우주론

과거의 우주론
원시 우주론
원시 시대에는 우주에 특별한 의미를 두지 않았다. 단지 날씨나 지진같이 인간의 의지와 무관하게 존재하고 변하는 것이 우주를 의미하였다. 따라서 우주는 상징적이고, 마술과 같은 의미가 더 컸기 때문에 이 시기의 우주론을 마술 우주론이라고도 한다.

신화 우주론
지금으로부터 2만년 전~5천 년 전 쯤에는 문명의 발달로 인해 인간은 우주를 보다 정교한 시각으로 보게 되었다. 당시의 우주론은 신들이 우주를 만들었다는 '신화 우주론'으로, 사람들은 신이 주관하여 우주를 운영한다고 생각하였다.
이집트에서는 사제들이 신들이 나타나는 시각을 계산하여 우주 현상을 예측하였고, 메소포타미아 지역에서는 일식, 행성의 위치, 달의 일몰과 같은 현상에 대해서도 기록하고 예측하였다. 당시 우주론은 과학적인 의미를 갖지는 못했지만 인간이 측정, 기록, 예측하는 데 의의가 있다.

고대 그리스 시대의 우주론
고대 그리스 인들은 관찰과 실험을 통해 우주 법칙을 발견하려 하였다. 과학적 우주론의 시초로, 이때의 우주론을 '기하학적인 우주론'이라 불렀다. 당시에 태양계의 모형을 지구 중심으로 두었던 천동설이 등장하여 확립되었고, 이러한 천동설을 체계화하여 자연 현상들을 해석하고 이해하였다. 이런 천동설을 체계화한 사람은 프톨레마이오스로, 그는 플라톤이나 아리스토텔레스의 영향을 받아 기하학적으로 완전한 공 모양의 우주를 생각하였으며, 천동설의 모형을 견고하게 구성하여 많은 지지를 얻었다.

중세의 우주론
중세의 우주 모형은 포톨레마이오스의 모형에 기반을 두고 있다. 지구를 중심으로 태양을 비롯한 모든 행성과 천체들이 회전하는 모형으로, 천동설에 기반한 우주론은 '인간 중심 우주론'의 시초가 되어 이후 지동설이 등장하였음에도 오랫동안 그 영향력을 유지하였다. '인간 중심 우주론'의 핵심은 인류가 특별하기 때문에 우주가 인간을 위해, 인간에 의해 설계되었다는 생각으로 당시 종교관과도 관련이 있었다.

지동설
고대 그리스 시대 이후 1400년 동안 계속되었던 천동설은 르네상스 이후 근대에 와서 코페르니쿠스에 의해 의심을 받기 시작하였다. 코페르니쿠스는 지구가 우주의 중심이 아니라 태양 주위를 회전하는 하나의 행성에 지나지 않는다는 지동설을 주장하였으며, 이러한 지동설은 이후 티코 브라헤, 케플러, 갈릴레이, 뉴턴으로 이어지면서 현재와 같은 과학적인 체계를 갖춘 우주론으로 발전하는 계기가 되었다.

현대의 우주론
아인슈타인의 상대성 이론이 발표된 이후 시공간의 구조나 시간적 흐름을 새롭게 이해하게 되었다. 20세기 후반부터는 과학 기술이 발달함에 따라 새로운 관측 결과들이 나오고 있으며, 과거 어느 때보다 더 과학적으로 정교하게 우주를 이해할 수 있게 되었다.

프리드만 우주 모형
아인슈타인의 일반 상대론을 우주에 적용하여 최초의 일반적인 풀이를 찾은 사람은 러시아의 물리학자 프리드만이다. 프리드만은 우주를 거시적으로 볼 때, 모든 지점이 동일한 밀도를 가진다는 균일성과 모든 방향으로 동일하다는 등방성을 가정한 방정식을 푼 것 이다. 프리드만의 풀이에 의하면 열린 우주, 닫힌 우주, 평평한 우주의 세 가지 형태가 가능하다.

1. 열린 우주 : 열린 우주는 우주 전체의 밀도가 특정한 값보다 작을 때 만유인력이 작아져 팽창을 계속하는 우주를 말한다. 열린 우주의 공간에서는 삼각형의 내각의 합이 180도보다 작다.

