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우주론

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목차

1. 개요

우주론은 우주 전체를 연구하는 학문으로, 물리학과 천체물리학의 관측과 실험을 통해 발전해 왔다. 물리 우주론은 수학과 관측을 통해 우주를 분석하며, 우주의 기원, 지리학, 그리고 인간의 위치를 탐구한다. 초기 우주론은 천구 연구에서 시작되었으며, 고대 그리스 철학자들은 다양한 우주론적 이론을 제시했다. 1687년 뉴턴의 '프린키피아'는 만유인력 법칙을 제시하며 과학적 우주론의 발전에 기여했고, 20세기 초 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 현대 우주론의 시작을 알렸다. 1922년 알렉산더 프리드만은 팽창하는 우주 개념을 도입했고, 1927년 조르주 르메트르는 빅뱅 이론을 제안했다. 1990년대 이후 관측 우주론의 발전으로 우주론은 예측 가능한 과학으로 변모했으며, 현재 우주의 나이는 약 138억 년으로 추정된다. 종교적 또는 신화적 우주론은 창조 신화에 기반하며, 무에서의 창조, 물속 잠수부 신화 등 다양한 유형으로 나뉜다.

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우주론
우주론
우주 진화 타임라인
우주 진화 타임라인
우주 마이크로파 배경 복사
우주 마이크로파 배경 복사
개요
정의우주의 기원, 진화, 그리고 궁극적인 운명을 연구하는 과학 분야
어원그리스어 "κόσμος(코스모스)"(우주, 세계)와 "λογία(로기아)"(연구)의 합성어
연구 대상우주의 구조
우주의 팽창
우주의 구성 요소
우주의 역사
역사
초기 우주론고대 철학적, 종교적 우주관에 근거
현대 우주론알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 허블의 법칙을 기반
주요 발견우주 마이크로파 배경 복사
우주의 팽창
암흑 물질과 암흑 에너지의 존재
주요 이론
빅뱅 이론우주의 기원에 대한 가장 널리 받아들여지는 이론
인플레이션 이론빅뱅 직후 급격한 우주 팽창을 설명
ΛCDM 모형우주를 설명하는 표준 모형, 암흑 물질과 암흑 에너지를 포함
연구 방법
천체 관측망원경, 인공위성을 이용하여 우주 관측
이론적 모형수학적, 물리적 모델을 사용하여 우주를 설명
컴퓨터 시뮬레이션우주 진화를 모델링
주요 연구 분야
초기 우주빅뱅 직후의 우주
우주 팽창우주 팽창의 원인과 속도
우주 구조은하, 은하단, 초은하단의 분포
암흑 물질과 암흑 에너지우주를 구성하는 미지의 물질과 에너지
우주의 미래우주의 궁극적인 운명
논쟁 및 미해결 문제
암흑 물질의 정체암흑 물질의 구성 요소에 대한 미스터리
암흑 에너지의 본질암흑 에너지의 정체와 우주 팽창을 가속하는 이유
우주론 상수 문제양자역학과 일반 상대성 이론 간의 불일치
우주의 기원빅뱅 이전의 우주에 대한 의문
기타
관련 학문천문학
물리학
수학
연구 기관NASA
ESA
국제 천문 연맹

2. 분야별 정의

물리학 및 천체물리학은 과학적 관찰과 실험을 통해 우주에 대한 이해를 형성하는 데 중심적인 역할을 해왔다. 물리 우주론은 수학과 관측을 통해 전체 우주를 분석하면서 형성되었다. 우주는 일반적으로 대폭발(빅뱅) 이후, 거의 즉각적으로 우주 급팽창이라는 우주팽창이 뒤따른 것으로 이해된다. 이로부터 137억 9,900만±0.21억 년 전에 우주가 생겨났다.[66] 우주론은 우주의 기원을 연구하고 우주도(cosmography)는 우주의 특징을 지도화한다.

디드로의 《백과전서》에서는 우주론을 천문학(하늘에 관한 과학), 항공학(공기에 관한 과학), 지질학(대륙에 관한 과학) 및 수문학(물에 관한 과학)으로 분류하고 있다.[67]

형이상학적 우주론은 다른 모든 존재와의 관계에서 우주에 인간을 배치하는 것으로 설명된다. 마르쿠스 아우렐리우스는 "세계가 무엇인지 모르는 사람은 자신이 어디에 있는지 모르고, 세계가 어떤 목적으로 존재하는지 모르는 사람은 자신이 누구인지도, 세계가 무엇인지도 모른다."라며 인간과 세계의 관계를 설명했다.[68]

종교적 또는 신화적 우주론은 신화적, 종교적 및 밀교적 문헌과 창조와 종말론의 전통에 기반한 신념의 체계이다. 창조 신화는 대부분의 종교에서 발견되며, 미르체아 엘리아데와 그의 동료 찰스 롱Charles Long이 만든 분류 체계에 따라 대개 다섯 가지로 나뉜다.


