빅뱅과 정상상태이론에 대하여

우주의 시작은 빅뱅에 의해 시작되었다는 이야기 많이들 들어보셨죠?

하지만 빅뱅이론이 오늘날 처럼 당연한 이야기로 자리잡지 않았던 과거의 과정들이 있었습니다.

빅뱅과 대립되는 주장과 빅뱅에 관한 이야기를 해볼겁니다. 

 

 

 

마이크로 배경복사(cosmic microwave background, 약자 CMB)

빅뱅이 일어날 때의 엄청난 고온들은 어떻게 되었을까? 아마 엄청난 고온들의 잔해가 아직까지도 우주를 떠돌아다닐 수 있다. 만약 그 잔해들을 발견한다면 빅뱅 이론의 중요한 뒷받침 되는 근거가 되지 않을까? 그 후 가모브는 흑체복사 이론으로
흑체에 적용시켜 성공적인 실험을 하게 됩니다. 흑체(Black body)란 무엇일까요? 초고온 응축물로써 빛에너지를 아주 잘 흡수하는 특성이 있고 빛에너지를 흡수한 후 복사 radiation 하는 것입니다. 예를 들면 고온 세라믹, 태양, 용암, 불 속의 석탄은 황적색의 불꽃을 내며 복사에너지를 내는 것이죠. 흑체복사의 원리를 처음 발견 한 사람은 18세기 도자기공인 토머스 웨지우드 Thomas Wed wood였다고 합니다. 그는 도자기를 구우며 불가마 속을 들여다보다 온도에 따라 도자기 재료의 색깔이 붉은빛 에서 노란빛 그리고 흰색으로 변하는 사실을 알게 되었고 그 사실은 물체의 색깔로 대략적인 온도를 유추해낼 수 있다는 것것을 나타내었습니다. 이러한 흑체복사 이론으로 별들의 온도를 유추하고 있습니다. 노란빛을 내는 태양의 흑체의 온도는 대략적으로 6000K 그리고 붉은빛을 내는 오리온자리 적색거성 베텔게우스 Betelgeuse는 대략 3000K입니다. 1948년 가모브는 빅뱅 때의 여파로 떠돌아다니는 복사에너지가 흑체복사와 같은 성질을 갖는다고 주장하였고 마이크로파의 형태로 우주에 분포 하고 있다고 생각했습니다. 그의 조수들과 여러 연구를 해보지만 실제로는 우주를 떠돌아다니는 이 희미한 에너지 자체를 관측하기가 쉽지 않아서 매우 실망하게 됩니다.

빅뱅과 정상상태이론

그때 자신의 논리로 상대의 주장을 깔아뭉개기를 좋아하는 논쟁광의 성격을 가진 한 과학자가 있었습니다.
프레드 호일이라 하는 이 과학자는 빅뱅이론을 싫어하는 반대파 중 하나였죠. 그가 빅뱅이론을 싫어하는 이유는 그가 가진 신념 속의 우주는 "시작도 끝도 없으며 그곳에 그냥 존재한다 것과 빅뱅이론은 매우 달랐기 때문이고 빅뱅이론을 설명할 근거들이 부족했었습니다. 빅뱅이론을 주장하면서도 이론으로 계산하였을 때 지구보다 젊은 우주 나이가 나오는 것이 바로 문제였기 때문이죠 (물론 이것은 허블이 은하의 밝기 측정을 잘못하게 되어 생긴 오류였지만) 여기서 호일에 관한 재미있는 일화가 있습니다. 빅뱅이론을 싫어하던 그는 어느 날 BBC 방송국이 우주의 기원이라는 주제로 토론 프로그램을 주최하게 되어 그곳에 출연하여 빅뱅이론에 대해 반박하며 하던 말 중 당신의 주장대로면 우주 모든 것들은 아주 먼 옛날 어느 한순간 갑자기 빅뱅에 의해 생성되었냐고 비아냥 거리며 내뱉은 말에 그 전부터는 가모브가 주장한 대폭발이론이 그 후부터 빅뱅이라는 이름으로 불리게 된 것입니다. 조금 아이러니 하게도 그 이론을 너무나도 반대하는 사람이 지금 많이 알려진 이 빅뱅이론의 이름을 지어준 셈이죠. 그 후 빅뱅이론을 지지하는 과학자들은 이론을 반대하는 자가 지어주었단 사실도 썩 마음에 들지 않고 이 빅뱅이라는 이름이 저속하게 들려 명칭을 바꾸기 위해 오랫동안 노력했다고 합니다. 심지어 빅뱅을 대체할 다른 명칭에 대한 공모전까지 열렸었다고 하는데요 결국은 빅뱅을 대체할 만한 적당한 이름을 찾지 못했다고 합니다.

