빅뱅 이후『최초의 3분』읽기-2(제2판 검토)

와인버그는 『최초의 3분』초판(1977년)이 나온 뒤 16년 만에 제2판(1993년)을  
출판하면서 “2판 후기: 초판 이후 우주론의 발전”을 추가하고, COBE, 
암흑물질, 진공 에너지 그리고 인플레이션과 관련하여 새로운 이론
들과 새로 발견한 사실들을 소개했다(필자 주: 이 부분은 현대 우주론과 과
학적 유신론을 이해하는데 매우 중요하므로 비교적 상세하게 정리했다. 또 제2판 
이후에 발견한 사실은 역자가 보충 설명한 것들을 그대로 인용해놓았다. ) 

 

(1) 허블 상수 측정에 대한 값(km/secMpsc, +1Mpsc=326aks 광년)이 
80km인지 또는 40km인지 결정하는 문제가 허블 우주망원경의 고장
으로 해결하지 못했다. 허블상수는 은하의 팽창속도 및 우주의 크기
와 나이를 계산하는 기본 수치이다. 그러므로 이 문제는 이런 계산에 
두 배의 불확실성을 초래한다. (역자는 허블우주망원경이 수리되어 측정값
이 72±7km로 결정되었다고 보충 설명하고 있다). 
(2) 탐사위성 COBE의 탐지에 의해 우주 배경복사의 세기가 오차 
1,000분의 1 내에서 흑체복사 온도 2.735K의 분포와 일치한다는 사
실과 이 복사가 빅뱅 후 약 100만년 후의 물질로부터 남겨진 잔해라
는 이론과 일치함이 확인되었다. 

(3) 1992년에 COBE 위성의 과학자들이 우주 배경복사에서 약간의 
잔물결과 같은 비등방성을 발견했다. 이러한 잔물결은 우주 탄생 후 
약 100만 년 후에 물질 덩어리가 준 중력장 효과로 믿어지고 있다. 
(4) 은하의 질량은 중심에 몰려 있는 것이 아니라, ‘보이지 않는’ 암
흑물질의 형태로 ‘후광’처럼 은하의 주변에 퍼져있다. 
(5) ‘핵자당 광자수’라는 단 하나의 매개변수 값으로 수소와 헬륨뿐
만 아니라, 이들의 동위원소인 이중수소(H²) 및 헬륨3(He³), 그리고 리튬7(Li⁷) 등

원소의 현재 존재비와 최초의 3분의 존재비도 설명할 수 있게 되었다. 

(6) 입자-반입자의 대칭성의 깨짐으로 살아남은 바리온과 렙톤의 
보존 수는 10억에서 100억분의 1정도라는 이론은 현재 우주에서의 
관측과 부합한다. 이 대칭성의 깨짐은 우주의 온도가 10²³K였을 때라 고 

생각되었으나, 최근에는 1016K에서도 가능한 것으로 나타났다.
(7) 우주가 팽창함에 따라 임계값에 대한 질량밀도가 변하게 되는
데 100억 년이 지난 현재에도 질량 밀도는 10분의 1정도이다. 이것은 
초기(빅뱅 후 몇 초) 임계값이 질량밀도와 정확히 같았다고 가정하지 않
는다면 이해하기 어렵다 1992년 관측 자료는 우주의 감속이 임계질
량을 가졌다고 가정할 경우와 가까운 수치를 주었다(필자 주: 최근 자료
에 의하면 우주는 가속팽창하고 있으며, 질량밀도는 1.012±0.02이다).
(8) 어떤 입자와 그 반입자의 쌍소멸률을 알면 우주의 질량을 계산
할 수 있다. 그러나 현재 우주에서 발견된 보통물질만으로는 질량에 
대해서 충분히 설명할 수가 없다. 그동안 숨은 질량을 채워주는 가상
입자가 등장했으나 아직 발견된 것은 없다. 

