왜 빅뱅 전에 '인플레이션'이 일어났다고 물리학자들은 생각할까? 빅뱅이론으로는 해결할 수 없는 4가지 문제

왜 빅뱅 전에 '인플레이션'이 일어났다고 물리학자들은 생각할까? 빅뱅이론으로는 해결할 수 없는 4가지 문제

시공의 왜곡으로 포착된 수수께끼의 중력파의 존재는, 우주의 시작에 대해서는 「빅뱅 이론」으로부터 그 이전에 일어났다고 여겨지는 「인플레이션 우주 모델」이 주장하게 되었습니다. 사실 빅뱅 이론에는 몇 가지 큰 문제가 존재합니다. 이 내용에서는 '빅뱅 이론'의 문제점에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
  *우주 인플레이션은, 이론적으로 우주 초기의 어떤 순간에 우주가 빛보다 더 빠른 속도로 팽창했다는 가설

이 내용은 일본서적 『우주는 어떻게 시작되었는가』(블루벅스)를 정리한 내용입니다.

◇ 빅뱅 이론의 큰 문제점
우주의 인플레이션을 설명하는 이론 모형(학설)이 특정되지 않은 단계임에도 불구하고 연구자들은 왜 인플레이션을 믿고 있을까요?

그것은 빅뱅 이론에는 큰 문제점이 몇 가지 존재하고, 우주의 인플레이션이 그것을 해결하는 방법을 제공해 주기 때문입니다.

먼저 그 큰 문제점에 대해서 순서대로 살펴보도록 하겠습니다.

(1)지평선 문제

지구와 우주에서의 지평선

지구에 살고 있는 우리에게 높은 건물이나 높은 산에 올라가도 지구가 둥글기 때문에 지구의 뒷면을 직접 볼 수는 없습니다.

사실 우주가 탄생한 지 유한한 시간밖에 지나지 않았기 때문에 우리가 우주의 전체를 보는 것은 불가능한 것입니다. 유한한 시간 내에서 빛은 유한한 거리밖에 도달할 수 없기 때문입니다. 이 한계를 지평선이라고 부릅니다. 물론 일상 생활에서 사용하는 지평선과는 다른 의미입니다.

우주 지평선이 존재하는 이유는 광속이 물질의 속도의 상한이기 때문입니다. 지구를 예로 들어보겠습니다. 지상의 관측자가 볼 때 동쪽 끝 지평선과 서쪽 끝 지평선을 비교해 봅니다. 예를 들어, 해변나 넓은 들판의 사람들에게 보이는 끝은 수평선입니다.

우주의 경우, 어느 방향의 보이는 방법도 거의 같은 것입니다. 현재 우주의 가장 먼 곳에서 오는 정보는 우주 마이크로파 배경 복사입니다.

우주 마이크로파 배경 복사가 등방적(어떤 방향으로 측정했을 때나 동일한 강도와 강성을 가진 것)인 이유?
자세히 말하면, 이 우주 마이크로파 배경 복사는 우주에서 처음으로 중성 수소 원자가 탄생한 흔적입니다. 그래서 빅뱅 우주론의 증거입니다.

빅뱅 이전의 우주는 더욱 고온이었기 때문에 전자는 양성자와 결합하지 않고 자유롭게 돌아다닙니다. 그 자유로운 전자가 양성자와 결합하여 잘 알려진 수소 원자가 생기는 반응에서 전자파가 방출됩니다. 그 전자파가 우주의 팽창의 결과, 마이크로파에서의 배경 복사로서 현재의 우주를 채우고 있는 것입니다.

마이크로파 배경 복사는 매우 좋은 정밀도로 등방적입니다. 여기서의 등방적이란 어느 방향에서 오는 전자파라도 강도가 같다는 의미입니다.

지금 지구에 도달한 마이크로파 배경 복사의 강도가 어느 방향이든 같다는 것은 그 복사가 이루어진 시점(시각과 장소)에서의 전자와 양성자의 단위 부피당 개수(数密度) 및 온도가 우주의 전혀 떨어진 장소임에도 불구하고 공교롭게도 똑같았던 것입니다.

여기서 중요한 점은 그 떨어진 두 점은 당시 우주에서의 동일한 지평선 내에 존재하지 않았다는 것입니다. 지상에서 비유하자면 대한민국과 브라질 같은 것입니다. 서로를 동시에 직접 볼 수는 없는 것입니다.

이처럼 인과적으로 관계가 없어야 할 우주의 두 지점에서 물질의 수밀도(数密度)와 온도가 같다는 것은 일반적인 빅뱅 이론을 이용해 설명할 수 없습니다. 어디까지나 마이크로파 배경 복사의 관측 결과에 지나지 않습니다.

