린데의 카오스적 인플레이션 모형(chaotic inflationary model)

안녕하세요. 

천문학과 물리학 이야기입니다. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽고 있습니다. 

(원제목 :  "The illustrated a brief history of time") 내용을 포스팅 하겠습니다. 

우주는 왜 정확히 임계율로 팽창하고, 다른 영역들은 같은 온도인가?에 대한 설명  

오늘날 우주는 인플레이션 방식으로 팽창하고 있지 않습니다. 우리가 관측하는 것처럼 중력에 의해서 감속되는 비율로 바꾸어 놓을 어떤 가설이 있어야 할 것입니다. 

인플레이션 팽창 단계에서는 과냉각된 물이 결국에는 얼어버리듯이 언젠가 힘들 간의 대칭성도 결국 파괴될 것이라는 것을 예측할 수 있습니다. 

그렇게 된다면 남는 에너지는 방출될 것이고, 우주는 힘들 사이에 대칭이 유지되기 위한 임계온도 바로 아래로까지 다시 가열될 것입니다. 

결국 우주는 뜨거운 빅뱅 모형처럼 팽창과 냉각을 계속하게 될 것입니다. 

우주가 정확히 임계율로 팽창하고 왜 우주의 다른 서로 다른 영역들이 같은 온도인지에 대한 설명을 위의 메커니즘으로 설명할 수 있습니다. 

앨런 거스의 인플레이션 모형의 문제점 

거스의 주장에서 상전이는 온도가 아주 낮은 물에서 얼음 결정이 나타나듯이, 갑작스럽게 발생하는 것으로 설명되어 졌습니다.  

마치 끓는 물 속의 수증기 거품들처럼 파괴된 대칭성의 새로운 상의 거품이 이전의 상 속에서 형성되었다는 설명입니다. 

하지만 우주는 너무나 빨리 팽창하기 때문에 그 거품들이 빛의 속도로 커진다 할지라도 서로 멀어질 수밖에 없습니다. 

결국 결코 만날 수가 없습니다. 우주는 일부 영역이 서로 다른 힘들 사이에서 여전히 대칭성을 가지고 있는 비균일한 상태를 유지하게 될 것입니다. 이러한 우주모형은 현재 관측되어지는 우주와 일치하지 않습니다. 

느린 대칭성 파괴의 개념을 기반으로 한 이른바 새로운 인플레이션 모형

모스크바 레베데프 연구소의 과학자 안드레이 린데는 거품이 아주 커서 우주의 우리 영역이 모두 하나의 거품 속에 들어갈 수 있다면 거품들이 서로 합쳐지지 않는다는 문제를 회피할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 

이에 대해 스티븐 호킹 박사는 대칭성이 꼭 거품 속에서라기 보다는 모든 곳에서 동시에 파괴될 것임을 증명했습니다. 그러면 우리가 관측하는 균일한 우주에 도달하게 될 것입니다. 

펜실베이니아 대학의 폴 스타인하트와 안드레아스 알브레히트 역시 린데와 흡사한 개념을 제안했습니다. 느린 대칭성 파괴의 개념을 기반으로 한 이른바 새로운 인플레이션 모형 (new inflationary model ) 입니다.   

참고로 그 이전의 거스의 인플레이션 모형은 거품들의 형성과 함께 대칭성이 빠른 속도로 파괴된다는 주장이었습니다. 

새로운 인플레이션 모형은 우주가 현재와 같은 모습을 하고 있는지를 설명하는 훌륭한 시도였습니다. 

하지만 오늘날 관측되는 극초단파 우주배경복사의 온도편차 범위를 훨씬 넘어서게 예측하고 있다는 점이 지적되고 있습니다. 또한 그 모형이 요구하는 종류의 우주의 극히 초기 단계에 과연 상전이가 가능했는가라는 의구심이 제기되었습니다. 

린데의 카오스적 인플레이션 모형(chaotic inflationary model) 

이후 린데는 카오스적 인플레이션 모형이라고 부르는 좀더 나은 모형에 대한 논문을 1983년에 발표하였습니다. 

이 모형에서는 상전이나 과냉각이 없습니다. 그 대신 스핀 0의 장이 있습니다. 그 장은 양자요동 때문에 초기 우주의 일부 영역에서는 큰 값을 가집니다. 

이러한 영역들이 장-에너지는 우주상수와 비슷한 특성을 가집니다. 

이 장-에너지는 반발력으로 작용하는 중력효과를 가지기 때문에 그 영역들이 인플레이션 방식으로 팽창하도록 만듭니다. 

팽창과 함께 그 영역들이 장-에너지는 인플레이션 팽창이 뜨거운 빅뱅 모형에서의 팽창과 비슷하게 바뀔 때까지 느린 속도로 줄어들 것입니다. 

이 영역들 중 하나가 우리가 현재 관측 가능한 우주로서 보고 있는 것이 됩니다. 

카오스적 인플레이션 모형은 앞선 인플레이션 모형들의 장점을 모두 취하면서 모호한 상전이에 의존하지 않습니다. 

게다가 극초단파 배경복사의 온도에 관측결과와 일치하는 적당한 크기의 편차를 부여합니다. 

인플레이션 모형들에 대한 이러한 연구는 우주의 현재 상태가 수많은 서로 다른 초기 구성들로부터 발생했을 수 있음을 보여주었습니다. 

이 연구는 우리의 우주의 일부분의 초기 상태가 극도로 세심하게 선택되었을 필요가 없음을 증명하기 때문에 매우 중요합니다. 

따라서 우리는 우주가 지금과 같은 모습으로 존재하는가를 설명할때 약한 인류원리를 사용할 수 있습니다.