 

(9) 숨은 질량의 마지막 후보는 양자장론에서의 빈 공간의 성질
에 관련된 것이다. 양자장론에서 진공은 전자기장을 비롯한 다른 장
들의 끊임없는 요동에 의해 엄청난 양의 에너지를 받는다. 일반상대
성이론에 의하면 공간에 퍼져있는 질량분포가 중력장을 만들어내듯
이, 이 진공에너지도 동일하게 중력장을 만들어낸다. 양자요동에 의
한 진공의 질량밀도는 아인슈타인의 1917년 장방정식에 도입한 우주
상수와 같은 역할을 한다. 아인슈타인은 정상우주론을 지지하는 우
주상수를 철회했지만, 양자요동에 의한 진공의 질량밀도를 계산하기 
위해 추가할 수 있다. 다만 소수점 이하 120자리에 이를 정도의 정밀
도가 요구된다. 
(10) 도대체 우주상수가 왜 그렇게 정밀하게 조정되어야 한단 말인
가? 아직 아무도 우주상수를 결정하는 원리를 알아내지 못했다. 그러
나 물리학의 기본법칙에 의해 금지되지 않는 항은 실제로 있을 가능
성이 크다.
(11) 양자우주론은 우주상수가 지능을 가진 생명체의 존재를 허용
하는 값을 가져야 한다는 인류적 원리(또는 인본원리)를 제공한다. 보통
물질은 우주가 팽창하면 밀도가 내려가지만, 진공에너지 밀도는 일
정하다. 임계질량의 대부분이 진공에너지로부터 왔다고 하면, 오래
된 별들이 우주보다 더 나이가 많다는 모순을 없앨 수 있다(역자는 현재 
우주의 질량밀도 70% 이상을 진공에너지가 갖고 있는 것으로 판명되었다고 

말한다).

 

(12) 우주가 몇 차례 상전이를 겪으면서 팽창하고 식는 동안 공간에 
퍼져 있는 여러 장들은 갑자기 자신들의 값을 바꾸게 된다. 여기에 기
초한 인플레이션 이론은 빅뱅우주론이 가지고 있던 문제 몇 가지를 
해결했다.

(13) 꽤 많은 인플레이션 우주론의 변종들이 나타났다. 한 이론은 
인플레이션이 상전이의 시간차 때문에 일어나는 것이 아니라, 공간
의 어느 한 부분에만 크게 일어난 양자요동이 그 부분을 엄청난 크기
로 팽창시키기 때문이라고 한다. 크게 팽창한 부분은 새로운 우주를 
만들어냈고, 우리우주는 그렇게 만들어진 부분 우주의 하나일지도 
모른다. 배경복사의 불균질성의 분포를 관측한 결과는 인플레이션 
우주론의 예측과 일치함이 보였다(2002년 WMAP: 역자 주). 

 

(14) 약력을 전달하는 W와 Z 보손입자를 1983년에 발견함으로써 
전자기약력과 강력에 대한 원자의 포준모형에 대해 심각한 의심은 사
라졌다. 강력 이론의 발전은 앞에서 말했던 최고온도 2조K를 무효화
시켰다. 이제 초기 물질의 설명에 관해서는 중력이 다름 힘과 같은 정 도로 강해지는 

1032K에까지 가능하다. 현대 끈이론의 최대온도도 이 부근일 것이다.
(15) 수천 개의 끈이론이 등장하고, 어떤 끈이론이 더 좋은 것인지
도 모르고 있다. 우리의 진정한 문제는 우주의 시작이 있었느냐가 아
니라, 우주의 시공간이 더 이상 의미를 갖지 않는 조건에서 자연을 이
해하는 것일 수도 있다(역자는 1995년에 궁극적으로는 모든 끈이론들이 M이
론의 다른 면모라는 견해를 소개하고 있다-필자 주: 우리는 뒤에 M이론을 다루게 
될 것이다).