| 인플레이션 이론에 대한 설명(2:20~3:30)[1] |
1. 개요
Inflation Theory1980년대부터 주장된, 빅뱅 우주론에 더해서 우주의 초기 시절 우주가 급격히 팽창했다는 이론이다. 한국말로는 '급팽창 우주론'이라고도 한다. 부피가 적어도 1078배 팽창하였으며 10−34초에서 10−32초 사이에 이루어졌다고 한다[2]. 인플레이션 이론은 매우 매우 급속한 팽창을 가정하여 빅뱅 우주론의 문제를 해결하였고, 부수적으로 주목받지 않았던 다른 문제들도 해결하게 된다. 자세한 내용은 후술.
2. 원리
앨런 구스(Alan Harvey Guth)가 원래 주장한 인플레이션 이론에서는 우주가 준안정 상태인 가짜 진공(false vacuum)에서 시작한다. 가짜 진공은 지수함수적인 팽창을 일으켰고 이는 드 지터 우주(de Sitter universe) 모형으로 근사시킬 수 있다.[3] 가짜 진공은 진짜 진공보다 높은 에너지에 상태에 있었고 따라서 양자역학적 터널링 효과로 가짜 진공에서 진짜 진공으로 넘어가며 인플레이션이 종료되었다고 생각된다. 인플레이션이 끝나고 우주의 온도는 100,000배로 내려갔으며 그 후 우주는 다시 온도가 인플레이션 이전의 온도에 근접하게 올라가는 재가열 시대를 맞는다.구스가 주장한 원래의 이론은 관측결과와 잘 들어맞지 않는 문제점이 있었다. 구스의 모형에서는 동시다발적으로 다양한 곳에서 상전이가 일어나서 거품들이 경계선들을 만들어내고 지금과 같이 균질한 우주는 만들어지지 않게 된다. 이와 같은 기존 이론의 문제점을 보완하기 위해 나온 인플레이션 모형 중 하나가 안드레이 린데(Andrei Dmitriyevich Linde)가 주장한 혼돈 인플레이션(Chaotic Inflation)이다.
위 그림에서 인플레이션이 일어나는 영역은 A와 B이다. A 영역에서는 양자적 요동에 의해 영원한 인플레이션(Eternal inflation)이 발생한다. 그리고 그림에서 B 영역은 인플레이션이 일어나면서 인플라톤장의 크기가 줄어들고 C 영역에선 인플라톤장이 진동하며 재가열을 만들어내는 원인이 된다. 이 모형에서는 구스의 모형과 달리 인플라톤장이 경사면을 내려오면서 인플레이션에서 자연스럽게 벗어나게 된다. 그리고 혼돈 인플레이션 모형이 가지는 또다른 장점이 존재한다. 모형에 의하면 인플레이션이 일어나기 전의 우주는 충분히 커서 각기 다른 상태의 진공이 자리잡게 된다. 그 진공의 상태에 따라 어떤 영역은 인플레이션이 일어나고 어떤 부분은 인플레이션이 일어나지 않게 된다. 이 이론에서는 왜 우리 우주가 인플레이션을 일으키게 한 초기 조건을 가졌는지를 설명할 필요가 없다는 장점이 있다. 왜냐하면 수많은 영역 중 자연스럽게 인플레이션이 일어나는 영역이 존재하고 우리 우주가 존재한 영역도 있을 것이기 때문이다.관련 블로그논문
3. 빅뱅 이론의 문제점