  • 유사한 모티브들을 기반으로 한 창조 신화의 유형들:
  • * 신성한 존재의 생각, 말, 꿈 또는 신체 분비물을 통해 창조가 이루어지는 ''무의식적 창조(Creatio ex nihilo)''.
  • * 창조주가 보낸 새나 양서류와 같은 잠수부가 원시 바다(primordial ocean)를 통해 해저로 뛰어들어 모래나 진흙을 끌어올려 육지 세계로 발전시킨다는 지구 잠수부(earth-diver) 창조.
  • * 조상이 일련의 세계를 통과하고 탈바꿈을 거쳐 현재 세계에 도달하는 출현 신화들.
  • * 한 원시적 존재의 분할에 의한 창조.
  • * 우주의 알(cosmic egg)이 깨지거나 혼돈(chaos)으로부터 질서를 가져오는 것과 같이 원시적 통합의 분열 또는 질서에 의한 창조.[85]

우주론은 공간, 시간 및 모든 현상의 총체로서 세계를 다룬다. 역사적으로 우주론은 상당히 광범위한 범위를 가졌고, 많은 경우 종교에서 발견되었다.[86] 우주에 대한 일부 질문은 과학적 탐구 범위를 벗어나지만, 변증법과 같은 다른 철학적 접근 방식으로 여전히 탐구될 수 있다. 과학 외적인 노력에 포함되는 몇 가지 질문은 다음과 같다:[87][88]

  • 우주의 기원은 무엇인가? 그 첫 번째 원인은 무엇인가(있다면)? 그 존재가 필요한가? (일원론, 범신론, 발출론 및 창조론 참조)
  • 우주의 궁극적인 물질적 구성 요소는 무엇인가? (메커니즘, 동역학, 이형성, 원자론 참조)
  • 우주가 존재하는 궁극적인 이유는 (있다면) 무엇인가? 우주에는 목적이 있는가? (목적론 참조)
  • 의식의 존재가 현실의 존재에 어떤 역할을 하는가? 우주의 전체에 대해 우리가 알고 있는 것을 어떻게 알 수 있는가? 우주론적 추론은 형이상학적 진리를 드러내는가? (인식론 참조)

2. 1. 종교철학

철학 및 종교적 관점에서 볼 때, 우주 전체의 일부이면서 전체와 유사한 것을 "소우주"라고 부르는 반면, 우주 전체를 "대우주"라고 부른다.

2. 2. 천문학 및 현대 우주론

물리학 및 천체물리학은 과학적 관찰과 실험을 통해 우주에 대한 우리의 이해를 형성하는 데 중심적인 역할을 해왔다. 물리 우주론은 수학과 관측을 통해 전체 우주를 분석하면서 형성되었다. 우주는 일반적으로 대폭발(빅뱅)으로 시작된 후, 거의 즉각적으로 137억 9,900만±0.21억 년 전에 우주가 생겨난 것으로 생각되는 우주 급팽창인 우주팽창이 뒤따른 것으로 이해된다.[66] 우주론은 우주의 기원을 연구하고 우주도(cosmography)는 우주의 특징을 지도화한다.

디드로의 《백과전서》에서는 우주론을 천문학(하늘에 관한 과학), 항공학(공기에 관한 과학), 지질학(대륙에 관한 과학) 및 수문학(물에 관한 과학)으로 분류하고 있다.[67]

천문학적 관점에서 볼 때, “우주”는 모든 천체와 공간을 포함하는 영역을 말한다. 은하를 “소우주”라고 부르는 것과 대조적으로 “대우주”라고도 한다.

2. 3. 항공우주 및 우주공학

국제항공연맹(FAI)은 공기 저항이 거의 없는 진공 상태인 고도 100km 이상을 우주로 규정한다.[49][50] 이 기준은 카르만 라인이라고 불린다.

