빅뱅 우주론은 죽음을 앞두고 있다 : 가장 골치 아픈 우주상수 문제 : 천문학-우주 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

천문학-우주

2024-09-20

빅뱅 우주론은 죽음을 앞두고 있다.

: 가장 골치 아픈 우주상수 문제

(How Big Bang Cosmology Might Die)

by Jerry Bergman, PhD

우주상수 문제 : 빅뱅 우주론은 이것으로 끝인가?

빅뱅 이론의 허풍

빅뱅 우주론(Big Bang cosmology)은 우주의 기원에 대한 설명으로 널리 알려져 있다. 예를 들어 10년 전인 2014년에 출간된 한 천문학 책 서론에서, 독자들은 "모든 것을 시작한 빅뱅(Big Bang, 대폭발)과, 그 모든 것을 끝낼 수도 있는 빅 크런치(Big Crunch, 대함몰)에 대해 배울 수 있다"고 말하고 있었다.[1] 저자는 '빅뱅'이라는 제목 아래 "원자의 가장 작은 부분부터 전체 은하에 이르기까지, 우주는 존재하는 모든 것"이라고 언급하며 다음과 같이 설명하고 있었다 :

한때 아무것도 없었다. 그리고 다음 순간에, 오늘날 우주에 있는 모든 물질을 담고 있었던, 작고 믿을 수 없을 정도로 밀도가 큰 뜨거운 공(ball)이 있었다. 그리고 잠시 후, 역사상 가장 큰 폭발인 빅뱅으로 우주가 존재하게 되었고, 생명체가 시작되었다. 아무도 왜 이 모든 것들이 시작되었는지 잘 모르지만, 과학자들은 이 모든 것들이 작고 믿을 수 없을 정도로 뜨거운 공에서 시작되었다고 생각하고 있다.[3]

"중력은 물체들을 끌어당기는 대신 매우 이상하게 행동했고, 그것은 물체들을 산산조각냈고, 우주는 엄청난 속도로 팽창했다. 순식간에 그것은 은하보다 더 커졌다.[4]

우주가 팽창함에 따라, 그것은 냉각되었고, 에너지와 물질의 작은 입자들이 나타나기 시작했다. 이 입자들은 밀도가 높고 엄청나게 두꺼운 수프를 형성했다. 초기 우주를 구성했던 이상한 수프는 물보다 5조 배 더 두꺼웠다. 약 3분 후, 중력이 지금처럼 행동하면서 물체들을 한데 모으기 시작했다. 입자들이 결합하여 원자들을 만들고, 원자들이 결합하여 수소와 헬륨과 같은 가스를 만들었다. 가스는 구름으로 뭉쳐졌다. 수억 년 후, 이 구름들은 별과 은하를 형성하기 시작했다. 이 은하들은 성단과 초은하단으로 합쳐졌고, 훨씬 후에 태양과 태양계가 형성되었다."[5]

잠깐만!

이러한 설명은 위의 이야기와 관련되어 유력한 우주론자들이 갖고 있는 주요한 의문점들 대한 힌트를 제공하지 않는다. 내가 이전에 문서화했듯이, 현대 우주론, 특히 빅뱅 우주론에는 주요한 문제점들이 존재한다.[6] "허블 텐션(Hubble tension, 허블긴장, 허블갈등), 평탄성 문제 등과 같은 골치 아픈 것들은 우주론적 모델들이 직면한 가장 큰 문제들이 아니다. 모든 문제들 중에서 가장 골치 아픈 문제는 우주상수 문제(cosmological constant problem)이다."[7]

우주상수는 물리적 측정에 의해 결정된 방정식들이 현실에 들어맞도록 추가되는 값이다. F = G × (m1×m2/r^2) 식에서 대문자 G로 표시되는 중력상수 6.67430(15)×10^-11가 그 예이다. 공식은 두 물체의 질량 값과 그들 사이의 거리에 따라 힘(F)의 값을 정확하게 산출해낸다.

많은 우주상수들이 존재한다. 이 경우에서 우주상수 문제는 진공에너지 밀도의 관측값과 양자장 이론(quantum field theory)이 예측하는 훨씬 큰 값 사이의 상당한 불일치와 관계되어 있다.

문제는 우주상수에 기여하는 진공상태에서 계산된 에너지가 실제 관측된 것보다 50배에서 많게는 120배까지 더 큰 것으로 계산된다는 것이다.[8] 이 문제를 해결하기 위해 노벨 물리학상을 수상한 스티븐 와인버그(Steven Weinberg) 교수는 마커스 초운(Marcus Chown)이 "절망적 설명(desperate explanation)"이라고 불렀던 것을 제안했다. 구체적으로 그는 우주상수 값이 우주의 여러 부분에서 다를 것이라고 제안했다. 대부분의 지역에서 우주상수는 너무 커서 "물질을 폭발시켜 은하와 별이 형성되는 것을 막을 것이다"라고 말했다.[9] 우리는 우리가 있는 우주의 부분에서 우주상수가 충분히 작다는 것을 알게 된다. 왜냐하면 우리가 있는 우주의 부분에서는 은하와 별들이 있기 때문이다. 따라서 우주상수는 우리가 있는 우주의 부분에서는 다름이 틀림없다. 이는 우주의 다른 부분에서 빛의 속도가 다르다고 주장하는 것과 같다. "어떤 영역에서는 초속 186,282마일이고 다른 영역에서는 초속 896,367마일이다"라고 설명할 수 있다. 이는 특별한 변론의 경우로서, 분명히 기각될 것이다.