(2)평탄성 문제
'프리드먼 방정식'은 우주의 팽창이나 수축을 수학적으로 예언하는 것입니다. 이것을 조사하면, 우주의 공간 곡률은 일정하고, 그것은 3가지로 한정된다는 것이 증명되었습니다.

여기서 우리의 우주는 충분히 큰 스케일에서는 장소에 구애받지 않고 방향에도 의존하지 않는다고 합니다. 이것을 「일관·등방의 가정」이라고 합니다. 조금 어려운 말입니다. 먼저, '공간 곡률이 일정하다'라는 것의 의미는 공간의 휘는 정도가 장소에 구애받지 않고 일정하다는 것입니다. 예를 들어, 구의 표면이나 곧은 빨대의 표면이 휘는 정도는 면 위의 위치를 선택하는 방법에 의존하지 않습니다. 이 경우 곡률이 일정합니다.

한편, 럭비공의 표면의 휘는 정도는 일정하지 않습니다. 프리드먼 방정식에서 우주의 공간 곡률은 일정하지만, 그 '일정한 값'은 우주의 팽창(혹은 수축)과 함께 변화할 수 있습니다. 즉, 그 값은 장소에 의하지 않는 상수이지만 시간의 함수여도 좋다는 의미입니다.

공간 곡률이 0인 경우는 공간이 구부러지지 않은 경우입니다. 이 경우 시공간 부분은 유클리드 기하학으로 기술됩니다.

공간 곡률이 양인 경우라는 것은 둥근 풍선의 표면을 떠올려 주시기 바랍니다.공기를 불어 풍선을 부풀리면 풍선 표면의 휘는 정도가 부드러워집니다.즉, 곡률은 작아집니다.마찬가지로 공간 곡률이 양인 우주가 팽창하면 그 공간 곡률은 작아집니다.

공간곡률이 음수일 때는 우리 주변의 비유로 표현하기가 어렵습니다.굳이 말하면, BS 방송을 수신하기 위한 파라볼라 안테나의 포물면을 이미지해 주세요.이 부곡률 우주의 경우도 우주의 팽창에 따라 곡률의 값은 변화하고 점차 작아집니다.

현재까지의 천문 관측 결과, 우리 우주의 곡률 값은 한없이 0에 가까운 것으로 밝혀졌습니다. 빅뱅 우주 이론 하에서는, 프리드만 방정식을 이용하는 것으로, 곡률의 값의 변화가, 물질 밀도의 변화보다 월등하게 큰 것을 나타낼 수 있습니다. 그렇다는 것은, 현재의 거의 제로에 가까운 곡률의 값을 만들기 위해서는, 우주 초기에 매우 작은 값을 곡률로 선택하지 않으면 안됩니다. 이렇게 작은 값을 요청하는 것은 이론적으로 생각하면 부자연스러운 것입니다.

(3)잔존물 문제
고바야시 마스카와 이론이 기술하는 것보다 고에너지로 미시적인 세계를 기술하는 물리 이론의 모형으로서 대통일 이론 등이 있습니다. 대통일 이론에 대해서는 달리 살펴봐야 할 내용이지만 이러한 이론은 자기 모노폴(자기 단극자), 그라비티노(중력 미립자. Gravitino. 일반 상대성이론과 '초대칭론'을 결합한 이론은 중력자라고 하는 입자의 존재를 예측한다) 등의 존재를 예고합니다.

우리가 알고 있는 자석은 N극과 S극으로 이루어져 있으며 2개의 극을 가집니다. 이것을 자기 다이폴(자기 쌍극자)이라고 합니다. 모노폴은 극이 하나밖에 없는 것을 말합니다. 또한 그라비티노는 중력을 주는 것으로 알려진 소립자 '그라비톤'과 짝을 이루는 소립자입니다.

우주 초기에 이러한 입자가 생성되어 그것들이 대량으로 잔존하면 빅뱅 우주 시기의 원소 합성 등에 영향을 주어 현재 우주에서 관측되는 수소, 헬륨, 리튬 등의 원소의 존재 비율을 빅뱅 이론이 재현할 수 없게 됩니다.

또한 자기 모노폴도 그라비티노도 발견되지 않았습니다. 만일 존재하더라도 이들은 우주에서의 개수가 적어야 합니다.

(4)초기 동요의 기원 문제
현재 관측되는 우주에는 항성, 은하, 은하단 등의 천체가 다양한 계층 구조를 이루며 분포하고 있습니다.

이 천체들의 형성, 그리고 분포의 원인은 시간을 거슬러 올라가면 우주 초기에서의 물질의 밀도가 완전히 일정하지 않고 공간적으로 흔들리고 있었기 때문입니다. 그러나 빅뱅 우주 모형은 이 우주 초기에서의 밀도의 흔들림을 설명하지 않습니다.

빅뱅이론에서는 이런 문제점들이 남습니다. 

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