1950년경 미국 공군(USAF)은 고도 50해리(약 80.47km) 이상 도달한 비행사를 우주비행사로 인정했으며,[51] 연방항공청(FAA)도 이 기준을 준수하여 50해리 이상 비행한 사람을 민간 우주비행사로 인정한다.[52]

3. 용어의 의미

"우주(宇宙)"라는 단어는 보통 영어의 cosmos, universe, (outer) space에 해당하는 말로 쓰인다. 영어 cosmos는 고대 그리스어 κόσμος에서 유래했는데, 원래는 질서 있는 상태를 뜻했지만, 피타고라스가 세계 자체를 가리키는 말로도 사용하기 시작했다.[53] "우주"는 이 두 번째 의미에 해당한다. 보통 universe와 같은 뜻이지만, cosmos는 원래 의미에서 질서와 조화가 있다는 뜻을 포함한다. "시간, 공간 내에 질서 있게 존재하는 '것'이나 '것들'의 총체"[54]로서의 우주(cosmos)에 관해서는 코스모스 항목을 참고할 수 있다.

영어 universe는 라틴어 universum에서 왔으며, 모든 것과 사건의 총체를 의미한다.[55] 접두사 uni-는 숫자 "1"을 나타내지만, universe에서 파생되어 다중우주, 옴니버스와 같은 새로운 단어들이 만들어졌다.

영어 outer space 또는 단순히 space는 지구 대기권 바깥의 공간이나, 지구를 포함한 각 천체 대기권 바깥의 공간을 가리킨다. 일본어에서는 "우주공간" 또는 "외우주"로 번역되며, 일본어에서도 간단히 "우주"라고 부르는 것이 일반적이다. 지구 대기의 경우, 우주 공간과 대기권 사이의 경계로 (편의상) 카르만 한계선이 정의되어 있다. 자세한 내용은 우주 공간 항목을 참조하면 된다.

4. 역사적 우주론

물리 우주론은 우주의 물리적 기원과 진화에 대한 연구를 다루는 물리학 및 천체 물리학의 한 분야이다. 초기의 형태는 현재 천체역학으로 알려진 하늘에 대한 연구였다. 그리스의 철학자 사모스의 아리스타르코스, 아리스토텔레스, 프톨레마이오스는 서로 다른 우주론 이론을 제안했다. 16세기 니콜라우스 코페르니쿠스와 이후 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이가 태양 중심 체계를 제안하기 전까지는 지구 중심 프톨레마이오스 체계가 지배적인 이론이었다. 이는 물리 우주론에서 가장 유명한 인식론적 파열(Epistemological rupture)의 사례 중 하나이다.

1687년에 출간된 아이작 뉴턴의 《자연철학의 수학적 원리》는 만유인력의 법칙에 대한 최초의 설명을 담고 있다. 이 책은 케플러의 법칙에 대한 물리적 메커니즘을 제공했으며, 행성 간의 중력 상호작용으로 인한 이전 시스템의 이상 현상을 해결할 수 있게 해 주었다. 뉴턴의 우주론과 그 이전의 우주론의 근본적인 차이점은 지구상의 천체가 모든 천체와 동일한 물리 법칙을 따른다는 코페르니쿠스 원리였다.

현대 과학 우주론은 1917년 알베르트 아인슈타인이 "일반 상대성이론의 우주론적 고찰"[69] 논문에서 일반 상대성이론을 최종 수정하여 발표하면서 시작된 것으로 널리 알려져 있다. 일반 상대성이론은 빌렘 드 시터, 카를 슈바르츠실트, 아서 에딩턴과 같은 우주기원론자들이 천문학적인 파급 효과를 탐구하도록 자극하여 천문학자들이 매우 먼 천체를 연구할 수 있는 능력을 향상시켰다. 1922년, 알렉산더 프리드만은 움직이는 물질을 포함하는 팽창하는 우주라는 개념을 도입했다.

우주론에 대한 이러한 역동적인 접근 방식과 병행하여 우주의 구조에 대한 오랜 논쟁인 대논쟁(1917~1922년)이 절정에 달하고 있었다. 히버 다우스트 커티스와 에른스트 외픽 같은 초기 우주론자들은 망원경으로 관측한 일부 성운들이 우리 은하와는 멀리 떨어진 별개의 은하라고 판단했다.[70] 히버 커티스는 나선 성운이 그 자체로 섬 우주인 항성계라는 생각을 주장한 반면, 마운트 윌슨의 천문학자 할로 섀플리는 우리 은하 항성계로만 구성된 우주 모형을 옹호했다. 이러한 생각의 차이는 1920년 4월 26일 워싱턴 DC에서 열린 미국국립과학원 회의에서 대토론회가 열리면서 절정에 달했다. 그 논쟁은 1923년과 1924년 에드윈 허블이 안드로메다 은하에서 세페이드 변광성를 발견하면서 해결되었다.[71][72] 그 거리가 은하수 가장자리를 훨씬 넘어 나선 성운을 형성했기 때문이다.

