1. 개요
宇宙論 / Cosmology우주의 기원과 진화 및 구조를 연구하는 학문이다.
2. 상세
고전적인 우주론은 형이상학이나 천문학의 영역에 속했으나, 아인슈타인의 중력방정식(일반 상대성 이론)이 나온 이후에 성립한 현대의 우주론은 보통 물리학의 하위 분과로 분류한다. 그렇더라도 천문학과 우주론은 아주 밀접한 관계임은 틀림없고, 천문학과에서는 보통 우주론을 학부과정에서 가르친다. 반면 물리학과에서의 우주론은 보통 대학원 과정에 속한다.[1] 사실 우주론이 물리학의 영역으로 편입된 것은 현대 우주론의 연구목표가 천문학적으로 관측 가능한 범위를 벗어나고 있기 때문이다. 고전 우주론 시대에는 우주에 대한 이해를 증진시키기 위해 망원경을 들고 천체의 운동을 관찰했지만 관찰을 통해 알 수 있는 범위 바깥(예컨데, 우주의 탄생에서 멸망까지의 변화라거나, 가시거리 바깥의 우주 등)에 대해 알기 위해서는 관측이 아닌 수학적/물리학적 모델에 의존할 수밖에 없는 것. 꼭 우주론 분야뿐 아니라 과학의 다른 분야에서도 연구분야가 실험이나 관측이 가능한 범위 바깥까지 확대됨에 따라 이러한 영역들이 깔때기에 빨려들어 물리학자들 뱃속으로 들어가는 경우가 적지 않다. 예를 들어 19세기 ~20세기 초반만 하더라도 기본입자에 대한 연구는 주로 화학의 영역이었지만(도스토예프스키의 작품을 보면 19세기 당시 과학의 각 분과 중에서도 화학이 어떤 위상을 가졌는지 쉽게 알 수 있다.) 이후 기본입자에 대한 연구가 원자 이하의 소립자 수준에 이르게 되면서 이 역시 물리학의 영역에 편입된 것.우주론은 전체 우주가 어떻게 탄생했고, 현재 어떻게 변화(진화)하고 있으며, 앞으로 우주의 미래는 어떻게 될 것인지에 대하여 연구하며, 이를 위해 물리학 이론을 이용하여 '우주 모형(모델)'을 만든다. 천문학자 (천체물리학자) 뿐만 아니라 입자이론 분야를 연구하는 이론물리학자들도 자연스레 우주론을 넘나들기도 한다.[2]
연구 분야 중에서 천문학자들과 물리학자들 간의 협력이 가장 활발하게 이루어졌고, 이루어지고 있는 분야이기도 하다. 일반적으로 천문학자들이 관측 결과를 내놓으면 물리학자들이 그에 맞는 우주론 모델을 개발하는 방식으로 진보가 이루어지고 있다. 그 반대의 경우도 있었다. 천체물리학자들의 노력 덕에 현대에 들어와서는 우주론의 많은 질문들이 풀렸으며, 현재 세계적으로 대다수의 연구가들에게 인정받는 우주론의 표준모형이 등장했다. 이걸 두고 혹자는 우주론은 그 역할을 다했으며, 이제 남은 것은 만물의 이론과 같이 우주 초기에 관한 문제나, 암흑에너지와 암흑물질의 정체와 같은 지극히 지엽적인 문제만이 남아있다고 보기도 한다. 그러나, 다중우주론과 평행우주론 그리고 차원론 같이 다른 공간이 있다고 하는 이론들의 증거가 등장하며 현대 우주론을 뒤집어 놓을 가능성도 충분히 존재한다. 참고로 19세기 말에도 맥스웰이 전자기학을 완성시킨 이후, 사람들은 "물리학은 이제 완성됐다"고 말했으나, 그런 말이 나온 뒤 얼마되지 않아 20세기에 상대성 이론과 양자역학이 등장하면서, "뉴턴이 틀렸다. 지금까지의 물리학이 무너졌다"는 소리까지 나오는 반전이 일어났다. 이후 뉴턴부터 맥스웰까지의 물리학은 고전물리학으로 불리게 되었고, 20세기 이후의 물리학은 현대물리학으로 불리게 되었다. 즉 현재 우리가 진리라고 알고 있는 지식이 앞으로도 영원히 진리의 자리에 있을 것이라고 장담할 수 없는 것이며, 감히 어느 누구도 "우주에 관해 다 알았다.", "이제 과학은(물리학은, 우주론은) 완성됐다" 등의 말을 할 수는 없는 것이다.
