이제 우리는 빅뱅 이론에 대해서 다시 생각해 봐야 합니다.

오랜 관측에 따르면, 우주는 빅뱅이라고 불리는 아주 뜨겁고 밀집된 점에서 시작되었다고 합니다.

우주의 팽창률, 첫 번째 원자가 형성될 때 방출했던 빛의 온도와 패턴, 다양한 원소, 은하 및 기타 대규모 구조들의 분포 등 대부분의 데이터들이 빅뱅 이론을 지지하고 있죠.

이러한 증거들은 우주가 빅뱅 이론이 예측하는 방식으로 확장되고 진화되었다는 결론을 뒷받침 해줍니다.

 

하지만 과학자들은 우주의 본질을 이해하는데에는 결국 실패했습니다.

우주가 가지고 있는 총 에너지의 95% 이상을 구성하고 있는 암흑 물질과 암흑 에너지에 대해서는 거의 알지 못하죠.

또한 우주의 양성자, 전자 및 중성자가 어떻게 빅뱅의 후유증에서 살아남을 수 있었는지 이해할 수 없습니다.

실제로 우리가 알고 있는 물리 법칙에 따르면 이러한 입자들은 아주 오래 전 반물질에 의해 파괴되었어야 합니다.

여전히 우리는 우주의 역사에서 이 중요한 시기에 대해 아는 것이 거의 없습니다.

우주와 관련된 대부분의 문제들은 시간이 지나면서 하나씩 해결되고 있는데요.

하지만 이러한 문제들은 아직까지도 해결되지 않고 있습니다.

 

 

과학자들은 암흑 물질을 구성하는 개별 입자들을 찾아내기 위해 다양한 실험을 설계하고 진행했지만 결국 찾아내지는 못했습니다.

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 강력한 입자 가속기 조차도 이러한 우주의 미스터리를 해결하는데 번번이 실패했죠.

또한 우주의 팽창의 역사와 구조에 대해서 면밀하게 측정을 했음에도 불구하고, 우리는 우주의 팽창을 가속시키고 있을 것으로 생각되고 있는 힘인 암흑 에너지의 본질에 대해서도 별다른 것을 알아내지 못했습니다.

과학자들은 우주 대부분의 물질이 원자와 같은 물질이 아니라, 빛을 발산하거나 반사하거나 흡수하지 못하는 우리의 이해를 뛰어넘는 완전히 다른 물질이라고 결론 내렸습니다.

이러한 암흑 물질은 현대의 과학자들이 직면한 우주와 관련된 가장 중요하고 커다란 문제라고 할 수 있는데요.

아직 암흑 물질의 성질에 대해서 잘 알지는 못하지만, 과학자들은 종종 이 물질을 구성할 수 있는 입자에 대해서 추측하곤 했었습니다.

약한 상호 작용을 하는 거대한 입자, 일명 윔프(WIMP)는 암흑 물질의 본질을 이해하기 위한 최고의 후보였습니다.

지난 수십년 동안 과학자들은 암흑 물질을 구성하고 있는 입자들의 충돌을 감지할 수 있는 아주 민감한 검출기를 통해 윔프를 발견하려고 노력해 왔었죠.

오랫 동안 다양한 실험이 진행되었지만 과학자들의 예상과는 달리 윔프는 끝내 발견되지 않았습니다.

10년 전에 많은 과학자들은 이 실험을 통해 암흑 물질의 정체를 알아낼 수 있을 것이라 확신했었습니다.

그러나 암흑 물질은 우리의 생각처럼 그렇게 간단하지 않았으며, 훨씬 더 이해하기 어려운 것이라 결론내렸습니다.

윔프에 대한 아무런 증거도 얻을 수 없었던 과학자들은 결국 다른 암흑 물질 후보로 옮겨가게 되었는데요.

윔프 다음으로 강력한 후보는 액시온으로 알려져 있는 가상의 초경량 입자였습니다.

과학자들은 강력한 자기장을 사용하여 이 입자를 오래전 부터 찾고 있지만, 아직까지는 별다른 성과가 없습니다.

