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우주배경복사를 어떻게 표현할 수 있을까? |
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빅뱅의 메아리는 우주론의 표준 모형이 만들어지는 과정에서 큰 역할을 한 우주배경복사에 관한 이야기이다. 저자 이강환의 전 저서 '우주의 끝을 찾아서'를 읽었을 때 어려운 과학 내용을 일반인이 읽고 최대한 이해하기 쉽게(물론 관련된 내용을 알고 있는 사람은 더 쉽게 이해할 수 있겠지만) 쓰려고 노력했다는 생각이 들었다. 그래서 이번 책은 고민하지 않고 구입하게 되었다. 우주 배경 복사에 대해서 알고 있었고, 그것이 빅백 우주론을 뒷받침하는 강력한 증거가 되었다는 것도 알고 있었다. 하지만 그 뿐, 더 자세한 내용은 알지 못했는데, 이 책을 통해 우주 배경 복사의 예측, 발견 과정에 대해서 잘 알게 되었다. 그동안 단순하게 우주 배경 복사를 관측해서 초기 우주의 모습에 대해서 잘 알게 되었다는 것만 알고 있었는데, 그 과정에서 과학자들이 어떻게 프로젝트의 연구비를 얻으려고 노력했고, 그들 사이에 어떤 고민과 논쟁과 노력이 있었으며, 관측결과를 해석하기 위해서 얼마나 어렵고 고된 과정이 있었는지 알게 되었다. 특히 우주의 끝을 찾아서를 읽으면서도 안타깝다는 생각을 했었는데, '데이비드 윌킨슨'은 이 책을 읽으면서도 너무 안타깝다는 생각이 들었다. 일반적으로 우리가 과학계에서 최고의 영애라고 생각하는 노벨상을 받을 기회를 두 번이나 놓치고(물론 꼭 노벨상을 받아야 훌륭한 과학자가 되는 것은 아지만, 개인적으로 안타깝다는 생각이 들었다), 자신이 노력해서 이루어낸 우주배경복사 위서 WMAP의 관측 결과가 나오고 얼마되지 않아 세상을 떠났다는 것이 너무 마음 아팠다. 물론 그로 인해 우리는 우주에 대한 정보를 더 많이 알게 되었지만... 솔직히 이 책은 우주론에 대해 아무것도 모르는 사람이 읽기는 쉽지 않다. 하지만 우주론에 대해 조금이라도 들어본 사람의 경우 천천히 생각하며 읽으면 우주론에 대해 아는데 도움이 될 것 이라 생각한다. 더불어 저자가 쉽게 설명하기 위해 얼마나 노력했는지 알 수 있을 것이다. 국내에 최신 우주론과 관련된 책이 많이 않았는데, 이강환씨가 앞으로 우주론과 관련된 관심을 넓히는데 더 많은 역할을 해주시길 바란다. |
 위의 도서 『빅뱅의 메아리』 는 1929년 에드윈 허블 Edwin Powell Hubble 이 우주가 팽창하고 있다는 사실을 관측함으로써 시작된 현대 우주론에 대한 도서이다. 과학은 정답을 찾는 것이 아니라 정답을 찾아나가는 과정이다. p 236 ㅡ 아직도 진실은 저 너머에 라고 말한 저자 이강환 관장의 말처럼, 우주의 신비에 다가가지 위한 여러 이론과 사실 뿐만 아니라 그러한 여정속에서 다양한 상상과 시도를 했던 여러 과학자들과 프로젝트들의 이야기를 조화롭게 담고 있다. 덕분에 현대우주론에 대한 이론인 빅뱅 이론, 급팽창 이론, 우주론 표준 모형, 암흑 물질 / 에너지 뿐만 아니라 이를 측정 / 검증하기 위한 방법 등 다양한 과학적 지식을 어렴풋하게나마 이해할 수 있었고, 한편으로는 이를 탐구하는 과학자들의 이야기도 만날 수 있었는데 그중에서 COBE 프로젝트에서 탐욕스런 상사와는 달리 프로젝트를 성공시키기 위해 팀원들을 다독이고 이끌었으며 이후 진행된 WMAP 프로젝트를 성공적으로 이끌었던 찰스 베넷 Charles L. Bennett (= 척 베넷) 의 이야기는 조금은 감동적이기도 했다. 과학은 어렵고 재미없다는 편견을 위의 도서 『빅뱅의 메아리』 단 1 권만으로 해소할 수는 없겠지만 이처럼 좋은 도서가 하나 둘 쌓이다보면 그러한 편견을 조금이나마 바꿀 수 있을 것이라 생각한다. 혹시 위의 도서를 흥미롭게 읽었다면, 저자인 이강환 관장이 출연하는 팟캐스트 방송 [파토의 과학하고 앉아있네]을 들어보길 추천하며 도서 『빅뱅의 메아리』 에 대한 감상을 마친다. p.s. 