우주의 인플레이션에 대하여

알랜 구스는 우주의 평평성과 우주 배경 복사의 등방성 문제의 해결책으로 플랑크 시간 직후 아주 짧은 기간 동안 우주가 비정상적으로 급격하게 팽창했다는 인플레이션(Inflation) 이론을 제시하였다. 인플레이션 시대 동안 우주는 급격하게 팽창하였으며, 10 -32초제곱수 사이에 그 크기가 원래 크기보다 10의 50제곱배나 증가하였다. 우리가 관측할 수 있는 우주도 인플레이션이 일어난 우주의 극히 일부분에 지나지 않는다. 우리는 전체 우주의 곡률을 볼 수 없고 우주의 일부분을 평면적으로 보는 것이다. 플레이션에 의한 팽창은 빛의 속도보다 빨라서 가까이 있었던 많은 물질들을 우주의 지평선 너머까지 갖다 놓아 오늘날 이들을 볼 수가 없다. 정 반대편에서 오는 복사들은 원래 서로 접촉하고 있던 부분들에서 나온 것이므로 우주 배경 복사의 등방성을 잘 설명할 수 있다. 빅뱅 우주론은 우주의 비밀을 밝히는데 크게 성공하였으나 빅뱅이 어떻게 시작되었는가에 대한 확실한 답을 낼 수 없다. 그러나 일반 상대성이론과 양자론을 결합시킨 양자중력이론은 우주가 시간도 공간도, 또 에너지도 물질도 없는 요동하는 ‘무’에서 탄생하였다는 것이다. 

무에서 터널 효과에 의해 태어난 우주는 높은 진공에너지에 의해 급팽창하는데 이것이 우주의 인플레이션이다. 갓 태어난 우주는 아주 높은 진공의 에너지를 가지고 있기 때문에 에너지가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 변하려는 성질을 갖는다. 우주의 팽창에 의해 우주의 온도가 어떤 일정 온도까지 내려가면 진공이 상전이를 하고 이때 방출된 진공에너지는 우주를 급격하게 팽창시킨다.인플레이션 이론이 말하는 우주의 역사는 빅뱅 후 10-43초부터 시작한다. 이 때 까지는 물질도 에너지도 우리가 알고 있는 어떤 물리 법칙도 존재하지 않는다. 시공간은 극도로 굽어 있어 블랙홀이 탄생과 증발을 계속하고 있었다. 블랙홀의 생성과 증발로 공간과 시간은 서로 연결과 단절을 거듭했다. 이 때의 우주의 온도는 약 10의32승 K였고, 자연계의 네 가지 힘은 하나로 통일되어 있었다.10의 -43 승 초에서 10의 -35승초 사이의 어느 순간 블랙홀이 끊임없이 생성, 소멸되던 이 시대가 끝났다. 그 때까지 존재하고 있던 블랙홀은 팽창하였으며, 우주 온도는 식어 갔고, 중력이 나머지 세 힘에서 분리되었다. 10의-35 승초 때 우주의 온도는 10 27K제곱으로 떨어졌고, 강한 상호 작용이 분리되어 나왔다. 그 결과, 블랙홀에서는 쿼크와 렙톤 그리고 각각의 반입자들이 자연 발생적으로 급속히 생성되었다. 처음 생성된 입자들은 모두 입자와 반입자 쌍으로 만들어 졌고, 대부분은 충돌로 소멸을 겪지만 우연히 소멸을 면한 일부 입자들이 오늘의 우주를 만들게 되었다. 