 

암흑 물질을 발견하기가 이렇게 어려운 이유는 어쩌면 우주의 첫 순간이 과학자들이 오랫동안 상상했던 것과 다르기 때문일지도 모릅니다.

과학자들의 계산 결과에 따르면, 초기 우주는 빅뱅 이후 1백만 분의 1초 만에 쿼크, 글루온 및 기타 아원자 입자들이 대량으로 만들어 냈습니다.

이러한 조건에서 지금의 암흑 물질이 만들어 지려면, 초기 우주의 입자들끼리 상당히 많은 상호 작용이 일어났어야 합니다.

그러나 과학자들은 우주 초기에서 예상치 못한 사건이나 특별한 변화 없이 그대로 확장되었다고 가정하고 있죠.

간단하게 생각해서 이러한 전제가 틀렸을 수도 있다는 겁니다.

과학자들은 우주가 대부분의 역사에서 어떻게 확장되었고 진화했는지에 대해서 어느 정도 알고 있지만, 빅뱅 직후 1초 까지에 대서는 거의 알지 못합니다.

그리고 빅뱅의 초기 순간에 일어났었던 사건을 직접 관찰할 수 있는 방법도 없습니다.

우리가 알고 있는 모든 것들은 그저 추측에 지나지 않는 다는 거죠.

사실 시간을 거슬러 올라가 우주를 직접 보면, 우리가 알고 있는 거의 모든 것들이 완전히 틀렸을 수도 있습니다.

물질과 에너지는 지금과는 완전히 다른 형태로 존재했으며 아직 우리가 모르는 힘도 존재했을 지도 모릅니다.

또 과학이 아직 밝혀내지 못한 많은 중요한 사건과 변화가 있었을지도 모릅니다.

많은 물질들이 우리의 이해와 다른 방식으로 상호 작용했을 수도 있으며, 공간과 시간은 우리가 알고 있는 것과 전혀 다르게 진행되었을 수도 있습니다.

그래서 많은 과학자들이 암흑 물질을 구성하는 입자를 찾기 위해 노력하고 있는 겁니다.

이것을 발견하면 암흑 물질 자체의 특성 뿐만 아니라 이들이 만들어진 시대 즉, 빅뱅의 첫 순간의 비밀에 대해서 알 수 있게 될 겁니다.

 

1929년 에드윈 허블은 은하가 우리에게서 계속 멀어지고 있다는 것을 발견했습니다.

이것은 우주가 팽창하고 있다는 첫 번째의 명백한 증거로 인정되었죠.

그 이후로도 팽창 속도(허블 상수)는 과학자들이 우주를 연구할 때 아주 중요하게 생각하는 지표 중 하나가 되었습니다.

사실 허블 상수는 오랫동안 정확하게 측정하기가 어려웠습니다.

처음에 허블은 계산을 잘못하여 허블 상수를 지금의 7배나 더 과대하게 계산했었죠.

그리고 1990년 대의 교재에는 종종 100만 파섹마다 초당 50km ~ 100km까지의 속도로 설명하기도 했었습니다.

허블 상수를 계산하는 한 가지 방법은 허블이 1929년에 했던 것처럼 물체가 얼마나 빨리 우리에게서 멀어지는지를 직접 측정하는 겁니다.

허블은 이러한 측정을 위해 광도가 일정하게 잘 유지되고 있는 세페이드 변광성(세페우스 자리의 황색 거성, 항성 종족 I(3세대))을 이용했죠.

현대의 과학자들도 여전히 이러한 방법을 사용하고 있습니다. 다만 Ia형 초신성을 포함한 보다 더 다양한 물제를 활용하고 있습니다.

최근의 분석 결과 우주는 약 72 ~ 76km/s/Mpc의 속도로 팽창하고 있다는 것을 새롭게 알게 되었습니다.

