서론
빅뱅(Big Bang)은 대폭발 이론으로 불리며 우주의 시작과 팽창을 설명하는 현대 우주론의 핵심 이론입니다. 태초의 우주는 극도로 밀도와 온도가 높은 상태에서 시작하여 팽창해 현재의 우주로 발전했습니다.
1. 아인슈타인의 정적인 우주와 팽창우주 연구
1915년 독일 물리학자 알버트 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표하며 우주의 구조를 수학적으로 설명했습니다. 당시 아인슈타인은 관측된 우주의 모습이 정적이라고 믿었기 때문에 정적인 우주를 기술하려 노력했습니다. 그러나 중력만으로 은하들을 엮으면 정적인 우주는 붕괴될 수밖에 없었습니다. 이에 아인슈타인은 은하들 사이에 서로 밀어내는 척력이 존재해야 한다는 가설을 세웠습니다. 하지만 에드윈 허블의 관측으로 우주는 정적일 필요가 없다는 사실이 밝혀지면서 이 주장은 자연스럽게 사라졌습니다. 실제로 일반상대성이론에는 동적인 우주를 기술하는 답도 이미 포함돼 있었습니다. 프리드만, 르메트르, 로버트슨, 워커 같은 연구자들은 중력장 방정식을 활용해 팽창우주에서 팽창속도가 점점 감속된다는 결론을 도출했습니다. 이는 은하 사이의 중력이 우주의 팽창을 점진적으로 방해하기 때문입니다. 따라서 우주는 시간에 따라 계속 팽창하지만 속도는 점점 감속되는 구조임을 알 수 있습니다. 이러한 연구는 이후 허블의 우주 팽창 발견과 빅뱅 우주론 확립의 토대가 되었습니다.
2. 허블의 우주 팽창 발견과 빅뱅 우주론 확립
1929년 미국 천문학자 에드윈 허블은 관측을 통해 은하들이 우리 은하로부터 멀어지고 있으며, 거리와 후퇴 속도가 비례한다는 사실을 발견했습니다. 이는 우주가 팽창하고 있음을 최초로 입증한 결과였습니다. 허블의 발견은 우주가 정적이 아니라 동적인 존재임을 보여주었으며, 우주론의 패러다임을 완전히 바꾸었습니다. 팽창우주는 풍선에 점을 찍어 은하를 나타내는 것에 비유할 수 있습니다. 바람을 불면 점들 사이의 거리가 멀어지듯이 은하도 서로 멀어지는 것입니다. 시간이 거꾸로 흐른다면 모든 은하는 중심을 향해 접근하는 것처럼 보일 것입니다. 한편 빅뱅 우주론과 대립한 연속창생 우주론은 우주가 항상 일정한 상태를 유지하며 물질이 계속 생성된다는 가설을 제시했습니다. 연속창생 우주론은 영국의 과학자들이 주도했고, 빅뱅 우주론은 미국 과학자들이 주도했습니다. 결과적으로 허블의 관측과 빅뱅 우주론의 논리가 우세하게 받아들여지며, 우주론 연구의 주도권은 미국으로 넘어갔습니다.
3. 우주배경복사 발견과 빅뱅 우주론의 승리
빅뱅 우주론이 확립되는 결정적 계기는 우주배경복사 발견입니다. 우주에는 초기 태초에 수소와 헬륨이 핵융합을 통해 형성된 흔적이 존재합니다. 수소와 헬륨의 존재 비율은 태초 우주가 매우 고온이었음을 증명합니다. 약 38만 년이 지난 시점에 우주의 온도는 3000도로 떨어졌고, 자유 전자들이 원자핵과 결합하며 광자가 자유롭게 이동할 수 있게 되었습니다. 이때 방출된 빛이 오늘날 우리가 관측하는 우주배경복사입니다. 1964년 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 우연히 우주배경복사를 발견했으며, 이를 통해 빅뱅 우주론이 연속창생 우주론을 이기는 결정적 근거가 되었습니다. 이후 우주의 나이를 둘러싼 논쟁도 이어졌으며, 현재 관측 기준으로 우주의 나이는 약 137억 년으로 확인되었습니다. 그러나 현대 우주론에서는 보이지 않는 물질인 암흑물질과 우주 팽창을 가속시키는 암흑에너지 문제 등 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있습니다. 우주의 운명 또한 초기 폭발의 세기에 따라 무한 팽창할지, 팽창 후 수축할지 결정되며, 이를 정확히 알기 위해서는 더 정밀한 관측과 연구가 필요합니다.