인플레이션 이론의 등장 배경은 70년대에 개발된 대통일 이론과 관련되어 있다. 대통일 이론에 따르면 우주에는 수많은 자기 홀극이 존재했어야 했다. 그러나 자기 홀극을 발견하려는 모든 시도는 실패했고 사람들은 그 해답을 찾기 시작했다. 1980년 앨런 구스는 우주론에 존재하는 여러 문제들을 해결할 수 있는 인플레이션 이론을 발표했다. 그와 비슷한 시대에 러시아의 스타로빈스키(Alexei Starobinsky), 일본의 사토 가쓰히코 등이 비슷한 아이디어를 독립적으로 발표하였으며 그 후 여러 학자들의 기여와 관측 결과를 토대로 인플레이션 이론은 발전하게 된다.3.1. 지평선 문제
Horizon Problem우주배경복사는 어느 방향이든 온도가 거의 같다. 우주배경복사의 온도는 방향에 따라 100,000:1 의 차이만을 보이고 이는 18 µK에 해당한다. 이는 현재 관측 가능한 우주 내 영역이 열평형을 이룬 시점이 과거에 존재하였다는 것을 의미한다. 예컨대 뜨거운 물이 담긴 찻잔에 차가운 얼음을 집어넣는다면 얼음을 중심으로 열 교환이 이루어져서 결국에는 찻잔 내의 물은 열평형을 이루게 되는 것과 동일한 원리.(다시 말해 찻잔 속의 모든 지점의 온도는 동일하게 된다.)[6] 하지만 문제는 우주배경복사 당시의 지평선 거리[7]가 38만 광년에 불과하여 이보다 멀리 떨어진 두 지점의 우주 공간의 온도가 거의 차이를 보이지 않는 점을 설명하지 못한다는 것이다. 전통적인 빅뱅 우주론에서 우주의 반대편에 보이는 두 부분의 온도가 같다는 것은 불가능하다. 왜냐하면 정보의 교환(에너지의 교환)의 속도는 빛의 속도를 넘어설 수가 없으므로, 지평선을 넘어서는 거리를 사이에 둔 두 지점의 우주 공간은 한 번도 정보가 오간 적이 없는 곳이기 때문이다. 이렇게 빛의 속도를 넘어서는 두 지점 사이에서 열평형이 일어나는 것을 설명하지 못하는 빅뱅 이론의 문제점을 지평선 문제(Horizon Problem)라고 부른다. 빅뱅 초창기에 매우 작은 공간상에서 열평형 상태를 유지하던 우주가 급격하게 팽창했다는 인플레이션 이론을 가정하면 우주의 반대편이라도 원래는 매우 가깝게 붙어있던 곳이 되기에 온도가 같은 것을 설명할 수 있다.3.2. 평탄성 문제
Flatness Problem상대성 이론에 따르면 시공간은 다양한 곡률을 가질 수 있으며 우주가 평탄해야 할 하등의 이유가 없다. 게다가 평탄한 우주는 불안정하기 때문에 빅뱅 초기에 약간의 곡률만이 존재해도 순식간에 평탄성이 깨져 버린다. 하지만 관측 결과 우주는 현재까지도 매우 평탄한 상태를 유지하는 것으로 드러나 있다. 인플레이션 이론에 따르면 인플레이션에 의해 과거 존재했던 시공간의 굴곡이 희석되어 우리의 관측 범위 내에서 보이는 우주는 거의 평탄하게 되었다는 설명이 가능하다. 요컨대 우주가 너무 거대해졌기에 둥근 지구 위에 선 사람이 땅이 평평한 것으로 느끼는 것처럼 우주가 거의 평탄하게 보이게 되었다는 것.
3.3. 자기홀극 문제
Magnetic Monopole Problem대통일 이론에서는 빅뱅 초기와 같은 높은 에너지 밀도 상태에서 자기홀극이 생성될 것으로 예측하고 있다. 이에 따르면, 빅뱅 직후 생성된 무수히 많은 자기홀극이 일반 물질들의 밀도를 한참 압도할 정도의 양으로 우주를 가득 채우고 있어야 한다. 하지만 아직까지 자기홀극은 발견된 사례가 없다. 인플레이션 우주론을 받아들이면, 빅뱅 초기에 생성되었던 높은 밀도의 자기홀극이 인플레이션을 거치면서 희석되었다고 해석할 수 있다.