관련 영상 ============================== 이 책에서 보여주고 싶은 바는 우리가 결과로 알고 있는 우주에 대한 지식들이 어떤 과정을 통해서 얻어졌나 하는 것이다. 과학에서 중요한 것은 결과보다는 과정이다. 과학의 신뢰는 결과가 어느 정도 믿을 만한가가 아니라 과정의 엄밀함에서 얻어진다. 이를 위해서 과학자들이 얼마나 많은 노력을 하는지 보여주고 싶었다. p 008, 009 과학 공부의 즐거움 책머리에 ============================== 빅뱅 우주론이라는 가설이 등장하면서 우주배경복사가 존재할 것이라는 예측을 하고 관측으로 이 가설을 검증하여 빅뱅 우주론은 과학 이론이 되었다. 더 많은 연구가 진행되면서 우주배경복사에 미세한 온도 차이가 있어야 한다는 예측이 나왔고 그 역시 관측을 통해 검증되었다. 그리고 다시 그 온도 차이가 특정한 패턴을 가져야 한다는 예측이 나왔고 또한 관측을 통해 검증하면서 동시에 우주의 물리량도 알게 되었다. 수많은 과학자들이 노력이 축적되면서 100년도 안 되어 우리는 우주에 대해 많은 사실을 알게 되었다. 하지만 모든 과학 분야가 그렇듯 우주에 대한 새로운 사실을 알게 될수록 더 많은 의문점이 생겨난다. 아마도 과학이 우주의 비밀을 모조리 밝혀내는 일은 영원히 일어나지 않을 것이다. 그렇기 때문에 과학은 겸손할 수 있다. 우주가 제시해주는 작은 단서들을 지금 사용할 수 있는 가장 합리적인 방법으로 분석하여 주어진 상황에서 최선의 답을 찾아내는 것이 가장 합리적이라고 여겨지며, 많은 사람들이 이러한 길을 배우고 싶어한다. 과학적인 방법을 배우는 가장 좋은 길은 과학을 공부하는 것이다. 이 책을 통해 조금이나마 과학 공부의 즐거움을 느낄 수 있기를 바란다. p 010 과학 공부의 즐거움 책머리에 ============================== 우주가 팽창하고 있다고 해서 우리가 사는 우리은하나 태양계가 팽창하는 것은 아니다. 우주의 팽창은 우주 전체를 보았을 때 1억 광년 이상의 규모로 일어나는 현상이고, 이보다 작은 영역에서는 그 부근의 중력이 더 큰 역할을 한다. 우주는 팽창하지만 우리은하와 약 250만 광년 떨어져 있는 안드로메다은하는 우리은하에서 멀어지는 것이 아니라 점점 더 가까워지고 있다. 두 은하 사이의 중력이 우주의 팽창 효과보다 크기 때문이다. 두 은하는 약 50억 년 뒤에는 충돌하기 시작해 하나의 거대한 은하가 될 것이다. p 024, 025 팽창하는 우주 과학이 된 우주론 ============================== 우리 우주가 어떤 물질로 이루어져 있으며 어떻게 상호작용하고 있는지를 설명하는 이론으로 입자물리학의 '표준 모형 Standard Model of particle physics'이 있다. 이 표준 모형은 이름 그대로 우리 우주에 있는 물질과 이들의 상호작용에 대해 거의 모든 것을 설명해주며 40년 넘게 무수한 실험적 검증을 통해 극히 정밀한 수준까지 확인되었다. 현재의 표준 모형은 우리 우주의 물질과 이들의 상호 작용을 모두 17 개의 기본 입자로 설명한다. 물질을 이루는 기본 입자인 6 종류의 쿼크 quark 와 6 종류의 렙톤 lepton, 4 종류의 힘 매개 입자 그리고 마지막으로 지난 2013년에 발견되어 노벨 물리학상의 주인공이 된 힉스 입자 Higgs boson 다. 이 중에서 우리가 보는 보통 물질을 구성하는 입자는 쿼크 중에서 업 up 쿼크와, 다운 down 쿼크 그리고 렙톤 중에서 가장 가벼운 렙톤인 전자 3 종류뿐이다. 나머지 입자들은 아주 특수한 조건에서 잠시 존재했다가 사라진다. 우리가 보는 모든 물질은 업 쿼크, 다운 쿼크, 전자 이렇게 단 3 종류의 기본 입자만으로 만들어진 것이다. 우주의 모든 보통 물질을 구성하는 이 3 종류의 기본 입자는 모두 빅뱅이 일어난 직후에 만들어졌다. 