[철심장]우주론 강의(1)-요약:시작부터 빅뱅이론까지.. 물리학교실-특수,일반상대성이론





안녕하십니까? 물리학성 철심장입니다, ^^
이번엔 우주론에 대해 소개해볼까합니다, 우선 우주론 서론입니다,













1. 우주론은 다음과 같은 아인시타인의 일반상대성이론의 중력장 방정식 발표로 시작되요

그런데 위의 방정식에 따르면 우주가 자꾸 팽창하게 되요,,,

그래서 아인시타인 당시에는 우주가 팽창한다는 사실을 몰랐으니까 억지로 식에 우주상수 λ(람다) 첨가해서 정적인 우주를 만들어요. 아인시타인우주라 부리는 정적 우주죠.


2. 그런데 바로 얼마뒤 드래곤볼 베지터가 아닌 지터가 변칙적인 방법으로 중력장방정식을 풀어요. 슈바르츠 쉴트에 이어 두번째로 다음과 같은 중력장방정식의 해를 발견한 것이죠,

바로 드 지터의 해여요.(맨끝에 수식이 깨졌는데 d파이 제곱이예요)
근데 이 식의 결과가 물질이 없는 우주가 있을 있고 게다가 그 놈이 팽창한다는 결과가 나와요.

여기서 물질로만 이뤄진 아인시타인우주와 물질이 없이 운동으로만 이뤄진 드 지터 우주가 대립하게 되죠

그러자 이 둘을 관계(?)를 맺어줄 수는 없을까? 하는 시도들도 나와요,,,

그게 이른바 아인시타인-드지터 우주죠,

드 지터 우주는 팽창하는 우주를 보여주지만 이때까지만 해도 과학계에는 정적우주론의 독존의 시대였어요

3. 그러나 얼마후 프리드만, 로메트로, 로버트슨 등이 각자의 연구를 통해 팽창우주론을 주장하게 되요. 먼저 프리드만이라는 러시아의 천재 기상학자(물리학자가 아님)가 로버트슨-워커 선요소를 아인시타인의 중력장방정식에 적용해 우주방정식을 만들어내요...이른바 프리드만 방정식!




제1,제2 프리드만 방정식으로 우주는 수축하는 우주, 가만있는 우주, 팽창하는 우주가 있음을 이 식으로 보여주죠.

4. 한편 로버트슨과 워커라는 학자는 후에 프리드만-로버트슨-워커 계량(FRW)이라 불리는 균일하고 등방적인 우주를 보여주는 로버트슨-워커 계량을 완성시켜요






위 식이 바로 로버트슨-워커계량인데 우주론에서 중요한 식이라 소개한 것이니 기억해두세요.

5.같은 시기에 1927년 벨기에 신부님이자 물리학자였던 로메트르라는 신부가 제목부터 엄청나게 긴 < 일정한 질량을 갖지만 팽창하는 균등한 우주를 통한 우리 은하밖의 성운들의 시선속도의 설명>이란 논문을 프랑스어로 발표하면서 우주는 초기에 점에서 시작했을 있다는 주장을 해요. 사실상 처음으로 이른바 팽창우주론의 시작이죠.

심지어 이 논문에서 허블보다 먼저 허블의 법칙과 허블상수까지 유도해내요,,,

(그런데 왜 허블법칙을 르메트르법칙이나 르메트르상수라고 안하는지 좀 의아해요..미국의 힘에 밀린 불쌍한 벨기에의 르메트르...)

결국 이때까지 정론으로 여겨졌던 정적우주론에 팽창우주론이 도전장을 내밀기 시작한 거예요

아인시타인은 로메트르의 논문을 접하고 "당신의 계산은 맞지만 당신의 주장은 말도 안된다"며 부정하죠. 이에 반해 에딩턴은 로메트르를 극찬해요

6. 드디어 운명의 해,1929년 천문학자 허블은 안드로메다은하가 외계은하라는 사실을 밝혀내며 내친김에 40여개의 은하를 관측하다가 우주의 적색편이현상을 발견해내요,

즉, 멀리있는 우주일수록 빠르게 팽창하고 있음을 밝혀낸 것이죠. 이를 허블의 법칙이라고 해요

이 결과로 팽창하는 우주론이 입증됨과 동시에 그동안 물리학계를 재패해왔던 정적우주론은 사망을 고하게 되요. 왕국의 종말이죠,​

7.허블의 법칙과 로메트르 신부의 주장을 기초로 드디어 빅뱅론의 아버지라고 불리는 조지 가모프가 우주는 점에서부터 폭발해 팽창했다는 빅뱅론을 구체적으로 주장하게 되죠. 유명한 알파베타감마논문에서...^^ (논문이름을 알파베타감마로 하기 위해서 연구에 참여하지도 않은 단지 이름이 베타로 시작하는 조교를 공동저자로 집어넣었다고 하죠~ㅋㅋ )

8.그러자 한쪽에서는 이에 반발하여 영국의 케임브리지의 F.호일,허먼 본디,토마스 골드라는 학자들이 뭉쳐 빅뱅우주론에 대항하여 정상상태우주론 주장하게 되는데정상상태우주론은 우주가 팽창하며 끊임없이 새로운 물질이 자동으로 만들어져서 우주에 채워진다는 다소 웃기는 학설이죠.

