별과 우주 3강. 빅뱅: 우주에 역사가 있다

"빅뱅"은 반대자가 비웃으려고 붙인 이름입니다. 그 이론은 조롱을 이름으로 삼고 세 개의 증거로 승리했죠.

풀고 시작

은하들이 도망가고 있다

1920년대까지 대다수 과학자는 우주가 영원하고 정적이라고 여겼습니다. 아인슈타인조차 자신의 방정식이 우주의 팽창이나 수축을 가리키자 우주상수를 넣어 억지로 멈춰 세웠을 정도죠. 균열은 관측에서 왔습니다. 벨기에의 사제이자 물리학자 르메트르(Lemaitre)는 1927년 우주 팽창을 이론적으로 유도했고, 허블은 1929년 은하들의 거리와 후퇴 속도를 비교해 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다는 비례 관계를 발표했습니다. 오늘날 허블-르메트르 법칙으로 불리는 이 관계의 의미는 명확했습니다. 우주는 팽창하고 있다는 거죠. 그렇다면 필름을 거꾸로 돌려 보세요. 과거의 우주는 더 작고, 더 빽빽하고, 더 뜨거웠어야 합니다. 우주에는 시작, 즉 역사가 있는 겁니다.

조롱이 이름이 되다

모두가 이 결론을 받아들인 것은 아닙니다. 1948년 호일(Hoyle), 본디, 골드는 정상우주론(steady-state theory)을 내놓았습니다. 우주는 팽창하지만 그 틈에서 물질이 조금씩 새로 생겨나, 전체 모습은 영원히 변하지 않는다는 이론이죠. 호일은 1949년 BBC 라디오 방송에서 경쟁 이론을 "우주가 어느 순간 뻥(big bang) 하고 시작했다는 생각"이라고 불렀습니다. 폄하조의 별명이었다는 것이 통설이지만 호일 자신은 조롱 의도를 부인했죠. 어쨌든 이 한마디가 이론의 공식 이름으로 굳어졌습니다. 두 이론은 관측으로 판가름 날 수 있었습니다. 정상우주론이 맞다면 초기 우주의 잔광 같은 것은 존재할 수 없기 때문입니다.

비둘기와 노벨상

1965년 미국 벨 연구소의 펜지어스(Penzias)와 윌슨(Wilson)은 통신용 대형 혼 안테나로 관측하던 중 지울 수 없는 잡음에 시달렸습니다. 잡음은 밤낮과 계절, 안테나의 방향을 가리지 않았죠. 안테나에 둥지를 튼 비둘기를 쫓아내고 배설물(그들은 점잖게 "흰 유전 물질"이라고 불렀습니다)까지 닦아 냈지만 잡음은 남았습니다. 그 정체는 무엇이었을까요? 근처 프린스턴의 디키(Dicke) 연구팀이 찾아 헤매던 바로 그것, 빅뱅의 잔광인 우주배경복사(cosmic microwave background)였습니다. 초기 우주의 뜨거운 빛이 팽창과 함께 식어 절대온도 약 2.7도의 마이크로파로 온 하늘을 채우고 있었던 겁니다. 우연한 발견으로 두 사람은 1978년 노벨 물리학상을 받았고, 정상우주론은 사실상 무너졌습니다.

세 번째 증거는 원소의 비율입니다. 빅뱅 이론은 우주 탄생 후 첫 몇 분간의 핵합성으로 수소와 헬륨이 질량비 약 3 대 1로 만들어진다고 예측하는데(가모프와 앨퍼의 1948년 계산이 출발점입니다), 실제 우주 어디를 관측해도 이 비율이 확인됩니다. 별의 핵융합만으로는 이만큼의 헬륨을 설명할 수 없죠.

폭발이 아니라 팽창이다

흔한 오해 하나를 바로잡겠습니다. 빅뱅은 텅 빈 공간의 한 지점에서 물질이 폭발해 퍼져 나간 사건이 아닙니다. 공간 자체가 모든 곳에서 늘어나는 것이 팽창이고, 따라서 우주에는 폭발의 중심지가 없습니다. 건포도가 박힌 빵 반죽이 부풀면 모든 건포도가 서로 멀어지듯, 어느 은하에서 보아도 다른 은하들은 멀어져 보이죠. 빅뱅은 "저기서" 일어난 것이 아니라, 지금 우리가 있는 이곳을 포함한 모든 곳에서 일어났습니다. 그런데 이 팽창의 속도를 재던 과학자들은 곧 우주의 95%가 정체불명이라는 사실과 마주칩니다. 다음 강의 주제입니다.

인출 문제

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