이후 우주 모델링은 아인슈타인이 1917년 논문에서 소개한 우주상수가 그 값에 따라 우주팽창을 초래할 수 있다는 가능성을 탐구했다. 대폭발(빅뱅) 모형은 1927년 벨기에의 신부 조르주 르메트르에 의해 제안되었고,[73] 이후 1929년 에드윈 허블의 적색편이 발견[74]과 1964년 아노 펜지아스와 로버트 우드로 윌슨의 우주 마이크로파 배경 복사 발견으로 확증되었다.[75]

1990년경부터 관측 우주론의 몇 가지 극적인 발전으로 우주론은 대부분 사변적인 과학에서 이론과 관측이 정확하게 일치하는 예측 과학으로 변모했다. 이러한 발전에는 COBE,[76] WMAP,[77] 플랑크 위성[78]의 마이크로파 배경 관측, 2dF 은하 적색편이 탐사[79] 및 SDSS[80]를 포함한 새로운 대형 은하 적색편이 탐사(redshift survey), 원거리 초신성 및 중력 렌즈 관측이 포함된다. 이러한 관측 결과는 우주 급팽창 이론, 수정된 빅뱅 이론, 람다-CDM 모형으로 알려진 특정 버전의 예측과 일치했다. 이로 인해 많은 사람들이 현대를 "우주론의 황금기"라고 부르게 되었다.[81]

2014년에 BICEP2 공동 연구팀은 우주 마이크로파 배경에서 중력파의 흔적을 감지했다고 주장했으나, 이 결과는 나중에 가짜로 밝혀졌다. 중력파의 증거로 추정되는 것은 실제로 성간 먼지로 인한 것이었다.[82][83]

2014년 12월 1일, 이탈리아 페라라에서 열린 플랑크 2014 회의에서 천문학자들은 우주의 나이가 138억 년이며 원자 물질 4.9%, 암흑 물질 26.6%, 암흑 에너지 68.5%로 구성되어 있다고 보고했다.[84]

4. 1. 고대 인도

베다(기원전 1000년경~기원전 500년경) 시대에는 무(無)로부터의 발생, 원초적 원인의 희생에 의한 창조, 고행의 열로부터의 창조 등 다양한 우주 생성론이 있었으며, 지상계·공계·천계의 삼계로 세계를 분류했다.[56]

이후, 반복적으로 생성·소멸하는 우주라는 개념이 성립되었는데, 이는 업(業, 카르마) 사상과 관련이 있다.[56]

이러한 무한 반복의 원인은 초기 불교에서는 중생의 업력(業力)의 집적으로 이해되었으나, 힌두교에서는 창조신 브라흐마(Brahmā)의 잠과 각성의 주기로 표상되었다 (이후 브라흐마는 비슈누(Viṣṇu)로 대체됨).[56]

4. 2. 다양한 신화

종교적 또는 신화적 우주론은 신화, 종교, 비전 문헌과 전통에 기반한 창조와 종말론에 대한 신념 체계이다. 미르체아 엘리아데와 그의 동료 찰스 롱은 창조 신화를 일반적으로 다섯 가지 유형으로 분류했다.

  • 유사한 모티프를 기반으로 한 창조 신화의 유형:
  • * 무(無)에서의 창조(''Creatio ex nihilo''): 신적 존재의 생각, 말, 꿈 또는 신체 분비물을 통해 창조가 이루어지는 경우.
  • * 물속 잠수부 창조: 창조주가 보낸 새나 양서류와 같은 잠수부가 원시 바다를 통해 해저로 잠수하여 모래나 진흙을 가져와 지상 세계를 만드는 경우.
  • * 출현 신화: 조상들이 일련의 세계와 변형 과정을 거쳐 현재의 세계에 도달하는 경우.
  • * 원초적 존재의 해체를 통한 창조.
  • * 원초적 통일체의 분열 또는 질서를 통한 창조: 우주 알의 깨짐이나 혼돈으로부터 질서를 가져오는 경우.[27]


세계 각지에는 신에 의해 세계가 창조되었다는 언급, 이야기, 설이 다수 존재하며, 창조 신화 또는 창세 신화라고도 불린다.