9.그런데... 펜지아스와 윌슨이라는 기술자들이 우연히 에코위성의 반사전파를 연구하다가 지워도 지워도 안없어지는 잔존전파,즉 우주배경복사로 알려진 것을 발견해요. 그리고 결과는 빅뱅론이 에측하는 결과와 정확히 일치해요..

빅뱅론에 의하면 빅뱅후 약 38만년까지 빛과 전자가 뒤섞여 빛이 방출되지 못하고 있다가 우주가 약 3000도까지 식자 전자가 원자핵과 결합해 원자가 탄생되면서 전자에 잡혀잇던 빛이 비로소 탈출해서 우주끝으로 뻗어나가요

그때 뻗어나간 빛이 점차 어두워지고 식어져 아직까지 파동의 형태로 남아있는데 이것이 우주배경복사이고 계산해보면 이 파동의 온도는 약 2.7k 정도인데 이 수치가 바로 펜지아스와 윌슨이 발견된 전파의 수치와 거의 일치해요

그러자 결국 정상상태 우주론도 사약을 받고 말아요....드디어 팽창우주론의 천하재패의 시대가 것이죠.

10. 그런데 빅뱅론에는 의외로 문제는 많았어요

빅뱅론이 주장하는 자체 계산이 관측결과와 안맞는 부분, 또 이론상 안맞는 부분이 너무 많이 있었죠.

대표적인게 바로 평평성의 문제,지평선의 문제,자기단극자의 문제같은 거예요.

문제는 오랫동안 빅뱅론을 괴롭혀요.

그러자 이걸 어거지로 맞춰보기로 하는데..그래서 나온 이론이 바로 '인플레이션이론'이예요

엘런 구스등이 주장한 인플레이션이론은 빅뱅직후 일정기간동안 기존 물리의 법칙을 개무시,왕무시하는 급팽창(인플레이션) 시기가 있었다고 가정하는거예요.^^ (공간이 빛의 속도이상으로 팽창하는 일정 시기가 있었다고 가정하자는 거죠. 수치를 맞추기 위해 어쩔수 없이 필요한 가정이예요) 그런데 렇게 가정하는 인플레이션이론으로 대부분의 문제는 해결되요...

하지만 아직도 인플레이션이론으로도 해결되지않는 빅뱅론의 문제들은 남아있으니.....

대표적인게 바로 '우주상수 λ 귀환' 문제예요...이것은 아직도 빅뱅론을 괴롭히며논쟁중이죠,,,,

오늘은 서론적으로 우주론의 역사 전체를 요약해봤어요

요즘 중고딩에서 빅뱅론을 가르치던데 매우 우매하고 위험한 짓이죠,

거의 20여년전 중고딩에게도 플라즈마나 상대성이론같은 현대물리학의 개념을 가르쳐야 한다고 역설했더니 다행히 내 주장이 어느새 반영되어 오늘날은 정말 현대물리를 중고딩에서도 가르치고 있던데 문제는 너무 오버해서 중고딩에게 가르쳐서는 안될 빅뱅론까지 가르치고 있더라고요...

빅뱅론은 생각보다 매우 어려운 학설로 그 내용이 대학원에서 배우는 일반상대성이론의 수준의 고난도 수준이기 때문에 대학이나 대학원정도의 수학실력이 없으면 배워도 뭔 소린지 몰라요, 오히려 엄청난 오개념만 주입시킬 수 있죠, 예를들어 인플레이션이론에서 공간의 팽창이 빛의속도를 넘어설 수잇다는 주장을 중고딩에서 가르치면 바로 오개념에 쳐박혀버려요. 그 무엇도 빛의 속도를 넘어설 수 없다는 물리학 제1공리를 개무시해버리는 오개념에 빠지게 되죠...그런데 정작 빅뱅론은 빛의 속도를 넘어설 수 없다는 공리를 절대 부인하지않아요 벌써 헷갈리죠? 따라서 빅뱅이론은 중고딩에서는 가르치면 안되요, 헌대물리개념 가르치랬더니 교육부에서 뻘짓하고 있는 것이죠

암튼 앞으로 이러한 우주론에 대해 세부적으로 소개해 볼께요

평생 볼 수 없엇던 대학원수준의 화려한 수식을 직접 소개하면서요...

I'LL BE BACK!



​민간핵무기개발추진위원회와 철타곤의 철   심   장


내가 대부도에서 찍은 중국의 위성발사장면! ^^









덧글

  • 어머 2020/03/26 09:14 # 삭제 답글

    내용 지린다~^^
    사진 싸겠당~^^
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