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)
V3.2 단순성 과 대칭성(Simplicity and Symmetry)
V3.3 인플레이션(Inflation)
V3.4 수수께끼의 답 찾기(Solving the Mysteries) /강좌동영상/영문자막/한글자막
[00:00] 폴: 우리 우주가 가진공(False Vacuum)에 빠졌고 그탓에 우주의 탄생 초기의 아주 짧은 시간에 매우 미친듯이 팽창 했다는 이론을 세웠습니다. 하지만 이 사실(이론)이 우리의 세가지 불가사의를 푸는데 어떤 도움이 될까요?
[00:11] 브라이언: 좋아요. 그럼 먼저 첫번째 문제부터 풀어보죠. 하늘에서 두가지 점을 살펴보면 근본적으로 어디서나 온도가 같다는 겁니다. 거의 정확히 같은 것 같아요. 어떻게 그럴 수 있을지 추정할 유일한 길은 과거에서 부터 맞닿아 있었을 것이라는 겁니다. 그런데 우리가 우주를 과거로 되돌려 보니 이런(맞닿는)일이 벌어지지 않은 겁니다. 그 궤적(지나온 역사)을 구해보니 문제가 생겼어요.
[00:30} 두 지점을 잡아 연결해 놓고 빅뱅이 있었던 그 시점으로 시간을 되돌려 봤습니다. 그러니까 t 가 0인 이 지점에 가서도 (두 지점이) 여전히 떨어져 있어요. 서로 접할 기회도 없고 교류할 수도 없습니다.
* 현재 알려진 물리 방정식과 관측 값을 가지고 시뮬레이션을 통해 우주의 진화 궤적을 그려볼 수 있다. 이에 대해 'V2.7 우주의 진화'에서 알아 봤었다.
[00:40] 이번에는 기하급수적으로 팽창하는 우주를 생각해봅시다. 알아서 일이 벌어진 것처럼(자발적?) 그리고는 이렇게 뛰는데.. 우와.... 앞서 방식대로 추정했을 때는 완만 했었죠. 이렇게 급격한 증가 이후 오늘날에 이르렇다면 그말은 우주가 붙어 있던 때가 있었을 수도 있겠다고 할 수 있어요. 한정된 시간 내에서 였겠지요. 두 물체가 서로 이웃해 있어서 같은 온도가 될 수 있습니다. 이는 문제를 푸는 좋은 출발점 입니다.
[01:05] 폴: 네. 그리하여 우주의 작은 부분이 우리가 예상 했던 것보다 더욱 가깝게 여기에 뭉쳐있어 실제로는 그 둘이 통합 되어있는 겁니다. 그후 팽창하는 동안 그 물체들은 빛보다 빠르게 팽창 했습니다. 빛보다 빠르게 이동 할 수 있는 물체는 없다고 생각 하실 거예요. 실제로 움직인 것은 없어요. 그것은 단지 공간의 움직임에 의해 벌어진 겁니다. 사실 그 물체들은 만일 공간이 모든 것을 해냈다면 물질보다 빠를 수 있습니다. 그리고 그 물질들을 현재처럼 서로 닿지 못할 거리로 떼어 놓았지요. 하지만 물질들은 과거에 서로 맞닿아 있었을 겁니다. 괜찮은 생각이죠.
[01:28] 브라이언: 좋아요. 한개 풀었죠.
[01:30] 폴: 딩동댕.
[01:31] 브라이언: 그럼 다음 수수께끼를 생각해봐요.
[01:33] 폴: 곡률(Curvature)에 관한 겁니다. 곡률 이론은 우주가 평평한 것 같지만 완만히 갇혀 있습니다. 우리는 아직 어떻게 갇혀 있는지 모릅니다. 하지만 굽어 있다면 구형 이거나 말안장 중 하나 였을 겁니다. 앞으로 점점더 굽거나 깊이 패인 말안장이 되겠지요. 시간이 흐르면서요. 현재로서는 시작에 불과한 아주 작은 편차가 무한히 한방향 혹은 다른 방향으로 쪼그라들거나 굽어짐이 심하게 되겠지요. 그것이 사실이라 해도 지금은 매우 평평함에 가깝죠.