현존하는 학문 중 가장 스케일이 큰 학문 중 하나이다. 위에 '우주론 관련 둘러보기 틀'을 펼쳐보면 보이는 대부분의 내용이 우주론과 밀접하게 연관돼있거나 아예 속해있는 내용들이다. 이렇게 굉장히 있어 보이기 때문에 유사과학이나 종교가 많이 꼬인다. 프랙털 우주론이 대표적. 물론 진짜 우주론 학계에서는 그런 건 논의하지 않는다.
3. 역사
사전적 정의에 따르면 우주론은 우주에 대한 과학이다. 그러나 그 시초는 과학이 아니라 철학이었다. 철학이 정의한 우주는 모든 것을 포용하고 있는 공간이며, 일반적으로는 규칙을 가지고 있는 질서정연한 상태를 의미했다.[3] 그러나 아리스토텔레스나 프톨레마이오스의 철학에 의해 천동설이 서양에서 지배적인 우주론으로 자리잡게 된다. 하지만 그 후 코페르니쿠스가 땅 속에 잠들어 있던 지동설을 세상 밖으로 꺼내고 갈릴레이, 케플러, 뉴턴이 지동설을 단순하고도 완벽하게 다듬는데 성공하면서 패러다임의 전환이 일어나 지동설이 천동설을 밀어내고 서양의 지배적인 우주론이 된다.3.1. 천동설에 기반한 고대 우주론
프톨레마이오스가 발전시킨 지구가 우주의 중심이고 태양이 지구 주위를 돌고 있다는 우주론. 현재는 폐기된 이론이다.
3.2. 지동설에 기반한 근대 우주론
그로부터 한참 지난 초기 근대 때 철학자가 아닌 과학자들이 등장하고, 이론을 우주에 적용한 결과 지구가 태양 주위를 돌고 있음이 확립되었다. 코페르니쿠스와 갈릴레이가 기여했다. 케플러는 스승 티코 브라헤의 자료를 이어받아 케플러의 법칙을 확립했고, 뉴턴은 자신의 중력 이론으로 천체의 움직임을 계산했다. 이로써 근대 우주론이 확립된 것이다.3.3. 정상우주론
19세기 후반~20세기 초반 알베르트 아인슈타인이 특수 상대론과 일반 상대론에 관한 논문들을 발표함으로써 상대론적 우주론이 확립되었다. 그 시초는 올베르스의 역설과 같은 우주에 대한 깊은 물음이었고, 그에 대한 답은 중세시대에 완성된 이론들이었다.서로 멀어지는 은하들에 의해 생겨난 빈 공간을 같은 밀도로 채우기 위해 새로운 물질이 꾸준하게 만들어진다는 학설이다. 현재는 폐기된 이론이다.
3.4. 빅뱅 우주론
현재 가장 널리 인정받고 있는 우주론.
3.4.1. 인플레이션 우주론
빅뱅 우주론의 문제점을 해결한 것으로 평가받는 빅뱅 우주론의 보충격 우주론.
3.4.2. 등각순환우주론(Conformal Cyclic Cosmology: CCC)
영국의 수리물리학자 로저 펜로즈가 창안한 우주론. 이전 우주가 빅 프리즈로 멸망한 후 영겁의 세월 끝에 다시 빅뱅으로 새로운 우주가 생성되며 이 순환이 무한히 반복된다는 주장이다. 참고로 이것은 우주가 빅 크런치로 수축한 후 다시 폭발한다는 가설(빅 바운스)와는 다르다. 현재 관측되는 우주가속팽창으로 인해 빅 크런치는 큰 지지를 얻지 못하고 있으며, 노벨물리학상까지 수상한 펜로즈가 그 사실을 모를 리 없다.
대신 펜로즈는 무한하게 팽창하는 우주에서 다시 빅뱅이 일어날 수 있다는 매우 특이한 주장을 펼치는데, 상당히 어려운 내용이지만 대강 요약하면 영겁에 가까운 시간이 지나 모든 물질이 붕괴하고 질량을 잃는 순간이 오고, 바로 그 때의 우주 자체가 수학적으로 특이점과 같아진다고 본다. 이 때 우주 전체가 폭발하면서 영구적으로 재탄생한다는 것이다. 영문 위키백과를 같이 읽어봐야 한다.
