빅뱅이론과 문제점

빅뱅이론은 프리드만이 구한 우주방정식의 해와 허블의 관측 사실에 근거하여 1946년 가모브가 우주의 초기 상태를 규명하려 했던 것으로, 우주는 고온 고밀도 상태에서 대폭발 (빅뱅)로 시작하여 팽창하고 있다는 이론이다. 팽창하는 우주를 과거로 거슬러 올라가면 우주는 아주 작은 크기가 될 것이고 한점에 모여 있었다고 생각할 수 있다. 즉 우주의 모든 질량이 무한 밀도로 압축되어 있는 상태이다. 이러한 상태를 ‘특이점’이라 한다. 그러다가 어떤 힘에 의해 물질이 폭발하여 오늘날과 같은 우주가 형성되었고 그 이후 우주는 팽창하고 있다. 빅뱅이론은 현재 우주모델의 표준이 되는 것으로 상당히 강력한 지지 기반을 가지고 있다. 우주가 특이점에서 생겨나 지금까지 약 130∼200억 년 정도의 나이를 가졌다는 것과 양자론과 일반 상대성이론으로 플랑크 시간과 빅뱅 이후의 우주 진화를 설명할 수 있다. 팽창을 시작한 후 최초의 몇 초 동안 우주가 너무도 뜨거워서 보통의 원자나 분자는 존재할 수 없다.

우주는 팽창하면서 식어 시간이 1분 정도가 지나면 가장 가벼운 핵들의 합성이 시작된다. 중수소, 헬륨, 리튬 등이 최초 1000초 동안에 만들어진 것이다. 우주 탄생 후 10만 년이 지나면 우주의 온도는 1만K까지 떨어지고 우주 공간을 자유롭게 날아다니던 전자들은 에너지를 잃고 원자핵의 주위로 끌려나오게 된다. 이윽고 최초의 원자들이 만들어지는 것이다. 복사와 물질간의 상호관계가 일어나지 않게 되면서 남아있는 복사는 아무런 제약 없이 우주를 여행하게 된다. 우주배경복사는 물질과 복사가 실제로 균형을 이루고 있을 때 생성되었기 때문에 전형적인 흑체 스펙트럼을 가지고 있다. 이 때의 빛이 우주의 팽창으로 늘어나 지금은 수 K의 전파로서 관측될 것이라고 가모브는 주장하였다.빅뱅 이론은 우주의 진화를 잘 설명하였지만 초기 우주의 평평성 문제, 우주지평선 문제, 자기 홀극 문제 등 설명할 수 없는 몇 가지 문제점을 안고 있다. 첫째, 우주의 평평성 문제이다. 빅뱅 이론에 의하면 현재의 우주가 열린 우주이거나 닫힌 우주이거나 상관없이, 과거 초기 우주의 모습은 거의 완벽한 평평한 우주에 다가가는 구조를 지니고 있다. 강한 상호 작용이 분리되는 대 통일장 시기에 우주는 대략 10-52의 오차 범위 내에서 평평한 우주가 되어야 한다.

 

이는 모든 물리상수들을 10-52의 오차 한계만 허용하는 정밀성을 가져야 한다는 것이다. 둘째, 우주지평선 문제이다. 현재 관측가능한 우주의 크기는 대략 100억 광년인데 우주의 나이는 대략 100～200억 년으로 추산된다. 이를 바탕으로 우주의 나이가 10만 년 정도일 때에 현재 우주의 크기를 계산해 보면 대략 1천만 년 정도로 나온다. 그런데 문제는 우주 탄생 후 10만 년 간 달린 빛의 최대 거리는 10만 광년보다 클 수가 없다는 점이다. 현재 우리가 관측하는 우주배경복사는 방향에 상관없이 거의 같은 온도를 지니고 있다. 그렇다면 빛이 달려도 도달할 수 없는 거리에서 발생한 이 복사선이 어떻게 마치 약속이나 한 듯 같은 온도를 가질 수 있는가에 대한 의문이 바로 우주지평선 문제다. 셋째, 자기 홀극 문제이다. 자기 홀극이란 자석의 N극 또는 S극만 있는 반쪽자석을 말한다. 우주 상전이 현상의 피할 수 없는 귀결의 하나가 바 로 이 자기 홀극의 대량 발생이다. 물론 지금 이 시간까지 지구상에서 실험 관측된 자기 홀극은 한 개도 없다. 따라서 이론상으로는 양성자만큼이나 많이 존재해야 한다는 자기 홀극들이 지금 어디로 어떻게 사라질 수 있었는가에 대한 의문이 바로 자기 홀극 문제다. 이러한 문제들로 인해 새로운 인플레이션 이론이 등장하기에 이른다.