KBS 세계걸작 다큐멘터리 - 우주의 미래(The Unfolding Universe)

 


복잡하고, 이해가 잘 안되기는 하지만 흥미진진하다.
혜성이나 태양의 폭발로 지구가 멸망한다는 이야기를 떠나서 커다랗게 우주의 미래를 전망해보는데...
현재 확장하는 우주이지만, 은하끼리 밀고 당기고 있다고 하는데, 70억년정도가 흐르면 안드로메다 은하가 우리은하에 다가와서 충돌을 하고, 이후에는 이 새로운 은하가 처녀자리에 부딪치고, 이후에 연속적인 충돌과 블랙홀등의 작용에 대해서 이야기를 해주는데 잘 이해가 안간다...
하지만 마지막에 나온 과학자의 말따라 70억년정도를 살아서 그때까지 지구가 존재한다면 정말 대장관의 하늘의 모습이 펼쳐질것이다. 물론 종말 직전이겠지만... 그것을.. 천국에서 보고 있을수 있을까...:)
참.. 이런것을 상상하는것도 대단하지만, 실제 연구를 해서 알아내는 사람들.. 정말 대단하고...
이런 사람들에 의해서 지구가 발전하고, 정말 공상영화처럼 우주를 지배하는 날이 올지도...:)


예로부터, 인간은 우주의 미래에 대해 의문을 품어왔다. 미래를 알고 현재를 살아가는 의미를 깨닫기 위함이었다. 하지만, 옛 사람들이 생각한 우주의 미래는 그리 밝은 것이 아니었다. 천문학과 과학의 발전에 따라, 우주의 실체가 점점 밝혀지고 있다. 지금까지, 우주는 팽창을 계속하지만, 언젠가는 그 끝을 맞이한다는 예측이 지배적이었다. 그런데, 새로운 발견으로, 우주는 영원히 팽창을 계속한다는 주장도 등장한다. 우주의 빈 공간을 차지하고 있는 진공의 에너지야말로, 우주의 팽창을 가속시키는 원동력으로 여겨진다. 별도 은하도 블랙홀도 모두 사라진 채, 끝없는 팽창을 계속한다는 주장도 있는 반면, 우주는 또 다른 우주들을 영원히 만들어 간다는 흥미로운 연구결과도 있다. 그리고, 우리 인간이 우주를 벗어나 우주에서 살아갈 길을 모색하는 움직임도 있다. 인간이 미지의 대우주를 탐험하기 시작한 지금, 우린 드넓은 모래밭에서 겨우 한 알의 모래를 보고 있을 뿐이다. 앞으로, 인간이 끊임없는 연구를 통해, 우주의 실체를 밝혀내길 기대해본다.


정말 우주의 신비는 알면 알수록 신의 존재를 부인할 수 없게 된다.

50억광년후면 안드로메다 은하계와 우리 은하계가 둘로 합쳐지겠지.
그 역사의 현장에 있을 수는 없지만 얼마나 장관일런지.

현재의 우주론을 바탕으로한 우주의 미래에 대한 가상적인 시나리오 들입니다.

◎ 50억년 후에 태양

적색거성→백생왜성으로 진화한다. 이 시점 안드로메다는 이미 우리 은하에게로 향하고, 은하수와 합병될 것이다.  은하가 더욱 더 가까워지면 서로 충돌하고 합체하게 된다. 그러나  은하 내의 별들은 각각 대단히 멀리 떨어져 있으므로 별의 충돌은 극히 드물 것이다. 충돌할 확률은 두 명의 병사가 총으로 쏜 탄환이 도중에서 서로 충돌할 가능성보다도 적을 것이다.  그러나 모든 별들의 운동은 심하게 동요되고 은하 원반과 나선 팔은 부서진다. 그 결과 부풀어오른 타원은하를 닮은 모양이 될 것이다.

◎ 우리 우주가 현재보다 10배 더 나이 먹었을 때, 우리 전체 우주는 어떻게 될까?

·우주의 밀도가 임계 밀도보다 크면 : 중력의 영향으로 팽창은 점차 느려지다가 나중에는 수축으로 돌아서게 된다. 모든 물질이 한 지점에서 만나 빅 뱅과는 정반대인 대파국(Big Crunch)을 맞이하게 된다.
·한편 우주의 밀도가 임계 밀도보다 작다면(오메가가 1 이하이면) :  물질들 간의 중력은 충분히 세지 못하여 우주는 계속 팽창해 나갈 것이다.
 