상식적으로 이해하기 대단히 어려운 내용이라 본인도 이를 "이단적인 주장"이라고 표현한 바 있다. 그럼에도 우주에 대해 얼마나 다양한 주장들이 나올 수 있는지 가늠해볼 수 있는 가설이라는 점에서 흥미롭다. 아이작 아시모프의 1956년 단편 최후의 질문을 읽으면 쉽게 이해할 수 있다.
2018년, 펜로즈가 이끄는 연구팀이 우주배경복사에서 예전 우주의 블랙홀이 증발한 흔적을
4. 비주류 우주론
학계에서 유사과학으로 취급받거나 증거 부족과 그로인한 과학적 검증 및 검토의 대상이 되질 못하는 등 논란의 여지로 인해 가설의 영역에 머물거나 폐기된 우주론들이다.4.1. 수학적 우주 가설
MUH(Mathematical universe hypothesis)로 불리는 가설로 우주의 실체가 수학이라는 주장이다.
4.2. 홀로그램 우주론
4.3. 시뮬레이션 우주론
4.4. 프랙털 우주론
과학적인 우주론이 아니며 유사과학자들이 대중을 낚기 위한 떡밥으로 만든 개념. 라이프니츠의 모나드 이론과 일부 비슷하다고 여길 수 있으나 따지고 보면 모나드 이론과 다른점이 매우 많다. 주로 등장하는 것으로는 우주 거대 구조와 인간의 뇌 시냅스 구조가 비슷하다며 우리 우주가 어느 생명체의 몸 속일지도 모른다는 주장. 물론 이를 진지하게 연구하는 학자는 없다. 다만 이름만 같을 뿐 우주 거대 구조의 자기유사성을 진지하게 연구하는 학문이 존재하며 위 이론과는 전혀 관계가 없으니 혼동하지 말자.
4.5. 블랙홀 우주론(Black Hole Cosmology)
| Kurzgesagt의 영상 |
아주 간략하게 설명하자면 블랙홀의 크기를 알려주는 변수인 슈바르츠실트 반지름을 구하는 공식에 현재 관측가능한 우주의 크기 추정치를 계산해 보면 관측가능한 우주의 크기가 슈바르츠실트 반지름의 크기보다 훨씬 작다는 내용이다. 다른 말로 우리 우주는 블랙홀이 되기 충분한 밀도를 가진다.[4]
모우주에서 은하 중심부와 같은 초대질량 블랙홀이 생성되면서 아인슈타인-카르탄 중력 이론#에 의해 웜홀이 형성되었고, 그 웜홀로 매우 막대한 붕괴된 물질들이 급격하게 방출된 것이 빅뱅인데, 웜홀은 일반 상대성 이론에 따라 안정적으로 지속해서 존재할 수 없으므로 그 짧은 시간 동안 방출된 막대하지만 유한한 물질들이 우리 우주를 형성했다는 것이다. 이 이론은 빅뱅 = 화이트홀론과도 일맥상통한다.
아주 뜬금없지는 않은 게 이러한 가정을 바탕으로 시뮬레이션을 돌려보면 관측된 자료들과 90%쯤 되는 애매한 정도로 일치한다고 한다. 기존 빅뱅 모델이 더 정확도가 높기는 하지만.
또한 이 이론은 이 우주에 왜 인류가 존재하는지(인류 원리) 부분적으로 설명할 수 있는 장점이 있다. 만약 블랙홀이 하나의 우주라면, 그 우주 안에서 또다른 블랙홀(우주)가 생겨나고, 그 안에 또다른 우주가 생겨나는게 반복될 수 있다. 이를 위해선 우주의 물리 상수가 블랙홀을 만드기에 적절해야 하는데, 이 조건은 항성이 형성되고 붕괴하여 블랙홀이 생길때까지 충분히 오래 우주가 존재해야 할 것으로 추정된다. 특이한 점은 항성이 이렇게 오래 존재할 수 있는 우주는 생명체도 발달하기 좋은 조건이란 것이다. 자연 선택에 따라 블랙홀을 만들 수 있는 우주는 더 많은 블랙홀을 만들 수 있는 우주를 만들 것이며, 이는 생명체가 탄생할 수 있는 더 많은 우주가 생김을 의미힌다. 즉 우리 우주는 블랙홀을 더 만들기 위한 수많은 자연 선택 끝에 인류라는 지적생명체를 탄생시킬 정도로 생명체에 우호적이란 부수적 장점을 얻었다고 설명할 수 있다. #1 #2
4.6. 정적 우주론
알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 우주에 적용시킨 이론. 우주가 팽창한다는 사실이 드러나자 폐기됐다.