전자의 전하량을 -1 이라고 하면 업 쿼크의 전하량은 +⅔, 다운 쿼크의 전하량은 -⅓ 이다. 곧이어 2 개의 업 쿼크와 1 개의 다운 쿼크가 결합하여 하나의 입자가 만들어졌는데 전하량의 합이 1 이기 때문에 ※ (⅔ + ⅔ - ⅓ = 1) 이것을 양성자라고 한다. 그리고 1 개의 업 쿼크와 2 개의 다운 쿼크가 결합하여 또 다른 입자가 만들어졌는데 이 입자의 전하량 합은 0 이기 때문에 ※ (⅔ - ⅓ - ⅓ = 0) 중성자라고 한다. 이 과정은 빅뱅이 일어난 지 1 초가 지나기 전에 모두 이루어졌다. 우리 우주에는 현재 92 종류의 원소가 자연 상태에 존재하고 26 종류의 원소가 인공적으로 만들어져 총 118 종류의 원소가 있다. 이렇게 다양하지만 원소들을 이루는 재료는 양성자, 중성자, 전자 3 종류의 입자뿐이다. 원소의 알갱이 원자는 중심에 원자핵이 있고 그 주위에 전자가 분포하는 구조다. 원자핵에는 양성자와 중성자가 있다. 어떤 종류의 원소가 되는지는 원자핵 속에 있는 양성자의 수로 결정된다. 양성자의 수가 달라지면 다른 원소가 되는 것이다. 양성자의 수는 같고 중성자의 수만 다른 원소는 동위원소라고 한다. 동위원소는 양성자의 수가 같기 때문에 기본적으로 같은 종류의 원소다. 수소 원자는 양성자 하나와 전자 하나로 이루어진다. 빅뱅 직후에 만들어진 양성자는 그 자체로 수소의 원자핵이므로 당연히 우주에 가장 많이 존재하는 원소는 수소가 된다. 탄생 직후의 우주는 매우 뜨겁고 밀도가 높기 때문에 수소 원자핵이 핵융합 반응을 일으켜 헬륨 원자핵이 만들어진다. … 원시 핵융합 과정에서는 헬륨뿐 아니라 아주 적은 양의 리튬과 베릴륨도 만들어진다. 빅뱅 우주론의 가장 중요한 내용 중 하나는 원시 핵융합 과정에서 만들어지는 헬륨과 리듐, 베릴륨의 양을 정확하게 계산할 수 있다는 것이다. 빅뱅 우주론의 계산 결과는 전체 우주에 존재한는 원자들의 질량 75 퍼센트를 수소가 차지하고 24 퍼센트를 헬륨이 차지하고 있는 현재의 관측 결과와 잘 맞다. 뿐만 아니라 리튬과 베릴륨같이 소량으로 만들어지는 원소들 양의 계산도 놀라울 정도로 관측 결과와 일치한다. 나머지 1 퍼센트는 이후 별에서 만들어진 원소들이다. 원시 핵융합 과정에서 만들어지는 가벼운 원소들의 양에 대한 이론적인 계산과 관측 결과의 거의 완벽한 일치는 우주배경복사의 존재와 함께 빅뱅 우주론을 뒷받침하는 중요한 근거가 된다. p 067 ~ 070 혼돈의 시대 우주에 흩어진 빛 ============================== 38만 년 지속된 혼돈의 시대 동안 우주에 아무 일도 없었던 것은 아니다. 우주는 계속해서 팽창하고 있었고 그에 따라 온도는 점점 낮아졌다. 우주의 온도는 아주 단순한 법칙에 따라 낮아진다. 온도의 단위로 절대온도 K 를 사용하면 온도는 우주의 크기(길이) 반비례하는 관계식을 가진다. 우주의 크기가 2 배가 되면 온도는 절반이 되고, 우주의 크기가 10 배가 되면 온도는 10 분의 1 로 떨어진다. 우주가 팽창하긴 했지만 전체적인 모습은 크게 달라지지 않았다. 수소와 헬륨 원자핵 그리고 전자로 이루어진 플라즈마가 우주를 가득 채우고 있고, 여전히 빛은 뿌연 안개 속을 빠져나오지 못하는 모습 그대로였다. 하지만 팽창을 계속하던 우주에 어느 순간 극적인 변화가 생겼다. 팽창하면서 우주의 온도는 계속 낮아져 태어난 지 38 만 년이 지난 뒤에는 약 3000 K 가 되었다. 이 온도에서 일어난 극적인 변화는 그동안 독립적으로 움직이던 수소와 헬륨 원자핵이 전자와 결합하게 되었다는 것이다. 원자핵은 + 전하를 가지고 전자는 - 전하를 가지기 때문에 이들은 원래 결합하려는 성질이 있다. 하지만 높은 온도에서는 빛의 에너지가 너무 크기 때문에 결합했다가도 금방 빛고 충돌하여 부서져버리고 말았다. 그런데 온도가 3000 K 정도로 떨어지자 빛의 에너지가 약해져 결합한 원자핵과 전자를 떼어놓을 수 없게 되어 안정적인 원자가 만들어지게 된 것이다. 