 대다수 우주론자들은 우주 우주가 천억년간은 계속 팽창할 것이라 생각했다. 그 당시에는 임계 밀도에 이르게 할 만큼 우주에 많은 물질이 존재하지 않는 것으로 생각해 왔다. 그러나 최근의 관측 결과는 이러한 생각을 뒤집어 놓고 있다.  우리 은하나 다른 나선 은하의 회전 속도를 연구한 결과, 사진으로 파악된 물질의 양보다 2배쯤 되는 물질이 더 존재해야 한다는 것이 밝혀졌다. 최근에 우리 은하에서 희미하고 질량이 작은 별들이 발견되어, 숨어 있는 질량이 어딘가 존재하고 있음을 알려 주었다. 또한, 은하단을 이루고 있는 은하들은 대부분 가시 광선 밖의 영역에서 관측되는 은하 간 물질 속에 잠겨 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 물질의 존재는 우주를 닫히게 하기에 충분한 양이다. 은하단 속에는 이전에 생각했던 것보다 5배나 더 많은 양의 물질이 존재하고 있다. 게다가 질량도 개수도 알 수 없는 블랙  홀들이 은하들 안에 존재하는 것으로 생각된다. 또한 WIMPs(weakly interacting massive particles:약하게 반응하는 질량이 큰 입자들)와 같이 아직 발견되지 않은 입자들이 우주 공간을 채우고 있는지도 모른다. 그리고 전 우주 공간에 존재하는 뉴트리노 입자가 질량을 지니고 있을 가능성도 있다.
   

<Countdown To a Big Crunch>

◎ 현재 밀도가 임계 밀도의 2배라면 은하들이 현재보다 2배 간격으로 떨어졌을 때 팽창은 멈춘다. 그 후 은하들은 청색편이를 한다. 은하단들을 서로 섞이기 시작하여 대파국에서 수억년 전에는 은하들이 서로 충돌하여 합쳐지기 시작한다. 거기서 100만년이 못 되어서 수축이 진행됨에 따라 별들은 서로 매우 촘촘하게 접근하여 밤 하늘은 태양처럼 밝게 빛나게 된다. 우주 공간의 온도는 점점 올라가 나중에는 별들의 온도보다 높아지고 별들은 폭발을 일으킨다.

◎ 수축기(crunch)는 팽창기(big bang)의 시간을 거꾸로 한 상태와 다르다.
블랙홀에 떨어진 모든 물질들은 final crunch를 겪게 된다. 수축 단계동안 더 많은 블랙홀이 만들어진다. 우리 우주는 매끈하고 질서 있는 상태에서 시작하여 시간이 지남에 따라 울퉁불퉁하고 무질서하게 되었다.
◎ 열역학적인 시간의 화살이라는 것은 우주는 매우 질서 있는 상태에서 시작되어 시간이
지남에 따라 점차 무질서하게 된다는 것이다. 심리적인 시간의 화살은 열역학적인 시간의 화살과 같은 방향을 향하고 있다. 따라서 우리들이 주관적으로 느끼는 시간은 우주가 팽창하는 시간이며 수축하는 방향의 시간은 아닌 것이다.
   
◎ 수축하는 우주는 불사조같이 새로운 Cycle에 의해서 다시 팽창할 수 있을까?
·특이점(=밀도무한대)없는 시작: 뉴턴에 의하면 중력에 의해 별들은 모두 중앙으로 충돌하게 된다. 그러나 은하는 서로 접근하든가 멀어져 갈 방향의 속도 이외에 옆방향으로의 작은 속도를 가지고 한점으로 수렴하는 것을 막는다. 따라서 우주는 수축기 이후 밀도가 무한대인 상태를 거치지 않고 다시 팽창을 시작했다는 가설이 성립된다.
·필연적인 특이점의 발생 : 호킹과 펜로스는 일반 상대성 이론이 올바르다면 붕괴되어 가는 우주에는 특이점(혹은 블랙홀)이 반드시 발생된다는 것을 나타내는 일련의 정리를 이끌어 냈다. 특이점 속에 떨어져 가는 물질의 단편은 모두 서로 <분리>되는 경우도 불가능하고 또다시 바깥으로 뛰쳐나갈 수도 없다 모든 것이 무한대의 밀도를 가진 한점에 압축되어 부서져 버리고 마는 것이다.
·특이점이 있다면 그곳에서의  물리적 상태는 우리가 이해하는 물리의 법칙을 초월한다.  그렇기 때문에 rebound에서 새로운 cycle에의 가능성에 대해서는 말할 수 없다. 시간의  화살이란 개념이 극단적인 상태에서는 통하지 않기 때문이다.
   