(1Mpc = 326만 광년 입니다. 즉 72km/s/Mpc는 우리에게서 326만 광년 떨어진 물체가 초당 72km의 속도로 멀어지고 있다는 것을 의미합니다.)

 

 

또한 과학자들은 빅뱅에서 약 380,000년 후, 최초의 원자가 만들어졌을 때 방출된 원시의 빛을 연구하여 허블 상수를 계산하기도 하는데요.

우주 마이크로파 배경(CMB)로 알려진 이 고대의 빛은 당시 우주에 어떠한 물질이 어떻게 분포했는지 아주 잘 보여줍니다.

이 빛을 자세히 분석하면 얼마나 많은 물질과 다양한 에너지가 존재했는지 그리고 얼마나 빠르게 공간이 확장되었는지를 포함하여 초기 우주에 대한 많은 정보를 알 수 있는데요.

과학자들이 이 빛을 분석하여 얻어낸 허블 상수 값은 약 67km/s/Mpc의 속도였습니다.

이는 과학자들이 직접 관측을 통해서 계산한 값보다 이상할 정도로 훨씬 더 작은 값이었습니다.

도대체 왜 이러한 불일치가 일어나는 걸까요?

이러한 계산들이 정말로 올바르게 진행되었다면, 허블 상수를 결정하는 이 두 가지의 방법은 적어도 현재의 표준 우주 모델에서 절대로 양립할 수 없습니다.

이러한 불일치를 해결하기 위해 과학자들은, 우주가 팽창하고 진화했던 방식에 대한 생각을 바꾸거나 빅뱅 이후 처음 몇 십만 년 동안에 만들어진 물질과 에너지의 형태를 다시 한번 생각해봐야 할 수도 있습니다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 공간이 팽창하는 속도는 물질의 밀도와 에너지에 달려 있습니다.

과학자들은 우주 마이크로파 배경에서 허블 상수를 계산할 때, 암흑 물질, 중성미자 그리고 다른 물질의 양에 대해서도 추측해야만 합니다.

그런데 이런것 말고, 사실 허블 상수가 일치하지 않는 문제를 아주 간단하게 설명할 수 았는 방법이 있습니다.

그 방법은 우주가 처음 10만년 동안 또는 빅뱅 이후 예상보다 훨씬 더 많은 에너지를 가지고 있었다는 가설을 만드는 겁니다.

이 에너지는 아주 독특한 형태의 빛과 미약하게 상호작용하는 입자의 형태를 취했을 수도 있고, 우주의 진공과 관련된 일종의 암흑 에너지의 형태를 취했을 수도 있습니다.

아니면 우리의 상상을 뛰어넘는 완전히 다른 무언가가 있었을지도 모르죠.

과학자들은 이 흥미로운 미스터리를 어떻게 풀어나가야 할지 아직 고민하고 있습니다.

 

앞에서 말했던 과학자들이 오늘날 직면하고 있는 다양한 퍼즐은 머지 않아 멋지게 해결될 수도 있습니다.

하지만 최근의 분위기를 보면 우주에 대해서 연구를 하면 할수록 점점 더 이해하기가 어려워지는 것 같습니다.

수십년 간의 노력에도 불구하고 아직도 암흑 물질에 대해서 알지 못하며, 암흑 에너지의 문제는 거의 다루기 어려운 수준까지 와있습니다.

우리는 우주에서 다양한 입자들이 어떻게 빅뱅의 첫 순간에서 살아남을 수 있었는지 알지 못하며, 우주가 어떻게 확장되었는지 또 우주가 어떻게 끝나게 될지 거의 모릅니다.

이러한 관점에서 볼 때 이러한 미스터리가 더욱 거대하고 원초적인 문제로 연결되어 있지는 않을까라는 생각을 들게 합니다.

즉, 우주의 가장 빠른 그 순간이 우리가 상상했던 것과는 아주 달랐을 가능성 말이죠.

어쩌면 이러한 문제를 논의한다는 것은 우주 과학 혁명이 시작된다는 것을 의미하는 것일 수도 있습니다.

