쾅 하는 큰 소리, 우주 탄생의 수수께끼, 수억 년에 걸친 많은 은하의 진화의 흔적이 있었다. 우주의 탄생에 대한 온갖 추측을 불러일으킨 충격적인 빅뱅 이론은 우리의 관찰과 일치했다.

그렇다면, 빅뱅 이론은 얼마나 사실일까? 설마 우주는 고대부터 존재해 왔단 말이냐? 그럼 먼저 우주에 무엇이 있는지 살펴볼까요?

밤이 되면 하늘에는 반짝이는 별이 가득하고 우리 은하계에는 수십억 개의 별이 흩어져 있습니다. 그러나 허블 우주 망원경의 도움으로 우리는 은하의 바다가 광활한 우주에 펼쳐져 있다는 사실에 놀랄 것입니다. 동시에 우리는 이 은하들이 우리로부터 떨어져 있는 거리를 측정하기 위해 여러 가지 실용적인 기술을 개발했습니다.

이를 위한 간단하고 효과적인 방법 중 하나는 허블 자신이 발견한 것인데, 은하에 있는 하나의 별을 보고 거리를 계산하는 것이다.

우리는 먼저 별에 대해 깊이 파고들어 별이 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다! 초기 별에서 변광성, 장엄한 초신성 폭발에 이르기까지, 그들은 모두 고유한 밝기와 관측된 밝기라는 한 가지 공통점을 가지고 있습니다. 따라서 별의 고유 밝기와 관찰된 밝기를 보면 밝기와 거리의 관계를 기반으로 별과 우리로부터의 거리를 계산할 수 있습니다.

또 다른 핵심 포인트는 도플러 효과로, 우리를 향해 움직이는 물체가 방출하는 빛이 스펙트럼의 파란색 끝으로 이동하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 은하의 스펙트럼 선을 측정함으로써 우리는 은하가 우리로부터 더 가까이 움직이고 있는지 멀어지는지 알 수 있고, 얼마나 빨리 움직이고 있는지 알 수 있습니다.

通過對星系距離與紅移關係的觀測，我們發現星系越遠，遠離我們的速度越快！或者說，越遠的星系紅移越大。哈勃本人當時並不清楚為何星系會相互遠離，但這個關係（即哈勃定律）現在我們知道，在宇宙的每個方向上，超過十億光年之外的星系都是適用的。這一發現足以否定一個永恆不變的宇宙模型。

그렇다면, 빛의 적색편이가 물체가 멀리 떨어져 있을수록 더 뚜렷하게 나타나는 것은 무엇일까? 이 현상 자체는 다음과 같은 여러 가지 가능한 설명으로 이어집니다.

빛은 시간이 지남에 따라 피로해지고 에너지를 잃습니다.

우주는 변동하고, 주기적으로 팽창하고 수축하며, 우리는 팽창의 시기에 있습니다.

빛의 속도나 중력 상수와 같은 우주 상수는 시간이 지남에 따라 변합니다.

우주는 새로운 물질의 창조와 함께 꾸준히 그리고 균등하게 팽창한다.

우주는 빠른 속도로 회전하고 있으며, 우리에게서 멀리 떨어진 은하계에서는 거대하고 관찰할 수 없는 평행 이동 운동이 있습니다.

이러한 이론들은 모두 원칙적으로 관찰에 의해 검증될 수 있는 서로 다른 현상을 예시하며, 이는 우리가 이러한 이론들을 구별하는 데 도움이 됩니다. 그러나 40세기의 0년대에 가모프와 그의 제자들인 알퍼와 헤르만은 평범하지 않은 이론을 내놓았다.

가모프의 빅뱅 모델, 그리고 그 예측들 중 몇 가지

가모프의 이론은 적색편이가 우주가 팽창하고 있다는 사실 때문이며, 과거에는 훨씬 더 빨리 팽창했다는 것이다! 우주는 시간이 지남에 따라 냉각되고, 팽창하고, 느려집니다.

이전의 이론들과 마찬가지로, 가모프의 이론은 몇 가지 놀라운 예측을 이끌어 냈다. 만약 우리가 시간을 거슬러 올라가 우주의 밀도와 온도를 점차 증가시킨다면 어떤 일이 일어날까?

사실, 우리가 충분히 멀리 거슬러 올라가면, 우주는 높은 온도 때문에 안정된 중성 원자를 형성할 수 없습니다! 그러나 팽창하는 우주에서, 한때 이온화된 원자였던 방사선은 이제 극도로 뜨거워지고 우주에 고르게 분포되어야 하며, 이러한 방사선의 파장은 마이크로파 대역으로 적색편이될 것이다. 더욱이, 이러한 잔류 방사선은 매우 특정한 유형의 스펙트럼, 즉 흑체 방사선 스펙트럼을 가져야 합니다.