[02:01] 브라이언: 우리가 우주를 기하급수적으로 팽창 시킬수 있다면 우주의 굽은 모습을 알아볼 수 있습니다. 그 굽은 조각을 아주아주 크게 만들어야 할 겁니다. 약간 굽은 듯 하지만 앞서 본 만큼은 아닙니다.
이번에는 60승 배율로 크게 상상을 해봐요. 초기 우주에 어떤 일이 있었는지 생각하듯이요. 그러면 그 이론이 원을 더욱 크게 만들겁니다. 실제로 컴퓨터로 실선을 그어볼 수 있습니다. 그러면 우주에서 우리의 작은 부분, 곡률은 마치 평면에서 그랬듯이 직선 처럼 보일 겁니다.
* 현재 관측 가능한 우주의 크기(Hubble Volume)를 고려 했을 때 인플레이션 당시 팽창의 규모는 적어도 10의 26승 배 이상일 것으로 보인다. 이는 e의 60승에 해당하는 값이다. 우주 배경복사의 관측으로 우주 복사 온도가 2.7K라는 점이 인플레이션의 증거로 인용 되고 있다. [급팽창 이론:e-배수 (Inflation Theory: Duration)]
[21] This is usually quoted as 60 e-folds of expansion, where e60 ≈ 1026. It is equal to the amount of expansion since reheating, which is roughly Einflation/T0, where T0=2.7 K is the temperature of the cosmic microwave background today. See, e.g. Kolb and Turner (1998) or Liddle and Lyth (2000).
[02:33] 폴: 원하는 어떤 종류의 도형을 그려도 60승으로 팽창 시키면 어떻게 굽었는지 알 수는 없죠. 그리고 지엽적으로 보는 한 어떤 파편도 아주 평평하게 보일 겁니다.
[02:40] 폴: 네. 실제로 지구를 보면 그렇죠. 사람들이 지구가 평평하다고 생각하는 이유죠. 실제로 그렇게 믿는 사람이 있죠. 지엽적으로 보니까요.
[02:47] 폴: 좋습니다. 딩동댕 입니다. 이 문제를 푼 거죠. 그럼 우주가 은하라는 덩어리를 가질 수 있었던 원인은 무엇 일까요?
[02:55] 브라이언: 그럼, 무작위(random, 무조건) 우주로 시작하면 이런 모습이 되진 않을 겁니다. 은하들이 뭉쳐 우주적인 거품같은 모습을 만들어 냈죠. 만일 원자 하나보다 작게 시작하여 지수함수적으로 팽창, 60승의 배율로, 지금처럼 우주의 규모로 팽창 합니다.
[03:16] 폴: 원자 만큼이나 작은 규모라지만 우주는 양자역학적 요동을 감안하면 공간은 그리 단조로운게 아닙니다. 이 강좌 시리즈의 첫편에서 이에 대해 잠깐 다룬 적이 있었습니다. 빈 공간이란 정말 아무것도 없다는 뜻이 아닙니다. 입자와 반입자의 짝이 자발적으로 보였다 사라지곤 하는 것을 알고 있죠. 이 이론이 그저 환상처럼 들리겠지만 실제로 실험실에서 그 현상을 측정 할 수 있어요. 사실 그 입자와 반입자는 일상적으로 이곳 ANU(호주 국립대)의 실험실에서 관측되고 있습니다. 그 이론이 양자 요동의 작은 일부분이 됩니다. 그 현상은 인플레이션이 일어난 순간에 무한히 퍼져 나갔을 거예요. 그 요동은 아마도 전자 한개의 크기 정도의 규모 일테지만 종국에는 오늘날의 거대한 은하단을 형성하게 됩니다.
