지식보관소_ 우주는 어떻게 시작돼서 결국 어떻게 끝날까?

 

 

파도가 왜 치는지 몰랐던 인류는

바다의 신, 포세이돈을 만들어서

이 이해할 수 없는 현상을 설명하려고 했고

천둥이 왜 치는지 설명하기 위해서

천둥의 신, 토르를 만들어냈습니다.

 

하지만 현대의 과학은

천둥이 치는 이유와 파도가 치는 이유를

합리적으로 설명이 가능해졌고

현재도 포세이돈 때문에 파도가 친다고 믿는 사람은 없습니다.

 

과학이 발전하면서

신화에 등장했던 신들은 불필요해졌고

현재 신화로 남게 되었지만

아직까지도 현대과학으로 제거하지 못한

두 개의 큰 미스터리가 남아 있습니다.

바로 Origin(기원)과 Destiny(운명)이죠.

 

우리는 어디에서 왔을까요?

그리고 어디로 가고 있을까요?

 

이 철학적인 질문은

현대 물리학이 해결해야 될 남은 질문이자

신이 존재할 수 있는 마지막 남은 이유입니다.

 

 

이 질문에 답을 하기 위해서는

일단 우주의 기원인 [빅뱅]에 대해서 알아야 합니다.

허블이 우주에서 적색편이를 발견하면서

우주에 있는 모든 별들은 서로 멀어지고 있다는 것을 알게 됩니다.

 

서로 멀어지고 있다는 것은

시간을 과거로 돌리면

과거에는 더 가까웠다는 것을 의미합니다.

 

그렇게 계속 과거로 돌리다 보면

138억 년 전 우주의 모든 물질은

단 하나의 점에서 출발했습니다.

 

이 사건을 우리는 빅뱅이라고 부릅니다.

이 빅뱅이 왜 생겼는지는 현재로서는 모르지만

현재 알고 있는 물리법칙으로 보면

모든 물질이 극도로 작은 하나의 점에서 시작이 되었다고 볼 수밖에 없습니다.

 

그리고 우리가 알고 있는 물리법칙과 정보들을 활용해서

우리는 빅뱅이 일어나고

지금까지 우주에 어떤 일이 있었는지를 알아낼 수가 있습니다.

놀랍게도 빅뱅 직후 10^-35 초 이후부터 추측할 수가 있습니다.

그리고 자연스럽게 우주의 역사를 쭉 이어가고

물리법칙이 변하지 않는다면

결국 우주가 어떻게 끝날지 알 수가 있습니다.

 

우주의 역사를 알아보는 건

우리는 어디에서 왔고, 결국 어디로 가게 될지

알아보는 과정이죠.

 

책 <웰컴투더 유니버스>에는

이런 우주의 시간이 어떻게 흘러갔고 어떻게 흘러갈지를 잘 설명해 주는 책입니다.

그래서 우주의 역사는 어떻게 진행돼 와서

결국 어떻게 끝나게 될까요?

 

 

--빅뱅: 우주의 탄생

 

138억년 빅뱅으로 우주가 [탄생]합니다.

우리는 플랑크 시간보다 작은 시간은 알 수가 없습니다.

플랑크 시간은 우주의 1 프레임인 것이죠.

 

 

--빅뱅 후 5*10^-35s: 인플레이션 팽창

 

그렇게 5*10^-44초부터 우주를 알 수가 있는데

이때부터 10^-35초까지 우주는

빅뱅으로 인한 인플레이션으로 [급팽창]을 하게 됩니다.

 

이를 알 수 있는 이유는

우주 배경 복사가 너무나 균일했다는 것인데

5*10^-44초부터 10^-35초까지

우주가 빛의 속도보다 빠르게 팽창했다고 추측합니다.

그 이후 우주에 존재하던 쿼크들은

양성자와 중성자를 만들게 됩니다.

 

 

--빅뱅 후 0.0000001s 후: 플라스마 입자들이 생김

 

빅뱅이 생기고 0.0000001초 후에 양성자와 중성자로 생긴 원자핵은

전자와 분리된 일종의 [플라스마] 상태로 남게 됩니다.

 

 

--빅뱅 3분 후: 플라스마 상태의 헬륨 원자핵

 

빅뱅 후 3분이 지나서야

양성자끼리 핵융합을 통해서

최초의 [헬륨 원자핵]이 만들어집니다.

그 후로도 우주는 계속해서 너무 뜨거운 상태여서

모든 물질은 전자와 결합해서 원자를 구성하지 못합니다.

 

 

--빅뱅 후 38만년 후: 최초의 원자 탄생

 

빅뱅 후 38만년 후, 우주의 온도는 섭씨 3000도까지 떨어지면서

드디어 최초의 원자인 수소 원자가 만들어집니다.