그동안 뿌연 안개에 싸여 있는 것과 같았던 우주가 갑자기 투명해지면서 드디어 빛이 자유롭게 이동할 수 있게 되었다. '태초의 빛'은 사실 우주가 태어난 지 38 만 년 뒤에야 나타난 것이다. 우주를 연구할 때 놀라운 일은 우주 초기의 특정한 시점을 우리가 아주 정밀하게 관측할 수 있다는 사실이다. 이 시점은 우주 탄생 38 만 년 후이고 우리가 정밀하게 관측할 수 있는 것이 바로 이 순간에 나타난 태초의 빛이다. 이 빛은 우리 우주 전체에 고르게 퍼져 있고 우주의 어느 방향에서든 볼 수 있다. 마치 우리 우주의 바탕처럼 보이기 때문에 이 빛을 우주배경복사라고 부른다. 영어로는 'Cosmic Background Radiation' 으로 흔히 CBR 이라는 약자로 쓴다. … 우주 탄생 38 만 년 만에 자유롭게 풀려난 우주배경복사는 그 이후 우리가 전파망원경으로 관측하기까지 138 억 년 동안 물질과 아무런 상호작용을 하지 않았다. 우리가 관측하는 우주배경복사의 빛줄기 하나하나가 138 억 년 동안 우주를 여행한 빛이라는 말이다. 38 만 년은 우리 기준으로는 상당히 긴 시간이지만 우주의 나이 138 억 년에 비하면 한순간이나 마찬가지다. 우리는 우주배경복사를 관측함으로써 우주가 막 태어난 직후의 모습을 볼 수 있는 것이다. p 073 ~ 075 태초의 빛 우주에 흩어진 빛 ============================== 양자역학의 가장 대표적인 이론 중 하나는 1927년 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크가 발표한 불확정성의 원리라고 할 수 있다. 불확정성의 원리는 입자의 위치와 속도를 동시에 알 수 없다는 것이다. 이는 우리가 입자의 위치나 속도를 측정할 때만 나타나는 현상이 아니라 입자가 가지는 원리의 성질이다. 불확정성의 원리는 에너지와 시간 사이에서도 성립된다. 시간의 간격이 짧아지면 에너지의 변화가 커지는 것이다. 시간 간격이 아주 짧으면 에너지의 변화가 아주 커져서 결과적으로 공간에서는 우리가 관측할 수 없을 정도로 짧은 시간 동안 가상의 입자들이 나타났다 사라지는 현상이 반복적으로 일어나게 된다. 이 현상을 '양자 요동 quantum fluctuation' 이라고 한다. 인플레이션 직전의 우주에서는 불확정성의 원리에 의한 양자 요동이 일어나고 있었다. 그런데 순간적으로 인플레이션이 일어나면서 작은 규모의 양자 요동이 급격히 커져 우주 전체적인 규모의 요동이 되어버렸다. 이 요동이 밀도의 차이가 되었고 이 밀도 차 때문에 우리가 지금 보는 은하와 별들이 만들어지게 된 것이다. 결국 우리 우주의 현재 모습을 만든 씨앗은 우주의 탄생과 거의 동시에 뿌려진 것이었다. 양자 요동의 규모는 너무나 작기 때문에 인플레이션을 도입하지 않으면 양자 요동이 우주의 현재 모습을 만드는 씨앗이 되는 과정을 설명할 수가 없다. p 089, 090 우주에 뿌려진 씨앗 우주에 흩어진 빛 ============================== 암흑물질은 전자기파를 방출하지 않기 때문에 관측되지 않고 중력 작용으로만 존재를 알 수 있다. 양성자와 중성자로 구성된 보통 물질과는 전혀 성질이 다르다. 암흑물질은 관측으로 분명히 존재하는 것이 확인되었을 뿐만 아니라 이론적으로도 존재 가능성이 예측된다. … 암흑물질은 빛과 상호작용을 하지 않기 때문에 빛의 방해를 받지 않는다. 그래서 밀도 변화가 만들어진 직후부터 중력에 의해 뭉쳐지기 시작할 수 있었다. 그러니까 암흑물질은 보통 물질이 뭉쳐지기 전에 38만 년 동안 미리 뭉치기 시작해 우주 구도의 뼈대를 만들어놓은 것이다. 보통 물질은 암흑물질이 이미 만들어놓은 뼈대를 따라 뭉쳐지기 시작했으므로 암흑물질을 고려하면 그렇지 않을 때보다 훨씬 짧은 시간에 은하와 별을 만들 수 있게 된다. 