儘管在20世紀40年代觀測手段尚顯落後，但伽莫夫的預測並未就此停步！

개별 원자에 대해 말하자면, 개별 원자핵은 어떻습니까? 어떤 면에서는 온도가 상승함에 따라 원자핵도 방사선 에너지에 의해 날아가는데, 그러한 높은 온도에서 우주는 단일 양성자, 중성자 또는 전자보다 더 복잡한 구조를 형성할 수 없습니다!

그러나 우리는 우주가 항상 팽창하고 냉각되고 있으며, 어느 시점에서 온도가 낮아짐에 따라 우주가 첫 걸음을 내딛는다는 것을 명심해야 합니다: 양성자와 중성자가 결합하여 중수소를 형성합니다. 또한 적절한 온도와 밀도에서 우주는 일정 기간 동안 간단한 핵융합을 겪었고 양성자와 중성자를 추가하여 더 무거운 원소를 만들었다는 것을 이해할 수 있습니다!

어쩌면 이것이 우주의 다양한 원소가 탄생한 방법일지도 모릅니다!

사실 과학자들이 빅뱅 이론을 포함한 우주 모형의 진실을 진지하게 고려하던 시기가 있었다. 이론은 가능한 사건을 예측하기 위한 도구이지만, 이론이 옳은지 아닌지는 어떤 이론이 가장 좋고 효과적인지 결정하는 데 도움이 될 수 있는 관찰 및 실험 데이터에 의해 뒷받침되어야 하기 때문입니다!

1964년 후, 일부 이론은 끝나기 시작했습니다. 왜? 이제 예측을 검증할 때가 되었습니다.

아놀드 펜지아스(Arnold Penzias)와 밥 윌슨(Bob Wilson)은 벨 연구소(Bell Labs)에서 혼 안테나를 사용하여 우주의 마이크로파 복사를 연구하고 있습니다. 그들은 은하계의 비행기에서 어떤 특별한 마이크로파 복사가 있었음에도 불구하고, 하늘 전체가 저온 소음으로 가득 차 있다는 것을 발견했는데, 이는 안테나 입에서 많은 양의 새 배설물을 청소하고 근처의 새들을 쫓아낸 후에도 지속되었다.

사실, 그들은 하늘에 스며든 저온 소음에 당황했고 그것이 무엇인지 몰랐습니다. 이것은 가모프(Gamow)가 예측한 빅뱅의 여운이다. 그러나 이 방사선의 스펙트럼은 어떠한가? 900년대의 COBE 임무와 WMAP과 플랑크 하늘 조사가 있기 전까지는, 마이크로파 복사의 정확한 측정을 통해 사람들이 실제로 확인되지 않았습니다!

빅뱅은 그 믿을 수 없을 정도로 그리고 논란의 여지가 없는 정밀도로, 하늘 전체에 고르게 분포된 우주 마이크로파 복사를 예측했다!

그리고 빛의 원소가 풍부하다는 예언은 어떠한가? 우리는 빅뱅이 대부분 약 3%의 수소, 0%의 헬륨, 소량의 중수소, 헬륨-0, 그리고 매우 적은 양의 리튬으로 구성된 우주를 형성할 것으로 예상한다. 마이크로파 복사의 스펙트럼에서 무엇을 볼 수 있습니까?

빅뱅 이론은 40세기의 0년대에 막 형성되고 있었지만, 그 예측력은 관측된 것들과 매우 일치한다! 일반 상대성 이론에 따르면 우리는 자기 단극, 우주 끈, 자기 도메인 벽, 우주 상수, 중성미자, 암흑 물질, 암흑 에너지, 공간 곡률, 원자 및 광자와 같은 우주의 거대 구조에 다양한 이국적인 물질을 추가할 수 있습니다. 이 모든 물질은 대규모 구조에서 매우 다른 관찰 현상을 생성합니다.

마이크로파 배경을 통한 방사선의 변동. 우리는 우주의 시작에 우주 상수를 가진 암흑 물질이 있었고 소수의 중성미자가 있었고 나머지는 주로 원자와 광자였다는 것을 발견했습니다. 이것은 빅뱅 이론의 예측과 일치한다.

어쩌면 빅뱅의 초기 조건들이 그렇게 많은 물질로 가득 찬 우주를 만들기 위해 미세하게 조정될 필요가 없었던 것일까? 우주에 있는 물질이 어디에서 왔는지는 무엇을 의미합니까?

이에 대한 해결책은 빅뱅을 촉발할 수 있는 우주 급팽창 이론(cosmic inflation theory)이다.

빅뱅 이론은 우주에서 가장 성공적인 이론이다. 그 과정에서 빛의 피로 이론, 호일의 정상 상태 이론, 앨빈의 플라즈마 우주론을 포함한 다른 모든 이론은 패배했습니다.

조심스럽게, 만약 확률이 주어진다면, 빅뱅은 우주의 시작부터 현재까지 9.0%의 확률을 가진다는 것이 정확하다. 그렇기 때문에 우리는 이 모든 것이 지구를 뒤흔드는 쾅 소리와 함께 시작되었다고 진심으로 믿습니다!