플라스마가 아니라 원자핵과 전자가 결합해서 수소가 되는 것이죠.

 

이때부터 광자가 자유롭게 이동할 수 있게 되면서

우리가 직접 관측이 가능한 그런 시기가 되었습니다.

 

 

--빅뱅 후 10억년 후: 은하 탄생

 

그리고 그렇게 별들이 생겨나면서 10억 년 후에 은하가 생겨나기 시작합니다.

 

초기 은하들의 밀도는 매우 높아서

퀘이사 같은 강력한 에너지를 내뿜는 천체들이 만들어집니다.

그리고 그 이후에 별이 생기고 나서 죽고 그런 걸 반복하면서

현재까지 시간이 지나오면서

지금은 빅뱅 이후 138억 년이 지난 시점이 되었습니다.

그렇다면 미래는 어떻게 될까요?

 

 

--빅뱅 후 220억년 후: 태양의 죽음

 

일단 가장 쉽게 알 수 있는 것은 태양의 미래입니다.

수소 핵융합을 끝낸 태양은

지금으로부터 약 80억 년 후, 적색거성에 진입하고

이어서 백색왜성으로 생을 마감합니다.

지구에서 우리는 생존하지 못하겠죠.

 

슬프지만 우주는 빠르게 식고 죽어가고 있습니다.

이미 현재 우리은하에서 만들어지는 별은

태양이 만들어질 때에 비해서

5%도 안 되는 속도로 별이 만들어지고 있습니다.

우주는 계속해서 팽창하고 밀도가 낮아지면서 추워지게 됩니다.

 

 

--빅뱅 후 8500억년 후: 기번스-호킹 온도 도달

 

빅뱅 후 8,500억 년 후

우주의 팽창 속도가 너무나 빨라져서

다른 은하들을 볼 수 없게 되기 시작합니다.

 

그리고 우주는 절대온도에 가까운 온도로 냉각이 되기 시작해서

더 이상 냉각이 될 수 없는 그런 상태에 도달합니다.

우주에서 가장 수명이 긴 별은 적색왜성입니다.

적색왜성은 매우 작지만 굉장히 느리게 연소하기 때문에

태양 질량의 10%인 적색왜성은

수명이 10조 년이 넘을 것으로 추정이 됩니다.

 

만약 인류가 태양이 수명을 다한 다음에도 생존을 원한다면

적색왜성 근처에 있는 횡성으로 이주를 해야 될 겁니다.

이론상 태양보다 수명이 천 배나 길기 때문에

오랫동안 인류가 생존이 가능할 수 있습니다.

 

 

--빅뱅 후 100조년 후: 마지막 적색왜성 죽음,

빛을 내는 모든 항성이 사라짐(갈색왜성 제외)

 

하지만 빅뱅 이후에 10^14년이 흐른 우주에는

남아있던 마지막 적색왜성조차 사라지게 됩니다.

이 이후로 우주의 생명체는 존재할 수가 없게 됩니다.

 

계속 시간이 지나면

블랙홀 외에는 전부 다 남지 않게 되고

블랙홀조차도 호킹복사(양자역학 효과로 블랙홀의 질량이 줄어드는 현상)로

서서히 사라지게 될 것으로 생각이 됩니다.

 

 

--빅뱅 후 10^100년 후: 마지막 블랙홀 소멸

(우주는 무의 상태가 됨)

 

10^100년이라는 상상도 하기 힘든 시간이 지나게 되면

우주는 절대 옹도가 되고 블랙홀도 모두 증발하는데

이때 비로소 우주는 완전한 무의 상태가 됩니다.

 

 

 

불과 얼마 전까지 파도가 치는 원인을 몰라서

파도의 신 포세이돈을 만들어냈던 인류는

이제 현대과학으로 우주가 생겨나고 나서

10^-34초부터 10^100년 후까지

미래를 예측할 수 있는 그런 시기에 도달했습니다.

 

그리고 책 <웰컴투더 유니버스>에는

우주 다큐 코스모스로 유명한

닐 타이슨과 물리학 교수님들이 쓴 책으로

이런 우주의 역사에 대한 이야기에서부터

은하와 별 이야기나 암흑물질 이야기

그리고 블랙홀 같은 그런 이야기들뿐만이 아니라

상대성이론, 양자역학, 초끈이론, 다중우주

이런 수많은 이야기들을 모두 한 권의 책에 담아냈습니다.

 

저는 이 책을 읽으면서

‘우리는 어디에서 와서 어디로 가는가?’ 하는 질문에 대해서

많은 생각을 해볼 수 있었습니다.

 

과연 인류는 지금까지 그래왔던 것처럼

우주가 왜 생겼는지와 결국 어떻게 끝나게 될지 알아내게 될까요?

그럼 이만.