2. 평평한 우주 : 평평한 우주는 우주 전체의 밀도가 특정한 값(임계 밀도)과 같을 때 나타나며, 팽창하다가 멈추는 우주이다. 평평한 우주의 공간에서는 삼각형의 내각의 합이 180도 같다

3. 닫힌 우주 : 180보다 큼

우주가 팽창하고 있다면 어떻게 우주의 기원을 설명하는 이론으로 발전할 수 있었을까? 우주가 점점 팽창하고 있다는 사실을 거꾸로 뒤집으면 과거로 거슬러 올라갈수록 우리 우주는 점차 작아질 것이다. 꽃이 피는 장면을 찍은 필름을 거꾸로 돌리면 꽃봉오리가 다시 오므라지고 돋았던 싹이 땅 속으로 들어가 버리듯이 팽창하는 우주 역시 거꾸로 돌린다면 차츰 축소되어 마침내는 우주가 아주 작은 하나의 덩어리가 될 것이다. 그 덩어리는 다시 작아지고 작아져서 하나의 점이 되고 언젠가는 우리 우주 즉 그 점이 처음 탄생하는 순간이 있었을 것이다. 그렇다면 우리 우주는 처음부터 줄곧 있어 온 것이 아니라 갓난아기가 어머니 뱃속에서 태어나듯이 아득히 먼 어느 날 처음 태어나서 오늘날까지 팽창을 계속해 온 것이 아닐까? 바로 이러한 의문들이 '빅뱅' 즉 대폭발 이론을 탄생하게 만들었다. 

허블의 관측 결과와 프리드만, 르메트르의 선구적 연구를 토대로 1956년 러시아 출신의 미국 학자 조지 가모프(George Gamow)는 우주의 초기 상태를 규명하려 했던 것에서 빅뱅이론을 제안하였다. 가모프는 한때 프리드만의 제자이기도 했다.

1.빅뱅 이론

빅뱅이론이란 간단히 말해서 우주가 어떤 한 점에서부터 탄생한 후 지금까지 팽창하여 오늘의 우주에 이르렀다는 이론이다. 얼핏 생각하기엔 황당하기도 하고, 수백억년 전의 우주를 어떻게 알 수가 있을까 하는 생각도 들지만 무시하지 못할 많은 과학적인 증거들을 가지고 있다. 빅뱅이론은 현재 우주모델의 표준이 되는 것으로 상당히 강력한 과학적 증거들을 가지고 있다. 우주가 특이점에서 생겨나 지금까지 약 140억년 정도의 나이를 가졌다는 것과 양자론, 일반 상대성이론으로 플랑크 타임(10^-43초) 이후의 우주 진화를 설명할 수 있고 예측할 수도 있다. 물론 예전에 평평함의 문제(Flatness problem)라는 것과 지평선 문제(Horizom problem), 자기 단극자 문제(monople problem)가 대두되어 위기를 맞기도 했으나 구스의 인플레이션이론으로 인해 어느 정도 해결이 되었다. 하지만 이 인플레이션 이론 역시 아직 완벽하지 않다는 문제점을 가지고 있다.

빅뱅이론과 정상우주론

이 문제에 대해 생각하기 이전에 우리는 먼저 우주가 정지하고 있는가 아니면 팽창하고 있는가? 에 대해 생각해 보아야 한다.

빅뱅 이론은 우주가 왜 대폭발을 일으켰는가에 대한 물음에 답할 수 없었으며 관측의 정확성도 불확실하여, 당시 허블이 계산한 약 20억년이라는 우주의 나이가 지구의 나이 약 46억 년보다도 짧은 모순도 생겼다. 따라서 우주는 영구불변하다는 생각이 계속해서 남아 있었다. 그리하여 1948년에 영국의 본디, 골드, 호일 등은 '정상 우주론' 을 제시하였다. 

정상 우주론에서는 우주가 영구불변하므로 우주탄생의 순간을 생각할 필요가 없고, 지구의 나이와도 모순이 생기지 않았지만 정상 우주론에서는 진공에서 물질이 생긴다는 최대의 문제점이 있었다. 

우주가 팽창한다는 사실은 과거에 무엇인가 격변이 있었다는 것을 의미한다. 우주팽창을 역으로 생각해서 과거로 거슬러 올라가 보면 모든 물질이 한곳에 모여 있는 '시작점' 에 이르게 될 것이다. 즉 우주의 모든 질량이 무한 밀도로 압축되어 있는 상태이다. 이러한 상태를 '특이점' 이라 한다.