우주배경복사의 온도 변화가 당시의 관측 기술로 발견되지 않을 정도로 작은 이유가 설명되는 것이다. p 094, 095 우주에 뿌려진 씨앗 우주에 흩어진 빛 ============================== 우주배경복사는 우주 탄생 38만 년 뒤 이온으로 존재하던 원자핵과 전자가 결합하여 중성의 원자가 되면서 빛이 빠져나온 것이다. 이후 한참 동안 그 상태로 있던 원자들에서 다시 전자가 떨어져 나가 이온화된 때를 재이온화 시기라고 한다. 이때가 바로 우주 최초의 별들이 만들어진 시기다. 우주 최초의 별들은 질량이 매우 크고 뜨겁기 때문에 강한 자외선을 많이 방출한다. 이 자외선에 의해 수소 원자에 있던 전자가 떨어져 나가 이온화된 것이다. p 151, 152 새로운 관측 위성 빛이 그린 우주의 지도 WMAP ============================== 플랑크가 구한 우주의 물리량은 WMAP의 결과에 비해서 보통 물질과 암흑물질의 양은 약간 많고 암흑에너지의 양은 약간 적었다. 특히 우주의 나이는 138 억 년으로 계산되었다. 이것은 같은 해인 2013년에 발표된 WMAP의 최종 결과인 137 억 7 천만 년과 일치했다. 그래서 한때 137 억 년으로 알려졌던 우주의 나이는 138 억 년으로 수정되었다. 2009년 8월부터 2013년 10월까지 작동한 플랑크의 자료를 종합한 최종 결과는 2015년 2월에 발표되었다. 플랑크의 최종 결과를 한마디로 요약하면 기존의 우주론 모형이 옳음을 한 번 더 재확인했다는 것이다. 우주배경복사의 비등방성을 분석하는 우주론의 표준 모형은 공간적으로 편평하고, 차가운 암흑물질과 우주상수의 영향 아래 팽창하는 우주를 일반상대성이론으로 계산한 것이다. 플랑크의 최종 결과는 이 우주론의 표준 모형과 놀라울 정도로 일치하고, 여러 물리량의 오차를 크게 줄였다. 플랑크가 최종적으로 결정한 우주의 나이는 138 억 년이고, 암흑에너지의 비율은 WMAP의 71.4 퍼센트보다 약간 줄어든 69.2 퍼센트다. 암흑에너지의 비율이 줄어들었다는 것은 우주가 가속 팽창하는 속도가 더 작다는 것을 의미하므로 현재 우주의 팽창 속도를 알려주는 허블 상수도 WMAP의 71 km/s/Mpc 보다 조금 줄어든 67.8 km/s/Mpc 로 결정되었다. 암흑에너지의 비율이 줄어듦에 따라 암흑물질의 비율은 24 퍼센트에서 25.9 퍼센트로, 보통 물질의 비율은 4.6퍼센트에서 4.9 퍼센트로 약간 늘어났다. 이 값들은 현재까지 우주배경복사로 관측한 우주의 물리량으로는 가장 정확하다고 여겨진다. p 210, 211 플랑크의 결과 우주배경복사 끝장내기 PLANCK ============================== 우주배경복사의 편광은 최초의 별과 은하가 만들어진 재이온화 시기와 관련이 있는데, 이 부분은 현재 천문학에서 중요한 관심거리다. 2003년 WMAP 이 처음으로 편광 관측을 통해 측정한 시기는 빅뱅 약 2 억 년 뒤였다. 그런데 별이나 은하가 그렇게 일찍 만들어진 증거가 아무것도 없기 때문에 이 값은 상당히 의심을 받았다. 얼마 후 WMAP은 재이온화 시기를 빅뱅 약 4 억 년 뒤로 수정했다. 현재의 관측으로는 최초의 별들이 그 시기에 만들어졌기 때문에 일단 큰 문제는 해결되었다. 그런데 우주배경복사의 편광 관측으로 알 수 있는 재이온화 시기는 최초의 별이 처음 만들어진 때와 반드시 일치하지는 않는다. 우주배경복사에서 관측될 정도로 충분히 편광이 일어나기 위해서는 재이온화로 만들어진 전자가 꽤 많이 있어야 한다. 그러기 위해서는 별이 처음 만들어지기 시작한 뒤 어느정도 시간이 필요할 것으로 생각된다. 그러므로 WMAP이 수정해서 발표한 빅뱅 약 4억 년 후도 재이온화가 충분히 일어난 시기라고 하기에는 너무 이른 감이 있는 값이었다. 플랑크는 WMAP보다 정밀한 우주배경복사 편광 관측을 통해 재이온화 시기가 훨씬 더 뒤인 빅뱅 약 5억 5천만 년이라고 발표했다. 