쿼크와 렙톤 그리고 이들의 반입자들이 생성됨으로 인해 우주의 압력은 엄청나게 증가하였고, 이것은 블랙홀들을 급속도로 팽창하게 만들었다. 스탠포드 대학의 이론 물리학자인 에바 실버스타인 은 BICEP2 주장에 대한 논쟁을 언급하며 “실제로 인플레이션이 문제가되지 않았다는 점을 항상 강조하려고 노력했습니다. 대부분의 우주 학자들은 인플레이션 사례가 상당하다고 주장합니다. 우주의 여러 세부적인 특징을 성공적으로 예측했습니다. 그리고 지금까지 이러한 특징들에 대한 유일한 대안 설명-우주의 순환 적, 호흡-폐 모델-은 지나치게 복잡하고 이론적으로 혼란 스럽습니다. 존스 홉킨스 대학의 천체 물리학 자 마크 카미 온 코프 스키 는“같은 용의자를 손가락질 한 5 명의 증인과 시력이 좋지 않은 6 번째 증인이있는 것과 같습니다 . 지금부터 10 년이 지난 지금도 BICEP2보다 100 배 더 민감한 망원경이 여전히 중력파를 보지 못한다면 그는“그게 우리를 놀라게 할 것입니다.”라고 말했습니다. 그럼에도 불구하고 반전은 약점을 부각시킬 기회를 포착하고있는 인플레이션에 대한 비판을 다시 불러 일으켰습니다. 그들의 주된 반대는 그러한 사건을 촉발시킬 수있는 것을 이해하려고 시도 할 때 발생하는 개념적 퍼즐에 있습니다. 그들이 주장하는 문제는 여전히 실행 가능한 인플레이션 모델에서 악화됩니다.처음에는 인플레이션 가설에 따르면 무한히 뜨겁고 밀집된 지점 원래 빅뱅 이론에서와 같이)이 아니라 인플 래튼 필드로 알려진 에너지 투과 공간의 필드가 존재했습니다. 어쨋든 엄청난 에너지의 급증이 현장을 뒤덮었습니다. 혼돈 인플레이션으로 알려진이 이야기의 인기 버전에서 에너지의 양은 고르지 못한 바다의 볏과 골과 같이 필드 전체에서 무작위로 다양합니다. 중력 적으로 끌어 당기는 물질과 달리 팽창 필드에 저장된 에너지 반발력을 발휘했습니다. 이로 인해 패치가 팽창하는 풍선의 표면처럼 확장되었습니다. 

인플레이션은 우주의 많은 특성을 설명합니다. 풍선 표면의 주름과 같은 인플레이션 이전 얼룩에 존재하는 불규칙성을 확장하고 우주를 놀랍도록 매끄럽고 평평하게 만드는 훌륭한 이퀄라이저 역할을했을 것입니다. 실제로 380,000 년이되었을 때 우주의 밀도는 하늘에서 가장 오래된 빛을 관찰 한 결과 10 만분의 1에 불과했습니다. 이것은 약간의 밀도가 높은 점은 은하로 성장했습니다. 그리고 우주의 곡률을 측정하는 오메가라는 상수는 1.000으로 고정되어 완벽한 평탄도를 나타냅니다.팽창 필드는 에너지의 양자 파문과 함께 회전했을 것입니다. 즉, 입자와 반입자 쌍을 자발적으로 생성했습니다. 정상적인 상황에서 이러한 반대는 두 파도가 서로를 상쇄하는 것처럼 즉시 소멸됩니다. 그러나 우주가 기하 급수적으로 확장됨에 따라 두 개의 잔물결이 갈라져서 살아남 아야했습니다. 그들은 초기 우주에서 관찰 된 미세한 밀도 변화를 형성했습니다 .관찰 된 밀도 변동은 심지어 인플레이션 둔화의 미묘한 신호를 전달합니다. 인플레이션 과정 초기에 발생한 잔물결은 가장 많이 늘어 났으며 우주의 절반과 다른 절반 사이의 밀도 차이 측정과 같은 대규모 변동의 원인이됩니다. 나중에 발생한 잔물결은 더 작은 규모의 밀도 변화에 해당합니다. 그러나 인플레이션이 줄어들고 팽창 필드의 에너지가 느린 속도로 희석됨에 따라 양자 리플이 더 적게 발생했을 것입니다. 실제로 플랑크 망원경으로 관찰 한 결과 초기 실험에서 제안한 내용 이 확인되었습니다 . 초기 우주의 밀도는 대규모보다 작은 규모에서 몇 퍼센트 더 낮았습니다.