 

 

정상상태이론의 위기

정상상태이론과 빅뱅이론의 치열한 싸움이 계속되지만 정상상태이론의 주장이 밀리게 되는 증거들이 속속들이 나오게 됩니다. 정상상태이론에 의하면 아주 먼 과거의 우주와 현재의 우주는 큰 차이가 없어야 한다. 아무런 변화없이 새로운 것을 만들어내는 우주를 설명했기 때문에, 하지만 1960년대 '퀘이사'라 불리는 미지의 천체를 발견하였고 이 천체는 엄청난 빛을 뿜어내고 있었습니다. 덧붙여 설명하면 2011년 기준 지구에서 관측할 수 있는 적색편이 값이 가장 큰 천체이자 초대질량 블랙홀입니다. 적색편이 값이 가장 크다는 것은 가장 거리가 멀다는 뜻이고 지구에서 거리는 약 290억 광년이라고 합니다. 지금 우리가 보는 퀘이사의 모습과 그 주변은 우주의 아주 먼 옛날 즉 우주가 탄생한 초기의 모습입니다. 이 퀘이사들이 자주 발견된다면 정상상태이론에 문제가 없지만 아주 드물게 발견되기 때문에 그의 이론에는 문제점을 맞게 됩니다. 
그리고 호일이 주장하는 정상상태이론 속에서 계산한 헬륨의 양이 실제로는 훨씬 많았습니다.
그의 주장은 초창기 우주 때 별의 내부에서 헬륨이 생성되었다고 말을 하지만 그 이론대로라면 우주에서 헬륨은 드물게 찾을 수밖에 없는 원소여야 하는데 실제 지금까지의 관측 속의 헬륨은 무려 25%나 되어버렸고 별의 내부뿐만 아니라 우주 전역을 걸쳐 골고루 관측되고 있었습니다. 이러한 관측이 된 것은 심지어 호일의 주장과는 반대되었지만 가모브의 빅뱅이론과는 일치하는 점에서 꽤나 호일의 입장에서 실망스러운 일이었습니다. 

위태해진 정상상태이론

정상상태이론이 위태로운 시점에 마이크로파 배경복사의 흔적을 찾게 되는 일이 생겼습니다. 1964년 뉴욕 한 연구소에서 라디오 망원경의 신호에 이상한 잡음이 계속 나는 것을 발견하였는데 이 전파는 태양이나 우리은하 우주에서 오는 형태가 아닌 하늘에 균일하게 퍼져 있었고 전파 천문학자였던 아노 앨런 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨이 분석하였습니다. 많은 노력과 노동의 끝에 결국 이 잡음이 결국은 가모브가 예견하고 찾아다니던 마이크로파 배경복사였던 것이 밝혀졌고 그들은 후에 노벨물리학상을 수상하게 되었습니다. 이 발견은 정상상태이론과 빅뱅이론에 아주 큰 영향을 가져다주었습니다. 정상상태이론은 이제 저 멀리 과거의 이론으로 멀어져갔고 우리가 흔히 아는 빅뱅이론이 우주론의 중심에 자리 잡은 것입니다.