원시 우주빅뱅 직후에 일어난 일

플랑크 시대에서 전약 대칭성 깨짐까지, 우주의 첫 순간에는 급팽창과 재가열이 있었다. 각 단계와 그 뒤의 연구.

우주 달력에서: 1월 1일의 처음 3분빅뱅 후 0초부터전체 달력 보기

우주는 첫 순간에 중력의 분리, 대통일 시대, 인플레이션, 재가열, 전약 대칭 깨짐을 겪었습니다. 핵심은 인플레이션이었습니다. 공간이 10²⁶배로 팽창한 뒤 인플라톤 장이 붕괴하면서 진공 에너지가 입자와 복사로 바뀌었습니다. 그제야 뜨거운 우주가 진짜로 시작되었습니다.

시작에 가까워질수록 직접 관측보다 이론에 기대게 됩니다. 이어지는 내용 중 일부는 관측으로 확인되었고 일부는 아직 이론적 틀이므로, 읽을 때 그 차이를 염두에 두세요.

처음 일곱 단계

  • 10⁻⁴³초 · 플랑크 시대: 시간과 공간이 의미를 가지기 시작합니다. 이전에는 "전과 후", "가깝고 멂" 같은 말이 아직 적용되지 않습니다.
  • 10⁻⁴³초 · 중력 분리: 중력이 통일된 힘에서 떨어져 나와 독자적인 상호작용이 됩니다.
  • 10⁻³⁶초 · 대통일 시대: 강한 힘, 약한 힘, 전자기력이 아직 하나입니다. 세 병에 아직 나누어 붓지 않은 한 가지 페인트 같습니다.
  • 10⁻³⁶초 · 우주 인플레이션: 공간이 10²⁶배로 팽창합니다. 늘어나는 것은 공간 자체이며, 그 안의 물체들이 사방으로 날아가는 것이 아닙니다.
  • 10⁻³²초 · 인플레이션 종료: 인플라톤 장이 붕괴합니다.
  • 10⁻³²초 · 재가열: 진공 에너지가 입자와 복사로 바뀝니다. 인플레이션은 우주를 거대하고 차갑게 만들었고, 재가열은 저장된 에너지를 풀어 이후 모든 물질과 빛의 원천이 되었습니다.
  • 10⁻¹²초 · 전약 대칭 깨짐: 힉스장이 입자에 질량을 주고, 입자마다 자기만의 "무게"를 갖기 시작합니다.

팽창하는 우주: 이론에서 관측까지

우주가 팽창한다는 것은 먼저 이론으로 유도되었고, 세 편의 논문이 바통을 이어받았습니다. 알렉산드르 프리드만은 일반 상대성이론에서 우주가 팽창하거나 수축할 수 있음을 보였습니다. 관측 증거보다 7년 앞섰습니다(Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922). 조르주 르메트르는 우주가 팽창한다고 독자적으로 제안했고, 이후 우주가 "원시 원자"에서 시작했다고 상상했습니다. 빅뱅 이론의 초기 형태입니다(Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927). 관측이 뒤따랐습니다. 은하는 우리에게서 멀수록 더 빨리 멀어지므로 우주는 정지해 있지 않습니다(Hubble, PNAS, 1929). 허블의 논문 제목은 "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"입니다. 프리드만의 논문은 공간의 곡률을, 르메트르의 논문은 질량이 일정하고 반지름이 커지는 균질한 우주를 다루었습니다. 나란히 놓으면 세 논문은 "이론이 먼저, 관측이 나중"이라는 순서를 따릅니다.

인플레이션: 우주가 이렇게 평평하고 균일한 이유

앨런 구스는 초기 우주가 지수적으로 팽창했다고 제안했고, 이는 우주가 왜 그렇게 평평하고 온도가 어디서나 거의 같은지를 한꺼번에 설명했습니다(Guth, Physical Review D, 1981). 그의 논문 제목 "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"는 두 수수께끼를 짚습니다. 첫째는 멀리 떨어진 영역이 왜 온도가 거의 같으냐는 것이고, 둘째는 우주가 왜 그렇게 평평해 보이느냐는 것입니다. 하지만 원래 모형에는 결함이 있었습니다. 안드레이 린데는 인플레이션이 어떻게 매끄럽게 끝날 수 있는가 하는 문제를 해결해 이론을 쓸 만하게 만들었습니다(Linde, Physics Letters B, 1982).