4. 현재
현재 우주배경복사 관측 자료 등을 통해 인플레이션 이론은 정설로 받아들여지고 있으며 구스는 노벨상이 예상되는 물리학자로 꼽히고 있다. 하지만 전혀 비판이 없는 것은 아니다. 아직도 많은 과학자들은 인플레이션 이론에 결함이 있다고 주장한다. 특히 급팽창이 일어나는 초기 조건에 관해서는 기존의 모델이 굉장한 무리수를 두고 있다고 지적한다. ## 또한 비교적 마이너에 속하긴 하지만 CCC 이론[8]과 같이 인플레이션 이론을 대체하는 이론도 제기되고 있으며 역시 계속해서 연구되고 있다.인플레이션 이론에 따르면 초기 우주의 급격한 팽창에 의해 발생한 원시 중력파가 우주배경복사의 편광 패턴에 흔적을 남겼을 가능성이 있다. B-모드 편광이라 부르는 이 신호는 일반적인 물질의 이동에 의해 발생하는 E-모드 편광과 달리 그 강도가 매우 약해 우주배경복사를 매우 정밀하게 관측해야 발견이 가능할 것으로 생각된다. 2014년 3월 17일에 우주배경복사에 남겨진 B-모드 편광이 BICEP2 실험에서 발견되었다는 발표가 있었지만# 추가 연구 결과 원시 중력파의 흔적은 아닌 것으로 밝혀졌다. 만일 B-모드 편광이 발견된다면 인플레이션이 실제로 일어났다는 가장 큰 증거가 될 수 있다.
[1] 쿠르츠게작트의 영상.[2] 맥스 테그마크의 이론을 소개하는 책 '맥스 테그마크의 유니버스'에서는 가장 유력한 급팽창 시나리오에 따르면 우주가 급팽창을 시작한지 약 100조분의 1조분의 1조분의 1초마다, 다시말해 10−38초(백 간분의 1초)마다 한번씩 우주 질량이 2배로 늘어나는 약 260번의 배증과정을 거쳐 급팽창 10−35초(천 구분의 1초)만에 관측 가능한 우주만큼의 질량이 생성됐으며 이는 빛이 양성자 크기보다 1조배 작은 거리를 가는데 걸리는 시간보다 짧다고 한다. 쉽게 말하자면 눈 깜빡이는 시간보다도, 빛이 바늘끝을 지나가는 시간보다 훨씬 짧은 순간에 빛보다 빠르게 급팽창이 발생했다는 것이다. 급팽창은 공간 자체가 초광속으로 팽창하는것이므로 물리법칙, 상대성이론에 위배되지 않는다.[3] 드 지터 모형은 윌렘 드 지터(Willem de Sitter)가 발표한 '아인슈타인 장 방정식'의 해이며 양의 우주상수를 가진 형태이다. 드 지터 모형은 시간과 공간의 평행이동에 불변이므로 시간이 지나면서 인플레이션에서 벗어난 우주는 드 지터 우주와 완전히 일치하는건 아니다.[4] 인플라톤 포텐셜이 [math(V(\phi) = \dfrac{1}{2}{m_\phi}^2 \phi^2)] 으로 주어질 때의 그래프이다.[5] 수학적으로 저 그래프를 표현하면 포물선이 된다.[6] 더군다나 실제 찻잔 속의 물조차도 이 정도로 정교한 균일성을 가지지는 않는다. 심지어 우주배경복사 발생 시점인 38만 년보다 더 이전의 우주는 100,000:1보다 더 균일한 상태였을 것으로 생각된다.[7] 우주의 나이만큼 빛이 이동할 수 있는 거리[8] 인플레이션 이론이 주장하는 것처럼 무(無)에서 빅뱅이 일어나 급팽창으로 현재의 우주가 만들어진 것이 아니라, 빅뱅 이전에도 우주는 존재하고 그 우주 안에서 빅뱅이 일어나 새로운 우주로 변하는 우주적 순환 과정이 계속해서 되풀이되고 있다는 이론.