제1부. (요약)공간과 시간(Space and Time)
제2부. (요약)우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)
제3부. 인플레이션(Inflation)
V3.1 세가지 수수께끼(Three Mystery)/강좌 동영상/영문자막/한글자막
[요약]
우주 급팽창(Cosmic Inflation)이론은 현대 우주론의 가장 큰 전제였던 균일하며 등방성인 우주, 팽창하는 우주로 인해 생기는 수수께끼 세가지에 대한 답을 줄 수 있을 지도 모른다.
- The Uniformity on large scale: 방대한 규모의 우주가 어떻게 (밀도와 온도등 물리량이) 균일 할 수 있을까? 두 물질의 물리량이 동일 해 지려면 맞다아 있어야 한다. 하지만 우주론에서 전 방향으로 각각 139억 광년(우주 나이만큼)떨어져 서로 반대 방향으로 뻗은 우주가 균일하다고 한다. 우주 나이는 빛의 관측(적색편이)로 측정 되었다. 전 우주가 균일 하다면 물리량이 빛보다 빠르게 전달 되었어야 한다.
- The flat geometry: 어떻게 현재 우주가 평평해 보일 수가 있을까? 우주의 초기에 약간이라도 휘어 있었고 지수함수적(exponentially)으로 급격한 팽창하여 무려 139억년이 흐른 현재는 엄청 나게 굽어 있어야 한다.
- Formation of Galaxy: 거대 규모의 우주가 극히 균일하다면 국소적으로 덩어리 지게 만들고 급기야 은하와 별을 형성 할 수 있었던 요동(fluctuation)의 근원은 무엇일까?
[00:00] 폴: 이제까지 우리가 논의 했던 우주모형은 모두 우주의 등방성(isotropic)을 전제로 이뤄 졌습니다. 어딜 봐도 동일 하다는 겁니다. 하지만 이에 대해 의구심이 없는 것은 아닙니다. '인플레이션 이론(Theory of Inflation)'을 낳게한 아주 까다로운 문제지요. 앞으로 몇편의 동영상 강좌를 통해 이 이론에 대해 논의 해볼 참입니다.
[00:17] 이런 의문이 듭니다. 말하자면 제가 한 방향으로 138억 광년 멀리 바라보고 있다고 합시다. 그 방향으로 은하들과 별,가스,(우주)배경 잡음등 모든 것이 관측되죠. 그리고 반대 방향으로도 봅니다. 어떤 방향으로든 같은 거리의 (똑같이)모든 것이 보입니다. 그러니까 두 공간, 이쪽으로도 138억 광년 멀리 저쪽 방향으로도 138억 광년 먼곳까지 보는 겁니다. 그리고 그 두 방향 모두 같은 밀도로 차 있죠. 그리고 모두 같은 온도를 가졌습니다. 어느쪽을 봐도 높은 정밀도로 측정해도 (밀도,온도 등 물리량들이)모두 같습니다. 좀 이상하지 않나요?
[00:47] 어느 방향으로도 밀도(density)와 압력(pressure) 그외 모든 것이 같다면 한 점에서 시작되었기 때문일 것입니다(모두 닿아-접촉되어- 있었다). 예를 들어 뜨거운 물과 차가운 물이 담긴 양동이가 한개 씩 있다고 합시다. 그 둘을 섞으면 조만간 평형을 이루겠지요. 결국 같은 온도가 될 겁니다. 밀도도 같고 내용물도 같아지죠. 그와 같이 먼 우주의 끝에 가서도 모든 것이 같다면 이는 어떤 한 지점에서 섞였었다고 간주할 수 있어요.
[01:11] 브라이언: 네. 과거를 따져 본다면, 예를 들어 우주 마이크로 파 배경(복사)이 138억년 전에 어땠는지 알고 싶다면, 지금 관측 하고 있는 그 방향으로 138억년을 거슬러 가야 합니다. 그리고 다른 방향으로도 138억년 뒤를 봐야 겠지요. 그런데 우주의 그 두 부분이 서로 교통할 방법이 없다고 의문을 제기할 수 있습니다.