5. 교육과정 중의 우주론
5.1. 구 지구과학Ⅰ
천동설, 지동설, 티코 브라헤의 우주론에 대한 내용이 수능에 출제되었다.5.2. 통합과학, 지구과학Ⅰ
정상 우주론과 빅뱅 우주론, 인플레이션 이론과 가속 팽창 우주에 관해 우주론의 발전 과정을 중심으로 다루고 있으며, 그래프상의 비교를 위해 '닫힌 우주', '평탄 우주'도 같이 배운다.5.3. 지구과학Ⅱ
태양계 행성의 운동과 관련하여 고대의 천동설부터 티코 브라헤의 우주론, 갈릴레이의 천동설까지 우주론의 발전 과정을 다루고 있다.5.4. 천문학과
4학년 전공으로 다루며, 선수과목 역시 학부 교육과정을 거의 포함한다.[5] 미분기하학과 다양체의 개념에서부터 강의를 시작한다.물리 우주론에 대한 이야기가 주로 이뤄진다. 학부 수준에서 하기엔 다소 무리가 있으나 프리드먼 방정식을 포함한 일반 상대성 이론과 현대 우주론을 주로 배운다. 국내에는 실제 전공하는 교수의 수가 적다. 교재로는 Matt Ross, Andrew liddle 등을 사용한다.
Daniel Baumann의 케임브리지 대학교 수학과, 천문학과 석사과정 강의록 및 그를 기반으로 출판된 동명의 저서도 있다. 역시 일반 상대성 이론, 통계역학, 유체역학 등 여러 물리학 과목의 지식을 알고 있어야 수월하게 공부할 수 있지만 기본부터 차근차근 설명되어 있다.
6. 기타
가상의 판타지 및 SF 세계관에서 나오는 현실 우주에는 없는 고유한 외계 천체, 평행우주, 다중우주 그리고 차원, 사후세계, 정령계, 원소계 등등 형이상학적 장소들을 주제로 할때에도 쓰이는 용어이기도 하다[6]. 공식적으로 우주론이라는 단어를 쓰는 작품은 없다시피하고 일종의 팬덤 문화로써 동양보다 서양 포럼 사이트들에서 세계관 분석용으로 쓰인다. 문화, 사회, 역사적인 부분을 망라하기도 하는 세계관이라는 단어와 약간 차이가 있다.7. 관련 학자
- 스티븐 호킹: 블랙홀 이론과 일반 상대론 전문가. 논문(업적)을 보면 그의 명성을 이해할 수 있다. 그의 논문집은 책으로도 출판되었다.
- 안드레이 린데: 다중우주를 주장
- 앨런 구스: 인플레이션 이론 제안
- 알렉산더 빌렌킨: 다중우주를 주장
- 조지 엘리스: 수학자 겸 우주론 연구가
- 조지 가모프
- 스티븐 와인버그
[1] 다만 천문학과에서 가르치는 우주론은 주로 관측우주론으로 이론적인 디테일까지 가르치지는 않아 물리학과의 우주론보다는 난이도가 쉬운 편이다.[2] 대표적인 경우로 스티븐 호킹이나 로저 펜로즈가 있다.[3] 여기서 유래한 단어가 바로 영어 단어인 cosmos다.[4] 슈바르츠실트 반지름 식에 따르면 블랙홀 질량이 클수록 부피는 훨씬 늘어나 밀도가 줄어든다.[5] 미적, 선대, 일반물리, 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열통계역학.[6] 나무위키의 작품속의 우주론 항목으로는 드래곤볼의 우주, DC 유니버스, 마블 유니버스, 플레인(던전 앤 드래곤 시리즈)이 있다.