4. 3. 고대 그리스

헤시오도스의 『신통기』에 따르면, "먼저 카오스가 생겨났다"라고 한다.[27] 고대 그리스어에서 "chaos"는 《크게 벌린 입》을 의미하며, 만물이 카오스로부터 생성되었다고 여겨졌다. 또한 카오스는 암흑을 낳았다고도 한다.

피타고라스 학파는 우주를 코스모스라고 불렀다. 고대 그리스에서 "kosmos"는 조화나 질서가 있는 상태를 의미하며, 정원, 사회의 법, 사람의 마음 등이 조화를 이루고 있는 상태를 "kata kosmon(코스모스에 부합하고 있다)"라고 표현했다. 이 학파는 수를 신앙하며, 모든 존재가 하모니아나 심메트리아와 같은 수적인 아름다움의 질서를 근원으로 한다고 생각하여, 세계를 코스모스라고 여겼다. 이들은 불규칙해 보이는 천문 현상 뒤에 숨겨진 수적인 질서를 설명하고자 했으며, 그 연장선상에서 프로클루스와 에우독소스 등의 우주론이 등장했다.

페트루스 아피아누스(Peter Apian)가 그린 “Cosmographia”. 고대부터 중세에 걸친 우주론. (안트베르펜, 1539년)


고대 그리스의 에우독소스(기원전 4세기경)는 지구가 중심에 있고 천체가 그 주위를 돈다는 지구 중심설(천동설)을 주장했다. 그는 27개의 층으로 된 천구가 지구를 둘러싸고 있다고 가정했다. 칼리푸스(기원전 370-300년경)는 에우독소스의 설을 발전시켜 천구를 34개로 늘렸다.

아리스토텔레스(기원전 384-322년)는 『형이상학』에서 에우독소스와 칼리푸스의 설을 계승·발전시켰다. 그는 지구가 중심에 있고 천구가 둘러싸고 있다고 보았으나, 에우독소스나 칼리푸스와 달리 천구들이 연계된 시스템으로 구성되어 있다고 생각하여 그 수를 48 또는 56개로 늘렸다. 각 층은 고유한 신, 즉 스스로는 움직이지 않으면서 다른 것을 움직이는 신(:en:unmoved mover)에 의해 움직인다고 보았다. 아리스토텔레스는 이 세계가 4원소로 구성되어 있으며, 천구는 4원소 외에 다섯 번째 불변 원소인 에테르를 포함한다고 생각했다. 그는 천구의 세계가 영원히 불변이라고 믿었다.

4. 4. 신약성서

칠십인역 성경에서는 oikumene라는 단어 외에 κόσμος(kosmos)라는 단어가 사용되었다. 기독교 신학에서 kosmos라는 단어는 “이 세상”이라는 의미로, 즉 “저 세상”과 대비되는 의미로도 사용되었다.[27]

4. 5. 프톨레마이오스

클라우디오스 프톨레마이오스(2세기경)는 저서 『알마게스트』에서 주로 천구에 있는 천체의 수학적 분석, 즉 태양, 달, 행성 등의 천체 궤도 계산법을 정리하였다. 후대의 저서 『행성 가설』에서는 자연학적인 묘사를 시도하여, 동심원적 세계관, 즉 지구가 우주의 중심에 있으며 그 주위를 태양, 달, 행성이 회전한다는 것을 보였다. 행성의 순서는 전통에 따라 지구(를 중심으로), 달, 수성, 금성, 태양, 화성, 목성, 토성 순으로 하였다.

알마게스트(조르조 트레비존도의 라틴어 번역본, 1451년경)

4. 6. 이슬람 세계

이븐 시나는 아리스토텔레스의 이론, 프톨레마이오스의 이론, 네오플라토니즘을 혼합한 우주론을 제시하였다. 그는 지구가 중심이고 9개의 천구가 동심원 구조를 이루고 있다고 하였다. 가장 바깥쪽에는 "최고천(諸天の天)"이 있고, 그 안쪽에 "항성천(獣帯天の天球)", 토성천, 목성천, 화성천, 태양천, 금성천, 수성천, 달천이 있으며, 가장 안쪽에 지상계(地球)가 있다고 보았다. 최고천에서 달천까지의 9개 천구는 모두 제5원소인 에테르로 구성되어 변하지 않지만, 지상계는 사원소의 결합과 분해에 의해 생성과 소멸을 반복한다고 하였다. 9개의 천구는 지구를 중심으로 원운동을 하는데, 그 동력은 각 천구의 영혼이다. 영혼 위에는 각 천구를 다스리는 지성(누스)이 존재한다. 유일신(알라)으로부터 제1지성이 발현(放射)되고, 제1지성으로부터 제2지성과 제1천구 및 그 영혼이 발현된다. 이러한 발현은 하위 지성에서도 계속 반복되어 마지막으로 지상계가 출현한다고 설명한다.[56]