왜냐면 말그대로 우리의 위치에서 그 한쪽 끝으로 도달하려면 우주 나이의 전 기간이 걸리기 때문입니다. 그리고 다른 한쪽 끝에서 우리 방향으로 도달하는데 우주 나이의 전 기간이 다시 소요됩니다. 그 뜻은 양쪽이 서로 교통하기 위해서는 (우주나이보다)훨씬 더 긴 시간이 걸린다는 겁니다.
* 프리드먼 방정식의 풀이를 통해 우주의 나이를 계산해 봤었다. WE2.1 우주나이 계산편 참조 할것.
[01:52] 폴: 네. 그러니까 두 지역이 서로 2백70억 광년 떨어진 거리에 있는 셈이되죠. 그런데 우주의 나이가 2백 70억년 되지 않았습니다. 그렇다면 이 둘은 서로 어떻게 교통(communicate:서로 섞여 물리량을 주고 받음)할 수 있었을 까요?
[02:01] 브라이언: 거기에 우리가 모르는 요소가 있을 겁니다. 우주에 관한 프리드먼 방정식에 따르면 이런 교통이 일어날 시간적 여유가 없어요. 심지어 우주가 아주 정말 아주 작았을 때 조차 (교통할 수 있도록) 서로 맞닿아 있었을 방법이 없습니다. 그럴 정도로 작았다면 아주 오래되지 않은 겁니다(교통이 일어나 지금 처럼 균일 하려면 최근 까지 접촉 혹은 적어도 근접되어 있어야 한다). 빛조차 그쪽에서 저쪽으로 다다를 기회(시간)가 없었을 겁니다. 그러니 여기에 문제가 있는 것이죠.
[02:25] 폴: 그렇다면 어떻게 그럴(평형을 이룰) 수 있었을 까요? 아니, 원래 그러기로 되어 있었다고 하면 할 수도 있지요. 그냥 모든 것이 같게 만들어 놓아 봅시다. 않될 것 없잖아요.
* 논리학이나 수학에서, 증명할 필요가 없는 자명한 진리로서 다른 명제를 증명하는 데 전제가 되는 원리를 '공리(axiom)'이라 한다. 우주의 균일성과 등방성을 공리로 두기에는 너무나 많은 물리 법칙이 끼어든다.
[02:31] 브라이언: 네. 하지만 저는 과학적으로 생각해 보고 싶군요. 그에 대한 과학적 근거를 댈 수 있어야 합니다. 따라서 우리는 현재 일어난 상황을 자연적으로 설명할 이론을 찾아내야 하는 겁니다. 그 이론을 찾는 것이 문제지요. 하지만 그것(물리현상이 빛보다 빠르게 교통한 것)이 문제의 전부는 아닙니다. 그외에도 두개의 의문점이 더 있어요.
[02:46] 그중 우리가 품은 문제의 하나는, 우리가 우주를 전반적으로 관찰하다 보면 밀도가 신기하게도 특정 값에 근접하는 것을 발견할 텐데, 바로 k=0인 평평한 우주의 밀도입니다(이를 임계밀도라 한다).
[03:03] 우주가 임계밀도 보다 조금이라도 더 밀집 되었거나 더 성겼었더라면 그 마법같은 (우주평균)밀도값에서 멀리 달아났을게 분명하므로 그것(우주 전체가 특정 밀도 값에 가까워 질 것)을 예상 할 수 없었을 겁니다.
[03:13] 폴: 네. 그럼 우주 나이가 나노초 쯤 되었을 때 밀도는 임계밀도 보다 약간 높았다고 해보지요. 그 순간의 임계밀도는 지금보다 훨씬 높았을 겁니다. 그때 밀도를 임계밀도 보다 10%가량 더 높았다고 합시다. 이는 우주가 재수축(re-collapse) 했다는 의미 입니다. 점점 작아지는 것이지요. 그에 따라 밀도는 점점 높아질 겁니다. 마침내 임계 밀도에서 훨씬 벗어날 것이고, 그 이전보다 매우 빠르게 수축 할 겁니다. (반대로) 우주의 밀도가 임계밀도보다 약간 작았다면 빠르게 팽항 할 것입니다. 밀도는 더 떨어질 테지요. 그러니까 만일 임계밀도에서 어떤 식으로 든 벗어났다면 한쪽으로 멀어질 것이기 때문에 지금같은 우주를 예상 할 수 없었을 겁니다.