우주상수 문제에 대한 우주론자들의 반응은

와인버그의 해법에 만족하는 사람은 거의 없기 때문에, 우주론적 문제는 물리학 역사상 예측과 관측 사이의 가장 큰 불일치를 나타낸다. 이전의 가장 큰 관심사는 전자가 어떻게 원자핵 안에서 나선형으로 돌기 전에 원자를 공전할 수 있는가 하는 것이었다. 이론은 원자가 순식간에 붕괴되어야 한다고 예측했지만, 원자는 우주의 나이 동안 지속되어 온 것으로 알려져 있다. 그 불일치는 1920년대에 혁명적인 새로운 이론인 양자 이론(quantum theory)에 의해 해결되었다.[11]

초운은 다음과 같이 결론짓는다

우주상수 문제를 해결하려면 물리학의 혁명이 필요할 것이다. 구체적으로, 양자 이론과 아인슈타인의 중력 이론을 통합하는 이론이다. 양자 중력(quantum gravity)이라고 불리는 그러한 이론은 지금까지 이해하기 어려운 것으로 판명되었다. 우주론이 정말로 위기에 처해 있는지에 대해서, 배심원들의 판단은 아직 결정되지 않았다. 조셉 실크(Joseph Silk) 교수와 같은 이론가들은 회의적이다. 다른 사람들은... 새로운 물리학에 감히 희망을 걸고 있다. "향후 수년 이내에, 우리는 표준 우주론 모델을 배제하고, 우주에 있는 물질/에너지의 본질과 그에 작용하는 힘에 대해 새로운 것을 배울 수 있을 것이다."[12]

결론

위에서 인용한 ‘멋진 우주에 관한 책(The Awesome Book of the Universe)’과 같은 많은 천문학 책에서 주는 인상은 빅뱅 우주론은 증명된 과학이며, 우리가 해야 할 일은 중요하지 않은 사소한 세부 사항들을 알아내는 것뿐이라는 것이다. 그러나 위에서 언급한 선도적인 우주론자들의 인용문에서 분명히 알 수 있듯이, 이것은 전혀 그렇지 않다. 현대 빅뱅 우주론은 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 그의 책 '빅 퀘스천에 대한 간결한 대답(Brief Answers to the Big Questions)'에서 주장한 것과 대조적으로, 빅뱅 이론에 대한 전통적인 견해가 커다란 문제에 처해 있음을 인정하고 있다. 호킹은 빅뱅 우주론에 전념했지만, '끈 이론(string theory)'이라고 불리는 매우 다른 메커니즘을 옹호했는데[13], 이 주제는 다른 기사에서 살펴볼 것이다.

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References

[1] Paiva, J., The Awesome Book of the Universe. Flowerpot Press, Franklin, TN, p. 3, 2014.

[2] Paiva, 2014, p. 5.

[3] Paiva, 2014, p. 6.

[4] Paiva, 2014, p. 7.

[5] Paiva, 2014, p. 7.

[6] Bergman, J., “Big holes exist in modern cosmology: Leading cosmologists admit major problems with orthodox cosmology.” Cosmic Tension: Modern Cosmology Has Big Holes. Leading cosmologists admit major problems with orthodox cosmology. https://crev.info/2024/07/hubble-tension/. 2024.

[7] Chown, M. “The cosmological constant problem.” BBC Science Focus Magazine, pp. 62-67, 14 May 2024.

[8] Adler, R., et al., “Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem.” American Journal of Physics 63(7):620–626, 1995.

[9] Chown, 2024. P. 66

[10] Chown, 2024, pp. 66-67.

[11] Chown, 2024, p. 67. Emphasis added in quotes.

[12] Chown, 2024, p. 67.

[13] Hawking, S. Brief Answers to the Big Questions. Bantam Books, New York, NY, 2018.

*참조 : 심각한 결점들을 가진 현대 우주론

https://creation.kr/Cosmos/?idx=54488286&bmode=view

빅뱅이론에 반대되는 증거들 목록

https://creation.kr/Cosmos/?idx=1294042&bmode=view

빅뱅 우주론은 여전히 위기에 처해 있다 : 은하들의 거대한 고리, 별들의 흐름, 초확산 왜소은하....

https://creation.kr/Cosmos/?idx=17927859&bmode=view

우주의 급팽창 : 정말 있었나?