그런데 2016년 8월, 플랑크 자료를 더욱 정밀하게 분석한 결과 우주에서 재이온화가 충분히 이루어진 시기는 빅뱅 약 7억 년 후라는 사실이 밝혀졌다. 그러니까 최초의 별이 만들어진 것은 빅뱅 약 4 억 년 후지만 충분히 많이 만들어진 것은 빅뱅 약 7억 년 후가 되어서라는 말이다. 이는 초기의 별과 은하들이 만들어진 시기가 이전에 생각했던 것보다 더 최근임을 의마한다. 그렇다면 우리가 망원경을 통해서 초기의 별과 은하를 직접 관측하고 연구할 수 있는 가능성이 더 높아진다. p 213, 214 플랑크의 결과 우주배경복사 끝장내기 PLANCK ============================== 인플레이션 이론은 우주가 태어난 직후 우주 전체가 급격히 팽창했다는 것으로, 기존의 빅뱅 우주론이 해결하지 못한 몇 가지 문제를 해결하여 지금은 우주론 표준 모형의 일부로 인정받는다. 그런데 인플레이션이 일어난 결과로 볼 수 있는 간접 증거는 많이 있지만 인플레이션이 실제로 일어났다는 직접적인 증거는 아직 발견되지 않았다. 천문학자들은 그 증거를 우주배경복사의 편광에서 찾을 수 있을 것으로 기대했다. 인플레이션은 우주 전체의 시공간에 엄청난 충격을 준 것이기 때문에 시공간에 일종의 파동인 중력파를 만들어낸다. 중력파는 물질과 거의 상호작용을 하지 않기 때문에 직접 발견하기는 매우 어렵지만 우주배경복사에 남긴 흔적은 관측이 가능하다. 인플레이션 순간에 발생한 중력파가 왜곡시켜놓은 시공간을 우주배경복사가 통과하기 때문에 그 흔적이 우주배경복사에 남아 있게 되는 것이다. 이론에 따르면 인플레이션이 만들어낸 중력파는 우주배경복사에 원형의 편광 패턴을 만들어낸다. … 인플레이션에 의한 중력파가 우주배경복사에 어느 정도 규모의 흔적을 남길지에 대해서는 이론적으로 예측된 값이 있다. 정말한 관측을 통해서 예측된 값이 측정된다면 인플레이션 이론의 강력한 증거가 될 것이다. 그런데 만일 어느 수준 이상의 정밀한 관측을 통해서도 인플레이션의 증거가 발견되지 않는다면 더 흥미로운 결과가 될 수도 있다. 우주의 현재 모습을 올바르게 설명한다고 알고 있었던 인플레이션 이론이 잘못되었다는 말이 되기 때문이다. 만일 그렇다면 우리는 우주를 설명하는 새로운 이론을 찾아내야만 한다. 그답은 몇 년 안에 알게 될 것이다. p 215 ~ 219 우주배경복사와 인플레이션 우주배경복사 끝장내기 PLANCK ============================== 1929년 에드윈 허블이 우주가 팽창하고 있다는 사실을 발견하면서 현대 우주론이 시작되었다. 물론 그 전에 아인슈타인이 자신의 일반상대성이론을 우주 전체에 적용시켰고, 프리드먼이나 르메트르도 일반상대성이론을 바탕으로 우주가 수축하거나 팽창한다는 주장을 했지만, 우주가 실제로 팽창하고 있다는 증거가 발견된 것을 현대 우주론의 시작으로 보는 데는 큰 이견이 없을 것이다. p 223 우주론의 역사와 표준 우주 모형 연구는 아직 끝나지 않았다 ============================== 표준 우주 모형이 완성되는 과정은 과학 이론이 발전하는 모습을 잘 보여준다. 일반적으로 과학 이론의 구성은 가설, 예측, 검증으로 이루어진다. 자연에서 일어나는 현상이 관측되면 먼저 그 현상을 설명할 수 있는 이론을 가설로 세운다. 그리고 그 이론을 이용하여 새롭게 발견될 수 있는 현상을 예측한다. 그리고 예측한 현상이 실제로 관측되면 처음 세운 가설이 검증되어 하나의 과학이론이 된다. 현대 우주론은 우주가 팽창한다는 사실을 관측하면서 시작되었다. 이 관측 사실에서부터 시간을 과거로 돌리면 우주가 한 점에서 시작되었을 것이라는 빅뱅 이론의 가설이 만들어졌다. 빅뱅 이론은 우주가 한 점에서 시작되었다면 초기에 나온 빛이 우주를 가득 메우고 있을 것이라는 예측을 했다. 그리고 실제로 우주배경복사가 발견되면서 예측이 검증되어 빅뱅 이론은 과학적인 이론이 되었다. 한번의 검증으로 이론이 완성되는 경우는 별로 없다. 