우주론 원리

3. 기원

아이작 뉴턴의 《자연철학의 수학적 원리》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 1687)에서 우주론적 원리가 처음으로 명확하게 주장되었다.^[1] 지구가 우주의 중심이라는 이전의 고전적 또는 중세 우주론과 대조적으로, 뉴턴은 지구를 모든 방향으로 무한히 확장되는 빈 공간 내에서 태양 주위를 공전하는 구체로 개념화했다. 그는 행성과 혜성의 운동에 대한 상세한 관측 데이터에 대한 일련의 수학적 증명을 통해, 목성 주위의 갈릴레이 위성, 지구 주위의 달, 태양 주위의 지구, 그리고 지구에 떨어지는 물체의 궤도에도 적용되는 만유인력이라는 단일한 원리로 그들의 운동을 설명할 수 있음을 보여주었다.^[1] 즉, 그는 태양계 내 모든 천체의 동등한 물질적 성질, 태양과 멀리 떨어진 별의 동일한 성질을 주장하고, 따라서 운동의 물리 법칙이 지구 자체의 관측 위치를 훨씬 넘어 멀리까지 균일하게 확장된다고 주장했다.^[1]

4. 시사점

관측에 따르면 지구에서 더 먼 곳의 은하들은 서로 더 가깝고 리튬보다 무거운 화학 원소의 함량이 더 낮다.^[46] 이는 더 무거운 원소가 빅뱅에서 생성된 것이 아니라 거성의 핵합성을 통해 생성되어 일련의 초신성 폭발과 초신성 잔해에서 새로운 별이 생성되는 과정을 통해 배출되었음을 의미하며, 시간이 지남에 따라 무거운 원소가 축적됨을 뜻한다. 또한, 가장 먼 은하(초기)는 국지적 은하(최근)보다 더 단편적이고 상호작용하며 비정상적인 모양을 하고 있어 은하 구조의 진화도 시사한다.

우주론 원리의 시사점은 우주에서 가장 큰 이산 구조가 기계적 평형 상태에 있다는 것이다. 가장 큰 규모에서 물질의 균질성과 등방성은 가장 큰 불연속적인 구조가 빵의 내부를 구성하는 부스러기와 같은 하나의 불연속 형태의 일부임을 나타낸다.

우주론자들은 멀리 떨어진 은하에 대한 관측을 통해 우주가 우주론적 원리를 따른다면 정적이지 않아야 한다는 데 동의한다. 1923년 알렉산드르 프리드만은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 방정식에서 균질하고 등방성인 우주의 역학을 설명하는 변형된 방정식을 제시했다.^[47][48] 이와 독립적으로 조르주 르메트르는 1927년에 일반 상대성 이론 방정식에서 팽창하는 우주에 대한 방정식을 도출했다.^[49] 따라서 멀리 떨어진 은하에 대한 관측과 관계없이, 우주론적 원리를 일반 상대성 이론에 적용하면 비정적 우주가 도출된다.

5. 비판

칼 포퍼는 우주론적 원리가 "우리의 지식 부족을 무언가를 아는 원리로 만든다"라고 비판했다.^[50][9] 그는 우주론 원리가 제안되지 않았어야 하는 교리라고 보았다.

6. 관측

우주 마이크로파 배경(CMB)은 ΛCDM 모형에서 등방성을 가질 것으로 예측된다. 즉, 어느 방향을 보든 그 세기가 거의 같다는 것이다.^[11] 플랑크 위성의 데이터는 평균 온도(온도 변동)와 섭동 정도(밀도)의 변화, 이 두 가지 측면에서 반구 편향을 보여준다.^[12][13] 공동 연구진은 이러한 특징이 등방성과 통계적으로 크게 모순되지 않는다고 언급했다.^[14] 지구 주변 우주가 높은 유의성으로 등방적이라는 연구 결과도 있다.^[15] 그러나 은하단,^[16][17] 퀘이사,^[18] Ia형 초신성에서 등방성 위반 주장이 제기되고 있다.^[19]

6. 1. 불일치

6. 1. 1. 거대 구조

• 1991년에 발견된 클로즈-캄푸사노 LQG는 길이가 580Mpc로, 일관된 규모보다 약간 더 크다.
• 2003년에 발견된 슬론 장성은 길이가 423Mpc로,^[54] 우주론적 원리와 겨우 일치한다.
• 2011년에 발견된 거대 퀘이사군 U1.11은 길이가 780Mpc로, 동질성 척도의 상한선보다 2배 이상 크다.
• 2012년에 발견된 거대-LQG는 현재 모델에 따라 예측 가능한 것보다 3배 더 길고 너비가 2배이므로, 대규모 우주에 대한 이해에 도전한다.
• 2013년 11월, 100억 광년 떨어진 곳에서 길이가 2000~3000Mpc (SGW의 7배 이상)인 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성이 발견되어 우주론의 타당성에 대한 의문이 제기되었다.^[55]
• 2021년 6월, 약 1000Mpc에 달하는 구조물인 거대 호(Giant Arc)가 발견되었다.^[56] 이는 2820Mpc 거리에 있으며 은하, 은하단, 가스 및 먼지로 구성되어 있다.
• 2024년 1월, 빅 링이 발견되었다. 지구에서 92억 광년 떨어져 있으며 지름이 13억 광년으로, 지구에서 보이는 보름달 15개 정도의 크기이다.^[25]

6. 2. CMB 쌍극자

7. 완벽한 우주론

'''완벽한 우주론적 원리'''는 우주론 원리의 확장으로, 공간뿐만 아니라 시간적으로도 균질하고 등방적이라고 설명한다. 이 원리에 따르면 우주는 (대규모로 볼 때) 모든 곳에서 동일하게 보이며, 항상 그래왔고 앞으로도 그럴 것이다. 완벽한 우주론적 원리는 정상 상태 이론을 뒷받침하며 혼돈 인플레이션 이론에서 기원한다.^[60][61][62]

참조

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