 통해 우주의 팽창이 수학적으로 가능함을 보였고, 허블의 법칙을 유도했다.(소련의 프리드만도 비슷한 시기에 독립적으로 오늘날 르메트르-프리드만-로버트슨-워커 계량으로 알려진 해를 연구했다.) 관측을 통해 팽창의 증거를 실제로 확인하고 허블 상수를 계산한 것이 2년 뒤의 허블이며, 후에 르메트르는 이를 발전시켜 빅뱅 이론(더 나아가 우주의 가속 팽창)을 제안한다. 조지 가모프 역시 비슷한 아이디어를 제안했다. 르메트르의 회상에 따르면 허블의 관측 전 열린 학회에서 아인슈타인을 만나 이야기했을 때 그는 수학적으로는 가능하나, 물리적으로 옳지 않다고 말했다고 한다.(그는 프리드만이 비슷한 계량을 얻었다는 소식도 르메트르에게 알려주었다.) 그러나 허블의 발견이 알려진 후에 아인슈타인은 르메트르의 결과를 공개적으로 인정했고, 에딩턴과 함께 미국에 그의 연구가 알려지도록 힘썼다.
  7. [7] 르메트르는 후에 교황청 과학원장까지 역임한다. 20세기의 가톨릭 교회자연과학계를 대하는 태도가 상당히 전향적으로 바뀌었음을 알 수 있는 대목이다. 오히려 그는 신부이기 때문에 신이 세상을 창조했다는 믿음을 토대로 우주에는 시작이 있을 거라고 생각한 것이다. 정상우주론은 우주가 예전부터 그 상태 그대로 변함이 없다는 것이기에 우주가 시작되었다는 개념은 창조론자들에게서 밖에 없었다. 그래서 현대의 편견과는 반대로 우주가 만들어진 시점이 있다는 이야기인 빅뱅은 사람들에게 정상우주론보다 성경의 천지창조를 떠올리게 한다.
  8. [8] 양자역학에 따르면 진공 상태에서 그냥 입자가 발생했다가 사라질 수 있다. 이것이 빅뱅의 시초가 아니었냐는 아이디어가 있고, 꽤 많은 SF소설의 착상이 되기도 하였다.
  9. [9] 재미있는 건 이 내용은 과학이 아닌 신학에선 교부 철학자인 아우구스티누스가 이미 주장한 내용이다. 그는 신이 우주를 창조할 때 시간 또한 만들어졌으므로 창조 '이전'이란 말 자체가 무의미하다고 주장하였다.
  10. [10] 이 다음의 설명은 최대한으로 단순화시킨 해석으로, 가속도란 시간의 2차단위를 포함하는 값이기 때문에 허수시간에서는 가속도의 부호는 음수. 즉, 힘의 방향의 반대방향을 향해 작용하는 가속도가 된다. 우주가 무에서 탄생한 직후, 스스로 중력에 의해서 붕괴하려고 하지만, 허수시간이 흐르면, 이 중력의 방향에 대해서 반대쪽으로 가속도가 작용하기 때문에, 인플레이션이 발생하는 크기까지 확장할 수 있다는 해석이다.
  11. [11] 다만, 우주항목에서도 나와있듯이 빅뱅으로부터 대략 138억 년 후의(현재의) 우주의 팽창속도 역시 빛의 속도 이상이라는 것이 현재 물리학계의 중론이기도 하다.
  12. [12] 부가적으로 현재 기준으로 우주팽창속도는 계산상의 오차가 있으니, 우주팽창속도가, 진공 상태의 빛의 속도처럼 일정하게 정해져 있는 것은 절대 아닌 상태이며, 심지어 일각에서는 우주팽창속도 자체도 계속해서 "증가"하고 있다고 이야기 하는 상태이다.
  13. [13] 일본에서 발행되는 과학잡지 《뉴턴》에서는 인플레이션이 먼저 일어나고 빅뱅이 일어났다는 식으로 나온다. 추가바람.
  14. [14] 우주의 나이만큼 빛이 이동할 수 있는 거리
  15. [15] 인플레이션 이론이 주장하는 것처럼 무(無)에서 빅뱅이 일어나 급팽창으로 현재의 우주가 만들어진 것이 아니라, 빅뱅 이전에도 우주는 존재하고 그 우주 안에서 빅뱅이 일어나 새로운 우주로 변하는 우주적 순환 과정이 계속해서 되풀이되고 있다는 이론.