→우주의 바운스: t 가 마이너스인 수축 우주가 마치 바닥에 떨어진 고무공이 튕겨 오르는 것 같이, 수축하고 있는 우주가 팽창우주에 자연스럽게 접속하는 것을 우주의 바운스라고 부른다.
 

<P
erpetual Expansion>

◎ 우주 밀도가 임계 밀도보다 작을 경우, 우리 우주는 계속 팽창해 마지막 열 죽음(heat death) 상태로 갈 것이다. 별, 은하, 성단들이 수축됨에 따라 중력 에너지는 방출된다. 이 수축 작용은 회전이나 핵에너지에 의해 느려진다.

◎ 은하가  팽창해짐에 따라 하늘은 점점 어두워질 것이다. 이외에도 어두워지는 데는 또 다른 이유가 있다. 원자는 별들의 연속적인 생성으로 재순환을 계속하면서 어두워진다.

◎ 은하수가 안드로메다에 충돌하듯이 대다수 은하들은 같은 성단 내의 다른 은하들과 합쳐질 것이다. 각각의 super cluster는 하나로 합쳐져서 거대해 질 것이다.
 

<Atoms Are Not Forever>

◎ 바리온 수가 보존됬다면 반물질에 비해 물질이 많은 현상은 초기 우주에서 결코 나타나지 않았을 것이다. 양성자가 붕괴함으로써 물질과 반물질 사이의 균형을 회복시켰다.

  →바리온 수와 바리온 수 보존의 법칙
  바리온 수는 소립자의 종류에 따라 결정되는 양이다. 바리온 하나를 바리온 수 +1, 반바리온 하나를 바리온 수 -1, 메손, 렙톤, 게이지 입자에 바리온 수 0을 부호로 하면 바리온 수의 총합은 불변이다. 이것을 바리온 수 보존의 법칙이라고 한다. 바리온 수의 보존은 물질의 안전성을 보증하는데, 과연 바리온 수가 완전히 보존되는가 여부는 논의가 분분하다. 가령 양성자 붕괴에서는 이것이 완전하게 보존되지 않는다는 설이 있다.
 
◎ 증발하는 블랙홀
  블랙홀이라고 영원한 것은 아니다. 양자론은 블랙홀도 언젠가는 증발한다고 결론을 내리고 있다.  블랙홀 주위의 가스나 빛도 결국에는 모두 블랙홀로 흡수되어 버린다. 영국의 물리학자 호킹은, 양자론적인 진공 상태를 블랙홀에 적용시켜 놀라운 결론을 얻었다. 양자론적으로 보면 진공상태란, 입자와 그 반입자의 쌍이 생겼다가는 소멸하고는 다시 생기는 상태를 말한다. 입자와 반입자의 쌍은, 어느 한짝이 양의 에너지를, 다른 한쪽이 음의 에너지를 갖고 있다. 블랙홀은 그 중 음의 에너지를 가진 것을 빨아들이고, 이 에너지에 상당하는 질량을 상실한다. 한편, 양의 에너지를 가진 것은 밖으로 뛰쳐 나간다. 그래서 블랙홀은 마치 질량을 상실하면서 입자를 방출하고 있는 것처럼 보인다. 블랙홀의 증발은 그 질량이 작을수록 심해진다. 그러나 태양 정도의 질량을 가진 블랙홀에서도 모든 질량을 방출하는데 1066년이 걸린다. 현재의 우주 나이가 1010년 정도임을 생각한다면, 일방적으로 빨아들인다고 하는 블랙홀의 고전적인 견해도 잘못은 아니다. 한편, 우주 초기에 생성된 미니 블랙홀이라면 그 심한 증발 모습을 관측할 수도 있다고 본다.
  가장 무거운 블랙홀조차도 결국에는 복사, 전자, 양전자만 남는다. 전자는 양전자와 충돌함으로써 소멸되지만 이 직접적 충돌은 크게 일어날 것 같지는 않지

만 전자와 양전자는 쌍으로 묶여 궤도 운동을 한다. 그렇기 때문에 우주의 밀도는 극한적으로 작아진다.
 