 

지금의 과학자들이 이러한 문제에 직면하고 있는 것과 비슷하게 1904년의 물리학자들 역시 몇가지 문제를 해결할 수 없었습니다.

당시의 과학자들은 이 세상이 발광성 에테르(liminiferous aether)라는 물질로 가득차 있을 것으로 생각했습니다.

그리고 빛은 발광성 에테르를 이용해 이동한다고 생각했죠.

그렇다면 발광성 에테르는 빛의 변화를 만들어 낼 수도 있어야 합니다, 하지만 빛은 항상 일정한 속도로 공간을 이동하고 있었죠.

당시의 과학자들은 이 문제를 도저히 이해할 수 없었습니다.

또한 과학자들은 수성의 궤도가 뉴턴이 예측한 것과 다르다는 것을 관찰하고 많이 당황스러워 했는데요.

그래서 일부 과학자들은 벌컨(Vulcan)이라는 미지의 행성이 수성의 궤도에 영향을 주고 있다고 주장하기도 했었습니다.

인류 역사상 가장 중요한 실험 중 하나인 마이컬슨-몰리 실험. 이 세상을 구성하는 발광성 에테르를 입증하는 실험이었지만 끝내 입증하지 못했다.

그리고 당시의 물리학자들은 무엇이 태양에 동력을 공급하고 있는지도 알지 못했습니다.

당시 알려져 있는 화학적 혹은 기계적 과정은 그렇게 오랜 시간 동안 엄청난 에너지를 발생시키는 것이 불가능 했습니다.

마지막으로 과학자들은 다양한 화학 원소들이 특정한 패턴으로 빛을 방출하고 흡수한다는 것을 발견했는데, 물리학자들 중 누구도 이를 설명하지 못했죠.

즉, 원자의 내부에서 일어나는 일들은 완전한 미스터리로 남아있었던 겁니다.

 

비록 당시에는 이러한 문제들의 답을 알지 못했지만, 물리학의 혁명을 예고하는 것들임에는 분명했습니다.

그리고 1905년, 젊은 알버트 아인슈타인과 그의 새로운 상대성 이론에 의해 과학 혁명이 시작되었습니다.

우리는 이제 발광 에테르가 존재하지 않으며 벌컨이라는 행성이 없다는 것을 알고 있습니다.

상대성 이론은 새로운 물질이나 행성이 없이도 이러한 미스터리를 아주 우아하게 해결해 줬습니다.

알버트 아인슈타인

또한 과학자들은 새로운 양자 물리학 이론과 상대성 이론을 결합시켜 태양의 수명과 원자의 내부 작용을 이해할 수 있게 되었습니다.

이 새로운 이론들은 우주론 자체를 포함하여 이전에는 상상도 할 수 없었던 새로운 탐구의 문을 열어주었죠.

이렇게 과학적 혁명은 우리가 세상을 보고 이해하는 방식을 크게 변화시킬 수 있습니다.

그러나 급진적인 변화는 결코 쉽게 오지는 않을 겁니다.

오늘날 과학자들이 직면하고 있는 우주의 수수께끼가 곧 오게될 과학적 혁명의 징조인지, 아니면 엄청나게 성공적인 과학적 노력의 마지막 결과물인지 아직 알 수는 없습니다.

우주의 역사와 기원을 이해하는데 엄청난 발전을 이뤘다는 데에는 의문의 여지가 없습니다.

그러나 우주의 역사 특히 우주의 초기를 들여다 볼때 머리속이 하얘진다는 것도 부정할 수는 없죠.

그럼에도 불구하고 지금 이 순간이 세상의 놀라운 비밀과 새로운 과학적 혁명의 열쇠를 쥐고 있다는 것은 분명합니다.

그러나 우주는 그 비밀을 우리에게 쉽게 알려주려고 하지 않습니다.

이러한 우주의 비밀을 발견으로 바꾸는 것은 전적으로 우리에게 달려 있습니다.

과연 우리는 언제쯤 우주의 비밀을 알 수 있게 될까요?

 

 

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