4. 7. 유럽 중세

스콜라 철학에서는 아리스토텔레스의 이론을 채택하여 그의 『자연학』과 4원소설을 계승했다. 지상계(인간의 관점에서 달보다 가까운 쪽 세계)는 4원소의 불연속적 집합에 의해 생성과 소멸이 일어나는 세계이지만, 천상계(달보다 먼 쪽 세계)는 지상의 세계와는 근본적으로 다른 세계라고 여겨졌다.[57] 천상계는 완전성을 구현한 것으로 여겨졌으며, 오직 원운동만이 허용되는 영원하고 불생불멸의 세계라고 여겨졌다.[58] 또한 천상계는 고유한 제5원소로 구성된다고 여겨졌다.[58]

5. 현대 우주론

20세기 초, 서구 물리학자들은 우주가 시작도 끝도 없는 정적인 상태라고 생각했다. 이는 당시 학계의 지배적인 믿음이었다.

현대 우주론 연구는 관측과 이론이라는 두 가지 축을 중심으로 발전했다. 1915년, 알베르트 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 발표했다. 그는 물질이 존재하는 우주가 정적인 상태를 유지하도록 자신이 유도한 아인슈타인 방정식에 우주 상수를 추가했다. 그러나 "아인슈타인 우주 모델"은 불안정하여 결국 팽창하거나 수축하게 된다는 문제가 있었다.

알렉산드르 프리드만은 일반 상대성 이론의 우주론적 해를 발견했다. 그의 방정식은 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 계량에 기반하여 팽창하거나 수축하는 우주를 설명한다.

1910년대에 베스토 슬라이퍼와 카를 빌헬름 비르츠는 나선은하의 적색편이를 도플러 효과로 해석하여 이들이 지구로부터 멀어지고 있다고 보았다. 하지만 당시 기술로는 천체까지의 거리를 정확하게 측정하기 어려웠고, 그들이 관측한 것이 우리 은하수 밖에 있는 다른 은하인지, 아니면 우리 은하 내의 다른 천체인지 명확히 알 수 없었다.

1920년 4월 26일, 미국 국립 과학 아카데미에서 할로 섀플리와 히버 더스트 커티스는 '우주의 크기'라는 주제로 공개 토론회를 열었다. 섀플리는 우리 은하의 크기가 지름 약 30만 광년이며, 나선성운은 구상성단처럼 은하계 내에 있다고 주장했다. 반면 커티스는 은하계의 크기가 지름 약 2만 광년이며, 나선성운은 우리 은하에 포함되지 않는 독립적인 은하라고 주장했다. 이 토론은 '대 논쟁'으로 불리며 천문학자들에게 큰 영향을 미쳤다.

1927년, 벨기에의 가톨릭 사제 조르주 르메트르는 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 방정식을 독자적으로 유도하고, 나선성운이 멀어지는 현상을 바탕으로 우주가 "원시 원자"의 폭발로 시작되었다는 가설을 제시했다. 이는 후에 빅뱅 이론으로 불리게 된다. 1929년 에드윈 허블은 허블 법칙을 통해 르메트르 이론의 관측적 근거를 제시했다. 그는 세페이드 변광성을 관측하여 나선은하까지의 거리를 측정하고, 은하의 적색편이와 거리 사이의 관계를 발견했다. 그는 이 결과를 은하들이 모든 방향에서 거리에 비례하는 속도로 멀어지고 있다고 해석했다.

우주 원리에 따르면 허블 법칙은 우주가 팽창하고 있음을 의미한다. 르메트르가 제안하고 조지 가모브가 발전시킨 빅뱅 이론과 프레드 호일이 1948년에 제창한 정상 우주 모델이 주요 이론으로 경쟁했다. 정상 우주론은 은하들이 멀어짐에 따라 새로운 물질이 생성되어 우주가 어느 시점에서나 거의 같은 모습을 유지한다고 주장했다. 오랫동안 두 이론은 비슷한 지지를 받았다.