좀 더 많은 연구가 진행되면서 우주배경복사가 완벽하게 균일하지 않고 미세한 온도 변화가 있어야 한다는 새로운 예측이 제시되었다. 그리고 우주 배경복사의 미세한 온도 변화가 발견되면서 빅뱅 이론은 더 튼튼해졌다. 여기서 끝나지 않았다. 초기 우주의 물리적 과정에 대한 연구는 계속 이어져 우주배경복사를 이용하면 우주의 물리량을 알아낼 수 있다는 사실을 알게 되었다. 이를 위해서 우주배경복사를 더 정밀하게 관측할 필요가 생겼고, WMAP과 플랑크 위성으로 우주의 물리량을 자세히 알아낼 수 있었다. 그런데 과학 이론이 이렇게 가설, 예측, 검증의 순서로 순조롭게 이루어지기만 하는 것은 아니다. 가설에 기반한 예측을 검증하는 과정에서 전혀 예상하지 못했던 새로운 발견이 이루어지기도 한다. 1960년대 베라 루빈은 은하의 회전속도가 은하중심에서 멀어질수록 줄어들 것이라고 예측하고 속도를 측정했다. 그런데 결과는 예상과 달리 회전속도가 줄어들지 않는다는 것이었다. 이 결과는 기존 이론만으로는 설명되지 않았기 때문에 새로운 가설이 필요하게 되었다. 그리하여 은하에는 현재 우리의 관측 장비에는 검출되지 않고 중력으로만 작용하는 암흑물질이 존재한다는 가설이 나오게 되었다. 그리고 이 가설은 이후 여러 관측 자료로 검증되어 현재는 누구나 받아들이는 정설이 되었다. 1990년대에 초신성을 이용하여 우주 팽창 속도의 변화를 관측하던 천문학자들에게도 이와 비슷한 일이 있었다. 이들은 우주 내부에 존재하는 물질의 중력에 의해 팽창 속도가 느려질 것이라고 예측하고 우주의 팽창 속도가 과거에 비해 현재 얼마나 느려졌는지 알아보기 위해 멀리 있는 초신성을 관측했다. 그런데 결과는 역시 예상과 반대로 팽창 속도가 과거에 비해 빨라지고 있다는 것이었다. 이 현상을 설명하기 위해서 우주의 팽창을 가속하는 밀어내는 중력 이론이 필요하게 되었고, 암흑에너지라는 새로운 용어가 등장했다. 암흑에너지의 존재 역시 이후 여러 자료로 검증이 되어 암흑물질과 함께 현재 우주론의 표준 모형을 구성하는 일원이 되었다. p 226 ~ 228 우주론의 역사와 표준 우주 모형 연구는 아직 끝나지 않았다 ============================== 우주배경복사 관측을 통해 우리는 우리가 살고 있는 우주에 대해 많은 사실을 알아냈다. 하지만 연구는 아직 끝나지 않았다. 아직 알아내지 못한 많은 비밀이 우주배경복사 속에 숨어 있기 때문이다. 우주는 새로운 사실을 하나 알아낼 때마다 더 많은 새로운 의문을 만들어준다. 아마 우주뿐만 아니라 과학이 탐구하는 모든 분야가 그럴 것이다. 새롭게 생겨나는 많은 의문들은 지금 보기에는 도저히 해결될 듯싶지 않아 보이는 것이 많지만, 과학은 그렇게 보였던 많은 의문들을 해결하면서 지금까지 왔다. 과학은 정답을 찾는 것이 아니라 정답을 찾아나가는 과정이다. 지금 우리 앞에 새롭게 나타난 의문을 해결하면 다시 더 많은 의문이 나타날 것이라는 사실을 우리는 잘 알고 있다. 그것은 우리의 탐구를 멈추게 하는 장애물이 아니라 오히려 탐구 정신을 북돋는 원동력이 될 것이다. 인류가 살아온 길 자체가 언제나 새롭게 등장한 의문을 해결하는 과정이었기 때문이다. p 236 아직도 진실은 저 너머에 연구는 아직 끝나지 않았다 ============================== |
| 우주에 관한 책을 읽을 때마다 매번 막히는 부분이 '사건의 지평선'과 138억년을 달려온 우주배경복사에 관한 부분이었다. 나는 그것이 내가 제대로 이해를 못해서 가지는 바보같은 의문점이겠거니 하면서 거북한 기분으로 살아왔는데 이 책을 읽으면서 그것이 '우주의 지평선 문제'라는 사실을 알고 깜짝 놀랐다. 그리고 그것이 평소에 내가 이미 잘 알고 있다고 착각했던 인플레이션 우주론과 어떻게 관련이 있는 것인지도 더불어 알게 되었다. 즉 나는 인플레이션 우주론이 무엇인지는 알고 있었지만, 그것이 뜻하는 바가 무엇인지는 명확하게 인지하지 못했던 것이다. 그리고 등방성과 비등방성에 관한 이야기도 다른 책에서 여러번 읽고 어느 정도 잞 안다고 생각했는데 이 책을 읽고서야 많은 것을 이해하게 되었다. 특히 지구의 움직임으로 인한 우주배경복사의 비등방성과 초기우주에서 생긴 비등방성의 구분도 이 책을 통해서 처음으로 알게 되었다. 그렇다고 해서 내가 가진 모든 의문점이 다 해결된 것은 아니지만 어쨌든 이런 책을 써주신 저자에게 감사한다. 언제나 느끼는 사실이지만 우주는 알면 알수록 참으로 신비로운 것 같다. |