[03:46] 만일 빅뱅 직후 백만분의 일에 해당하는 한 부분이 임계밀도에서 벗어났었 더라면 지금은 양 방향의 밀도 차이가 수백배는 되었을 겁니다. 엄청나게 밀집 되었거나 성기거나 했겠지요. 우리는 (현재 균일한 우주처럼 보이는) 이 상황이 k가 정확히 0이라고 단정하지 못합니다. 하지만 우리는 10배 수준에서 매우 근접하다고 알고 있습니다. 만일 지금보다 10 단위 이내 였다면 빅뱅 직후 (덩어리진 밀도의 차이는) 백만 분의 십단위 이내여야 합니다. 다시한번 의문이 들죠. 왜 그렇죠?
[04:08] 브라이언: 그럼 그것을 설명할 이론을 세워봐야 겠네요. 그리고 또 다른 문제가 있죠. 여기 마지막 문제가 있습니다. 우리가 존재할 수 있었던 것은 빅뱅 직후 약간 밀집된 부분이 존재하여 중력을 만들고 수축한 결과 입니다. 실제로 밀도는 (완전히 균일 하지 않고) 요동치는 경향을 띄고 있습니다. 연이어진 덩어리의 양상을 보이는데 우주가 태어났을 때의 모습으로 설명됩니다. 우주가 태어난 흔적이 바로 백색잡음(white noise) 같은 겁니다. 우리가 라디오에서 듣는 항상 깔리는 잡음 입니다. (우주)전 영역에 걸쳐 일정량의 덩어리들이 뭉쳤다 이완 되었다 하는 모양새 입니다. 왜 그런 현상이 발생 하는지 이해할 필요가 있어요.
[04:47] 폴: 네. 우리는 우주가 균일 하다는 전제를 했었습니다. 하지만 만일 완벽하게 균일 하다면 균일하게 남아 있게 될 겁니다. 아무것도 형성되지 않겠지요. 우주가 커지면서 단지 점진적으로 차가워 지고 가스와 복사 만 있을 뿐입니다. 뭔가 덩어리 진 것이 있어야 뭉쳐서 별이 되고 은하가 되고 은하단을 이루고 초거대 은하단을 형성 할 겁니다. 그리고 흥미있는 점은 어떤 규모에서도 구조를 형성 하고 하고 있다는 것이죠. 작은 덩어리는 은하같은 작은 규모의 구조를 형성하고 큰 덩어리는 큰 규 구조를 형성 하는데 초 거대 은하단 같은 것이죠. 확실한 것은 이처럼 다른 규모로 제각각 덩어리 지는 양이 대략 같습니다. 그럼 이런 덩어리들은 어떻게 생기는 걸까요? 그렇게 덩어리 지지 않았다면 우리도 존재 할 수 없죠. 그 덩어리에 아주 감사해야 할 일인데 과연 그 덩어리는 어떻게 시작되었을까요?
[05:24] 브라이언: 그 이론 중의 하나인 인플레이션(Inflation)이 1980년대 초에 움트기 시작 했습니다. 그 이론은 알란 구스(Alan Guth)를 비롯해 몇몇 사람들에 의해 제시 되었습니다. 위에서 제기된 모든 문제들에 대한 만능 해결책이 되리라고 생각 되었습니다. 인플레이션 이론은 세가지 기초 의문들에 대해 설명 할 수 있습니다. 그 이론으로 문제를 모두 설명 하려면 우주가 생성된 초기 조건에 달려 있습니다.
[05:44] 폴: 그럼 인플레이션 이론에 대해 이야기 해보기로 합시다.
* '급팽창 이론 (Inflation Theory)'
[LQ3.1]----------------------------------------------------------------------
Which of the following are puzzles which inflation theory tries to solve?
Select all the answers that match.
a) The nature of Dark Matter
b] The uniformity of the universe
c] The approximately flat geometry of space
d] The origin of the fluctuations from which galaxies and clusters formed
e) The cause of the Big Bang
f) Why space is expanding
The three mysteries that inflation theory tries to solve are uniformity, the flat geometry and the origin of fluctuations
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