< Can "Life"  Survive Forever?>

◎ The prognosis for some exotic form of intelligent life : 지적인 생명체의 형태 예언
·온도가 낮아짐에 따라 정보를 저장하고 전달하는데 쓰이는 에너지는 점점 줄어든다. 우주가 팽창할수록 배경온도는 낮아지게 되는데, 이 조건에서 상상할 수 있는 지적 생명체의 형태는 매우 느리게 사고를 진행시키고, 긴 시간동안 동면하면서 추위에서 유지하는 모습이다.
·양성자가 영원히 지속된다면, hugely complex but tenuous networks could be fabricated.
  structures in the far future can transcend both these constraints(= size, complexity). 구조체는 크기와 복잡성에 제한이 있기 마련인데, 먼 미래의 구조체는 이러한 제한을 초    월할 것이다. 중력이 누를수록, 자신을 부풀게 하여 구조는 커질 것이고, 복사량이 늘어나면서, 우주가 팽창할 수록 온도는 떨어진다. 정보를 전송하는데 필요한 최소한의 에너지는  줄어들 것이면, 정보의 속도는 매우 느리게 될 것이다.
·양성자가 소멸되었다하더라도, 진화는 끝난 것이 아니다. 끊임없는 블랙홀의 합병과 부식과 증발이 있다. 그 구멍에는 새로운 물질을 탄생시키기에 충분한 에너지가 모여있으며, 전자와 양전자가 만드는 희박한 가스는 복잡한 자기장에 의해 순환회로의 기본개제로서 컨트롤 될 수도 있다.


Subjective Eternity Before the Crunch?
◎ this distinction between subjective and physical time allows us to view a big crunch more optimistically : 주관적시간과 물리적시간의 구별은 좀더 확실하게 big crunch를 사고하게 한다.

→ subjective time 이란?
·과거로 거슬러 감에 따라 시계의 1주기가 짧아지는 시계로, 우주의 시간을 재면 특이점은 무한한 과거에 생겼다고 말할 수 있다.  1회전하는데 1분. 또 1회전하는데 30초, 또 1회전 하는데 15초라 한다면, 2분에 다다르기 위해서는 무한회전이 필요하다는 것을 알 수 있다.  결국 특이점은 통상적으로는 유한한 과거이지만, 결코 도달할 수 없는 무한의 과거인 셈이다.
·미래로 앞서 감에 따라 시계의 1주기가 길어지는 시계로, 우주의 시간을 재면 crunch는 유한한 미래에 일어난다고 말 할 수 있다.

→ distinction between subjective and physical time 이란?
  통상의 시간 개념에서는 물론 유한한 과거이지만, 과거로 거슬러감에 따라 주기가 빨라지는 시계는 특이점을 무한한 과거라고 잰다. 마찬가지로, 미래로 흘러감에 따라 주기가 느려지는 시계-1회전에 1분, 0.5회전하는데 1분, 0.25회전하는데 1분이 걸린다-로 crunch의 시점을 잰다면, 통상의 시간은 무한을 향해 흘러도, 유한한 경계값에 수렴하게 된다.

◎ the prospects for infinite "subjective time" are better if the collapse occurs in a "skew" or anisotropic fashion : 유한한 주관적인 시간은 수축이 비대칭적으로 일어날 경우를 상정하는 것이 더 적절하다. crunch가 부드럽고 대칭적으로-초기의 빅뱅의 시간처럼- 일어난다면, 유한한 주관적 시간의 가능성은 없다.

◎  Charles Misner에 의해 제안된 비대칭적인 우주(mixmaster)는 복잡한 crunch구조를 설명하기 위한 좋은 모델이다. mixmaster의 섞이는 운동은 양자에게 에너지를 공급하고, 양자들의 끼어듬이 중력장자체에 영향을 끼쳐 무한히 수축하는 것을 제지한다.

→ mixmaster 우주란?
  균일성은 가정하지만 등방성은 가정하지 않는 경우이다. 미스너는 일반상대론을 해밀튼 형식-시간을 공간구조의 변화를 좇는 기준으로 본다. 어느 시각에 구조를 초기값으로 주면 그 후의 시간적 변화를 추구할 수 있다- 에 적용하였다.
  mixmaster의 우주의 팽창은 등방적이 아니므로 프리드만 우주와 달리 지평성이 존재하지 않고 우주전체가 인과적으로 관련된다.

"Fast Forward" Into The Future
◎ 미래우주의 운명을 예측하기 위해서는, 모든 파장대로 관측하여 가능한 모든 형태의 암흑물질을 찾아내야 한다.

◎ 우주의 종말을 보기 위해 천억년을 기다리지 못하는 사람은 당장 블랙홀로 돌진해 보자. big crunch때 예상되는 지역적 중력수축에 의해 형성되는 특이점과 만날 수 있을 것이다. 당장 특이점에서 온몸이 찢겨지기 전에, holes로 떨어지는 several free-falling hours를 맞이하고, 그것은 아주 천천히 여유롭게 관측될 것이다. 빨려들어가는 것이 너무 끔찍한 생각이라면, 블랙홀 옆에 사는 사람을 생각해보자. 그 사람의 시간은 매우 느리게 갈 것이며, 상대적으로 그 사람이 보는 우리의 시간은 매우 빠르게 흘러갈 것이다.

