빅뱅

에드윈 허블은 천문학에서 수세대의 업적과 새롭게 발견된 많은 것들을 토대로 우주가 팽창한다는 아이디어를 냈다. 하지만 믿을 수 없는 것이었다.  우주가 팽창한다는 아이디어는 우주에 있는 모든 것이 하나의 원자보다도 아마도 더 작은 크기의 공간에 으스러져 들어가야 한다는 것을 의미한다. 매우 작은 공간안에 우주의 모든 에너지와 모든 물질이 들어가 있다면, 그 공간은 엄청나게 뜨거운 수십억도의 온도로 뜨거운 것이어야 한다. 또한 그 공간은 매우 조밀하여 매우 빠르게 팽창해서 마치 그것은 폭발하는 것과 같을 것이라고 생각했다.  영국 천문학자 프레드 호일은 비웃는 의미로 이것에 '빅뱅이론'이라는 이름을 붙였다. 어떤 과학자들은 '이런 극한 조건 아래서 물질과 에너지가 무슨 일을 일으켰을까?'를 이해하려고 애쓰기 시작했다.  아인슈타인은 극도의 온도와 열기속에서 물질과 에너지는 서로 교환이 가능하다는 사실을 알아냈다.  우주는 초기에 물질과 에너지가 명확하게 구분되지는 않았을 것이다. 또한 과학자들은 우주가 팽창해 왔으며 점차 식었을 것이라고 생각했다. 그리고 물질과 에너지가 다른 온도와 압력에 다른 방식으로 작동한다고 생각했다.  과학자들은 빅뱅 동안 무슨 일이 일어났는지에 대한 납득할만하고 논리적인 증거에 기반을 둔 이야기를 가까스로 만들었다.

 

과학자들은 빅뱅 그 순간에 아무것도 없었다고 말한다. 우리는 오늘날에도 여전히 이것을 어떻게 설명해야 하는지 모른다. 우리는 빅뱅의 그 순간, 빅뱅 직전에 무슨 일이 일어났으며 왜 빅뱅이 일어났는지 설명할 수 없다.  그러나 과학자들은 빅뱅 이후 몇 분의 1초가 지난 후 부터는 매우 납득할 만한 증거에 기반을 둔 논리적인 이야기를 해줄 수 있다. 우리는 빅뱅에서 심지어 시간과 공간을 포함한 모든 것이 나타났다고 믿는다. 우주는 엄청난 온도로 뜨거웠고, 믿기 어려울 정도로 밀도가 높았다.  우주는 상상하지 못할만큼 빠르게 팽창했다.  우주가 팽창하면서 우주의 온도가 내려갔고, 우주가 식으면서 분명한 형태의 에너지가 나타나기 시작했다. 이때 네가지 주요 형태가 생겼다.

 

첫번째는 중력이다. 중력은 우주가 만들어진후 최초 10의 -36초안에 나타났다. 그리고 전자기력이 출현했다. 전자기력은 양전하와 음전하를 가진다.  그리고 강한 핵력과 약한 핵력이다.  이들 힘들은 미세한 거리에 작용하는 것으로 원자안에서 핵의 중심을 묶어준다. 강력은 원자핵을 형성하는 힘이고, 약력은 소립자를 다른 소립자로 변화시키는 힘,  방사성 붕괴에 의해 작용하여 가벼운 입자를 지배하는 근거리의 힘으로 입자의 붕괴를 일으키는 방사능의 원인이 된다. 우주가 팽창하면서 생긴 에너지가 응결되어 최초 물질이 나타난다. 물질은 우주의 재료로 우주의 기본적인 구성 원료이다. 물질의 최초 형태는 아마도 쿼크일 것이다. 쿼크는 즉시 세 개가 한 세트가 되어 양성자와 중성자를 구성했다. 그러나 양성자와 전자가 반대의 전하를 가진다는 사실에도 불구하고, 아직 너무 많은 일들이 진행중이었고 너무 많은 에너지가 있어서 양성자와 전자는 아직 결합되지 않았다. 그래서 우리는 과학자들이 플라스마 우주라고 부르는 단계에 접어들게 되었다. 플라스마는 이온 핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체 상태로 우주의 거의 모든 물질의 정상상태이다. 우주 온도는 100억도 정도 되었고, 밀도는 단단한 암석 덩어리보다 10만배 정도 높았을 것이다. 우리가 바라보고 있는 우주 역시 일종의 플라스마 상태이다. 우주에는 전하를 띤 입자 즉 양성자와 전자로 가득차 있었다. 우주는 벨크로(찍찍이)로 가득차 있는 것 같았다. 이들은 빛의 광자에 엉겨붙어 있었다.

 

빅뱅 이후 38만년 정도가 흐른 후 플라스마 우주가 끝났다.  플라스마가 끝났을 때, 원자가 형성되기 시작했기 때문이다. 빅뱅이후 38만년이 지난후에 우주의 온도는 약3000도로 떨어졌다. 이 온도 에서 양성자와 전자의 전하들은 서로 결합할 만큼 충분히 강력하다. 그래서 갑자기 우주는 플라스마 대신 전기적으로 중성인 원자가 가득하게 되었다. (광자: 입자로 보았을 때 빛의 이름, 빛은 파동의 성질로 본다면 전자기파에 해당한다.) 원자에 대해 셍각해 보면 원자의 첫번째 두가지 형태는 수소와 헬륨 원자이다. 나탈리 앤지어가 쓴 원자에  대한 훌륭한 설명을 한 책을 통해 원자구조의 기본적인 감각을 익할 수 있다.  ‘만약 원자의 핵을 지구의 중심에 자리한 하나의 농구공이라 한다면,  전자는 지구 대기권의 가장 바깥층에 빠르게 돌고 있는 체리 씨앗이라 할 수 있다.’ 이것은 원소에 대해 생각할 떼 염두에 두어야 할 원자 이미지다. 원자는 중성 이기 때문에 갑자기 빛의 광자는 전 우주에 걸쳐 자유롭게 움직일 수 있게 되었다. 벨크로가 없어졌다. 광자는 전하를 띤 입자와 더 이상 엉키지 않았다.

 

우주의 온도가 내려감에 따라 갑자기 모든 물질이 전기적으로 중성이 된 순간이 있었으며, 그 지점에 빛의 광자가 전 우주를 통해 자유롭게 움직일 수 있게 되었다 .일종의 섬광이었다. 1960년대 천문학자 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 전파수신기를 제작하다가 수신기가 어디를 향하든지 간에 일종의 에너지 잡음이 들렸다. 전파수신기를 아무것도 없는 우주공간을 향해 가르키게 하는 경우에 왜 그럴까? 이 에너지 잡음은 빅뱅 우주론의 아주 강력한 증거가 되었다. 허블의 증거와 우주배경복사의 존재는 빅뱅 우주론을 입증하는 강력한 증거이다. 빅뱅은 우리주변의 모든 것 모든 물질과 에너지를 만들어 내었다.  그래서 빅뱅은 후에 더 많은 복잡성을 쌓아올리기 위한 토대를 만들었다.  결국 빅뱅 이전의 무 nothing에서 빅뱅 이후에 어떤 것something이 생겨났다.