1965년 우주 마이크로파 배경 복사가 발견되면서 우주가 고온 고밀도 상태에서 진화해 왔다는 빅뱅 이론이 우주의 기원과 진화를 설명하는 가장 유력한 이론으로 자리 잡았다.

1960년대 말 이전에는 많은 우주론 연구자들이 프리드만 우주 모델의 초기 밀도 무한대 특이점은 수학적 관념의 결과이며 실제로는 고온 고밀도 상태 이전에 수축, 이후 팽창으로 이어진다고 보았다. 이러한 모델을 리처드 톨먼의 진동 우주론이라 한다. 1960년대에 스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 진동 우주론은 불가능하며, 특이점은 아인슈타인의 중력 이론의 본질적 성질임을 증명했다.

빅뱅 이론


이로 인해 대부분의 우주론 연구자들은 우주가 유한한 시간의 과거에서 시작되었다는 빅뱅 이론을 받아들이게 되었다. 그러나 현재에도 일부 연구자들은 빅뱅 이론의 문제점을 지적하고 정상 우주론이나 플라스마 우주론 등의 대안 우주론을 주장하고 있다.

5. 1. 우주 팽창의 발견

1910년대에 베스토 슬라이퍼와 카를 빌헬름 비르츠는 나선성운의 적색편이를 도플러 효과로 해석하여, 이들이 지구에서 멀어지고 있다고 보았다.[12] 그러나 천체까지의 거리를 측정하는 것은 매우 어려웠다. 그들은 나선성운이 실제로 우리 은하수 외부에 있는 은하라는 것을 알지 못했고, 자신들의 관측 결과가 우주론적으로 어떤 의미를 가지는지도 생각하지 못했다.

1920년 4월 26일, 미국 국립 과학 아카데미에서 할로 섀플리와 히버 더스트 커티스는 '우주의 크기'라는 제목으로 공개 토론회를 열었다. 섀플리는 "우리 은하계의 지름은 약 30만 광년이며, 나선성운은 구상성단과 마찬가지로 은하계 내에 있다"고 주장했다. 반면 커티스는 "은하계의 지름은 약 2만 광년이며, 나선성운은 (이 은하계에 포함되지 않는) 독립적인 다른 은하이다"라고 주장했다. 이 토론은 천문학자들에게 큰 영향을 주어 '대 논쟁'이라고 불리게 되었다.[12]

5. 2. 빅뱅 이론의 등장

물리학과 천체물리학은 과학적 관찰과 실험을 통해 우주에 대한 이해를 형성하는데 중요한 역할을 해왔다. 물리 우주론은 수학과 관측을 통해 우주 전체를 분석하면서 형성되었다. 우주는 일반적으로 대폭발(빅뱅)으로 시작되어, 거의 즉각적으로 우주 급팽창이 뒤따른 것으로 이해된다.[66]

1927년 벨기에의 가톨릭 사제인 조르주 르메트르는 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 방정식을 독자적으로 유도하고, 나선은하가 멀어지고 있다는 관측에 기초하여 우주가 "원시 원자"의 "폭발"에서 시작되었다는 설을 제창했다. 이는 나중에 대폭발(빅뱅)이라고 불리게 되었다.[15] 1929년에 에드윈 허블은 허블 법칙을 통해 르메트르의 이론에 대한 관측적 근거를 제시했다.[16] 허블은 세페이드 변광성을 관측하여 나선은하까지의 거리를 측정했고, 은하의 적색편이와 그 광도 사이의 관계를 발견했다. 그는 이 결과를 은하가 모든 방향으로 그 거리에 비례하는 속도로 지구로부터 멀어지고 있다고 해석했다.

조지 가모브는 르메트르가 제안한 대폭발(빅뱅) 이론을 지지하고 발전시켰다.[15] 한편, 프레드 호일은 1948년 은하가 서로 멀어짐에 따라 새로운 물질이 생성되어 우주가 어느 시점에서나 거의 같은 모습을 한다는 정상 우주 모델을 제창하였다. 오랫동안 이 두 모델에 대한 지지자들의 수는 거의 비슷하게 나뉘어 있었다.