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이강환 박사님의 새책이 나왔습니다. 이 책은 우주배경복사를 찾는 과정을 다룬 내용입니다.우주배경복사의 중요성은 빅뱅 우주론을 증명하는 핵심 증거로 아는데.. 이 과정에서 과학적 흐름과 참여 인물들의 면면과 이야기를 소상히 밝혀주고 있습니다. 전파 망원경이나 그것으로 무엇을 관측해야 하는지.. 빅뱅우주론을 두고도 펼쳐진 여러가지 가설이나 논쟁이 어떻게 증명되고 허물어지고 하는 등등의 이야기가 대중을 상대로 소상히 설명됩니다 그런데 읽었는데 이해도가 떨어지는 것을 봐서는 다시 정독을 해봐야 겠습니다. 그런데 이런 거 읽어보면 한국이 노벨상 바라는 것은 어불성설인것 같습니다. 기초과학에 오직 진리의 탐구라는 측면에서 많은 연구자들이 막대한 예산 써가면서 연구하는데 고작 푼돈에 그것도 어디다 쓸건데라는 마인드로 과학을 대하면서 노벨상만 바라는 것은 대체 어디서 나온 발상인지.. 관심있는 분들은 참고하시기 바랍니다. |
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몇가지 점에서 저자는 기존의 천문과학책과 확실한 차별성을 제공하고 있다. 교양과학 서적의 지향점을 제시한 책이다 하나, 저자는 기존 교양과학서적이 갖고있던 강박관념(?) -독자에게 가능한한 많은 정보를 제공해야 한다는 -을 보이지 않는다. 교과서식 정보나열에 집중한 나머지 천문우주론의 경우 대부분 빅뱅이론, 우주의 탄생, 은하와 별의 생성에서 시작해서 상대성이론, 양자역학, 심지어는 끈이론 까지 수많은 주석이 따라 다니는 백화점식 상품나열에서 이 책은 조금은 벗어나있다. 또한 칼세이건의 코스모스이래 대부분의 천문학책이 모범처럼 따르는 우리는 어디서왔고, 누구이고, 어디로 가는가 ( D'ou venons nous? Que sommes nous? Ou alons nous?)의 형식에서 비켜서서 철학과 종교가 아닌 순수과학으로 천문학을 바라보고 이론의 정당화 과정을 우주배경복사라는 주제로 엮어낸 수작이다. 둘, 스토리텔링이다. 주인공은 우주배경복사다. 저자는 우주가 남겨놓은 그림자를 통해서 우주를 그려간다. 일반인보다는 호기심이 훠씬 커서 일생의 업을 우주연구을 보낸 과학자,공학자의 이야기, 그들이 수행한 프로젝트를 통해 인간의 우주에 대한 이해가 어떻게 바뀌여 왔고 가설과 이론이 관측과 실험을 통해 어떻게 입증되어 왔는지 차분히 설명한다. 저자는 독자를 가르치는 않는다. 지식을 화려하고 고압적으로 강의 하지 않는다. 그저 독자들에게 차분히 일관성있게 이야기를 들려준다. 지방방송은 아주 작다. 우주배경복사로 우주론 전체를 설명한다. 재미있다. 딱딱한 과학이 아닌 사람들의 이야기니까.
모든 과학이론은 실재여부와 별개로 인간의 의식을 말처럼 과학이론은 인간의 오감을 통해 세상을 설명하는 우리만의 틀일지도 모른다. 빅뱅의 실재여부는 지금 우리가 판단할수 있는 문제는 아니다. 다만 우리가 지금 가지고 있는 가장 적절한 우주설명 툴이라는 점을 저자는 이야기한다. 주입식이아니다. 물 흐르듯이 우리의 마음을 적신다. *책을 펼치면 매 페이지 아래부분에 조금은 여유있는 여백이 있다. 책장넘기기전에 생각의 짬을 만들어준다. 훌륭한 편집이다.
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