  16. [16] 드 지터 모형은 윌렘 드 지터(Willem de Sitter)가 발표한 '아인슈타인 장 방정식' 의 해이며 양의 우주상수를 가진 형태이다. 드 지터 모형은 시간과 공간의 평행이동에 불변이므로 시간이 지나면서 인플레이션에서 벗어난 우주는 드 지터 우주와 완전히 일치하는건 아니다.
  17. [17] 인플라톤 포텐셜이 으로 주어질 때의 그래프이다.
  18. [18] 쿠르츠게작트의 영상
  19. [19] 양성자의 수명이 무한하지 않을 경우, 즉 대통일 이론에 따르면 10^{33}~10^{36}년이 지나면 양성자가 붕괴하며 이렇게 되면 현재의 물질 구조를 더 이상 유지할 수 없게 된다. 그러나 2019년 현재까지 양성자 붕괴를 검출하려는 시도는 모두 실패하였으며, 기존 이론이 틀렸을지도 모른다.
  20. [20] 적색왜성을 포함한 모든 별이 식어버리고 블랙홀만이 남았을때까지는 블랙홀의 작용권에서 나오는 에너지를 이용해 제한적으로 생존이 가능하다. 그러나 블랙홀 역시 영구기관은 아니므로 언젠가는 회전을 멈추고 더 이상의 에너지를 뽑아낼 수 없게 된다. 자세한 건 블랙홀의 작용권 항목 참조.
  21. [21] 테트레이션을 이용해 약 11.74 \uparrow \uparrow 5라고 쓸 수 있다.
  22. [22] 중력은 생각보다 매우 약하다. 자연의 4가지 힘 (전자기력, 강력, 약력, 중력) 중 가장 약하다. 거대한 지구의 크기의 질량을 가져서야 우리가 일상적으로 느끼는 중력이 되니 말 다한 셈. 전자기력을 생각해 보자. 자석의 극 사이에 작용하는 인력과 척력은 인간이 충분히 느낄 수 있을 정도지만 자석이 지구만 한가? 아니다! 매우 조그만 자석도 서로 끌어당기는 힘이 있다. 약력이나 강력은 원자 단위로 넘어가 버린다.
  23. [23] 여담이지만, 이때쯤에는 두 은하가 합쳐져 밀코메다를 형성했을 것이다.

이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 빅뱅 문서의 r144 판, 1번 문단에서 가져왔습니다. 이전 역사 보러 가기

이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 빅 크런치 문서의 r19 판에서 가져왔습니다. 이전 역사 보러 가기

이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 빅 프리즈 문서의 r43 판에서 가져왔습니다. 이전 역사 보러 가기

이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 인플레이션 문서의 r540 판, 2번 문단에서 가져왔습니다. 이전 역사 보러 가기

이 문서의 231~251번째 버전과 그 이전 버전에 위키백과의 저작권을 침해하는 내용이 있습니다.

해당 버전은 저작권을 침해한 것이기 때문에, 해당 버전으로 문서를 되돌리거나 그 버전의 문서를 링크하는 것은 금지됩니다. 만일 되돌릴 경우 저작권 침해로 간주되니 주의하시기 바랍니다. 자세한 내용은 나무위키:프로젝트/출처를 참조하기 바랍니다.

최종 확인 버전:

cc by-nc-sa 2.0 kr

Contents from Namu Wiki

Contact - 미러 (Namu)는 나무 위키의 표가 깨지는게 안타까워 만들어진 사이트입니다. (170.09ms)