우주는 지금도 가속 중이다

"표준 촛불"은 밝기를 아는 광원으로, 와트수가 같은 전구 한 줄과 같습니다. 어둡게 보일수록 멀리 있습니다. 연구자들은 먼 초신성을 그런 전구로 삼아 팽창이 가속되고 있음을 발견했습니다. 암흑 에너지가 무대에 올랐고, 이 연구는 2011년 노벨상을 받았습니다(Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). 다른 팀도 독자적으로 같은 결론에 이르렀습니다. 우주의 어떤 에너지가 가속을 일으키고 있다는 것입니다(Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). 플랑크 위성은 지금까지 가장 정밀한 우주론 매개변수를 내놓았습니다. 나이는 약 138억 년이고, 보통 물질은 약 5%뿐입니다(Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

질량은 어디서 오나

피터 힉스는 입자에 질량을 주는, 온 공간을 채우는 장을 제안하고 새 입자를 예측했습니다(Higgs, Physical Review Letters, 1964). 대형 강입자 충돌기는 약 125 GeV의 새 입자를 찾아내 48년을 기다린 예측을 확인했습니다(ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012). 위의 전약 대칭 깨짐 단계, 곧 힉스장이 입자에 질량을 주는 것과 맞아떨어집니다.

게임에서는 어떻게 보여 줄까

게임에서 원시 우주 시대는 "빅뱅 0초 뒤"에서 시작하고 자원은 에너지입니다. 생성기는 양자 요동, 인플라톤 장, 진공 붕괴, 재가열이며, 위의 핵심 개념에서 이름을 땄습니다.

실제 근거

  • 플랑크 시대(10⁻⁴³ 초): 시간과 공간이 의미를 갖기 시작한다

  • 중력 분리(10⁻⁴³ 초): 중력이 통합된 힘에서 갈라져 나온다

  • 대통일 시대(10⁻³⁶ 초): 강력, 약력, 전자기력이 아직 하나다

  • 우주 급팽창(10⁻³⁶ 초): 공간이 10²⁶배로 팽창한다

  • 급팽창의 끝(10⁻³² 초): 인플라톤 장이 붕괴한다

  • 재가열(10⁻³² 초): 진공 에너지가 입자와 복사로 바뀐다

  • 전약 대칭성 깨짐(10⁻¹² 초): 힉스 장이 입자에 질량을 준다

관련 연구

이 연구들은 이 주제와 관련은 있지만 이 페이지의 직접적인 증거는 아니에요.

  • 우주는 팽창하고 있다: 허블은 은하가 멀수록 더 빨리 멀어진다는 것을 발견했다. 우주는 정지해 있지 않고 팽창하고 있다.

    출처:Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"

  • 프리드만의 우주: 프리드만은 관측 증거가 나오기 7년 전에 일반 상대성 이론으로부터 우주가 팽창하거나 수축할 수 있음을 유도했다.

    출처:Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922, "Über die Krümmung des Raumes"

  • 원시 원자: 르메트르는 우주가 팽창한다는 것을 독자적으로 제안했고, 훗날 우주가 '원시 원자'에서 시작했다고 상상해 빅뱅 이론의 선구가 되었다.

    출처:Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"

  • 급팽창 우주: 구스는 초기 우주가 지수적으로 팽창했다고 제안해, 우주가 왜 이렇게 평탄하고 어디서나 온도가 거의 같은지를 단번에 설명했다.

    출처:Guth, Physical Review D 1981, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"

  • 새 급팽창: 린데는 급팽창이 어떻게 매끄럽게 끝날 수 있는지의 문제를 해결해, 급팽창 이론을 실제로 쓸 만하게 만들었다.

    출처:Linde, Physics Letters B 1982, "A new inflationary universe scenario"

  • 가속 팽창: 먼 초신성을 '표준 촛불'로 삼아 우주 팽창이 가속되고 있음을 알아냈다. 암흑 에너지가 등장했고, 이 연구는 2011년 노벨상을 받았다.

    출처:Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"

  • 초신성 42개: 다른 팀도 독립적으로 같은 결론에 이르렀다. 우주에는 가속 팽창을 일으키는 에너지가 있다.

    출처:Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"

  • 우주의 레시피: 플랑크 위성은 지금까지 가장 정밀한 우주론 매개변수를 내놓았다. 나이는 약 138억 년, 보통 물질은 약 5%에 불과하다.

    출처:Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"

  • 질량은 어디서 오는가: 힉스는 공간을 채우며 입자에 질량을 주는 장을 제안하고 새 입자를 예측했다.

    출처:Higgs, Physical Review Letters 1964, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"

  • 힉스 입자를 찾다: 대형 강입자 충돌기가 약 125 GeV에서 새 입자를 찾아, 48년 전의 예측을 확인했다.

    출처:ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"

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