[03:50] 브라이언: 그리고 한가지 흥리로운 사실은 만일 폴과 내가 (양자)요동의 일부로 생각 한다면 그리고 여러분이 실제 물질이고 내가 반 물질이라면 우리는 결합 할 겁니다. 하지만 우주는 기하급수적으로 팽창하기에 하이젠버그의 불확정성 원리(Heisenberg Uncertainty Principle)에 따라 허용된 만큼의 아주 작은 시간 이내에 우리는 아주 많이 팽창 해왔죠. 그리하여 빛의 속도가 우리를 연결 할 수 있는 거리보다 더멀리 팽창해 왔습니다.
[04:14] 폴: 이제 다시 결합 될 수 없습니다.
[04:15] 브라이언: 맞아요. 다시 결합 될 수 없죠. (빛보다 더 빠르게 팽창 해버렸으니까) 갑자기 실제 입자가 된 겁니다. 가상의 입자가 아닌거죠. 실제 입자요. 그리하여 우주에서 흔들림(주름)과 덩어리를 만들었다고 생각 됩니다. (그 주름과 덩어리에 의해) 증폭된 입자가 되었고 거대하게 확대 되었어요. 그리하여 마침내 아주 특징적인 백색 잡음을 보게 된 겁니다. 바로 덩어리와 움찔거림이 만들어낸 잡음 이죠. 그것이 바로 은하의 (문양)형태를 만들 때 필요한 겁니다.
[04:40] 폴: 소위 규모에 무관한 스펙트럼(scale free spectrum), 말하자면 아주 작은 규모에서 매우 큰 규모까지, 모든 규모에서 덩어리 진 총량이 같다는 뜻입니다.
* Scale_invariance (=scale free spectrum)
[04:46] 여기에는 크게 정답 종을 치기에는 미흡한 한가지 문제점이 있죠. 요동의 원인이 꼭 있어야 한다고 예상 했습니다. 그 요동이 양자 역학에서 왔으며 상대적으로 작거나 혹은 큰 규모 일 수는 있지만 같아야 한다고 예측 되었습니다. 하지만 진폭은 완전히 임의입니다. 요동이 수십억배 나 크다고 예상 할수도 있죠. 그리하여 빅뱅이후 모든것이 내일은 블랙홀 안으로 나노초 이내에 수축해 버렸을 지도 모릅니다. 아니면 수십억배 작아서 아무것도 형성하지 못했을 수도 있죠. 그 모든 것들은 멕시코 모자의 아주 정확한 모양에 달렸습니다. 그 모자의 모양은 이론으로 정확하게 예측 할 수는 없습니다. 그저 현재의 스펙트럼과 (우주의) 존재를 인정하기에 이르죠. 어쨌든 이 요동의 적절한 크기가 얼마일지는 여전히 약간의 임시변통(의구심이드는) 요인이 있습니다.
[05:20] 브라이언: 어쨋든 양자요동이 수수께끼 답을 주긴 하네요. 은하의 구조가 관측되기 전부터 저는 이 부분에 대해 아주 의심이 많은 사람입니다. 우주의 곡률이 측정되기 이전에 그것(양자요동)이 옳다는 것이 선행 되어야 합니다. 그리고 사실은, 우주가 곡률 졌다고 생각 했었죠. 대학원생 때부터 말이죠. 그것이 사실로 밝혀졌는데 이 이론이 예상 한 만큼 그렇게 많이는 아니었지만.
[05:45] 폴: 그것은 아주 좋은 이론이예요. 그 이론은 시간을 앞서 물질들의 실제 미래를 예상 합니다. 그 이론은 너무나 단순해서 물질을 설명하는 사건 이후의 이론 이라고 할 수도 없을 정도 입니다. (너무나 단순 해서 그것을 이론이라고 설정 할 수 있었겠어요) 예측은 늘 하던 거였습니다. 하지만 실제로 일어나기 전에 뭔가를 예측 하는 것은 좋은 일입니다.
[LQ3.4]-----------------------------------------------
What does inflation predict for the value of , the curvature of space?
a) k>>0
b) k=0
c] k~0
d) k<<0
Inflation predicts that should be very close to 0 but not necessarily exactly zero.
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