그러나 1965년 우주 마이크로파 배경 복사의 발견 이후, 우주가 고온 고밀도 상태에서 진화해 왔다는 대폭발(빅뱅) 이론이 우주의 기원과 진화를 설명하는 가장 적합한 이론으로 여겨지게 되었다.[17]

5. 3. 정상 우주론과의 경쟁

1927년 벨기에의 가톨릭 사제 조르주 르메트르는 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 방정식을 독자적으로 유도하고, 나선 성운이 멀어지는 현상을 바탕으로 우주가 "원시 원자"의 "폭발"로 시작되었다는 가설을 제시했다. 이는 후에 빅뱅 이론으로 불리게 된다.[66] 1929년 에드윈 허블은 르메트르의 이론을 뒷받침하는 관측 결과를 발표했다. 허블은 나선 성운이 은하임을 증명하고, 세페이드 변광성을 관측하여 거리를 측정했다. 그는 은하의 적색편이와 거리 사이의 관계를 발견하고, 은하들이 모든 방향에서 거리에 비례하는 속도로 멀어지고 있다고 해석했다. 이는 허블 법칙으로 알려지게 되었다.

우주 원리에 따르면 허블 법칙은 우주가 팽창하고 있음을 시사한다. 이 아이디어에는 두 가지 가능성이 제기되었다. 하나는 르메트르가 제안하고 조지 가모브가 발전시킨 빅뱅 이론이다. 다른 하나는 프레드 호일이 1948년에 제창한 정상 우주 모델이다. 정상 우주론에서는 은하들이 멀어짐에 따라 새로운 물질이 생성되어 우주가 어느 시점에서나 거의 같은 모습을 유지한다고 주장했다. 오랫동안 두 이론은 비슷한 지지를 받았다.

그러나 1965년 우주 마이크로파 배경 복사가 발견되면서 상황이 바뀌었다. 이 발견은 우주가 고온 고밀도 상태에서 진화해 왔다는 빅뱅 이론을 강력하게 뒷받침했다.[8] 이후 빅뱅 이론은 우주의 기원과 진화를 설명하는 가장 유력한 이론으로 자리 잡았다. 1960년대 말 이전에는 많은 우주론 연구자들이 프리드만 우주 모델의 초기 밀도 무한대 특이점은 수학적 관념의 결과이며 실제로는 고온 고밀도 상태 이전에 수축, 이후 팽창으로 이어진다고 보았다. 이러한 모델을 리처드 톨먼의 진동 우주론이라 한다. 1960년대에 스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 진동 우주론은 불가능하며, 특이점은 아인슈타인의 중력 이론의 본질적 성질임을 증명했다.

이로 인해 대부분의 우주론 연구자들은 우주가 유한한 과거에서 시작되었다는 빅뱅 이론을 받아들이게 되었다.

5. 4. 특이점 이론

1960년대 말 이전에는 많은 우주론 연구자들이 프리드만의 우주 모델 초기 상태에 나타나는 밀도 무한대의 특이점은 수학적 관념화의 결과로 나오는 것이며, 실제 우주는 고온 고밀도 상태 이전에는 수축하고 있었고, 그 후 다시 팽창한다고 생각했다. 이러한 모델을 리처드 톨먼의 진동 우주론이라고 부른다. 1960년대에 스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 진동 우주론은 실제로 잘 되지 않으며, 특이점은 알베르트 아인슈타인의 중력 이론의 본질적인 성질임을 보였다.[17]

5. 5. 대안 우주론

물리학 및 천체물리학은 과학적 관찰과 실험을 통해 우주에 대한 이해를 형성하는 데 중요한 역할을 해왔다. 물리 우주론은 수학과 관측을 통해 전체 우주를 분석하면서 형성되었다. 우주는 일반적으로 대폭발(빅뱅)으로 시작된 후, 거의 즉각적으로 137억 9,900만±0.21억 년 전에 우주 급팽창이 뒤따른 것으로 이해된다.[66]

1960년대 말 이전에는 많은 우주론 연구자들이 프리드만의 우주 모델에서 초기 상태의 밀도 무한대 특이점은 수학적 관념화의 결과이며, 실제 우주는 고온 고밀도 상태 이전에는 수축하다가 이후 다시 팽창한다고 생각했다. 이러한 모델을 톨먼의 진동 우주론이라고 부른다. 1960년대에 스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 진동 우주론이 실제로 잘 작동하지 않으며, 특이점은 아인슈타인의 중력 이론의 본질적인 성질임을 보였다.

이에 따라 대부분의 우주론 연구자들은 우주가 유한한 시간의 과거에서 시작되었다는 빅뱅 이론을 받아들이게 되었다.

그러나 현재에도 일부 연구자들은 빅뱅 이론의 문제점을 지적하고 정상 우주론이나 플라스마 우주론 등의 대안 우주론을 주장하고 있다.

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