Terrestrial And Cosmic Hazards
◎ 전체 우주로 볼 때, 우리는 진화단계에서 시작부분에 있다.

◎ 지구는 ⑴ 50년 안에 소행성, 혜성과 부딪칠 확률이 1/100.000 이고 이것은 연간 비행기 사고로 죽을 확률보다 높다. ⑵ 사람이 만든 재앙 ¹핵위험  ²생물학적 위험 에 높여있다.

◎ 현재 우주과학의 발전속도가 이대로 유지되기만 한다면 1세기 안에 지구밖에 있는 self-sustaining communities가 가능하다.

Premature Apocalypse?
◎ 상전이와 대통일이론
·such a transition occurred when our universe was about 10-12 seconds old. before that    time, the forces of electromagnetism and the so-called weak force were combined in a single "electroweak" force. : 우주생성 10-12초 후에 상전이는 일어났으며, 이전에는 전자기력과 약력이 하나의 힘(electroweak force)이었다.
·우주생성 10-36에도 초기 상전이가 일어났을 것으로 예측되며, 이전에는 마이크로세계를 지배했던 힘이 모두 하나의 힘이었을 것이라 생각된다.

→무슨 일이 일어났나?

  10-36초 : 팽창속도가 비정상적으로 빨라졌다. 이것을 '우주의 인플레이션'이라 한다. 이것을 일으킨 것은 진공에너지였다. 우주의 팽창에 의해 우주의 온도가 어떤 일정 온도까 지 내려가면, 진공인 상전이라는 현상이 일어난다. 지금까지의 오래된 진공이 에너지가 보다 낮은 새로운 진공으로 상전이를 한다. 이때 새로운 진공과 오래된 진공의 에너지의 차가 열로서 방출된다. 0℃이하가 되어도 물이 얼음으로 변화하지 않고 과냉각이 될 때처럼, 우주의 일부가 상전이를 하지 않고, 이전의 진공상태로 있는 경우가 있다. 이 상태가 계속되면 방추되어야 할 진공에너지가 쌓이고, 그 에너지가 원동력이 되어 우주의 팽창을 가속시키는 것이다. 이때 강력이 분화하였고, 그 결과 강력이 작용하는 쿼크와 강력이 작용하지 않는 F톤(전자나 뉴트리노 등)의 구별이 생겼다.
  10-12초 : 약력과 전자기력이 갈라져 F톤에 속하는 전자와 뉴트리노가 구별되었다.

◎ 진공에서의 변화는 에너지의 국소적인 집중에 의해 일어난다. 최대한 집중된 에너지를 얻는 것이 CERN에 있는 페르미 연구실의 목표이다.
·그러나 과연 이런 기계의 사용이 우주의 구조를 부주의하게 찢게 되는 일이 발생하지 않을까? 이것이 결과적으로 발생할 재난일 것이다. 새 진공의 거품은 굉장히 빠른 속도로 팽창해서 거품벽은 우리 우주 전체를 덮칠 때까지 계속 밀려 올 것이다. 그 결과 새로운 우주는 죽게 되고 무한 밀도를 향해 짜부러져 갈 것이다.
전 세계의 바다에서 중수소가 열핵폭발에 의해 점화되지 않았다는 안심스런 결과로 첫 번째 핵 실험이 시행되었다.  Sidney Coleman이 생각한 것은 지구적 위험이 아닌 우주적 위험이었을 것이다.
확실치 않은 실험자들에 의하면 상전이를 일으킬 만큼의 충분한 에너지가  입자와 충돌하면 팽창하는 거품을 만들어낸다고 했다. 가장 강한 자연상의 충돌은 우주선이다. 이 입자들은 빛의 속도로 가속화된다. 우주선의 기원은 미스테리이나, 지구상에서 인공적으로 가속시킨 것 보다는 굉장히 강하다. 굉장한 에너지를 가진 우주선은 매우 드물다. 그러나 우주선 내의 많은 충돌이 있다는 것이 나타났다. 따라서 예상할 수 있는 실험실 유도 충돌은 이제껏 일어났던 것에 비하면 큰 피해 없이 온화하다.

◎ 재난스런 상전이에 대한 우주의 취약성은 허구적으로 인정되어 왔다. 그러나 이 가능성이 엉뚱한 것만도 아니다-통일 이론에 대한 현재 우리의 무지 상태를 보더라도 우리는 위험성을 인정해야 한다. 특히 자연상에서 일어날 것 같지 않은 에너지를 만드는 실험에서 확실히 위험성을 가져야 한다. 우리는 발전된 기술적 자원으로 지구외부에 희망을 가져야 하겠다.