앨런 거스의 우주 팽창(Inflation) 이론

안녕하세요. 

천문학과 물리학 이야기입니다. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽으며 내용을 포스팅 하고 있습니다.  

우주의 팽창(Inflation) 

매사추세츠 공과대학의 앨런 거스가 제시한 우주의 모형은 초기 우주가 아주 급속하게 팽창했을 것이라고 주장합니다. 이 팽창을 인플레이션(inflation) 이라고 합니다. 

과거의 한 시기에 우주가 현재처럼 점차로 팽창률이 저하되는 방식이 아니라 가속되는 방식으로 팽창했다는 것입니다. 

앨런 거스의 주장에 따른 1초의 몇 분의 일에 불과한 짧은 시간 동안 우주의 반경은 10^30배나 팽창했다고 합니다. 

그는 우주는 매우 뜨겁지만 카오스적인 상태에서 빅뱅을 통해 출발했다고 주장합니다. 아마도 이렇게 높은 온도하에서는 입자들은 매우 빠른 속도로 운동하고 아주 높은 에너지를 가지고 있었을 것입니다. 

파괴되지 않은 힘들간의 대칭성과 보다 큰 에너지 

이런 고온에서는 우주의 기초적인힘 중에서 강한 핵력과 약한 핵력 그리고 전자기력은 모두 하나의 통일된 힘으로 통일되어 있었을 것으로 예상됩니다. 

우주가 팽창하면서 점차 냉각되었을 것이고 그럼 입자들의 에너지는 점차 낮아져서 상전이 ( phase transition )이 나타나게 되었을 것입니다. 

즉 그 3가지 힘들간에 대칭성이 파괴되었고 그 과정에서 강한 핵력은 약한 핵력, 전자기력과 다른 힘이 됩니다. 

이런 현상을 우리는 물에서 볼 수가 있습니다. 온도가 내려가면 물은 얼게 됩니다. 액체 상태의 물에서는 모든 방향과 모든 지점에서 대칭적입니다. 

하지만 얼음 결정이 생성되면 결정은 위치를 가지게 되고 일정한 방향으로 늘어서게 되지요.  따라서 물의 대칭성이 파괴됩니다. 

물의 경우 서서히 물의 온도를 낮추어 나가면 과냉각 ( supercool) 상태를 만들 수 있습니다. 얼음이 만들어지지 않으면서 빙점은 섭씨 0도 이하로 물의 온도를 낮출 수 있는 것이지요. 

거스는 우주도 물과 비슷한 패턴을 보일 수 있다고 주장합니다. 힘들 사이의 대칭성이 파괴되지 않으면서 온도가 임계값 이하로 떨어질 수 있다는 것이지요. 

만약 우주에 이런 현상이 일어날 수 있다면 우주는 힘들간의 대칭성이 파괴되는 경우보다도 더 큰 에너지를 가지는 불안정한 상태가 될 것입니다. 

우리는 이 특수한 추가적 에너지가 반중력 효과를 가진다는 것을 증명할 수 있습니다. 

끊임없이 팽창하는 우주 

그 에너지는 아인슈타인이 우주이 정적모형을 만들기 위해서 일반상대성이론에 도입시킨 우주상수와 비슷한 역활을 할 수 있을 것입니다. 

우주가 이미 뜨거운 빅뱅 모형에서와 같이 팽창하고 있기 때문에 우주상수의 반발력 효과는 우주의 팽창률을 끊임없이 증가 시킵니다. 

그럼 평균보다 물질입자가 더 많은 영역에서도 물질의 중력으로 인한 인력보다도 우주상수의 반발력 효과가 더 커지게 됩니다. 이 영역들도 가속되는 인플레이션 방식으로 팽창하게 될 것입니다. 

우주가 팽창하고 물질입자들이 더 멀어지게 되면 입자들이 거의 존재하지 않고 여전히 과냉각 상태에서 멈추어 있는 팽창 우주를 발견하게 될지도 모릅니다. 

풍선을 불면 풍선 위의 모든 주름이 모두 펴지듯이 우주의 모든 불규칙성은 팽창에 의해서 평편해질 것입니다. 

아마도 현재의 평활하고 균일한 우주은 수없이 다양한 비균일한 초기 상태들에서 진화해온 것일지도 모릅니다. 

팽창이 물질들의 인력에 의해서 느려지기보다는 우주상수에 의해서 가속되는 우주에서는 빛이 초기 우주의 한 영역에서 다른 영역을 이동할 충분한 시간이 있었을 것입니다. 

그래서 초기 우주의 서로 다른 영역들이 동일한 특성을 가질 수 있었을지도 모릅니다. 

게다가 우주의 팽창률은 우주의 에너지 밀도에 의해서 결정되는 임계율에 아주 가까워질 것입니다. 이러면 우주의 초기 팽창률이 매우 세심하게 선택되었다는 가정을 할 필요가 없습니다. 

왜 팽창률이 아직도 임계율에 가까운지를 설명할 수 있게 됩니다. 

우주는 팽창하는에 어떻게 수많은 물질이 존재할 수 있는가? 

인플레이션의 개념은 우주에 왜 그토록 많은 물질이 존재하는지도 설명할 수 있습니다. 

우리가 관측할 수 있는 우주에는 10^80개나 되는 입자들이 존재합니다. 그 많은 입자들은 도대체 어디에서 온 것일까요? 

양자역학에서는 입자들이 입자/반입자 쌍의 형태로 에너지에서 생성될 수 있다고 봅니다. 

그러나 그 에너지는 어디에서 왔을까요? 

우주의 총에너지는 정확히 0일 수 있습니다. 우주 속의 물질은 양(+)의 에너지에서 만들어 집니다. 하지만 물질은 모두 중력에 의해서 서로를 끌어당기고 있습니다. 

서로 근접한 두 물질은 멀리 떨어져 있는 경우에 비해 적은 에너지를 가집니다. 서로를 끌어당기는 중력을 거슬러서 두 물질을 멀리 떨어뜨리려면 에너지가 소비되기 때문입니다.   

중력장은 음(-)의 에너지를 가집니다. 공간적으로 균일한 우주에서는 우리는 이 음의 중력에너지가 정확히 상쇄된다는 것을 입증할 수 있습니다. 따라서 우주의 총에너지는 0인 것입니다. 

하지만 0을 2배로 해도 결국 0입니다. 우주는 에너지 보존의 법칙을 위배하지 않으면서도 양의 물질 에너지를 2배로 만들고 음의 중력 에너지 또한 2배로 만들 수가 있습니다. 

우주가 커지면서 물질 에너지의 밀도가 낮아지는 우주팽창에서는 이런 일이 일어나지 않습니다. 

하지만 인플레이션 팽창에서는 우주가 팽창하는 동안에 과냉각 상태의 에너지 밀도가 일정하게 유지되기 때문에 이런 현상이 일어날 수 있는 것이지요. 

우주의 크기가 2배로 늘어자면 양의 물질에너지와 음의 중력에너지가 모두 2배가 됩니다. 

따라서 전체 에너지는 여전히 0으로 될 수 있는 것입니다. 

인플레이션 단계에서 우주는 엄청난 크기로 늘어납니다. 입자를 만드는데 사용될 수 있는 에너지 총량도 엄청나게 커집니다. 우주는 결국 공짜 점심과 같은 것입니다.